JPS6139582A - 高電子移動度トランジスタ - Google Patents

高電子移動度トランジスタ

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JPS6139582A
JPS6139582A JP11630685A JP11630685A JPS6139582A JP S6139582 A JPS6139582 A JP S6139582A JP 11630685 A JP11630685 A JP 11630685A JP 11630685 A JP11630685 A JP 11630685A JP S6139582 A JPS6139582 A JP S6139582A
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layer
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semiconductor
doped
high electron
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ポール サウニアー
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/40—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
    • H10D30/47—FETs 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]
    • H10D30/471—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
    • H10D30/473—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT
    • H10D30/4732—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT using Group III-V semiconductor material
    • H10D30/4738—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT using Group III-V semiconductor material having multiple donor layers

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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

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】 し産業上の利用分野] 本発明は半導体電子装置に関J゛るものである。
もつと詳細にいえば、本発明はiai電子移動度トラン
ジスタに関するものである。
[従来の技術とその問題点] シリコン電界効果トランジスタ(FET)のような半導
体装置の特性の改善(すなわち、伝播遅延時間を小さく
すること、電流をより大きくすること、バンド幅をより
大ぎくすること、など)・は少なくとも2つの方法で行
なうことができる。すなわち、(1)装置の寸法を小さ
り1゛ること、(′2Jキャリアのチャンネル移動度を
大ぎ<1゛ること、である。この第2の方法については
、シリコンの代りにガリウム・ヒ素を用いるならば、室
温における移動度は約6倍大きくなる。しかし、もっと
有力なこととして、ガリ1クム・ヒ素とドープされたア
ルミニウム・ガリウム・ヒ素とのヘテロ接合構造体を用
い、4ならば、移動度をさらに大きくすることができる
。特に、液体窒素温度では移動度は大きくなる。全般的
なことについては、R,Edenのrcomparis
on  of  GaAS  device  app
roaches  forultrahiah−spe
ed VLSI J 70プロシーデインゲス・オフ・
IEEE  5 (1982)を参照されたい。このよ
うなヘテロ接合構造体はN形にドープされたAJtGa
AS層をドープされていないGaASllに接合するこ
とによって構成される。
AJtGaASのバンド・ギャップがGaASのバンド
・ギーヤツプより大きいので、電子はより低いエネルギ
位置にあるG a A S’の伝導電子バンドに移動す
る。この電子移動の結果、AIGaAS中には、ドナー
・イオンが後に残されることになる。
ドナー・イオンから出た電子がこのように分離されると
、これらの電子の受ける不純物散乱は大幅に小さくなり
、したがって、移動度は増大する。
この効果は低温度では特に著しい。
ヘテロ接合は、全体的に、特にAjtGaAs・GaA
sの場合には、液相エピタクシ(LPE)、分子線エピ
タクシ(MBE)、金属・有機物化学蒸気法@ (MO
CVD)の方法によって成長さしてつくることができる
。MBEとMOCVDはLPEよりも好ましい。MOC
VDでは50A以下の厚さの層で、MBEではIOA以
−トの厚さの層で、AIGaASとGaASの交互エピ
タクシヤル層を成長させることができる。けれども、製
造に成功するヘテロ接合装首は、ドープされていないG
aAsの上にドープされたAjtGaAsをエピタクシ
ヤル成長させる場合に限られる。この構造体は「正規」
構造体と云われている。これに対し、「反転」構造体と
いうのは、ドープされたAlGaAsの上にドープされ
ていないGaASをエピタクシヤル成長させた構造体で
ある。正規構造体の欠点は、急速酸化されたAjtGa
As上に整流性ゲート接触体(ショツト4二m壁)をつ
くる必要があることであり、そしてこれらの製型の上面
にAjtGaAsがあるのでこれらの製型が劣化しやす
いことである。これらの理由により、反転構造体の方が
好ましい。また、反転構造体ではよりよい電子閉じ込め
かえられる。けれども、反転構造体がもつこれらの潜在
的利点は、正規構造体でえられているような大きな移動
度を反転構造体でうることが難しいということによって
、相殺されていた。このことについては、R、Thor
ne等のr Performance of Inve
rted StructureModulation 
oopect 5chottky Barrier F
ield[rfect  TransistorsJ 
   2 1    Jap、J、八pp、Phys。
L 223 (1982)を参照されたい。実際、反転
II造体装置の特性がよくないことは、トランスコンダ
クタンスが小さいことおよびピンチ・オフがうまく行か
ないことなpに表れている。
[発明が解決しようとする問題点] 正規構造体装置(典型的なものは「高電子移動度トラン
ジスタ」、すなわち、HEMTと呼ばれている装置)の
限界の1つは、標準的GaASFETに比べて、電流容
母がかなり小さいことである。この電流に限界があると
いう問題点を解決するためにすぐに思いつく方法は、A
IGaASとGaAsの交互層を重ねて多重に成長させ
て、一種の多重チャンネルHEMTをつくることで・あ
る。けれども、前記の考察のように、2つの正規構造体
の間に交互に反転構造体が入るので、このような多重チ
ャンネルHEMTでは、特性が悪くなるであろう。した
がって、大ぎな電流容δをもつ正規構造体)IEMTを
製造することは、先行技術の1つの問題点である。
[問題点を解決するための手段] 本発明の実施例により、ドープされていないGaAsか
らドープされたAIGaASd:で、ドープ囲が傾斜し
ている AlGaAsを配置することにより、交互反転構造体を
設けることなく、冬瓜正規構造体Aj!GaAs−Ga
As高電子移動度トランジスタ(HEMT)かえられる
。したがって、反転構造体接合とそれに対応する伝導電
子バンドの下端の不連続部分は空間的にかなり広がり、
このために、伝導電子バンドの下端は事実上連続的変化
をするようになる。この好ましい実施例により先行技術
の問題点が解決され、それにより、装置の特性を劣化さ
せる反転構造体を設けることなしに、多重正規構造体を
用いてHEMTの電流容&を大きくすることができる。
[実施例] 本発明による装置の好ましい第1実施例を十分に理解す
るには、先行技術による装置を理解することが必要であ
る。第1図は先4行技術による装置の横断面概要図であ
る。この装置は11で全体的に示されている。この装置
は半絶縁体GaAS基板13と、ドープされていない Ax   Ga。、7AS層15と、N第0.3 AI  Ga   As層17と、ドープされてい0.
3  0.7 ないまたは非常にわずかにドープされたN形GaAs層
19と、N形AJ!   Ga   As層0.30.
7 21と、N−形GaAs層23と、N+形GaAS層2
5と、ソース27と、ドレイン29と、ゲート31とを
有している。層15の厚さは5000Aであり、層17
の厚さは260Aでそしてそのドープ岱は6E17原子
/Cm3であり、層19の厚さは600Aでそしてその
ドープiIiは1E15であり、層21の厚さは26O
Aでそしてそのドープ母は6E17であり、層23の厚
さは400Aでそしてそのドープ荀(よ1E16であり
、層25の厚さは300Aでそしてそのドープmは1E
18であり、ソース27とドレイン29は層25とオー
ム接触しており、ドレイン29は層25とオーム接触し
ており、ゲート31は層23と整流性接触(ショットキ
障壁)をしている。
厚さが100Aまたはそれ以下の Aj!   Ga   Asのドープされていない層を
0.3  0.7 N形AI  Ga   As層とド、−プされ−(イ/
、ZO,30,7 いGaAs層との間に挿入することができる。この挿入
された層は、下記で詳細に説明されるように、ドナーイ
オンから供給された電子をさらに分離するスペーサの役
割を果たす。この具体装7i5t +;LS、 Lon
gほか名の[tligh 5peed GaAs In
tegratedC+rcuitsJ 70  Pro
ceedings of the tc[c 3 b(
1982)に1;l示されている。
装@11の特性を説明しよう。基板13は半絶縁体であ
って、装置11の動作には関与しない。
層15はバッファ層であって、不純物がドープされてい
ない。層17は強くドープされたN形AI   Qa 
  AS層であって、この層17は0.3  0.7 層17と層19とによって構成される反転構造体接合に
対する電子の供給体である。層19はドープされていな
いかまたは非常にわずかにドープされたGaAs層であ
る。AI   Ga   ASの0゜30.7 バンドギャップ(約1.72eV)に比べてGaAsの
バンドギャップ(約1.428V)が小さいために、お
よび電子親和力が異なるために、GaASの伝導電子バ
の下端は、層17と層19の接合の近傍で、層17めA
I   Ga   ASO,30,7 のドープされた伝導電子バンドの下端よりも、エネルギ
的に低い位置にある。したがって、AI   Ga  
 Asの伝導電子バンド中にある0、3  0.7 電子はGaASの伝導電子の中へ拡散していって、そこ
にトラップされる。このために、 A 1 0.3G a o、7A 8層17内に固定さ
れたままであるドナーイオンと、この拡散していってト
ラップされた電子とが分離されて存在することになる。
電荷がこのように分1liIt−vる結果、そこに内1
部電界が発生し、準三角形状の電位ウェルができる。
この電位・シェルの中に電子が束縛され、そしてこれら
の電子はこの電位ウェルの中を2次元電子ガスとして運
動する。第2図は伝導電子バンドの下端の図面であって
、この図の左から右へ進むことは、第1図において上か
ら下へ垂直に進むことに対応する。したがって、第2図
の右側の不連続部分は、層17と層19との間の接合に
対応Jる。
(この接合は、GaASがA、i!GaASの上に成長
されるので、反転構造体である。)第2図の領域35に
示されているように、伝導電子バンドが曲っていて、層
17から供給された電子は層17と層19との間の界面
に蓄積される。すなわら、これらの電子は層19内に広
がって均一に分イli’Jるわけでない。
層21は層17と組成が事実上1r+Jじてあり、層1
9と層21との間の接合4層17と層1つとの間の接合
と同Cである。すなわち、層21から供給された電子は
層19内に拡散していき、層19内に接合の近傍(第2
図の領域37)にトラップされる。層19と層21との
間の接合は、GaAsの上にAJ!   Ga   A
sが成長して0.3  0.7 いるので、正規構造体である。
層23と層25は、ソース27メタライゼーシヨンとド
レイン29メタライゼーシヨンとに対する、単なる良い
電気的接触体に過ぎない。ゲート31は層23と共にシ
ョットキ障壁を構成する。
ゲート31にバイアスを加えると、通常のMESFET
動作の場合と同じように、伝導チャンネル(第1図の層
19の上部分と下部分、第2図の領域37と領域35)
を狭くする。
装置11のこの2つのヘテロ接合(1つは正規構造体で
他の1つが反転構造体)は、ドープされたAI   G
a   ASとドープされない0.3  0.7 GaAsとの交互層をもつと多く挿入することにJ:つ
て、繰り返すことが可能である。その結果えられる構造
体は、第2図に示された伝導電子バンド端の構造を繰り
返した、伝導?h子バンド端をもつであろう。このJ:
うな多重層構造体にしたときにえられる利点は、電流容
量を大きくすることができることである。
装置11の問題点は反転構造体がどうして一ム必要であ
ることである。すなわら、層17とVU19との間の接
合が必然的に含まれることである。このような反転構造
体はI[I]待Jるにうには実行されない。そして、装
置11や同称なVC詔の全体のrj性を劣化させる。
本発明による装置の好ましい第1実施例の横断面概要図
が第3図に示されている。この装置は41で全体的に示
されている。装v!J41は半絶縁体GaAs基板層4
3と、厚さが1ミクロンのドープされていないGaAs
層45と、厚さが70Aのドープされていない AI  Ga  AS層47と、j9さが500Δ0.
3  0.7 でドープ量が1E18のN形にドープされたAI   
Ga   AS層49と、厚さが500八〇、3  0
.7 でドープされていないAj!GaASで構成x   1
−x された層51であって、ここでXが層51の上端から下
端に向ってOと0.3の闇を連続的に変動する層51と
、ドープされていない AI  Ga 。、7Asで厚さが70Aである層0.
3 55(層55は層47と同等な層である)と、厚ざがb
oOAでド 7mがI El 8(7)N形AI  G
ao、7ASの層57と、厚さが0.3 100Aで強くドープされたN形GaASの層59とソ
ース・メタライゼーションである領域61と、ドレイン
・メタライゼーションである領域63と層59と共にシ
ョットキ障壁を構成するゲー1−である領域65とを有
する。
領域61と領域63は電気接触体のための領域であって
、いずれもオーム接触体である。
次に、装置41の特性と動作を説明しよう。まず、層4
5と、層47と、層49とは、前記のように、正規構造
体を構成する。(層47は、層45の上部に蓄積する2
次元電子ガスから、層49内の正に帯電したドナーイオ
ンを分離する単なるスペーサである。)同じように、層
53と、層55と、層57とは第2の正規構造体を構成
する。(再び、層55はスベーリーである。)第4図は
装置41の伝導電子バンドの下端の図面である。
第4図で左から右へ進むことは、第3図でトから下へ進
むことに対応する。分離層47と分1llI(層55は
第4図では便宜上省略されていることを断っておく。こ
れらの分離層は伝導電子バンドの下端が曲っているその
曲率に影響を向えるだ【)である。また、ドープ量が変
わるとこの曲線図は変わるが、バンド端の連続性は変わ
らない。もつと虫要なことは、傾斜層51によって、2
つの正規(14遺体(層45.47.49と層53.5
5.57)の間の反転層が消えていることである。この
ことは、第4図において、伝導電子バンド端がこの接合
で連続していて、不連続がないことに現われ一〇いる。
通常の正規構造体の場合のJ:うに、ドープされたAj
!   Ga   ASから供給された電子は)と0.
3  0.7 合近傍のGaAS中にトラップされ、第4図の領域67
および領域69に示されているJ:うに、2次元電子ガ
スができる。これらの領域は第3図中の層53の上部お
よび層45の上部に対応する。
層41に対応する2重正規構造体検査用装首と、(層5
3.55.57.59に丁度対応する)1重正規構造体
制御検査用装置とがMBEによって製造され、そしてそ
れらを比較することにより、傾斜層51が移動度または
電子ガス濃度に影響を与えるかどうかが調べられた。V
an der Pauw−Hallの測定結果は次の通
りである。
移動度     キャリア面濃度 (cm  /Vs)    (cra−2)300K 
77K  300K   77に構造体 1重正規 8000  G9,000 7.5E11 
 6.7E11構造体 この測定結果によると、傾斜層51を設けて反転構造体
を消去することによって、特性が劣化しないことがわか
る。
本発明による装置のこの他の所ましい実施例は、いろい
ろなドープ■やいろいろな厚さの層を有する傾斜A1G
aAs層によって隔てられた3個しス上の正規構造体や
、1つの工程によってエピタクシヤル層成長の順序が接
合の特性に影響を与える他の材料による多重装置や、い
ろいろな形式のソース、ドレインおよびゲートをイ■J
゛る形である。
[発明の効果] 本発明により、電流容量が大きくかつ劣化の影響を受け
ることが少ない高電子移II!lJ度装置を比較的容易
にうろことができる。高電子移動度半導体装置の電流容
」を大きくするために多重構造体にする場合、先行技術
では正規構造体と交互に反転構造体を設けていた。本発
明では、2つの構造体の間に中間接続層を設け、この中
間接続層のドープσを傾斜分布させ、この中間接続層の
上面おにび下面においてそれぞれの構造体と境を接する
部分の組成をそれぞれの構造体の組成と一致させること
により、反転構造体を空間的に広がらUて、反転構造体
ににる欠点を事実上t!i /〔ない高電子移動度半導
体装置をうることができた。。
【図面の簡単な説明】
第1図は正規構造体と反転構造体との両者を有する装置
の横断面概要図、 第2図は第1図の装置の伝導電子バンドの下端の図面、 第3図は2つの正規構造体を有し、反転構造体が介在し
ていない、好ましい実施例による装置の横断面概要図、 第4図は第3図の装置の伝導電子バンドの下端の図面。 [符号の説明コ 45.47.49;  、テ。接合体 53.55.57 49.57      °第1半導体材料45.53 
     第2半導体材料51         接続
層

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)(イ)2つのヘテロ接合構造体であつて、前記ヘ
    テロ接合構造体のおのおのが第2半導体材料層の上に第
    1半導体材料層をそなえた構成を有することを特徴とす
    る2つの前記ヘテロ接合構造体と、 (ロ)2つの前記構造体の間に配置された 接続層であつて、前記接続層の第1表面が前記構造体の
    うちの第1構造体の前記第1材料層と境を接しており、
    かつ前記接続層の第2表面が前記構造体のうちの第2構
    造体の前記第2材料層と境を接している前記接続層とを
    有し、かつ、 (ハ)前記接続層の前記第1表面における 半導体材料が前記第1半導体材料と事実上同じであり、
    かつ、前記接続層の前記第2表面における半導体材料が
    前記第2半導体材料と事実上同じであるように、前記接
    続層の半導体材料の組成が前記第1表面から前記第2表
    面まで傾斜していることを特徴とする、 高電子移動度トランジスタのためのチャンネル。
  2. (2)特許請求の範囲第1項において、 (イ)前記第1材料がアルミニウム・カリ ウム・ヒ素合金(Al_xGa_1_−_xAs)であ
    ることと、 (ロ)前記第2材料がガリウム・ヒ素であ ることとを特徴とする、 高電子移動度トランジスタ・チャンネル。
  3. (3)特許請求の範囲第2項において、 (イ)前記合金Al_xGa_1_−_xAsにおいて
    、xが約0.3であることを特徴とする、高電子移動度
    トランジスタ・チヤンネル。
  4. (4)特許請求の範囲第1項において、 (イ)前記ヘテロ接合構造体が前記第2材 料の上に前記第1材料を分子線エピタクシヤル成長する
    ことによつて製造されることを特徴とする、高電子移動
    度トランジスタ・チャンネル。
  5. (5)特許請求の範囲第1項において、 (イ)前記構造体の前記第1材料がドープされているこ
    とと、 (ロ)前記構造体の前記第2材料がドープされていない
    ことと、 (ハ)前記接続層の前記材料がドープされていないこと
    とを特徴とする、高電子移動度トランジスタ・チャンネ
    ル。
  6. (6)特許請求の範囲第5項において、 (イ)前記第1材料の前記層のドープされ ていない部分で構成され、かつ、前記部分が前記第2材
    料層と境を接している、スペーサ層を前記構造体のおの
    おのの中にさらに有することを特徴とする、 高電子移動度トランジスタ・チャンネル。
  7. (7)(イ)半導体本体内で、ソースとドレインの間に
    あり、かつ、ゲートの下にある、チャンネル領域を有す
    ることと、 (ロ)前記チャンネル領域が境を接するよ うに間に配置された接続層を有する少なくとも2つのヘ
    テロ接合構造体の積層体を有することと、前記構造体が
    第2半導体材料の層の上につくられた第1半導体材料の
    層によつて構成されることを特徴とすることと、前記接
    続層が前記第1構造体と境を接する部分から前記第2構
    造体と境を接する部分まで組成が傾斜した半導体材料に
    よつて構成されそのさい前記第1構造体と境を接する部
    分の前記接続層の半導体材料の組成が前記第1材料の組
    成と事実上同じでありかつ前記第2構造体と境を接する
    部分の前記接続層の半導体材料の組成が前記第2材料の
    組成と事実上同じであることを特徴とする、 電界効果半導体装置。
  8. (8)特許請求の範囲第7項おいて、 (イ)前記第1材料がアルミニウム・ガリ ウム・ヒ素合金(Al_xGa_1_−_xAs)であ
    ることと、 (ロ)前記第2材料がガリウム・ヒ素であ ることとを特徴とする、 電界効果半導体装置。
  9. (9)特許請求の範囲第7項において、 (イ)前記合金がxを約0.3とした Al_xGa_1_−_xAsであることを特徴とする
    、電界効果半導体装置。
  10. (10)特許請求の範囲第7項において、 (イ)前記ヘテロ接合構造体が前記第2材 料の上に前記第1材料を分子線エピタクシヤル成長する
    ことによつて製造されることを特徴とする、電界効果半
    導体装置。
  11. (11)特許請求の範囲第7項において、 (イ)前記第1構造体の中の前記第1材料 がドープされていることと、 (ロ)前記構造体の中の前記第2材料がド ープされていないことと、 (ハ)前記接続層の前記材料がドープされ ていないこととを特徴とする、 電界効果半導体装置。
  12. (12)特許請求の範囲第11項において、(イ)前記
    第1材料の前記層のドープされ ていない部分で構成され、かつ、前記部分が前記第2材
    料層と境を接している、スペーサ層を前記構造体のおの
    おのの中にさらに有することを特徴とする、 電界効果半導体装置。
JP11630685A 1984-05-30 1985-05-29 高電子移動度トランジスタ Granted JPS6139582A (ja)

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US06/615,978 US4558337A (en) 1984-05-30 1984-05-30 Multiple high electron mobility transistor structures without inverted heterojunctions
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JPS6139582A true JPS6139582A (ja) 1986-02-25
JPH0573055B2 JPH0573055B2 (ja) 1993-10-13

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