JPH0328065B2 - - Google Patents

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JPH0328065B2
JPH0328065B2 JP60182198A JP18219885A JPH0328065B2 JP H0328065 B2 JPH0328065 B2 JP H0328065B2 JP 60182198 A JP60182198 A JP 60182198A JP 18219885 A JP18219885 A JP 18219885A JP H0328065 B2 JPH0328065 B2 JP H0328065B2
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JP
Japan
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layer
semiconductor
semiconductor layer
sqw
layers
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JP60182198A
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Yasumi Hikosaka
Yasutaka Hirachi
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 電界効界型トランジスタにおけるチヤネル構造
として、単一量子井戸(SQW)を持つ素子であ
つて、その井戸内のドーピングした層により形成
されるチヤネルをSQWのヘテロ結合により2次
元性をもたせるようにする。それにより、短チヤ
ネル効果を低減、素子特性の線形性改良、サブス
レツシヨルド特性改良及び閾値の温度による変動
減少を図る。
[Detailed Description of the Invention] [Summary] It is an element having a single quantum well (SQW) as a channel structure in a field effect transistor, and the channel formed by a doped layer in the well is formed by a heterostructure of the SQW. Two-dimensionality is created by combining. Thereby, short channel effects are reduced, linearity of device characteristics is improved, subthreshold characteristics are improved, and fluctuations in threshold values due to temperature are reduced.

〔産業上の利用分野〕[Industrial application field]

本発明は、電界効界型トランジスタに係り、特
に単一量子井戸(SQW)をチヤネル構造として
備え、該井戸内に形成されるチヤネルにSQWの
ヘテロ結合により2次元性を持たせた素子に関す
る。
The present invention relates to a field effect transistor, and more particularly to an element having a single quantum well (SQW) as a channel structure, and in which a channel formed within the well is given two-dimensionality by hetero-coupling of the SQW.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、高い相互コンダクタンス(gn)、短チヤ
ネル効果の低減等電界効界型トランジスタの特性
改善が種々試みられている。
Conventionally, various attempts have been made to improve the characteristics of field effect transistors, such as increasing mutual conductance (g n ) and reducing short channel effects.

第3図に、従来のGaAsMESFETを示す。図
において、31は半絶縁性GaAs基板、32はn
−GaAs層、33,34はソース、ドレインのコ
ンタクトのためのn+層、36,37はソース、
ドレイン電極、35はゲート電極である。ゲート
電極35にバイアス電圧を印加することにより延
びる空乏層38でチヤネルを制御することにより
FET動作を行なうが、その際、チヤネル長が短
くしたとき第5図に示す短チヤネル効果が問題に
なる。第5図に示すように、チヤネル長が1μm
程度乃至それ以下になると、図のように、電界効
界型トランジスタの閾値Vthが変動する。この変
動は、チヤネルの活性層の不純物濃度Nが大な程
少ない。そのため、従来、短チヤネル効果の低減
を図ることから活性層の高ドープ化がなされてい
る。また、活性層の高ドープ化を行なうと、第4
図にエネルギ・ハンドを示すように、空乏層41
が薄くなり変調するキヤリア42の数(単位ゲー
トバイアス変化に対して誘起できるチヤージの
量)が大きくなりgnを向上できることになる。
Figure 3 shows a conventional GaAs MESFET. In the figure, 31 is a semi-insulating GaAs substrate, 32 is an n
-GaAs layer, 33 and 34 are n + layers for source and drain contacts, 36 and 37 are source,
35 is a drain electrode and a gate electrode. By controlling the channel with the depletion layer 38 extending by applying a bias voltage to the gate electrode 35.
FET operation is performed, but when the channel length is shortened, the short channel effect shown in FIG. 5 becomes a problem. As shown in Figure 5, the channel length is 1 μm.
When the voltage decreases to a certain level or lower, the threshold value Vth of the field effect transistor changes as shown in the figure. This variation becomes much smaller as the impurity concentration N of the active layer of the channel decreases. Therefore, conventionally, the active layer has been highly doped in order to reduce the short channel effect. Also, if the active layer is highly doped, the fourth
As shown in the figure, the depletion layer 41
becomes thinner, the number of modulated carriers 42 (the amount of charge that can be induced for a unit gate bias change) increases, and g n can be improved.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

ところが、なお従来の素子においては、活性層
の高ドープ化に伴う素子耐圧の低下、或は移動度
の低下等の問題がある。本発明はこれらの問題を
解決して、優れた特性の素子を提供しようとする
ものである。
However, conventional devices still have problems such as a decrease in device breakdown voltage or a decrease in mobility due to highly doped active layers. The present invention aims to solve these problems and provide an element with excellent characteristics.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明においては、単一量子井戸(SQW)内
にドーピングした層を形成して該量子井戸層をチ
ヤネルとして利用し、該チヤネルを単一量子井戸
(SQW)のヘテロ接合により2次元性をもたせる
ようにしている。
In the present invention, a doped layer is formed in a single quantum well (SQW), the quantum well layer is used as a channel, and the channel is given two-dimensionality by a heterojunction of the single quantum well (SQW). That's what I do.

第2図の本発明の実施例の素子のエネルギ・バ
ンド図を採つて本発明を説明すると、図において
i−AlGaAs6、i−AlGaAs2の間に単一量子
井戸(SQW)が形成されている。該単一量子井
戸(SQW)内にはプレーナ・ドープ又は高ドー
プした層dを形成してあり、この層より供給され
る電子ガスeをヘテロ接合により閉じ込めて2次
元性を持たせている。単一量子井戸(SQW)の
幅としては2次元性を持たせるために100Å程度
以内が望ましい。
The present invention will be explained using the energy band diagram of the device according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 2. In the figure, a single quantum well (SQW) is formed between i-AlGaAs6 and i-AlGaAs2. A planar doped or highly doped layer d is formed within the single quantum well (SQW), and the electron gas e supplied from this layer is confined by a heterojunction to give it two-dimensionality. The width of the single quantum well (SQW) is preferably about 100 Å or less in order to provide two-dimensionality.

〔作用〕[Effect]

上記発明構成によれば、チヤネルのドーピング
濃度が高い上、更にSQWのヘテロ接合で電子を
閉じ込めるので狭いチヤネルとなり、従来の前記
改良されたMESFETよりも短チヤネル効果が防
止でき、著しい短チヤネル効果の低減が可能にな
る。
According to the above-mentioned configuration of the invention, not only the doping concentration of the channel is high, but also the electrons are confined by the SQW heterojunction, resulting in a narrow channel, and the short channel effect can be prevented more than the conventional improved MESFET, and the short channel effect can be significantly reduced. reduction is possible.

また、下側のi−AlGaAs2とのヘテロ結合の
比較的高い障壁により電子系が閉じ込められるた
め、ピンチ・オフ近傍でもサブスレツシヨルドの
特性が非常に良好になる。これに対して、従来の
MESFETではホモ接合であるり障壁が低く、第
6図に示すように、ゲート電圧Vgsとドレイン電
流Idの特性図においてbのようにならずaに示す
ように閉りが悪く、サブスレツシヨルドが生ずる
ことになる。
Furthermore, since the electronic system is confined by the relatively high barrier of the heterojunction with the lower i-AlGaAs2, the subthreshold characteristics are very good even in the vicinity of pinch-off. In contrast, conventional
MESFETs are homojunctions or have low barriers, and as shown in Figure 6, the characteristic diagram of gate voltage Vgs and drain current Id does not have the characteristics shown in b, but has poor closure as shown in a, and the subthreshold is low. will occur.

また、同様な理由および、ゲート容量が一定で
あることにより、素子特性の線形性が良好になり
等gn化を図ることができる。
Further, for the same reason and because the gate capacitance is constant, the linearity of the device characteristics is improved and equal g n can be achieved.

また、ドーピング層が比較的にドナレベルが浅
いGaAsであり、ここからチヤネルの電子が供給
されるので温度による電子供給量の変動が少な
く、閾値の温度に対する変動が少なくなる。
Further, since the doped layer is made of GaAs with a relatively shallow donor level, and channel electrons are supplied from this layer, there is little variation in the amount of electrons supplied due to temperature, and the variation of the threshold value with respect to temperature is reduced.

これに対して、従来のHEMT(高電子移動度ト
ランジスタ)においては、ドナレベルが深くかつ
DXセンターを含むAlGaAsを電子供給層として
いるので、温度により電子供給量が変り易く閾値
の温度による変化が大きい。
In contrast, in conventional HEMTs (high electron mobility transistors), the donor level is deep and
Since the electron supply layer is made of AlGaAs containing a DX center, the amount of electron supply changes easily depending on the temperature, and the threshold value changes greatly depending on the temperature.

〔実施例〕〔Example〕

第1図に本発明の実施例の素子の要部を示して
いる。図において、半絶縁性(Sl)GaAs基板1
上に、それぞれ非ドープのi−AlGaAs層2、単
一量子井戸(SQW)、i−AlGaAs6、i−
GaAs7の各層が形成してある。i−AlGaAs層
2,6のAlのモル比xは0.2〜1.0であり、本例で
は0.2〜0.3とする。
FIG. 1 shows the main parts of a device according to an embodiment of the present invention. In the figure, a semi-insulating (Sl) GaAs substrate 1
On top, undoped i-AlGaAs layer 2, single quantum well (SQW), i-AlGaAs6, i-
Each layer of GaAs7 is formed. The molar ratio x of Al in the i-AlGaAs layers 2 and 6 is 0.2 to 1.0, and in this example is 0.2 to 0.3.

単一量子井戸(SQW)層はi−GaAs3、n−
GaAs4及びi−GaAs5から形成している。単
一量子井戸(SQW)のドーピング層の4の層は
プレーナ・ドープ又は高ドープとする。
The single quantum well (SQW) layer is i-GaAs3, n-
It is formed from GaAs4 and i-GaAs5. The four layers of single quantum well (SQW) doping layers are planar doped or highly doped.

上記各層を以下に例示する。 Examples of each of the above layers are shown below.

2,6:i−AlGaAs層 非ドープ、膜厚数百Å
(キヤリアがトンネル不可の厚さ) 3.5:i−GaAs層 非ドープ、膜厚数十Å 4:n−GaAs層 プレーナ・ドープ(アトミツク・プレーナ・
ドープ:i−GaAs層間にSi又はSe原子層を介
在している。)の場合ドーピング濃度1019cm-3
以上、膜厚数十Å、高ドープの場合ドーピング
濃度1018cm-3程度とする。ドーピング層のn−
GaAs4の両側に非ドープのi−GaAs3,5
を設けているのは拡散により、ドーパントがi
−GaAlAs層2,6へ拡散するのを防止するた
めである。尚、3,4,5の各層から成る
SQWの厚さは2次元性を確保するため100Å以
下とする。7:i−GaAs層 非ドープ、膜厚
数百Å その他、第1図において、8,9はSi+のイオ
ン注入で形成したn+領域(1017〜1018cm-3)であ
り、10,11はソース、ドレイン電極
(AuGe/Au)、12はゲート電極(Al)である。
2, 6: i-AlGaAs layer, undoped, several hundred Å thick
(Thickness at which carriers cannot tunnel) 3.5: i-GaAs layer Undoped, film thickness several tens of angstroms 4: N-GaAs layer Planar doped (atomic planar,
Doping: Si or Se atomic layer is interposed between i-GaAs layers. ) for doping concentration 10 19 cm -3
In the case of a film thickness of several tens of Å and high doping, the doping concentration is about 10 18 cm -3 . n- of the doping layer
Undoped i-GaAs3,5 on both sides of GaAs4
The reason for this is that the dopant is i due to diffusion.
- This is to prevent diffusion into the GaAlAs layers 2 and 6. Furthermore, it consists of 3, 4, and 5 layers.
The thickness of the SQW is 100 Å or less to ensure two-dimensionality. 7: i-GaAs layer Undoped, film thickness several hundred angstroms In addition, in Fig. 1, 8 and 9 are n + regions (10 17 to 10 18 cm -3 ) formed by Si + ion implantation, and 10 , 11 are source and drain electrodes (AuGe/Au), and 12 is a gate electrode (Al).

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば以下の効果が得られる。
As is clear from the above description, the following effects can be obtained according to the present invention.

上記発明構成によれば、チヤネルのドーピン
グ濃度が高い上、更にSQWのヘテロ接合で電
子を閉じ込めるので狭いチヤネルとなり、従来
の前記改良されたMESFETよりも短チヤネル
効果が防止でき、著しく短チヤネル効果を低減
することが可能になる。
According to the above-mentioned configuration of the invention, the doping concentration of the channel is high and electrons are further confined by the SQW heterojunction, resulting in a narrow channel, which can prevent the short channel effect more than the conventional improved MESFET and significantly reduce the short channel effect. It becomes possible to reduce the

下側のヘテロ接合の比較的高い障壁により電
子系が閉じ込められるため、ピンチ・オフ近傍
でもサブスレツシヨルドの特性が非常に良好に
なる。
The relatively high barrier of the lower heterojunction confines the electronic system, resulting in very good subthreshold characteristics even near pinch-off.

同様な理由、および、ゲート容量が一定であ
ることにより、素子特性の線形性が良好にな
り、等gn化を図ることができる。
For the same reason and because the gate capacitance is constant, the linearity of the device characteristics becomes good and equal g n can be achieved.

ドーピング層が比較的にドナーレベルが浅い
GaAs等であり、ここからチヤネルの電子が供
給されるので温度による電子供給量の変動が少
なく、閾値の温度に対する変動が少なくなる。
Doping layer has a relatively shallow donor level
Since the channel electrons are supplied from GaAs, there is little variation in the amount of electrons supplied due to temperature, and the variation with respect to the threshold temperature is reduced.

これに対して、従来のHEMT(高電子移動度
トランジスタ)においては、ドナレベルが深い
AlGaAsを電子供給層としているので、温度に
より電子供給量が変り易く閾値の温度による変
化が大きい。
In contrast, in conventional HEMTs (high electron mobility transistors), the donor level is deep.
Since AlGaAs is used as the electron supply layer, the amount of electron supply changes easily depending on the temperature, and the threshold value changes greatly depending on the temperature.

チヤネルが2次元性を持つていること、及び
不純物のドープがチヤネルを構成する単一量子
井戸(SQW)の一部に限られることから、キ
ヤリアの移動度が従来のMESFETなどより向
上する。
Because the channel has two-dimensionality and the impurity doping is limited to a portion of the single quantum well (SQW) that makes up the channel, carrier mobility is improved compared to conventional MESFETs.

ゲート電極はi−GaAs層等の高抵抗層上に
形成できるので、耐圧の劣化がない。
Since the gate electrode can be formed on a high resistance layer such as an i-GaAs layer, there is no deterioration in breakdown voltage.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の実施例の要部断面図、第2図
は本発明の実施例のエネルギ・バンド図、第3図
は従来のMESFETの概要を示す断面図、第4図
は従来のMESFETのエネルギ・バンド図、第5
図は短チヤネル効果の説明図、第6図はサブスレ
ツシヨルドを示す図である。 主な符号、1……半絶縁性(SI)GaAs基板、
2……i−AlGaAs層、3……i−GaAs層、4
……n−GaAs層、5……i−GaAs層、6……
i−GaAlAs層、7……i−GaAs層、8,9…
…n+領域、10,11……ソース、ドレイン電
極、12……ゲート電極。
Fig. 1 is a sectional view of the main part of an embodiment of the present invention, Fig. 2 is an energy band diagram of an embodiment of the invention, Fig. 3 is a sectional view showing an outline of a conventional MESFET, and Fig. 4 is a sectional view of a conventional MESFET. MESFET energy band diagram, 5th
The figure is an explanatory diagram of the short channel effect, and FIG. 6 is a diagram showing the subthreshold. Main code: 1...Semi-insulating (SI) GaAs substrate,
2...i-AlGaAs layer, 3...i-GaAs layer, 4
...n-GaAs layer, 5...i-GaAs layer, 6...
i-GaAlAs layer, 7... i-GaAs layer, 8, 9...
...n + region, 10, 11...source, drain electrode, 12...gate electrode.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 半導体基板上に設けた第1及び第2の半導体
層と、該両半導体層間に設けられ禁止帯幅がこれ
より狭く単一量子井戸(SQW)を形成する第3
の半導体層と、該第3の半導体層の一端及び他端
に接続されたソース及びドレイン領域と、前記第
2の半導体層上に設けたゲート電極とを備え、該
第3の半導体層内にドーピング層を形成し、前記
第3の半導体層の中に生成されるキヤリアがその
外へ拡散しないように、前記第1及び第2の半導
体層の前記第3の半導体層に対する障壁高さが設
定されており、さらに、該単一量子井戸(SQW)
をチヤネルとして用い前記ソース領域からチヤネ
ルを通つてドレイン領域に達するキヤリアの量を
前記ゲート電極により制御することを特徴とする
電界効界型トランジスタ。 2 前記半導体基板が半絶縁性GaAsでなり、第
1及び第2の半導体層がAlGaAsでなり、第3の
半導体層がGaAsであつて、前記ドーピング層は
プレーナ・ドープ又は高ドープ層であつてその両
側に非ドープのGaAs層が介在していることを特
徴とする特許請求の範囲第1項記載の電界効界型
トランジスタ。
[Scope of Claims] 1. First and second semiconductor layers provided on a semiconductor substrate, and a third semiconductor layer provided between the two semiconductor layers and having a narrower bandgap forming a single quantum well (SQW).
a semiconductor layer, source and drain regions connected to one end and the other end of the third semiconductor layer, and a gate electrode provided on the second semiconductor layer; A doping layer is formed, and barrier heights of the first and second semiconductor layers with respect to the third semiconductor layer are set so that carriers generated in the third semiconductor layer do not diffuse outside. Furthermore, the single quantum well (SQW)
A field effect transistor, wherein the amount of carriers reaching the drain region from the source region through the channel is controlled by the gate electrode. 2. The semiconductor substrate is made of semi-insulating GaAs, the first and second semiconductor layers are made of AlGaAs, the third semiconductor layer is made of GaAs, and the doped layer is a planar doped or highly doped layer. 2. The field effect transistor according to claim 1, wherein undoped GaAs layers are interposed on both sides of the field effect transistor.
JP18219885A 1985-08-20 1985-08-20 Field effect transistor Granted JPS6242569A (en)

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DE86401845T DE3689433T2 (en) 1985-08-20 1986-08-20 Field effect transistor.
EP86401845A EP0214047B1 (en) 1985-08-20 1986-08-20 Field effect transistor
US07/593,502 US5023674A (en) 1985-08-20 1990-10-04 Field effect transistor

Applications Claiming Priority (1)

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JP18219885A JPS6242569A (en) 1985-08-20 1985-08-20 Field effect transistor

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JPS6242569A JPS6242569A (en) 1987-02-24
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