JPS6364367A - 化合物半導体電界効果トランジスタ - 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】 Ｌｌ上二Ｍ皿±■ 本発明は、化合物半導体電界効果］−ランジスタに関す
る。

従来の技術 従来、第５図を伴って次に述べる化合物半導体電界効果
トランジスタが提案されている。

すなわち、半絶縁性化合物半導体基１反１上に、アンド
ープのチャンネル層用化合物半導体層２と、アンドープ
のバリア層用化合物半尋体にｑ３と、アンドープのキャ
ップ層用化合物半導体層４とが、それらの順に、積層体
５として、積に？ｉして形成されている。この場合、半
絶縁性化合物半導体基板１がＧａＡＳでなり、また、ヂ
ｔ・ンネル層用化合物半導体層２がＧａＡＳでなり、バ
リア層相化合物半導体層３がＡＩ　　ＱａＶ　　　１−
Ｖ Ａｓ　（０＜ｙ≦１）でなり、さらに、キャップ層用化
合物半導体層４がＧａＡＳでなる。

しかして、積層体５上に、ｎ型不純物を比較的高温度に
ドープしているゲート層用半導体層が、所望のパターン
に、ゲート層６として局部的に形成され、ぞのゲート層
６上に、ゲート電極７が付されている。この場合、ゲー
ト層６はＱｅでなり、また、ゲート電８！７は、タング
ステンシリサイド（Ｗ　Ｓ　’　ｘ　）でなる。

また、ｕｊ体５内に、その上方から、ゲート層６を挟ん
だ両位置において、ｎ型不純物を高濃度にドープしてい
る半導体領域が、チャンネル層用化合物半導体層２、バ
リア層相化合物半導体層３及びキャップ層用化合物半導
体層４の半導体領域間の領域をそれぞれチャンネル層２
′、バリア層３′及びキャップ層４′として形成するよ
うに、チャンネル層用化合物半導体層２に達する深さに
、それぞれソース領域８及びドレイン領域９として形成
され、そして、それらソース領域８及び９に、それらの
上方から、それぞれソース電ｔＭ１０及びドレイン電極
１１が連結されている。

以上が、従来提案されている化合物半導体電界効果トラ
ンジスタのｔｉ４成である。

このような構成を有する化合物半導体電界効果トランジ
スタによれば、ソース電４４１０及びドレイン電極１１
間に、所要の電源を、負荷を通じて接続し、また、ゲー
ト電極７及びソース電極１０間に制御電源を接続してい
る状態で、そのゐＩＩ　Ｉ２１１電源の電圧を制御すれ
ば、それに応じて、チャンネル層２′のバリア層３′側
において、２次元電子ガスの誘起がｉｉｌ制御され、こ
のため、ソース領域８及びドレイン領域９間にチャンネ
ル層２′を通って流れる電流が制御され、よって、ｎ荷
に流れる電流が制ｉｆ＋］される、という化合物半導体
電界効果トランジスタとしての機能が得られる。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、第５図に示す従来の化合物半導体電界効
果トランジスタの場合、バリア層３’ｈ＜ＡＩ　　Ｇａ
　　　Ａｓｒなルノニ対シ、ｆｐ’／　　　１−Ｖ ンネル層２′がＧａＡＳでなるため、チャンネル層２′
の伝導帯の底とバリア層３′の伝導帯の底との間のエネ
ルギレベル差が、比較的低い。

このため、チャンネル層２′を通って電流が流れるに十
分な制御電圧の値によっては、チャンネル層２′から、
バリア層３′を通って、ゲート層６側に電流が流れる。

このため、化合物手尋体雷界効果トランジスタのｇｍが
低下するなどして、高性能が１ｒＩられなくなり、′ま
た、これを回避せんとすれば、制御電圧のとり１ηる値
が制限されてしまう、という欠点をイエしていた。

また、第５図に示す従来の化合物半導体電界効果トラン
ジスタの場合、バリア層３′がＡ１、Ｇａ１□ＡＳでな
るのに対し、ゲート層６がＧｅでなるため、バリア層３
′の伝導帯の底と、ゲート層６の伝導帯の底との間のエ
ネルギレベル差が、チャンネル層２′の伝導帯の底とバ
リア層３′の伝導帯の底との間のエネルギレベル差に比
し大である。このため、化合物半導体電界効果トランジ
スタとしての機能がエンハンスメント型に１９られると
しても、デプレッション型には得られない。また、この
ため、ゲート層６を、バリア層３′の伝導帯の底とゲー
ト層６の伝導帯の底との間のエネルギレベル差が、チャ
ンネル層２′の伝導帯の底とバリア層３′の伝導帯の底
との間のエネルギレベル差に比し小であることを満足り
る半導体を用いて構成せんとしても、実際上、そのよう
な半導体を選定することは、ゲート層６をチャンネル層
用化合物半導体層２、バリア層相化合物半導体層３及び
千ヤップ層用化合物半導体層４とともに、エピタキシャ
ル成長法を用いて半絶縁性化合物半導体基板１上に形成
することを考慮すれば、極めて困難である。

問題点を解決するための手段 よって、本発明は、上述した欠点及び困ｆｆ１ｌのない
、新規な化合物半導体電界効果トランジスタを提案せん
とするものである。

本発明による化合物半導体電界効果トランジスタは、第
５図で上述した従来の化合物半導体電界効果トランジス
タの場合と同様に次に述べる構成を有する。

すなわち、半絶縁性化合物半導体基板上に、アンドープ
のチャンネル層用化合物半導体層と、アンドープのバリ
ア層相化合物半導体層とがそれらの順にｆ？ｉ層されて
いる積層体が形成されている。

また、上記積層体上に、所要の導電型を与える不純物を
ドープしているゲート層用半導体層が、ゲート層として
局部的に形成され、そのゲート層上に、ゲート電極が付
されている。

さらに、上記積層体内に、その上方から、上記ゲート層
を挟／υだ両位置において、上記ゲート層と同じ導電型
を与える不ｆｌｌｉ物をドープしている第１及び第２の
半導体領域が、上記チャンネル層用化合物半導体層及び
上記バリア層相化合物半導体層の上記第１及び第２の半
導体領域間の領域をそれぞれチャンネル層及びバッファ
層として形成するように、上記チャンネル層用化合物半
導体層に達する深さに、それぞれソース領域及びドレイ
ン領域として形成されている。

また、上記ソース領域及びドレイン領域に、それぞれソ
ース電極及びトレイン電極が連結されている。

しかしながら、本発明による化合物半導体電界効果トラ
ンジスタは、このような構成を有づ゛る化合物半導体電
界効果トランジスタにＬＪ３いて、上記チャンネル層を
形成している上記チャンネル層用化合物半導体層が、Ｉ
ｎＧａＡｓＸ　　　　　　＋−ｘ （０＜Ｘ≦１）でなり、また、上記バリア層を形成して
いる上記バリア層用化合物半導体苦が、ＡＩ　　Ｇａ　
　　Ａｓ（０＜ｙ≦１）でなる。

ｙ　　　　　ｉ−ｙ 作用・効果 このような構成を有する本発明による化合物半導体電界
効果トランジスタによれば、それが、第５図で上述した
従来の化合物半導体電界効果ｊ・ランジスタの構成にお
いて、そのチャンネル層を形成しているチャンネル層用
化合物半導体層が、ＧａＡＳでなるのに代え、ｉｎ　　
Ｑａｌ−ＸＡＳ（Ｏ＜×≦１）でなることを除いて、第
５図で上ｊボした従来の化合物半導体電界効果１〜ラン
ジスタと同様の構成を有する。

このため、第５図で上述した従来の化合物半導体電界効
果トランジスタの場合と同様に、ソース電極及びドレイ
ン電極間に、所要の電源を、負荷を通じて接続し、また
、ゲート電極及びソース電極間に制御電源を接続してい
る状態で、その１ｉｌｌ　ｔ１１電源の電圧を制御すれ
ば、それに応じで、チャンネル層のバリア層側において
、２次元電子ガスの誘起が制御され、このため、ソース
領域及びドレイン領域間にチャンネル層を通つて流れる
電流が制御され、よって、負荷に流れる電流が制御され
る、という化合物半導体電界効果トランジスタとしての
礪能が得られる。

しかしながら、本発明による化合物半導体電界効果トラ
ンジスタの場合、バリアーがΔ１゜Ｇａ１．Ａｓでなる
のに対し、チャンネル層がＩｎＧａＡＳでなるため、チ
ャンネル苦ｘ　　　１−Ｘ の伝導帯の底とバリア層の伝導帯の底との間のエネルギ
レベル差を、第５図で上述した従来の化合物半導体電界
効果トランジスタの場合高くすることができる。このた
め、制御電圧が、第５図で上述した従来の化合物半導体
電界効果トランジスタにおいて、チャンネル層から、バ
リア層を通って、ゲート層側に電流を流すような１直で
あっても、チャンネル層から、バリア層を通って、ゲー
ト層側に電流を流さない。このため、化合物半導体電界
効果トランジスタのｇｍが低下するイ＾どによって、高
性能が得られなくなる、とい・）おそれが少なくなり、
また、制御電圧のとり得る値が大きく制限される、とい
うことがない。

また、本発明による化合物半導体電界効果トランジスタ
の場合、バリア層がＡＩ　　Ｇａ１−。

Ａｓでなるで、バリア層の伝導帯の底と、ゲート層の伝
導帯の底との間のエネルギレベル差を、チャンネル層の
伝導帯の底とバリア層の伝導帯の底との間のエネルギレ
ベル差に比し小にすることができる。このため、化合物
半導体電界効果トランジスタとしての機能をエンハンス
メント型に得ることができる。また、このとき、ゲート
層を、バリア層の伝導帯の底とゲート層の伝導帯の底と
の間のエネルギレベル差が、チャンネル層の伝導帯の底
とバリア層の伝導帯の底との間のエネルギレベル差に比
し小であることを満足する半導体を選定することが、そ
のグー１〜層を、チャンネル稍１用化合物半導体層及び
バリア層用化合物半導体層とともに、エピタキシセル成
長法を用いて、半絶縁性化合物半導体基板上にエピタキ
シャル成長法を用いて形成することを考慮しても、極め
て容易である。

実施例１ 次に、第１図を伴って、本発明による化合物半導体電界
効果トランジスタの第１の実施１！、’Ｉを述べよう。

第１図において、第５図との対応部分には同一符号を付
し詳細説明を省Ｉ３する。

第１図に示づ一本発明にＪ：る化合物半導体電界効果ト
ランジスタは、次の事項を除いて、第５図で上述した従
来の化合物半導体電界効果トランジスタと同様の構成を
ｔｉづる。

すなわら、半絶縁性化合物半導体基板１とチャンネル層
用化合物半導体層２との間に、バッファ層用化合物半導
体層２１が介挿され、そして、チャンネル層用化合物半
導体層２がＧａＡｓでなるのに代え、Ｉｎ　　Ｇａ　　
　Ａｓ（０＜ｘ　　　１−ｘ Ｘ≦１）でなる。この場合、チャンネル層用化合物半導
体層２（よ、それを構成している１ｎｘＧａ１−ｘＡＳ
のＸの１直を０．４５とし１りる。

以−Ｆが、本発明による化合物半導体電界効果トランジ
スタの第１の実施例の構成である。

このような構成を有する本発明による化合物半導体電界
効果トランジスタによれば、それが、上述した事項を除
いて、第５図で上述した従来の化合物半導体電界効果ト
ランジスタと同様の構成を有するので、第５図で上述し
た従来の化合物半導体電界効果トランジスタの場合と同
様に、ソース電極１０及びドレイン電極１１間に、所要
の電源を、負荷を通じて接続し、また、ゲート電極７及
びソース電極１０間に制御１］電源を接続している状態
で、その制御電源の電圧を制御すれば、それに応じて、
チャンネル層２′のバリア層３′側において、２次元電
子ガスの誘起が制御され、このため、ソース領域８及び
ドレイン領域９間にチャンネル層２′を通って流れる電
流が制御され、よって、負荷に流れる電流が制御される
、という化合物半導体電界効果トランジスタとしてのは
能が得られる。

しかしながら、第１図に示す本発明による化合物半導体
電界効果トランジスタの場合、バリア１３′がＡ　ｌｙ
　Ｇａ１−ｙ　ＡｓＴ’なる（７）　ｔ、＝対し、チャ
ンネル層２′がＧａＡｓとは異なりり１ｎＱａ　　　Ａ
ｓでなるため、チャンネル層２′ｘ　　　　　１−× の伝導帯の底とバリア層３′の伝導帯の底との間のエネ
ルギレベル差を、第２図に示すように、第５図で上述し
た従来の化合物半導体電界効果トランジスタの場合に比
し大きくすることができる。

このため、制御電圧が、第５図で上述した従来の化合物
半導体電界効果ｉ・ランジスタにおいて、チャンネル層
２′から、バリア層３′を通って、グーｌ一層６側に電
流を流すような値であっても、チャンネル層２′から、
バリア層３′を通って、ゲート層６側に電流を流さない
。このため、化合物半導体重ｙｌ！効果トランジスタの
ｇｍが低下するなどによって、高性能が得られなくなる
、というおそれが少なくなり、また、制御電圧のとり１
ｑる］直が大きく制限される、ということがない。

また、第１図に示す本発明による化合物半導体７ｚ界効
果トランジスタの場合、第５図で上述した従来の化合物
半導体電界効果ｊ−ランジスタの場合と同様に、バリア
層３′がＡｔ　　Ｇａ、−、Ａｓでなるのに対し、グー
］・層６がＧｅでなるとしても、チャンネル層２′の伝
導帯の底とバリア層３′の伝導帯の底との間のエネルギ
レベル差を、上述したように、第５図で上述した従来の
化合物半導体電界効果トランジスタの場合に比し大きく
することができるので、これに応じて、バリア層３′の
伝導帯の底のレベルを下げることができ、このため、第
２図に示すように、バリア層３′の伝導帯の底と、グー
］・居６の伝導帯の底との間のエネルギレベル差を、チ
ャンネル層２′の伝導帯の底とバリアだ１３′の伝導帯
の底との間のエネルギレベル差に比し小にすることがで
きる。このため、化合物半導体電界効果トランジスタと
しての機能をデプレッション型に１７ることができる。

もちろん、ゲート層６を、チャンネル層用化合物半導体
層２、バリア層用化合物半導体層３及びキャップ層用化
合物半導体層４とともに、エピタキシャル成長法を用い
て半絶縁性化合物半導体基板１上に形成することができ
る。

さらに、第１図に示す本発明による化合物半導体電界効
果トランジスタによれば、チャンネル層２′を形成して
いるチャンネル層用化合物半導体層２．が、半絶縁性化
合物半導体基板１上に、バリア層用化合物半導体層２１
を介して形成されているので、そのチャンネル層用化合
物半導体層２を、半絶縁性化合物半導体基板１上に直接
形成する場合に比し薄い厚さに、容易に形成することが
でき、こめため、チャンネル層用化合物半導体層２をミ
スフィツト転位のないものとして良好に形成することが
できる。

また、チャンネル層用化合物半導体Ｆ５１２を構成して
いる１ｎＧａＡｓのＸの値を、バＸ　　　１−Ｘ リア層２１側のＯの値からバリア層用化合物半導体層３
　！！ＩＩに到るに従い、連続的にまたは階段的に大と
することによって、チャンネル層用化合物半導体層２を
バッファ層用化合物半導体層２１及び半絶縁性化合物半
導体基板１と格子整合しているものとして形成すること
ができる。

実施例２ 次に、第３図を伴って本発明による化合物半導体電界効
果トランジスタの第２の実施例を述べよう。

第３図において、第１図との対応部分には同一符号を付
し詳細説明を省略する。

第３図に示す本発明による化合物半導体電界効果トラン
ジスタは、第１図で上述した本発明による化合物半導体
電界効果１−ランジスタの構成において、積層体５内に
、その上方から、ドレイン領域９に対応している、それ
と同様のドレイン領域９′が、ソース領域８及びドレイ
ン領域９′間に、チャンネル層２′、バリア層３′及び
キトツブ層４′にそれぞれ対応している他のチャンネル
層２″、バリア層３″及びキャップ層４″を形成するよ
うに、バッファ層用化合物半導体層２１に達する深さに
、形成され、また、ソース領域９″上に、ドレイン電極
１１に対応している、トレイン電極１１′が連結され、
また、積層体５上に、ソース領域８及びドレイン領域９
′との間において、ゲート電極７に対応している、それ
と同様のグー１〜″７ｆｉ極７　’が連結されているこ
とを除いて、第１図で上述した本発明による化合物半導
体電界効果トランジスタと同様の構成を有する。

以上が、本発明による化合物半導体電界効果トランジス
タの第２の実施例の構成である。

このような構成を右する本発明による化合物半導体電界
効果ｌ・ランジスタによれば、それが、上述した事項を
除いて、第１図で上述した本発明による化合物半導体電
界効果１〜ランジスタと同様の構成を有するので、半絶
縁性化合物半導体基板１、バッファ層用化合物半導体層
２１、ソース領域８及びドレイン領域９、ソース電極１
０及びドレイン電極１１、チャンネル層２′、バリア層
３′、キャップ層４′、ゲート層６及びゲート電極７に
よって、第１図の場合と同様に、デプレッション型化合
物半導体電界効果トランジスタとしての機能を１１する
ことができる。

また、ゲート電極７′が、ゲート層６及びゲート電極７
からなる積層体に対応しているので、詳細説明は省略す
るが、半絶縁性化合物半導体基板１、バリア層用化合物
半導体層２１、ソース領域８及びドレイン領域９′、ソ
ース電極１０及びドレイン電極１１′、チャンネルＦＪ
７Ｊ２″、バリア層３″、キャップ層４″及びゲート電
極７′によって、化合物半導体電界効果トランジスタと
してのは能を（ｑることができる。しかしながら、この
場合、第３図に示すように、ゲート電極７′の伝導帯の
底とバリア層３″の伝導帯の底との間のエネルギレベル
差を、チャンネル層２″の伝導帯の底とバリア層３″の
伝導帯の底との間のエネルギレベル差に比し大とするこ
とができるので、化合物半導体電界効果トランジスタと
しての機能をエンハンスメント型に得ることができる。

従って、エンハンスメント型化合物半導体電界効果トラ
ンジスタを入力用とし、また、デプレッション型化合物
半導体電界効果トランジスタを負荷として用いたインバ
ータ回路を構成することができる。

なＪ３、上述においては、本発明の２つの実施例を示し
たに留まり、第１図及び第３図で上述した構成にＪ３い
て、そのキャップ層を形成しているキャップ層用化合物
半導体居４を省略したＪ？４成とすることもできる。

また、半絶縁性化合物半導体基板１をＩｎＰでなるもの
とし、これに応じて、バラフッ履用化合物半導体層２１
を省略するが、チャンネル層用化合物半導体層２を厚い
厚さに形成するか、バッファ届用化合物半導体廠２１を
半絶縁性化合物半導体基板１と格子整合するＩｎＡＩＡ
Ｓ系半導体でなるものとすることもできる。なお、この
場合、チャンネル層用化合物半導体層２を、半絶縁性化
合物半導体基板１と格子整合するものとすることができ
、また、このため、チャンネル層用化合物半導体層２を
（１４成している１ｎＱａ　　　ＡｓのＸの値を、バッ
フ？履用化合Ｘ　　　１−ｘ 物半導体層２１側のＯの値からキセツブ層用化合物半尋
体層３側に到るに従って大にする必要は必ずしもない。

ただし、この場合、バリア居用化合物半導体層３を、ミ
スフィツト転位が生じないのに十分な、１００人という
ような十分薄い厚さに形成するのを可とする。また、バ
ッフ？層用化合物半導体届２１が、チャンネル層用化合
物半導体層２に比し高い抵抗を右するので、漏れ電流が
少ない。

さらに、第３図の場合、ゲート電極７′がタングステン
シリサイドでなるものとして述べたが、ゲート電極７′
を、タングステンシリサイド以外の他の金属で形成する
こともでき、また、ｎ型不純物を高濃度にドープしてい
るＩｎ２Ｇａ　１．．７Ａ　Ｓでなるものとして形成す
ることもできる。なお、この場合、２の値を、チャンネ
ル層用化合物半導体層２をｈＹｉ成しているＩｎｘＧａ
　１−ｘ　Ａ　ＳのＸの値よりも大にしておくことによ
って、ゲート電（ｉ７′を含んでｔＭ成されている化合
物半導体電界効果！・ランジスタを確実にエンハンスメ
ント、型には能さけることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による化合物半導体電界効果ｌ・ラン
ジスタの第１の実施例を示す路線的断面図である。 第２図Ａ及びＢは、そのｄ２明に供する、制御電圧を、
それぞれ負荷に電流を流す値にしたとぎ及び負荷に電流
を流さない値にしたときのエネルギバンド図である。 第３図は、本発明による化合物半導体電界効果トランジ
スタの第２の実施例を示す路線的断面図である。 第４図Ａ及びＢは、その説明に供する、制御電圧を、そ
れぞれ負荷に電流を流さない値にしたとぎ及び負荷に電
流を流す値にしたときのエネルギバンド図である。 第５図は、従来の化合物半導体電界効果トランジスタを
示ず路線的断面図である。 １・・・・・・・・・半絶縁性化合物半導体基板２・・
・・・・・・・チャンネル層用化合物半導体、に］２　
Ｈ，２ＪＴ ・・・・・・・・・チャンネル層 ３・・・・・・・・・バリア層用化合物半導体層３　ｒ
　、３　ｒｔ ・・・・・・・・・バリア店 ４・・・・・・・・・キャップ層用化合物半導体層４′
、４″ ・・・・・・・・・キャップ層 ５・・・・・・・・・積層体 ６・・・・・・・・・ゲートｍ用化合物半導体層７．７
′ ・・・・・・・・・ゲート電極 ８・・・・・・・・・ソース領域 ９．９′ ・・・・・・・・・ドレイン領域 １０．１１．１１′ ２１・・・・・・・・・バッファ履用化合物半心体層出
願人　　日本電信電話株式会社 代理人　　弁理士　１）中　正　治・■゛“。 鍔ＩＮ 、７ 第２図 第８図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半絶縁性化合物半導体基板上に、アンドープのチャンネ
   ル層用化合物半導体層と、アンドープのバリア層用化合
   物半導体層とがそれらの順に積層されている積層体が形
   成され、 上記積層体上に、所要の導電型を与える不純物をドープ
   しているゲート層用半導体層が、ゲート層として局部的
   に形成され、上記ゲート層上に、ゲート電極が付され、 上記積層体内に、その上方から、上記ゲート層を挟んだ
   両位置において、上記ゲート層と同じ導電型を与える不
   純物をドープしている第１及び第２の半導体領域が、上
   記チャンネル層用化合物半導体層及び上記バリア層用化
   合物半導体層の上記第１及び第２の半導体領域間の領域
   をそれぞれチャンネル層及びバッファ層として形成する
   ように、上記チャンネル層用化合物半導体層に達する深
   さに、それぞれソース領域及びドレイン領域として形成
   され、 上記ソース領域及びドレイン領域に、それぞれソース電
   極及びドレイン電極が連結されている化合物半導体電界
   効果トランジスタにおいて、上記チャンネル層を形成し
   ている上記チャンネル層用化合物半導体層が、Ｉｎ＿ｘ
   Ｇａ＿１＿−＿ｘＡｓ（０＜ｘ≦１）でなり、 上記バリア層を形成している上記バリア層用化合物半導
   体層が、Ａｌ＿ｙＧａ＿１＿−＿ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）
   でなることを特徴とする化合物半導体電界効果トランジ
   スタ。