JPS63142682A - 電界効果半導体装置 - 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】 〔概要〕 本発明は、電界効果半導体装置に於いて、ＧａＡｓＮと
ＡらＧ　ａ　＋−ｘ　Ａ　ｓ層とに依るヘテロ界面近傍
のＡらＧ　ａ　Ｉ−Ｘ　Ａ　ｓ層側に二次元電子ガスの
供給源となるシリコン・プレーナ・ドーピング層を形成
し、また、表面側に闇値電圧制御をする為の低ＡＩｌ含
有率且つ低不純物濃度のｎ型／ｌアＧａ、−ｙＡｓ層を
形成することに依り、闇値電圧が雰囲気温度の如何でシ
フトしたり、或いは、光応答性を持つなどの欠点がない
ようにしたものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、電子親和力の差に起因して生成される二次元
電子ガス層をチャネルとして利用する電界効果半導体装
置の改良に関する。

〔従来の技術〕

前記のような電界効果半導体装置として高電子移動度ト
ランジスタ（ｈｉｇｈ　　ｅｌｅｃｔｒ。

ｎ　　ｍｏｂｉｌｉｔｙ　　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：Ｈ
ＥＭＴ）が知られている。

その基本的構造は、電子親和力が大きい、例えばノン・
ドープＧａＡｓ能動層上に、それより電子親和力が小さ
い、例えばｎ型ＡｌＧａＡｓ電子供給層を形成し、その
ヘテロ界面近傍に於ける能動層側に生成される二次元電
子ガス層をチャネルとして電子を高速走行させるもので
ある。

（発明が解決しようとする問題点〕 ところで、ＨＥＭＴを普遍化するには未だ解決すべき問
題が存在する。

例えば、低温と室温とでは闇値電圧が大きくシフトする
為、室温で動作するように設計した集積回路は低温で動
作しない場合がある。通常、ＨＥＭＴは液体窒素温度で
ある７７（Ｋ）のような低温の雰囲気で特に高性能を発
揮することができるので、低温で動作する高性能のＨＥ
ＭＴ集積回路を開発することが急務である。

通常、低温用ＨＥＭＴ集積回路を開発する際、室温で動
作させて特性評価を行っている。従って低温と室温とで
特性の相違が小さいＨＥＭＴが必要になる。

また、ＨＥＭＴは低温動作時に光が入射すると特性が大
きく変動し、電源を切らないと復帰しない光応答性を示
すことが知られている。

本発明は、液体窒素温度のような低温で動作させるのに
好適な前記種類の電界効果半導体装置を提供しようとす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

前記したＨＥＭＴＯ問題は、全て、電子供給層であるＡ
ｊ！ｘ　Ｇａｐ−ｙＡｓ　　（ｘ＞ｏ、２）にドープし
たシリコン・ドナーが生成する準位、即ち、ＤＸセンタ
に起因していることが明らかにされている。

従って、この問題に対処するには、電界効果半導体装置
の構造を改善し、ＤＸセンタの影響を受けないか、或い
は、軽減できるようなものにする必要がある。

そこで、本発明に依る電界効果半導体装置に於いては、 半絶縁性ＧａＡｓ基板（例えば半絶縁性ＧａＡｓ基板１
）の上に ノン・ドープＧａＡｓ能動層（例えばノン・ドープＧａ
Ａｓ能動層２）と ノン・ドープＡ　ｌ　ｚ　Ｇ　ａ　Ｉ−ｘ　Ａ　Ｓスペ
ーサ層（例えばノン・ドープＡ　Ｉ　Ｘ　Ｇ　ａ　Ｉ−
Ｘ　Ａ　Ｓスペーサ層３）と シリコン・ブレーナ・ドーピング層（例えばシリコン・
プレーナ・ドーピング層４）と ノン・ドープＡ　Ｉ！ｚ　Ｇ　ａ　ｌ−Ｘ　Ａ　Ｓ分離
層（例えばノン・ドープＡ　Ｉ　ＸＧ　ａ　ｌ−Ｘ　Ａ
　”分離層５）とｎ型Ａｌ、Ｇａｐ−ｙ　Ａｓ閾値電圧
制御層（例えばｎ型Ａｌ、Ｑａ、−ｙＡｓ閾値電圧制御
層６）とが順に形成された構成になっている。

〔作用〕

前記のような手段を採ることに依り、本発明の電界効果
半導体装置では、二次元電子ガス層の電子供給源となる
シリコン・ドナーの殆どが常にイオン化されていて、ま
た、闇値電圧制御層に於けるＡＡ含有率及び不純物濃度
は最もＤＸセンタが少なくなるように選択されているの
で、動作雰囲気温度の如何に依って闇値電圧がシフトす
る欠点や光応答性があるなどの欠点は殆ど無視できる程
度に改善された。

〔実施例〕

第１図は本発明一実施例の半導体層構成を解説する為の
要部説明図を表し、横方向に半導体装置の厚さ方向の距
離を、また、縦方向にＡ７！Ａｓのモル比をそれぞれ採
っである。

図に於いて、 １は半絶縁性ＧａＡｓ基板、 ２は高純度ＧａＡｓ能動層、 ３はｉ型Ａ　ｊ！　ＸＧ　ａ　、−ＸＡ　Ｓスペーサ層
、４はシリコン・プレーナ・ドーピング層、５はｉ型Ａ
βＸＧａ１−ＸＡｓ分離層、６はｎ型Ａｌ、Ｇａ、−ｙ
Ａｓ閾値電圧制御層、７はｎ型ＧａＡＳ電極コンタクト
層 をそれぞれ示している。

前記各半導体層の主要データを例示すると次の通りであ
る。

（１）　　能動層２について 厚さ：約１〔μｍ〕程度 （２）スペーサＮ３について Ｘ値：約０．３〜０．２程度 厚さ：約３０〔人〕程度 （３）　　シリコン・ブレーナ・ドーピング層４につい
て ドーピングｆＪ：　ｌ　Ｘ　１０１２〜３　Ｘ　１０Ｉ
２（ｃｍ−”）（４）分離層５について ｙ値：約０．３〜０．２程度 厚さ：約３０〜２００〔人〕程度 （５）闇値電圧制御層６ ｙ値：約０．２〜０．１５程度 不純物：シリコン 不純物濃度ｌＸ１０１７〜ｌ　Ｘ　Ｉ　Ｑ”　　（ａｍ
−”）厚さ：約１００〜５００　〔人〕程度 （６）電極コンタクト層７について 不純物：シリコン 不純物濃度：　１〜２　Ｘ　１０１８　（ｅｒａ−’）
厚さ：約２００〜５００〔人〕程度 尚、電極コンタクト層７はソース電極形成領域及びドレ
イン電極形成領域のみに存在し、ゲート電極形成領域に
於いては除去される。

斯かる諸手導体層は分子線エピタキシャル成長（ｍｏｌ
ｅｃｕｌａｒ　　ｂｅａｍ　　ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ
）法を適用して容易に形成することができ、このうち特
徴的であるのは、シリコン・プレーナ・ドーピング層４
の形成であり、これは、厚さが約３０〔人〕程度のＡ　
ｌｚ　Ｇ　ａ　＋−ｘ　Ａ　Ｓからなるスペーサ層３を
成長させてからＡ２とＧａの分子ビームを遮断しｙＡｓ
分子ビーム照射の下で、Ｓｔの分子ビームのみを照射す
ることで達成され、そして、シリコン・プレーナ・ドー
ピング層４の成長が終了した後、Ｓｉの分子ビームを遮
断し、ＡＩ及びＧａの分子ビーム照射を再開し、ｉ型Ａ
ｌＸＧａ、−ｙＡｓからなる分離層５を厚さ約３０〜２
００〔人〕程度の範囲で選択して成長させれば良い。

このようにして形成されたシリコン・プレーナ・ドーピ
ング層４は電子親和力が大きいノン・ドープＧａＡｓ能
動層２に電子を供給して二次元電子ガス層を生成させる
役割を果すものであり、そのシリコン・ドナーはへテロ
界面のご（近傍に在る為、エネルギ・バンドに於けるフ
ェルミ・レベルがドナー・レベルより下にあるので、そ
の殆どが常にイオン化した状態にある。

第２図は第１図に見られる諸手導体層にバイアス電圧が
印加された場合に於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラ
ムを表し、第１図に於いて用いた記号と同記号は同部分
を示すか或いは同じ意味を持つものとする。

図に於いて、ＥＦはフェルミ・レベル、２ＤＥＧは二次
元電子ガス層、＋はイオン化したＳｉドナー、○は中性
のＳｉドナー、斜線部分は例えばＡＩなどのゲート用金
属をそれぞれ示している。

図から明らかなように、プレーナ・ドープされたＳｉの
ドナー・レベルはフェルミ・レベルＥ。

より上になっている為、全てイオン化される。

このように、プレーナ・ドープしたシリコン・ドナーの
殆どがイオン化した状態にあると、光が照射されること
に依って新たにイオン化するものはないから、従来のも
のの欠点であった光応答性は解消される。

さて、前記説明したシリコン・プレーナ・ドーピング層
４についで特徴的であるのはｎ型Ａ１゜Ｇ　ａ　＋−ｙ
　Ａ　ｓからなる闇値電圧制御層６の存在である。

本発明に依る電界効果半導体装置では、この閾値電圧制
御層６の厚さ及び不純物濃度に依って闇値電圧Ｖいの制
御を行うのであるが、その場合、ｎ型Ａ　ｌ　ｙ　Ｇ　
ａ　Ｉ−ｙ　ＡＳに於けるｙ値とドナー濃度Ｎに依存し
てＤＸセンタが増減するので、その値を適切に選択して
ＤＸセンタを少なくすることが肝要である。

第３図はＡ　／Ｘ　Ｇ　ａ　Ｉ−Ｘ　Ａ　”中にシリコ
ン・ドナーをドーピングした場合に於けるＤＸセンタが
全ドナーに対して占める割合を測定した結果を表す線図
である。

図では、横軸には全ドナーの濃度、即ち、ＤＸセンタの
濃度Ｎ０８と浅いドナーの濃度ＮＤｓを、また、縦軸に
はＮｏｘ／　（Ｎｏｘ　＋　Ｎｎ５）をそれぞれ採って
あり、パラメータはｙ値になっている。尚、Ｎ　＝Ｎｏ
ｘ＋Ｎｏ５＝Ｎであることは勿論である。

図からすると、ドナー濃度Ｎが低くても、Ａｌの量が大
であるとＤＸセンタも多くなってしまうことが知得され
る。

このデータから、 ０．１５＜ｙ＜０．２ 及び ３　Ｘ　１０”　　（ｃｍ−’）　＜Ｎ＜　ｌ　ｘ　ｌ
　Ｑ１１３　　（（Ｂ−３３の範囲でｙ値及びドナー濃
度Ｎを選択するとＤＸセンタを低減できることが明らか
であり、前記の実施例もそのような範囲を選択している
。

〔発明の効果〕

本発明に依る電界効果半導体装置に於いては、ＧａＡｓ
層とＡ　Ｉ　ＸＧ　ａ　＋−１１Ａ　８層とに依るヘテ
ロ界面近傍のＡＩ！Ｘ　Ｇａｐ−ｘ　Ａｓ層側に二次元
電子ガスの供給源となるシリコン・プレーナ・ドーピン
グ層を形成し、また、表面側に闇値電圧制御をする為の
低Ａ１含有率且つ低不純物濃度のｎ型Ａ（ｌｙ　Ｇａｐ
−＋ｙ　Ａ３層を形成しである。

前記のような構成を採ることに依り、本発明の電界効果
半導体装置では、二次元電子ガス層の電子供給源となる
シリコン・ドナーの殆どが常にイオン化されていて、ま
た、闇値電圧制御層に於けるＡＩ！含有率及び不純物濃
度は最もＤＸセンタが少なくなるように選択されている
ので、動作雰囲気温度の如何に依って闇値電圧がシフト
する欠点や光応答性があるなどの欠点は殆ど無視できる
程度に改善された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明一実施例の半導体層構成を解説する為の
要部説明図、第２図は第１図に見られる諸手導体層にバ
イアス電圧が印加された場合に於けるエネルギ・バンド
・ダイヤグラム、第３図はＤＸセンタが全ドナーに対し
て占める割合を示す線図をそれぞれ表している。 図に於いて、 ｌは半絶縁性ＧａＡｓ基板、 ２は高純度ＧａＡｓ能動層、 ３はｉ型ＡＩＸＧａＩ−ＸＡＳスペーサ層、４はシリコ
ン・プレーナ・ドーピング層、５はｉ型Ａ　１ｘ　Ｇ　
ａ　Ｉ−Ｘ　Ａ　Ｓ分離層、６はｎ型Ａ　ｌｙ　Ｇ　ａ
　＋−ｙ　Ａ　Ｓ閾値電圧制御層、７はｎ型ＧａＡｓ電
極コンタクト層 をそれぞれ示している。 手続補正書 昭和６２年９月１ 特許庁長官　小　川　邦　夫　殿 （特許庁審査官　　　　　　　　　殿）１　事件の表示
　昭和６１年特許願第２８８７４３号２　発明の名称　
電界効果半導体装置 ３　補正をする者 事件との関係　特許出願人 住　所　　神奈川県用崎市中原区上小田中１０１５名称
（５２２）冨士通株式会 代表者　　山　本　卓 ４代理人 住　所　　東京都港区虎ノ門−丁目２０番７号有間ビル
２階 氏名（７２８３）弁理士　相谷昭 住所　同　上 氏　名　（７５８９）弁理士　　渡　邊　弘５　補正に
より増加する発明の数　なし６　補正の対象　明細書の
特許請求の範囲の欄７　補正の内容　別紙の通り 特許請求の範囲の記載を、 ８日　　　「半絶縁性ＧａＡｓ基板の上にノン・ドープ
ＧａＡｓ能動層と ノン・ドープＡ７！、Ｇａ＋−ｙＡｓスペーサ層とシリ
コン・プレーナ・ドーピング層と ノン・ドープＡｊ！ＸＧａ、−ＸＡｓ分離層と該＼　　
よ　もＡβの人　・が氏いｎ型ＡρアＧａ、−ｙＡｓ閾
値電圧制御層と 番地　　が順に形成されてなることを特徴とする電界効
果社　　　半導体装置。」、 眞　　　　と補正する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半絶縁性ＧａＡｓ基板の上にノン・ドープＧａＡｓ能動
   層とノン・ドープＡｌ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓスペー
   サ層とシリコン・プレーナ・ドーピング層と ノン・ドープＡｌ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓ分離層とｎ
   型Ａｌ＿ｙＧａ＿１＿−＿ｙＡｓ閾値電圧制御層とが順
   に形成されてなることを特徴とする電界効果半導体装置
   。