JP3447438B2 - 電界効果トランジスタ - Google Patents

電界効果トランジスタ

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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/76Unipolar devices, e.g. field effect transistors
    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/778Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface
    • H01L29/7782Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET
    • H01L29/7783Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET using III-V semiconductor material
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、ダブルヘテロ接
合構造を有する電界効果トランジスタに係り、特に相互
コンダクタンス特性の改良を図った電界効果トランジス
タに関する。
【0002】
【従来の技術】図1はダブルヘテロ接合構造を有する電
界効果トランジスタの模式断面図である。InGaAs
(インジウムガリウム砒素)からなり膜厚が100〜2
00オングストロームのチャネル層4の上下にAlGa
As(アルミガリウム砒素)からなるワイドバンドギャ
ップ層(電子供給層)5,3を形成したダブルヘテロ接
合構造の電界効果トランジスタFETは、特開平1−1
28473号公報,特開平1−143271号公報等で
知られている。
【0003】図4は従来の電界効果トランジスタのドレ
イン電圧−ドレイン電流特性をゲート電圧をパラメータ
にして示したグラフであり、複数の特性はゲート電圧を
一定値ずつ変化させた場合を示している。このように、
従来の電界効果トランジスタは相互コンダクタンスgm
が均一にならないという問題がある。
【0004】このため従来は、上側のワイドバンドギャ
ップ層(電子供給層)5のドーピング濃度を下側のワイ
ドバンドギャップ層(電子供給層)3よりも大きくした
り、上側のワイドバンドギャップ層(電子供給層)5の
バンドギャップを下側のワイドバンドギャップ層(電子
供給層)3よりも大きくしたりすることで、相互コンダ
クタンスgmの均一化を図っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】このように従来の電界
効果トランジスタでは、相互コンダクタンスgmが均一
になるよう各ワイドバンドギャップ層(電子供給層)
5,3のドーピング濃度,バンドギャップを個別に調整
していたが、相互コンダクタンスgmの均一化を図ると
相互コンダクタンスgmが小さくなってしまい、高gm
化とgmの均一化を両立することが困難であった。
【0006】この発明はこのような課題を解決するため
なされたもので、相互コンダクタンスが高く、かつ、広
いゲート電圧範囲で均一な相互コンダクタンスを得るこ
とのできる電界効果トランジスタを提供することを目的
とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
請求項1に係るダブルヘテロ型電界効果トランジスタ
は、InGaAsをチャネル層として、このチャネル層
の上下にヘテロ接合層を形成したダブルヘテロ型電界効
果トランジスタにおいて、チャネル層の上下のヘテロ接
合の界面から略同一の距離にプレーナドーピングを施
し、チャネル層の厚さを50〜100オングストローム
とし、ヘテロ接合を InGaAsとAl Ga 1−X
sとの接合としたことを特徴とする。
【0008】 請求項に係るダブルヘテロ型電界効果ト
ランジスタは、InGaAsをチャネル層として、この
チャネル層の上下にヘテロ接合層を形成したダブルヘテ
ロ型電界効果トランジスタにおいて、チャネル層の上下
のヘテロ接合の界面にプレーナドーピングを施し、チャ
ネル層の厚さを50〜100オングストロームとし、ヘ
テロ接合をInGaAsとAlGa1−XAsとの接
合としたことを特徴とする。
【0009】 チャネル層の厚さを単一2次元電子ガス層
の厚さと同等の厚さ(50〜100オングストローム以
下)に設定することによって、上下の2次元電子ガス層
を事実上単一の2次元電子ガス層とみなすことができ
る。よって、チャネル層とヘテロ接合を構成する上下の
ワイドバンドギャップ層の組成や不純物濃度を調整しな
くても、高くかつ均一な相互コンダクタンスを広いゲー
ト電圧範囲で維持できる電界効果トランジスタを得るこ
とができる。
【0010】 また、InGaAsチャネル層を例えば5
0〜100オングストローム程度の極めて薄い層とする
とともに、このInGaAsチャネル層に対して上下に
対称なプレーナドーピング構造を形成することによっ
て、高い相互コンダクタンスを得るとともに、ゲート電
圧に対してより均一なインダクタンス特性を有する電界
効果トランジスタを得ることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下この発明の実施例を添付図面
に基づいて説明する。図1はこの発明に係る電界効果ト
ランジスタの模式断面図である。電界効果トランジスタ
FETは、半絶縁性GaAs基板1の上に超格子バッフ
ァ層2を形成し、その上に層3,4,5からなるダブル
ヘテロ構造を形成し、その上にN+コンタクト層6を形
成した後、ソース電極7,ドレイン電極8,ゲート電極
9を形成してなる。
【0012】 半絶縁性GaAs基板1上に不必要なキャ
リアのリークを防止するために超格子構造を有するバッ
ファ層2を形成する。この超格子バッファ層2上に適当
な厚みを有するAl Ga1−X As(0.2<X<
0.3)のワイドバンドギャップ層3を形成する。この
ワイドバンドギャップ層3の内部には、InGaAsチ
ャネル層4との接合界面から所定の厚みを有するスペー
サ層3aをはさみ、ヘテロ界面から所定の位置だけ離間
させてシリコンによるプレーナドーピングを行なう。ス
ペーサ層3aは、Al Ga1−X As(0.2<X
<0.3)からなる。
【0013】 スペーサ層3a上には、電界効果トランジ
スタのチャネルとなるチャネル4を形成する。このチャ
ネル層4はInGaAsでその膜厚は50〜150オン
グストローム近傍の値としている。この膜厚は、ダブル
ヘテロ構造によって形成されるInGaAsチャネル層
4内の2つの2次元電子ガスによるチャネルが、お互い
に分断されることなく単一のチャネルとして形成される
程度の膜厚であり、ゲート電極に電圧を与えない定常状
態においてにみならず電圧を印加した状態においても実
質的に単一のチャネルが形成される厚みとなる。
【0014】 チャネル層4とヘテロ接合を構成し、チャ
ネル上部に形成されるワイドバンドギャップ層5はAl
Ga1−X As(0.2<X<0.3)で形成さ
れ、膜厚は約250〜350オングストロームとし、ゲ
ート電極からの空乏層がチャネルに影響を与える程度の
膜厚とする。このワイドバンドギャップ層5の内部にお
いては、チャネル層4とのヘテロ接合界面からスペーサ
層5a(40オングストローム以下の厚み)をはさみ、
所定の距離だけ離間させた位置に公知のシリコンによる
プレーナドーピングを1〜10×1012/cm
不純物濃度で行なう。このようなダブルヘテロ構造にお
ける本願の発明では、このスペーサ層5aの厚みを、ス
ペーサ層3aの厚みとほぼ同一とし、ワイドバンドギャ
ップ層3内のプレーナドーピングの不純物濃度はワイド
バンドギャップ層3内のプレーナドーピングの不純物濃
度とほぼ同一にする。さらに、各ワイドバンドギャップ
層3,5を形成するAl Ga1−X Asの組成比を
同一にする。なお、各スペーサ層3a,5aを形成せず
に、ヘテロ界面においてプレーナドーピングしてもよ
い。
【0015】 このようにチャネル層4を中心として上下
対称の構造と、InGaAsチャネル層4の膜厚を適度
な厚みとすることにより、ゲート電圧を変化させた場合
の相互コンダクタンスgmの変化率が均一化されたダブ
ルヘテロ構造を有する電界効果トランジスタを得ること
ができる。また、Al Ga1−X Asワイドバンド
ギャップ層5の上部には、ソース電極7とドレイン電極
8を形成する位置に、オーミックコンタクトを容易にす
るためのN+コンタクト層6を形成し、このN+コンタ
クト層6上にソース電極7とドレイン電極8を形成す
る。ゲート電極9の下端部とN+コンタクト層6との間
隙は極めて狭く(例えば0.1ミクロンメートル以下)
形成するのが望ましい。
【0016】 図2はこの発明に係る電界効果トランジス
タのドレイン電圧−ドレイン電流特性を示すグラフであ
る。パラメータはゲート電圧であり、ゲート電圧を一定
値ずつ変化させた場合のドレイン電流の変化率は均一化
されており、相互コンダクタンスgmの均一化が図られ
ていることがわかる。
【0017】 図3は相互コンダクタンス−ゲート電圧特
性を示すグラフであり、縦軸は単位ゲート幅当りの相互
コンダクタンスgmを、横軸はゲート電圧である。実線
で示す特性Aがこの発明に係る電界効果トランジスタ、
点線で示す特性Bが従来の電界効果トランジスタの特
性、一点鎖線で示す特性Cが上側のワイドギャップ層
(電子供給層)5のドーピング濃度ならびにバンドギャ
ップを下側のワイドギャップ層(電子供給層)3のそれ
よりも大きくした従来の改良型電界効果トランジスタの
特性である。この発明に係る電界効果トランジスタの相
互コンダクタンスgmが大きいことがわかる。
【0018】
【発明の効果】以上説明したようにこの発明に係る電界
効果トランジスタは、InGaAsチャネル層の厚さを
2次元電子ガス層の厚さと同等の厚さ(50〜150オ
ングストローム)に設定することによって、上下2種類
にヘテロ接合により形成される上下の2つの2次元電子
ガスは上下同一のキャリア密度となるとともに、互いに
近傍に形成されて下層の2次元電子ガスも上層と同じ電
子密度となり、上下の2次元電子ガス層を実質上単一の
2次元電子ガス層とみなすことができる。このようにチ
ャネル層を中心として上下のワイドバンドギャップ層の
組成とこれらの層の不純物濃度を対称とすることによっ
て、均一な相互コンダクタンスを広いゲート電圧範囲で
維持できる。
【0019】 さらに、チャネル層とヘテロ接合を構成す
る上下のワイドバンドギャップ層の不純物濃度を同一と
し、かつ、上下のワイドバンドギャップ層を同一の組成
とすることは、製造プロセスでの条件管理が容易とな
り、結果として半導体装置の歩留りが向上するととも
に、特性のばらつきを抑えることができる。
【0020】 また、InGaAsチャネル層を例えば5
0〜150オングストローム程度の極めて薄い層にする
とともに、このInGaAsチャネル層に対して上下に
対称なプレーナドーピング構造を形成することによっ
て、単一の高いキャリア濃度のチャネルを有して高い相
互コンダクタンスを得るとともに、ゲート電圧に対して
より均一なインダクタンス特性を有する電界効果トラン
ジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る電界効果トランジスタの模式断
面図
【図2】この発明に係る電界効果トランジスタのドレイ
ン電圧−ドレイン電流特性を示すグラフ
【図3】相互コンダクタンス−ゲート電圧特性を示すグ
ラフ
【図4】従来の電界効果トランジスタのドレイン電圧−
ドレイン電流特性を示すグラフ
【符号の説明】
1 GaAs基板 3,5 AlGaAsワイドバンドギャップ層 3a,5a スペーサ層 4 InGaAsチャネル層 7 ソース電極 8 ドレイン電極 9 ゲート電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−128473(JP,A) 特開 平5−166846(JP,A) 特開 平5−74815(JP,A) 特開 平7−335867(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/338 H01L 29/778 H01L 29/812

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 InGaAsをチャネル層として、この
    チャネル層の上下にヘテロ接合層を形成したダブルヘテ
    ロ型の電界効果トランジスタにおいて、 チャネル層の上下のヘテロ接合の界面から略同一の距離
    にプレーナドーピングを施し、 前記チャネル層の厚さを50〜100オングストローム
    とし、前記ヘテロ接合をInGaAsとAl Ga
    1−X Asとの接合とした ことを特徴とする電界効果ト
    ランジスタ。
  2. 【請求項2】 InGaAsをチャネル層として、この
    チャネル層の上下にヘテロ接合層を形成したダブルヘテ
    ロ型の電界効果トランジスタにおいて、 チャネル層の上下のヘテロ接合の界面にプレーナドーピ
    ングを施し、 前記チャネル層の厚さを50〜100オングストローム
    とし、前記ヘテロ接合をInGaAsとAl Ga
    1−X Asとの接合としたことを特徴とする電界効果ト
    ランジスタ。
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