JP2629652B2 - Field effect transistor - Google Patents
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- H10D30/015—Manufacture or treatment of FETs having heterojunction interface channels or heterojunction gate electrodes, e.g. HEMT
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- H—ELECTRICITY
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- H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
- H10D30/40—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
- H10D30/47—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having two-dimensional [2D] charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
- H10D30/471—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
- H10D30/473—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT
Landscapes
- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、電界効果トランジスタ
に関し、特にInP基板上にInAsを動作層として持
つ、高い遮断周波数と相互コンダクタンスを示す高周波
特性に優れた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 field effect transistor, and more particularly, to a field effect transistor having InAs on an InP substrate as an operating layer and exhibiting a high cutoff frequency and a high transconductance and having excellent high frequency characteristics.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、InP基板上を用いたInAlA
s/InGaAs系の電界効果トランジスタでは、その
高周波特性を向上させるために、InGaAs動作層の
InAs組成比を高くする構造が用いられてきた。その
端的な例が動作層としてInAs層を用いた構造であ
る。この構造は、例えばタツシ アカザキらによってア
イイーイーイー エレクトロン デバイス レターズ
(Tatsushi Akazaki et al.IEEE ELECTORON DEVICE LET
TERS 13 325 (1992)に報告されている。2. Description of the Related Art Conventionally, InAlA using an InP substrate is used.
In the s / InGaAs field effect transistor, a structure in which the InAs composition ratio of the InGaAs operation layer is increased has been used in order to improve the high frequency characteristics. A simple example is a structure using an InAs layer as an operation layer. This structure is described in, for example, Tatsushi Akazaki et al. IEEE ELECTORON DEVICE LET by Tatsushi Akazaki et al.
Reported in TERS 13 325 (1992).
【0003】この文献にて報告された電界効果トランジ
スタの断面構造図を図3に示す。InP(100)ジャ
スト基板301上に、InAlAsバッファ層302を
成長させ、その上にInAs組成比0.53のInGa
As動作層303、InAs動作層304、InAs組
成比0.53のInGaAs動作層305を成長させ、
さらにInAlAsスペーサ層306、n−InAlA
s電子供給層307、InAlAsショットキー層30
8、n−InAlAsキャップ層309、n−InGa
Asキャップ層310を成長させる。そして、n−In
GaAsキャップ層310上にソース電極、ドレイン電
極313を形成し、InAlAsショットキー層308
の表面を露出させたリセス部にゲート電極312を形成
する。FIG. 3 shows a cross-sectional structure diagram of a field effect transistor reported in this document. An InAlAs buffer layer 302 is grown on an InP (100) just substrate 301, and an InGa with an InAs composition ratio of 0.53 is formed thereon.
Growing an As operation layer 303, an InAs operation layer 304, and an InGaAs operation layer 305 having an InAs composition ratio of 0.53;
Further, the InAlAs spacer layer 306, n-InAlA
s electron supply layer 307, InAlAs Schottky layer 30
8, n-InAlAs cap layer 309, n-InGa
A As cap layer 310 is grown. And n-In
A source electrode and a drain electrode 313 are formed on the GaAs cap layer 310, and the InAlAs Schottky layer 308 is formed.
A gate electrode 312 is formed in the recessed portion exposing the surface of.
【0004】この構造では、動作層中にInAs組成比
0.53のInGaAs層よりInAlAsに対し伝導
帯不連続量の大きいInAs層を含むため、InAs組
成比0.53のInGaAs層のみを動作層とした構造
に比べ、動作層中に多くの電子を閉じ込めることができ
る。さらにInAs層はInAs組成比0.53のIn
GaAs層よりも高速で電子を輸送できる。そのため、
この構造の電界効果トランジスタでは、InAs組成比
0.53のInGaAsのみを動作層に用いたものより
も高い遮断周波数、相互コンダクタンスを示し、トラン
ジスタの高周波特性が向上する。In this structure, the operating layer includes an InAs layer having a conduction band discontinuity larger than that of the InGaAs layer having an InAs composition ratio of 0.53 than the InGaAs layer having an InAs composition ratio of 0.53. More electrons can be confined in the operation layer as compared with the structure described above. Further, the InAs layer is made of InAs having an InAs composition ratio of 0.53.
Electrons can be transported at a higher speed than the GaAs layer. for that reason,
The field effect transistor having this structure exhibits a higher cutoff frequency and transconductance than those using only InGaAs having an InAs composition ratio of 0.53 for the operation layer, and the high-frequency characteristics of the transistor are improved.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術にお
いては、InGaAs動作層のInAs組成比の上昇と
ともに結晶性が劣化するするため、例えばInAs動作
層ではその膜厚は4nm程度に制限されてきた。このよ
うに約4nmと薄いInAs層を動作層に用いた場合、
電子はInAs層からInGaAs層に滲み出してしま
い、優れた電子輸送特性の期待できるInAs層には動
作中の電子の約50%しかたまらない。In the above-mentioned prior art, the crystallinity deteriorates with an increase in the InAs composition ratio of the InGaAs operation layer. Therefore, the thickness of the InAs operation layer has been limited to about 4 nm. . When an InAs layer as thin as about 4 nm is used for the operation layer,
Electrons ooze from the InAs layer to the InGaAs layer, and only about 50% of the electrons during operation accumulate in the InAs layer, which can be expected to have excellent electron transport characteristics.
【0006】滲み出した電子はInAsに比べ電子輸送
特性が大幅に劣るInAs組成比が0.53のInGa
As層に存在するため、InAs層のもつ優れた電子輸
送特性がトランジスタ特性に反映しにくく、十分な遮断
周波数、相互コンダクタンスの向上を期待することはで
きなかった。The exuded electrons have much lower electron transport characteristics than InAs, and the InAs composition ratio of InAs is 0.53.
Because of the presence in the As layer, the excellent electron transport characteristics of the InAs layer are hardly reflected in the transistor characteristics, and it has not been possible to expect sufficient cutoff frequency and improvement in the transconductance.
【0007】従来、InGaAs動作層のInAs組成
比を高めた場合に結晶性が劣化する理由として、動作層
のInP基板に対する格子不整合が大きくなるためと考
えられてきた。ところが、本発明者等の実験結果によれ
ば、In0.53Ga0.47As上に単にInAsのみを成長
させる場合、8nm程度までは結晶性の良好な成長層が
得られることが分かった。Conventionally, it has been considered that the reason why the crystallinity is degraded when the InAs composition ratio of the InGaAs operation layer is increased is that the lattice mismatch of the operation layer with the InP substrate becomes large. However, according to the experimental results of the present inventors, it has been found that when only InAs is grown only on In 0.53 Ga 0.47 As, a growth layer with good crystallinity can be obtained up to about 8 nm.
【0008】高InAs組成比InGaAs動作層(例
えばInAs層)を厚く形成したときその上に結晶性の
良好なIn0.53Ga0.47As層を成長させることができ
ない理由は次のように考えられる。InAs層とその上
に成長するIn0.53Ga0.47As層との界面について考
えると、InAsとIn0.53Ga0.47As層とではそれ
ぞれの表面自由エネルギーの差が大きく、かつそれらの
層間の界面自由エネルギーが大きい。そのため、InA
s層上にIn0.53Ga0.47Asを成長させる場合、へテ
ロ界面の成長層に凹凸が生じ結晶性が劣化する。そし
て、へテロ界面での成長層の平坦性が損なわれるとき、
その下層の高InAs組成比InGaAs動作層(例え
ばInAs層)の結晶性も劣化する。この結晶性の劣化
はInAs層の膜厚が大きくその内部に蓄積された歪み
エネルギーが大きい場合には一層助長される。The reason why an In 0.53 Ga 0.47 As layer with good crystallinity cannot be grown on a thick InGaAs active layer (for example, an InAs layer) having a high InAs composition ratio is considered as follows. Considering the interface between the InAs layer and the In 0.53 Ga 0.47 As layer grown thereon, the difference in surface free energy between InAs and the In 0.53 Ga 0.47 As layer is large, and the interface free energy between the layers is large. large. Therefore, InA
When In 0.53 Ga 0.47 As is grown on the s layer, irregularities occur in the growth layer at the hetero interface, and the crystallinity deteriorates. And when the flatness of the growth layer at the hetero interface is impaired,
The crystallinity of the underlying InGaAs active layer (for example, InAs layer) with a high InAs composition ratio also deteriorates. This deterioration in crystallinity is further promoted when the thickness of the InAs layer is large and the strain energy stored therein is large.
【0009】そのため、従来構造では、InAs層の膜
厚が4nmを越えた場合、またはInAs組成比が0.
53以上の他のInGaAs層が厚さ4nmのInAs
層の下部に配置された場合、結晶性の劣化に加え、電子
がヘテロ界面の凹凸で散乱されることとなり、電子輸送
特性が劣化する。Therefore, in the conventional structure, when the thickness of the InAs layer exceeds 4 nm, or when the composition ratio of InAs is 0.1 nm.
53 or more other InGaAs layers are 4 nm thick InAs
When it is disposed below the layer, in addition to the deterioration of the crystallinity, the electrons are scattered by the unevenness at the hetero interface, and the electron transport characteristics are deteriorated.
【0010】本発明はこのような従来例の問題点に鑑み
てなされたものであって、その目的は、第1に、良好な
結晶構造を維持しつつInAs層を4nm以上に形成し
うるようにすることであり、第2に、InAs層から滲
み出した電子をIn0.53Ga0.47As層より格段に電子
輸送特性に優れた動作層内に閉じ込め得るようにするこ
とである。そして、それらを達成することにより、従来
例に比べ高い遮断周波数および相互コンダクタンスを示
す、高周波特性に優れた電界効果トランジスタを提供し
うるようにしようとするものである。The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has as its object the first object is to form an InAs layer of 4 nm or more while maintaining a good crystal structure. Second, electrons that have oozed out of the InAs layer can be confined in an operation layer having much better electron transport characteristics than the In 0.53 Ga 0.47 As layer. By achieving these, an object is to provide a field-effect transistor exhibiting a higher cut-off frequency and transconductance than the conventional example and having excellent high-frequency characteristics.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明によれば、InP基板上にInAs動作層お
よびキャリア供給層が形成されている電界効果トランジ
スタにおいて、前記InAs動作層と前記キャリア供給
層との間にInAsの組成比が前記InAs動作層から
前記キャリア供給層へ向かって1から0.53にまで漸
減するグレーデッド動作層が挿入されていることを特徴
とする電界効果トランジスタ、が提供される。According to the present invention, there is provided a field effect transistor having an InAs operation layer and a carrier supply layer formed on an InP substrate according to the present invention. A field effect transistor, wherein a graded operation layer in which the composition ratio of InAs gradually decreases from 1 to 0.53 from the InAs operation layer toward the carrier supply layer is inserted between the field effect transistor and the carrier supply layer. , Are provided.
【0012】[0012]
【作用】本発明の電界効果トランジスタにおいては、I
nAs動作層のキャリア供給層側にInAs組成比をI
nAs層側からキャリア供給層側へ向かって1から0.
53まで連続的に変化させたInGaAs層を配してい
る。InAs層と、InP基板に格子整合するInAs
組成比0.52のInAlAs層との間のInGaAs
層のInAs組成比を連続的に変化させることにより、
上記各層の間の表面自由エネルギーの差および界面自由
エネルギーを小さくすることができ、ヘテロ界面の平滑
な各層を得ることができる。その結果、ヘテロ界面にお
ける凹凸に起因する散乱による電子輸送特性の劣化は抑
制される。In the field effect transistor according to the present invention, I
The InAs composition ratio of I n on the carrier supply layer side of the nAs operation layer
From 1 to 0 .0 from the nAs layer side to the carrier supply layer side.
An InGaAs layer continuously changed up to 53 is provided. InAs layer and InAs lattice-matched to the InP substrate
InGaAs between the InAlAs layer having a composition ratio of 0.52
By continuously changing the InAs composition ratio of the layer,
The difference in surface free energy and the interface free energy between the respective layers can be reduced, and each layer having a smooth heterointerface can be obtained. As a result, deterioration of electron transport characteristics due to scattering caused by unevenness at the hetero interface is suppressed.
【0013】また、InAs組成比をInAs層側から
キャリア供給層側へ1から0.53まで連続的に変化さ
せたInGaAs層は、InP基板に格子整合するIn
GaAs層よりもInAlAs層に対し伝導帯不連続が
大きいため、InAs層から滲み出した電子も、InA
s層に隣接するInAs組成比が連続的に変化するIn
GaAs層に閉じ込められる。このInAs組成比が連
続的に変化する層は、InAs組成比0.53のInG
aAs層よりも電子輸送特性に優れているため、遮断周
波数および相互コンダクタンスを向上させることがで
き、高周波特性に優れた電界効果トランジスタを提供す
ることが可能になる。The InGaAs layer in which the InAs composition ratio is continuously changed from 1 to 0.53 from the InAs layer side to the carrier supply layer side has an InAs lattice matching with the InP substrate.
Since the conduction band discontinuity is larger in the InAlAs layer than in the GaAs layer, electrons oozing out of the InAs layer also
In in which the composition ratio of InAs adjacent to the s layer continuously changes
It is confined in the GaAs layer. This layer in which the InAs composition ratio changes continuously is composed of InG having an InAs composition ratio of 0.53.
Since it has better electron transport characteristics than the aAs layer, the cutoff frequency and the transconductance can be improved, and a field effect transistor having excellent high frequency characteristics can be provided.
【0014】また、InAs組成比を1から0.53ま
で連続的に変化させたInGaAs層を設けたことによ
り、InAs動作層の下層にInAs組成比が0.53
より高いInx Ga1-x As(0.55<x<1)層を
配することが可能になる。InAs動作層の下層に高I
nAs組成比のInGaAs層を配した場合、InAs
動作層を滲み出した電子はこのInAs層に隣接する高
InAs組成比InGaAs層に閉じ込められ、そして
この高InAs組成比InGaAs層は、InP基板に
格子整合するInAs組成比0.53のInGaAsよ
りも電子輸送特性に優れているため、より高い遮断周波
数、相互コンダクタンスを実現することが可能になる。Further, by providing the InGaAs layer in which the InAs composition ratio is continuously changed from 1 to 0.53, the InAs composition ratio is 0.53 below the InAs operation layer.
It becomes possible to arrange a higher In x Ga 1 -x As (0.55 <x <1) layer. High I below the InAs working layer
When an InGaAs layer having an nAs composition ratio is provided, InAs
Electrons that seep out of the active layer are confined in the high InAs composition InGaAs layer adjacent to the InAs layer, and the high InAs composition InGaAs layer is better than the InAs composition 0.53 InGaAs lattice-matched to the InP substrate. Because of its excellent electron transport characteristics, it is possible to realize higher cut-off frequency and transconductance.
【0015】[0015]
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。 [第1の実施例]図1(a)は、本発明の第1の実施例
を示す断面図であり、図1(b)は、その伝導帯のエネ
ルギーバンド図を示す。図1(a)に示すように、本実
施例の電界効果トランジスタは、InP基板101上
に、InAlAsバッファ層102(例えばInAs組
成比0.52、膜厚200nm)、InGaAs動作層
103(例えばInAs組成比0.53、膜厚13n
m)、InAs動作層104(例えば膜厚4nm)、I
nAs組成比を1から0.53まで連続的に変化させた
InGaAsグレーデッド動作層105(例えば膜厚2
nm)、InGaAs動作層106(例えばInAs組
成比0.53、膜厚1nm)、InAlAsスペーサ層
107(例えばInAs組成比0.52、膜厚4n
m)、InAlAsキャリア供給層108(例えばIn
As組成比0.52、膜厚20nm、ドーパントSi濃
度3×1018cm-3)、InAlAsショットキー層1
09(例えばInAs組成比0.52、膜厚20nm)
を順次成長させ、その上にソース電極110、ゲート電
極111、ドレイン電極112を形成して作製される。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. [First Embodiment] FIG. 1A is a sectional view showing a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an energy band diagram of the conduction band. As shown in FIG. 1A, in the field-effect transistor of this embodiment, an InAlAs buffer layer 102 (for example, an InAs composition ratio of 0.52 and a film thickness of 200 nm) and an InGaAs operation layer 103 (for example, InAs) are formed on an InP substrate 101. Composition ratio 0.53, film thickness 13n
m), the InAs operation layer 104 (for example, a film thickness of 4 nm),
The InGaAs graded operation layer 105 (for example, having a film thickness of 2) in which the nAs composition ratio was continuously changed from 1 to 0.53.
nm), an InGaAs active layer 106 (for example, an InAs composition ratio of 0.53, a film thickness of 1 nm), an InAlAs spacer layer 107 (for example, an InAs composition ratio of 0.52, a film thickness of 4 n)
m), InAlAs carrier supply layer 108 (for example, In
As composition ratio 0.52, film thickness 20 nm, dopant Si concentration 3 × 10 18 cm −3 ), InAlAs Schottky layer 1
09 (for example, InAs composition ratio 0.52, film thickness 20 nm)
Are sequentially grown, and a source electrode 110, a gate electrode 111, and a drain electrode 112 are formed thereon.
【0016】このように構成された電界効果トランジス
タにおいては、InAs動作層104上にInGaAs
グレーデッド層105を成長させるとき、表面自由エネ
ルギー差および界面自由エネルギーの小さい状態での成
長が可能であるため、結晶性の良好な平坦な結晶層を得
ることができる。In the field effect transistor thus configured, InGaAs is formed on the InAs operation layer 104.
When the graded layer 105 is grown, the growth can be performed in a state where the surface free energy difference and the interface free energy are small, so that a flat crystal layer with good crystallinity can be obtained.
【0017】図1(b)のエネルギーバンド図は、この
構造のInGaAs動作層付近の伝導帯の変化を示した
もので、横軸は図1(a)に示す構造の各層の厚さ、縦
軸は伝導帯エネルギーである。この図1(b)は、In
As動作層104、InAs組成比を1から0.53ま
で連続的に変化させたInGaAsグレーデッド動作層
105(膜厚2nm)の伝導帯がフェルミレベルよりも
低く、フェルミレベルより高い層、例えばIn0.53Ga
0.47AsからなるInGaAs動作層103よりも格段
高い確率で電子を閉じ込めることができることを表して
おり、高い電子輸送特性の期待されるInAs動作層1
04、高InAs組成比のInGaAsグレーデッド層
105に動作中の電子の大部分を閉じ込めることができ
ることが分かる。The energy band diagram of FIG. 1B shows the change of the conduction band near the InGaAs operation layer of this structure. The horizontal axis represents the thickness of each layer of the structure shown in FIG. The axis is the conduction band energy. This FIG. 1 (b)
The conduction band of the As operation layer 104 and the InGaAs graded operation layer 105 (2 nm in thickness) where the InAs composition ratio is continuously changed from 1 to 0.53 are lower than the Fermi level and higher than the Fermi level, for example, In. 0.53 Ga
This indicates that electrons can be confined at a much higher probability than the InGaAs active layer 103 made of 0.47 As, and that the InAs active layer 1 is expected to have high electron transport characteristics.
04, it can be seen that most of the electrons during operation can be confined in the InGaAs graded layer 105 having a high InAs composition ratio.
【0018】このような構造とすることで、動作層のう
ち高InAs組成層、すなわちInAs層104(膜厚
4nm)/InGaAsグレーデッド層105(InA
s組成比は1から0.53まで連続的に変化、膜厚2n
m)に電子の約80%を閉じ込めることができるため、
高InAs組成層のもつ高い輸送特性が反映し、高い遮
断周波数、相互コンダクタンスを示す優れた高周波特性
をもつ電界効果トランジスタが得られる。With such a structure, a high InAs composition layer among the operation layers, that is, the InAs layer 104 (4 nm thick) / InGaAs graded layer 105 (InA
s composition ratio changes continuously from 1 to 0.53, film thickness 2n
m) can confine about 80% of the electrons
Due to the high transport characteristics of the high InAs composition layer, a field effect transistor having excellent high frequency characteristics exhibiting high cutoff frequency and transconductance can be obtained.
【0019】なお、本実施例では、動作層のうち高In
As組成比の層をInP基板側から順にInAs動作層
104(膜厚4nm)/InGaAsグレーデッド動作
層105(InAs組成比は1から0.53まで連続的
に変化、膜厚2nm)としたが、InAs層104の膜
厚は1nmから8nmの範囲で変化させることができ
る。但し、InAs層104の膜厚が薄くなるにつれI
nAs層104に閉じ込めることのできる電子の割合が
低下し、またInAs層104の膜厚が4nmを越えて
厚くなるにつれ歪みエネルギーが増加し良好な結晶性を
維持することが困難となるため、InAs層104の膜
厚は3nm以上6nm以下が好ましい。また、InGa
Asグレーデッド動作層105は1nmから6nmの範
囲で変化させることができる。但し、グレーデッド動作
層105の膜厚が厚くなるにつれ電子の分布がゲート電
極から遠ざかり高周波特性の向上を妨げるため好ましく
は1nm以上4nm以下である。In this embodiment, the high In of the operating layers
The layers having the As composition ratio were the InAs operation layer 104 (film thickness 4 nm) / InGaAs graded operation layer 105 (InAs composition ratio continuously changed from 1 to 0.53, film thickness 2 nm) from the InP substrate side. And the thickness of the InAs layer 104 can be changed in the range of 1 nm to 8 nm. However, as the thickness of the InAs layer 104 becomes thinner, I
The ratio of electrons that can be confined in the nAs layer 104 decreases, and as the thickness of the InAs layer 104 exceeds 4 nm, the strain energy increases and it becomes difficult to maintain good crystallinity. The thickness of the layer 104 is preferably greater than or equal to 3 nm and less than or equal to 6 nm. Also, InGa
As graded operation layer 105 can be changed in the range of 1 nm to 6 nm. However, as the thickness of the graded operation layer 105 increases, the distribution of electrons moves away from the gate electrode and hinders the improvement of high-frequency characteristics, so that it is preferably 1 nm or more and 4 nm or less.
【0020】また、InGaAs動作層103(例えば
InAs組成比0.53、膜厚13nm)、InGaA
s動作層106(例えばInAs組成比0.53、膜厚
1nm)は無くてもよい。また、InAlAs層バッフ
ァ102、InAlAsスペーサ層107、InAlA
sキャリア供給層108、InAlAsショットキー層
109の各層のInAs組成比についても、0.52に
限定されず、例えば0〜0.6の範囲の半導体を採用す
ることが可能であり、さらに、構成物質を例えばGaA
s、AlAs、InP、AlSbなどの混晶を用いるこ
ともできる。The InGaAs active layer 103 (for example, an InAs composition ratio of 0.53 and a film thickness of 13 nm), InGaAs
The s operation layer 106 (for example, an InAs composition ratio of 0.53 and a film thickness of 1 nm) may not be provided. Further, the InAlAs layer buffer 102, the InAlAs spacer layer 107, the InAlAs layer
Also, the InAs composition ratio of each layer of the s carrier supply layer 108 and the InAlAs Schottky layer 109 is not limited to 0.52, and for example, a semiconductor in a range of 0 to 0.6 can be adopted. The material is, for example, GaAs
Mixed crystals such as s, AlAs, InP, and AlSb can also be used.
【0021】さらに、ドーピング濃度は所望の濃度とす
ることができる。また、ドーパントについても、電子を
キャリアとする場合、Si以外の例えばS、Seなどの
n型ドーパントとなるものを用いることができる。ま
た、ホールをキャリアとする電界効果トランジスタにお
いては、例えばBe、Cなどのp型ドーパントとなるも
のを用いることができる。Further, the doping concentration can be set to a desired concentration. When electrons are used as carriers, n-type dopants other than Si, such as S and Se, can also be used. In a field-effect transistor using holes as carriers, for example, a p-type dopant such as Be or C can be used.
【0022】[第2の実施例]図2(a)は、本発明の
第2の実施例を示す断面図であり、図2(b)は、その
伝導帯のエネルギーバンド図である。図2(a)に示す
本実施例の電界効果トランジスタは、InP基板201
上に、InAlAsバッファ層202(例えばInAs
組成比0.52、膜厚200nm)、InGaAs動作
層203(例えばInAs組成比0.53、膜厚9n
m)、高InAs組成比InGaAs動作層204(例
えばInAs組成比0.8、膜厚4nm)、InAs動
作層205(例えば膜厚4nm)、InAs組成比を1
から0.53まで連続的に変化させたInGaAsグレ
ーデッド動作層206(例えば膜厚2nm)、InGa
As動作層207(例えばInAs組成比0.53、膜
厚1nm)、InAlAsスペーサ層208(例えばI
nAs組成比0.52、膜厚4nm)、InAlAsキ
ャリア供給層209(例えばInAs組成比0.52、
膜厚20nm、ドーパントSi濃度3×1018c
m-3)、InAlAsショットキー層210(例えばI
nAs組成比0.52、膜厚20nm)を順次成長さ
せ、その上にソース電極211、ゲート電極212、ド
レイン電極213を形成して作製される。[Second Embodiment] FIG. 2A is a sectional view showing a second embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an energy band diagram of the conduction band. The field-effect transistor of this embodiment shown in FIG.
An InAlAs buffer layer 202 (for example, InAs
Composition ratio 0.52, film thickness 200 nm), InGaAs operation layer 203 (for example, InAs composition ratio 0.53, film thickness 9 n)
m), a high InAs composition ratio InGaAs operation layer 204 (for example, InAs composition ratio 0.8, film thickness 4 nm), an InAs operation layer 205 (for example, film thickness 4 nm), and an InAs composition ratio of 1
InGaAs graded operation layer 206 (for example, 2 nm in thickness) continuously changed from
As operation layer 207 (for example, InAs composition ratio 0.53, film thickness 1 nm), InAlAs spacer layer 208 (for example, I
nAs composition ratio 0.52, film thickness 4 nm), InAlAs carrier supply layer 209 (for example, InAs composition ratio 0.52,
Film thickness 20 nm, dopant Si concentration 3 × 10 18 c
m -3 ), the InAlAs Schottky layer 210 (for example, I
An nAs composition ratio of 0.52 and a film thickness of 20 nm are sequentially grown, and a source electrode 211, a gate electrode 212, and a drain electrode 213 are formed thereon.
【0023】図2(b)のエネルギーバンド図は、この
構造のInGaAs動作層付近の伝導帯の変化を示した
もので、横軸は図2(a)に示す構造の各層の厚さ、縦
軸は伝導帯エネルギーを示す。この図2(b)は、高I
nAs組成比InGaAs動作層204(InAs組成
比0.8)、InAs動作層205、InAs組成比を
1から0.53まで連続的に変化させたInGaAsグ
レーデッド動作層205(膜厚2nm)の伝導帯がフェ
ルミレベルよりも低く、フェルミレベルより高い層、例
えばIn0.53Ga0.47AsからなるInGaAs動作層
203よりも格段高い確率で電子を閉じ込めることがで
きることを表しており、高い電子輸送特性の期待される
高InAs組成比の動作層204、205、206に動
作中の電子の大部分を閉じ込めることができることが分
かる。The energy band diagram of FIG. 2B shows the change of the conduction band near the InGaAs operation layer of this structure. The horizontal axis represents the thickness of each layer of the structure shown in FIG. The axis indicates conduction band energy. FIG. 2B shows the high I
Conduction of nAs composition ratio InGaAs operation layer 204 (InAs composition ratio 0.8), InAs operation layer 205, and InGaAs graded operation layer 205 (film thickness 2 nm) in which InAs composition ratio is continuously changed from 1 to 0.53 This indicates that electrons can be confined with a significantly higher probability than a layer whose band is lower than the Fermi level and higher than the Fermi level, for example, the InGaAs operation layer 203 made of In 0.53 Ga 0.47 As, and high electron transport characteristics are expected. It can be understood that most of the active electrons can be confined in the active layers 204, 205, and 206 having a high InAs composition ratio.
【0024】このような構造とすることで、動作層のう
ち高InAs組成比の層、すなわちInGaAs動作層
204(InAs組成比0.8、膜厚4nm)/InA
s動作層205(膜厚4nm)/グレーデッド動作層2
06(InAs組成比は1から0.53まで連続的に変
化、膜厚2nm)に電子の約80%以上が閉じ込められ
るため、高InAs組成比層のもつ高い輸送特性が反映
し、高い遮断周波数、相互コンダクタンスを示す優れた
高周波特性をもつ電界効果トランジスタを得ることがで
きる。With such a structure, a layer having a high InAs composition ratio among the operation layers, that is, an InGaAs operation layer 204 (InAs composition ratio 0.8, film thickness 4 nm) / InA
s operation layer 205 (film thickness 4 nm) / graded operation layer 2
06 (InAs composition ratio continuously changes from 1 to 0.53, film thickness 2 nm), more than 80% of the electrons are confined, so the high transport characteristics of the high InAs composition ratio layer are reflected and the high cutoff frequency is high. Thus, it is possible to obtain a field effect transistor having excellent high frequency characteristics exhibiting mutual conductance.
【0025】本実施例においては、In0.53Ga0.47A
s組成の動作層203上に、InPとは格子定数が異な
るIn0.8 Ga0.2 As動作層(204)とInAs動
作層205を4nmずつ積層しているが、その上に成長
する動作層が組成比が徐々に変化するグレーデッド層で
あるため、このグレーデッド動作層を平坦にかつ良好な
結晶性をもつ層に形成することができる。すなわち、グ
レーデッド動作層の下層には高InAs組成比の層を8
nmに形成しても、結晶成長面に凹凸が生じないように
することができ、へテロ界面での電子の散乱による特性
劣化を防止することができる。In this embodiment, In 0.53 Ga 0.47 A
On the active layer 203 having the s composition, an In 0.8 Ga 0.2 As active layer (204) having a lattice constant different from that of InP and an InAs active layer 205 are stacked by 4 nm each. Is a graded layer that gradually changes, so that the graded operation layer can be formed as a flat layer having good crystallinity. That is, a layer having a high InAs composition ratio is 8 below the graded operation layer.
Even when the thickness is formed to be nm, it is possible to prevent the crystal growth surface from having irregularities, and to prevent deterioration of characteristics due to scattering of electrons at the hetero interface.
【0026】なお、本実施例では動作層のうち高InA
s組成比の層をInP基板側から順にInGaAs動作
層204(InAs組成比0.8、膜厚4nm)/In
As動作層205(膜厚4nm)/InGaAsグレー
デッド動作層206(InAs組成比は1から0.53
まで連続的に変化、膜厚2nm)としたが、InAs動
作層205は1nmから8nmの範囲で変化させること
ができる。但し、InAs動作層205の膜厚が薄くな
るにつれInAs動作層205に閉じ込めることのでき
る電子の割合が低下し、またInAs動作層204の膜
厚が4nmを越えて厚くなるにつれ歪みエネルギーが増
加し良好な結晶性を維持することが困難となるため、I
nAs層205の膜厚は3nm以上6nm以下とするこ
とが好ましい。In this embodiment, high InA
The layers having an s composition ratio of InGaAs in order from the InP substrate side are InGaAs operation layers 204 (InAs composition ratio 0.8, film thickness 4 nm) / In
As operation layer 205 (4 nm thick) / InGaAs graded operation layer 206 (InAs composition ratio is 1 to 0.53
The thickness of the InAs operation layer 205 can be changed in the range of 1 nm to 8 nm. However, as the thickness of the InAs operation layer 205 decreases, the proportion of electrons that can be confined in the InAs operation layer 205 decreases, and as the thickness of the InAs operation layer 204 exceeds 4 nm, the strain energy increases. Since it becomes difficult to maintain good crystallinity, I
It is preferable that the thickness of the nAs layer 205 be 3 nm or more and 6 nm or less.
【0027】また、高InAs組成比InGaAs動作
層204の組成比は0.55より高く1より低い範囲で
変化させることが可能である。但し、InAs組成比が
1に近いとき高InAs組成比層全体の歪みエネルギー
が増加し転位による結晶性の劣化が起きるためInGa
As動作層204のInAs組成比は0.65以上0.
85以下が好ましい。また、InGaAs動作層20
4、InGaAsグレーデッド動作層206の膜厚を各
々4nm、2nmとしたがInGaAs動作層204は
転位が発生しない臨界膜厚の範囲内で任意の膜厚とする
ことができ、InGaAs層206は1nmから6nm
の範囲で変化させることができる。Further, the composition ratio of the high InAs composition ratio InGaAs operation layer 204 can be changed in a range higher than 0.55 and lower than 1. However, when the InAs composition ratio is close to 1, the strain energy of the entire high InAs composition ratio layer increases, and the crystallinity is deteriorated due to dislocation.
The InAs composition ratio of the As operation layer 204 is 0.65 or more.
It is preferably 85 or less. In addition, the InGaAs operation layer 20
4. The thickness of the InGaAs graded operation layer 206 is set to 4 nm and 2 nm, respectively, but the InGaAs operation layer 204 can have any thickness within a critical thickness where dislocation does not occur, and the InGaAs layer 206 has a thickness of 1 nm. From 6nm
Can be changed within the range.
【0028】但し、InGaAs動作層204の膜厚が
厚くなるにつれ高InAs組成比層全体の歪みエネルギ
ーが増加し転位による結晶性劣化が起きるため、好まし
くは2nm以上6nm以下であり、また、InGaAs
グレーデッド動作層206については、膜厚が厚くなる
につれ電子の分布がゲート電極から遠ざかり高周波特性
の向上を妨げるため、好ましくは1nm以上4nm以下
である。また、InGaAs動作層203(InAs組
成比0.53、膜厚9nm)、InGaAs動作層20
7(InAs組成比0.53、膜厚1nm)は無くても
よい。However, as the thickness of the InGaAs active layer 204 is increased, the strain energy of the entire high InAs composition ratio layer is increased and crystallinity is deteriorated due to dislocation. Therefore, the thickness is preferably 2 nm or more and 6 nm or less.
The graded operation layer 206 preferably has a thickness of 1 nm or more and 4 nm or less because the distribution of electrons moves away from the gate electrode as the film thickness increases, preventing improvement in high-frequency characteristics. The InGaAs operation layer 203 (InAs composition ratio 0.53, film thickness 9 nm), the InGaAs operation layer 20
7 (InAs composition ratio 0.53, film thickness 1 nm) may be omitted.
【0029】また、この実施例では、InAlAs層バ
ッファ202、InAlAsスペーサ層208、InA
lAsキャリア供給層209、InAlAsショットキ
ー層210の各層のInAs組成比を0.52とした
が、この値も0から0.6程度の範囲で適宜の値を採用
することができる。また、構成物質を例えば、GaA
s、AlAs、InP、AlSbなどの混晶にすること
もできる。In this embodiment, the InAlAs layer buffer 202, the InAlAs spacer layer 208, the InAlAs layer
Although the InAs composition ratio of each layer of the lAs carrier supply layer 209 and the InAlAs Schottky layer 210 is set to 0.52, an appropriate value can be adopted in the range of about 0 to 0.6. The constituent material is, for example, GaAs
A mixed crystal such as s, AlAs, InP, and AlSb can also be used.
【0030】さらに、ドーピング濃度は所望の濃度とす
ることができる。また、ドーパントについても、電子を
キャリアとする場合、Si以外の例えばS、Seなどの
n型ドーパントとなるものを用いることができる。ま
た、ホールをキャリアとする電界効果トランジスタにお
いては、例えばBe、Cなどのp型ドーパントとなるも
のを用いることができる。Further, the doping concentration can be set to a desired concentration. When electrons are used as carriers, n-type dopants other than Si, such as S and Se, can also be used. In a field-effect transistor using holes as carriers, for example, a p-type dopant such as Be or C can be used.
【0031】[0031]
【発明の効果】以上説明したように、本発明による電界
効果トランジスタは、動作層にInGaAs(InAs
組成比は1から0.53まで連続的に変化)/InAs
構造、またInGaAs(InAs組成比は1から0.
53まで連続的に変化)/InAs/Inx Ga1-x A
s(0.55<x<1)構造を含むものであるので、I
nAs動作層(あるいはInAs動作層を含む高InA
s組成比動作層)の膜厚を厚くしてもその上に結晶成長
される動作層の結晶性を良好に維持することができる。
さらに、高い電子輸送特性をもつInAs動作層および
InGaAsグレーデッド動作層(またはInAs動作
層、InGaAsグレーデッド動作層および高InAs
組成比InGaAs動作層)に電子の大部分を蓄積でき
るようになり、高い遮断周波数および高い相互コンダク
タンスを実現することができ、優れた高周波特性を有す
る電界効果トランジスタを提供することが可能になる。As described above, the field effect transistor according to the present invention has InGaAs (InAs) in its operation layer.
The composition ratio changes continuously from 1 to 0.53) / InAs
Structure, InGaAs (InAs composition ratio is 1 to 0.
53) / InAs / In x Ga 1-x A
s (0.55 <x <1).
nAs active layer (or high InA including InAs active layer)
Even if the film thickness of the (s composition ratio operation layer) is increased, the crystallinity of the operation layer on which the crystal is grown can be favorably maintained.
Further, the InAs and InGaAs graded operation layers having high electron transport characteristics (or the InAs, InGaAs graded operation layer and the high InAs
Most of the electrons can be stored in the composition ratio (InGaAs operation layer), a high cutoff frequency and a high transconductance can be realized, and a field effect transistor having excellent high frequency characteristics can be provided.
【図1】本発明の第1の実施例の断面図とその動作層付
近の伝導帯のエネルギーバンド図。FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention and an energy band diagram of a conduction band near an operation layer thereof.
【図2】本発明の第2の実施例の断面図とその動作層付
近の伝導帯のエネルギーバンド図。FIG. 2 is a sectional view of a second embodiment of the present invention and an energy band diagram of a conduction band near an operation layer thereof.
【図3】従来例の断面図。FIG. 3 is a sectional view of a conventional example.
101、201、301 InP基板 102、202、302 InAlAsバッファ層 103、106、203、207、303、305 I
nGaAs動作層 104、205、304 InAs動作層 105、206 InGaAsグレーデッド動作層 107 208、306 InAlAsスペーサ層 108、209 InAlAsキャリア供給層 109、210、308 InAlAsショットキー層 110、211、311 ソース電極 111、212、312 ゲート電極 112、213、313 ドレイン電極 201、201、301 InP基板 204 高InAs組成比InGaAs動作層 307 n−InAlAsスペーサ層 309 n−InAlAsキャップ層 310 n−InAlAsキャップ層101, 201, 301 InP substrate 102, 202, 302 InAlAs buffer layer 103, 106, 203, 207, 303, 305 I
nGaAs operation layer 104, 205, 304 InAs operation layer 105, 206 InGaAs graded operation layer 107 208, 306 InAlAs spacer layer 108, 209 InAlAs carrier supply layer 109, 210, 308 InAlAs Schottky layer 110, 211, 311 Source electrode 111 , 212, 312 Gate electrode 112, 213, 313 Drain electrode 201, 201, 301 InP substrate 204 High InAs composition ratio InGaAs operation layer 307 n-InAlAs spacer layer 309 n-InAlAs cap layer 310 n-InAlAs cap layer
Claims (5)
ャリア供給層が形成されている電界効果トランジスタに
おいて、前記InAs動作層と前記キャリア供給層との
間にInAsの組成比が前記InAs動作層から前記キ
ャリア供給層へ向かって1から0.53にまで漸減する
グレーデッド動作層が挿入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 field effect transistor having an InAs operation layer and a carrier supply layer formed on an InP substrate, wherein the composition ratio of InAs between the InAs operation layer and the carrier supply layer is from the InAs operation layer to the InAs operation layer. A field effect transistor comprising a graded operation layer gradually decreasing from 1 to 0.53 toward a carrier supply layer.
の間にInAsの組成比が0.55以上1未満の高In
As組成比InGaAs動作層が挿入されていることを
特徴とする請求項1記載の電界効果トランジスタ。2. A high In composition ratio of InAs between said InP substrate and said InAs operation layer of not less than 0.55 and less than 1.
2. The field effect transistor according to claim 1, wherein an InGaAs operation layer having an As composition ratio is inserted.
6nm以下であることを特徴とする請求項1または2記
載の電界効果トランジスタ。3. The field effect transistor according to claim 1, wherein the thickness of the InAs operation layer is 3 nm or more and 6 nm or less.
以上4nm以下であることを特徴とする請求項1または
2記載の電界効果トランジスタ。4. The graded operation layer has a thickness of 1 nm.
3. The field-effect transistor according to claim 1, wherein the thickness is at least 4 nm.
供給層との間、および、前記InP基板と前記InAs
動作層または前記高InAs組成比InGaAs動作層
との間に、それぞれIn0.53Ga0.47Asからなる低I
nAs組成比InGaAs動作層が挿入されていること
を特徴とする請求項1または2記載の電界効果トランジ
スタ。5. The semiconductor device according to claim 1, wherein said graded operation layer and said carrier supply layer, and said InP substrate and said InAs
Between the operation layer or the high InAs composition ratio of InGaAs active layer, a low I each consisting of In 0.53 Ga 0.47 As
3. The field effect transistor according to claim 1, wherein an InGaAs operation layer having an nAs composition ratio is inserted.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7149737A JP2629652B2 (en) | 1995-05-25 | 1995-05-25 | Field effect transistor |
| DE19620889A DE19620889A1 (en) | 1995-05-25 | 1996-05-23 | Semiconductor FET with indium arsenide channel layer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7149737A JP2629652B2 (en) | 1995-05-25 | 1995-05-25 | Field effect transistor |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH08321513A JPH08321513A (en) | 1996-12-03 |
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ID=15481709
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| JP7149737A Expired - Fee Related JP2629652B2 (en) | 1995-05-25 | 1995-05-25 | Field effect transistor |
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|---|---|
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| DE (1) | DE19620889A1 (en) |
-
1995
- 1995-05-25 JP JP7149737A patent/JP2629652B2/en not_active Expired - Fee Related
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1996
- 1996-05-23 DE DE19620889A patent/DE19620889A1/en not_active Ceased
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19620889A1 (en) | 1996-11-28 |
| JPH08321513A (en) | 1996-12-03 |
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