JPS5893381A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （１）発明の技術分野 本発明は半導体装置に関する。詳しくは、本特許出願の
出願人のなした先の特許出願（特願昭５６−０３２０８
８号）に係る高電子移動度トランジスタの拡張に関する
。

（２）技術の背景 高電子移動度トランジスタとは電子親和力の相異なる２
種の半導体を接合することにより形成される一つのへテ
ロ接合面の近傍に蓄積される電子群（二次元電子ガス）
の電子面濃度を制御電極によって制御して、この制御電
極を挟んで設けられた一対の入・出力電極間番ζ上記の
蓄積電子群（二次元電子ガス）をもって形成される導電
路のインピーダンスを制御する能動的半導体装置をいう
。

高電子移動度トランジスタを構成しうる半導体の組み合
わせとなりうる半導体の条件は、（イ）互に格子定数が
同一であるか近似していること、（ロ）電子親和力の差
が大きいこと、（ハ）バンドギャップの差が大きいこと
であるから、多数存在する。

又、電子親和力の大きな半導体よりなる層を上層にして
も下層にしても、それぞれ、特有の条件を充足するかぎ
り高電子移動度トランジスタの製造は可能である。

更に、ノーマリオン型も、ノーマリオフ型も、それぞれ
、特有の要件を充足すれば、製造可能である。

高電子移動度トランジスタにおいては、上記の蓄積電子
群（二次元電子ガス）の電子移動度が特に低温において
非常に大きくなることが特徴である。

（３）従来技術と問題点 上記の電子親和力の興なる２種の半導体よりなる層の界
面近傍に発生する蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子
面濃度の大きさや電子移動度の大きさは蓄積電子群（二
次元電子ガス）に供給される自由電子の量に依存するか
ら、ピンチオフ電圧やソース・ドレイン間飽和電流、な
ど高電子移動度トランジスタの特性は、上記の□電子親
和力の異なる２種の半導体よりなる層の各層の厚さやｎ
型不純物濃度等が決定すると、これ番こしたがって決定
して、以後変更することは困難である。ところで、高電
子移動度トランジスタを、例えば７７°に以下の低温に
保持したまま、これに光等の電磁波を照射すると、蓄積
電子群（二次元電子ガス）の電子源である電子親和力の
小さな半導体中で励起現象が発生して、蓄積電子群（二
次元電子ガス）の電子面濃度が増加することが発見され
た。そこで、本特許出願の出願人は、この原理を利用し
て高電子移動度トランジスタの特性を変更することを要
旨とする発明を完成して、上記の特許出願（特願昭５６
−０３２０８８号）をなしている。この電磁波の照射に
よって増加された蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子
面濃度の減衰速度は小さく、電磁波の照射を停止した後
も、高電子移動度トランジスタが７７°Ｋまたはそれ以
下の温度に保持されているかぎり、実質的に減衰しない
と考えてさしつかえないことが実験的６＜確認されてい
る。この性質は半導体装置の特性を長年月にわたり維持
するためには好都合ではあるが、一方、電磁波の照射を
もって発生させた蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子
面濃度の変更を必要とする場合は、高電子移動度トラン
ジスタの温度を７７°Ｋをこえて上昇させない限り、そ
の変更１）１実質的に不可能であるという欠点を招来す
る。すなわち、高電子移動度トランジスタの特性を調整
する点からは不便であり、もし、電磁波照射をもってな
す蓄積電子群（二次元電子ガス）の発生が記憶要素とし
て使用されている場合等は、その消去が困難であるとい
う欠点をなす。

そこで、もし、電磁波照射をもってなす蓄積電子群（二
次元電子ガス）の電子面濃度の微調整、更には、その消
滅が可能であれば、上記のごとき要請に容易にこたえる
ことができ、はなはだ便利である。

（４）発明の目的 本発明の目的は上記の要請を実現することにあり、低温
状態においてなされる電磁波照射をもって発生させた蓄
積電子群（二次元電子ガス）を導電媒体とする高電子移
動度トランジスタにおいて、この高電子移動度トランジ
スタを低温啓ζ保持したままで、その蓄積電子群（二次
元電子ガス）の電子面濃度の変更・調整を可能とする半
導体装置を提供することにある。

（５）発明の構成 本発明の構成は、（イ）半絶縁性の半導体基板上に互に
親和力を異にする２種の半導体よりなる二重層が形成さ
れており、（ロ）この２種の半導体のうち電子親和力の
小さい半導体のみｎ型不純物を含有して、他の半導体は
不純物を含有せず、（ハ）上記の半導体二重層上には絶
縁ゲート型制御電極が設けられており、この絶縁ゲート
型制御電極の絶縁膜は透光性とするため酸化ガリュウム
（Ｇａ２０３）、酸化アルミニュウム（Ａｌ２Ｏ２）等
よりなり、又、制御電極導体もこの制御電極を通してこ
の制御電極下部領域に光等の電磁波を照射しうるように
なされており、（ニ）この絶縁ゲート型透光性制御電極
を挟んで入・出力電極が形成されていることにある。

この構成においては、制御電極が透光性であるため、７
７°に程度以下の低温においてこの制御電極上から光等
の電磁波を照射することにより、制御電極−下部領域の
半導体二重層中に光等の電磁波を照射することができ、
この領域に発生する蓄積電子群（二次元電子ガス）の電
子面濃度を変更し。

向上することができることに加えて、制御電極が、従来
技術における高電子移動度トランジスタの場合と異なり
、絶縁ゲート型であるため、この高電子移動度トランジ
スタのピンチオフ電圧に比してかなり大きな電圧を印加
してもさしつかえないので、低温において制御電極に負
電圧が印加された状態で電磁波照射がなされて蓄積電子
群α次元電子ガス）の電子面濃度が増大している高電子
移動度トランジスタの絶縁ゲート電極の負電圧を解除す
るかまたはこの絶縁ゲート電極にかなり高い正電圧を印
加すると、絶縁ゲートの絶縁膜と電子親和力の小さな半
導体よりなる電子供給層の界面に滞留していたホールが
蓄積電子群（二次元電子ガス）領域に供給され、その電
子面濃度が低下して、電磁波照射前の状態に復元する。

そして、この操作は、高電子移動度トランジスタを低温
に保った゛まま、すなわち昇温することなく可能である
から、上記の目的を達成することができる。

ところで、上記の電磁波照射により蓄積電子群（二次元
電子ガス）の電子面濃度を増加する高電子移動度トラン
ジスタにおいては、電磁波照射は例えば７７°に程度の
低温においてなされ、高電子移動度トランジスタはその
まま低温に保持されねばならないのであるから、本発明
に係る半導体装置は一本来常時低温に保持されねばなら
ず、所期の特性を発揮するためには、半導体装置を低温
に保つことにより電磁波が照射された状態に維持されね
ばならない。すなわち、本発明に係る半導体装置は、そ
の使用状態においては、低温に保持されていることが必
須である。

（６）発明の実施例 以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施例に係る半導
体装置について説明し、本発明の構成と特有′の効果と
を更に廟：らかにする。−例として、クローム（Ｃｒ）
等を含有して半絶縁性の砒化ガリエウム（ＧａＡｓ）よ
りなる基板上に不純物を含有しない砒化ガリエウム（Ｇ
ａＡｓ）よりなる層（チャンネル層）を形成し、その上
にｎ型の不純物を含有するアルミニュウムガリュウム砒
素（ＡＩＧａＡｓ）よ　、りなる層（電子供給層）を形
成して得られる層構造を有する高電子移動度トランジス
タについて述べる。

第１図は、本発明の一実施例に係る高電子移動度トラン
ジスタの完成状態を示す断面図である。

図において、１はクローム（Ｃｒ）を含有し半絶縁性の
砒化ガリュウム（ＱａＡｓ）よりなる基板であり、２は
その上に結晶格子整合の上厚さを１μｍとして形成され
た不純物を含有しない砒化ガリュウム（Ｑａ　Ａｓ）よ
りなる層（チャンネル層）である。

３はその上に結晶格子整合の上厚さを０．１μｍとして
形成されＩ　Ｘ　１０”／　ｃｍ”の濃度にｎ型の不純
物を含有するアルミニュウムガリニウム砒素（ＡＩＱａ
　Ａｓ　）よりなる層（電子供給層）である。この結晶
パラメータにおいて、チャンネル−２と電子供給層３と
の界面近傍のチャンネル層２中に蓄積電子群（二次元電
子ガス）４が発生する。そして、７７°Ｋにおいて、そ
の電子面濃度は５　Ｘ１０”／　ｃｍ”−ｔ’アリ、を
子移動度ハ１．　Ｉ　Ｘ　１０’　ｃ＋ｎ２／　Ｖｓｅ
ｃ　　テあった。以上の工程はモレキュラービームエピ
タキシャル成長法をもって連続釣書ζ実行すること力ｆ
できる。５は金・ゲルマニュウム／金（Ａｕ−α７Ａｎ
）よりなり厚さが０．３μＩｎである入・出力電極であ
り、真空蒸着法とリフトオフ法とを使用してこの領域に
選択的に形成することができる。その後、４５０°Ｃの
水素（Ｈ２）ガス中で１分間・熱処理して、合金化層６
を形成し、入・出力電極５と蓄積電子群（二次元電子ガ
ス）４を含むチャンネル層２とのオーミックコンタクト
を実現する。次書こ、ゲート領域以外の領域に厚さ０．
１μｍの二酸化シ１３コン（８ｉ０ａ）層をもってマス
クを形成し、約５５０°Ｃの温度の下においてアルミニ
エウムガリュウム砒素（Ａ　Ｉ　Ｇａ　Ａｓ）よりなる
電子供給層の上層部を酸化して、酸化アルミニュウム（
ＡＩ、０．）と酸化ガリュウム（Ｇａｇｅｓ）との混合
物よりなる絶縁膜７を厚さ０．０４μＩｎ程度に形成す
る。次に、この′絶縁−７の上に、透光性とするため厚
さを１００Ｘ程度としたアルミニュウム（八１）薄膜８
を形成してこれを制御電極とする。この制御電極８との
ボンディングを容易番こするため、厚さ０．３μｍ程度
に金（Ａｕ）層を形成し、リフトオフ法を使用して上記
透光性のアルミニュウム（Ａ１）膜よりなる制御電極８
の周辺にボンディング部９を形成する。

この状態で高電子移動度トランジスタとして機能するが
、この実施例においては、７７　Ｋにおいてピンチオフ
電圧が０．５　Ｖであった。

ここで、この高電子移動度トランジスタを７７ＱＫ程度
の低温に保持して白色光を照射せるところ、蓄積電子群
（二次元電子ガス）の電子面濃度は９ｘ　ＩＱ　”　／
　ｃａｎ２に、電子移動度は１．４　Ｘ　１０　’　ｃ
ｍ”／Ｖｓｅｃに向上し、その結果、ピンチオフ電圧は
、７７°Ｋにおいて、先に実測した０、５ｖから０．７
■に上昇した。

この状態におけるこの半導体層のバンドダイヤグラムを
示すと第２図の如くな暮。図より明らかなように、チャ
ンネル層２と電子供給層３との界面近傍のチャンネル層
２中に蓄積電子群（二次元電子ガス）１０が蓄積し、電
子供給層３と絶縁膜７との界面近傍の電子供給層３中に
ホール１１が発生する。

上記の電磁波照射は制御電極８に例えば０．３ｖ程度の
負電圧を印加した状態でなすと更に効果的である。

ここで、制御電極８に例えば１．２ｖの正電圧を印加ス
ると、バンドダイヤグラムは第３図に示すように変化し
、絶縁膜７と電子供給層３との界面近傍の電子供給層３
中に発生していたホール１１がチャンネル層２に向って
駆逐されて消滅し、結果的に蓄積電子群（二次元電子ガ
ス）　１０の電子面濃度が低下する。なお、制御電極に
負電圧を印加した状態で上記の電磁波照射をなした場合
は、電子面濃度の増大効果を促進しうるが、このときは
、この電圧の除去によっである程度電子面濃度を調整す
ることもできる。φこの電子面濃度の低下量は制御電極
に印加される・負電圧の値によって決定される。したが
って、熱平衡状態における電子面濃度の値と電磁波照射
番ζよって増加された電子面濃度の値との間で任意の電
子面濃度に調整しつる。

しかも、この電子面濃度の調整操作は半導体装置を昇温
することな（７７°に以下の低温に保持したままなすこ
とができる。

（７）発明の詳細 な説明せるとおり、本発明によれば、低温状態において
なされる電磁波照射をもって発生させた蓄積電子群（二
次元電子ガス）を導電媒体とする高電子移動度トランジ
スタにおいて、この高電子移動度トランジスタを低温に
保持したままで、その蓄積電子群（二次元電子ガス）の
電子面濃度の変更・調整を可能にする半導体装置を提供
することができる。なお、電子面濃度の増大効果を促進
するために上記の電磁波照射を負電圧の印加の下になし
たときは、この電圧の除去番とよっても、−子面濃度の
調整をなすことも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る高電子移動度トランジ
スタの完成状態を示す断面図である。第２．３図はその
概念的層構造を第１図に示す高電子移動度トランジスタ
の熱平衡状態と電子面濃度の調整操作中とにおけるバン
ドダイヤグラムである。 １・・・・・・半絶縁性基板（クローム等を含有する砒
化ガリエウム基板）、２・・・・・・電子親和力の大き
な半導体よりなるチャンネル層（不純物を含有しない砒
化ガリュウム層）、３・・・・・・電子親和力の小さな
半導体よりなる電子供給層（ｎ型の不純物を含有するア
ルミニュウムガリュウム砒素層）、４・・・・・・蓄積
電子群（二次元電子ガス）、５・・・・・・入・出力電
極、６・・・・・・合金化層、７・・・・・・絶縁膜（
酸化アルミニニウムと酸化ガリュウムとの混合物よりな
る層）、８・・・・・・透光性制御電極（アルミニニウ
ム薄膜）、９・・・・・・制御電極ボンディング部材（
金よりなる環状部材）、１０・・・・・・蓄積電子群（
二次元電子ガス）　、１１・・・・・・ホール。 →十←３−トー２−

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半絶縁性の半導体基板１番ζ形成された電子親和
   力の相異なる２種の半導体よりなる二重層を有し、該２
   種の半導体のうち、電子親和力の小さな半導体はｎ型の
   不純物を含有しているが、電子親和力の大きな半導体は
   不純物を含有しておらず、前記２種の半導体よりなる二
   重層上に絶縁膜を介して形成された透光性の絶縁ゲート
   型制御電極を有し、該絶縁ゲート型制御電極を挟んで形
   成された入・出力電極を有する能動的半導体装置。
2. （２）前記能動的半導体装置は低温に保持されており、
   前記絶縁ゲート型制御電極には電磁波が照射されて前記
   ２種の半導体よりなる二重層間の界面近傍には電子群（
   二次元電子ガス）が蓄積されている、特許請求の範囲第
   １項記載の能動的半導体装置。