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JPH0654784B2 - Semiconductor device - Google Patents
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JPH0654784B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JPH0654784B2
JPH0654784B2 JP59119618A JP11961884A JPH0654784B2 JP H0654784 B2 JPH0654784 B2 JP H0654784B2 JP 59119618 A JP59119618 A JP 59119618A JP 11961884 A JP11961884 A JP 11961884A JP H0654784 B2 JPH0654784 B2 JP H0654784B2
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semiconductor layer
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effect transistor
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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    • H10D30/40FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
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    • H10D84/05Manufacture or treatment characterised by using material-based technologies using Group III-V technology

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  • Bipolar Integrated Circuits (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は半導体装置、特に二次元状態に分布する高移
動度の電子及び正孔の流量を電界によって制御するコン
プリメンタリ電界効果トランジスタ用の半導体装置に関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly to a semiconductor device for a complementary field effect transistor that controls the flow rates of high mobility electrons and holes distributed in a two-dimensional state by an electric field. Regarding

(従来の技術) 電子及び正孔の伝導を利用したGaAsコンプリメンタリ電
界効果トランジスタ(以下、電界効果トランジスタをFE
Tと称する)が文献(IEEE Electron Device Letters ED
L-5,[1](1984)p.21)に開示されている。この従来の
GaAsコンプリメンタリFETの構造を第6図に断面図で示
す。第6図において、51は半絶縁性GaAs基板、T及び
はこの基板51に作り込まれたnチャンネルFET及び
pチャンネルFETである。52はSi3N4絶縁膜、53はドナー
イオンとしてSiイオンを注入したn+−GaAs領域、54はア
クセプタイオンとしてMgイオンを注入したp+−GaAs領
域、55はドナーイオンとしてSiイオンを注入したnチャ
ンネル層となるn−GaAs層、56はアクセプタイオンとし
てMgイオンを注入したpチャンネル層となるp−GaAs
層、57はnチャンネルFETTのソースとドレイン電極
となるAu・Geオーミック電極層、58はpチャンネルFET
のソースとドレイン電極となるPt/Auオーミック電
極層、59はnチャンネルFETTのゲート電極となるPt/
Auオーミック電極層、60はpチャンネルFETのゲート電
極となるAu・Geオーミック電極である。
(Prior Art) A GaAs complementary field-effect transistor (hereinafter referred to as a field-effect transistor FE) that utilizes conduction of electrons and holes.
Referred to as T) in the literature (IEEE Electron Device Letters ED
L-5 , [1] (1984) p. 21). This conventional
The structure of the GaAs complementary FET is shown in a sectional view in FIG. In FIG. 6, 51 is a semi-insulating GaAs substrate, and T 1 and T 2 are an n-channel FET and a p-channel FET built in this substrate 51. 52 is a Si 3 N 4 insulating film, 53 is an n + -GaAs region implanted with Si ions as donor ions, 54 is a p + -GaAs region implanted with Mg ions as acceptor ions, and 55 is Si ions implanted as donor ions N-GaAs layer serving as an n-channel layer, and 56 is p-GaAs serving as a p-channel layer into which Mg ions are implanted as acceptor ions.
Layer, 57 is an Au / Ge ohmic electrode layer that serves as the source and drain electrodes of the n-channel FET T 1 , 58 is a p-channel FET
The Pt / Au ohmic electrode layer serving as the source and drain electrodes of T 2 , and 59 is the Pt / Au ohmic electrode layer serving as the gate electrode of the n-channel FET T 1.
An Au ohmic electrode layer, 60 is an Au.Ge ohmic electrode that serves as a gate electrode of a p-channel FET.

各FETTびTはコンプリメンタリFETを構成するよう
に図に示す構造の外部で電気的に接続されていて、ゲー
ト電極59及び60に印加されるバイアス電圧により制御さ
れて、一方のFETT又はTがオンとなる時、他方のF
ETT又はTがオフとなるように動作する。
Each FET T 1 and T 2 is electrically connected to the outside of the structure shown in the figure so as to form a complementary FET, and is controlled by the bias voltage applied to the gate electrodes 59 and 60, so that one FET T 1 or When T 2 turns on, the other F
It operates so that ETT 2 or T 1 is turned off.

(発明が解決しようとする問題点) ところで、このような構造のnチャンネルFETT及び
pチャンネルFETTは共通の一つの半絶縁性基板51に
ドナーイオンとアクセプタイオンを注入して電子と正孔
の導電層を形成し、エンハンスメントモードで動作する
構造となっている。しかしながら、nチャンネル層55及
びpチャンネル層56をイオン注入によって形成している
ため、不純物散乱が大きくなり、そのため、電子及び正
孔の移動度が小さくなり、従って両FETT及びT
コンプリメンタリFETとして組み合わせ作動させると、
ゲート当りの遅延時間が長くなり高速作動させることが
出来ないという欠点があった。
(Problems to be Solved by the Invention) By the way, the n-channel FET T 1 and the p-channel FET T 2 having such a structure are prepared by injecting a donor ion and an acceptor ion into one common semi-insulating substrate 51 to generate electrons and holes. The conductive layer is formed to operate in the enhancement mode. However, since the n-channel layer 55 and the p-channel layer 56 are formed by ion implantation, the impurity scattering becomes large, so that the mobility of electrons and holes becomes small, and therefore both the FETs T 1 and T 2 are complemented. When operated as a combination,
There is a drawback that the delay time per gate becomes long and high speed operation cannot be performed.

この発明の目的は、低消費電力でしかも高速動作の可能
なコンプリメンタリFETとして組合わせて好適な、高移
動度の二次元電子及び正孔の流れを利用した二種類のFE
Tを具える半導体装置を提供することにある。
It is an object of the present invention to use two types of FEs utilizing a high mobility two-dimensional electron and hole flow, which are suitable for combination as a complementary FET capable of low power consumption and high speed operation.
It is to provide a semiconductor device having T.

(問題点を解決するための手段) この発明の要点は、第一導電型及び第二導電型の変調ド
ーピング層を、同一基板上に積層した多層構造中に含ま
せ、蓄積された高移動度の二次元電子と正孔の流れをゲ
ートバイアス電圧により個別に制御出来るようにしたこ
とにある。
(Means for Solving the Problems) The main point of the present invention is to include a modulation doping layer of the first conductivity type and a second conductivity type in a multi-layer structure laminated on the same substrate to accumulate high mobility. The flow of the two-dimensional electrons and holes in (3) can be controlled individually by the gate bias voltage.

従って、この発明の半導体装置によれば、同一基板の上
側に形成された第一導電型チャンネル電界効果トランジ
スタと、第二導電型チャンネル電界効果トランジスタと
を具え、 該第一導電型チャンネル電界効果トランジスタは、電子
親和力が小さく、この電子親和力とエネルギーギャップ
との和が大きく及び第一導電型不純物が添加された第一
半導体層と、該第一半導体層の上側に設けられ、電子親
和力が大きく、この電子親和力とエネルギーギャップと
の和が小さく及び不純物無添加の第二半導体層と、該第
二半導体層上に設けられた第一ソース、ドレイン及びゲ
ート電極を具え、 前記第二導電型チャンネル電界効果トランジスタは、前
記第一半導体層と、前記第二半導体層と、該第二半導体
層上に設けられ、電子親和力が小さく、この電子親和力
とエネルギーギャップとの和が大きく及び第二導電型不
純物が添加された第三半導体層と、該第三半導体層の上
側に設けらた第二ソース、ドレイン及びゲート電極を具
え、 前記第二半導体層はポテンシャルの量子井戸を形成し、
該量子井戸は第一及び第二導電型キャリアを分離して蓄
積し、該第一及び第二導電型キャリアで前記第一及び第
二導電型チャンネル電界効果トランジスタのチャンネル
をそれぞれ形成する構造となっている。
Therefore, according to the semiconductor device of the present invention, the first conductivity type channel field effect transistor includes the first conductivity type channel field effect transistor and the second conductivity type channel field effect transistor formed on the upper side of the same substrate. Is a small electron affinity, the sum of the electron affinity and the energy gap is large and the first semiconductor layer doped with the first conductivity type impurity, and provided on the upper side of the first semiconductor layer, the electron affinity is large, A second semiconductor layer having a small sum of electron affinity and energy gap and no impurities, and a first source, drain and gate electrodes provided on the second semiconductor layer, wherein the second conductivity type channel electric field The effect transistor is provided on the first semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer, and has a small electron affinity. A third semiconductor layer having a large sum of a child affinity and an energy gap and having a second conductivity type impurity added thereto, and a second source, drain and gate electrodes provided on the upper side of the third semiconductor layer, The two semiconductor layers form a quantum well of potential,
The quantum well has a structure in which first and second conductivity type carriers are separated and accumulated, and the first and second conductivity type carriers form channels of the first and second conductivity type channel field effect transistors, respectively. ing.

(作用) このような構成によれば、第一導電型チャンネル電界効
果トランジスタの第一半導体層及び第二導電型チャンネ
ル電界効果トランジスタの第三半導体層がそれぞれ変調
ドーピング層となっていて、かつ、第一導及び第二導電
型チャンネル電界効果トランジスタの第二半導体層が不
純物の少ない層であって量子井戸を形成しているので、
この量子井戸に高移動度の第一及び第二導電型キャリア
を分離して蓄積出来るため、大きな相互コンダクタンス
gmを得る。
(Operation) According to such a configuration, the first semiconductor layer of the first conductivity type channel field effect transistor and the third semiconductor layer of the second conductivity type channel field effect transistor are modulation doping layers, respectively, and Since the second semiconductor layer of the first conductivity type and the second conductivity type channel field effect transistor is a layer with few impurities and forms a quantum well,
Since high mobility first and second conductivity type carriers can be stored separately in this quantum well, a large transconductance gm is obtained.

また、このように第二半導体層が両導電型キャリアの共
通量子井戸となるように設けているので、半導体装置の
構造が全体的に簡単となり、製造工程が簡単となる。
Further, since the second semiconductor layer is thus provided so as to be a common quantum well of carriers of both conductivity types, the structure of the semiconductor device is simplified as a whole and the manufacturing process is simplified.

さらに、第一導電型チャンネル電界効果トランジスタ及
び第二導電型チャンネル電界効果トランジスタが同一基
板の上側に設けられているので、両トランジスタをコン
プリメンタリ電界効果トランジスタとして組み合わせた
場合、超低消費電力で、高速動作のコンプリメンタリ電
界効果トランジスタを得ることが出来、従って、この半
導体装置は超大規模集積回路に利用することが出来る。
Further, since the first conductivity type channel field effect transistor and the second conductivity type channel field effect transistor are provided on the upper side of the same substrate, when both transistors are combined as a complementary field effect transistor, ultra low power consumption and high speed are achieved. It is possible to obtain a complementary field effect transistor for operation, and therefore, this semiconductor device can be used for a very large scale integrated circuit.

(実施例) 以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

構造の説明 第1図(A)及び(B)はこの発明の半導体装置を構成する第
二導電型及び第一導電型チャンネル電界効果トランジス
タT及びTをそれぞれ示す略線的断面図であり、こ
れらトランジスタT及びTは基板1としての半絶縁
性GaAs基板及びその上側に積層させた不純物無添加(以
下アンドープと称する)層2としての約1000Åの厚さの
アンドープAl0.3Ga0.7As層から成る共通の下地層3上に
設けられている。
Description of Structure FIGS. 1 (A) and 1 (B) are schematic cross-sectional views showing second conductivity type and first conductivity type channel field effect transistors T 2 and T 1 , respectively, which constitute a semiconductor device of the present invention. These transistors T 1 and T 2 are a semi-insulating GaAs substrate as a substrate 1 and an undoped Al 0.3 Ga 0.7 As layer having a thickness of about 1000 Å as an undoped (hereinafter referred to as undoped) layer 2 laminated thereon. It is provided on a common underlayer 3 composed of layers.

この実施例では第一導電型をn型とし、第二導電型をp
型とする。従って、第1図(A)はpチャンネルFETT
示し、第1図(B)はnチャンネルFETTをそれぞれ示
す。
In this embodiment, the first conductivity type is n-type and the second conductivity type is p-type.
Use as a mold. Therefore, FIG. 1 (A) shows the p-channel FET T 2, and FIG. 1 (B) shows the n-channel FET T 1 .

第1図(A)及び(B)において、4は電子親和力が小さく、
この電子親和力とエネルギーギャップとの和が大きく、
かつ、第一導電型の不純物が添加された第一半導体層
で、従って、この場合には、Siが3×1018cm-3程度添加
されている厚さが約200Åのn+−Al0.3Ga0.7As層であ
る。5はこの層4上に積層した第一スペーサ層であり、
例えば、厚さ約60ÅのアンドープAl0.3Ga0.7As層であ
る。6はこの第一スペーサ層5上に積層した、例えば、
電子親和力が大きく、この電子親和力とエネルギーギャ
ップとの和が小さく及びアンドープの第二半導体層であ
るアンドープGaAs層でその厚さを約700Åとする。7は
この層6上に積層させた第二スペーサ層であり、例え
ば、約60Åの厚さのアンドープAl0.3Ga0.7As層とする。
In FIGS. 1 (A) and (B), 4 has a small electron affinity,
The sum of this electron affinity and energy gap is large,
In addition, in the first semiconductor layer doped with the first conductivity type impurity, therefore, in this case, Si is added in an amount of about 3 × 10 18 cm −3 and n + -Al 0.3 having a thickness of about 200 Å. Ga 0.7 As layer. 5 is a first spacer layer laminated on this layer 4,
For example, an undoped Al 0.3 Ga 0.7 As layer having a thickness of about 60Å. 6 is laminated on the first spacer layer 5, for example,
The electron affinity is large, the sum of the electron affinity and the energy gap is small, and the thickness of the undoped GaAs layer which is the undoped second semiconductor layer is set to about 700Å. A second spacer layer 7 is laminated on the layer 6, and is, for example, an undoped Al 0.3 Ga 0.7 As layer having a thickness of about 60Å.

8はこの層7上に積層された、例えば、電子親和力が小
さく、この電子親和力とエネルギーギャップとの和が大
きく、かつ、第二導電型不純物が添加された第三半導体
層であり、従って、この場合にはBeを3×1018cm-3程度
添加した約400Åの厚さのp+−Al0.3Ga0.7As層とする。
Reference numeral 8 denotes a third semiconductor layer laminated on the layer 7, for example, having a small electron affinity, a large sum of the electron affinity and the energy gap, and having a second conductivity type impurity added thereto. In this case, a p + -Al 0.3 Ga 0.7 As layer with a thickness of about 400 Å is prepared by adding Be in an amount of 3 × 10 18 cm -3 .

9はこの第二半導体層が形成する量子井戸中に蓄積され
る第二導電型のキャリアでこの場合には二次元正孔ガス
である。この二次元正孔ガスはアンドープGaAs層6中の
アンドープAl0.3Ga0.7As層7との接合界面に蓄積され
る。
Reference numeral 9 denotes a second-conductivity-type carrier accumulated in the quantum well formed by the second semiconductor layer, which is a two-dimensional hole gas in this case. This two-dimensional hole gas is accumulated at the junction interface with the undoped Al 0.3 Ga 0.7 As layer 7 in the undoped GaAs layer 6.

さらに、10はこのp+−Al0.3Ga0.7As層8上に設けたコン
タクト層である。このコンタクト層10を、例えば、Beを
3×1018cm-3程度添加した約500Åの厚さのp+−GaAs層
とし、このコンタクト層10によって、ソース及びゲート
間、及び、ドレイン及びゲート間の寄生抵抗を小さく出
来ると共に、オーミック電極の接触抵抗を小さくするこ
とが出来る。さらに、11及び12は第二ソース電極及び第
二ドレイン電極であって、例えば、下側のp型のコンタ
クト層10とオーミック接触を形成するAuBe電極層からな
る。13は第二ゲート電極で、例えば、下側の第三半導体
層8であるp+−Al0.3Ga0.7As層と接合を形成するための
Al電極層からなる。そして、14は第二導電型不純物を添
加した第二高不純物濃度領域で、例えば、AuBeを第二ソ
ース電極11及び第二ドレイン電極12のそれぞれの下側の
第二半導体層6に達するように拡散させたp+−領域であ
る。
Further, 10 is a contact layer provided on the p + -Al 0.3 Ga 0.7 As layer 8. This contact layer 10 is, for example, a p + -GaAs layer having a thickness of about 500 Å to which Be is added in an amount of about 3 × 10 18 cm -3. The parasitic resistance can be reduced and the contact resistance of the ohmic electrode can be reduced. Further, 11 and 12 are a second source electrode and a second drain electrode, for example, AuBe electrode layers forming ohmic contact with the lower p-type contact layer 10. Reference numeral 13 is a second gate electrode, for example, for forming a junction with the p + -Al 0.3 Ga 0.7 As layer which is the lower third semiconductor layer 8.
It consists of an Al electrode layer. Reference numeral 14 denotes a second high impurity concentration region to which a second conductivity type impurity is added. For example, AuBe reaches the second semiconductor layers 6 below the second source electrode 11 and the second drain electrode 12, respectively. This is the diffused p + − region.

このような各構成成分4〜14が第二導電型チャンネルFE
TTを形成している(第1図(A))。
Each of the constituent components 4 to 14 has a second conductivity type channel FE.
It forms TT 2 (Fig. 1 (A)).

さらに、第1図(B)に示すように、15は第一ソース電極
及び16は第一ドレイン電極であり、これらはともに、例
えば、下側の第二半導体層6とオーミックとなるAuGe電
極層であり、17は第二ゲート電極と同様な第一ゲート電
極である。18は第一導電型の不純物が添加された第一高
不純物濃度領域で、この場合、AuGeを第二ソース電極15
及び第二ドレイン電極16のそれぞれの下側の第一半導体
層4に達するように拡散形成させたn+−領域である。さ
らに、この場合には、第二スペーサ層7と第三半導体層
8は第二ゲート電極の下側にしか設けられていないの
で、第二半導体層6のアンドープGaAs層中の、アンドー
プAl0.3Ga0.7As層5との接合界面に第一導電型のキャリ
ア19である二次元電子ガスが蓄積される。
Further, as shown in FIG. 1 (B), 15 is a first source electrode and 16 is a first drain electrode, both of which are, for example, an AuGe electrode layer which is ohmic with the second semiconductor layer 6 on the lower side. And 17 is a first gate electrode similar to the second gate electrode. Reference numeral 18 denotes a first high-impurity concentration region to which an impurity of the first conductivity type is added. In this case, AuGe is used as the second source electrode 15
And the n + − region diffused to reach the first semiconductor layer 4 below the second drain electrode 16. Further, in this case, since the second spacer layer 7 and the third semiconductor layer 8 are provided only under the second gate electrode, the undoped Al 0.3 Ga in the undoped GaAs layer of the second semiconductor layer 6 is not formed. Two-dimensional electron gas, which is the first conductivity type carrier 19, is accumulated at the junction interface with the 0.7 As layer 5.

そして構成成分4〜6及び15〜19が第一導電型チャンネ
ルFETTを形成する。この場合第二ゲート電極の下側
に層7及び8を残したのは、しきい値電圧制御と密接に
関係するゲート部のエッチング量を少なくし、この構造
の半導体装置の加工を簡単にするためである。
The components 4 to 6 and 15 to 19 form the first conductivity type channel FET T 1 . In this case, leaving the layers 7 and 8 under the second gate electrode reduces the etching amount of the gate portion, which is closely related to the threshold voltage control, and simplifies the processing of the semiconductor device having this structure. This is because.

エネルギーバンド構造の説明 第2図(A)及び(B)は上述した構造のpチャンネルFETT
及びnチャンネルFETTのエネルギーバンド構造を
それぞれ示す線図である。図中20はフェルミレベルを示
し、その他の領域は第1図(A)及び(B)に示した各層及び
その他の対応する番号を付して示す。
Description of Energy Band Structure FIGS. 2 (A) and 2 (B) show the p-channel FET T having the above structure.
FIG. 3 is a diagram showing the energy band structures of a 2 and n-channel FET T 1 , respectively. In the figure, 20 indicates the Fermi level, and the other regions are indicated by the respective layers shown in FIGS. 1 (A) and (B) and other corresponding numbers.

第2図(A)に示すエネルギーバンド構造では、n+及びp+
−Al0.3Ga0.7As層4及び8が変調ドーピング層となり、
かつ、アンドープGaAs層6がポテンシャルの量子井戸と
なっている。従って、このp+−Al0.3Ga0.7As層8内の正
孔がアンドープのGaAs層6内に拡散して二次元正孔ガス
9として蓄積されている。従って、第二ソース電極11及
び第二ドレイン電極12によって、アンドープGaAs層6の
界面に平行な方向に電界を掛けると、これら二次元正孔
ガスは高移動度で伝導する。
In the energy band structure shown in FIG. 2 (A), n + and p +
-Al 0.3 Ga 0.7 As layers 4 and 8 are modulation doping layers,
Moreover, the undoped GaAs layer 6 serves as a potential quantum well. Therefore, the holes in the p + -Al 0.3 Ga 0.7 As layer 8 are diffused in the undoped GaAs layer 6 and accumulated as the two-dimensional hole gas 9. Therefore, when an electric field is applied by the second source electrode 11 and the second drain electrode 12 in a direction parallel to the interface of the undoped GaAs layer 6, these two-dimensional hole gases are conducted with high mobility.

尚、この場合、第二半導体層6の第一スペーサ層5との
接合界面に二次元電子ガスが蓄積されるとしても、第二
ソース電極及びドレイン電極11及び12の下側がp+−領域
14であるので、これら電子ガスは伝導に寄与しない。
In this case, even if the two-dimensional electron gas is accumulated at the bonding interface of the second semiconductor layer 6 with the first spacer layer 5, the lower side of the second source and drain electrodes 11 and 12 is the p + − region.
At 14, these electron gases do not contribute to conduction.

第2図(B)に示すnチャンネルFETTのバンド構造で
は、n+−Al0.3Ga0.7As層4が変調ドーピング層であり、
n+−Al0.3Ga0.7As層4内の電子がアンドープのGaAs層6
内に拡散して二次元電子ガス19として蓄積されている。
従って、第一ソース電極15及び第一ドレイン電極16によ
って、アンドープGaAs層6の界面に平行な方向に電界を
掛けると、これら二次元電子ガスは高移動度で伝導す
る。
In the band structure of the n-channel FET T 1 shown in FIG. 2 (B), the n + -Al 0.3 Ga 0.7 As layer 4 is a modulation doping layer,
Electrons in n + -Al 0.3 Ga 0.7 As layer 4 are undoped GaAs layer 6
It diffuses inside and is accumulated as a two-dimensional electron gas 19.
Therefore, when an electric field is applied by the first source electrode 15 and the first drain electrode 16 in a direction parallel to the interface of the undoped GaAs layer 6, these two-dimensional electron gases are conducted with high mobility.

動作説明 pチャンネルFETTの第二ゲート電極13に負のバイア
ス電圧を印加すると、第3図(A)に示すように、アンド
ープGaAs層6、アンドープのAl0.3Ga0.7As層7及びp+
Al0.3Ga0.7As層8のエネルギーレベルが上側へとシフト
してGaAs層6中の、アンドープのAl0.3Ga0.7As層7との
接合界面側に二次元正孔ガス9が誘起される。従って、
このGaAs層6の形成した量子井戸に二次元正孔ガス9が
層7側の接合界面に分布して蓄積されpチャンネルとな
る。そして、この二次元正孔ガス9はゲートバイアス電
圧の印加時にも層8の電位障壁が高いので、第二ゲート
電極13へ流出することがない。
Description of operation When a negative bias voltage is applied to the second gate electrode 13 of the p-channel FET T 2 , as shown in FIG. 3 (A), the undoped GaAs layer 6, the undoped Al 0.3 Ga 0.7 As layer 7 and p +
The energy level of the Al 0.3 Ga 0.7 As layer 8 shifts to the upper side, and the two-dimensional hole gas 9 is induced in the GaAs layer 6 at the junction interface side with the undoped Al 0.3 Ga 0.7 As layer 7. Therefore,
The two-dimensional hole gas 9 is distributed and accumulated at the junction interface on the layer 7 side in the quantum well formed by the GaAs layer 6 to form a p-channel. The two-dimensional hole gas 9 does not flow out to the second gate electrode 13 because the potential barrier of the layer 8 is high even when the gate bias voltage is applied.

同様に、nチャンネルFETTの第一ゲート電極17に正
のバイアス電圧を印加すると、第3図(B)に示すよう
に、アンドープGaAs層6、アンドープのAl0.3Ga0.7As層
7及びp+−Al0.3Ga0.7As層8のエネルギーレベルが下側
へとシフトしてGaAs層6中の、アンドープのAl0.3Ga0.7
As層5との接合界面側に二次元電子ガス19が誘起され、
従って、このGaAs層6の形成した量子井戸に二次元電子
ガス19が層5側の接合界面に分布して蓄積されnチャン
ネルとなる。そして、この二次元電子ガス19はゲートバ
イアス電圧の印加時にも層8の電位障壁が高いので、第
二ゲート電極17に流出することがない。
Similarly, when a positive bias voltage is applied to the first gate electrode 17 of the n-channel FET T 1 , as shown in FIG. 3 (B), the undoped GaAs layer 6, the undoped Al 0.3 Ga 0.7 As layer 7 and the p + -al 0.3 Ga 0.7 energy levels of as layer 8 is in the GaAs layer 6 is shifted to the lower side, undoped Al 0.3 Ga 0.7
Two-dimensional electron gas 19 is induced at the junction interface side with As layer 5,
Therefore, the two-dimensional electron gas 19 is distributed and accumulated at the junction interface on the layer 5 side in the quantum well formed by the GaAs layer 6 to form an n-channel. The two-dimensional electron gas 19 does not flow out to the second gate electrode 17 because the potential barrier of the layer 8 is high even when the gate bias voltage is applied.

第4図(A)及び(B)は、この発明の他の実施例を説明する
ための第一導電型チャンネルFETTの構造及びエネル
ギバンド構造を示す線図である。この実施例では、第一
ゲート電極17を第二半導体層6であるアンドープGaAs層
に直接設けた構造となっている。この場合にも、前述の
実施例の場合と同様に、このGaAs層6の形成した量子井
戸に二次元電子ガス19が層5側の接合界面に分布して蓄
積されnチャンネルとなる。そして、この二次元電子ガ
ス19はゲートバイアス電圧の印加時にも層8の電位障壁
が高いので、第二ゲート電極17に流出することがない。
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing the structure and energy band structure of the first conductivity type channel FET T 1 for explaining another embodiment of the present invention. In this embodiment, the first gate electrode 17 is directly provided on the undoped GaAs layer which is the second semiconductor layer 6. Also in this case, as in the case of the above-described embodiment, the two-dimensional electron gas 19 is distributed and accumulated at the junction interface on the layer 5 side in the quantum well formed by the GaAs layer 6 to form an n-channel. The two-dimensional electron gas 19 does not flow out to the second gate electrode 17 because the potential barrier of the layer 8 is high even when the gate bias voltage is applied.

第5図(A)及び(B)はこの発明のさらに他の実施例を説明
するためのエネルギーバンド構造を示す線図である。
5 (A) and 5 (B) are diagrams showing an energy band structure for explaining still another embodiment of the present invention.

この実施例では、第一半導体層4をBe不純物を添加して
p+−Al0.3Ga0.7As層とし、第一導電型のキャリア19を二
次元正孔ガスとし、第三半導体層8をSi不純物を添加し
てn+−Al0.3Ga0.7As層とし、コンタクト層10をn+−GaAs
層とし、第二ソース及びドレイン電極11及び12をAuGeの
オーミック電極で形成し、第二高不純物濃度領域14をAu
Geの拡散によるn+−領域とし、さらに、第一ソース及び
ドレイン電極15及び16をAuBe電極層で形成し、そして、
第一高不純物濃度領域18をAuBeの拡散によるp+−領域と
した構造の半導体装置のnチャンネルFETT及びpチ
ャンネルFETTのエネルギーバンド構造をそれぞれ示
している。この構造の場合でも前述の実施例の場合と同
様に動作する。
In this embodiment, the first semiconductor layer 4 is doped with Be impurities.
A p + -Al 0.3 Ga 0.7 As layer is used, the first conductivity type carrier 19 is used as a two-dimensional hole gas, and the third semiconductor layer 8 is doped with Si impurities to form an n + -Al 0.3 Ga 0.7 As layer. Layer 10 to n + −GaAs
Layer, the second source and drain electrodes 11 and 12 are formed of AuGe ohmic electrodes, and the second high impurity concentration region 14 is formed of Au.
N + − region by diffusion of Ge, and further, the first source and drain electrodes 15 and 16 are formed of AuBe electrode layer, and
The energy band structures of the n-channel FET T 1 and the p-channel FET T 2 of the semiconductor device having a structure in which the first high impurity concentration region 18 is a p + − region due to AuBe diffusion are shown, respectively. Even in the case of this structure, the operation is similar to that of the above-described embodiment.

尚、上述の各実施例の構造に60Å程度の厚さの第一及び
第二スペーサ層5及び7を積層させてあるが、これらス
ペーサ層5及び7は、第二半導体層6に蓄積された高移
動度の二次元電子又は正孔がこれらの層5及び7に平行
に伝導する際、第一半導体層4と、第三半導体層8内に
それぞれ形成されたSiドナーイオン及びBeアクセプター
イオンによって、クーロン散乱を受けて正孔又は電子の
移動度が低下するのを回避する働きをする。しかしなが
ら、これらスペーサ層5及び7は必ずしも必要な層では
ない。
Although the first and second spacer layers 5 and 7 having a thickness of about 60 Å are stacked in the structure of each of the above-described embodiments, these spacer layers 5 and 7 are accumulated in the second semiconductor layer 6. When a high mobility two-dimensional electron or hole is conducted in parallel to these layers 5 and 7, Si donor ions and Be acceptor ions formed in the first semiconductor layer 4 and the third semiconductor layer 8 respectively. By the Coulomb scattering, it functions to prevent the mobility of holes or electrons from decreasing. However, these spacer layers 5 and 7 are not always necessary layers.

この発明の半導体装置は上述したGaAs及びAl0.3Ga0.7As
層の組み合わせを変えても実現出来る。例えば、In0.53
Ga0.47As/InPとかGa0.47In0.53As/Al0.48In0.52Asを使
用することも出来る。この場合、GaAsをIn0.53Ga0.47As
で、Al0.3Ga0.7AsをInPで置換し、或いは、GaAsをGa
0.47In0.53Asで、Al0.3Ga0.7AsをAl0.48In0.52Asで置換
すれば良い。
The semiconductor device of the present invention includes the above-mentioned GaAs and Al 0.3 Ga 0.7 As.
It can be realized by changing the combination of layers. For example, In 0.53
Ga 0.47 As / InP or Ga 0.47 In 0.53 As / Al 0.48 In 0.52 As can also be used. In this case, GaAs is In 0.53 Ga 0.47 As
, Replace Al 0.3 Ga 0.7 As with InP, or replace GaAs with Ga.
It is sufficient to substitute 0.47 In 0.53 As and Al 0.3 Ga 0.7 As with Al 0.48 In 0.52 As.

(発明の効果) 上述した説明から明らかなように、この発明の半導体装
置によれば、第一導電型チャンネル電界効果トランジス
タの第一半導体層及び第二導電型チャンネル電界効果ト
ランジスタの第三半導体層がそれぞれ変調ドーピング層
となっていて、かつ、第一及び第二導電型チャンネル電
界効果トランジスタの第二半導体層が不純物の少ない層
であって量子井戸を形成しているので、この量子井戸に
高移動度の第一及び第二導電型キャリアを分離して蓄積
出来るため、大きな相互コンダクタンスgmを得る。
(Effect of the Invention) As is apparent from the above description, according to the semiconductor device of the present invention, the first semiconductor layer of the first conductivity type channel field effect transistor and the third semiconductor layer of the second conductivity type channel field effect transistor. Are modulation doping layers, and the second semiconductor layers of the first and second conductivity type channel field effect transistors are layers with few impurities and form a quantum well. Since the first and second conductivity type carriers having mobility can be separately stored, a large transconductance gm is obtained.

また、このように第二半導体層が両導電型キャリアの共
通量子井戸となるように設けているので、半導体装置の
構造が全体的に簡単となり、製造工程が簡単となる。
Further, since the second semiconductor layer is thus provided so as to be a common quantum well of carriers of both conductivity types, the structure of the semiconductor device is simplified as a whole and the manufacturing process is simplified.

さらに、第一導電型チャンネル電界効果トランジスタ及
び第二導電型チャンネル電界効果トランジスタが同一基
板の上側に設けられているので、両トランジスタをコン
プリメンタリ電界効果トランジスタとして組み合わせた
場合、超低消費電力で、高速動作のコンプリメンタリ電
界効果トランジスタを得ることが出来、従って、この半
導体装置は超大規模集積回路に利用することが出来る。
Further, since the first conductivity type channel field effect transistor and the second conductivity type channel field effect transistor are provided on the upper side of the same substrate, when both transistors are combined as a complementary field effect transistor, ultra low power consumption and high speed are achieved. It is possible to obtain a complementary field effect transistor for operation, and therefore, this semiconductor device can be used for a very large scale integrated circuit.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図(A)及び(B)はこの発明の半導体装置の一実施例を
説明するための略線的断面図、 第2図(A)及び(B)、及び、第3図(A)及び(B)は第1図の
構造の半導体装置の説明に供するエネルギーバンド構造
を示す線図、 第4図(A)及び(B)はこの発明の半導体装置の他の実施例
を説明するための略線的断面図及びエネルギーバンド構
造を示す線図である。 第5図(A)及び(B)はこの発明の他の実施例を説明するた
めのエネルギーバンド構造を示す線図、 第6図は従来の半導体装置を説明するための断面図であ
る。 T……第一導電型チャンネル電界効果トランジスタ T……第二導電型チャンネル電界効果トランジスタ 1……基板、2……不純物無添加層 3……下地層、4……第一半導体層 5……第一スペーサ層、6……第二半導体層 7……第二スペーサ層、8……第三半導体層 9……第二導電型のキャリア 10……コンタクト層 11……第二ソース電極、12……第二ドレイン電極 13……第二ゲート電極 14……第二高不純物濃度領域 15……第一ソース電極、16……第一ドレイン電極 17……第一ゲート電極、18……第一高不純物濃度領域 19……第一導電型のキャリア 20……フェルミレベル。
1 (A) and 1 (B) are schematic sectional views for explaining an embodiment of a semiconductor device of the present invention, FIGS. 2 (A) and (B), and FIG. 3 (A). 1 and (B) are diagrams showing an energy band structure used for explaining the semiconductor device having the structure of FIG. 1, and FIGS. 4 (A) and (B) are for explaining another embodiment of the semiconductor device of the present invention. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view and a diagram showing an energy band structure. 5 (A) and 5 (B) are schematic diagrams showing an energy band structure for explaining another embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a sectional view for explaining a conventional semiconductor device. T 1 …… first conductivity type channel field effect transistor T 2 …… second conductivity type channel field effect transistor 1 …… substrate 2 …… impurity-free layer 3 …… base layer 4 …… first semiconductor layer 5 ...... First spacer layer, 6 ...... Second semiconductor layer 7 ...... Second spacer layer, 8 ...... Third semiconductor layer 9 ...... Second conductivity type carrier 10 ...... Contact layer 11 ...... Second source electrode , 12 ...... Second drain electrode 13 ...... Second gate electrode 14 ...... Second high impurity concentration region 15 ...... First source electrode, 16 ...... First drain electrode 17 ...... First gate electrode, 18 ...... First high impurity concentration region 19 …… First conductivity type carrier 20 …… Fermi level.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】同一基板の上側に形成された第一導電型チ
ャンネル電界効果トランジスタと、第二導電型チャンネ
ル電界効果トランジスタとを具え、 該第一導電型チャンネル電界効果トランジスタは、電子
親和力が小さく、この電子親和力とエネルギーギャップ
との和が大きく及び第一導電型不純物が添加された第一
半導体層と、該第一半導体層の上側に設けられ、電子親
和力が大きく、この電子親和力とエネルギーギャップと
の和が小さく及び不純物無添加の第二半導体層と、該第
二半導体層上に設けられた第一ソース、ドレイン及びゲ
ート電極を具え、 前記第二導電型チャンネル電界効果トランジスタは、前
記第一半導体層と、前記第二半導体層と、該第二半導体
層上に設けられ、電子親和力が小さく、この電子親和力
とエネルギーギャップとの和が大きく及び第二導電型不
純物が添加された第三半導体層と、該第三半導体層の上
側に設けらた第二ソース、ドレイン及びゲート電極を具
え、 前記第二半導体層はポテンシャルの量子井戸を形成し、
該量子井戸は第一及び第二導電型キャリアを分離して蓄
積し、該第一及び第二導電型キャリアで前記第一及び第
二導電型チャンネル電界効果トランジスタのチャンネル
をそれぞれ形成する ことを特徴とする半導体装置。
1. A first conductivity type channel field effect transistor and a second conductivity type channel field effect transistor formed on the same substrate, wherein the first conductivity type channel field effect transistor has a small electron affinity. A first semiconductor layer having a large sum of the electron affinity and the energy gap and added with a first conductivity type impurity, and provided on the upper side of the first semiconductor layer and having a large electron affinity, the electron affinity and the energy gap And a second semiconductor layer having a small sum of impurities and no impurity, and a first source, drain and gate electrodes provided on the second semiconductor layer, wherein the second conductivity type channel field effect transistor is One semiconductor layer, the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer are provided on the second semiconductor layer and have a low electron affinity. A third semiconductor layer having a large sum of the second group and a second conductivity type impurity, and a second source, drain and gate electrodes provided on the upper side of the third semiconductor layer, wherein the second semiconductor layer is Forming a quantum well of potential,
The quantum well separates and stores first and second conductivity type carriers, and the first and second conductivity type carriers form channels of the first and second conductivity type channel field effect transistors, respectively. Semiconductor device.
【請求項2】第一導電型をn導電型とし、第二導電型を
p導電型としたことを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載の半導体装置。
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductivity type is an n conductivity type and the second conductivity type is a p conductivity type.
【請求項3】第一導電型をp導電型とし、第二導電型を
n導電型としたことを特徴とする特許請求の範囲第1項
記載の半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first conductivity type is p conductivity type and the second conductivity type is n conductivity type.
【請求項4】第一半導体層と第三半導体層とを同一材料
で形成したことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載
の半導体装置。
4. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first semiconductor layer and the third semiconductor layer are formed of the same material.
【請求項5】第一半導体層上に第一スペーサ層を介して
第二半導体層を設け、第二半導体層上に第二スペーサ層
を介して第三半導体層を設けたことを特徴とする特許請
求の範囲第1項記載の半導体装置。
5. A second semiconductor layer is provided on the first semiconductor layer via a first spacer layer, and a third semiconductor layer is provided on the second semiconductor layer via a second spacer layer. The semiconductor device according to claim 1.
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