JPS62179772A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置、特に高速度化合物半導体装置に
係わる。

〔発明の概要〕

本発明は超格子構造によるヘテロ接合面を、キャリア、
すなわち電子或いはホールの走行域にそのキャリア走行
方向に沿って配置した構成として、特にキャリアの移動
度の向上、コンダクタンスｇ−の向上等をはかる。

〔従来の技術〕

半導体装置の高速度化のためにそのキャリア走行域のキ
ャリア移動度を高める種々の開発研゛究がなされている
。その１つとして、ヘテロ接合面における２次元電子ガ
ス層をチャンネルとして利用した電果効果型トランジス
タいわゆるＨＥＭＴを挙げることができる。この２次元
電子ガス層によれば、不純物散乱による移動の低下は回
避できるがこの場合、シート電子密度、すなわちキャリ
ア密度ｎｓが低いことによって高いコンダクタンスｇｓ
が得られない点に問題がある。また、この場合、特に１
００に程度以上の温度ではＬＯ（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎ
ａｌ　０ｐｔｉｃａｌ）フォノン散乱による電子移動度
の低下が問題である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、上述した電子（キャリア）密度ｎｓの問題点
及びＬＯフォノンの問題点の解決をはかるものである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、第１図或いは第２図に示すように、例えばゲ
ート部Ｇを挾んで相対向するソース部Ｓ及びドレイン部
り間のキャリア走行域に、少くとも２種の化合物半導体
ｉ膜層、例えば第１の化合物半導体薄膜層（１１と第２
の化合物半導体薄膜層（２）との各極薄膜層の繰返し積
層による超格子構造半導体Ｎ（３）を、その面方向がキ
ャリア走行方向に沿・さように配置する。

超格子構造半導体層（３）の各化合物半導体薄膜層（１
１及び（２）は、夫々のＮ　（１）及び（２）に、ＬＯ
フォノンを局在させるように、ＬＯフォノンブランチに
重なりのない、すなわち、例えば第３図に運動量−振動
数分散図で曲線（３１）及び（３２）として夫々のＬＯ
フォノンブランチを示すように互いに重なりのない化合
物半導体によって構成する。すなわち、例えば各半導体
薄膜層（１１及び（２）が、夫々ＡとＢ、　　ＣとＤの
各元素による化合物半導体（八Ｂ）及び（ＣＤ）から成
る場合、各化合物半導体の各構成元素のうち、夫々その
原子量の小さい方の元素同志の原子量に大きな差がある
材料を選定するものであり、例えば（ＡＢ）としてＧａ
Ａｓを、（ＣＤ）としてＡｌＡｓを用いることができる
。このような系においては、ＧａＡｓ的及びＡＩ！Ａｓ
的ＬＯフォノンが互いに他の層中にしみこむことができ
ず、各々の層にとじ込められてしまう。

そして、更に、その超格子構造半導体’ｆｅ　（３１の
電子を局在させる半導体薄膜層、例えば第１の化合物半
導体Ｗｔ膜１ｉ＋１１の厚さａを、ａ≦□　　　　　　
　　　・・・・ｆｉｌとする。ｑはこのキャリア、例え
ば電子を局在させる半導体Ｉｌ膜層（１）における運動
量であって、このｑは ｑ”ｍＶｓ　　　　　　・・・・（２）であり、ｍｏは
キャリアの有効質量、ｖｓはこの化合物半導体の構成材
料のバルク中でのキャリアの飽和速度である。すると、
とじこめられた運動量π／ａは、ｑに対し一２ｑなる関
係をみたす。

〔作用〕

本発明構成によれば、ＬＯフォノンを局在させたことに
よりキャリア走行域のキャリア移動度を高めることがで
きる。

キャリア移動度μは、 μ■□　　　　　　　　　　・・・・（３）（Ｗは電子
とＬＯフォノンとの散乱確率）であり、Ｗは、 ＷづＭ２ｄ３Ｉｒｄ３Ｐ・・・・（４）（Ｍはマトリッ
クスエレメント）であるので、超格子構造によるマトリ
ックスエレメントＭ　Ｕ”　”と、超格子構造によらな
い化合物半導体バルクのそれＭ２Ｃとの比についてみる
と、 ｑ↓２”Ｑｚ　　（Ｑｚ　＋−） Ｍ””／Ｍ３Ｄ＝ ｑ↓２＋　（ｑｚ±−）２ ・・・・（５） こ＼に、ｑｚは、超格子構造の接合面と直交する方向の
キャリアの運動量であり、ｑ上はそれに１行する方向の
運動量である。上述した本発明構成では、キャリアの走
行方向を半導体薄膜層Ｔｌ）及び（２）の面方向に選定
したことにより、ｑｚ〜０である。これによれば、（５
）式から ｑＪ２＋　（−）２ ・・・・（５）′ となる。

そして、本発明においては、ａを、（１１式のａ≦□と
したので（５）′式の値は充分小となり、ｑ↓ （３）式及び（４）式から移動度μが充分大きくなるこ
とが分る。具体的には、例えばＧａＡｓの半導体薄膜層
＋１１の厚さａを１０原子層程度以下に相当する３０人
程従って超格子構造によらない半導体バルクに比し超格
子構造半導体中ではＭ２が１０５分の−になる。したが
って（４）式よりＷが小さくなり結局Ｍが飛躍的に上昇
する。

〔実施例〕

第１図を参照して、２次元電子ガス層チャンネル型の電
界効果トランジスタを構成する場合の一例に・ついて説
明する。この場合、例えば半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基
板（１１）上に、前述した超格子構造半導体層（３）を
気相成長し、続いてこれの上にバンドギャップの大きい
ｎ型の半導体１ｉｉｉ（１２）を気相成長する。この半
導体層（１２）は例えばＡＡ　ＧａＡｓ或いはＡｊ！Ａ
ｓの単層半導体層、或いは２種以上の混晶化合物半導体
の繰返し積層による超格子構造を採ることもできる。

超格子構造半導体層（３）は、ＧａＡｓより成るバンド
ギャップの小さい第１の化合物半導体薄膜層（１１と、
これに比しバンドギャップの大きいＡｌＡｓより成る第
２の化合物半導体薄膜層（２）との繰返し積層構造をと
る。そして、特に、バンドギャップ幅の大きい半導体層
（１２）中、或いはこの層（１２）側にｎ型の第２の化
合物半導体薄膜層（２）を配置し、この層（２）と接合
するアンドープの第１の化合物半導体層（１）とのへテ
ロ接合を２次元電子ガス層によるチャンネル形成のへテ
ロ接合面（１０）とする。

そして、半導体層（１２）上に、例えばＴｉ／　Ｐｔ／
　Ａｕ構造によるジットキーゲート電極を被着してゲー
ト部Ｇを形成し、これを挾んでその両側に例えばＡｕＧ
ｅ／Ａｕ構造のソース及びドレインの各電極金属を被着
し、ヘテロ接合面（１０）に到る深さにアロイしてソー
ス部Ｓ及びドレイン部りを形成する。

超格子構造半導体層（３）及び半導体層（１２）　、し
たがってこれらを気相成長させる基板（１１）の面方向
は、（００１）結晶面とし、ソース部Ｓ、ゲート部Ｇ及
びドレイン部りの配列方向、すなわち電子の走行方向は
＜０１０　＞軸方向に選定し得る。

第４図にこのような構成による電界効果トランジスタの
コンダクションバンドのバンドモデルを示すように、ヘ
テロ接合面（１０）の第１のＧａＡｓ化合物半導体ｉ膜
層（１１側に２次元電子ガス層２０ＥＧを発生させる。

この場合、ヘテロ接合面（ｌＯ）を構成する第１のＧａ
Ａｓ化合物半導体薄膜層（１）が電子局在の層となり、
その厚さａを前記（１）式に選定する。これかため例え
ばこの第１のＧａＡｓ化合物半導体薄膜層（１）は、例
えば１０原子層程度とする。また第２のＡｊｌＡｓ化金
物半導体ＷｉＩｌｉ層（２）は１〜２原子層程度に選定
し得る。

基Ｆｉ　＋ｔ＋　上ノ各ｌｉｔ　（１１及ヒＴ２１　ト
、更ニ半導体１（１２）は、金属有機物法（ＭＯＣＶＤ
法）、或いは分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等によ
って、その原料供給ガスの切り換えによって連続的に気
相成長させることができる。

上述の構成によれば、第４図で示すようにヘテロ接合面
（１０）に３角形状のポテンシャルによる２次元電子ガ
ス層２０１！Ｇによるチャンネルがソース部Ｓ及びドレ
イン部り間に形成されるが、この電子を局在させる層と
しての第１の半導体薄膜層（１）の厚さの選定によって
前述したように高い電子移動度、したがって高速度化が
はかられると共に、此処における主量子数ｎ＝ｌの基底
レベルの電子は、バンドギャップ幅の大きい半導体層（
１２）側への滲み出しは殆んどなく第２のＡｆＡｓ化合
物半導体薄膜層（２）によるバリアｂ工によって恰も閉
じ込められた状態にあるので、電荷量が大となり、シー
ト密度ｎｓが大となる。つまりコンダクタンスｇＩ１１
が大となる。

更に、上述したように、電子ドライブ方向を＜０１０＞
方向とすると電子飽和速度ｖｓは第５図のＧａＡｓのバ
ンド図におけるバンドの低い谷への遷移で決められ、電
子散乱の大きいしバンド、Ｘバンドへの遷移はフォノン
を介せねばならないものであり、ＬＯフォノンについて
は前述したようにこれが閉じ込められていることにより
バレー間散乱が制御される。またＬＡ　（Ｌｏｎｇｉｔ
ｕｄｉｎａｌ　Ａｃａｕｓｔｉｃ　）フォノンについて
は、これの寄与は初めから小さく問題とならないことか
ら、結局ＶＳの上昇ももたらすことになる。

第１図に示した例は、２次元電子ガス層チャンネル型の
電界効果トランジスタに本発明を適用した場合であるが
、第２図に示すように、通常のショットキーゲート型電
界効果トランジスタに通用することもでき、この場合、
ソース部Ｓ及び１１４７０間に上述した超格子構造の半
導体素子（３）を、その面方向がソース部Ｓ及びドレイ
ン部り間の電子走行方向に沿うように配置する。

また、上述した各側は、キャリアが電子である半導体装
置に本発明を適用した場合であるが、ホ一ルによる装置
に通用することもできる。

［発明の効果〕 本発明装置の、例えば２次元電子ガス層チャンネル型の
電界効果トランジスタによれば、キャリアのシート密度
ｎｓを高めることができることによってｇ＋ｍの向上が
はかられる。また、ＬＯフォノンの閉じ込めを行うよう
にしたことによって１００Ｋに近い比較的高い温度にお
いても高い電子移動度が得られ高速度化が実現できる。

さらに、飽和速度ＶＳの上昇をも、もたらすことが期待
される。

今、例えば高純物ｎ−ＧａＡｓ結晶の電子移動度の温度
依存性をみると、第６図に示すようにその総合的電子移
動度は曲線（６１）に示すように１００に程度以上で急
激に低下する。同図において曲線（６２）はイオン化不
純物によるもの、（６４）はＬＯフォノンによるもの、
（６３）は中性不純物によるもの、（６５）はディフォ
メーションポテンシャルによるものであり　（６６）は
ピエゾエレクトリック散乱によるものである。１００に
程度以上の電子移動度の低下は、ＬＯフォノンによる依
存性が大である。ところが本発明によれば、ＬＯフォノ
ンの閉じ込めを行うようにしたことから移動度の特に１
００に近傍の高温での低下を効果的に改善できるもので
あり、例えば２次元電子ガス層チャンネル型の電界効果
トランジスタにおいて、高速性を維持したまま室温附近
での使用を可能にするなどの多くの利益をもたらす。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は夫々本発明による半導体装置の路線
的拡大断面図、第３図は運動量−振動数分散図、第４図
及び第５図はバンドモデル図、第６図は電子移動度の温
度依存性を示す図である。 Ｇはゲート部、Ｓはソース部、Ｄはドレイン部、（１）
及び（２）は化合物半導体薄膜層、（３）は超格子構造
の半導体層である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 分散関係においてＬＯフォノンの振動数の重なりがない
   少くとも２種の化合物半導体薄膜層による超格子構造半
   導体層を有し、該超格子構造半導体層のキャリアを局在
   させる化合物半導体薄膜層の厚さａを、 ａ≦π／ｑ （但し、ｑは上記キャリア局在の化合物半導体薄膜層に
   おけるキャリアの運動量ｑ＝ｍ＾＊ｖｓであり、ｍ＾＊
   はキャリアの有効質量、ｖｓは該化合物半導体層の構成
   材料のバルク中でのキャリアの飽和速度）とされ、上記
   超格子構造半導体層をキャリア走行域のキャリア走行方
   向に沿うように配置したことを特徴とする半導体装置。