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JPH0354466B2 - - Google Patents
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JPH0354466B2 - - Google Patents

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JPH0354466B2
JPH0354466B2 JP58159800A JP15980083A JPH0354466B2 JP H0354466 B2 JPH0354466 B2 JP H0354466B2 JP 58159800 A JP58159800 A JP 58159800A JP 15980083 A JP15980083 A JP 15980083A JP H0354466 B2 JPH0354466 B2 JP H0354466B2
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    • H10D62/824Heterojunctions comprising only Group III-V materials heterojunctions, e.g. GaN/AlGaN heterojunctions

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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Physical Deposition Of Substances That Are Components Of Semiconductor Devices (AREA)
  • Bipolar Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はヘテロ接合半導体デバイスに関し、特
にInP/InAlAs系のヘテロ接合を用いた電界効果
トランジスタに関する。
2つの異種半導体の接合(ヘテロ接合)は、導
電帯の底の不連続性によりヘテロ界面の低い導電
帯側に電子蓄積層を形成したりキヤリアを閉じ込
める作用があり、高速デバイスや半導体レーザ等
に利用されている。ヘテロ接合の特性は接合する
2種の半導体のエネルギ・バンド構造(エネル
ギ・バンド・ギヤツプ、電子親和度)により著し
く異なる。
従来高速デバイスに用いられてきた代表的なヘ
テロ接合はGaAs/AlGaAs系であり、GaAs
MESFET以上の高速動作を与えるが、動作層の
GaAs内でキヤリアFがΓ谷(主バンド)からL
谷(サブバンド)へ遷移しやすいため約3KV/
cm以上の電界で負性微分移動度を伴う谷間散乱が
起こり、バリステイツクデバイスや高移動度能動
デバイスを実現する上で問題があつた。
したがつて本発明の目的はGaAs/AlGaAs系
およびInGaAs系ヘテロ接合デバイスの問題点を
解決した高速デバイスを提供することにあり、こ
の目的は本発明においてInPとAlxIn1-xAs(x≒
0.48)とのヘテロ接合を用いた電界効果トランジ
スタによつて解決される。
本発明はGaAsの代わりにInPを用いる。第1
図に示すように、GaAsとInPのエネルギバンド
構造は類似するが、InPのΔE〓Lは0.53eVとGaAs
のそれの0.31eVに比べてかなり大きい。このこ
とから、負性抵抗が現われるInPのしきい電界は
GaAsに比べて約3倍大きい。また、第2図に示
すように、電子の速度の電界強度依存性はInPの
方がGaAsに比べてそのピーク電子速度は大きい
ことがわかる。さてInPを動作層、すなわち実際
にキヤリアが走行する層として用いるためには、
InPと接合する他方の半導体が電子親和度はInP
より小さいが禁制帯幅はInPより大きくかつInP
に格子整合したものでなければならない。本発明
による3元混晶AlxIn1-xAs(x≒0.48)はこれら
の条件を満足した材料である。即ちAlxIn1-xAs
(x≒0.48)のエネルギバンドギヤツプは、
1.49eVであり(InPは1.35eV)格子定数はInPに
等しい5.87Åである。またAu/InP、Au/In0.52
Al0.48Asのシヨツトキバリア障壁の高さがそれぞ
れ0.49eV、0.8eVであること、In0.53Ga0.47As/
InP、In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47Asのヘテロ接合
の導電帯底のエネルギの不連続性がそれぞれ200
meV、300〜600meVであることから、In1-xAlx
As/InP(x≒0.48)の導電帯底エネルギの不連
続性は約300meVであると考えられる。
以下添付図面を参照して本発明の具体的な実施
例を述べる。
第3図には本発明による変調ドーピングシヨツ
トキゲート電界効果トランジスタ(MESFET)
の実施例の断面構造を示す。第3図において、半
絶縁性InP基板11上に、アンドープInP層12、
0〜200ÅのアンドープAlxIn1-xAs(x≒0.48)層
13、Siドープによる厚さ500〜1000Åの1×
10181/cm3のn+型AlxIn1-xAs(x≒0.48)層14を
例えば分子線エピタキシヤル法により順次成長さ
せ、このn+型AlxIn1-xAs層14上にAlのシヨツ
トキゲート電極15とゲート電極15の両側に
AuGeNiのオーミツク電極16,17とを設けた
構造である。第4図に示すように、InPとAlx
In1-xAs(x≒0.48)との導電帯の底の不連続性の
ためにヘテロ界面のInP側に電子の蓄積が起こ
る。すなわち、InPの電子親和度が大きいためn+
型AlxIn1-xAs(x≒0.48)層内のドナーにより供
給された電子がInP側に引きつけられて電子蓄積
層が形成される。
この電子蓄積層がソースドレイン間の電気伝導
に寄与するわけであるが、InP層には不純物をド
ープしていないためにイオン化不純物散乱が少な
くなり、特にイオン化不純物散乱が支配的になる
低温でこの効果は大きく高電子移動度が得られ
る。これと同様の原理、即ちキヤリヤが発生する
ドープ領域と実際にキヤリヤが動き回るアンドー
プ領域とを空間的に分離したFETとしては、従
来GaAs/AlGaAsヘテロ接合を用いたものが知
られている。しかしアンドープGaAs動作層にお
いてキヤリヤが有効質量の小さいΓ谷から有効質
量の大きいL谷へ遷移してしまうため負性微分移
動度が現われる。またIn0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47
Asのヘテロ界面を用いたFETが最近提案されて
いるが、InGaAsにおいてもGaAsと同様に負性
抵抗の現われるしきい電界が3〜4KV/cmと低
く、低電界移動度の特徴が高電界で有効に利用さ
れ得ない。またIn0.53Ga0.47As混晶中での合金散
乱の影響もデバイス応用上問題がある。本発明に
よるFETでは動作層にInPを用いているために合
金散乱の問題はなく、また前述のようにInPは
GaAsに比べてしきい電界が高くかつピーク電子
速度が大きいため印加電圧が高くとれ高出力およ
び高速動作が可能である。
第5図はInP/InAlAs系のヘテロ接合を用いた
実空間遷移型半導体素子の参考例の断面構造を示
す。第5図において、半絶縁性InP基板21上に
AlxIn1-xAs(x≒0.48)層22とInP層23とを交
互に積層成長させる。この実施例ではダブルヘテ
ロ接合を繰り返した多重積層構造であるが、単一
ヘテロ接合の単一積層構造でもよい。24,25
はヘテロ界面に略垂直に設けられたオーミツク電
極である。前述と同様に各ヘテロ界面のInP側に
電子蓄積層が形成される。オーミツク電極24,
25間の電界を印加すると、InP中の電子は加速
されてホツトエレクトロンとなるが、InP中の上
の谷(L谷)に遷移する前にAlxIn1-xAs層中に散
乱される。AlxIn1-xAs中では電子の移動度はInP
中よりも小さいために負性微分抵抗が生じる。電
子の遷移時間は横方向の長しで決まるため、ガン
ダイオードより高周波での動作が期待できる。従
来この型の半導体素子としては、GaAs−
AlGaAsヘテロ界面を用いたものが知られてい
る。ところがGaAsではΓ谷とL谷間のエネルギ
差ΔE〓Lが0.31eVと比較的小さいため、ホツトエ
レクトロンがAlxIn1-xAs中に散乱する前にL谷に
遷移しやすい。したがつて、負性微分抵抗は得ら
れてもそれはガン効果によるものであり、純粋な
実空間遷移による負性微分抵抗という現象は実現
し難かつた。これに比べ本発明によるInP/Alx
In1-xAs(x≒0.48)ヘテロ接合を用いたものでは
InPのΔE〓Lが0.53eVと大きいため、InP中のホツ
トエレクトロンがAlxIn1-xAsに散乱する前にL谷
へ遷移するという現象が起こりにくく、高電界で
純粋な実空間遷移による負性微分抵抗が得られ
る。なお変調ドーピング法によりアンドープInP
層23とn+型AlxIn1-xAs(x≒0.48)層22とに
形成してInPの電子移動度を高めてもよい。
第6図はInP/InAlAs系のヘテロ接合を用いた
バイポーラヘテロ接合トランジスタの参考例を示
す。第6図において、n+型InP基板(n=2×
10181/cm3)31上に0.5μm厚のn-型InPコレクタ層
(1×10161/cm3)32500Å厚のp+型(1×10191/
cm3)InPベース層33、0.2μm厚のn型(2×
10171/cm3)AlxIn1-xAs(x≒0.48)エミツタ層3
4、0.2μm厚のn+型(1×10191/cm3)InPキヤツ
プ層35を備えた構造である。この構造のトラン
ジスタは、ベース、コレクタの動作層で大きな電
流密度が得られ、gnが大きいこと、フアンアウ
ト依存性が小さいこと、動作振幅が小さいことな
どの利点がある。またベース層の厚さをサブ・ミ
クロンまで縮小できるとバリステイツク動作又は
電子速度のオーバーシユート効果が可能である。
従来知られているGaAs/AlxGa1-xAs系のバイ
ポーラ・ヘテロ接合トランジスタではベース層に
GaAsを用いているため前述したようにΓ谷とL
谷間のエネルギー差ΔE〓Lが比較的小さく、帯間
フオノン散乱が生起しやすい。これに比べ本発明
によるトランジスタではInPを動作層として用い
ておりΔE〓Lが大きいので、ベース領域で帯間フ
オノン散乱されずにバリステイツク動作または電
子速度のオーバーシユート動作が起こりやすい。
このため超高速のトランジスタが実現できる。
以上のように、本発明によるInP/AlxIn1-xAs
(x≒0.48)ヘテロ接合を用いた電界効果トラン
ジスタは、従来のデバイスに比べて動作速度が高
いため、現在FET、IC、ガンダイオード等が用
いられているあらゆる分野に用いることができ、
その産業上の利用価値は極めて大きく特に高速処
理が必要な分野、例えば計算機のCPU、メモリ、
画像処理等での利用が期待できる。またInPを用
いるとしきい電界が高いことから動作電圧を高く
とれ、高出力マイクロデバイスとしても応用可能
である。
さらに、本発明の電界効果トランジスタは
InAlAs側にのみドーピングを施し、そしてInP側
に電子の蓄積を生じるようにしている。InP層は
不純物をドープしてないためにイオン化不純物散
乱が少なくなり、イオン化不純物散乱が支配的に
なる低温で高電子移動度が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図a,bはそれぞれGaAs、InPのエネル
ギバンド構造図である。第2図は、GaAs、InP
の電子速度の電界強度依存性を示す図である。第
3図は、本発明によるInP/AlxIn1-xAs(x≒
0.48)の界面を用いた変調ドープ電界効果トラン
ジスタの断面図である。第4図は、InP/Alx
In1-xAs(x≒0.48)ヘテロ界面でのエネルギバン
ド図である。第5図は、InP/AlxIn1-xAs(x≒
0.48)ヘテロ界面を用いた実空間遷移型半導体素
子の断面構造図である。第6図は、ベース層に
InP、エミツタ層にAlxIn1-xAs(x≒0.48)を用い
たバイポーラ・ヘテロ接合トランジスタの断面構
造図である。 11は、半絶縁性InP基板、12は、アンドー
プInP層、13は、50Å〜100ÅのアンドープAlx
In1-xAs(x≒0.48)層、14は、500Å〜1000Å
のSiドープ(1×10181/cm3)n+型AlxIn1-xAs(x
≒0.48)層、15は、Alのゲート電極、16,1
7は、AuGeNiオーミツク電極、21は、半絶縁
性InP基板、22は、AlxIn1-xAs(x≒0.48)層、
23は、InP層、24,25は、オーミツク電
極、31はn+型InP基板(n=2×10181/cm3)、
32は、0.5μm厚n-型InPコレクタ層(1×
10161/cm3)、33は、500Å厚p+型InPベース層
(1×10191/cm3)、34は、0.2μm厚のn型Alx
In1-xAs(x≒0.48)エミツタ層(2×10171/cm3)、
35は、0.2μm厚のn+型InPキヤツプ層(1×
10191/cm3)。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 半絶縁性InP基板上のアンドープInP層と、
    該InP層上のn+型In1-xAlxAs(x≒0.48)層とを備
    え、前記n+型In1-xAlxAs層の離隔した2領域に
    ソースおよびドレイン用のオーミツク電極をそれ
    ぞれ設け、これら電極間にゲート用のシヨツトキ
    電極を設けた電界効果トランジスタ。
JP58159800A 1983-08-31 1983-08-31 電界効果トランジスタ Granted JPS6052060A (ja)

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DE8484305925T DE3472039D1 (en) 1983-08-31 1984-08-30 Heterojunction semiconductor device
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