JP2553673B2 - Field effect transistor - Google Patents
Field effect transistorInfo
- Publication number
- JP2553673B2 JP2553673B2 JP63285123A JP28512388A JP2553673B2 JP 2553673 B2 JP2553673 B2 JP 2553673B2 JP 63285123 A JP63285123 A JP 63285123A JP 28512388 A JP28512388 A JP 28512388A JP 2553673 B2 JP2553673 B2 JP 2553673B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor layer
- gate
- type
- layer
- channel
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
- 230000005669 field effect Effects 0.000 title claims description 8
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 71
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 13
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 claims description 2
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 19
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- -1 GaAs Chemical class 0.000 description 1
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、マイクロ波領域で動作する集積回路に適し
た高速高性能な電界効果トランジスタに関する。The present invention relates to a high speed and high performance field effect transistor suitable for integrated circuits operating in the microwave range.
GaAs等III−V化合物半導体はSiに比較してより大き
い電子の移動度および飽和速度を有するため高速デバイ
スに適し、すでにGaAsショットキゲート電界効果トラン
ジスタ(GaAsMESFET)はマイクロ波の増巾素子として広
範に使用されている。一方近年GaAsを用いた論理集積回
路の研究が行われるようになった。III-V compound semiconductors such as GaAs are suitable for high-speed devices because they have higher electron mobility and saturation speed than Si, and GaAs Schottky gate field effect transistors (GaAs MESFETs) have already been widely used as microwave amplification elements. in use. On the other hand, in recent years, research on logic integrated circuits using GaAs has been conducted.
電界効果トランジスタを用いて論理集積回路を構成す
る場合、回路構成の簡素化および低消費電力化のため、
該トランジスタはノーマリオフ型(ゲート電圧零でドレ
イン電流が流れない。)である必要がある。ここでGaAs
MESFETは第1図に示すように、高抵抗基板11上にn型能
動層12を形成し、これをチャンネル層として、ショット
キゲート13による空乏層14によりチャンネル厚さを変化
させて動作するものである。したがってMESFETでノーマ
リオフFETを実現するためには、、能動層12の厚さを精
密に制御し、ゲート電圧零でゲート空乏層が基板界面ま
で伸び、チャンネルを閉じるようにする、すなわちピン
チオフ電圧を0Vに制御する必要がある。しかしながら、
通常のGaAsMESFETにおいては能動層の有効ドナー密度が
約1×1017cm-3、ショットキ障壁の高さが0.8Vでノーマ
リオフ型FETに必要な能動層の厚さは約0.1μmと極めて
薄いため、かかる能動層の厚さの精密制御は非常に困難
である。しかもチャンネルは基板との界面にあるため、
特性が基板の影響を非常に受けやすい欠点がある。When configuring a logic integrated circuit using field effect transistors, in order to simplify the circuit configuration and reduce power consumption,
The transistor needs to be a normally-off type (the drain current does not flow when the gate voltage is zero). Where GaAs
As shown in FIG. 1, the MESFET operates by forming an n-type active layer 12 on a high resistance substrate 11, using this as a channel layer, and changing the channel thickness by a depletion layer 14 by a Schottky gate 13. is there. Therefore, in order to realize a normally-off FET with MESFET, the thickness of the active layer 12 is precisely controlled so that the gate depletion layer extends to the substrate interface at a gate voltage of zero and closes the channel, that is, the pinch-off voltage is 0 V. Need to control. However,
In a normal GaAs MESFET, the effective donor density of the active layer is about 1 × 10 17 cm -3 , the height of the Schottky barrier is 0.8 V, and the thickness of the active layer required for the normally-off type FET is about 0.1 μm, which is extremely thin. Precise control of the thickness of such active layers is very difficult. And since the channel is at the interface with the substrate,
There is a drawback that the characteristics are very sensitive to the substrate.
一方、ノーマリオフ型FETとしては、むしろSiのFETで
よく用いられている反転チャンネルをもつMISFET(Meta
l−Insulator−Semiconductor FET、絶縁ゲート電界効
果トランジスタ)が有利である。これは第2図に示すよ
うに、高抵抗基板21上にp型層22を形成し、ゲート絶縁
膜23を界してゲート金属電極24を有する構造をもつ。2
5,26はソース、ドレイン領域のn+層、27,28はソースお
よびドレイン電極である。ここでゲート電圧零において
はp型層22と絶縁膜23の界面にはキャリアはほとんどな
く電流は流れないが、ゲートに正の電圧を印加すると、
静電結合によって該界面でp型層が反転、電子が誘起さ
れ反転型のnチャンネルが形成されドレイン電流が流れ
る。したがって、適当な濃度のp型層を形成すること、
および良好な界面特性を持つゲート絶縁膜を形成すれば
良く、しきい値電圧の制御はMESFETの場合よりはるかに
容易となる。しかしながら、半導体としてGaAsを用いた
場合には、現在の所、Siに対するSiO2の様な良好な界面
特性を示す絶縁膜は皆無といって良く、反転型のnチャ
ンネルを形成することはほとんど不可能な状態である。
また、たとえ反転型のnチャンネルを形成しえても、そ
の移動度はGaAsバルク結晶中での値よりかなり小さくな
る恐れがあり、GaAsを使用するメリットがなくなる。On the other hand, as a normally-off type FET, an MISFET with an inversion channel (Meta
l-Insulator-Semiconductor FET, insulated gate field effect transistor) are advantageous. As shown in FIG. 2, this has a structure in which a p-type layer 22 is formed on a high resistance substrate 21, and a gate metal film 24 is provided so as to face a gate insulating film 23. 2
Reference numerals 5 and 26 are n + layers in the source and drain regions, and 27 and 28 are source and drain electrodes. At zero gate voltage, there are almost no carriers at the interface between the p-type layer 22 and the insulating film 23, and no current flows, but when a positive voltage is applied to the gate,
The p-type layer is inverted at the interface by electrostatic coupling, electrons are induced, an inverted n-channel is formed, and a drain current flows. Therefore, forming a p-type layer with an appropriate concentration,
It is only necessary to form a gate insulating film having good interface characteristics, and the control of the threshold voltage becomes much easier than in the case of MESFET. However, when GaAs is used as a semiconductor, at present, it can be said that there is no insulating film showing good interface characteristics such as SiO 2 with respect to Si, and it is almost impossible to form an inverted n-channel. It is possible.
Further, even if an inverted n-channel is formed, its mobility may be considerably smaller than the value in the GaAs bulk crystal, and the advantage of using GaAs is lost.
本発明は、以上述べた様に従来技術では極めて困難で
あった、GaAs等III−V化合物を使用した新規な高速ノ
ーマリオフ型電界効果トランジスタを提供するものであ
る。As described above, the present invention provides a novel high-speed normally-off type field effect transistor using a III-V compound such as GaAs, which has been extremely difficult in the prior art.
本発明の電界効果トランジスタは、高抵抗基板上にp
型の第1の半導体層が設けられ、該第1の半導体層上に
それより電子親和力の小さいn型の第2の半導体層が設
けられ、該第2の半導体層上にショットキ型のゲート電
極が、前記第1の半導体層上にnチャンネルにオーム性
であるソース電極とドレイン電極が、半導体層の面内方
向でゲート電極と離間した位置に形成され、少なくとも
ゲート下で第2の半導体層がすべて空乏化しており、ゲ
ート外において、表面準位による空乏層が、該第1の半
導体との電子親和力差によってn型の第2の半導体層に
生じる空乏層まで到達しておらず、あるいはちょうど到
達し、該ヘテロ界面の第1の半導体層側に蓄積し得る最
大量の反転nチャンネルが形成されていることを特徴と
する。The field effect transistor of the present invention has a p-type on a high resistance substrate.
Type first semiconductor layer is provided, an n-type second semiconductor layer having a smaller electron affinity is provided on the first semiconductor layer, and a Schottky type gate electrode is provided on the second semiconductor layer. A source electrode and a drain electrode that are ohmic in the n-channel are formed on the first semiconductor layer at positions separated from the gate electrode in the in-plane direction of the semiconductor layer, and at least under the gate, the second semiconductor layer. Are all depleted, and the depletion layer due to the surface state does not reach the depletion layer generated in the n-type second semiconductor layer due to the difference in electron affinity with the first semiconductor outside the gate, or It is characterized in that the maximum amount of inverted n-channel that has just arrived and can be accumulated on the first semiconductor layer side of the hetero interface is formed.
本発明によって、ゲート下の第2の半導体層を絶縁膜
と等価にして第1の半導体層を界面において反転させ、
かつ該界面が良好なヘテロ接合であるゆえに電子の移動
度の大きく、更にソース抵抗の小さい、nチャンネル型
の高速、ノーマリオフFETを実現できる。以下エネルギ
ー帯図等を用いて本発明のFETの動作原理を説明し、そ
の効果について述べる。According to the present invention, the second semiconductor layer under the gate is made equivalent to an insulating film and the first semiconductor layer is inverted at the interface,
Moreover, since the interface is a good heterojunction, an n-channel type high-speed, normally-off FET having a large electron mobility and a small source resistance can be realized. The operating principle of the FET of the present invention will be described below with reference to energy band diagrams and the effect thereof will be described.
第3図および第4図(a)は本発明のFETの動作原理
を説明するための素子構造断面図とゲート下における深
さ方向に沿った熱平衡状態でのエネルギー帯図である。
ここで31は高抵抗基板、32はp型の第1の半導体層、33
は第1の半導体より電子親和力(真空中の自由電子のエ
ネルギー準位と電導帯下端のエネルギー準位の差)の小
さいn型の第2の半導体層、34はゲートショットキ電
極、35および36はnチャンネルにオーム性のソース、ド
レインの金属電極で、37、38はコンタクト抵抗を減ずる
ためのnあるいはn+領域であり、35、37で実質ソース電
極を、36、38でドレイン電極を成す。またEC,EF,EVはそ
れぞれ、電導帯下端、フェルミレベル、価電子帯上端を
示す。一方第4図(b)は第4図(a)に較べて第2の
半導体層33が厚く、ゲート下で完全に空乏化していない
場合を示す。ここで第4図(a),(b)は、第2の半
導体層33の有効ドナー密度が第1の半導体層32の有効ア
クセプタ密度よりかなり大きい場合である。第1の半導
体層32と第2の半導体層33の界面において、両者の電子
親和力の相違によって、電導帯に不連続が生じ、その接
触電位差によって第1の半導体層、第2の半導体層共界
面で空乏化する。ここで第2の半導体層の有効ドナー密
度が、第1の半導体層の有効アクセプタ密度よりかなり
大きい場合、第2の半導体層の空乏層内のイオン化した
ドナーによる全電荷量が、第1の半導体層の空乏層内の
イオン化したアクセプタによる全電荷量より多くなるた
め、第1の半導体層側に過剰電子が誘起され、すなわち
p型である第1の半導体層が反転し、nチャンネルが形
成される。第4図(b)に示したものがこの状態を表わ
している。しかしながらこの状態では、第2の半導体層
中に導電層が存在するため、ショットキ型のゲート電極
の電位を変化させても、前記反転形成されたnチャンネ
ル中の電子の数を変化させてトランジスタ動作を行わせ
ることはできない。またショットキ電極のかわりにオー
ム性電極とすれば該nチャンネル中の電子数を変化でき
うるが、第2の半導体の該反転チャンネルに対する障壁
高さが低いため許容電圧範囲が小さく、リーク電流が大
きくなって実用にはならない。なお、該障壁高さは、電
子親和力の差に依存するが、通常の良好なヘテロ接合を
なす組合せでこの差の大きいもの、例えば0.7eV程度の
ものはほとんど存在しない。一方本発明のFETにおいて
は、第2の半導体層33の厚さを薄くして、第4図(a)
のようにすべて空乏化させている。すなわち、第2の半
導体層33中のイオン化したドナーによる全電荷量を制御
し、平衡状態において第1の半導体層32の電導帯の曲が
りを軽減し、反転の程度を小さくする。したがって、第
4図(a)のように、ゲート34の反転チャンネルに対す
る障壁の高い、かつ反転チャンネル中に電子のほとんど
ない、すなわちノーマリオフ型のFETを実現できる。こ
こでゲートに正の電圧を印加すれば、エネルギー帯図は
第5図のようになり、反転チャンネル中の電子数が大き
く増加し、ドレイン電流が流れる。ここでE′Fは電子
の擬フェルミレベルである。第2の半導体層33が空乏化
していること、およびその障壁高さがゲート電圧によっ
て変化しないことにより、本発明のFETの動作は、反転
チャンネル型のMISFETと同様である。しかもMISFETより
有利な点はチャンネルが良好なヘテロ接合界面にできる
ため、電子の移動度はバルク結晶中での値が期待できる
ことである。さらに反転チャンネルを利用するため、ME
SFETのように特性が基板の影響を受けるということがな
い。また本発明においては、第1の半導体層上に形成し
たソース、ドレイン電極、実効的には第3図のn+領域3
7,38を、ゲート電極34と平面的に離間させて、超高周波
および超高速動作上大きな効果を上げることができる。
これは、ゲート電極外において、第1の半導体層と第2
の半導体層の接合の状態は、ショットキゲートによる空
乏層がないため、第4図(b)と同じく、平衡状態です
でに第1の半導体側に反転nチャンネルが形成できるた
め、第2図のようなゲートとn+領域とのオーバーラップ
が必要ないので寄生容量の増加を起こすことなく遮断周
波数を高くできるからである。さらにこの構造は、ゲー
トの耐圧の増大等、信頼性の向上の効果が大きい。FIG. 3 and FIG. 4 (a) are an element structure cross-sectional view and an energy band diagram in a thermal equilibrium state under the gate along the depth direction for explaining the operating principle of the FET of the present invention.
Here, 31 is a high resistance substrate, 32 is a p-type first semiconductor layer, 33
Is an n-type second semiconductor layer having a smaller electron affinity (the difference between the energy level of free electrons in vacuum and the energy level of the lower end of the conduction band) than the first semiconductor, 34 is a gate Schottky electrode, and 35 and 36 are Ohmic source and drain metal electrodes for the n-channel, 37 and 38 are n or n + regions for reducing the contact resistance, and 35 and 37 form a substantial source electrode and 36 and 38 form a drain electrode. E C , E F , and E V indicate the bottom of the conduction band, the Fermi level, and the top of the valence band, respectively. On the other hand, FIG. 4B shows a case where the second semiconductor layer 33 is thicker than that in FIG. 4A and is not completely depleted under the gate. Here, FIGS. 4A and 4B show the case where the effective donor density of the second semiconductor layer 33 is considerably higher than the effective acceptor density of the first semiconductor layer 32. At the interface between the first semiconductor layer 32 and the second semiconductor layer 33, discontinuity occurs in the conduction band due to the difference in electron affinity between the first semiconductor layer 32 and the second semiconductor layer 33, and due to the contact potential difference, the interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer Deplete at. Here, when the effective donor density of the second semiconductor layer is considerably higher than the effective acceptor density of the first semiconductor layer, the total charge amount due to the ionized donors in the depletion layer of the second semiconductor layer is Since the total charge amount due to the ionized acceptor in the depletion layer of the layer is larger than the total charge amount, excess electrons are induced on the first semiconductor layer side, that is, the p-type first semiconductor layer is inverted and an n-channel is formed. It The state shown in FIG. 4 (b) represents this state. However, in this state, since the conductive layer exists in the second semiconductor layer, even if the potential of the Schottky type gate electrode is changed, the number of electrons in the n-channel formed by the inversion is changed to operate the transistor. Can not be done. If an ohmic electrode is used instead of the Schottky electrode, the number of electrons in the n-channel can be changed. However, since the barrier height of the second semiconductor with respect to the inversion channel is low, the allowable voltage range is small and the leak current is large. It is not practical. The barrier height depends on the difference in electron affinity, but there are almost no combinations having a large difference, for example, about 0.7 eV, in a combination that normally forms a good heterojunction. On the other hand, in the FET of the present invention, the thickness of the second semiconductor layer 33 is reduced to a value shown in FIG.
Are all depleted like. That is, the total amount of charges due to the ionized donors in the second semiconductor layer 33 is controlled, the bending of the conduction band of the first semiconductor layer 32 is reduced in the equilibrium state, and the degree of inversion is reduced. Therefore, as shown in FIG. 4A, it is possible to realize a normally-off type FET having a high barrier against the inversion channel of the gate 34 and having almost no electrons in the inversion channel. Here, if a positive voltage is applied to the gate, the energy band diagram becomes as shown in FIG. 5, the number of electrons in the inversion channel is greatly increased, and the drain current flows. Here E 'F is the electron quasi-Fermi level. Since the second semiconductor layer 33 is depleted and the barrier height thereof does not change with the gate voltage, the operation of the FET of the present invention is similar to that of the inverting channel type MISFET. Moreover, the advantage over MISFETs is that since a heterojunction interface with a good channel can be formed, the electron mobility can be expected to be a value in the bulk crystal. In addition, the ME
The characteristics are not affected by the substrate unlike SFET. In the present invention, the source and drain electrodes formed on the first semiconductor layer are effectively the n + regions 3 of FIG.
The 7, 38 can be separated from the gate electrode 34 in a plane, and a great effect can be obtained in ultrahigh frequency and ultrahigh speed operation.
This is because the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are formed outside the gate electrode.
Since the semiconductor layer has no junction depletion layer due to the Schottky gate, an inversion n channel can be already formed on the first semiconductor side in the equilibrium state as in FIG. 4 (b). This is because such an overlap between the gate and the n + region is not necessary, so that the cutoff frequency can be increased without increasing the parasitic capacitance. Furthermore, this structure has a great effect of improving reliability such as increase of breakdown voltage of the gate.
しかしながら、第3図に示したような、第2の半導体
層33の厚さが一様な場合、ゲート外の第2の半導体層表
面において、表面準位による空乏層があれば、ゲート領
域外の第1の半導体界面に十分な低抵抗のnチャンネル
が形成されない可能性がある。However, when the thickness of the second semiconductor layer 33 is uniform as shown in FIG. 3, if there is a depletion layer due to the surface level on the surface of the second semiconductor layer outside the gate, it is outside the gate region. There is a possibility that a sufficiently low resistance n-channel is not formed at the first semiconductor interface.
特に化合物半導体では表面準位密度が大きく、表面で
バンドが曲がり表面空乏層ができやすい。この表面のバ
リアの高さはIII−V族化合物半導体では、ショットキ
バリアと同程度になる可能性がスパイサーら(W.E.Spic
er etal;J.Vac.Sci.Technol.,16(5),1979)により示
されている。この場合はゲート電極外でもnチャンネル
がほとんど形成されず、ソース抵抗が極めて大きくな
り、FETの動作が困難となる。Particularly in a compound semiconductor, the surface state density is large, and the band bends on the surface to easily form a surface depletion layer. In III-V group compound semiconductors, the height of the barrier on this surface may be about the same as that of the Schottky barrier (WESpic
er et al; J.Vac.Sci.Technol., 16 (5), 1979). In this case, the n-channel is hardly formed even outside the gate electrode, the source resistance becomes extremely large, and the operation of the FET becomes difficult.
本発明はこの点を勘案し、第6図のように第2の半導
体層33の厚さをゲート電極外で厚くすることを特徴とし
ている。ここでゲート電極外の第2の半導体層の厚さは
なるべく厚くするが、その最適値は、第1の半導体層界
面に低抵抗な反転nチャンネルを形成させるすなわち、
第4図(b)での第1の半導体との界面の第2の半導体
層内に生じる空乏層の厚さに、表面準位によって生じる
空乏層の厚さを加えたものであり、このとき反転nチャ
ンネルのキャリアは最大限確保でき、かつ第2の半導体
層はすべて空乏化するため、ゲートリークの減少等信頼
性が高くなり、また寄生容量等による特性劣化を防ぐこ
とができる。In consideration of this point, the present invention is characterized in that the thickness of the second semiconductor layer 33 is increased outside the gate electrode as shown in FIG. Here, the thickness of the second semiconductor layer outside the gate electrode is made as thick as possible, but its optimum value is to form a low resistance inversion n channel at the interface of the first semiconductor layer, that is,
This is obtained by adding the thickness of the depletion layer generated by the surface level to the thickness of the depletion layer generated in the second semiconductor layer at the interface with the first semiconductor in FIG. 4B. Since the carriers of the inverted n-channel can be secured to the maximum and the second semiconductor layer is all depleted, the reliability such as reduction of gate leak can be improved and the characteristic deterioration due to parasitic capacitance can be prevented.
ソース抵抗等の寄生抵抗低減の点からは、第2の半導
体層の厚さは、以上の最適値より厚ければよい。この
時、ソースおよびドレイン金属電極は該反転チャンネル
にオーム性接続される限り、これら半導体層のいずれに
接触していてもよい。From the viewpoint of reducing parasitic resistance such as source resistance, the thickness of the second semiconductor layer may be thicker than the above optimum value. At this time, the source and drain metal electrodes may be in contact with any of these semiconductor layers as long as they are ohmic-connected to the inversion channel.
次に本発明の具体的な例について説明する。半絶縁性
GaAs基板上に、有効アクセプタ密度1×1015cm-3のp型
GaAsを約3μmの厚さに成長させて第1の半導体層とす
る。Next, a specific example of the present invention will be described. Semi-insulating
P type with effective acceptor density of 1 × 10 15 cm -3 on GaAs substrate
GaAs is grown to a thickness of about 3 μm to form a first semiconductor layer.
さらにこの上に第2の半導体として、GaAsより約0.4e
V電子親和力の小さいGa0.7Al0.3Asを用い、有効ドナー
密度1×1017cm-3、厚さ0.11μmのn型層を形成する。
ゲートとして、n型Ga0.7Al0.3Asに対して障壁高さが0.
8eV程度のショットキ電極を用いる。ソースおよびドレ
イン電極は、Si等のイオン注入によるn+領域形成、Au−
Ge等を熱処理アロイする通常の方法で形成できる。ゲー
ト電極外では、表面空乏層のない場合GaAlAs層との界面
ではGaAs層は反転し、面密度、約6×1011cm-2のnチャ
ンネルが形成される。なおこのときGaAlAs側にできる空
乏層の厚さは約0.06μmである。一方ゲート下において
は、ショットキ接合の接触電位差による空乏層も加わ
り、GaAlAs層は完全に空乏化し、かつGaAsの反転の程度
は小さく、過剰電子の数の少ない、第4図(a)に示し
たノーマリオフ型FETが形成される。このときゲートか
ら見たチャンネルに対する障壁高さは約0.9eV、nチャ
ンネルから見たゲートに対する障壁高さは0.4eV以上と
なり充分な障壁高さを有する。また、MISFETのゲート絶
縁膜と等価な空乏化したGaAlAsの厚さはSiのMISFETの場
合と同程度な0.11μmと薄く、大きな相互コンダクタン
スが得られる。Furthermore, as a second semiconductor on this, about 0.4e than GaAs
Ga 0.7 Al 0.3 As having a small V electron affinity is used to form an n-type layer having an effective donor density of 1 × 10 17 cm −3 and a thickness of 0.11 μm.
As a gate, the barrier height is 0 for n-type Ga 0.7 Al 0.3 As.
A Schottky electrode of about 8 eV is used. The source and drain electrodes are formed of n + region by ion implantation of Si, Au −
It can be formed by a usual method of heat-treating Ge or the like. Outside the gate electrode, when there is no surface depletion layer, the GaAs layer is inverted at the interface with the GaAlAs layer, and an n-channel having an areal density of about 6 × 10 11 cm -2 is formed. At this time, the thickness of the depletion layer formed on the GaAlAs side is about 0.06 μm. On the other hand, under the gate, the depletion layer due to the contact potential difference of the Schottky junction is also added, the GaAlAs layer is completely depleted, the inversion degree of GaAs is small, and the number of excess electrons is small, as shown in FIG. 4 (a). A normally-off type FET is formed. At this time, the barrier height with respect to the channel viewed from the gate is about 0.9 eV, and the barrier height with respect to the gate viewed from the n channel is 0.4 eV or more, which is a sufficient barrier height. Further, the thickness of depleted GaAlAs equivalent to the gate insulating film of MISFET is as thin as 0.11 μm, which is the same as that of Si MISFET, and a large mutual conductance can be obtained.
以上ではゲート部外の第2の半導体層のGaAlAsの表面
が空乏化していない場合について説明した。しかしなが
ら前述したように該GaAlAs表面において、表面準位のた
めに電導帯が曲がり、表面空乏層がGaAs界面側の空乏層
に影響を及ぼすと、ゲート部分と同じく、反転チャンネ
ル中の過剰電子の数を減じ、ソース抵抗が増加する。こ
れを防ぐためにはGaAlAs層の厚さは、表面空乏層とGaAs
界面側の空乏層の厚さを加えた値以上にする必要があ
る。GaAlAsの表面におけるバンドの曲がりが0.5eVの場
合、表面空乏層の厚さは約0.08μmであるから、ゲート
電極外のGaAlAs層の厚さは0.14μm以上にすれば良い。In the above, the case where the GaAlAs surface of the second semiconductor layer outside the gate portion is not depleted has been described. However, as described above, when the conduction band is bent on the GaAlAs surface due to the surface level and the surface depletion layer affects the depletion layer on the GaAs interface side, the number of excess electrons in the inversion channel is the same as in the gate portion. , And the source resistance increases. To prevent this, the thickness of the GaAlAs layer should be
The thickness of the depletion layer on the interface side needs to be equal to or greater than the value added. When the band bending on the surface of GaAlAs is 0.5 eV, the thickness of the surface depletion layer is about 0.08 μm, so the thickness of the GaAlAs layer outside the gate electrode should be 0.14 μm or more.
なお、本発明のFETは、ノーマリオフ型として最適で
あるが、動作原理上ノーマリオン型としても適用でき
る。Although the FET of the present invention is most suitable as a normally-off type, it can also be applied as a normally-on type because of its operating principle.
また以上では半導体としてGaAsとGaAlAsの場合につい
て説明したが、電子親和力の差の大きいGaAsとInGaPあ
るいはInAlGaP,GaInAsとAlInAs,GaInAsとInP、InPとAlG
aAs等、他の組合せにも本発明が適用できることは明ら
かである。In the above, the case of GaAs and GaAlAs as semiconductors was explained, but GaAs and InGaP or InAlGaP, GaInAs and AlInAs, GaInAs and InP, InP and AlG having large electron affinity differences.
Obviously, the present invention can be applied to other combinations such as aAs.
第1図は、従来のGaAsMESFETの構造を示す素子断面図で
あり、11は高抵抗基板、12は能動層、13はショットキゲ
ート電極、14はゲート空乏層、15はソース電極、16はド
レイン電極である。第2図はMISFETの構造を示す素子断
面図であり、21は高抵抗基板、22はp型層、23はゲート
酸化膜、24はゲート電極、25,26はソース、ドレイン領
域のn+層、27,28はソースおよびドレイン電極である。
第3図は本発明のFETの原理を示す素子断面図であり、3
1は高抵抗基板、32はp型の第1の半導体層、33はn型
の第2の半導体層、34はゲート電極、35はソース電極、
36はドレイン電極、37,38はコンタクト抵抗を減ずるた
めのnあるいはn+領域である。第4図(a)は本発明の
FETのゲート部の深さ方向に沿った平衡状態でのエネル
ギー帯図であり、ショットキゲートの場合を示す。EC,E
F,EVはそれぞれ、電導帯、フェルミレベル、価電子帯を
示す。第4図(b)は第4図(a)のFETと同じ構造で
あるが、第2の半導体層が厚く、ゲート下で完全に空乏
化していない場合のエネルギー帯図を示す。第5図は第
4図(a)に示した本発明のFETのゲートに正の電圧を
印加した場合のエネルギー帯図である。この場合、E′
Fは電子の擬フェルミレベルである。第6図は本発明の
FETの構造を示す素子断面図である。FIG. 1 is a device cross-sectional view showing the structure of a conventional GaAs MESFET, 11 is a high resistance substrate, 12 is an active layer, 13 is a Schottky gate electrode, 14 is a gate depletion layer, 15 is a source electrode, 16 is a drain electrode. Is. FIG. 2 is an element cross-sectional view showing the structure of the MISFET, where 21 is a high resistance substrate, 22 is a p-type layer, 23 is a gate oxide film, 24 is a gate electrode, 25 and 26 are n + layers in the source and drain regions. , 27 and 28 are source and drain electrodes.
FIG. 3 is a sectional view of an element showing the principle of the FET of the present invention.
1 is a high resistance substrate, 32 is a p-type first semiconductor layer, 33 is an n-type second semiconductor layer, 34 is a gate electrode, 35 is a source electrode,
36 is a drain electrode, and 37 and 38 are n or n + regions for reducing the contact resistance. FIG. 4 (a) shows the present invention.
It is an energy band diagram in the equilibrium state along the depth direction of the gate portion of the FET, showing the case of the Schottky gate. E C , E
F, respectively E V shows conduction band, the Fermi level, the valence band. FIG. 4B shows an energy band diagram when the FET has the same structure as that of FIG. 4A but the second semiconductor layer is thick and is not completely depleted under the gate. FIG. 5 is an energy band diagram when a positive voltage is applied to the gate of the FET of the present invention shown in FIG. 4 (a). In this case, E '
F is the pseudo-Fermi level of the electron. FIG. 6 shows the present invention
It is an element sectional view showing a structure of FET.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−7165(JP,A) 特開 昭57−73979(JP,A) 特開 昭59−22367(JP,A) 特公 昭40−27984(JP,B1) 彦坂康巳外2名著「ED80−91 超高 速トランジスタ(HEMT)」(1980− 10−20)社団法人電子通信学会P.43− 48 Appl.Phys.Lett.33 〔7〕P665−667(1978−10−1) Japanese Jourva(o f Applied Physics Vol.19.No.5 May 1980, PP.L225〜L227 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-57-7165 (JP, A) JP-A-57-73979 (JP, A) JP-A-59-22367 (JP, A) JP-B-40- 27984 (JP, B1) Yasumi Hikosaka, 2 persons, “ED80-91 Ultra High Speed Transistor (HEMT)” (1980-10-20) The Institute of Electronics, Communication and Communication Engineers P. 43-48 Appl. Phys. Lett. 33 [7] P665-667 (1978-10-1) Japan Jourva (of Applied Physics Vol. 19, No. 5 May 1980, PP. L225-L227)
Claims (1)
けられ、該第1の半導体層上にそれより電子親和力の小
さいn型の第2の半導体層が設けられ、該第2の半導体
層上にショットキ型のゲート電極が、nチャンネルにオ
ーム性であるソース電極とドレイン電極が、半導体層の
面内方向でゲート電極と離間した位置に形成され、少な
くともゲート下で第2の半導体がすべて空乏化してお
り、ゲート外において、表面準位による空乏層が、該第
1の半導体との電子親和力差によってn型の第2の半導
体層に生じる空乏層まで到達しておらず、あるいはちょ
うど到達し、該ヘテロ界面の第1の半導体層側に蓄積し
得る最大量の反転nチャンネルが形成されていることを
特徴とする電界効果トランジスタ。1. A p-type first semiconductor layer is provided on a high resistance substrate, and an n-type second semiconductor layer having a smaller electron affinity is provided on the first semiconductor layer. A Schottky-type gate electrode, an n-channel ohmic source electrode and a drain electrode are formed on the second semiconductor layer at positions separated from the gate electrode in the in-plane direction of the semiconductor layer, and at least below the gate. Are all depleted, and the depletion layer due to the surface level does not reach the depletion layer generated in the n-type second semiconductor layer due to the electron affinity difference with the first semiconductor outside the gate. , Or a field effect transistor having the maximum amount of inversion n-channels that has reached or just accumulated on the first semiconductor layer side of the hetero interface.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63285123A JP2553673B2 (en) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | Field effect transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63285123A JP2553673B2 (en) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | Field effect transistor |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP55150362A Division JPS5773979A (en) | 1980-10-27 | 1980-10-27 | Field effect transistor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02330A JPH02330A (en) | 1990-01-05 |
| JP2553673B2 true JP2553673B2 (en) | 1996-11-13 |
Family
ID=17687415
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63285123A Expired - Lifetime JP2553673B2 (en) | 1988-11-11 | 1988-11-11 | Field effect transistor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2553673B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006278857A (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Ngk Insulators Ltd | Semiconductor laminate structure, semiconductor device, and equipment using the same |
| JP7435504B2 (en) | 2021-03-04 | 2024-02-21 | トヨタ自動車株式会社 | fuel cell system |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS577165A (en) * | 1980-06-17 | 1982-01-14 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device |
-
1988
- 1988-11-11 JP JP63285123A patent/JP2553673B2/en not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| Appl.Phys.Lett.33〔7〕P665−667(1978−10−1) |
| Japanese Jourva(of Applied Physics Vol.19.No.5 May 1980,PP.L225〜L227 |
| 彦坂康巳外2名著「ED80−91 超高速トランジスタ(HEMT)」(1980−10−20)社団法人電子通信学会P.43−48 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02330A (en) | 1990-01-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4705412B2 (en) | Field effect transistor and manufacturing method thereof | |
| US6914273B2 (en) | GaN-type enhancement MOSFET using hetero structure | |
| US7655962B2 (en) | Enhancement mode insulated gate heterostructure field-effect transistor with electrically isolated RF-enhanced source contact | |
| US4471366A (en) | Field effect transistor with high cut-off frequency and process for forming same | |
| US8669591B2 (en) | E-mode HFET device | |
| US4641161A (en) | Heterojunction device | |
| US10636899B2 (en) | High electron mobility transistor with graded back-barrier region | |
| EP0334006A1 (en) | Stacked channel heterojunction fet | |
| JP2011014789A (en) | Nitride-based semiconductor field effect transistor | |
| US5250822A (en) | Field effect transistor | |
| US5821576A (en) | Silicon carbide power field effect transistor | |
| JPS62274783A (en) | semiconductor equipment | |
| US4903091A (en) | Heterojunction transistor having bipolar characteristics | |
| US5670804A (en) | PN-junction gate FET | |
| JP2000349096A (en) | Compound field effect transistor and method of manufacturing the same | |
| JP2553673B2 (en) | Field effect transistor | |
| JP4913324B2 (en) | Field effect transistor | |
| JPH023540B2 (en) | ||
| US5945695A (en) | Semiconductor device with InGaP channel layer | |
| JP2005191449A (en) | Field effect transistor | |
| JPS61144881A (en) | semiconductor equipment | |
| JPH0219623B2 (en) | ||
| JPH0715018A (en) | Field effect transistor | |
| JPH02130934A (en) | Schottky junction field effect transistor | |
| US20210320198A1 (en) | Transistor |