JPS6028273A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS6028273A
JPS6028273A JP58136128A JP13612883A JPS6028273A JP S6028273 A JPS6028273 A JP S6028273A JP 58136128 A JP58136128 A JP 58136128A JP 13612883 A JP13612883 A JP 13612883A JP S6028273 A JPS6028273 A JP S6028273A
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隆 水谷
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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】 本発明は高い電子移動を持ち安定動作が可能な半導体装
置に関する。
高速動作が期待できる能動半導体装置として、半導体へ
テロ界面の２次元電子を利用したＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ　
Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）がある。これは
、電子親和力の異々る半導体のへテロ界面（例えば１’
ｄｔｚ　Ｇ　２ＬｚＡ５ハ３Ａ８）において、電子親和
力の小さな半導体だけだ不純物をドーピングし、電子親
和力の大きな半導体側に２次元電子を生じさせ、この２
次元電子の高い移動度の利用を特長としている。しかし
、ＡｌｘＧａ１−ｘＡＳ／ＧａＡ３の系では動作上不都
合な現象が存在している。
一般にｎ型不純物をドーピングしたＡＩＸ　Ｇａ１−ｘ
Ａｓ　中には不純物に関係した深いトラ９ブ準位がある
。このトラップ準位に電子が捕獲されるため、キャリア
濃度はドーピングした不純物濃度よシ低く、７７に程度
の低温では濃度は顕著に減少する。
この低温における減少傾向はＡ／　の組成比Ｘに非常に
敏感であシ、０２〈Ｘ〈０５ではＸの増加と共にキャリ
ア濃度は急激に減少する。しかも、低温において光照射
するとキャリア濃度が増加し、光をしゃ断してもこの状
態が保持されるＰｅｒｓｉｓｔｅｎｔＰｈｏｔｏｃｏｎ
ｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　（ＰＰＣ）の現象がある。このた
め、ｌｘＧ、、　ｘＡｓ／ＧａＡ；系の２次元電子を利
用したＦＥＴでは、低温において２次元電子濃度が減少
するため、しきい値電圧が室温と低温で犬きく異なる。
また、Ａ１組成比Ｘに敏感であるため、ＦＥＴ　製造に
よる特性のバラツキが大きい。さらに１低温での光照射
効果（ＰＰＣ）およびドレイン電界によシ加速されたホ
ットエレクトロンがＡ／ｘＧａｉ−ｘＡｓ／ＧａＡｓ界
面からＡ／ｘＧａ−１，Ａ、中に入シ、トラップに捕獲
されることにょシ、ドレイン電流が変化する。
このように、１ｘＧａ、’４＝ｘＡｓ／ＧａＡｓ系を利
用したＦＥＴ　では、温度によるしきい値変動を抑える
こと、特性のそろったものを再現性良く製造すること光
照射下、高電界下で安定に動作することがきわめて困難
であった。
第１図は従来の２次元電子を利用したＦＥＴ　の−例の
概略断面図である。
第１図において、１は半絶縁性半導体基板、２は不純物
を極力少なくした銅１の半導体層、３はｎ型不純物を含
有し第１の半導体＃１より電子親和力が小さい半導体か
らなる電子供給層、４は第１の半導体層２と電子供給層
３との界面に形成される２次元電子ガス、５は電子供給
層３とショットキ接合を形成するゲート電極、６は電子
供給層３と合金化し２−次元電子ガス４と電気的コンタ
クトがとれているソース電極、７は６と同様のドレイン
電極である。
第２図は第１図に示すＦ’ＥＴ　のゲート電極下のバン
ド構造を示す図である。
第２図におりて、第１図と同じ番号のものは同一機能を
果すものである。Ｂｔ　は電子供給層３中の深い電子ト
ラップ準位、Ｅｏ　は伝導帯端、Ｅｆはフェルミ準位、
′Ｂｖ　は充満帯端である。
次に、第１図に示す従来の２次元電子を利用したＦＥＴ
の動作について説明する。ここでＦＢＴは第１の半導体
層２がＧａＡｓ、電子供給層３がｎ型のＡｊ５ｏ３Ｇａ
ｐ、？　Ａｌｌで形成されているものとし、またソース
を零電位とし、ドレインには正電圧が印加されているも
のとする。
ゲート電圧が０■の場合、ｎ　ｋｉｌｏ　、ｓ　Ｇａ６
，７　Ａｓは完全に空乏化し、第２図に示すバンド構造
になっているものとするとゲート下のＡ＆−３Ｇａｏ、
７　Ａｓ　／ＧａＡｓ界面（ＧａＡ　ｓ側）にはｎＡ７
７０，３　Ｇａｏ、ｙ　Ａ　Ｓ　中のイオン化したドナ
ーによ）誘起された２次元電子ガスが形成されておシ、
ソース・ドレイン間には２次元電子ガスを通じてドレイ
ン電流が流れる。
ここで、ゲート電圧を負に太きくしてゆくと、ゲート下
の２次元電子ガスが減少してドレイン電流が減少し、逆
にゲート電圧を正に大きくしてゆくと、ゲート下の２次
元電子ガスが増加してドレイン電流が増加する。
さて、ｎ型Ａａ、、ｓ　Ｇａｕ、７　Ａｓ中には不純物
に関係した深い電子トラップ準位Ｂｔ　が多数存在し、
温度を下げるに従いこの電子トラップに電子が捕獲され
る割合が増加し、２次元電子の濃度は減少してゆく。ま
だ７７に程度の低温で光を照射すると電子トラップ準位
Ｅｔ　に捕獲されていた電子が光エネルギによって伝導
帯に飛びだし、２次元電子の数は増加する。また、２次
元電子の一部がソース・ドレイン間でドレイン電界によ
ｐ加速されてホット化し、Ａ７Ｌｌ、３　Ｇａｐ、？　
Ａｓ中に飛び込むと電子トラップ準位に捕獲され、２次
元電子の数は減少する。
これらの現象は２次元電子の数を変化させるので、ドレ
イン電流が変化し安定なＦＥＴ動作を阻害する。
本発明の目的は、上記欠点を除去し、２次元電子を利用
したＦＥＴであって、室温と低温における２次元電子密
度に差がなく、シかも光照射下及び高電界下において安
定動作が可能な半導体装置を提供することにある。
本発明によれば、半導体基板上に設けられだ極低不純物
濃度の第１の半導体層と、該第１の半導体層上に設けら
れかつ該第１の半導体層よりｔ子親和力が小さく電子ト
ンネル可能な厚さを有する極低不純物濃度の第２の半導
体層と該第２の半導体層よシミ子親和力が大きく電子波
長以下の厚さを有しｎ型不純物を含有する第３の半導体
層とを交互に積層した積層構造と、該積層構造表面の一
部に設けられたゲート電極と、該ゲート電極を挾んで前
記積層表面に設けられ第Ｊの半導体層と第２の半導体層
との界面に存在するキャリアと電気的コンタクトを形成
する一対の電極とを含むことを特徴とする半導体装置が
得られる。
以下本発明の実施例について図面を用いて説明する。
第３図は本発明の第１の実施例の断面模式図である。第
３図において第１図と同じ番号のものは第１図と同等物
で同一機能を果すものである。８け第１の半導体層２よ
シミ子親和力がｌ」＼さく電子がトンネル可能な厚さを
有し極低不純物濃度の第２の半導体層、９は該第２の半
導体層８よシミ子親和力が大きく電子波長以下の厚さを
有したｎ型不純物を含有する第３の半導体層である。上
記の極低不純物濃度とは意識的にドーピングしないかま
たはわずかにドーピングした程度を意味している。上記
第２および第３層の厚さは量子効果が顕著となるような
充分に薄いものであり、これは材料によシ異なっている
。例えば、第１の半導体層２は高純度ＧａＡｓ、第２の
半導体層８は５０　Ａ程度以下の高純度Ａ／Ａｓ　、第
３の半導体層９は１００Ａ程度以下のＳｉ　ドープのＧ
　ａ　Ａ　ｓである。
以下、第１の実施例の動作を、各半導体層に前述の材料
を用い、このバンド構造図である第４図を用いて詳細に
説明する。
第４図は第３図に示すＦＥＴのゲート！極下のバンド構
造を示す図である。第４図において、第１図〜第３図と
同じ番号のものは第１図〜第３図と同等物で同一機能を
果すものである。Ｅｑは第２の半導体層８と第３の半導
体層９との積層構造によって新たに形成される電子の最
低の量子化準位である。
ｎ−ＧａＡｓから発生する電子は量子化準位Ｅｑによっ
て、ｎ−ＧａＡｓだけでなく高純度Ａ　ＩＡ　ｓ中にも
広がｐ　ｎ−ＧａＡｓ／ＡＡＡｓ積層構造全体に分布す
る。この時ｎ　−Ｇａ　Ａ　ｓ中および高純度Ａ　ＩＡ
　ｓ中にはｎ−Ａ１０．、Ｇａｏ、ｙ　Ａｓ中のような
不純物に関係した深い電子トラップ準位は形成されない
。これは、ｎ−ＧａＡｓ中にはこのようなトラップ準位
がないこと、およびＡｌＡｓには不純物がないことによ
る。
量子化準位Ｅｑは高純度Ｇ　ａ　Ａ　ｓの伝導帯端Ｂｅ
　より高いエネルギ位置にあるので、量子化準位Ｅｑに
ある電子の一部は高純度Ｇ　ａ　Ａ　ｓ側に落ち、高純
度Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　ＩＡ　／　Ａ　ｓ界面に２次元電子
ガスが形成される。したがって、　ＦＥＴとしての動作
は前に示した従来構造のものと同じとなる。しかし、こ
の第１の実施例においては従来構造の電子供給層３に当
るｎ−ＧａＡｓ／ＡＡ！Ａｓの積層構造中に深い電子ト
ラップ準位が存在しないため、光照射および積層構造中
にホットエレクトロンが飛びこむことがあっても２次元
電子の変動はガく、ＦＢＴ　動作は安定している。また
室温と低温の２次元電子帯度に差がないため低温で動作
させるＦＥＴ　の設計が容易で、しかもＦＥＴ　製造の
再現性も良好である。
本実施例によシ、結晶成長方法としてＭＢＢ（Ｍｏｌｅ
ｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）を用い、半絶
縁性Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板上に厚さ１μｍの高純度ＧａＡ
ｓ層を成長させ、続いて厚さ１５Ａの高純度の人ＩＡｓ
と厚さ２３　Ａで１．７Ｘ１０”ｃＩｎ　のＳｉ不純物
を含むｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓとの積層構造を全体として厚
さ５００Ａ成長させた。ショットキゲート電極としてけ
Ａ／を用い、ソース電極およびドレイン電極としてはＡ
　ｕ　−Ｇ　ｅ　ＩＡ　ｕを用いた。その結果、ゲート
長が０．３μｍ１　ゲート・ソース間およびゲート・ド
レイン間が０．３μｍのＦＥＴ　において、７７Ｋ　で
の相互コンダクタンスｇｍが４５０　ｍ　Ｓ　／ｖｍが
得られ、光照射下および高電界下での特性の変動けなか
った。
第５図は本発明の箕２の実施例の断面模式図である。第
５図において第１図〜第４図と同じ番号のものは第１図
〜第４図と同等物で同一機能を果すものである。】０は
電子親和力が第１の半導体層２よシ小さくかつ伝導帯域
が第２の半導体層８と第３の半導体Ｎａ９との積層構造
によシ形成される量子化準位Ｂｑ　と同じかそれよシ低
い極低不純物濃度スペーサ層である。例えばスペーＶ層
はＡ４．、　Ｇａｏ、、　Ａｓである。
以下、第２の実施例の動作を、第１の半導体層２として
高純度Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　−、第２の半導体層８として高
純度Ａ／Ａｓ、第３の半導体層９としてｎ型のＧａＡｓ
、スペーサ層１０として高純度のＡ４，３Ｇａ。、、Ａ
ｓを用い、このバンド構造図である第６図を用いて詳細
に説明する。
第６図は第５図に示すＦＢＴ　のゲート電極下のバンド
構造を示す図であ゛る。第６図において第１図〜第５図
と同じ番号のものは第１図〜第５図と同等物で同一機能
を示すものである。
ｎ　ＧａＡｓ９から発生する電子は量子化準位Ｅｑによ
って、高純度Ａ／ＡｓＳ中にも広がシ、その一部はスペ
ーサ層のＡ／、、ｓ　Ｇａｕ、、　Ａｓ　１０を経て高
純度ＧａＡｓ２に落ち、高純度ＧａＡ　ｓ／Ａ４．ｓ　
Ｇａａ、ｙ　Ａｓ界面に２次元電子ガスが形成される。
スペーサ層である高純度Ａ系、、　Ｇａｏ、、Ａｓ層中
に不純物がほとんど存在しないため、不純物に関係する
電子トラップはない。したがって、第１の実施例と同様
に、光照射下および高電界下においても安定なＦＥＴ動
作が得られる。さらに２次元電子層と不純物を含有する
ｎ型Ｇ　ａ　Ａ　ｓとの間の距離がスペーサ層１０によ
シ離されているので２次元電子のイオン化不純物散乱が
減ること、およびＡ／、、ｓ　Ｇａ、、、７　Ａｓ　／
ＧａＡｓ界面はＡ　ＩＩ　Ａ　ｓ　／Ｇ　ａ　Ａ　ｓ界
面より界面平担性の良いものが容易に形成できることに
より、２次元電子の移動度は第１の実施例よシ大きくな
る。
本実施例によシ、結晶成長方法としてＭＢＥ　を用い、
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に厚さ１μｍの高純度Ｇ　ａ　
Ａ　ｓを成長させ、つぎに厚さ１００Ａの高純度Ａ４４
　Ｇａ、、７　Ａｓを成長させ、続いて２０Ａの高純度
Ａ　１２　Ａ　ｓと厚さ２３Ａで２．４Ｘ１０ＣＷＬ　
のＳｉ不純物を含むｎ型ＧａＡｓとの積層構造を全体と
して４００Ａ成長させた。ショットキゲート電極として
けｌを用い、ソース電極およびドレイン電極としてはＡ
　ｕ　−Ｇ　ｅ　／Ａ　ｕを用いた。その結果、７７Ｋ
における移動度は１００．０００７，４’・Ｓと高い値
となシ、ゲート長０．３μｍ１ゲート・ソース間および
ゲート・ドレイン間が０３μｍのＦＥＴ　において、７
７にでの相互コンダクタンスｇｍが５００ｍ５／／）Ｉ
ｉが得られ、光照射下および高電界下での特性の変動は
なかりた。
上記の本発明の２つの実施例において、ＧａＡｓ層中の
不純物としてはＳｉ　Ｌか示していないが、ｎ型不純物
としてけｒｅ、Ｓｅ、８ｎ、８　でも良い。
また、ｎ型不純物を第３の半導体層に相当するＧａＡｓ
層全体ではなく、第２の半導体層のＡ／Ａｓ層との界面
部分を除いてドーピングすると、この界面部分（Ａ／ｘ
Ｇａ　１−ｘＡｓとなっている）で生ずる不純物に関係
した電子トラップの完全除去が可能となる。宴らに、第
１の実施例の構造において２次元電子から１００Ｘ程度
以内にある第３の半導体層を不純物をドーピングしない
構造にすれば、第２の実施例と同様に２次元電子の移動
度を高めることができる。
本発明の２つの実施例では第１の半導体層と第３の半導
体層とは同じＧ　ａ　Ａ　ｓを用すたが、第３の半導体
層は１組成の少ない人／ｘＧａ　ｚ−ｘＡｓ（ｘ＜０．
２）としても良い。また、第２の半導体である高純度Ａ
ｌｌＡｓの替シにＡ４組成の多いＡｊｌｘＧａｌ　ｘＡ
ｓ　（ｘ＞０．３）　としても良い。
本発明の２つの実施例ではゲートショットキ電極は積層
構造を構成する第３の半導体層９表面に形成されて因る
が、第２の半導体／ｉｉ８表面に形成しても効果は全く
同等である。積層構造上にさらに２０ないし３００Ａの
厚さの半導体層を形成し、該半導体層表面にゲートショ
ットキ電極を形成してもよい。この場合該半導体層とし
ては、高抵抗もしくはｎ型のＧ　ａ　Ａ　ｓもしくはＡ
ｉＶｘＧａ】　ｘＡｓが用いられる。
ゲート電極としてはショットキ接合を用いたものしか示
さなかりたが、ゲート電極としてｐ　−ｎ接合ゲート電
極、＄ａｓｉ−８ｃｈｏｔｔｋｙゲート電極、ｃａｍｅ
ｌゲー）［極絶縁ゲート電極を用すても良い。
基板としては半絶縁性Ｇ　ａＡ　ｓ基板しか示さなかっ
たが、最上層が半絶縁性Ａ／ｘＧａ１　ｘＡｓ　である
基板、最上層がＡ　１１　Ａ　ｓ　／Ｇ　ａ　Ａ　ｓの
超格子せたはＡ／ｘＧａ　１−ｘＡｓ／ＧａＡｓの超格
子である基板であっても良い。
本発明の実施例においてはＡ／ＡｓとＧ　ａ　Ａ　ｓの
系しか示さなかったが、他の半導体の系でもかまわない
ととは明らかである。例えば、高純度Ｉｎ。、５゜Ｇａ
　Ｏ，４？　Ａ　ｓ　を第１の半導体層、高純度（ｎ　
ｘ　Ａ　／ｌ　１−ｘＡ　ｓ　（ｘ”０．５３　）を第
２の半導体層、ｎ型のＩｎｘＧａ　１−ｘＡ４　（ｘ＝
０．５３　）を第３の半導体層とするものであっても本
発明は有効である。この場合のＸ＝０５３で基板１ｎｐ
　と格子整合しているが、これからずれても積層構造の
それぞれの界面でミスマ、ツチの歪を吸収するため問題
なく、さらにＩｎｘＡ／＋−ｘＡｓのＸを小さくすれば
２次元電子に対するバリヤの高さを高くできるため有効
である。
本発明の構造を作る結晶成長方法としては、原理的には
どんな成長方法であっても良いが、数人の膜厚制御性が
必要となるため、ＭＢＥ　法やＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ
　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法が適している。中でもＭＢＢ　
法は原料の入った分子線源から出る分子線をシャッタの
開閉だけで制御できるため、遷移層が数Ａの急峻な界面
を容易に実現することができ、さらにコンピュータによ
る自動制御が容易であるため最も適した方法である。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来構造の２次元電子を利用したＦＥＴの概略
断面図、第２図は従来構造のゲート電極下のバンド構造
図、第３図は本発明の第１の実施例を示した概略断面図
、第４図は該第１の実施例のゲート電極下のバンド構造
図、第５図は本発明の第２の実施例を示した概略断面図
、第６図は該第２の実施例のゲー）！極下のバンド構造
図である。 ｌ・・・半導体基板　２・・第１の半導体層３・・・電
子供給層　４・・・２次元電子ガス５・・・ゲート電極
　６・・・ソース電極７・・・ドレイン電極　８・第２
の半導＃層９・・・第３の半導体層　１ｏ・・スペーサ
層Ｅｉ・・・電子トラップ準位　Ｅｃ・・伝導帯端Ｂｆ
・・・７工ルミ準位　Ｅｖ・・・、充満帯端Ｂｑ−・−
量子化準位 悼　１　国 悼　Ｚ　口 乎　３　画

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）半導体基板上に設けられた極低不純物濃度の第１
    の半導体層と、該第１の半導体層上に設けられかつ該第
    １の半導体層よシミ電子親和力が小さく電子がトンネル
    可能な厚さを有する極低不純物濃度の第２の半導体層と
    該第２の半導体層より電子′親和力が大きく電子波長以
    下の厚さを有し、ｎ型不純物を含有する第３の半導体と
    を交互に積層した積層構造と、該積層構造上方表面の一
    部に設けられたゲート電極と、該ゲート電極を挾んで前
    記積層構造上方表面に設けられ１１の半導体層と第２の
    半導体層との界面に存在するキ碕・リアと電気的コンタ
    クトを形成する一対の電極とを含むことを特徴とする半
    導体装置。
  2. （２）第１の半導体層と積層構造との間に不純物を含有
    しないスペーサ層を備えた特許請求の範囲第（１）項に
    記載の半導体装置。
JP58136128A 1983-06-24 1983-07-26 半導体装置 Granted JPS6028273A (ja)

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US06/624,333 US4695857A (en) 1983-06-24 1984-06-25 Superlattice semiconductor having high carrier density
EP84304300A EP0133342B1 (en) 1983-06-24 1984-06-25 A superlattice type semiconductor structure having a high carrier density
DE8484304300T DE3480631D1 (de) 1983-06-24 1984-06-25 Halbleiterstruktur mit uebergitter hoher traegerdichte.
US07/043,046 US4792832A (en) 1983-06-24 1987-04-24 Superlattice semiconductor having high carrier density

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