JPH05102190A - Compound-semiconductor heterojunction-gate field-effect transistor - Google Patents
Compound-semiconductor heterojunction-gate field-effect transistorInfo
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- JPH05102190A JPH05102190A JP25685091A JP25685091A JPH05102190A JP H05102190 A JPH05102190 A JP H05102190A JP 25685091 A JP25685091 A JP 25685091A JP 25685091 A JP25685091 A JP 25685091A JP H05102190 A JPH05102190 A JP H05102190A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、化合物半導体ヘテロ接
合ゲート電界効果トランジスタに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a compound semiconductor heterojunction gate field effect transistor.
【0002】[0002]
【従来の技術】GaAsなどの化合物半導体を用いた集
積回路の大部分は、プロセスが簡便なショットキ接合型
(MES)電界効果トランジスタ(FET)により構成
されている。MESFETをはじめとするFETの単位
チャネル幅あたりの相互コンダクタンスgmは、速度飽
和領域において次のように表せる。 gm=Vsεs/h Vs:飽和速度 εs:誘電率 h:空乏層幅 すなわち、gmを向上させて集積回路の更なる高性能化
を図るためには、ゲート電極直下の空乏層幅hをより小
さくすることが必要である。MESFETのようなドー
ピングチャネル層を有するFETの場合、チャネル層の
キャリア濃度を向上させることにより空乏層幅hを小さ
くすることが可能だが、同時にゲート接合におけるトン
ネル電流成分が増大し、ゲート耐圧が低下するという問
題を生じる。また、高濃度ドーピングした半導体層中で
は、イオン化不純物散乱などによりキャリアの走行速度
が小さくなってしまうという問題が生じる。前者の問題
点を解決するために金属ゲート電極とドーピングチャネ
ル層との間にi−A1GaAs層などの障壁層を挿入し
た構造が提案されている。この構造を有するFETをD
MTまたはDC−HIGFETなどと称する。この場
合、ゲート耐圧は高い値が得られる。一方、後者の問題
点に対しては、何ら解決となっていない。2. Description of the Related Art Most of integrated circuits using compound semiconductors such as GaAs are composed of Schottky junction (MES) field effect transistors (FETs) which are easy to process. Transconductance gm per unit channel width of FET including MESFET can be expressed as follows in the velocity saturation region. gm = V s ε s / h V s : saturation rate ε s : dielectric constant h: depletion layer width That is, in order to improve gm and further improve the performance of the integrated circuit, the depletion layer immediately below the gate electrode is used. It is necessary to make the width h smaller. In the case of an FET having a doped channel layer such as MESFET, it is possible to reduce the depletion layer width h by improving the carrier concentration of the channel layer, but at the same time, the tunnel current component at the gate junction increases and the gate breakdown voltage decreases. The problem of doing. Further, in the highly doped semiconductor layer, there is a problem that the traveling speed of carriers is reduced due to scattering of ionized impurities. In order to solve the former problem, a structure has been proposed in which a barrier layer such as an i-A1GaAs layer is inserted between the metal gate electrode and the doping channel layer. FET having this structure is
Referred to as MT or DC-HIGFET. In this case, a high gate breakdown voltage can be obtained. On the other hand, the latter problem is not solved at all.
【0003】これに対して、非ドーピングチャネル層を
用いたFETでは、イオン化不純物散乱を受けないため
高い移動度が期待できる。この例として、HEMTがあ
げられる。しかし、HEMTの場合、キャリア供給層の
不純物ドーピング量をある程度増加させると2次元電子
ガス層のシートキャリア濃度Nsが飽和してしまうとい
う欠点があり、必ずしも高い駆動性能は得られなかっ
た。この点では、ドーピングチャネル層を有するFET
の方が高いシートキャリア濃度を実現することができ、
有利であると考えられるが、前述のように移動度、ある
いはキャリアの走行速度の点で非ドーピングチャネル層
を用いた構造に及ばない。On the other hand, in the FET using the non-doped channel layer, high mobility can be expected because it does not undergo ionized impurity scattering. An example of this is HEMT. However, in the case of HEMT, there is a drawback that the sheet carrier concentration Ns of the two-dimensional electron gas layer is saturated when the impurity doping amount of the carrier supply layer is increased to some extent, and high driving performance cannot always be obtained. In this respect, an FET with a doped channel layer
Can achieve higher sheet carrier density,
Although it is considered to be advantageous, it is inferior to the structure using the undoped channel layer in terms of mobility or carrier traveling speed as described above.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来提
案されたFETはいずれも大きな問題点を有し、所望の
高性能を実現することができなかった。本発明は以上の
点に鑑みてなされたものであり、高いシートキャリア濃
度を有し、かつキャリアの走行速度が高いFETを提供
するものである。As described above, all of the FETs proposed hitherto have a serious problem and cannot achieve a desired high performance. The present invention has been made in view of the above points, and provides an FET having a high sheet carrier concentration and a high carrier traveling speed.
【0005】[0005]
【課題を解決するための手段】本発明の化合物半導体ヘ
テロ接合ゲートFETは、ドーピングされた第1の半導
体からなるチャネル層の少なくとも上層第1の半導体と
組成が異なる第2の半導体からなる障壁層を有し、かつ
チャネル層と少なくとも1つの障壁層との間にドーピン
グされていない第1の半導体からなる層を有することを
特徴とする。A compound semiconductor heterojunction gate FET according to the present invention is a barrier layer composed of at least an upper layer of a channel layer composed of a doped first semiconductor and a second semiconductor having a composition different from that of the first semiconductor. And a layer of undoped first semiconductor between the channel layer and the at least one barrier layer.
【0006】[0006]
【作用】本発明の化合物半導体ヘテロ接合ゲートFET
は、n−GaAsなどからなるチャネル層より表面側に
チャネル層と異なる組成の半導体、たとえばA10.3 G
a0.7 Asからなる障壁層を有することにより、高濃度
にドーピングされたチャネル層を有するにもかかわら
ず、高いゲート順方向・逆方向耐圧を示す。また、高濃
度チャネル層は、チャネル層と同じ組成からなるドーピ
ングされていない二つの半導体層、またはチャネル層と
同じ組成からなるドーピングされていない半導体層とチ
ャネル層と異なる組成の半導体からなる障壁層で挟まれ
た構造となっている。高濃度チャネル層厚が小さい場
合、チャネルを中心としてV型のポテンシャルが生じ、
サブバンドが形成される。すなわち、たとえばn型チャ
ネル層の場合、電子の取り得るエネルギーは離散的とな
っている、小さい電界がかかった状態では、電子は基底
状態に多くとどまり、イオン化不純物などによる散乱を
受けて走行するため、電子速度はさほど大きくならな
い。しかし、高電界になると、電子はより高次のサブバ
ンドに遷移するか、あるいはV型ポテンシャルを飛び出
して両側の半導体層に遷移する。いずれにしても、チャ
ネル層に隣接したドーピングされていない半導体層にお
ける電子の存在確率が大きくなるため、このドーピング
されていない半導体層を有しない場合に比べて高い電子
速度が得られる。このような効果は、V型ポテンシャル
の幅が狭く急峻な場合、すなわちチャネル層が薄く、か
つ高電子濃度の場合に顕著になる。チャネル層の厚さは
10nm以下、電子濃度は4×1018cm-3以上であるこ
とが望ましいが、たとえば厚さ20nm以下、電子濃度
3×1018cm-3以上であっても効果が得られる。FET
のゲート長を短縮する場合、ゲート電極界面に対してよ
り近い領域で電子が走行する方がいわゆる短チャネル効
果を抑止することができる。したがって、チャネル層と
同じ組成からなるドーピングされていない半導体層は、
チャネル層に対してゲート電極界面に近い側に挿入され
ることがより望ましい。また、たとえばドーピングされ
たGaAsなどの半導体からなるチャネル層の上および
下にチャネル層と組成が異なるA10.3 Ga0.7 Asな
どの半導体からなる障壁層を有する構造の場合、高電界
においては電子V型ポテンシャルを飛び出して両側の障
壁層中を走行してしまい、A10.3 Ga0.7 Asなどに
おける電子の移動度が小さいことに起因する電子速度の
低下を生じる。チャネル層と障壁層との間にチャネルと
同じ組成のドーピングされていない半導体層を挿入する
ことにより、この問題は回避される。この場合もチャネ
ル層と同じ組成からなるドーピングされていない半導体
層は、前述の理由によりゲート電極に近い側に挿入する
ことがより望ましいが、ゲート電極に遠い側に挿入して
も良い効果が得られる。Operation: Compound semiconductor heterojunction gate FET of the present invention
Is a semiconductor having a composition different from that of the channel layer, such as A1 0.3 G, on the surface side of the channel layer made of n-GaAs.
By having a barrier layer made of a 0.7 As, a high gate forward / reverse breakdown voltage is exhibited despite having a heavily doped channel layer. In addition, the high-concentration channel layer is composed of two undoped semiconductor layers having the same composition as the channel layer, or a barrier layer made of an undoped semiconductor layer having the same composition as the channel layer and a semiconductor having a different composition from the channel layer. It is sandwiched between. When the high-concentration channel layer thickness is small, a V-type potential is generated centering on the channel,
Subbands are formed. That is, for example, in the case of an n-type channel layer, the energy that electrons can take is discrete. In the state where a small electric field is applied, many electrons remain in the ground state and travel due to scattering by ionized impurities and the like. , The electron velocity does not increase so much. However, when a high electric field is applied, the electrons transit to a higher-order subband or jump out of the V-type potential and transit to the semiconductor layers on both sides. In any case, since the probability of existence of electrons in the undoped semiconductor layer adjacent to the channel layer is high, a higher electron velocity can be obtained as compared with the case where the undoped semiconductor layer is not provided. Such an effect becomes remarkable when the width of the V-type potential is narrow and steep, that is, when the channel layer is thin and the electron concentration is high. It is desirable that the thickness of the channel layer is 10 nm or less and the electron concentration is 4 × 10 18 cm −3 or more, but even if the thickness is 20 nm or less and the electron concentration is 3 × 10 18 cm −3 or more, the effect is obtained. Be done. FET
When the gate length is shortened, electrons traveling in a region closer to the interface of the gate electrode can suppress the so-called short channel effect. Therefore, an undoped semiconductor layer of the same composition as the channel layer
It is more desirable to insert the channel layer on the side closer to the interface with the gate electrode. Also, for example, in the case of a structure having a barrier layer made of a semiconductor such as A1 0.3 Ga 0.7 As having a different composition from the channel layer above and below a channel layer made of a doped semiconductor such as GaAs, an electron V type It runs out of the potential and travels in the barrier layers on both sides, and the electron velocity decreases due to the low electron mobility in A1 0.3 Ga 0.7 As or the like. By inserting an undoped semiconductor layer of the same composition as the channel between the channel layer and the barrier layer, this problem is avoided. Also in this case, the undoped semiconductor layer having the same composition as the channel layer is more preferably inserted on the side closer to the gate electrode for the above-mentioned reason, but may be inserted on the side far from the gate electrode. Be done.
【0007】[0007]
【実施例】本発明の一実施例の化合物半導体ヘテロ接合
ゲートFETを図1を用いて説明する。EXAMPLE A compound semiconductor heterojunction gate FET according to an example of the present invention will be described with reference to FIG.
【0008】半絶縁性GaAs基板1上に厚さ約500
nmの非ドープのi−GaAs層2、厚さ50nmのi
−A10.3 Ga0.7 As障壁層3、厚さ10nmのi−A thickness of about 500 is formed on the semi-insulating GaAs substrate 1.
nm undoped i-GaAs layer 2, i 50 nm thick
-A1 0.3 Ga 0.7 As barrier layer 3, 10 nm thick i-
【0009】GaAsスペーサ層4、厚さ10nm、電
子濃度4×1018cm-3のn−GaAsチャネル層5、厚
さ10nmのi−GaAsスペーサ層6、厚さ30nm
のi−A10.3 Ga0.7 As障壁層7、厚さ5nmのi
−GaAs表面層8が順次エピタキシャル成長により形
成してある。9はWNxゲート電極である。10、11
はSi+ のイオン注入および熱処理により形成したソー
ス・ドレイン領域であり、12、13はAuGe合金か
らなるソース・ドレイン電極である。GaAs spacer layer 4, thickness 10 nm, n-GaAs channel layer 5 having an electron concentration of 4 × 10 18 cm -3 , i-GaAs spacer layer 6 having a thickness 10 nm, thickness 30 nm
I-A1 0.3 Ga 0.7 As barrier layer 7 having a thickness of 5 nm
The -GaAs surface layer 8 is sequentially formed by epitaxial growth. Reference numeral 9 is a WNx gate electrode. 10, 11
Is Si + Are source / drain regions formed by ion implantation and heat treatment, and 12 and 13 are source / drain electrodes made of AuGe alloy.
【0010】本実施例のFETでは、薄くかつ高電子濃
度のn−GaAsチャネル層5をi−GaAs層4、6
で挟んだ構造を有するたの、幅が狭く急峻なV型ポテン
シャルをなす。このため、電界強度が高くなると、i−
GaAs層4、6中を走行する電子の数が増し、高い電
子速度が得られる。なお、高濃度のn−GaAs層5を
有するためシート電子濃度も高い。ゲート長0.3μと
した場合、gmmax は〜700mS/mmと高い値を示
した。In the FET of this embodiment, the thin n-GaAs channel layer 5 having a high electron concentration is used as the i-GaAs layers 4 and 6.
Since it has a structure sandwiched between, it forms a narrow and steep V-shaped potential. Therefore, when the electric field strength increases, i-
The number of electrons traveling in the GaAs layers 4 and 6 increases, and a high electron velocity is obtained. Incidentally, since the n-GaAs layer 5 having a high concentration is included, the sheet electron concentration is also high. When the gate length was 0.3 μm, gm max showed a high value of ˜700 mS / mm.
【0011】本発明の実施例は上記に限られない。たと
えば障壁層はiまたはp−A1x Ga1-x As層(0.
2≦X≦0.4)にして良い。また、チャネル層および
スペーサ層の材料をたとえばInx Ga1-x As層に変
えても良く、その場合、障壁層としてiまたはp−In
x A11-x As層またはA1x Ga1-x As層を用いる
ことができる。基板あるいは他の半導体層については、
これらに対応した材料を選べば良い。また、スペーサ層
はチャネル層の上方または下方のどちらか一方のみにし
ても所望の効果が得られる。ゲート電極材料はWNxに
限られず、Ti、W、TiW、WxSiY 、A1など、
化合物半導体に対してショットキ接合をなすものであれ
ば良い。同様にソース・ドレイン電極の材料もAuGe
合金に限らず、ソース・ドレイン領域と良好なオーミッ
ク接合を形成しうるものであれば良い。ソース・ドレイ
ン領域はSi以外のイオン注入を用いて形成しても良
く、またエピタキシャル成長法を用いて形成しても良
い。その他、実施例におけるキャリア濃度、膜厚などの
パラメータもあくまで一つの例であり、同様の効果が得
られる条件であれば良い。The embodiments of the present invention are not limited to the above. For example the barrier layer is i or p-A1 x Ga 1-x As layer (0.
2 ≦ X ≦ 0.4). In addition, the material of the channel layer and the spacer layer may be changed to, for example, an In x Ga 1-x As layer, in which case i or p-In is used as the barrier layer.
An x A1 1-x As layer or an A1 x Ga 1-x As layer can be used. For the substrate or other semiconductor layers,
It is only necessary to select a material corresponding to these. Further, the desired effect can be obtained even if the spacer layer is provided only above or below the channel layer. The gate electrode material is not limited to the WNx, Ti, W, TiW, etc. W x Si Y, A1,
Any material may be used as long as it forms a Schottky junction with the compound semiconductor. Similarly, the material for the source / drain electrodes is AuGe.
The material is not limited to the alloy, and any material that can form a good ohmic junction with the source / drain regions may be used. The source / drain regions may be formed using ion implantation other than Si, or may be formed using an epitaxial growth method. In addition, the parameters such as the carrier concentration and the film thickness in the embodiments are merely examples, and it is sufficient that the same effects can be obtained.
【0012】[0012]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、高いシー
トキャリア濃度を有し、かつキャリアの走行速度が高い
化合物半導体ヘテロ接合ゲートFETが得られる。As described above, according to the present invention, a compound semiconductor heterojunction gate FET having a high sheet carrier concentration and a high carrier traveling speed can be obtained.
【図1】 本発明の一実施例の化合物半導体ヘテロ接合
ゲートFETを示す断面図。FIG. 1 is a sectional view showing a compound semiconductor heterojunction gate FET according to an embodiment of the present invention.
1…半絶縁性GaAs基板 2…i−GaAs層 3,7…i−A10.3 Ga0.7 As障壁層 4,6…i
−GaAsスペーサ層 5…n−GaAsチャネル層 8…i−GaAs表面層
9…WNxゲート電極10,11…ソース・ドレイン
領域 12,13…ソース・ドレイン電極1 ... Semi-insulating GaAs substrate 2 ... i-GaAs layer 3, 7 ... i-A1 0.3 Ga 0.7 As barrier layer 4, 6 ... i
-GaAs spacer layer 5 ... n-GaAs channel layer 8 ... i-GaAs surface layer 9 ... WNx gate electrodes 10, 11 ... Source / drain regions 12, 13 ... Source / drain electrodes
Claims (4)
ャネル層をドーピングされていない第1の半導体からな
る二つの層で挟んだ積層構造を有し、かつ前記積層構造
の上層に前記第1の半導体と組成が異なる第2の半導体
からなる障壁層を有することを特徴とする化合物半導体
ヘテロ接合ゲート電界効果トランジスタ。1. A laminated structure in which a channel layer made of a doped first semiconductor is sandwiched between two layers made of an undoped first semiconductor, and the first semiconductor is provided on an upper layer of the laminated structure. And a compound semiconductor heterojunction gate field effect transistor having a barrier layer made of a second semiconductor having a different composition.
チャネル層の上層および下層に前記第1の半導体と組成
が異なる第2の半導体からなる障壁層を有する化合物半
導体ヘテロ接合ゲート電界効果トランジスタにおいて、
前記障壁層のうちの少なくとも一方と前記チャネル層と
の間にドーピングされていない前記第1の半導体からな
る層を挿入したことを特徴とする化合物半導体ヘテロ接
合ゲート電界効果トランジスタ。2. A compound semiconductor heterojunction gate field effect transistor having a barrier layer made of a second semiconductor having a composition different from that of the first semiconductor above and below a channel layer made of a doped first semiconductor,
A compound semiconductor heterojunction gate field effect transistor, wherein an undoped layer of the first semiconductor is inserted between at least one of the barrier layers and the channel layer.
り、前記第2の半導体がA1x Ga1-x As(0.2≦
X≦0.4)であることを特徴とする請求項1または2
記載の化合物半導体ヘテロ接合ゲート電界効果トランジ
スタ。3. The first semiconductor is n-type GaAs, and the second semiconductor is A1 x Ga 1 -x As (0.2 ≦
X ≦ 0.4), wherein
A compound semiconductor heterojunction gate field effect transistor as described.
なるチャネル層の厚さが10nm以下であり、かつ電子
濃度が4×1018cm-3以上であることを特徴とする請求
項1または2または3記載の化合物半導体ヘテロ接合ゲ
ート電界効果トランジスタ。4. A channel layer made of the first doped semiconductor having a thickness of 10 nm or less and an electron concentration of 4 × 10 18 cm −3 or more. Alternatively, the compound semiconductor heterojunction gate field effect transistor described in 3 above.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25685091A JPH05102190A (en) | 1991-10-04 | 1991-10-04 | Compound-semiconductor heterojunction-gate field-effect transistor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP25685091A JPH05102190A (en) | 1991-10-04 | 1991-10-04 | Compound-semiconductor heterojunction-gate field-effect transistor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH05102190A true JPH05102190A (en) | 1993-04-23 |
Family
ID=17298284
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP25685091A Pending JPH05102190A (en) | 1991-10-04 | 1991-10-04 | Compound-semiconductor heterojunction-gate field-effect transistor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH05102190A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100314739B1 (en) * | 1994-12-27 | 2002-10-25 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method for forming floating gate in semiconductor memory device |
US7893462B2 (en) | 2004-12-14 | 2011-02-22 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Transistor of semiconductor device and method of fabricating the same |
-
1991
- 1991-10-04 JP JP25685091A patent/JPH05102190A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100314739B1 (en) * | 1994-12-27 | 2002-10-25 | 주식회사 하이닉스반도체 | Method for forming floating gate in semiconductor memory device |
US7893462B2 (en) | 2004-12-14 | 2011-02-22 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Transistor of semiconductor device and method of fabricating the same |
US8697507B2 (en) | 2004-12-14 | 2014-04-15 | Electronics And Telecommunications Research Institute | Transistor of semiconductor device and method of fabricating the same |
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