JPH0654786B2 - ヘテロ接合半導体デバイス - Google Patents

ヘテロ接合半導体デバイス

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JPH0654786B2
JPH0654786B2 JP59280891A JP28089184A JPH0654786B2 JP H0654786 B2 JPH0654786 B2 JP H0654786B2 JP 59280891 A JP59280891 A JP 59280891A JP 28089184 A JP28089184 A JP 28089184A JP H0654786 B2 JPH0654786 B2 JP H0654786B2
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/40FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
    • H10D30/47FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having two-dimensional [2D] charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
    • H10D30/471High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
    • H10D30/475High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having wider bandgap layer formed on top of lower bandgap active layer, e.g. undoped barrier HEMTs such as i-AlGaN/GaN HEMTs
    • H10D30/4755High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having wider bandgap layer formed on top of lower bandgap active layer, e.g. undoped barrier HEMTs such as i-AlGaN/GaN HEMTs having wide bandgap charge-carrier supplying layers, e.g. modulation doped HEMTs such as n-AlGaAs/GaAs HEMTs
    • HELECTRICITY
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    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/80Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
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    • H10D62/824Heterojunctions comprising only Group III-V materials heterojunctions, e.g. GaN/AlGaN heterojunctions

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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はヘテロ接合半導体デバイスに関し、特にInP/A
lGaAsSb系のヘテロ接合を用いた半導体デバイスに関す
る。
(従来の技術とその問題点) 2つの異種半導体の接合(ヘテロ接合)は、導電帯の底
の不連続性によりヘテロ界面の低い導電帯側に電子蓄積
層を形成したりキャリアを閉じ込める作用があり、高速
デバイスや半導体レーザ等に利用されている。ヘテロ接
合の特性は接合する2種の半導体のエネルギ・バンド構
造(エネルギ・バンド・ギャップ、電子親和度)により
著しく異なる。
従来高速デバイスに用いられてきた代表的なヘテロ接合
はGaAs/AlGaAs系であり、GaAs MESFET以上の高速動作
を与えるが、動作層のGaAs内でキャリアがΓ谷(主バン
ド)からL谷(サブバンド)へ遷移しやすいため約3KV
/cm以上の電界で負性微分移動度を伴う谷間散乱が起こ
り、バリスティックデバイスや高移動度能動デバイスを
実現する上で問題があった。
(発明が解決しようとする問題点) したがって本発明の目的はGaAs/AlGaAs系およびInGaAs
系ヘテロ接合デバイスの問題点を解決した高速デバイス
を提供することにあり、この目的は本発明においてInP
とAlxGa1-xAsySb1-y(y=0.044x+0.52)とのヘテロ接合を
用いた半導体デバイスによって解決される。
(問題点を解決するための手段) 本発明はGaAsの代わりにInPを用いる。第2図に示すよ
うに、GaAsとInPのエネルギバンド構造は類似するが、I
nPのΔEΓLは0.53eVとGaAsのそれの0.31eVに比べてか
なり大きい。このことから、負性抵抗が現われるInPの
しきい電界はGaAsに比べて約3倍大きい。また、第3図
に示すように、電子の速度の電界強度依存性はInPの方
がGaAsに比べてそのピーク電子速度は大きいことがわか
る。さてInPを動作層、すなわち実際にキャリアが走行
する層として用いるためには、InPと接合する他方の半
導体が電子親和度はInPより小さいが禁制帯幅はInPより
大きくかつInPに格子整合したものでなければならな
い。
本発明による4元混晶AlxGa1-xAsySb1-y(y=0.044x+0.5
2)はこれらの条件を満足した材料である。
(実施例) 以下添付図面を参照して本発明の具体的な実施例を述べ
る。
第1図には本発明による変調ドーピングショットキゲー
ト電界効果トランジスタ(MESFET)の実施例の断面構造を
示す。第1図において、半絶縁性InP基板11上に、ア
ンドープInP層12、0〜200ÅのアンドープAlxGa1-xAs
ySb1-y(y=0.044x+0.52)(x≒0.48)層13、Siドー
プによる厚さ500〜1000Åの1×10181/cm3のn+型AlxGa
1-xAsySb1-y(y=0.044x+0.52)層14を例えば分子線エ
ピタキシャル法により順次成長させ、このn+型AlxGa1-x
AsySb1-y層14上にAlのショットキゲート電極15とゲ
ート電極15の両側にAuGeNiのオーミック電極16、1
7とを設けた構造である。第4図に示すように、InPとA
lxGa1-xAsySb1-y(y=0.044x+0.52)との導電帯の底の不
連続性のためにヘテロ界面のInP側に電子の蓄積が起こ
る。すなわち、InPの電子親和度が大きいためn+型AlxGa
1-xAsySb1-y(y=0.044x+0.52)層内のドナーにより供給
された電子がInP側に引きつけられて電子蓄積層が形成
される。
この電子蓄積層がソースドレイン間の電気伝導に寄与す
るわけであるが、InP層には不純物をドープしていない
ためにイオン化不純物散乱が少なくなり、特にイオン化
不純物散乱が支配的になる低温でこの効果は大きく高電
子移動度が得られる。これと同様の原理、即ちキャリヤ
が発生するドープ領域と実際にキャリヤが動き回るアン
ドープ領域とを空間的に分離したFETとしては、従来
GaAs/AlGaAsヘテロ接合を用いたものが知られている。
しかしアンドープGaAs動作層においてキャリヤが有効質
量の小さいΓ谷から有効質量の大きいL谷へ遷移してし
まうため負性微分移動度が現われる。またIn0.52Al0.48
As/In0.53Ga0.47Asヘテロ界面を用いたFETが最近提
案されているが、InGaAsにおいてもGaAsと同様に負性抵
抗が現われるしきい電界が3〜4KV/cmと低く、低電界
移動度の特徴が高電界で有効に利用され得ない。また、
In0.53Ga0.47As混晶中での合金錯乱の影響もデバイス応
用上問題がある。本発明によるFETでは動作層にInP
を用いているために合金錯乱の問題はなく、また前述の
ようにInPはGaAsに比べてしきい電界が高くかつピーク
電子速度が大きいため印加電圧が高くとれ高出力および
高速動作が可能である。
第5図には本発明による実空間遷移型半導体素子の実施
例の断面構造を示す。第5図において、半絶縁性InP
基板21上にAlxGa1-xAsySb1-y(y=0.044x+0.52)層22
とInP層23とを交互に積層成長させる。この実施例で
はダブルヘテロ接合を繰り返した多重積層構造である
が、単一ヘテロ接合の単一積層構造でもよい。24、2
5はヘテロ界面の略垂直に設けられたオーミック電極で
ある。前述と同様に各ヘテロ界面のInP側に電子蓄積層
が形成される。オーミック電極24、25間に電界を印
加すると、InP中の電子は加速されてホットエレクトロ
ンとなるが、InP中の上の谷(L谷)に遷移する前にAlx
Ga1-xAsySb1-y層中に散乱される。AlxGa1-xAsySb1-y
では電子の移動度はInP中よりも小さいために負性微分
抵抗が生じる。電子の遷移時間は横方向の長さで決まる
ため、ガンダイオードより高周波での動作が期待でき
る。従来この型の半導体素子として、GaAs−AlGaAsヘテ
ロ界面を用いたものが知られている。ところがGaAsでは
Γ谷とL谷間のエネルギ差ΔEΓLが0.31eVと比較的小
さいため、ホットエレクトロンがAlxGa1-xAs中に散乱す
る前にL谷に遷移しやすい。したがって、負性微分抵抗
は得られてもそれはガン効果によるものであり、純粋な
実空間遷移による負性微分抵抗という現象は実現し難か
った。これに比べ本発明によるInP/AlxGa1-xAsySb
1-y(y=0.044x+0.52)ヘテロ接合を用いたものではInPの
ΔEΓLが0.53eVと大きいため、InP中のホットエレク
トロンがAlxGa1-xAsySb1-yに散乱する前にL谷へ遷移す
るという現象が起こりにくく、高電界で純粋な実空間遷
移による負性微分抵抗が得られる。なお変調ドーピング
法によりアンドープInP層23とn+型AlxGa1-xAsySb
1-y(y=0.044x+0.52)層22とに形成してInP中の電子移
動度を高めてもよい。
第6図には本発明によるバイポーラヘテロ接合トランジ
スタの実施例を示す。第6図において、n+型InP基板
(n=2×1018 1/cm3)31上に0.5μm厚のn-型InPコ
レクタ層(1×1016 1/cm3)32、500Å厚のp+型(1
×1019 1/cm3)InPベース層33、0.2μm厚のn型(2
×1017 1/cm3)AlxGa1-xAsySb1-y(y=0.044x+0.52)エミ
ッタ層34、0.2μm厚のn+型(1×1019 1/cm3)InPキ
ャップ層35を備えた構造である。この構造のトランジ
スタは、ベース、コレクタの動作層で大きな電流密度が
得られ、gmが大きいこと、ファンアウト依存性が小さい
とこ、動作振幅が小さいことなどの利点がある。またベ
ース層の厚さをサブ・ミクロンまで縮小できるとバリス
ティック動作又は電子速度のオーバーシュート効果が可
能である。
従来知られているGaAs/AlxGa1-xAs系のバイポーラ・ヘ
テロ接合トランジスタではベース層にGaAsを用いている
ため前述したようにΓ谷とL谷間のエネルギー差ΔE
ΓLが比較的小さく、帯間フォノン散乱が生起しやす
い。これに比べ本発明によるトランジスタでInPを動作
層として用いておりΔEΓLが大きいので、ベース領域
で帯間フォノン散乱されずにバリステイック動作または
電子速度のオーバーシュート動作が起こりやすい。この
ため超高速のトランジスタが実現できる。
(発明の効果) 以上のように、本発明によるInP/AlxGa1-xAsySb1-y(y
=0.044x+0.52)ヘテロ接合を用いた種々のデバイスは、
従来のデバイスに比べて動作速度が高いため、現在FE
T、IC、ガンダイオード等が用いられているあらゆる
分野に用いることができ、その産業上の利用価値は極め
て大きく特に高速処理が必要な分野、例えば計算機のCP
U、メモリ、画像処理等での利用が期待できる。またInP
を用いるとしきい電界が高いことから動作電圧を高くと
れ、高出力マイクロデバイスとしても本発明のヘテロ接
合は応用可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明によるInP/AlxGa1-xAsySb1-y(y=0.0
44x+0.52)の界面を用いた変調ドープ電界効果トランジ
スタの断面図である。 第2図(a)、(b)はそれぞれGaAs、InPのエネルギバンド
構造図である。 第3図は、GaAs、InPの電子速度の電界強度依存性を示
す図である。 第4図は、InP/AlxGa1-xAsySb1-y(y=0.044x+0.52)ヘ
テロ界面でのエネルギバンド図である。 第5図は、本発明によるInP/AlxGa1-xAsySb1-y(y=0.0
44x+0.52)ヘテロ界面を用いた実空間遷移型半導体素子
の断面構造図である。 第6図は、ベース層にInP、エミッタ層にAlxGa1-xAsySb
1-y(y=0.044x+0.52)を用いた本発明によるバイポーラ
・ヘテロ接合トランジスタの断面構造図である。 11は、半絶縁性InP基板 12は、アンドープInP層 13は、50Å〜100Åのアンドープ AlxGa1-xAsySb1-y(y=0.044x+0.52)層 14は、500Å〜1000ÅのSiドープ(1×1018 1/c
m3)n+型AlxGa1-xAsySb1-y(y=0.044x+0.52)層 15は、Alのゲート電極 16、17は、AuGeNiオーミック電極 21は、半絶縁性InP基板 22は、AlxGa1-xAsySb1-y(y=0.044x+0.52)層 23は、InP層 24、25は、オーミック電極 31は、n+型InP基板(n=2×1018 1/cm3) 32は、0.5μm厚n-型InPコレクタ層(1×1016 1/c
m3) 33は、500Å厚P+型InPベース層(1×1019 1/cm3) 34は、0.2μm厚のn型AlxGa1-xAsySb1-y(y=0.044x+
0.52)のエミッタ層(2×1017 1/cm3) 35は、0.2μm厚のn+型InPキャップ層(1×1019 1/c
m3
───────────────────────────────────────────────────── 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 29/73 29/812

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】InPとAlGa1-xAsSb1-y(y
    =0.044x+0.52)とのヘテロ接合を用いた半
    導体デバイス。
  2. 【請求項2】半絶縁性InP基板上のアンドープInP
    層と、該InP層上のn+型AlGa1-xAsSb1-y
    (y=0.044x+0.52)層とを備え、前記n+
    AlGa1-xAsSb1-y層の離隔した2領域にソー
    スおよびドレイン用のオーミック電極をそれぞれ設け,
    これら電極間にゲート用ショットキ電極を設けた電界効
    果トランジスタ。
  3. 【請求項3】半絶縁性InP基板上にAlGa1-x
    Sb1-y(y=0.044x+0.52)とInP
    との単一または多重の積層を有し,該積層の両側面にオ
    ーミック電極を設けた半導体素子。
  4. 【請求項4】n+型InP基板上にn-型InPコレクタ
    層、p+型InPベース層、該ベース層上にn型Al
    1-xAsSb1-y(y=0.044x+0.52)エ
    ミッタ層を備えたことを特徴とするバイポーラヘテロ接
    合トランジスタ。
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JP5953714B2 (ja) 2011-11-24 2016-07-20 セイコーエプソン株式会社 装置、頭部装着型表示装置、装置の制御方法および頭部装着型表示装置の制御方法

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