JPH0797637B2 - Heterostructure field effect transistor - Google Patents

Heterostructure field effect transistor

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JPH0797637B2
JPH0797637B2 JP62283426A JP28342687A JPH0797637B2 JP H0797637 B2 JPH0797637 B2 JP H0797637B2 JP 62283426 A JP62283426 A JP 62283426A JP 28342687 A JP28342687 A JP 28342687A JP H0797637 B2 JPH0797637 B2 JP H0797637B2
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field effect
effect transistor
gallium arsenide
gaas
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木村  亨
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はゲルマニウムを能動層とするヘテロ接合電界効
果トランジスタに関する。
The present invention relates to a heterojunction field effect transistor having germanium as an active layer.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

砒化ガリウムはシリコンに比べ電子移動度が4〜5倍大
きいため、砒化ガリウムを能動層とする種々の電界効果
トランジスタが高速および高周波用トランジスタとして
使用されている。この中には例えばショットキ・ゲート
構造電界効果トランジスタ(MESFET)、選択ドープ構造
電界効果トランジスタ(HEMT)、絶縁ゲート構造電界効
果トランジスタ(SISFET)等があげられる。
Since gallium arsenide has an electron mobility 4 to 5 times higher than that of silicon, various field effect transistors using gallium arsenide as an active layer are used as high speed and high frequency transistors. Among these are, for example, Schottky gate structure field effect transistors (MESFET), selectively doped structure field effect transistors (HEMT), insulated gate structure field effect transistors (SISFET) and the like.

このような電界効果トランジスタを用いて大規模集積回
路を実現するには、消費電力、動作余裕度等の観点から
コンプリメンタリな回路で構成することが最も望まし
い。シリコンを材料とする集積回路では、このような回
路はCMOS回路と呼ばれている。
In order to realize a large-scale integrated circuit using such a field effect transistor, it is most desirable to use a complementary circuit in terms of power consumption, operational margin, and the like. In an integrated circuit made of silicon, such a circuit is called a CMOS circuit.

一方、砒化ガリウムは電子の移動度μe(=8500cm2/V
・sec)は大きいが、正孔の移動度μh(=400cm2/V・s
ec)は小さく、コンプリメンタリな回路を実現したと
き、pチャンネル電界効果トランジスタのドレイン飽和
電流あるいは相互コンダクタンスgmの値が小さくなる。
このため、nチャンネルおよびpチャンネル電界効果ト
ランジスタからなるコンプリメンタリ回路全体のスイッ
チング時間、あるいは集積度といった特性が、pチャン
ネル・トランジスタの特性で制限され、高速化、集積化
といった面で大きな障害となってくる。
On the other hand, gallium arsenide has electron mobility μe (= 8500 cm 2 / V
・ Sec) is large, but hole mobility is μh (= 400cm 2 / V ・ s)
ec) is small, and when a complementary circuit is realized, the drain saturation current or transconductance gm of the p-channel field effect transistor becomes small.
Therefore, the characteristics such as the switching time or the degree of integration of the entire complementary circuit including the n-channel and p-channel field effect transistors are limited by the characteristics of the p-channel transistor, which is a major obstacle in terms of speeding up and integration. come.

これを避けるためには、pチャンネル・トランジスタの
ゲート幅を広くして、相互コンダクタンスgmを大きくと
る設計が必要になるが、これは回路のチップ占有面積が
大きくなり、大規模集積化が困難である。あるいはこれ
に付随して配線長も長くなるため、配線による負荷が増
大し、スイッチング時間が長くなり、回路の高速化を図
る上で障害となるといった欠点が生ずる。事実、文献ア
イ・イー・ディー・エム(IEDM)85,ダイジェスト オ
ブ テクニカル ペーパーズ(Digest of Technical Pa
pers)317頁記載のデータによると、同一砒化ガリウム
ウェハー上に実現されたコンプリメンタリ絶縁ゲート構
造電界効果トランジスタ回路において、nチャンネルト
ランジスタの相互コンダクタンスgmは218mS/mm、pチャ
ンネルトランジスタの相互コンダクタンスgmは28mS/mm
の値を持ち、相互コンダクタンスgmの違いは8倍近くに
及ぶことがわかる。
To avoid this, it is necessary to design the p-channel transistor to have a wide gate width and a large transconductance gm, but this requires a large circuit chip area, making large-scale integration difficult. is there. Alternatively, accompanying this, the wiring length also becomes longer, so that the load due to the wiring increases, the switching time becomes longer, and there is a drawback that it becomes an obstacle in achieving higher speed of the circuit. In fact, the literature IEDM 85, Digest of Technical Papers
According to the data on page 317, in the complementary insulated gate structure field effect transistor circuit realized on the same gallium arsenide wafer, the transconductance gm of the n-channel transistor is 218 mS / mm and the transconductance gm of the p-channel transistor is 28 mS. / mm
It can be seen that the difference in transconductance gm reaches about 8 times.

第4図は従来例のpチャンネル電界効果トランジスタの
断面図を模式化したものである。半絶縁性の砒化ガリウ
ム基板21の上にp型高濃度ドーピングされた砒化ガリウ
ム層(p型GaAs層)26が形成され、この砒化ガリウム層
26上にはショットキ接合するゲート電極22が、またゲー
ト電極22の左右にはイオン注入法により形成されたp型
高濃度層(p+コンタクト層)25が、さらにその上にはソ
ース電極23、ドレイン電極24が設けられ、砒化ガリウム
層26を能動層とするpチャンネル電界効果トランジスタ
が実現されている。
FIG. 4 is a schematic sectional view of a conventional p-channel field effect transistor. A p-type heavily doped gallium arsenide layer (p-type GaAs layer) 26 is formed on a semi-insulating gallium arsenide substrate 21.
A Schottky junction gate electrode 22 is formed on the gate electrode 26, a p-type high concentration layer (p + contact layer) 25 formed by an ion implantation method is formed on the left and right sides of the gate electrode 22, and a source electrode 23, A drain electrode 24 is provided, and a p-channel field effect transistor having the gallium arsenide layer 26 as an active layer is realized.

このようなpチャンネルトランジスタの特性が回路全体
の特性を制限し、砒化ガリウムにおけるシリコンに対す
る電子移動度の優位性は、ほとんど発揮されないことに
なる。
The characteristics of such a p-channel transistor limit the characteristics of the entire circuit, and the superiority of electron mobility in gallium arsenide over silicon is hardly exhibited.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the invention]

以上のように、砒化ガリウムウェハー上に大規模集積回
路を実現するため、コンプリメンタリ電界効果トランジ
スタ回路を用いると、nチャンネルトランジスタもpチ
ャンネルトランジスタも能動層が砒化ガリウムであるた
め、砒化ガリウム中の正孔の移動度が小さく、回路全体
の特性がpチャンネルトランジスタの特性によって制限
され、高速化、高集積化にとり重大な障害となるといっ
た欠点があった。
As described above, when a complementary field effect transistor circuit is used to realize a large-scale integrated circuit on a gallium arsenide wafer, both the n-channel transistor and the p-channel transistor have active layers made of gallium arsenide. There are drawbacks that the mobility of the holes is small and the characteristics of the entire circuit are limited by the characteristics of the p-channel transistor, which is a serious obstacle to high speed and high integration.

本発明の目的はこれら従来の砒化ガリウムを基板とする
pチャンネル電界効果トランジスタの持つ欠点を除去
し、新規なpチャンネル電界効果トランジスタを提供す
ることにある。
An object of the present invention is to eliminate the drawbacks of these conventional p-channel field effect transistors using gallium arsenide as a substrate and provide a new p-channel field effect transistor.

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

上記目的を達成するために、本発明は、結晶軸の方向が
<1,0,0>である砒化ガリウム基板上に、正孔の流れる
チャネル層としてのゲルマニウム層と、電子供給層又は
絶縁層としての砒化ガリウムと砒化アルミニウムとの混
晶である砒化ガリウムアルミニウム層からなる積層構造
を有し、前記積層構造の垂直方向に電界を印加するゲー
ト電極と、前記ゲルマニウム層の面内方向に正孔を注
入、排出するソース電極、ドレイン電極を備え、前記ソ
ース電極から前記ドレイン電極へ向かう方向を前記砒化
ガリウム基板の結晶軸の方向<1,0,0>と一致させるよ
うにしたものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides a germanium layer as a channel layer through which holes flow and an electron supply layer or an insulating layer on a gallium arsenide substrate whose crystal axis direction is <1,0,0>. And a gate electrode for applying an electric field in the vertical direction of the laminated structure, and a hole in the in-plane direction of the germanium layer. A source electrode and a drain electrode for injecting and ejecting the gas, and the direction from the source electrode to the drain electrode is made to coincide with the crystal axis direction <1,0,0> of the gallium arsenide substrate.

〔作用〕[Action]

エー・ジー・ミルネス(A.G.Milnes)とディー・エル・
フォイヒト(D.L.Feucht)の著による文献「ヘテロジャ
ンクションズ・アンド・メタル・セミコンダクタ・ジャ
ンクションズ」(Heterojunctions・and・Metal・Semic
onductor・junctions)(日本語訳版、酒井、高橋、森
泉共訳「半導体ヘテロ接合」9頁)に示されているよう
に、ゲルマニウム(以下、Geと略記)の砒化ガリウム
(以下、GaAs)は、格子定数がほとんど等しく、またそ
れぞれの熱膨張係数も室温を中心とする広い温度範囲に
おいて極めて近い値を持つ。したがってGeとGaAsは両者
の結晶性が極めて良い状態でヘテロ接合が形成できる。
またGaAsと砒化ガリウム・アルミニウム(以下、AlGaA
s)もまた、格子定数、熱膨張係数が極めて近く、良質
のヘテロ構造が作製できることは公知である。従って、
AlGaAsとGeは良質のヘテロ接合を作る。しかしながら液
相成長などの高温を必要とする形成方法では、GaAsもし
くはAlGaAs中のAsがGeの中に拡散し、Geがn型になる性
質があった。ところが、ジェー・エム・バリンガル(J.
M.Ballingall)らにより、文献「ジャーナル・オブ・ア
プライド・フィジックス(Journal of Applied Physic
s)」誌、第52巻6号4098頁からに示されているよう
に、また同著者により文献「ジャーナル・オブ・バキュ
ーム・サイエンス・アンド・テクノロジー(Journal of
Vacuum Science and Technology)」誌B1巻3号675頁
から示されているように分子線エピタキシャル成長(以
下MBE)法を用いると、GeはGaAs基板上に250℃から300
℃という低温でエピタキシャル成長する。このときGeと
GaAsのヘテロ接合界面は極めて急峻な状態で、エピタキ
シャル成長できる。このことは前記ジェー・エム・バリ
ンガル著の2つの文献により、GeからGaAsへの遷移領域
は400℃、1時間の熱履歴を経た後でも10オングストロ
ーム程度と見積られることからも検証できる。また、シ
ー・エー・チャング(C.A.Chang)らにより文献「ジャ
ーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テク
ノロジー(Journal of Vacuum Science and Technolog
y)」誌19巻3号567頁からに示されている内容によれ
ば、GeとGaAsのヘテロ接合界面での相互拡散は400℃、
4時間の熱履歴を経た後でも10オングストローム以下と
報告されている。したがって、GeとGaAsとのヘテロ接合
界面は、400℃程度の温度履歴があっても、数原子層オ
ーダーで極めて急峻で、相互拡散することなく、かつま
た両者の格子定数、温度膨張係数が極めて近いことか
ら、欠陥や歪みが入ることなく、良質な結晶性を保った
まま、理想的なヘテロ接合ができると考えられる。Ge中
へのAsの拡散については、以上述べたようにGaAsとGeと
の界面でのみ報告されているが、AlGaAsとGeとの界面に
ついても同様であると考えられる。よってMBE法による
低温成長を利用することによりAsのGe中への拡散を抑
え、良質のGe層を正孔の流れるチャネル層とすることが
可能になる。また、Geの禁制帯幅は0.66eV、GaAsの禁制
帯幅は1.42eVであるが、ジェー・エム・バリンガル著に
よる前記2つの文献によるとGeとGaAsのヘテロ接合面で
は、伝導帯側のエネルギー不連続値は80meVと小さく、
2種の半導体の禁制帯幅の不連続はほとんど価電子帯に
あることがわかる。価電子帯のエネルギー不連続値は、
GeとGaAsでは0.7eV程度であり、この値は、典型的なヘ
テロ接合をなすGaAsとAl0.3Ga0.7Asの伝導帯不連続値
が、0.1eV程度であるのに比べ格段に大きい。従ってGe
層を正孔の流れるチャネル層とした場合、Ge層中の正孔
に対しGaAs層は障壁層となりうる。AlGaAsはGaAsより更
に禁制帯幅が大きく、Al0.3Ga0.7AsとGeでは価電子帯不
連続量は0.8eVとなり、より良質の障壁層となる。以上
の様子を第3図(a),(b)に示す。このようにGe層
を正孔の流れるチャネル層、AlGaAsを絶縁層とする金属
/絶縁体/半導体電荷効果トランジスタ(MISFET)が実
現できる。Ge中の正孔の移動度μhは室温で1900cm2/
(V・sec)と非常に大きいため、このGe中の正孔を電
界効果トランジスタ(以下FET)の担体として用いた場
合に、相互コンダクタンスgmが従来のGaAsを用いたp型
FETと比べ、5倍以上と非常に大きな値を持つ高性能の
p型FETを作ることができる。
A.G. Milnes and D. El.
Article "Heterojunctions and Metal Semiconductor" by the author Feudt (DLFeucht)
onductor-junctions) (Japanese translation, Sakai, Takahashi, Morizumi, “Semiconductor Heterojunction”, page 9), germanium (hereinafter abbreviated as Ge) gallium arsenide (hereinafter abbreviated as GaAs) is , The lattice constants are almost equal, and the respective thermal expansion coefficients are very close in a wide temperature range centered at room temperature. Therefore, Ge and GaAs can form a heterojunction with extremely good crystallinity.
In addition, GaAs and gallium arsenide aluminum (hereinafter referred to as AlGaA
It is well known that s) also has a lattice constant and a thermal expansion coefficient very close to each other and that a good quality heterostructure can be produced. Therefore,
AlGaAs and Ge make a good heterojunction. However, in a forming method that requires a high temperature, such as liquid phase growth, As in GaAs or AlGaAs diffuses into Ge, and Ge has the property of becoming n-type. However, JM Balingal (J.
M. Ballingall et al., “Journal of Applied Physic”.
s), Vol. 52, No. 6, pp. 4098, and by the same author in the article Journal of Vacuum Science and Technology (Journal of Vacuum Science and Technology).
Vacuum Science and Technology), Vol. B1, No. 3, page 675, using the molecular beam epitaxial growth (MBE) method, Ge is deposited on a GaAs substrate at 250 ° C to 300 ° C.
Epitaxial growth is performed at a low temperature of ℃. At this time Ge
The heterojunction interface of GaAs can be epitaxially grown in a very steep state. This can be verified also by the fact that the Ge-to-GaAs transition region is estimated to be about 10 angstroms even after a thermal history of 400 ° C. for 1 hour according to the two documents by JM Balingal. In addition, the article “Journal of Vacuum Science and Technolog by CAChang et al.
y) ”, Vol. 19, No. 3, pp. 567, the interdiffusion at the heterojunction interface between Ge and GaAs is 400 ° C,
It is reported to be less than 10 angstroms even after 4 hours of thermal history. Therefore, the heterojunction interface between Ge and GaAs is extremely steep on the order of several atomic layers even if there is a temperature history of about 400 ° C., it does not interdiffuse, and the lattice constant and temperature expansion coefficient of both are extremely high. Because of the closeness, it is considered that an ideal heterojunction can be performed without any defects or distortions and maintaining good crystallinity. As described above, the diffusion of As into Ge has been reported only at the interface between GaAs and Ge, but it is considered that the same applies to the interface between AlGaAs and Ge. Therefore, by utilizing the low-temperature growth by the MBE method, it is possible to suppress the diffusion of As into Ge and use a good-quality Ge layer as a channel layer in which holes flow. Also, the forbidden band width of Ge is 0.66 eV and the forbidden band width of GaAs is 1.42 eV. According to the above two documents by J.M. Balingal, the energy on the conduction band side at the heterojunction surface of Ge and GaAs is The discontinuity value is as small as 80 meV,
It can be seen that the discontinuity in the forbidden band width of the two semiconductors is almost in the valence band. The energy discontinuity in the valence band is
Ge and GaAs are about 0.7 eV, which is much larger than the typical conduction band discontinuity of GaAs and Al 0.3 Ga 0.7 As forming a heterojunction of about 0.1 eV. Therefore Ge
When the layer is a channel layer through which holes flow, the GaAs layer can serve as a barrier layer against holes in the Ge layer. AlGaAs has a wider forbidden band width than GaAs, and with Al 0.3 Ga 0.7 As and Ge, the valence band discontinuity is 0.8 eV, which is a better barrier layer. The above situation is shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). In this way, a metal / insulator / semiconductor charge effect transistor (MISFET) having a Ge layer as a channel layer in which holes flow and an AlGaAs as an insulating layer can be realized. The mobility μh of holes in Ge is 1900 cm 2 /
Since it is very large (V · sec), when the holes in Ge are used as a carrier of a field effect transistor (FET), the transconductance gm is p-type using conventional GaAs.
It is possible to make a high-performance p-type FET that has a very large value of 5 times or more compared to FET.

〔実施例〕〔Example〕

以下に本発明の実施例を図によって説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第1図は本発明によるヘテロ構造電界効果トランジスタ
の第1の例についての断面模式図である。図において、
半絶縁性GaAs(1,0,0)基板1上に、p型のGe層2、続
いて真性のAl0.3Ga0.7As層3をMBE法により順次成長さ
せた。Al0.3Ga0.7As層3上のゲート電極4としてはアル
ミニウムを用い、セルフアライン法によりゲート電極下
以外の部分のAl0.3Ga0.7As層3を取り去り、ソース電極
5、ドレイン電極6として、金/インジウム合金を蒸着
し、350℃の低温でインジウムを拡散させることによりp
+コンタクト層7を形成し、正孔の流れるチャネル層で
あるp型Ge層2とコンタクトをとった。真性Al0.3Ga0.7
As層3が良質の結晶性をもってエピタキシャル成長で
き、しかもAl0.3Ga0.7As層3はアルミニウムと障壁高さ
1.2eVの良好なショットキ接合を形成するためゲート電
極からの漏れ電流は無視できる小さな値に抑えられた。
ここでソース電極からドレイン電極へ向かう方向は基板
の<1,0,0,>方向にとってある。これは、エル・レジア
ニ(L.Reggiani)らにより文献フィジカル・レビュー
(Physical Review)誌B16巻6号2781頁に述べられてい
るように、Ge中の正孔は<1,0,0>方向に対し、移動度
が最大となる。したがって、ソース電極からドレイン電
極へ向かう方向を<1,0,0>方向にすることによりもっ
ともgmの大きい電界効果トランジスタが実現できるから
である。なお、上述のゲート電極は他の金属を用いても
良い。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a first example of a heterostructure field effect transistor according to the present invention. In the figure,
On the semi-insulating GaAs (1,0,0) substrate 1, a p-type Ge layer 2 and then an intrinsic Al 0.3 Ga 0.7 As layer 3 were sequentially grown by the MBE method. Al 0.3 Ga 0.7 using aluminum as a gate electrode 4 on the As layer 3, deprived of Al 0.3 Ga 0.7 As layer 3 in the portion other than the lower gate electrode by self-alignment method, a source electrode 5, a drain electrode 6, a gold / By depositing an indium alloy and diffusing indium at a low temperature of 350 ° C, p
A + contact layer 7 was formed and contacted with the p-type Ge layer 2 which is a channel layer through which holes flow. Intrinsic Al 0.3 Ga 0.7
The As layer 3 can be epitaxially grown with good crystallinity, and the Al 0.3 Ga 0.7 As layer 3 has aluminum and barrier height.
In order to form a good Schottky junction of 1.2 eV, the leakage current from the gate electrode was suppressed to a negligible small value.
Here, the direction from the source electrode to the drain electrode is the <1,0,0,> direction of the substrate. This is because the holes in Ge are in the <1,0,0> direction, as described by L. Reggiani et al. In the article Physical Review, Volume B16, No. 6, page 2781. On the other hand, the mobility is maximum. Therefore, by making the direction from the source electrode to the drain electrode the <1,0,0> direction, the field effect transistor with the largest gm can be realized. Other metals may be used for the gate electrode described above.

第2図は本発明によるヘテロ構造電界効果トランジスタ
の第2の実施例についても断面模式図である。半絶縁性
GaAs(1,0,0)基板11上に、真性GaAs層12、真性のGe層1
3、続いてp型のAl0.3Ga0.7As層14をMBE法により順次成
長させた。この構造は選択ドープ構造として公知であ
り、AlGaAs/Ge界面の第1イオン化エネルギーの小さいG
e側に2次元正孔ガス15が形成される(第3図(b)参
照)。2次元正孔ガス15が形成されるGe/AlGaAs界面
は、前記作用の項で述べたように急峻であり、さらにGe
層およびAlGaAs層は良質の結晶性をもって成長できる。
Al0.3Ga0.7As層14上のゲート電極16としてはアルミニウ
ムを用い、セルフアライン法によりゲート電極下以外の
部分のAl0.3Ga0.7As層14を取り去り、ソース、ドレイン
電極17,18として、金/インジウム合金を蒸着し、350℃
の低温でインジウムを拡散させることによりp+コンタク
ト層19を形成し、2次元正孔ガスとコンタクトを取っ
た。ここでソース電極からドレイン電極へ向かう方向は
基板の<1,0,0>方向にとってある。なお、上述のゲー
ト電極は他の金属を用いても良い。また、2次元正孔ガ
スとのコンタクトをとるソース、ドレイン電極下の部分
は、ホウ素等を用いたイオン注入によっても製作でき
る。
FIG. 2 is also a schematic sectional view of a second embodiment of the heterostructure field effect transistor according to the present invention. Semi-insulating
Intrinsic GaAs layer 12 and intrinsic Ge layer 1 on GaAs (1,0,0) substrate 11
3. Then, the p-type Al 0.3 Ga 0.7 As layer 14 was sequentially grown by the MBE method. This structure is known as a selective doping structure, and G having a small first ionization energy at the AlGaAs / Ge interface.
A two-dimensional hole gas 15 is formed on the e side (see FIG. 3 (b)). The Ge / AlGaAs interface where the two-dimensional hole gas 15 is formed is steep as described in the section of the above action.
The layer and the AlGaAs layer can be grown with good crystallinity.
Al 0.3 Ga 0.7 using aluminum as the gate electrode 16 on the As layer 14, deprived of Al 0.3 Ga 0.7 As layer 14 in the portion other than the lower gate electrode by self-alignment method, a source, a drain electrode 17, a gold / Evaporate indium alloy, 350 ℃
A p + contact layer 19 was formed by diffusing indium at a low temperature, and contacted with a two-dimensional hole gas. Here, the direction from the source electrode to the drain electrode is the <1,0,0> direction of the substrate. Other metals may be used for the gate electrode described above. Further, the portions below the source and drain electrodes that make contact with the two-dimensional hole gas can also be manufactured by ion implantation using boron or the like.

なお、障壁層としてアルミニウム組成が最大となる砒化
アルミニウム(AlAs)を用いた場合は障壁の高さとして
は最も高いが大気に触れて酸化され易い。ここではAlGa
Asのアルミニウムとガリウムの組成比を3対7とした
が、用途に応じて任意の値を用いることができる。
When aluminum arsenide (AlAs) having the maximum aluminum composition is used for the barrier layer, the barrier height is the highest, but the barrier layer is easily exposed to the atmosphere and oxidized. Here AlGa
The composition ratio of As to aluminum and gallium was 3: 7, but any value can be used depending on the application.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本実施例の第1の例によるpチャンネル電界効果トラン
ジスタは、正孔移動度の大きなゲルマニウムを能動層と
し、さらに価電子帯不連続の大きなGe/AlGaAsヘテロ接
合を用いることにより、砒化ガリウムを能動層とするp
チャンネル電界効果トランジスタに比べ、gmが約5倍近
く増大する。この結果砒化ガリウム基板上に形成される
pチャンネル電界効果トランジスタのgmがおよそ140mS/
mm程度に増大することが予想され、同じく砒化ガリウム
基板上に形成されるnチャンネル電界効果トランジスタ
のgm=218mS/mmに迫る値となり、高速、高集積化が可能
なコンプリメンタリ電界効果トランジスタ回路が実現で
きる。
The p-channel field-effect transistor according to the first example of the present embodiment makes gallium arsenide active by using germanium having a large hole mobility as an active layer and using a Ge / AlGaAs heterojunction having a large valence band discontinuity. P as a layer
Compared with the channel field effect transistor, gm increases by about 5 times. As a result, the gm of the p-channel field effect transistor formed on the gallium arsenide substrate is about 140 mS /
It is expected to increase to about mm, which is close to gm = 218 mS / mm for the n-channel field effect transistor that is also formed on the gallium arsenide substrate, realizing a complementary field effect transistor circuit capable of high speed and high integration. it can.

本実施例の第2の例によるpチャンネル電界効果トラン
ジスタは、正孔移動度の大きなゲルマニウムを能動層と
し、さらに価電子帯不連続の大きなGe/AlGaAsヘテロ接
合を用いることにより2次元正孔ガスの面密度Nsが大き
くとれる選択ドープ型FETであるため、砒化ガリウムを
能動層とするpチャンネル電界効果トランジスタに比
べ、gmが約10倍近く増大する。この結果砒化ガリウム基
板上に形成されるpチャンネル電界効果トランジスタの
gmがおよそ250mS/mm程度に増大することが予想され、同
じく砒化ガリウム基板上に形成されるnチャンネル電界
効果トランジスタのgm=218mS/mmと同程度となり、高
速、高集積化が可能なコンプリメンタリ電界効果トラン
ジスタ回路が実現できる。
The p-channel field effect transistor according to the second example of the present embodiment uses a germanium having a large hole mobility as an active layer and further uses a Ge / AlGaAs heterojunction having a large valence band discontinuity to form a two-dimensional hole gas. Since it is a selectively-doped FET that can have a large areal density Ns, gm is increased by about 10 times as compared with a p-channel field effect transistor using gallium arsenide as an active layer. As a result, the p-channel field effect transistor formed on the gallium arsenide substrate is
It is expected that gm will increase to about 250 mS / mm, which is about the same as gm = 218 mS / mm for n-channel field-effect transistors also formed on a gallium arsenide substrate, which is a complementary electric field capable of high speed and high integration. An effect transistor circuit can be realized.

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

第1図は本発明による電界効果トランジスタの第1の例
についての断面構成図、第2図は本発明による電界効果
トランジスタの第2の例についての断面構成図、第3図
は本実施例を説明するためのエネルギーバンド図で、
(a)はGe,AlGaAsとも真性の場合、(b)はAlGaAs側
にアクセプタをドープした場合を示す、第4図は従来の
GaAsを用いた正孔チャンネルFETの断面図である。 1,11……半絶縁性GaAs基板、2……p型Ge層 3……真性Al0.3Ga0.7As層、4,16……ゲート電極 5,17……ソース電極、6,18……ドレイン電極 7,19……p+コンタクト層、12……真性GaAs層 13……真性Ge層、14……p型Al0.3Ga0.7As層GaAs層 15……2次元正孔ガス
FIG. 1 is a sectional configuration diagram of a first example of a field effect transistor according to the present invention, FIG. 2 is a sectional configuration diagram of a second example of a field effect transistor according to the present invention, and FIG. Energy band diagram to explain
(A) shows the case where both Ge and AlGaAs are intrinsic, and (b) shows the case where the acceptor is doped on the AlGaAs side.
It is a sectional view of a hole channel FET using GaAs. 1,11 ... Semi-insulating GaAs substrate, 2 ... p-type Ge layer 3 ... intrinsic Al 0.3 Ga 0.7 As layer, 4,16 …… gate electrode 5,17 …… source electrode, 6,18 …… drain Electrodes 7, 19 …… p + contact layer, 12 …… intrinsic GaAs layer 13 …… intrinsic Ge layer, 14 …… p-type Al 0.3 Ga 0.7 As layer GaAs layer 15 …… two-dimensional hole gas

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/80 29/812 9171−4M H01L 29/80 A ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location H01L 29/80 29/812 9171-4M H01L 29/80 A

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】結晶軸の方向が<1,0,0>である砒化ガリ
ウム基板上に、正孔の流れるチャネル層としてのゲルマ
ニウム層と、電子供給層又は絶縁層としての砒化ガリウ
ムと砒化アルミニウムとの混晶である砒化ガリウムアル
ミニウム層からなる積層構造を有し、前記積層構造の垂
直方向に電界を印加するゲート電極と、前記ゲルマニウ
ム層の面内方向に正孔を注入、排出するソース電極、ド
レイン電極を備え、前記ソース電極から前記ドレイン電
極へ向かう方向を前記砒化ガリウム基板の結晶軸の方向
<1,0,0>と一致させたことを特徴とするヘテロ構造電
界効果トランジスタ。
1. A germanium layer as a channel layer in which holes flow, and gallium arsenide and aluminum arsenide as an electron supply layer or an insulating layer on a gallium arsenide substrate having a crystal axis direction of <1,0,0>. A gate electrode for applying an electric field in the vertical direction of the laminated structure, and a source electrode for injecting and ejecting holes in the in-plane direction of the germanium layer. A hetero-structure field effect transistor comprising: a drain electrode, wherein a direction from the source electrode to the drain electrode is aligned with a direction <1,0,0> of a crystal axis of the gallium arsenide substrate.
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