JPH05226372A - Field-effect transistor and low noise amplifier circuit using same - Google Patents

Field-effect transistor and low noise amplifier circuit using same

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JPH05226372A
JPH05226372A JP2782192A JP2782192A JPH05226372A JP H05226372 A JPH05226372 A JP H05226372A JP 2782192 A JP2782192 A JP 2782192A JP 2782192 A JP2782192 A JP 2782192A JP H05226372 A JPH05226372 A JP H05226372A
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琢磨 谷本
Makoto Kudo
真 工藤
Tomoyoshi Mishima
友義 三島
Masao Yamane
正雄 山根
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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】FETのデバイスの性能に大きく寄与するキャ
リア移動度の低下を抑えることが可能で、そのFETを
用いた高性能低雑音アンプを提供する。 【構成】チャネルをキャリア移動度の異なる複数層構造
とし、中央の層にバンドギャップが大きく、キャリア移
動度の大きな材料を用いる。 【効果】キャリアはチャネル中央部に閉じ込められ、キ
ャリア供給層へのキャリア分布の広がりが抑えられ、観
測されるキャリア移動度が大きくなる。
(57) [Abstract] [Purpose] To provide a high-performance low-noise amplifier using the FET, which can suppress the decrease in carrier mobility that greatly contributes to the performance of the FET device. [Structure] The channel has a multi-layer structure having different carrier mobilities, and a material having a large band gap and a large carrier mobility is used for the central layer. [Effect] Carriers are confined in the central portion of the channel, the spread of carrier distribution to the carrier supply layer is suppressed, and the observed carrier mobility is increased.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、エピタキシャル成長に
より作製される電界効果トランジスタに係り、特に、そ
の性能に大きく関与するキャリア移動度が大きく、低雑
音な化合物半導体電界効果トランジスタと、それを用い
た低雑音増幅回路に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field effect transistor manufactured by epitaxial growth, and more particularly to a compound semiconductor field effect transistor having a large carrier mobility and a low noise, which has a large influence on its performance, and a field effect transistor using the same. The present invention relates to a low noise amplifier circuit.

【0002】[0002]

【従来の技術】エピタキシャル成長により作製されるF
ET(Field Effect Transistor;電界効果トランジス
タ)のチャネルは、例えばGaAsをチャネル材料とし
たHEMT(High Electron Mobility Transistor)では、特
願平1−94675 号明細書、より高性能なInGaAsチ
ャネルHEMTでは、特願昭64−66972 号明細書、また
基板材料としてInPを用いた例では、特願平3−50839
号明細書に記載のように、単一の半導体層のみで形成さ
れていた。
2. Description of the Related Art F produced by epitaxial growth
The channel of ET (Field Effect Transistor) is, for example, in Japanese Patent Application No. 1-94675 in HEMT (High Electron Mobility Transistor) using GaAs as a channel material, and in InGaAs channel HEMT of higher performance. In the specification of Japanese Patent Application No. 64-66972, and in the case of using InP as a substrate material, Japanese Patent Application No. 3-50839
As described in the specification, it was formed of only a single semiconductor layer.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】FETの性能指数とし
て重要なものの一つに相互コンダクタンスがある。ゲー
トに印加する電圧が閾電圧に近いときには、相互コンダ
クタンスはキャリア移動度に比例するため、この領域で
キャリア移動度が性能を左右するといえる。キャリア移
動度の向上は、移動度低下の原因である散乱源の影響を
低減させる、或いは高移動度材料を用いることにより達
成される。
Transconductance is one of the important performance indexes of FETs. When the voltage applied to the gate is close to the threshold voltage, the transconductance is proportional to the carrier mobility, so that it can be said that the carrier mobility influences the performance in this region. The improvement of carrier mobility is achieved by reducing the influence of a scattering source which causes mobility reduction or by using a high mobility material.

【0004】移動度低下の主たる原因である不純物散乱
は、図2のようなHEMT構造、即ち、キャリア供給層
とチャネルとを空間的に分離することにより向上し、ま
たキャリア供給層とチャネル層間のスペーサ層幅を増す
ことにより、更に向上する。例えば、GaAsチャネル
HEMTの場合、スペーサ層幅が20nm以上の時、電
子移動度は約8000cm2/Vs と、GaAsの達成可
能な最大のものとなる。ところが、スペーサ層幅が大き
すぎるとチャネルに生じるキャリア数が減少し、その結
果、相互コンダクタンスも減少する。通常の場合、スペ
ーサ層幅の最適値は2乃至4nm程度であり、この時の
電子移動度は約5000cm2/Vs であった。また、高
移動度材料としてInGaAsが用いられてきたが、こ
の材料はGaAsよりも格子定数が大きく、層厚が大き
くなるとチャネルに転位が生じてしまうため、高移動度
材料としての特性を有効に利用できなかった。
Impurity scattering, which is the main cause of the decrease in mobility, is improved by the HEMT structure as shown in FIG. 2, that is, by spatially separating the carrier supply layer and the channel, and between the carrier supply layer and the channel layer. It is further improved by increasing the width of the spacer layer. For example, in the case of a GaAs channel HEMT, when the spacer layer width is 20 nm or more, the electron mobility is about 8000 cm 2 / Vs, which is the maximum attainable by GaAs. However, if the spacer layer width is too large, the number of carriers generated in the channel decreases, and as a result, mutual conductance also decreases. In the usual case, the optimum width of the spacer layer is about 2 to 4 nm, and the electron mobility at this time is about 5000 cm 2 / Vs. Although InGaAs has been used as a high mobility material, this material has a larger lattice constant than GaAs, and dislocations occur in the channel when the layer thickness increases, so that the characteristics as a high mobility material are effective. It was not available.

【0005】また、セルラー,コードレス電話などの移
動体通信端末において、小型化,低消費電力化に対する
要求が大きくなってきている。このため、FET等のデ
バイスでも、低電流動作が要求される。ところが、低電
流動作時には一般に相互コンダクタンスが著しく低下
し、雑音特性の指標である雑音指数は増大する。
Further, in mobile communication terminals such as cellular phones and cordless phones, there is an increasing demand for miniaturization and low power consumption. Therefore, low current operation is required even for devices such as FETs. However, in a low current operation, the transconductance generally decreases significantly, and the noise figure, which is an index of noise characteristics, increases.

【0006】本発明の第一の目的はFETのデバイスの
性能に大きく寄与する電子移動度の大きな構造を提供す
ることにあり、第二の目的は高性能低雑音増幅器を提供
することにある。
A first object of the present invention is to provide a structure having a large electron mobility that greatly contributes to the performance of FET devices, and a second object is to provide a high performance low noise amplifier.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記第一の目的は、図1
のように、高電子移動度で、バンドギャップの小さな半
導体材料をチャネルの中央に配置した構造により達成さ
れる。また第二の目的は、上記FETを用いた回路を構
築することにより達成される。
The above-mentioned first object is as shown in FIG.
As described above, it is achieved by a structure in which a semiconductor material having a high electron mobility and a small band gap is arranged in the center of the channel. The second object is achieved by constructing a circuit using the above FET.

【0008】[0008]

【作用】図3に、従来のHEMTのゲート電極下におけ
るバンド構造と電子密度分布の模式図を示す。通常利用
されている電流領域では、電子密度分布は図3のように
チャネルの中央部で大きくなっている。キャリア供給層
9へ拡がった電子は、チャネルを移動する電子よりも散
乱を受けやすく、チャネル全体の移動度の低下をまね
く。更に、計算に取り入れていない不純物の拡散等の影
響からも、スペーサ層側への電子分布は好ましくない。
更に、基板側へ滲み出す電子は、ゲートに印加する電圧
の大きさに従って変化する。このことはゲート電圧に関
する相互コンダクタンスの変化が多次関数的に変化する
ことを意味し、増幅器等に利用したとき出力歪が大きく
なる。
FIG. 3 shows a schematic view of the band structure and electron density distribution under the gate electrode of the conventional HEMT. In the normally used current region, the electron density distribution is large in the central portion of the channel as shown in FIG. The electrons that have spread to the carrier supply layer 9 are more likely to be scattered than the electrons that move in the channel, leading to a decrease in the mobility of the entire channel. Further, the distribution of electrons to the spacer layer side is not preferable due to the influence of diffusion of impurities not included in the calculation.
Further, the electrons bleeding to the substrate side change according to the magnitude of the voltage applied to the gate. This means that the change of the transconductance with respect to the gate voltage changes in a multi-dimensional function, and the output distortion becomes large when used in an amplifier or the like.

【0009】図4に、本発明のFETのゲート電極下に
おけるバンド構造と電子密度分布を示す。図は、チャネ
ルの中央部分(半導体層2)に移動度が大きく、バンド
ギャップの小さな材料を用いたものである。キャリアの
大部分は移動度が大きな半導体層2中に分布し、残りの
電子のうちの大部分は、半導体層1及び3に分布してお
り、キャリア供給層に滲み出す電子は均一チャネルの場
合よりも著しく少ない。
FIG. 4 shows the band structure and electron density distribution under the gate electrode of the FET of the present invention. In the figure, a material having a large mobility and a small band gap is used in the central portion (semiconductor layer 2) of the channel. Most of the carriers are distributed in the semiconductor layer 2 having high mobility, and most of the remaining electrons are distributed in the semiconductor layers 1 and 3, and electrons oozing into the carrier supply layer are uniform channels. Significantly less than.

【0010】図5に本発明の一実施例を示す電界効果ト
ランジスタの相互コンダクタンスのチャネル厚さ依存性
を示す。この時のデバイスは、ゲート長0.1μm ,ゲ
ート幅200μmであり、ソース−ドレイン間電圧は2
V,ドレイン電流2mA動作時を示している。
FIG. 5 shows the channel thickness dependence of the mutual conductance of the field effect transistor according to the embodiment of the present invention. At this time, the device has a gate length of 0.1 μm and a gate width of 200 μm, and the source-drain voltage is 2 μm.
The figure shows the operation at V and drain current of 2 mA.

【0011】チャネル厚さが大きくなると、相互コンダ
クタンスは低下するが、特にゲート厚さ20nmで低下
が著しい。これは、観測される移動度の増加に必要な条
件が、図4のような電子分布が得られること、即ち、チ
ャネルが量子井戸とみなせ、かつ電子分布の重心がチャ
ネルの中心近傍に来ることに起因する。チャネルの厚さ
が20nmの時、チャネルに生じる量子準位のうち、基
底準位と第一励起準位との間のエネルギ差は約60me
Vとなる。これは、2mA動作時のゲート電圧における
チャネルの電子分布が上記電子分布の条件を満たす最小
のエネルギ差であることを意味し、このためにはチャネ
ルの厚さは20nm以下である必要があることがわか
る。
As the channel thickness increases, the transconductance decreases, but especially when the gate thickness is 20 nm. This is because the electron mobility distribution shown in Fig. 4 must be obtained as a necessary condition for increasing the observed mobility, that is, the channel can be regarded as a quantum well, and the center of gravity of the electron distribution is near the center of the channel. caused by. When the channel thickness is 20 nm, the energy difference between the ground level and the first excitation level of the quantum levels generated in the channel is about 60 me.
It becomes V. This means that the electron distribution of the channel at the gate voltage at the time of 2 mA operation is the minimum energy difference satisfying the condition of the electron distribution, and for this purpose, the thickness of the channel needs to be 20 nm or less. I understand.

【0012】また、電子が量子井戸の基底準位のみを占
めるとき、チャネルの中心から端までの領域のうち50
%の中に存在する電子数はチャネル全体の電子の約90
%となる。これよりも狭い領域では電子数が著しく減少
し、超格子チャネルの効果が薄れる。従って、中心の半
導体層厚はチャネル層厚の50%以上である時に、特に
効果が顕著である。また、半導体層3の厚さが厚くなる
につれてキャリア供給層との間の電界強度が小さくな
り、チャネルに溜る二次元電子ガスの濃度が小さくな
る。
When the electrons occupy only the ground level of the quantum well, 50 out of the region from the center to the end of the channel.
The number of electrons existing in% is about 90 of the electrons in the entire channel.
%. In a region narrower than this, the number of electrons is significantly reduced, and the effect of the superlattice channel is diminished. Therefore, the effect is particularly remarkable when the central semiconductor layer thickness is 50% or more of the channel layer thickness. Further, as the thickness of the semiconductor layer 3 increases, the electric field strength between the semiconductor layer 3 and the carrier supply layer decreases, and the concentration of the two-dimensional electron gas accumulated in the channel decreases.

【0013】通常用いられているような、キャリア供給
層とチャネルとの間のスペーサ層幅が2nmの時、半導
体層2としてIn組成0.3 のInGaAs、半導体層
3としてGaAsを用いたとき、半導体層3の厚さが5
nm以下では二次元電子ガス濃度の最大値は1.2×1
12/cm2となり、GaAsチャネルでの従来構造と同
程度となる。これ以上半導体層3が厚くなると二次元電
子ガス濃度の最大値が激減し、ソース抵抗が増大し、そ
の結果、相互コンダクタンスが低下する。従って半導体
層3の厚さは5nm以下の時、効果が顕著である。この
ような条件を満たすとき、観測される電子移動度は大き
くなり、相互コンダクタンスも大きくなる。加えてゲー
ト電圧の変化に対する電子分布の重心の変化も小さいた
め、この素子を利用した増幅回路やミキサは低雑音,高
利得となり、また出力歪は小さくなる。
When the spacer layer width between the carrier supply layer and the channel is 2 nm, which is usually used, when InGaAs having an In composition of 0.3 is used as the semiconductor layer 2 and GaAs is used as the semiconductor layer 3, The thickness of the semiconductor layer 3 is 5
Below nm, the maximum value of the two-dimensional electron gas concentration is 1.2 × 1
It is 0 12 / cm 2 , which is about the same as the conventional structure in the GaAs channel. If the semiconductor layer 3 becomes thicker than this, the maximum value of the two-dimensional electron gas concentration will drastically decrease, the source resistance will increase, and as a result, the mutual conductance will decrease. Therefore, the effect is remarkable when the thickness of the semiconductor layer 3 is 5 nm or less. When such a condition is satisfied, the observed electron mobility increases and the mutual conductance also increases. In addition, since the change in the center of gravity of the electron distribution with respect to the change in the gate voltage is small, the amplifier circuit and mixer using this element have low noise and high gain, and the output distortion is small.

【0014】[0014]

【実施例】以下に本発明の一実施例を図面を用いて具体
的に説明する。以降、材料の記述としてAlGaAsは
GaAs中のGa原子のうちの一部をAlで置換したも
の、InGaAsはGaAs中のGa原子のうちの一部
をInで置換したものを意味する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. Hereinafter, as a material description, AlGaAs means that some of Ga atoms in GaAs are replaced with Al, and InGaAs means that some of Ga atoms in GaAs is replaced by In.

【0015】〈実施例1〉図6に、本発明の一実施例の
断面図を示す。まず半絶縁性GaAs基板6上に、MB
E(分子線エピタキシ)装置により、アンドープGaA
s(厚さ:200nm)7,アンドープAlGaAs/
アンドープGaAs超格子層(厚さ:3/50nm×
5)14,アンドープAlGaAsバッファ層(Al組
成0.3 ,厚さ:20nm)15,チャネル層(アンド
ープGaAs(厚さ:2nm)2,アンドープInGa
As(In組成0.4 ,4nm)3,アンドープGaA
s(厚さ:2nm)4),アンドープAlGaAsスペ
ーサ層(Al組成0.3 ,2nm)8,n−AlGaA
sキャリア供給層(Al組成0.3 ,10nm,Si濃
度:5×1018/cm3)9,アンドープAlGaAs層
(Al組成0.3,15nm)10を成長させ、最後に
n−GaAsキャップ層(Si濃度:7×1019/c
m3,160nm)16を堆積させる。
<Embodiment 1> FIG. 6 shows a sectional view of an embodiment of the present invention. First, MB on the semi-insulating GaAs substrate 6
Undoped GaA by E (Molecular Beam Epitaxy)
s (thickness: 200 nm) 7, undoped AlGaAs /
Undoped GaAs superlattice layer (thickness: 3/50 nm ×
5) 14, undoped AlGaAs buffer layer (Al composition 0.3, thickness: 20 nm) 15, channel layer (undoped GaAs (thickness: 2 nm) 2, undoped InGa)
As (In composition 0.4, 4 nm) 3, undoped GaA
s (thickness: 2 nm) 4), undoped AlGaAs spacer layer (Al composition 0.3, 2 nm) 8, n-AlGaA
s carrier supply layer (Al composition: 0.3, 10 nm, Si concentration: 5 × 10 18 / cm 3 ) 9, undoped AlGaAs layer (Al composition: 0.3, 15 nm) 10, and finally n-GaAs cap layer (Si concentration: 7 × 10 19 / c
m 3 , 160 nm) 16 is deposited.

【0016】メサエッチにより素子間分離を行なったあ
と、SiO2 膜を蒸着し、通常のホトリソグラフィープ
ロセスにより、ソース電極11及びドレイン電極12の
ための孔を形成する。この孔の表面のSiO2 膜をドラ
イエッチにより削り、n−GaAsキャップ層16を4
0nm程度ウエットエッチにより孔あけする。さらにS
iO2 膜をウエットエッチによりサイドエッチさせて、
リフトオフしやすい形状にする。この上にAuZn/M
o/Auを蒸着し、窒素雰囲気中で熱処理(400℃,
5分)を行なう。さらに、EB(電子線)描画法を用い
て、ゲートパターンを形成する。次に、ウエットエッチ
と選択性ドライエッチにより制御性よくアンドープAl
GaAs層10の手前までエッチング除去した。さらに
Alを蒸着した後リフトオフすることにより、ゲート長
0.1μm ,ゲート幅200μmのゲート電極13を形
成した。このようにして、図5に示した構造のFETを
実現した。
After element isolation is performed by mesa etching, a SiO 2 film is vapor-deposited, and holes for the source electrode 11 and the drain electrode 12 are formed by a normal photolithography process. The SiO 2 film on the surface of this hole is ground by dry etching to remove the n-GaAs cap layer 16 by 4 times.
About 0 nm is opened by wet etching. Furthermore S
Side-etch the iO 2 film by wet etching,
Make the shape easy to lift off. AuZn / M on top of this
vapor deposition of o / Au and heat treatment in a nitrogen atmosphere (400 ° C,
5 minutes). Further, a gate pattern is formed by using an EB (electron beam) drawing method. Next, by wet etching and selective dry etching, undoped Al is well controlled.
The GaAs layer 10 was removed by etching up to the front. Further, Al was vapor-deposited and then lifted off to form a gate electrode 13 having a gate length of 0.1 μm and a gate width of 200 μm. In this way, the FET having the structure shown in FIG. 5 was realized.

【0017】本実施例による装置は、耐圧:6V,ソー
ス抵抗R:0.6Ω・mm ,ドレイン電流2mA時におけ
る相互コンダクタンスg:175mS/mm,12GHz
における雑音指数NF=0.4 と高性能を示した。
The device according to the present embodiment has a withstand voltage: 6 V, a source resistance R: 0.6 Ω · mm, a mutual conductance g at a drain current of 2 mA, g: 175 mS / mm, 12 GHz.
In the figure, the noise figure NF was 0.4 and the performance was high.

【0018】なお、製造工程におけるエピタキシャル結
晶成長に際しては、ここで示したMBEのかわりに原子
層単位で成長を制御できる装置、例えば、MOCVD等
を用いても同様の結果が得られる。また、キャップ層1
6は、GaAsに限らず、オーミック接触のとりやすい
物質、例えば、InGaAs等を用いてもよい。またゲ
ート直下のアンドープAlGaAs層10は、耐圧を小
さくしない程度に、1×1018/cm2 以下のn−AlG
aAsを用いてもよい。バッファ層15は無くても良い
が、ドレイン電流が小さな領域での動作では相互コンダ
クタンスに影響を与える。また、Al組成が小さすぎる
と、ピンチオフ特性が悪化し、大きすぎると結晶性が悪
化するため、通常の場合、Al組成0.2〜0.5、厚さ
として5nm〜100nmの範囲では良好な結果を示
す。
In the epitaxial crystal growth in the manufacturing process, the same result can be obtained by using an apparatus capable of controlling the growth in atomic layer units instead of MBE shown here, such as MOCVD. Also, the cap layer 1
The material of 6 is not limited to GaAs, but a material that easily forms ohmic contact, such as InGaAs, may be used. Further, the undoped AlGaAs layer 10 just below the gate has an n-AlG density of 1 × 10 18 / cm 2 or less so as not to reduce the breakdown voltage.
aAs may be used. Although the buffer layer 15 may be omitted, the transconductance is affected in the operation in the region where the drain current is small. Further, if the Al composition is too small, the pinch-off characteristic deteriorates, and if it is too large, the crystallinity deteriorates. Therefore, in the usual case, an Al composition of 0.2 to 0.5 and a thickness of 5 nm to 100 nm are preferable. The results are shown.

【0019】本実施例では、AlGaAs層のAl組成
として0.3を用いたが、0.15から0.4 程度の値を
用いても同様な結果が得られる。またチャネル層にはI
n組成0.4 のInGaAsを用いたが、0.2から0.
6程度のIn組成で、転位が入らない程度の厚さにして
もよく、チャネル層2及び4もチャネル層3よりもIn
組成の小さなInGaAsにしてもよく、この二つの半
導体層の材料を異なるものにしても良い。更に、チャネ
ル層は3層構造に限らず、In組成が段階的に変化する
ような構造や、一原子層ごとに材料の異のなる超格子構
造にしても良い。材料もInGaAsに限らず、GaA
sSbを用いてもよく、また層構造もGaAs/AlG
aAsに限らず、例えば、InGaAs/InAlAs
やInAs/(Al,Ga)(Sb,As)のような材
料の組み合わせのとき同様な結果が得られる。また、基
板材料もGaAsに限らず、InPなどを用いてもよ
い。
In this embodiment, the Al composition of the AlGaAs layer is 0.3, but the same result can be obtained by using a value of 0.15 to 0.4. The channel layer is I
Although InGaAs having an n composition of 0.4 was used, it was 0.2 to 0.0.
The In composition may be about 6 and the thickness may be such that dislocations do not enter, and the channel layers 2 and 4 are made more In than the channel layer 3.
InGaAs having a small composition may be used, or the materials of the two semiconductor layers may be different. Further, the channel layer is not limited to the three-layer structure, but may have a structure in which the In composition changes stepwise or a superlattice structure in which the material is different for each atomic layer. The material is not limited to InGaAs, but GaA
sSb may be used, and the layer structure is GaAs / AlG.
Not limited to aAs, for example, InGaAs / InAlAs
Similar results are obtained when a combination of materials such as InAs / (Al, Ga) (Sb, As) is used. The substrate material is not limited to GaAs, and InP or the like may be used.

【0020】本実施例では、Nチャネル電界効果トラン
ジスタの例を示したが、Pチャネルでも良好な結果が得
られる。この場合、本実施例のNドープ層をPドープ層
にすることにより達成される。
In this embodiment, an example of an N-channel field effect transistor is shown, but good results can be obtained with a P-channel. In this case, this is achieved by making the N-doped layer of this embodiment a P-doped layer.

【0021】また、本実施例はHEMTについて述べた
が、他のヘテロ接合素子、即ちHIGFET等に適用し
ても良好な結果が得られることは云うまでもない。
Although the present embodiment describes the HEMT, it goes without saying that good results can be obtained even when applied to another heterojunction element, that is, a HIGFET or the like.

【0022】〈実施例2〉図7に、本発明の一実施例の
断面図を示す。まず半絶縁性InP基板6上に、MBE
(分子線エピタキシ)装置により、アンドープInGa
As(In組成0.5 ,厚さ:200nm)7,アンド
ープInAlAsバッファ層(In組成0.5 ,厚さ:
20nm)15,チャネル層(アンドープInGaAs
(In組成0.3,厚さ:2nm)2,アンドープIn
GaAs(In組成0.7,4nm)3,アンドープIn
GaAs(In組成0.3 ,厚さ:2nm)4),アン
ドープInAlAsスペーサ層(In組成0.5 ,2n
m)8,n−InAlAsキャリア供給層(In組成
0.5,10nm,Si濃度:5×1018/cm3)9,ア
ンドープInAlAs層(In組成0.5 ,15nm)
10を成長させ、最後にn−InGaAsキャップ層
(Si濃度:7×1019/cm3 ,160nm)16を堆
積させる。
<Embodiment 2> FIG. 7 shows a sectional view of an embodiment of the present invention. First, MBE is applied on the semi-insulating InP substrate 6.
(Molecular beam epitaxy) device enables undoped InGa
As (In composition 0.5, thickness: 200 nm) 7, undoped InAlAs buffer layer (In composition 0.5, thickness:
20 nm, 15, channel layer (undoped InGaAs)
(In composition 0.3, thickness: 2 nm) 2, undoped In
GaAs (In composition 0.7, 4 nm) 3, undoped In
GaAs (In composition: 0.3, thickness: 2 nm) 4), undoped InAlAs spacer layer (In composition: 0.5, 2n)
m) 8, n-InAlAs carrier supply layer (In composition 0.5, 10 nm, Si concentration: 5 × 10 18 / cm 3 ) 9, undoped InAlAs layer (In composition 0.5, 15 nm)
10 is grown, and finally an n-InGaAs cap layer (Si concentration: 7 × 10 19 / cm 3 , 160 nm) 16 is deposited.

【0023】メサエッチにより素子間分離を行なったあ
と、SiO2 膜を蒸着し、通常のホトリソグラフィープ
ロセスにより、ソース電極11及びドレイン電極12の
ための孔を形成する。この孔の表面のSiO2 膜をドラ
イエッチにより削り、n−InGaAsキャップ層16
を40nm程度ウエットエッチにより孔あけする。さら
にSiO2 膜をウエットエッチによりサイドエッチさせ
て、リフトオフしやすい形状にする。この上にAuZn
/Mo/Auを蒸着し、窒素雰囲気中で熱処理(400
℃,5分)を行なう。さらに、EB(電子線)描画法を
用いて、ゲートパターンを形成する。次に、ウエットエ
ッチと選択性ドライエッチにより制御性よくアンドープ
AlGaAs層10の手前までエッチング除去した。さ
らにAlを蒸着した後リフトオフすることにより、ゲー
ト長0.1μm ,ゲート幅200μmのゲート電極13
を形成した。このようにして、図6に示した構造のFE
Tを実現した。
After element isolation is performed by mesa etching, a SiO 2 film is vapor-deposited, and holes for the source electrode 11 and the drain electrode 12 are formed by a normal photolithography process. The SiO 2 film on the surface of the hole is ground by dry etching to remove the n-InGaAs cap layer 16
Is bored by wet etching to about 40 nm. Further, the SiO 2 film is side-etched by wet etching to form a shape that facilitates lift-off. AuZn on this
/ Mo / Au by vapor deposition and heat treatment (400
℃, 5 minutes). Further, a gate pattern is formed by using an EB (electron beam) drawing method. Next, by wet etching and selective dry etching, the undoped AlGaAs layer 10 was etched and removed with good controllability. Further, Al is vapor-deposited and then lifted off to obtain a gate electrode 13 having a gate length of 0.1 μm and a gate width of 200 μm.
Formed. In this way, the FE having the structure shown in FIG.
Realized T.

【0024】本実施例による装置は、耐圧:6V,R=
0.5Ω・mm,g=203mS/mm,NF=0.35dB
と高性能を示した。
The device according to this embodiment has a withstand voltage: 6 V, R =
0.5 Ω ・ mm, g = 203 mS / mm, NF = 0.35 dB
And showed high performance.

【0025】なお、製造工程におけるエピタキシャル結
晶成長に際しては、ここで示したMBEのかわりに原子
層単位で成長を制御できる装置、例えば、MOCVD等
を用いても同様の結果が得られる。またゲート直下のア
ンドープInAlAs層10は、耐圧を小さくしない程
度に、1×1018/cm2 以下のn−InAlAsを用い
てもよい。バッファ層15は無くても良いが、ドレイン
電流が小さな領域での動作では相互コンダクタンスに影
響を与える。また、Al組成が小さすぎると、ピンチオ
フ特性が悪化し、大きすぎると結晶性が悪化するため、
通常の場合、InAlGaAsとして、Al組成0.2
〜0.5、厚さとして5nm〜100nmの範囲では良
好な結果を示す。
In the epitaxial crystal growth in the manufacturing process, a similar result can be obtained by using an apparatus capable of controlling the growth in atomic layer units instead of MBE shown here, such as MOCVD. The undoped InAlAs layer 10 just below the gate may be made of n-InAlAs of 1 × 10 18 / cm 2 or less, as long as the breakdown voltage is not reduced. Although the buffer layer 15 may be omitted, the transconductance is affected in the operation in the region where the drain current is small. Further, if the Al composition is too small, the pinch-off characteristic deteriorates, and if it is too large, the crystallinity deteriorates.
Normally, Al composition is 0.2 as InAlGaAs.
.About.0.5 and a thickness of 5 nm to 100 nm show good results.

【0026】本実施例では、キャリア供給層としてIn
AlAs層を用いたが、Ga組成が0.3 以下のInA
lGaAsを用いても同様な結果が得られる。またチャ
ネル層にはIn組成0.7 のInGaAsを用いたが、
0.5から1.0程度のIn組成で、転位が入らない程度
の厚さにしてもよく、チャネル層2及び4もチャネル層
3よりもIn組成の小さなInGaAsにしてもよく、
この二つの半導体層の材料を異なるものにしても良い。
更に、チャネル層は三層構造に限らず、In組成が段階
的に変化するような構造や、一原子層ごとに材料の異な
る超格子構造にしても良い。材料もInGaAsに限ら
ず、GaAsSbを用いてもよく、また層構造もInG
aAs/InAlAsに限らず、例えばInGaAs/
InAlAs/InAlGaAsやInGaAs/(I
n,Al,Ga)(Sb,As)のような材料の組み合わ
せのとき同様な結果が得られる。
In this embodiment, In is used as the carrier supply layer.
An AlAs layer was used, but InA with a Ga composition of 0.3 or less was used.
Similar results can be obtained using lGaAs. Further, although InGaAs having an In composition of 0.7 was used for the channel layer,
The In composition may be about 0.5 to 1.0 and the thickness may be such that dislocations do not enter, and the channel layers 2 and 4 may be InGaAs having an In composition smaller than that of the channel layer 3,
The materials of the two semiconductor layers may be different.
Further, the channel layer is not limited to the three-layer structure, but may have a structure in which the In composition changes stepwise or a superlattice structure in which the material is different for each atomic layer. The material is not limited to InGaAs, GaAsSb may be used, and the layer structure is InG.
Not limited to aAs / InAlAs, but InGaAs /
InAlAs / InAlGaAs or InGaAs / (I
Similar results are obtained with combinations of materials such as n, Al, Ga) (Sb, As).

【0027】また、本実施例はHEMTについて述べた
が、他のヘテロ接合素子、即ち、HIGFET等に適用
しても良好な結果が得られることは云うまでもない。
Although the present embodiment describes the HEMT, it goes without saying that good results can be obtained even when applied to other heterojunction elements, that is, HIGFET and the like.

【0028】〈実施例3〉図8に本発明の一実施例の回
路図を示す。実施例1或いは実施例2記載のFETを半導
体基板上に形成するが、その時図7のようにストリップ
線路やコンデンサを用いたマッチング回路を同一基板上
に形成する。こうして得られた低雑音増幅器は、FET
1のドレイン電圧106及びFET2のドレイン電圧1
07は2.5V、初段のFET1のドレイン電流が6m
A、次段のFET2のドレイン電流が10mAという条
件で、12GHzにおいて最小雑音指数1.0dB 、そ
の時の利得が18.5という良好な性能が得られた。
<Third Embodiment> FIG. 8 shows a circuit diagram of an embodiment of the present invention. The FET described in the first or second embodiment is formed on a semiconductor substrate. At that time, a matching circuit using strip lines and capacitors is formed on the same substrate as shown in FIG. The low noise amplifier obtained in this way is FET
1 drain voltage 106 and FET 2 drain voltage 1
07 is 2.5V, the drain current of the first stage FET1 is 6m
A, good performance with a minimum noise figure of 1.0 dB at 12 GHz and a gain of 18.5 at 12 GHz was obtained under the condition that the drain current of the FET 2 in the next stage was 10 mA.

【0029】尚、今回の実施例では二段増幅器の例を示
したが、一段増幅器でも良好な結果が得られる。また、
マッチング回路が同一基板上にある、いわゆる、モノリ
シックICの例を示したが、多少性能は落ちるが製作の
容易なハイブリッドIC、即ちマッチング回路が同一基
板上にないものでも良好な結果が得られる。
Although the example of the two-stage amplifier is shown in this embodiment, a good result can be obtained even with the one-stage amplifier. Also,
Although an example of a so-called monolithic IC in which the matching circuit is on the same substrate is shown, a good result can be obtained even with a hybrid IC which is slightly deteriorated in performance but is easily manufactured, that is, the matching circuit is not on the same substrate.

【0030】今回の実施例では12GHz帯の低雑音増
幅器についてのみを記載したが、マッチング回路の変更
で他の周波数帯でも良好な特性が得られた。また、この
FETを、ミキサなど、他の回路に利用しても良好な特性
が得られる。
In the present embodiment, only the low noise amplifier in the 12 GHz band is described, but good characteristics were obtained in other frequency bands by changing the matching circuit. Also this
Good characteristics can be obtained even if the FET is used in other circuits such as a mixer.

【0031】[0031]

【発明の効果】本発明によれば、高いキャリア移動度に
より性能の向上が図れる電界効果トランジスタが得ら
れ、低雑音増幅器等に適用したとき、大きな効果が得ら
れる。
According to the present invention, a field effect transistor whose performance is improved by high carrier mobility can be obtained, and when applied to a low noise amplifier or the like, a great effect can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例を示すFETのチャネル近傍
の説明図。
FIG. 1 is an explanatory diagram in the vicinity of a channel of an FET showing an embodiment of the present invention.

【図2】従来の実施例を示すHEMTの断面図。FIG. 2 is a sectional view of a HEMT showing a conventional example.

【図3】従来の実施例を示すHEMTのチャネル近傍の
バンド構造と電子密度分布図。
FIG. 3 is a band structure and electron density distribution chart near a channel of a HEMT showing a conventional example.

【図4】本発明の一実施例を示すHEMTのチャネル近
傍のバンド構造と電子密度分布図。
FIG. 4 is a band structure and electron density distribution diagram near a channel of a HEMT showing an embodiment of the present invention.

【図5】本発明の一実施例を示すHEMTの相互コンダ
クタンスのチャネル厚さ依存性の説明図。
FIG. 5 is an explanatory diagram of channel thickness dependence of transconductance of HEMT showing an example of the present invention.

【図6】本発明の一実施例を示すHEMTの断面図。FIG. 6 is a sectional view of a HEMT showing an embodiment of the present invention.

【図7】本発明の一実施例を示すHEMTの断面図。FIG. 7 is a sectional view of a HEMT showing an embodiment of the present invention.

【図8】本発明の一実施例を示すHEMTを用いた低雑
音増幅器の系統図。
FIG. 8 is a system diagram of a low noise amplifier using HEMT showing an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…バッファ層、2…アンドープGaAsチャネル層、
3…アンドープInGaAsチャネル層、4…アンドー
プGaAsチャネル層、5…バリア層。
1 ... Buffer layer, 2 ... Undoped GaAs channel layer,
3 ... Undoped InGaAs channel layer, 4 ... Undoped GaAs channel layer, 5 ... Barrier layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山根 正雄 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体設計開発センタ内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Masao Yamane Inventor Masao Yamane 5-20-1 Kamimizuhoncho, Kodaira-shi, Tokyo Incorporated company Hitachi Ltd. Semiconductor Design Development Center

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】電界効果トランジスタにおいて、チャネル
層がキャリア移動度の異なる二種類以上の半導体層から
形成されており、チャネルの中央部に相対的に高キャリ
ア移動度の半導体層を用いることを特徴とする電界効果
トランジスタ。
1. A field effect transistor, wherein a channel layer is formed of two or more kinds of semiconductor layers having different carrier mobilities, and a semiconductor layer having a relatively high carrier mobility is used in a central portion of the channel. And a field effect transistor.
【請求項2】電界効果トランジスタにおいて、チャネル
層がバンドギャップの異なる二種類以上の半導体層から
形成されており、チャネルの中央部に相対的に前記バン
ドギャップの小さな半導体層を用いることを特徴とする
電界効果トランジスタ。
2. A field effect transistor, wherein a channel layer is formed of two or more kinds of semiconductor layers having different band gaps, and the semiconductor layer having a relatively small band gap is used in a central portion of the channel. Field effect transistor to be.
【請求項3】請求項1または2において、前記チャネル
は三層よりなっており、基板側の半導体層及び表面側の
半導体層は同一材料、若しくは二つの半導体層に挟まれ
た半導体層と異なる材料である電界効果トランジスタ。
3. The channel according to claim 1, wherein the channel is composed of three layers, and the semiconductor layer on the substrate side and the semiconductor layer on the front surface side are different from a semiconductor layer sandwiched between the same material or two semiconductor layers. A field effect transistor that is a material.
【請求項4】請求項3において、前記チャネル層の厚さ
は20nm以下であり、前記表面側の半導体層の厚さが
チャネル層厚の50%以上である電界効果トランジス
タ。
4. The field effect transistor according to claim 3, wherein the thickness of the channel layer is 20 nm or less, and the thickness of the semiconductor layer on the front surface side is 50% or more of the channel layer thickness.
【請求項5】請求項3または4において、前記表面側の
半導体層の厚さが5nm以下である電界効果トランジス
タ。
5. The field effect transistor according to claim 3, wherein the thickness of the semiconductor layer on the front surface side is 5 nm or less.
【請求項6】請求項1,2,3,4または5において、
前記チャネル材料は、半導体基板がGaAsのときは前
記基板側半導体層及び前記表面側半導体層はGaAs、
或いはIn濃度の比較的小さなInGaAsであり、前
記挟まれた半導体層は比較的In濃度の大きなInGa
Asであり、半導体基板がInPのときは前記基板側半
導体層及び前記表面側半導体はIn濃度の比較的小さな
InGaAsであり、前記挟まれた半導体層は比較的I
n濃度の大きなInGaAsであり、いずれもチャネル
に転位が入らない程度のIn組成、及び膜厚で形成され
ている電界効果トランジスタ。
6. The method according to claim 1, 2, 3, 4 or 5.
The channel material is such that when the semiconductor substrate is GaAs, the substrate-side semiconductor layer and the surface-side semiconductor layer are GaAs,
Alternatively, it is InGaAs having a relatively low In concentration, and the sandwiched semiconductor layer is InGa having a relatively high In concentration.
As, and when the semiconductor substrate is InP, the substrate-side semiconductor layer and the surface-side semiconductor are InGaAs having a relatively low In concentration, and the sandwiched semiconductor layer is relatively I.
A field-effect transistor made of InGaAs having a large n concentration, and having an In composition and a film thickness such that dislocations do not enter the channel.
【請求項7】前記基板側半導体層及び前記表面側半導体
層と前記挟まれた半導体層の格子定数は、基板の格子定
数に対して反対方向にずれており、チャネル全体として
歪を相殺するような材料を用いる電界効果トランジス
タ。
7. The lattice constants of the substrate-side semiconductor layer and the surface-side semiconductor layer and the semiconductor layer sandwiched therebetween are shifted in the opposite direction with respect to the lattice constant of the substrate, so that strain is offset in the entire channel. -Effect transistor using various materials.
【請求項8】請求項1,2,3,4,5,6または7に
おいて、前記電界効果トランジスタは、そのチャネル層
が不純物を意識的には含まないアンドープ層であり、N
乃至P型不純物を含むキャリア供給層と空間的に分離さ
れた、HEMT構造を持つ電界効果トランジスタ。
8. The field effect transistor according to claim 1, wherein a channel layer of the field effect transistor is an undoped layer which does not intentionally contain impurities, and N
To a field effect transistor having a HEMT structure, which is spatially separated from a carrier supply layer containing a P-type impurity.
【請求項9】請求項1,2,3,4,5,6,7または
8において、バッファ層、即ちチャネル層の前記基板側
の半導体層に、チャネル層よりもバンドギャップの大き
な半導体材料を用いる電界効果トランジスタ。
9. The semiconductor material according to claim 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 or 8, wherein the buffer layer, that is, the semiconductor layer on the substrate side of the channel layer, is made of a semiconductor material having a bandgap larger than that of the channel layer. Field effect transistor used.
【請求項10】請求項1ないし9のいずれか記載の電界
効果トランジスタを低雑音増幅器に使用した低雑音増幅
回路。
10. A low noise amplifier circuit using the field effect transistor according to claim 1 for a low noise amplifier.
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