JPH0261148B2 - - Google Patents

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JPH0261148B2
JPH0261148B2 JP29210886A JP29210886A JPH0261148B2 JP H0261148 B2 JPH0261148 B2 JP H0261148B2 JP 29210886 A JP29210886 A JP 29210886A JP 29210886 A JP29210886 A JP 29210886A JP H0261148 B2 JPH0261148 B2 JP H0261148B2
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JP
Japan
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active layer
superlattice
compound semiconductor
layer
gaas
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JP29210886A
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English (en)
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JPS63143871A (ja
Inventor
Naoki Nishama
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Application filed by Sumitomo Electric Industries Ltd filed Critical Sumitomo Electric Industries Ltd
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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、電界効果トランジスタに関するも
のであり、さらに詳細には、IC、LSIの構成要素
であるトランジスタとして特に好適に使用される
金属−半導体接合型電界効果トランジスタに関す
るものである。
[従来の技術] ICやLSIに用いられる電界効果トランジスタ
(以下FETと略す)において、In0.53Ga0.47As等の
ように、金属とのシヨツトキ接合を形成すること
が困難な混晶化合物半導体を動作層として用いた
FETでは、金属−絶縁物−半導体接合型FET
(MISFET)、あるいはpn接合型FET(JFET)が
一般的に使用されている。これらのFETについ
ては、たとえば、E.Yamaguchi、Jpn.J.Appl.
Phys.23(1)(1984)L49:C.Y.Chen.Appl.Phys.
Lett.40(5)(1982)401等において詳細に説明され
ている。
従来のMISFETにおいては、たとえば第3図
に示す構成が採用されている。このMISFETは、
半絶縁性基板21上にエピタキシヤル成長により
動作層22が形成され、動作層22上にソース電
極25、ドレイン電極26として用いられるオー
ミツク接合電極が形成されているとともに、絶縁
物層23を介在させて、ゲート電極24が形成さ
れている。
また、従来のJFETにおいては、第4図に示す
構成が採用されている。このJFETは、半絶縁性
基板31上にエピタキシヤル成長によりn型半導
体からなる動作層32が形成され、動作層32の
上にソース電極35、ドレイン電極36として用
いられるオーミツク接合電極が形成されていると
ともに、動作層32と同じ組成のp+半導体層3
3を介在させて、ゲート電極34が形成されてい
る。
上記のMISFETにおいては、ゲート電極24
と動作層22との間に、動作層22とは全く異質
な結晶構造を有する絶縁物層23を介在させた構
成であるから、動作層22と絶縁物層23との間
に多くの準位が発生し、FET特性を劣化させて
いるという問題がある。
さらに、上記のJFETにおいては、n型半導体
からなる動作層32とゲート電極34との間にp
型不純物をドーピングし、あるいは選択拡散させ
ることにより形成されたp+半導体層33を介在
させた構成であるから、p−n接合界面での逆方
向または順方向耐圧は、バンドギヤツプが小さい
半導体では小さくなり、一般に電子移動度が大き
いInxGa1-xAs(x≧0.53)やInAsySb1-y等のよう
に、バンドギヤツプが小さい混晶化合物半導体材
料についてはその有効性が著しく小さくなるとい
う問題がある。また、p+半導体層33を得るた
めに添加するp型不純物は固相内拡散を行なうの
であるから、動作層の厚みの制御性を悪くすると
いう問題もある。
さらには、作成プロセス上の観点から見ると、
絶縁物層、またはp+半導体層を形成する場合に
は、ソース電極、ドレイン電極と動作層とのオー
ミツク接合を形成するために、ソース電極、ドレ
イン電極と動作層との間に介在する絶縁物層、
p+半導体層を選択的に除去する必要があり、作
製工程が複雑化するという問題がある。
この発明の目的は、上述の問題点を解消し、作
製工程を簡素化できるとともに、材料選択の自由
度を高めることができ、しかも優れた特性を発揮
できるFETを提供することにある。
[問題点を解決するための手段] この発明のFETは、半絶縁性半導体基板上に
2種以上の異なる組成の化合物半導体を交互に周
期的に積層してなる超格子を動作層として形成
し、シヨツトキ電極と動作層の間に超格子により
構成される緩衝層を設け、この緩衝層を構成する
それぞれの化合物半導体薄膜の組成を、動作層で
ある超格子を構成するそれぞれの化合物半導体の
組成からシヨツトキ接合がより容易になるような
化合物半導体の組成へと、動作層からシヨツトキ
電極に向かい段階的にまたは連続的に変化させて
いる。
さらに、緩衝層を構成する半導体薄膜の組成を
徐々に変化させることにより、格子不整に基づく
結晶欠陥の発生を防止している。
また、動作層は、半絶縁性半導体基板上にエピ
タキシヤル成長により形成されたものであり、超
格子を用いて構成されているため、その層厚方向
の平均格子定数は、半導体基板の格子定数に比べ
て大きくても小さくてもよく、あるいは同じであ
つてもよい。
[作用] この発明のFETでは、動作層である超格子を
構成する化合物半導体の組成からシヨツトキ接合
がより容易になるような化合物半導体の組成へと
動作層からシヨツトキゲート電極に向かい段階的
にまたは連続的に変化させた緩衝層が、シヨツト
キゲート電極と動作層との間に設けられているの
で、シヨツトキゲート電極と動作層との間で良好
なシヨツトキ接合を形成させることができる。
しかも、動作層内の電子移動度は、従来の混晶
化合物半導体に比べて大きいかあるいは同じであ
るため、良好なFET特性を発揮させることがで
きる。
[実施例] 第1図はこの発明の一実施例を示す断面図であ
り、半絶縁性半導体基板1上に動作層2および緩
衝層3を形成し、緩衝層3上にシヨツトキゲート
電極4を形成しているとともに、シヨツトキゲー
ト電極4から隔離させてソース電極5およびドレ
イン電極6を形成している。
さらに詳細に説明すると、半絶縁性半導体基板
1は、InPにFeをドープしたものであり、動作層
2は2種以上の異なる組成の化合物半導体薄膜と
してInAsとGaAsをMBE成長により、それぞれ
約20Åの膜厚で交互に周期的に積層した超格子か
らなる。動作層2全体の厚みは、約0.2μmであ
り、またGaAs層にのみn型不純物原子であるSi
をドーピングし、動作層2全体として電子密度を
約2×1017cm-3になるよう形成されている。動作
層2上の緩衝層3は、InAs層の組成を徐々にシ
ヨツトキ接合の形成がより容易であるGaAsに近
づくように変化させながら形成したInxGa1-xAs
およびGaAsからなる超格子で構成されている。
なお、動作層の最上層はGaAsになるように積層
を終了させてある。緩衝層3全体の厚みは約0.1μ
mである。
シヨツトキゲート電極4はAl金属で構成され
たものあり、ソース電極5およびドレイン電極6
はAuGeNi合金で構成されたものである。
電流−電圧特性を示す第2図から明らかなよう
に、シヨツトキゲート電極4と動作層2との間の
接合は、良好なシヨツトキ特性を示すシヨツトキ
接合であつた。
第5図は、比較のため、緩衝層3を設けること
なく動作層2の上に直接Al金属を蒸着した従来
の場合の電流−電圧特性を示したものである。第
5図に示す従来の場合には、電流−電圧特性が直
線状を呈しており、シヨツトキ特性を有していな
いことがわかる。
以上の結果から明らかなように、動作層2とし
てのInAsおよびGaAs化合物半導体薄膜(各々約
20Åの厚み)からなる超格子層上に、InAs層の
組成を徐々にシヨツトキ接合の形状をより容易で
あるGaAsに近づくように変化させながら形成し
たInxGa1-xAsおよびGaAsからなる超格子で構成
された緩衝層3を導入することにより、実効的な
シヨツトキ障壁を高くすることができ、Alシヨ
ツトキゲート電極4と動作層2との間で良好なシ
ヨツトキ接合を得ることができる。
さらに、緩衝層3を構成する半導体薄膜の組成
を徐々に変化させることにより、格子不整に基づ
く結晶欠陥の発生を防止することができる。ま
た、動作層2および緩衝層3を超格子で構成する
ことにより、InAsとGaAsとの格子不整は約7%
と大きいにもかかわらず、InAs膜厚とGaAs膜厚
がそれぞれ約20Å以内であれば、動作層全体の格
子定数とInPの格子定数との大小関係に影響され
ることなく、動作層および緩衝層の最表面は鏡面
となる。したがつて、同一平均組成のInxGa1-x
As混晶化合物半導体薄膜の表面状態に比べ著し
く改善される。このことについては、Y.Matsui
他、Proc.Int.Con.Modulated Semiconductor
Structures(edited by H.Sakaki)、Kyoto、418
(1985)において報告されている。
上記のように表面状態が改善されるということ
は、ゲート電極金属の接合界面が平坦になること
であり、良好なシヨツトキ接合が形成される要因
の1つとなる。
また、ソース電極5およびドレイン電極6の形
成については、動作層2および緩衝層3を構成す
る化合物半導体薄膜が約20Å以下の厚みで形成さ
れているので、従来から汎用されている合金加熱
処理を施すことによりオーミツク接合電極を形成
させることができた。すなわち、電極を構成する
元素が自然に拡散し、ソース電極5およびドレイ
ン電極6の真下の動作層および緩衝層の領域のみ
が合金化してしまうので、従来通りの良好なオー
ミツク接合を形成させることができた。
この結果、従来のMISFETで問題とされてい
る、結晶構造が異なる絶縁物層と動作層との界面
で発生する準位の数と比較して、ゲート電極部分
における界面準位が著しく少ないFETを得るこ
とができた。
また、従来のJFETにおいて問題となる、p型
不純物固相内拡散に起因する動作層の厚みの制御
性の困難さを解消することができ、p−n接合に
おける十分な耐圧を得るために、動作層としてバ
ンドギヤツプが大きい半導体材料を使用する必要
性を解消することができた。
さらに、絶縁物層、p+半導体層を介在させて
ゲート電極を形成し、ソース電極、ドレイン電極
を形成する場合に上記絶縁物層、p+半導体層を
選択的に除去する従来のFETと比較して、作製
工程を簡素化することができた。
なお、この発明は上記の実施例に限定されるも
のではなく、たとえば、動作層としてInxGa1-x
As(0.7≦x≦1.0)とInxGa1-xAs(0≦x≦0.3)
の薄膜周期構造や、InxGa1-xAsとInyAl1-yAsの
薄膜同期構造、(AlxGa1-xyIn1-yAsと(Alx
Ga1-xyIn1-ySbの薄膜周期構造とすることができ
る。
また、上記の実施例では、InAsとGaAsという
2種類を用いたが、たとえばInAs、In0.53Ga0.47
AsおよびGaAsというように、3種類またはそれ
以上の種類の化合物半導体薄膜を用いて周期構造
を形成し、動作層とすることもできる。
さらに、ゲート電極金属として、Al以外に、
Ti、Au、Wシリサイドなどを用いることができ
る。
さらには、エピタキシヤル成長法としても、分
子線エピタキシヤル成長法、有機金属成長法、気
相エピタキシヤル成長法等、10数Åの薄膜をエピ
タキシヤル成長させ得るものであればよく、その
他この発明の要旨を変更しない範囲内において、
種々の設計変更を施すことが可能である。
[発明の効果] 以上説明したように、この発明では、動作層で
ある薄膜多層周期構造とゲート電極との間にシヨ
ツトキ接合の形成を容易にする緩衝層を導入する
ことにより、動作層として使用することができる
半導体材料の選択範囲を著しく拡大することがで
き、また界面準位が少ないシヨツトキゲート電極
を形成することができ、さらには不純物拡散の制
御を不要とし、作製工程を簡素化することができ
るという特有の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、この発明のFETの一実施例を示す
断面図である。第2図は、実施例において作製し
たFETの動作層とゲート電極間の電流−電圧特
性を示す図である。第3図は、従来のMISFET
を示す断面図である。第4図は、従来のJFETを
示す断面図である。第5図は、動作層上に直接
Al金属を蒸着させる従来のFETにおける動作層
とゲート電極間の電流−電圧特性を示す図であ
る。 図において、1は半絶縁性半導体基板、2は動
作層、3は緩衝層、4はシヨツトキゲート電極を
示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 半絶縁性半導体基板上に、2種以上の異なる
    組成の化合物半導体薄膜を交互に周期的に積層し
    てなる超格子を動作層として形成した電界効果ト
    ランジスタにおいて、 シヨツトキ電極と動作層の間に超格子により構
    成される緩衝層を設け、この緩衝層を構成するそ
    れぞれの化合物半導体薄膜の組成を、前記動作層
    である超格子を構成するそれぞれの化合物半導体
    の組成から、シヨツトキ接合がより容易になるよ
    うな化合物半導体の組成へと、動作層からシヨツ
    トキ電極に向かい段階的にまたは連続的に変化さ
    せたことを特徴とする、電界効果トランジスタ。 2 前記動作層である超格子を構成する化合物半
    導体がInxGa1-xAs(0≦x≦0.3)およびInxGa1-x
    As(0.7≦x≦1.0)であり、シヨツトキ接合の形
    成がより容易になる化合物半導体がGaAs(x=
    0)であることを特徴とする、特許請求の範囲第
    1項記載の電界効果トランジスタ。 3 前記動作層である超格子を構成する化合物半
    導体がGaAsおよびInAsであり、シヨツトキ接合
    の形成がより容易になる化合物半導体がGaAsで
    あることを特徴とする、特許請求の範囲第1項記
    載の電界効果トランジスタ。 4 前記動作層である超格子を構成する化合物半
    導体がInxGa1-xAsおよびInyAl1-yAsであり、シ
    ヨツトキ接合の形成がより容易になる化合物半導
    体がGaAs(x=0)またはAlAs(y=0)である
    ことを特徴とする、特許請求の範囲第1項記載の
    電界効果トランジスタ。 5 前記動作層である超格子を構成する化合物半
    導体がInxGa1-xAsおよびInyAl1-yAsであり、シ
    ヨツトキ接合の形成がより容易になる化合物半導
    体がGaAs(x=0)またはInyAl1-yAs(0≦y≦
    0.5)であることを特徴とする、特許請求の範囲
    第1項記載の電界効果トランジスタ。 6 前記動作層である超格子を構成する化合物半
    導体が(AlxGa1-xyIn1-yAsおよび(AlxGa1-xy
    In1-ySbであり、シヨツトキ接合の形成がより容
    易になる化合物半導体がAlxGa1-xAs(y=0)ま
    たはAlxGa1-xSb(y=0)であることを特徴とす
    る、特許請求の範囲第1項記載の電界効果トラン
    ジスタ。
JP29210886A 1986-12-08 1986-12-08 電界効果トランジスタ Granted JPS63143871A (ja)

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