JPH05251476A - セルフ・ドープ高性能相補性ヘテロ接合電界効果トランジスタ - Google Patents

セルフ・ドープ高性能相補性ヘテロ接合電界効果トランジスタ

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JPH05251476A
JPH05251476A JP4195872A JP19587292A JPH05251476A JP H05251476 A JPH05251476 A JP H05251476A JP 4195872 A JP4195872 A JP 4195872A JP 19587292 A JP19587292 A JP 19587292A JP H05251476 A JPH05251476 A JP H05251476A
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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、現実にコンパクトであり、化合物
半導体材料を使用する高性能相補性ヘテロ接合電界効果
トランジスタ構造を提供することを目的とする。 【構成】 本発明は、複数の縦型スタック電界効果デバ
イスを有する ヘテロ接合電界効果トランジスタ構造で
ある。電気的に独立なソ−スおよびドレイン領域(1
8,19)を有する2つ以上のデバイスは、各々のデバ
イスに流れる電流を制御する。各々の縦型スタックFE
Tは、単独のゲ−ト電極(17)によって制御される電
気的に絶縁されたチャネル領域(12,14)を有す
る。縦型スタックデバイスは、より大きなデバイス・パ
ッキング密度を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に電界効果トラン
ジスタに関し、特に縦方向に並ぶ複数のチャネルを有す
る電界効果トランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ヘテ
ロ構造デバイスを使用する化合物半導体は、シリコン・
デバイスに対して優れたスピ−ドと出力を与えてきた。
HFETを使用する多くの化合物半導体において、化合
物半導体材料を使用するシリコンを用いた構造は、重複
する傾向にある。この方法の欠点の一つは、化合物半導
体材料の利点が十分に使用されず、最小デバイス形状
(geometry)はシリコンに対して改良されてい
ないことである。ガリウム砒素チップは、シリコンを使
用するデバイスより実質的に小さくはないので、従来の
CMOS技術と価格競争にならない。従って、現実にコ
ンパクトであり、化合物半導体材料を使用する高性能相
補性ヘテロ接合電界効果トランジスタ構造が望まれてい
る。
【0003】シリコンのCMOSデバイスのようなパワ
−半導体デバイスは、NチャネルおよびPチャネル・デ
バイスの両方を使用する。従来のHFET構造に対する
問題点は、PチャネルおよびNチャネルのしきい値電圧
または動作特性におけるミスマッチである。Nチャネル
とPチャネル・デバイスとの間のミスマッチは、プロセ
スを複雑にし、そのデバイスを使用する回路をより複雑
なものとしていた。従って、非常によくマッチした動作
特性と高いパッキング密度を有する相補性HFETが望
まれている。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、結晶バッファ
層(11),第1材料から成り、前記バッファ層(1
1)上でエピタキシャル成長させた第1量子井戸(1
2),前記第1量子井戸(12)を被覆する第1障壁
(13),第2材料から成り、前記第1障壁(13)上
に形成される第2量子井戸(14)であって、前記第1
障壁(13)は前記第1,第2材料より大きいバンドギ
ャップを有し、かつ前記第1,第2量子井戸(12,1
4)の間で電荷結合を許容する程十分に薄い第2量子井
戸(14),少なくとも1つの量子井戸(14)と結合
する第1導電性のソ−ス/ドレイン領域の組(19),
前記第2量子井戸(14)を被覆する第2障壁(1
6),および前記ソ−スおよびドレイン(19)の間の
前記第2障壁(16)上に形成されるゲ−ト電極(1
7)であって、前記ゲ−ト電極(17)に印加されるバ
イアス電圧は前記第1量子井戸(12)と前記第2量子
井戸(14)との間の電荷キャリア移送を制御するゲ−
ト電極(17)から構成されるセルフ・ド−プ電界効果
トランジスタ(FET)である。
【0005】
【作用】本発明の目的は、複数の縦型スタック電界効果
デバイスを有するヘテロ接合電界効果構造によって、達
成される。電気的に独立なソ−スおよびドレイン領域を
有する2つまたはそれ以上のデバイスが形成され、1つ
のゲ−ト電極は、各々のデバイスの中で電流の流れを制
御する。各々の縦型スタックFETは、電気的に絶縁さ
れたチャネル領域を有するが、そのチャネル領域は1つ
のゲ−ト電極によって制御される。縦型スタック・デバ
イスは、デバイスのより大きいパッキング密度を与え
る。
【0006】
【実施例】量子井戸電界効果トランジスタを設計する際
の主要な問題は、ゲ−ト電極の下側にあるチャネル領域
の構造である。そのチャネル領域の特性は、トランジス
タ全体の特性をほとんど決定するからである。図1は、
本発明による相補性ヘテロ接合電界効果トランジスタの
チャネル領域を通る断面図である。図1に示す全ての物
質層および以下の本発明の実施例は、実質的にエピタキ
シャル成長した単結晶層である。これは、各々のエピタ
キシャル層が下側の基板と結晶学的に両立する(com
patible)材料から成ることを必要とする。従っ
て、後述の実施例に関する電気的材料の制限に加えて、
材料の選択は結晶の性質によっても制限される。本発明
のエピタキシャル層は、有機金属気相成長(MOCV
D),分子線エピタキシ(MBE)または原子線エピタ
キシ(ALE)等によって形成される。
【0007】本発明は、単独のNチャネルと単独のPチ
ャネル・デバイスを有する相補性構造を用いて述べられ
ているが、相補性またはそうでない様々な構造は、実施
例を僅かに変更するのみで可能である。そのような変更
は、当業者にとって明らかなものであり、請求の範囲内
に包含されることを意図する。例えば、複数の縦型スタ
ックNチャネル・デバイスで、各々のデバイスは独立し
たソ−ス/ドレイン電極を有する構造を形成することも
可能である。また、複数のPチャネルを与えることによ
って、複数の縦型スタックPチャネル・デバイスを提供
することも可能である。さらに、エンハスメントおよび
デプレッション・デバイスの両方を、縦型スタック構造
で形成することも可能である。また、所望のデバイス機
能を有するようにそれらの層を与えることも可能であ
る。
【0008】以下に述べるように、好適実施例は、セル
フ・ド−プ構造を用いて説明される。ある装置のデバイ
ス特性での犠牲(sacrifice)で、モジュレ−
ション・ド−ピング(modulation dopi
ng)を含む従来のド−ピング技術を、装置のデバイス
特性に使用することも可能である。図1に示す実施例
は、アルミニウム・アンチモン(AlSb)のような材
料から成る、バンドギャップの広いバッファ層11から
構成される。他のバンドギャップの広い材料も知られて
おり、化合物半導体デバイスで使用されるが、好適実施
例にあっては、上側の層で用いられる他の材料との両立
性を補償するために、AlSbであることが望まれる。
Pチャネル量子井戸12は、AlSbバッファ層11を
被覆して形成される。好適実施例では、Pチャネル量子
井戸12は、ガリウム・アンチモン(GaSb)から成
る。Pチャネル量子井戸は、所定の厚さを有し、AlS
bのようなバンドギャップの広い材料から成る障壁層1
3によって被覆される。
【0009】好適実施例では、Nチャネル量子井戸14
は、インジウム砒素(InAs)のような材料から成
り、障壁13上に形成される。第2障壁層16は、Nチ
ャネル量子井戸14上に形成される。第2障壁16は、
AlSbのようなバンドギャップの広い材料から成る。
ゲ−ト電極17は、第2障壁16の一部分上に形成さ
れ、第2障壁層16とショットキ・コンタクトを成す。
Pチャネル量子井戸12およびNチャネル量子井戸14
は、実質的にアンド−プであり、その障壁層内に電荷供
給層を必要としない。
【0010】Pチャネル量子井戸12およびNチャネル
量子井戸14に対して特定の材料が選択される。これ
は、Pチャネル量子井戸12が、セルフ・ド−ピングを
与えるために図2と図3に示すような、Nチャネル量子
井戸14の伝導帯エネルギより高い価電子帯エネルギを
有する必要があるためである。もし従来のド−ピング技
術を使用するならば、材料を選択するに当たってはより
多くの選択の余地がある。伝導帯エネルギ(EC)と価
電子帯エネルギ(EV)は、図1に示す断面構造のエネ
ルギ・バンドである図2と図3に示されている。
【0011】Pチャネル量子井戸12およびNチャネル
量子井戸14は、障壁11,13,16から成るバンド
ギャップの広いホスト(host)材料に挟まれて形成
される。第1ホ−ル状態(εh)の量子化されたエネル
ギ準位は、Pチャネル量子井戸12の中に示されてい
る。εhは、Pチャネル量子井戸12の価電子帯エネル
ギよりいくらか低いエネルギ準位にある。εhの正確な
エネルギ値は、Pチャネル量子井戸12の厚さであるa
Pによって決定される。εhは、Pチャネル量子井戸12
におけるホ−ルの最小エネルギである。
【0012】同様にεeは、Nチャネル量子井戸14に
おける第1電子状態の量子化されたエネルギ準位であ
る。εeは、Nチャネル量子井戸14の伝導帯エネルギ
よりいくらか高いエネルギ準位にあり、Nチャネル量子
井戸14の厚さanによって決定される。Δεは、Pチ
ャネル量子井戸12の価電子帯エネルギと、Nチャネル
量子井戸14の伝導帯エネルギとの間の差である。Ga
SbとInAsを量子井戸として使用したとき、Δεは
約0.175eVである。εeは、Nチャネル量子井戸
14における電子の最小エネルギである。
【0013】障壁13の予め定められた厚さは、Nチャ
ネル量子井戸14での電子の波動関数と、Pチャネル量
子井戸12でのホ−ルの波動関数とが重なるように設計
される。言い換えれば障壁13は、2つの量子井戸間で
電荷キャリアが結合できる程、十分に薄い。εhがεe
り高いエネルギ準位にあるとき、Pチャネル量子井戸1
2の価電子帯の電子は、Nチャネル量子井戸14の方に
移動しようとする。その結果、Nチャネル量子井戸14
内に多くの自由電子を発生させ、Pチャネル量子井戸1
2内に同数の自由ホ−ルを発生させる。従って、εh
εeより高いエネルギ準位にあるとき、各々の量子井戸
は、他方の量子井戸へ電荷キャリアを注入し、量子井戸
は導通状態になる。図2に示すように、ゲ−ト17(図
1で示される)によってバイアスが加えられていないと
き、Pチャネル量子井戸12およびNチャネル量子井戸
14の両方は、アンド−プであるため非導通状態であ
る。しかし、図3に示すようにPチャネル量子井戸12
およびNチャネル量子井戸14の両方にバイアスが加え
られると、ド−プされて導通状態になる。
【0014】Nチャネル量子井戸14およびPチャネル
量子井戸12は、互いにセルフ・ド−ピングを行うが、
その2つのチャネルは電気的に絶縁されたままである。
Nチャネル14内で導通する電荷は、Pチャネル12へ
移動することはない。障壁13は電気的絶縁性を維持
し、Pチャネル・デバイスはNチャネル・デバイスと独
立に動作する。
【0015】前述したように、εhとεeは量子井戸の厚
さと共に変化する。量子井戸12が薄くなるにつれて、
εhはEVから離れてゆく。同様に量子井戸14が薄くな
るにつれて、εeはECから離れてゆく。図1に示すセル
フ・ド−ピングの性質を、デプレション・モ−ドおよび
エンハスメント・モ−ド特性を有するHFET構造に使
用することが可能である。
【0016】図4は、εhとεeとの間のエネルギ差を、
量子井戸の厚さの関数として表したものである。図4に
示すグラフでは、横軸が量子井戸の厚さであり、簡単の
ために量子井戸は共に同じ厚さであることを仮定してい
る。図4において縦軸は、Pチャネル量子井戸12内の
第1ホ−ル状態と、Nチャネル量子井戸14内の第1電
子状態との間のエネルギ差を示す。図4に見られるよう
に、ある臨界厚さaCにおいてεhとεeのエネルギは等
しくなる。好適実施例で使用している材料に対しては、
その臨界厚さは約100オングストロ−ムである。量子
井戸の厚さが増加するにつれて、εhはεeより大きくな
り、前述したようにセルフ・ド−ピングが生ずる。量子
井戸12,14が十分に薄いとき、εhはεeより小さく
なりバイアスされていない状態となる。従って、量子井
戸12,14が薄いとき、Pチャネル量子井戸12およ
びNチャネル量子井戸14は、アンド−プまたは外部バ
イアスのない非導通状態となる。
【0017】図1に示すセルフ・ド−ピング構造のいく
つかの特徴を以下に述べる。第1に、セルフ・ド−ピン
グは同時に生じることであり、NチャネルとPチャネル
の両者は、同時に同じ度合いで移動電荷と共に作動す
る。第2に、使用する材料の性質とセルフ・ド−ピング
の過程から、井戸間で多くのキャリアが移送される。一
度セルフ・ド−ピングが生ずると、電荷キャリアの濃度
は、各々の量子井戸内で非常に高くなり、それに対応し
て導電性も高くなる。また、量子井戸12,14は不純
物の影響を受けず、固有の移動度に非常に近くなる。従
来のド−プされた量子井戸とは違って、εhがεeより小
さいときは電荷キャリアはどちらの量子井戸内にも単独
で存在することはできない。εhとεeとの間には禁止帯
であるエネルギ・ギャップが存在するためである。チャ
ネルが非導通状態にあるときは、その禁止帯であるエネ
ルギ・ギャップにより、見積られるリ−クは非常に低い
ものとなる。
【0018】図5は、本発明による相補性ヘテロ接合電
界効果トランジスタ構造の第1実施例を示す。図5に示
す構造は、図1に示す構造よりいくらか複雑である。こ
れは図5が、電界効果トランジスタを形成するために必
要となる実際の構造を表現しているためである。図1で
の番号と同じもので示される層および領域は、同様な材
料から成り、図1に示すものと同様に機能する。
【0019】図1に示したエピタキシャル層構造に対し
ては、P型導電性のソ−ス/ドレイン領域18が、1つ
のゲ−ト17と向かい合って形成される。P型導電性の
ソ−ス/ドレイン領域18は、障壁16の表面からPチ
ャネル量子井戸12に伸びる。正の電圧がゲ−ト17に
印加されるとき、図3に示すようにバンドに変形が生
じ、2次元ホ−ル・ガス(two dimension
al hole gas:2−DHG)が、Pチャネル
量子井戸12内に生ずる。その2−DHGは、P型導電
性のソ−ス/ドレイン領域18と結合し、PチャネルF
ETは導通状態になる。一般のPチャネル導電性に付随
する負の電圧ではなく、正の電圧が印加された時に、P
チャネル量子井戸12は導通することに留意されたい。
【0020】図5に示す様式では、従来の不純物ド−ピ
ングに用いられる高い移動度を用いることなしに、Pチ
ャネル量子井戸12内でGaSbの高い移動度を利用し
ている。同様に、N型導電性のソ−ス/ドレイン領域1
9は、ゲ−ト17と向かい合って形成され、障壁16の
表面からNチャネル量子井戸14に伸びる。ソ−ス/ド
レイン領域18,19は、互いに絶縁された接合であ
る。正のゲ−ト電圧がゲ−ト17に印加されるとき、電
子はPチャネル量子井戸12の価電子帯から、Nチャネ
ル量子井戸14へ供給され、2次元電子ガス(two
dimensional electron gas:
2−DEG)がNチャネル量子井戸14に生ずる。ま
た、ド−パント不純物を用いることなしに、Nチャネル
量子井戸14内でInAsの高い移動度を利用すること
ができる。絶縁している高いエネルギ準位は、Pチャネ
ルとNチャネルHFETとの間で与えられることにも留
意されたい。
【0021】図5に示す相補性HFET構造は、本発明
のセルフ・ド−プ量子井戸を使用した比較的簡潔な実施
例であるが、セルフ・ド−ピングの特徴を最大限に利用
するためには最適なものではない。しかし、図5に示す
構造は、従来のCHFET構造よりも優れた特性を有す
る。図5は、電気的に独立なソ−ス/ドレイン領域を有
する縦型スタック電界効果トランジスタである本発明の
要点を示したものである。
【0022】本実施例にあっては、ゲ−ト17に印加す
る正の電圧は、図3に示すようにバンドを変形させ、N
チャネル量子井戸14とPチャネル量子井戸12で同時
に相互にセルフ・ド−ピングさせる。すなわち、単独の
ゲ−ト電圧で、NチャネルとPチャネル・デバイス両者
を導通させる。このCHFET構造は、従来のデバイス
に比べて顕著にサイズを小型化し、有用な本発明のセル
フ・ド−ピング特性を与える。
【0023】図5に示す構造について、多くの実施形態
が可能である。従来のド−ピング技術または図1ないし
4で述べたセルフ・ド−ピングによって各々のチャネル
がド−プされる限り、NチャネルおよびPチャネル量子
井戸の積層する順序によらない2つ以上の縦型スタック
・トランジスタを形成することが可能である。また、N
チャネルおよびPチャネル・デバイスに対して、厚い量
子井戸構造は、デプレッション・モ−ド特性を与える。
【0024】図6は、CHFET構造に対して最小デバ
イス形状を達成する本発明の他の実施例である。バッフ
ァ層11は、バンドギャップの広い障壁16Bで置き換
えられている。P型導電性のソ−ス/ドレイン領域18
は、障壁16Bのベ−ス表面からPチャネル量子井戸1
2へ拡散している。同様にN型導電性のソ−ス/ドレイ
ン領域19は、障壁16の表面からNチャネル量子井戸
14へ拡散している。バック・ゲ−ト17bは、Pチャ
ネル量子井戸12内で導電性を制御するために使用され
る。しかし、単独のゲ−ト17aが前述したようなNチ
ャネル量子井戸14およびPチャネル量子井戸12の両
者の導電性を制御するので、必ずしも必要なものではな
い。
【0025】図6に示す実施例は、単独のHFETデバ
イスに必要であった従来のスペ−ス内で、対になって結
合する相補性HFETデバイスが形成されており、本発
明による構造を使用している。ドレイン/ソ−ス電極
は、ドレイン/ソ−ス領域と接触して選択的に形成さ
れ、その電極はデバイスを相互接続するために用いられ
る。あるいはデバイスは、従来の集積回路でしばしば行
われるように、電極を用いることなく結合することも可
能である。
【0026】
【発明の効果】これまで説明したように本発明によれ
ば、改良された特性を有するセルフ・ド−プ相補性ヘテ
ロ接合電界効果トランジスタが提供される。本発明によ
るHFET構造は、HFET技術のために優れた材料を
最適に使用し、さらには高いパッキング密度のための有
効な形態を使用することが可能である。さらに、本発明
によるHFET構造は、従来は不可能であった方法でP
チャネルとNチャネル・デバイスを結合し、従来よりも
少ないデバイスとより簡潔な回路を使用する新規な機能
を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による2重チャネルHFETの
部分断面図を示す。
【図2】図1に示す構造で、バイアスが印加されていな
い場合の、エネルギ・バンドを示す。
【図3】図1に示す構造で、ゲ−トにバイアスが印加さ
れている場合の、エネルギ・バンドを示す。
【図4】Pチャネル量子井戸内における第1ホ−ル状態
の量子化されたエネルギと、Nチャネル量子井戸内にお
ける電子状態の量子化されたエネルギとの差を、量子井
戸の厚さの関数で表したグラフを示す。
【図5】本発明による相補性電界効果トランジスタの第
1実施例を示す。
【図6】本発明による相補性電界効果トランジスタの第
2実施例を示す。
【符号の説明】
11 バッファ層 13,16 障壁層 12,14 量子井戸 17 ゲ−ト電極 18,19 拡散領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/20 9171−4M H01L 29/80 B (72)発明者 ハーバート・ゴロンキン アメリカ合衆国アリゾナ州テンピ、ノー ス・カチナ・ドライブ8623 (72)発明者 ウィリアム・ジェイ・ウームス アメリカ合衆国アリゾナ州チャンドラー、 ウェスト・サン・タン・ストリート1725 (72)発明者 カール・エル・シュルボフ アメリカ合衆国アリゾナ州ギルバート、イ ースト・ボーン・アベニュー1537

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 結晶バッファ層(11);第1材料から
    成り、前記バッファ層(11)上でエピタキシャル成長
    させた第1量子井戸(12);前記第1量子井戸(1
    2)を被覆する第1障壁(13);第2材料から成り、
    前記第1障壁(13)上に形成される第2量子井戸(1
    4)であって、前記第1障壁(13)は前記第1,第2
    材料より大きいバンドギャップを有し、かつ前記第1,
    第2量子井戸(12,14)の間で電荷結合を許容する
    程十分に薄い第2量子井戸(14);少なくとも1つの
    量子井戸(14)と結合する第1導電性のソ−ス/ドレ
    イン領域の組(19);前記第2量子井戸(14)を被
    覆する第2障壁(16);および前記ソ−スおよびドレ
    イン(19)の間の前記第2障壁(16)上に形成され
    るゲ−ト電極(17)であって、前記ゲ−ト電極(1
    7)に印加されるバイアス電圧は前記第1量子井戸(1
    2)と前記第2量子井戸(14)との間の電荷キャリア
    移送を制御するゲ−ト電極(17);から構成されるこ
    とを特徴とするセルフ・ド−プ電界効果トランジスタ
    (FET)。
  2. 【請求項2】 前記第1材料はアンド−プ・ガリウム・
    アンチモンから成り、前記第2材料はインジウム砒素か
    ら成り、前記第1,第2量子井戸(12,14)は約1
    00オングストロ−ムより厚いことを特徴とする請求項
    1記載のFET。
  3. 【請求項3】 前記第1材料はアンド−プ・ガリウム・
    アンチモンから成り、前記第2材料はインジウム砒素か
    ら成り、前記第1,第2量子井戸(12,14)は約1
    00オングストロ−ムより薄いことを特徴とする請求項
    2記載のFET。
  4. 【請求項4】 バンドギャップの広い結晶から成るバッ
    ファ層(11);前記バッファ層上にエピタキシャル成
    長させたGaSb層(12);前記GaSb層上に形成
    される第1障壁(13);前記第1障壁層(13)上に
    エピタキシャル成長させたInAs層(14);前記I
    nAs層(14)上にエピタキシャル成長させた第2障
    壁(16)であって、前記第1,第2障壁(13,1
    6)はバンドギャップの広い材料から成る第2障壁(1
    6);前記第2障壁層(16)の一部分とショットキ・
    コンタクトをなすゲ−ト電極(17);第2障壁の一部
    分で形成される第1ソ−ス電極(18);第2障壁の一
    部分で形成される第2ソ−ス電極(19);第2障壁の
    一部分で形成される第1ドレイン電極(18)であっ
    て、前記ゲ−ト電極(17)は前記第1ソ−ス電極(1
    8)と前記第1ドレイン電極(18)との間に位置する
    第1ドレイン電極(18);前記第2障壁(16)の一
    部分で形成される第2ドレイン電極(19)であって、
    前記ゲ−ト電極(17)は前記第2ソ−ス電極(19)
    と前記第2ドレイン電極(19)との間に位置する第2
    ドレイン電極(19);前記第1ソ−ス電極と前記Ga
    Sb層(12)とを結合するp型ソ−ス拡散;前記第1
    ドレイン電極と前記GaSb層(12)とを結合するp
    型ドレイン拡散;前記第2ソ−ス電極と前記InAs層
    (14)とを結合するn型ソ−ス拡散;および前記第2
    ドレイン電極と前記InAs層(14)とを結合するn
    型ドレイン拡散;から構成されることを特徴とするセル
    フ・ド−プ相補性HFET構造。
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