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JPH0695564B2 - Semiconductor integrated device - Google Patents
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JPH0695564B2 - Semiconductor integrated device - Google Patents

Semiconductor integrated device

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JPH0695564B2
JPH0695564B2 JP18235685A JP18235685A JPH0695564B2 JP H0695564 B2 JPH0695564 B2 JP H0695564B2 JP 18235685 A JP18235685 A JP 18235685A JP 18235685 A JP18235685 A JP 18235685A JP H0695564 B2 JPH0695564 B2 JP H0695564B2
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semiconductor
control electrode
ohmic
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光 樋田
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、半導体ヘテロ接合界面における高速なキャリ
アを用いた超高速半導体集積装置に関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an ultrahigh-speed semiconductor integrated device using a high-speed carrier at a semiconductor heterojunction interface.

(技術の背景と従来技術の問題点) 近年、超高速デバイスの一つとして、ヘテロ接合界面に
おける高速なキャリアを用いた電界効果型トランジスタ
(以下FETという。)が有望視されており、実際単体素
子としての高性能性も確認されてきている。
(Background of technology and problems of conventional technology) In recent years, field-effect transistors (hereinafter referred to as FETs) that use high-speed carriers at the heterojunction interface have been regarded as promising as one of ultra-high-speed devices, and in reality, they are simple substances. High performance as an element has also been confirmed.

しかしながら、従来技術(例えば、ガリウム砒素アイシ
ー・シンポジウム・テクニカル・ダイジェスト(GaAs I
C Symposium Technical Digest(1984年)頁125))に
おいては、FETのゲート電極下の一部の半導体層を堀込
んだいわゆるリセス構造を用いていたために、ゲートし
きい値電圧や他の特性の制御性及び信頼性の点で問題で
あった。つまり本来、この素子においては、半導体層の
加工精度及び損傷などによって、FETに関する特性が大
きく変化してしまうため、従来技術のままでは素子均一
性の要求の高い半導体集積装置を素子の有する高性能性
を活かした形で実現するのは困難であった。
However, prior art (eg, gallium arsenide IC Symposium Technical Digest (GaAs I
C Symposium Technical Digest (1984), page 125)) uses a so-called recess structure in which a part of the semiconductor layer under the gate electrode of the FET is dug, so control of the gate threshold voltage and other characteristics is performed. There was a problem in terms of reliability and reliability. In other words, originally, in this element, the characteristics relating to the FET greatly change due to the processing accuracy and damage of the semiconductor layer. Therefore, with the conventional technology, the semiconductor integrated device with high element uniformity demands high performance. It was difficult to realize it in a way that makes the most of it.

(発明の目的) 本発明の目的は、以上のような従来技術における欠点を
除去し、特にゲートしきい値電圧及びFET特性の制御性
が高く、しかも構成素子の選択の自由度が拡い,高信頼
な超高速半導体集積装置を提供することにある。
(Object of the Invention) The object of the present invention is to eliminate the above-mentioned drawbacks in the prior art, and in particular, the controllability of the gate threshold voltage and the FET characteristics is high, and the degree of freedom in selecting the constituent elements is increased. It is to provide a highly reliable ultra-high speed semiconductor integrated device.

(発明の構成) 本発明によれば、高抵抗基板上に高純度あるいはp型の
第1の半導体層と、該第1の半導体の有する電子親和力
より小さくn型の第2の半導体層と、p型の第3の半導
体層とが順次設けられ、該第3の半導体層上に少くとも
1つの第1の制御電極を設け、該第1の制御電極を挟ん
で、該第1の半導体層と該第2の半導体層との接合界面
に形成されるチャネル領域と電気的に接続した少くとも
2つの第1及び第2のオーミック領域を設け、少なくと
も1つの該第2のオーミック領域に対し、該第1の制御
電極と対向した該第3の半導体層上にn型の第4の半導
体層を設け、該第4の半導体層上に、該チャネル領域と
電気的に接続した少くとも1つの第3のオーミック領域
と、該第2及び第3のオーミック領域の間に第2の制御
電極を零個以上設けたことを特徴とする半導体集積装置
が得られる。
(Structure of the Invention) According to the present invention, a high-purity or p-type first semiconductor layer on a high-resistance substrate, and an n-type second semiconductor layer smaller than the electron affinity of the first semiconductor, A p-type third semiconductor layer is sequentially provided, at least one first control electrode is provided on the third semiconductor layer, and the first semiconductor layer is sandwiched by the first control electrode. And at least two first and second ohmic regions electrically connected to a channel region formed at a junction interface between the second ohmic region and the second semiconductor layer, and at least one of the second ohmic regions, An n-type fourth semiconductor layer is provided on the third semiconductor layer facing the first control electrode, and at least one n-type fourth semiconductor layer electrically connected to the channel region is provided on the fourth semiconductor layer. A second control voltage is provided between the third ohmic region and the second and third ohmic regions. A semiconductor integrated device characterized by having zero or more poles is obtained.

更に本発明によれば、高抵抗基板上に、高純度あるいは
n型の第1の半導体層と、該第1の半導体の有する電子
親和力とエネルギーギャップの和より大きく、p型の第
2の半導体層と、n型の第3の半導体層とが順次設けら
れ、該第3の半導体層上に少くとも1つの第1の制御電
極を設け、該第1の制御電極を挟んで、該第1の半導体
層と該第2の半導体層との接合界面に形成されるチャネ
ル領域と電気的に接続した少くとも2つの第1及び第2
のオーミック領域を設け、少なくとも1つの該第2のオ
ーミック領域に対し、該第1の制御電極と対向した該第
3の半導体層上にp型の第4の半導体層を設け、該第4
の半導体層上に、該チャネル領域と電気的に接続した少
くとも1つの第3のオーミック領域と、該第2及び第3
のオーミック領域の間に第2の制御電極を零個以上設け
たことを特徴とする半導体集積装置が得られる。
Further, according to the present invention, a high-purity or n-type first semiconductor layer and a p-type second semiconductor larger than the sum of the electron affinity and energy gap of the first semiconductor are provided on the high-resistance substrate. A layer and an n-type third semiconductor layer are sequentially provided, and at least one first control electrode is provided on the third semiconductor layer, and the first control electrode is sandwiched between the first and second control electrodes. At least two first and second electrical regions electrically connected to a channel region formed at a junction interface between the semiconductor layer and the second semiconductor layer.
An ohmic region is provided, and a p-type fourth semiconductor layer is provided on the third semiconductor layer facing the first control electrode for at least one of the second ohmic regions.
On the semiconductor layer, at least one third ohmic region electrically connected to the channel region, and the second and third ohmic regions.
A semiconductor integrated device is obtained in which zero or more second control electrodes are provided between the ohmic regions.

更に本発明によれば、高抵抗基板上に、高純度あるいは
p型の第1の半導体層と該第1の半導体の有する電子親
和力より小さくn型の第2の半導体層と、p型の第3の
半導体層とが順次設けられ、該第3の半導体層上に少く
とも1つの第1の制御電極を設け、該第1の制御電極を
挟んで、該第1の半導体層と該第2の半導体層との接合
界面に形成されるチャネル領域と電気的に接続した少く
とも2つの第1及び第2のオーミック領域を設け、少な
くとも1つの該第2のオーミック領域に対し、該第1の
制御電極と対向した該第3の半導体層上に、該第2のオ
ーミック領域と電気的に接続したn型の第4の半導体層
を設け、該第4の半導体層上に、少くとも該第4の半導
体層と電気的に接続した少くとも1つの第3のオーミッ
ク領域と、該第2及び第3のオーミック領域の間に第2
の制御電極を零個以上設けたことを特徴とする半導体集
積装置が得られる。
Further, according to the present invention, a high-purity or p-type first semiconductor layer, an n-type second semiconductor layer smaller than the electron affinity of the first semiconductor, and a p-type first semiconductor layer are formed on a high-resistance substrate. 3 semiconductor layers are sequentially provided, at least one first control electrode is provided on the third semiconductor layer, and the first semiconductor layer and the second control layer are sandwiched by the first control electrode. Of at least two first and second ohmic regions electrically connected to the channel region formed at the junction interface with the semiconductor layer, the first ohmic region being at least one of the second ohmic regions. An n-type fourth semiconductor layer electrically connected to the second ohmic region is provided on the third semiconductor layer facing the control electrode, and at least the fourth semiconductor layer is provided on the fourth semiconductor layer. At least one third ohmic region electrically connected to the fourth semiconductor layer; Beauty second during a third ohmic region
A semiconductor integrated device is obtained in which zero or more control electrodes are provided.

更に本発明によれば、高抵抗基板上に、高純度あるいは
n型の第1の半導体層と、該第1の半導体の有する電子
親和力とエネルギーギャップの和より大きく、p型の第
2の半導体層と、n型の第3の半導体層とが順次設けら
れ、該第3の半導体層上に少くとも1つの第1の制御電
極を設け、該第1の制御電極を挟んで、該第1の半導体
層と該第2の半導体層との接合界面に形成されるチャネ
ル領域と電気的に接続した少くとも2つの第1及び第2
のオーミック領域を設け、少なくとも1つの該第2のオ
ーミック領域に対し、該第1の制御電極と対向した該第
3の半導体層上に該第2のオーミック領域と電気的に接
続したp型の第4の半導体層を設け、該第4の半導体層
上に、少くとも該第4の半導体層と電気的に接続した少
くとも1つの第3のオーミック領域と、該第2及び第3
のオーミック領域の間に第2の制御電極を零個以上設け
たことを特徴とする半導体集積装置が得られる。
Further, according to the present invention, a high-purity or n-type first semiconductor layer and a p-type second semiconductor larger than the sum of the electron affinity and energy gap of the first semiconductor are provided on the high-resistance substrate. A layer and an n-type third semiconductor layer are sequentially provided, and at least one first control electrode is provided on the third semiconductor layer, and the first control electrode is sandwiched between the first and second control electrodes. At least two first and second electrical regions electrically connected to a channel region formed at a junction interface between the semiconductor layer and the second semiconductor layer.
Of the p-type ohmic region electrically connected to the second ohmic region on the third semiconductor layer facing the first control electrode with respect to at least one of the second ohmic regions. A fourth semiconductor layer is provided, and on the fourth semiconductor layer, at least one third ohmic region electrically connected to the fourth semiconductor layer and the second and third ohmic regions.
A semiconductor integrated device is obtained in which zero or more second control electrodes are provided between the ohmic regions.

(発明の原理・作用) 以下、図面を参照し本発明の原理と特有の作用効果を明
らかにする。説明の都合上、特定の材料を用いることに
するが、本発明の原理に照合すれば他の材料に対しても
適用できることは明らかである。
(Principle and Action of the Invention) Hereinafter, the principle of the present invention and its unique action and effect will be clarified with reference to the drawings. For convenience of explanation, a specific material will be used, but it is obvious that the invention can be applied to other materials by checking the principle of the present invention.

第1図(a)は本発明の半導体集積装置の基本的構造の
一例を示す模式的構造断面図である。
FIG. 1A is a schematic structural sectional view showing an example of the basic structure of a semiconductor integrated device of the present invention.

第1図(a)において、11は高抵抗基板であり、12は高
純度あるいはp型の第1の半導体層、13はこの第1の半
導体層12の電子親和力よりも小さい電子親和力を有し、
かつn型の第2の半導体層、14はp型の第3の半導体
層、15はn型の第4の半導体層、16,18及び19はオーミ
ック性電極、17は制御電極である。
In FIG. 1A, 11 is a high-resistance substrate, 12 is a high-purity or p-type first semiconductor layer, and 13 has an electron affinity smaller than that of the first semiconductor layer 12. ,
An n-type second semiconductor layer, 14 is a p-type third semiconductor layer, 15 is an n-type fourth semiconductor layer, 16, 18 and 19 are ohmic electrodes, and 17 is a control electrode.

第1図(b)及び第1図(c)は、第1図(a)に示し
た本発明にかかる半導体集積装置において、それぞれ熱
平衡状態下における制御電極17直下及び第4の半導体層
15の表面下でのエネルギーバンド図の一例である。第1
図(b)及び第1図(c)において、ECは伝導帯下端の
エネルギー準位、EFはフェルミ準位を示している。ここ
に示した第1図(a),(b)及び(c)は、ノーマリ
オフ型のFET(第1図(a)の左側)と電流飽和型抵抗
(第1図(a)の右側を集積した場合を表わしている。
1 (b) and 1 (c) show the semiconductor integrated device according to the present invention shown in FIG. 1 (a) under the control electrode 17 and the fourth semiconductor layer under thermal equilibrium state, respectively.
It is an example of the energy band diagram under the surface of 15. First
In FIG. 1B and FIG. 1C, E C is the energy level at the bottom of the conduction band, and E F is the Fermi level. 1 (a), (b) and (c) shown here integrate a normally-off type FET (left side of FIG. 1 (a)) and a current saturation type resistor (right side of FIG. 1 (a)). This shows the case where the

本発明の基本原理は、半導体層を結晶成長した時点で既
に所望のゲートしきい値電圧VTを決定することによっ
て、半導体集積装置に組込まれる素子のVTや他の特性を
均一に制御することにある。即ち、例えば第1図(a)
において、第2および第3の半導体層13と14の膜厚及び
不純物密度を適当な値に設定することにより、第2と第
3の半導体層13及び14の界面における電位を高め、従っ
て、熱平衡状態下において、第1図(b)に示したよう
に第1と第2の半導体層12及び13のヘテロ接合界面にキ
ャリア(今の場合電子)が存在しない状態、つまりノー
マリオフの状態を生じさせることができる。更に、例え
ば第1図(a)において、第4の半導体層15の膜厚及び
不純物密度を適当な値に設定することにより、第2と第
3の半導体層13及び14の界面における電位を下げ、従っ
て、熱平衡状態下において第1図(c)に示したように
第1と第2の半導体層12及び13のヘテロ接合界面にキャ
リアが存在する状態、つまり実質的ノーマリオンの状態
を生じさせることができる。
The basic principle of the present invention is to uniformly control V T and other characteristics of elements incorporated in a semiconductor integrated device by determining a desired gate threshold voltage V T at the time of crystal growth of a semiconductor layer. Especially. That is, for example, FIG. 1 (a)
By setting the film thicknesses and the impurity densities of the second and third semiconductor layers 13 and 14 to appropriate values, the electric potential at the interface between the second and third semiconductor layers 13 and 14 is increased, and therefore the thermal equilibrium is increased. In this state, as shown in FIG. 1 (b), carriers (currently electrons) do not exist at the heterojunction interface between the first and second semiconductor layers 12 and 13, that is, a normally-off state is generated. be able to. Further, in FIG. 1A, for example, the potential at the interface between the second and third semiconductor layers 13 and 14 is lowered by setting the film thickness and impurity density of the fourth semiconductor layer 15 to appropriate values. Therefore, under the thermal equilibrium state, carriers are present at the heterojunction interface between the first and second semiconductor layers 12 and 13 as shown in FIG. 1C, that is, a substantially normally-on state is generated. be able to.

以下、本発明の基本原理について更に詳しく説明する。
第1図(a)において、まず制御電極17を有するノーマ
リオフ型のFET(以下E-FETと記す。)のVTの設計指針に
ついて述べる。第1図(b)を参照すると、このVTは第
2の半導体層13のピルトイン電圧をVbi、第1及び第2
半導体層12及び13のヘテロ接合界面の伝導帯下端のエネ
ルギー差を△EC、第1の半導体層12のECとEFとのエネル
ギー差をδ、熱平衡状態での第2及び第3の半導体層13
及び14の界面の電位とEFのエネルギー差をVinとする
と、近似的に次式で与えられることが分る。
Hereinafter, the basic principle of the present invention will be described in more detail.
First, in FIG. 1 (a), a design guideline for V T of a normally-off type FET (hereinafter referred to as E-FET) having a control electrode 17 will be described. Referring to FIG. 1 (b), this V T is the Pilt-in voltage of the second semiconductor layer 13 is Vbi,
The energy difference at the bottom of the conduction band at the heterojunction interface between the semiconductor layers 12 and 13 is ΔE C , the energy difference between E C and E F of the first semiconductor layer 12 is δ, and the second and third thermal equilibrium states are Semiconductor layer 13
And 14 interface the energy difference between the potential and E F in When Vin, it can be seen that given approximately by the following equation.

VT=Vin−Vbi−△EC−δ (1) ここで、近似的にδ=0として例えばE-FETのVTを零に
設計する場合(1)式より Vbi=Vin−△EC (2) となる。この時Vinは第2及び第3の半導体層13及び14
の不純物密度と膜厚によって主として決定される。しか
しながら、第3の半導体層14の不純物密度を第2の半導
体層のそれに比べ十分大きく(例えば10倍程度)、しか
も高不純物密度にすれば、このVbiの値は第3の半導体
層14の にほぼ等しくなる。従って、(2)式は となる。ここで、第2の半導体層13の不純物密度を とし、qを電子の電荷量とすると、 で与えられる。従って、(3),(4)式より となり、この式(5)に従う を第2の半導体層13に用いればTT0のE-FETが実現さ
れる。
V T = Vin-Vbi- △ E C -δ (1) where, approximately Vbi than (1) to be designed as a [delta] = 0 to zero the V T of the E-FET for example = Vin- △ E C (2) At this time, Vin is the second and third semiconductor layers 13 and 14
It is mainly determined by the impurity density and the film thickness. However, if the impurity density of the third semiconductor layer 14 is sufficiently higher than that of the second semiconductor layer (for example, about 10 times), and if the impurity density is made high, the value of this Vbi is equal to that of the third semiconductor layer 14. Is almost equal to. Therefore, equation (2) is Becomes Here, the impurity density of the second semiconductor layer 13 And q is the electron charge amount, Given in. Therefore, from equations (3) and (4) And follows this formula (5) Is used for the second semiconductor layer 13, an E-FET with T T 0 is realized.

一方、第1図(a)において、電極18と19を有す例えば
第1及び第2の半導体層12及び13のヘテロ接合界面の2
次元電子ガスをキャリアに用いる電流飽和型抵抗の設計
指針について述べる。先に述べたように、E-FETを構成
する第2及び第3の半導体層13及び14の接合によって、
第1及び第2の半導体層12及び13のヘテロ接合界面には
熱平衡状態でチャネルが形成されないノーマリオフの状
態が実現されている。しかしながら、第3の半導体層14
の膜厚d3を十分薄くし、しかもこの半導体層14の不純物
密度とほぼ同等かあるいはそれ以上の不純物密度の第4
の半導体層15を設けることにより、第3の半導体層14は
完全空乏化し、実質的にVinが小さくなって、(1)式
で示したいわゆるFETとして見たVTが負側に移行し、従
って第1及び第2の半導体層12及び13のヘテロ接合界面
にチャネルが形成される。ここで、設計上第3の半導体
層14の膜厚d3とアクセプタ不純物密度NA及び第4の半導
体層15の膜厚d4は以下の式に従わなければならない。即ち、電束密度連
続の法則に従って の条件が備足される。ここで▲d ▼は第2の半導体
層13の第3の半導体層14との界面からの空乏層幅、▲d
▼は第3の半導体層14の第2の半導体層13との界面
からの空乏層幅、▲d ▼は第3の半導体層14の第4
の半導体層15との界面からの空乏層幅、▲d ▼は第
4の半導体層15の第3の半導体層14との界面からの空乏
層幅、 は第4の半導体層15のドナー不純物密度である。従って
第3の半導体層14に関しては、次式 ▲d ▼≦d3<▲d ▼+▲d ▼ (8) を満足する必要がある。また、第4図の半導体層15に関
しては、今の場合抵抗の飽和電流の設計値に依存するも
のの、この膜厚d4については d4≧▲d ▼ (9) を満足する必要がある。また に関しては少くとも第3の半導体層14との界面近傍で高
くすることが望ましい。
On the other hand, in FIG. 1 (a), for example, two of the heterojunction interfaces of the first and second semiconductor layers 12 and 13 having the electrodes 18 and 19 are formed.
The design guideline of the current-saturation type resistor which uses the dimensional electron gas as the carrier is described. As described above, by the junction of the second and third semiconductor layers 13 and 14 which form the E-FET,
At the heterojunction interface between the first and second semiconductor layers 12 and 13, a normally-off state in which no channel is formed in a thermal equilibrium state is realized. However, the third semiconductor layer 14
The thickness d 3 of the semiconductor layer 14 is sufficiently thin, and the impurity density of the fourth layer is substantially equal to or higher than the impurity density of the semiconductor layer 14.
By providing the semiconductor layer 15 of, the third semiconductor layer 14 is completely depleted, Vin is substantially reduced, V T seen as a so-called FET shown in the equation (1) shifts to the negative side, Therefore, a channel is formed at the heterojunction interface between the first and second semiconductor layers 12 and 13. Here, by design, the film thickness d 3 of the third semiconductor layer 14, the acceptor impurity density N A, and the film thickness d 4 of the fourth semiconductor layer 15 are Must follow the formula: That is, according to the law of continuous electric flux density The condition of is satisfied. Here, ▲ d 2 ▼ is the width of the depletion layer from the interface of the second semiconductor layer 13 with the third semiconductor layer 14, and ▲ d
3 ▼ is the depletion layer width from the interface of the third semiconductor layer 14 with the second semiconductor layer 13, and ▲ d 3 ▼ is the fourth depletion of the third semiconductor layer 14.
Width of the depletion layer from the interface with the semiconductor layer 15 of ( 4) , (d 4) is the width of the depletion layer from the interface of the fourth semiconductor layer 15 with the third semiconductor layer 14, Is the donor impurity density of the fourth semiconductor layer 15. Therefore, it is necessary for the third semiconductor layer 14 to satisfy the following formula: ▲ d 3 ▼ ≦ d 3 <▲ d 3 ▼ + ▲ d 3 ▼ (8). With respect to 15, although it depends on the design value of the saturation current of the resistance in this case, it is necessary to satisfy d 4 ≧ ▲ d 4 ▼ (9) for this film thickness d 4 . With regard to the above, it is desirable that the height be at least near the interface with the third semiconductor layer 14.

一方、例えば第4の半導体層15中に存在する電子をキャ
リアに用いる電流飽和型抵抗の設計指針について述べ
る。この場合前述した(9)式の条件が必要なくなり、
代わって次式を満足する必要が出てくる。
On the other hand, a design guideline for a current-saturation-type resistor that uses, for example, electrons existing in the fourth semiconductor layer 15 as carriers will be described. In this case, the condition of equation (9) described above is no longer necessary,
Instead, it becomes necessary to satisfy the following formula.

d4<▲d ▼ (10) この場合、第2,第3及び第4の不純物密度、膜厚の設定
によっては、第1及び第2の半導体層12及び13のヘテロ
接合界面の2次元電子ガスの存在を無くし、事実上第4
の半導体層15中のキャリアのみを負荷側の伝導キャリア
として調べる。勿論、両方のキャリアを存在させて、利
用することも可能である。また、電極18及び19の間に第
2の制御電極を例えば設けることにより、ノーマリオン
型のFETを形成できることは明白である。
d 4 <▲ d 4 ▼ (10) In this case, depending on the settings of the second, third and fourth impurity densities and the film thickness, two of the heterojunction interfaces of the first and second semiconductor layers 12 and 13 may be formed. Eliminates the existence of three-dimensional electron gas, and is effectively the fourth
Only the carriers in the semiconductor layer 15 are examined as conduction carriers on the load side. Of course, both carriers can be made to exist and used. It is also clear that a normally-on FET can be formed, for example by providing a second control electrode between the electrodes 18 and 19.

ところで製作上、制御電極17を第3の半導体層上に形成
するために、この領域では少くとも第4の半導体層15を
除去する必要がある。しかしながら除去時における加工
精度は第3の半導体層14の膜厚の均一性に影響を与える
だけで、この部分のFETのVTは第2の第3の半導体層13
及び14の接合面でほぼ決定されるため、FETのVT及び特
性への影響はほとんど無視できる。また加工による表面
損傷も同様にほとんど特性に関与しない。
Incidentally, in manufacturing, in order to form the control electrode 17 on the third semiconductor layer, it is necessary to remove at least the fourth semiconductor layer 15 in this region. However, the processing accuracy at the time of removal only affects the uniformity of the film thickness of the third semiconductor layer 14, and the V T of the FET in this portion is determined by the second third semiconductor layer 13
The effect on the V T and characteristics of the FET is almost negligible as it is largely determined at the junctions of 14 and 14. Similarly, surface damage due to processing hardly contributes to the characteristics.

従って、本発明によってFETのVT及び他の特性がほとん
どバラツクことなく均一で、しかもノーマリオン型及び
ノーマリオフ型の両方を有した超高速半導体集積装置を
作り出すことができることは明らかである。
Therefore, it is clear that the present invention makes it possible to produce an ultrahigh-speed semiconductor integrated device in which the V T and other characteristics of the FET are substantially uniform and have both normally-on type and normally-off type.

(実施例) 次に本発明の実施例について説明する。本実施例におけ
るFETの模式的構造断面図は第1図(a)と同様であ
る。本実施例においては、高抵抗基板11に高抵抗GaAs基
板を、第1の半導体層12に不純物密度が1×1015cm-3
下で膜厚1μmののノンドープGaAsを、第2の半導体層
13にドナー不純物密度が2×1018cm-3程度で膜厚約350
Å程度のn型Al0.3Ga0.7Asを、第3の半導体層14にアク
セプタ不純物密度が2×1019cm-3程度で膜厚約100Åの
p型のGaAsを、第4の半導体層15にドナー不純物密度が
1×1019cm-3程度で膜厚約250Åのn型のGaAsをそれぞ
れ例えば分子線エピタキシー(MBE)法により形成し、
オーミック性電極16,18及び19にAuGa/Niによる電極を、
制御電極17にアルミニウム(Al)による電極を形成す
る。本例における熱平衡状態下でのエネルギーバンド図
は、第2と第3の半導体層13及び14のヘテロ接合界面の
伝導帯下端のエネルギー準位の不連続値△EC(〜0.3e
V)の考慮が必要であるが、基本的に第1図(b)及び
第1図(c)に示したものと同様である。即ち、制御電
極17直下ではノーマリオフの状態であり、第4の半導体
層15直下ではノーマリオンの状態になっている。つまり
本例においてはノーマリオフ型FETと電流飽和型抵抗か
らなるインバーター回路が構成されていることになる。
尚本例における第4の半導体層の膜厚及び不純物密度は
表面空乏層の拡がり幅を若干考慮し、第3及び第4の半
導体層14及び15が完全に空乏化するように設計している
ため、これら2つの半導体層14及び15は伝導に寄与する
ことはなく、本例におけるチャネルは第1と第2の半導
体層12及び13のヘテロ接合界面に形成された高速な2次
元電子層20のみである。ここで本例におけるE-FETのVT
はほぼ0Vであり、電流飽和型抵抗の実質上のVTに相当す
る値、つまり例えばAlによるショットキー電極を電極18
と19の間の第4の半導体層上に設けたノーマリオン型の
FETのVTとして与えられる値はほぼ−0.6Vであった。
尚、制御電極17を形成するために必要な第4の半導体層
15のエッチングによるVTの変動はほとんど見られず、2
インチ基板面内におけるVT及び相互コンダクタンスgmの
バラツキは極めて少なかった。
(Example) Next, the Example of this invention is described. A schematic structural sectional view of the FET in this embodiment is similar to that shown in FIG. In this embodiment, the high resistance substrate 11 is a high resistance GaAs substrate, the first semiconductor layer 12 is an undoped GaAs film having an impurity density of 1 × 10 15 cm −3 or less and a film thickness of 1 μm, and the second semiconductor layer is a second semiconductor layer.
13, the donor impurity density is about 2 × 10 18 cm -3 and the film thickness is about 350.
N-type Al 0.3 Ga 0.7 As of about Å is used as the fourth semiconductor layer 15 in the third semiconductor layer 14 with p-type GaAs having an acceptor impurity density of about 2 × 10 19 cm -3 and a film thickness of about 100 Å. N-type GaAs having a donor impurity density of about 1 × 10 19 cm -3 and a film thickness of about 250 Å is formed by, for example, molecular beam epitaxy (MBE),
AuGa / Ni electrodes are used for the ohmic electrodes 16, 18 and 19.
An electrode made of aluminum (Al) is formed on the control electrode 17. The energy band diagram under the thermal equilibrium state in this example is a discontinuity value ΔE C (~ 0.3e) of the energy level at the bottom of the conduction band at the heterojunction interface between the second and third semiconductor layers 13 and 14.
Although V) needs to be considered, it is basically the same as that shown in FIGS. 1 (b) and 1 (c). That is, the region immediately below the control electrode 17 is in the normally-off state, and the region directly below the fourth semiconductor layer 15 is in the normally-on state. That is, in this example, an inverter circuit including a normally-off type FET and a current saturation type resistor is configured.
The film thickness and impurity density of the fourth semiconductor layer in this example are designed so that the third and fourth semiconductor layers 14 and 15 are completely depleted in consideration of the spread width of the surface depletion layer. Therefore, these two semiconductor layers 14 and 15 do not contribute to conduction, and the channel in this example is a high-speed two-dimensional electron layer 20 formed at the heterojunction interface between the first and second semiconductor layers 12 and 13. Only. Here, V T of the E-FET in this example
Is almost 0 V, which is a value corresponding to the substantial V T of the current saturation resistance, that is, a Schottky electrode made of, for example, Al.
Of the normally-on type provided on the fourth semiconductor layer between
The value given as V T of the FET was approximately -0.6V.
The fourth semiconductor layer necessary for forming the control electrode 17
Almost no change in V T due to etching of 15 was observed, and 2
The variations in V T and transconductance gm in the inch substrate plane were extremely small.

尚、本例に用いた電流飽和型抵抗の代わりに、ノーマリ
オン型のFET(D-FET)を用いることも容易に実現でき
る。即ち、オーミック性電極18及び19の間の第4の半導
体層上に例えばAlによるショットキ電極を形成し、この
ショットキ電極に印加された電圧により、2次元電子層
20の導伝度を変化させる。例えば、このショットキ電極
とオーミック性電極18を短絡することにより、高速なイ
ンバーター回路を実現できる。また、本例では第1図
(a)に示したように電極16と17及び電極18と17の間の
第3及び第4の半導体層を除去しているが、除去しなく
ても2次元電子チャネルをこの領域下において形成でき
ることから、除去する必要は必ずしもない。更に、電極
16,17,18及び19には金属を用いる必要はなく、例えば高
不純物密度の半導体層を例えば、気相成長法によって形
成することも可能である。尚、電極18は今の場合半導体
層14及び15に接触する必要はない。
It should be noted that a normally-on type FET (D-FET) can be easily realized instead of the current saturation type resistor used in this example. That is, a Schottky electrode made of, for example, Al is formed on the fourth semiconductor layer between the ohmic electrodes 18 and 19, and the voltage applied to the Schottky electrode causes the two-dimensional electronic layer to be formed.
Change the conductivity of 20. For example, by short-circuiting the Schottky electrode and the ohmic electrode 18, a high speed inverter circuit can be realized. In this example, the third and fourth semiconductor layers between the electrodes 16 and 17 and the electrodes 18 and 17 are removed as shown in FIG. It is not necessary to remove it because the electron channel can be formed under this region. Furthermore, the electrode
It is not necessary to use metal for 16, 17, 18 and 19, and it is also possible to form a semiconductor layer having a high impurity density by, for example, a vapor phase growth method. It should be noted that the electrode 18 does not have to contact the semiconductor layers 14 and 15 in this case.

また、前記ヘテロ接合界面の2次元電子の移動度を高め
るために、第1及び第2の半導体層12及び13の接合界面
にスペーサ層と呼ばれる高純度の半導体層、例えばAlGa
Asを用いることも可能である。尚、半導体素子の集積化
に重要な素子間分離に関しては、本構造がほぼプレーナ
型であるため、メサエッチングあるいは酸素イオン、ボ
ロンイオン及びプロトンなどのイオン注入による素子間
分離を容易に行える。
In order to increase the mobility of two-dimensional electrons at the heterojunction interface, a high-purity semiconductor layer called a spacer layer, for example, AlGa, is formed at the junction interface between the first and second semiconductor layers 12 and 13.
It is also possible to use As. With respect to element isolation, which is important for integration of semiconductor elements, since this structure is almost planar, element isolation can be easily performed by mesa etching or ion implantation of oxygen ions, boron ions, protons and the like.

(第2の発明について) 以上の第1の発明の説明では、キャリアが電子となる場
合について述べたが、キャリアが正孔の場合についても
本発明の原理は同様に適用できる。この場合には、正孔
が価電子帯に蓄積されるために電子の場合とは多少異な
る。
(Regarding the Second Invention) In the above description of the first invention, the case where the carrier is an electron has been described, but the principle of the present invention can be similarly applied to the case where the carrier is a hole. In this case, holes are somewhat different from the case of electrons because holes are accumulated in the valence band.

第2図(a)は、本発明による正孔チャネルを有する場
合の半導体集積装置の基本的構造の一例を示す模式的構
造断面図である。
FIG. 2A is a schematic structural cross-sectional view showing an example of the basic structure of a semiconductor integrated device having a hole channel according to the present invention.

第2図(a)において、2は高抵抗基板であり、22は高
純度あるいはn型の第1半導体層、23はこの第1の半導
体層22の有する電子親和力とエネルギーギャップの和よ
りも大きい電子親和力とエネルギーギャップの和を有
し、かつp型の第2の半導体層、24はn型の第3の半導
体層、25はp型の第4の半導体層、26,28及び29はオー
ミック性電極、27は制御電極である。
In FIG. 2A, 2 is a high-resistance substrate, 22 is a high-purity or n-type first semiconductor layer, and 23 is larger than the sum of electron affinity and energy gap of the first semiconductor layer 22. It has a sum of electron affinity and energy gap and is a p-type second semiconductor layer, 24 is an n-type third semiconductor layer, 25 is a p-type fourth semiconductor layer, and 26, 28 and 29 are ohmic. And 27 is a control electrode.

第2図(b)及び第2図(c)は、第2図(a)に示し
た本発明にかかる半導体集積装置において、それぞれ熱
平衡状態下における制御電極27直下及び第4の半導体層
25の表面下でのエネルギーバンド図の一例である。
2 (b) and 2 (c) show the semiconductor integrated device according to the present invention shown in FIG. 2 (a) immediately below the control electrode 27 and the fourth semiconductor layer under thermal equilibrium, respectively.
It is an example of the energy band diagram under the surface of 25.

第2図(b)及び(c)において、EFはフェルミン準
位、EVは価電子帯上端のエネルギー準位、30は2次元正
孔層を示している。ここに示した第2図(a),(b)
及び(c)は、ノーマリオフ型のFETと電流飽和型抵抗
を集積した場合を表わしている。
In FIGS. 2B and 2C, E F is the Fermin level, E V is the energy level at the top of the valence band, and 30 is the two-dimensional hole layer. 2 (a) and 2 (b) shown here.
(C) shows the case where a normally-off type FET and a current saturation type resistor are integrated.

本発明による半導体集積装置が、第1の発明の説明で示
したキャリアに電子を用いた場合と原則的に同様の原
理,作用及び効果を有していることは言うまでもない。
It goes without saying that the semiconductor integrated device according to the present invention has, in principle, the same principle, action, and effect as in the case where electrons are used as the carriers described in the description of the first invention.

(実施例) 次に正孔をキャリアとして用いる第2の発明の1つの実
施例について説明する。本実施例における半導体集積装
置の模式的構造断面図は第2図(a)と同様である。本
実施例においては、21に高抵抗GaAs基板を、22に不純物
密度が1×1015cm-3程度以下で膜厚1μmのノンドープ
Geを、23にアクセプタ不純物密度が3×1018cm-3程度で
膜厚約300Åのp型のGaAsを、24にドナー不純物密度が
2×1019cm-3程度で膜厚約100Åのn型のGaAsを、25に
アクセプタ不純物密度が1×1019cm-3程度で膜厚約300
Åのp型のGaAsをそれぞれ例えばMBE法により形成し、
オーミック性電極26,28及び29にAuZnによる電極を、制
御電極27にAlによる電極を形成する。本例における熱平
衡状態下でのエネルギーバンド図は基本的に第2図
(b)及び第2図(c)に示したものと同様である。即
ち、制御電極27直下ではノーマリオフの状態であり、第
4の半導体層25直下でノーマリオンの状態になってい
る。つまり、本例においては、E-FETと電流飽和型抵抗
からなるインバーター回路が構成されている。尚、本例
では第3及び第4の半導体層24及び25は完全に空乏化し
ていることが望ましい。ここで、本例におけるE-FETのV
Tはほぼ0Vである。尚、制御電極27を形成するために必
要な第4の半導体層25のエッチングによるVTの変動はほ
とんど見られず、コインチ基板面内におけるVT及びgmの
バラツキは極めて少なかった。
(Example) Next, one example of the second invention using holes as carriers will be described. A schematic structural sectional view of the semiconductor integrated device in the present embodiment is similar to FIG. In this embodiment, 21 is a high resistance GaAs substrate and 22 is a non-doped film having an impurity density of about 1 × 10 15 cm −3 or less and a film thickness of 1 μm.
Ge, 23 is p-type GaAs with an acceptor impurity density of about 3 × 10 18 cm -3 and a film thickness of about 300Å, 24 is n with a donor impurity density of about 2 × 10 19 cm -3 and a film thickness of about 100Å. -Type GaAs with an acceptor impurity density of about 1 × 10 19 cm -3 and a film thickness of about 300
Å p-type GaAs is formed by, for example, the MBE method,
AuZn electrodes are formed on the ohmic electrodes 26, 28 and 29, and Al electrodes are formed on the control electrode 27. The energy band diagram under the thermal equilibrium state in this example is basically the same as that shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c). That is, the region immediately below the control electrode 27 is in the normally-off state, and the region directly below the fourth semiconductor layer 25 is in the normally-on state. That is, in this example, an inverter circuit including an E-FET and a current saturation type resistor is configured. In this example, it is desirable that the third and fourth semiconductor layers 24 and 25 are completely depleted. Here, V of E-FET in this example
T is almost 0V. It should be noted that there was almost no change in V T due to the etching of the fourth semiconductor layer 25 necessary for forming the control electrode 27, and the variations in V T and gm within the plane of the coninch substrate were extremely small.

更に本発明においても、電子チャネルを用いる第1の発
明の実施例で述べた内容は原則的にそのまま適用できる
ことは言うまでもない。
Further, it goes without saying that the contents described in the first embodiment of the invention using the electron channel can be applied to the present invention as they are in principle.

(第3の発明について) 以上の第1及び第2の発明の説明では、負荷側の伝導キ
ャリアにヘテロ接合界面の2次元キャリアを用いた場合
について述べたが、負荷側の伝導キャリアに半導体層の
バルク中のキャリアを用いた場合についても本発明の基
本原理は同様に適用できる。
(Regarding the Third Invention) In the above description of the first and second inventions, the case where the two-dimensional carrier at the heterojunction interface is used as the load-side conductive carrier has been described. The basic principle of the present invention can be similarly applied to the case where the carrier in the bulk is used.

第3図(a)は、本発明による負荷側にバルク電子を用
いた半導体集積装置の基本構造の一例を示す模式的構造
断面図である。
FIG. 3A is a schematic structural sectional view showing an example of a basic structure of a semiconductor integrated device using bulk electrons on the load side according to the present invention.

第3図(a)において、31は高抵抗基板であり、32は高
純度あるいはp型の第1半導体層、33はこの第1の半導
体層32の電子親和力よりも小さ電子親和力を有し、かつ
n型の第2の半導体層、34はp型の第3の半導体層、35
はn型の第4の半導体層、36,38及び39はオーミック性
電極、37は制御電極である。
In FIG. 3A, 31 is a high resistance substrate, 32 is a high-purity or p-type first semiconductor layer, and 33 has an electron affinity smaller than that of the first semiconductor layer 32. And an n-type second semiconductor layer 34 is a p-type third semiconductor layer 35
Is an n-type fourth semiconductor layer, 36, 38 and 39 are ohmic electrodes, and 37 is a control electrode.

第3図(b)は、第3図(a)に示した本発明にかかる
半導体集積装置において、熱平衡状態下における第4の
半導体層35の表面下でのエネルギーバンド図の一例であ
る。ここに示した第3図(b)は、ノーマリオフ型のFE
Tと第4の半導体層35のバルク電子を用いた電流飽和抵
抗を集積した場合を表わしている。
FIG. 3B is an example of an energy band diagram under the surface of the fourth semiconductor layer 35 in the thermal equilibrium state in the semiconductor integrated device according to the present invention shown in FIG. 3A. FIG. 3B shown here is a normally-off type FE.
This shows a case where current saturation resistances using T and the bulk electrons of the fourth semiconductor layer 35 are integrated.

本発明による半導体集積装置が第1及び第2の発明の説
明で示した場合と原則的に同様の原理,作用及び効果を
有していることは言うまでもない。
It goes without saying that the semiconductor integrated device according to the present invention has basically the same principle, operation and effect as those shown in the description of the first and second inventions.

(実施例) 次に本発明の実施例について説明する。本実施例におけ
る半導体集積装置の模式的構造断面図は第3図(a)と
同様である。第1図(a)及び第2図(a)に示したも
のと同じものは原則として同一番号として示す。本実施
例において、31に高抵抗GaAs基板を、32に不純物密度が
1×1015cm-3以下で膜厚0.5μmのノンドープGaAsを、3
3にドナー不純物密度が2×1018cm-3程度で膜厚約350Å
のAl0.3Ga0.7Asを、34にアクセプタ不純物密度が2×10
19cm-3程度で膜厚約150Åのp型のGaAsを、35にドナー
不純物密度が1×1018cm-3程度で膜厚約700Åのn型のG
aAsを、例えば有機金属気相成長法(MOCVD)のよって形
成し、オーミック性電極36,38及び39にAuGe/Niによる電
極を、制御電極37にタングステン(W)による電極を形
成する。本実施例において、第3図(a)の左側に示し
た駆動FETの制御電極37直下は第1の発明の第1図
(b)と同様にノーマリオフの状態が実現されるが、第
3図(a)の右側に示した負荷側の抵抗の第4の半導体
層35の表面下の第1及び第2の半導体層32と33のヘテロ
接合界面では第1の発明の第1図(c)とは異なりノー
マリオフの状態となる。これは第4の半導体層35のドナ
ー不純物濃度を低くし、更に第3の半導体層34の膜厚を
増大させた結果である。しかしながら、第4の半導体層
35の膜厚を厚くしてるために完全空乏化することなく、
従ってこの第4の半導体層35内でノーマリオンの状態が
実現され、この第4の半導体層35内のバルク電子が負荷
の伝導を担うことになる。この様子を、第3図(b)に
示した。第3図(b)は負荷側の抵抗の第4の半導体層
35の表面下での熱平衡状態におけるエネルギーバンド図
を示している。キャリア電子を●で表わしている。従っ
て、第3図(a)において、2次元電子層20の導伝度を
制御するE-FETと第4の半導体層35内のキャリア電子の
導伝性を用いた電流飽和型抵抗によって構成されたER型
のインバーター回路の構成が実現できる。
(Example) Next, the Example of this invention is described. A schematic structural sectional view of the semiconductor integrated device in the present embodiment is similar to FIG. In principle, the same components as those shown in FIGS. 1 (a) and 2 (a) are designated by the same reference numerals. In this embodiment, 31 is a high resistance GaAs substrate, 32 is a non-doped GaAs having an impurity density of 1 × 10 15 cm −3 or less and a film thickness of 0.5 μm, and 3
3, the donor impurity density is about 2 × 10 18 cm -3 and the film thickness is about 350Å
Al 0.3 Ga 0.7 As of 34, acceptor impurity density of 2 × 10
P-type GaAs with a film thickness of about 150 cm at about 19 cm -3 and n-type G with a donor impurity density of about 1 × 10 18 cm -3 and a film thickness of about 700 Å at 35
aAs is formed by, for example, metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), AuGe / Ni electrodes are formed on the ohmic electrodes 36, 38 and 39, and tungsten (W) electrodes are formed on the control electrode 37. In this embodiment, a normally-off state is realized just below the control electrode 37 of the drive FET shown on the left side of FIG. 3 (a) as in FIG. 1 (b) of the first invention. At the heterojunction interface of the first and second semiconductor layers 32 and 33 below the surface of the fourth semiconductor layer 35 having the resistance on the load side shown on the right side of (a), FIG. 1 (c) of the first invention. Unlike, it is in a normally off state. This is a result of reducing the donor impurity concentration of the fourth semiconductor layer 35 and further increasing the film thickness of the third semiconductor layer 34. However, the fourth semiconductor layer
Since the film thickness of 35 is thickened, without completely depleting,
Therefore, a normally-on state is realized in the fourth semiconductor layer 35, and the bulk electrons in the fourth semiconductor layer 35 carry the load. This state is shown in FIG. 3 (b). FIG. 3 (b) is a fourth semiconductor layer of the resistance on the load side.
The energy band diagram in the thermal equilibrium state under the surface of 35 is shown. The carrier electrons are represented by ●. Therefore, in FIG. 3 (a), it is constituted by an E-FET that controls the conductivity of the two-dimensional electron layer 20 and a current saturation type resistor that uses the conductivity of carrier electrons in the fourth semiconductor layer 35. ER type inverter circuit configuration can be realized.

本実施例による特徴は、原則的に2つの異なる半導体層
を走行するキャリア電子を制御する半導体素子を同一基
板上に集積し、例えばインバーター回路の負荷の電流駆
動能力に関して設計上の自由度を向上させ、半導体集積
装置の集積度及び性能を向上させることである。
The feature of this embodiment is that semiconductor elements that control carrier electrons traveling in two different semiconductor layers are integrated on the same substrate in principle, and, for example, the degree of freedom in design regarding the current driving capability of the load of the inverter circuit is improved. To improve the integration degree and performance of the semiconductor integrated device.

尚、本実施例においても2インチ基板面内におけるVT
びgmのバラツキは極めて少なかった。
Also in this example, variations in V T and gm in the plane of the 2-inch substrate were extremely small.

また、本実施例において電極38及び39の間に制御電極、
例えばAlによるショットキ電極を設けることにより、例
えば負荷側のチャネルの導伝度を制御できる。この場
合、この制御電極と電極38を例えば短絡させることによ
り、E-FETとD-FETによって構成されるインバーター回路
も実現できる。
Further, in the present embodiment, a control electrode between the electrodes 38 and 39,
For example, by providing a Schottky electrode made of Al, the conductivity of the channel on the load side can be controlled. In this case, an inverter circuit including an E-FET and a D-FET can be realized by short-circuiting the control electrode and the electrode 38, for example.

更に負荷側の伝導キャリアとして、第1及び第2の半導
体層32及び33のヘテロ接合界面に形成された2次元電子
層と第4の半導体層35内のバルク電子の両方を用いるこ
とも可能である。この場合、オーミック性電極38及び39
は、第4の半導体層35と前記2次元電子層の両方に電気
的に接続している必要がある。
Further, both the two-dimensional electron layer formed at the heterojunction interface between the first and second semiconductor layers 32 and 33 and the bulk electrons in the fourth semiconductor layer 35 can be used as the conduction carriers on the load side. is there. In this case, ohmic electrodes 38 and 39
Must be electrically connected to both the fourth semiconductor layer 35 and the two-dimensional electronic layer.

尚、本発明においても、第1及び第2の発明の実施例で
述べた内容は原則的にそのまま適用できることは明らか
である。
It is obvious that the contents described in the embodiments of the first and second inventions can be applied to the present invention as it is in principle.

(第4の発明について) 以上第3の発明では、負荷側の伝導キャリアに半導体層
のバルク中の電子を用いた場合について説明したが、キ
ャリアがバルク中の正孔を用いる場合についても本発明
の原理は同様に適用できる。
(Regarding the Fourth Invention) The third invention has been described above using the electrons in the bulk of the semiconductor layer as the conduction carriers on the load side. However, the present invention is also applicable to the case where the carriers use holes in the bulk. The principle of can be applied similarly.

第4図(a)は、本発明による負荷側にバルク正孔を用
いた半導体集積装置の基本構造の一例を示す模式的構造
断面図である。
FIG. 4A is a schematic structural cross-sectional view showing an example of the basic structure of a semiconductor integrated device using bulk holes on the load side according to the present invention.

第4図(a)において、41は高抵抗基板であり、42は高
純度あるいはn型の第1の半導体層、43はこの第1の半
導体層42の有する電子親和力とエネルギーギャップの和
を有し、かつp型の第2の半導体層、44はn型の第3の
半導体層、45はp型の第4の半導体層、46,48及び49は
オーミック性電極、47は制御電極である。
In FIG. 4A, 41 is a high-resistance substrate, 42 is a high-purity or n-type first semiconductor layer, and 43 is the sum of electron affinity and energy gap of the first semiconductor layer 42. And a p-type second semiconductor layer, 44 is an n-type third semiconductor layer, 45 is a p-type fourth semiconductor layer, 46, 48 and 49 are ohmic electrodes, and 47 is a control electrode. .

第4図(b)は、第4図(a)に示した本発明にかかる
半導体集積装置において、熱平衡状態下における第4の
半導体層45の表面下でのエネルギーバンド図の一例であ
る。ここに示した第4図(b)は、ノーマリオフ型のFE
Tと第4の半導体層45のバルク正孔を用いた電流飽和型
抵抗を集積した場合を表わしている。
FIG. 4B is an example of an energy band diagram below the surface of the fourth semiconductor layer 45 in a thermal equilibrium state in the semiconductor integrated device according to the present invention shown in FIG. 4A. FIG. 4 (b) shown here is a normally-off type FE.
This shows the case where current saturation type resistors using T and the bulk holes of the fourth semiconductor layer 45 are integrated.

本発明による半導体集積装置が第1,第2及び第3の発明
の説明で示した場合と原則的に同様の原理,作用及び効
果を有していることは言うまでもない。
It goes without saying that the semiconductor integrated device according to the present invention has the same principle, action, and effect as the case shown in the description of the first, second, and third inventions.

(実施例) 次に本発明の実施例について説明する。本実施例におけ
る半導体集積装置の模式的構造断面図は第4図(a)と
同様である。第1図(a),第2図(a)及び第3図
(a)に示したものと同じものは原則として同一番号と
して示す。本実施例において、41に高抵抗GaAs基板を、
42に不純物密度が1×1015cm-3程度以下で膜厚約1μm
のノンドープGeを、43にアクセプタ不純物密度が3×10
18cm-3程度で膜厚約300Åのp型のGaAsを、44にドナー
不純物密度が2×1019cm-3程度で膜厚約150Åのn型のG
aAsを、55にアクセプタ不純物密度が1×1018cm-3程度
で膜厚約800Åのp型のGaAsを、それぞれ例えばMBE法に
より形成し、オーミック性電極46,48及び49にAuZnによ
る電位を、制御電極47にAlによる電極を形成する。本実
施例において、第4図(a)の左側に示した駆動FETの
制御電極47直下は第2の発明の第2図(b)と同様にノ
ーマリオフの状態が実現されるが、第4図(b)の右側
に示した負荷側の抵抗の第4の半導体層45の表面下の第
1及び第2の半導体層42及び43のヘテロ接合界面では、
第2の発明の第2図(c)とは異なりノーマリオフの状
態となる。これは第4の半導体層45のアクセプタ不純物
密度を低くし、更に第3の半導体層44の膜厚を増大させ
たためである。しかしながら、第4の半導体層45の膜厚
を厚くしているためにこの層は完全空乏化することな
く、従ってこの第4の半導体層45内でノーマリオンの状
態が実現され、この第4の半導体層45内のバルク正孔が
負荷の伝導を担うことになる。この様子を第4図(b)
に示した。第4図(b)は負荷側の抵抗の第4の半導体
層45の表面下での熱平衡状態におけるエネルギーバンド
図を示している。キャリア正孔を○で表わしている。従
って、第4図(a)において2次元正孔層30の導伝度を
制御するE-FETと第4の半導体層45内のキャリア正孔の
導伝性を用いた電流飽和型抵抗によって構成されたER型
のインバータ回路の構成が実現できる。
(Example) Next, the Example of this invention is described. A schematic structural sectional view of the semiconductor integrated device in the present embodiment is similar to FIG. In principle, the same components as those shown in FIGS. 1 (a), 2 (a) and 3 (a) are designated by the same reference numerals. In this embodiment, 41 is a high resistance GaAs substrate,
42 with an impurity density of about 1 × 10 15 cm -3 or less, a film thickness of about 1 μm
Non-doped Ge with 43 and an acceptor impurity density of 3 × 10
About 18 cm -3 of p-type GaAs with a film thickness of about 300 Å, 44 with n-type G with a donor impurity density of about 2 × 10 19 cm -3 and a film thickness of about 150 Å
p-type GaAs with an acceptor impurity density of about 1 × 10 18 cm -3 and a film thickness of about 800 Å is formed on the 55 by, for example, the MBE method. An electrode made of Al is formed on the control electrode 47. In this embodiment, a normally-off state is realized just below the control electrode 47 of the drive FET shown on the left side of FIG. 4 (a) as in FIG. 2 (b) of the second invention. At the heterojunction interface of the first and second semiconductor layers 42 and 43 below the surface of the fourth semiconductor layer 45 of the load side resistance shown on the right side of (b),
Unlike FIG. 2 (c) of the second invention, it is in a normally-off state. This is because the acceptor impurity density of the fourth semiconductor layer 45 was lowered and the film thickness of the third semiconductor layer 44 was further increased. However, since the thickness of the fourth semiconductor layer 45 is increased, this layer is not completely depleted, and thus a normally-on state is realized in the fourth semiconductor layer 45. The bulk holes in the semiconductor layer 45 are responsible for conducting the load. This is shown in Fig. 4 (b).
It was shown to. FIG. 4 (b) shows an energy band diagram in the thermal equilibrium state under the surface of the fourth semiconductor layer 45 of the resistance on the load side. Carrier holes are represented by ◯. Therefore, in FIG. 4 (a), an E-FET for controlling the conductivity of the two-dimensional hole layer 30 and a current saturation type resistor using the conductivity of carrier holes in the fourth semiconductor layer 45 are used. ER type inverter circuit configuration can be realized.

本実施例による特徴は、原則的に2つの異なる半導体層
を走行するキャリア正孔を制御する半導体素子を同一基
板上に集積し、例えばインバータ回路の負荷の電流駆動
能力に関して設計上の自由度を向上させ、半導体集積装
置の集積度及び性能を向上させることにある。尚、本実
施例においても2インチ基板面内におけるVT及びgmのバ
ラツキは極めて少なかった。
The feature of this embodiment is that semiconductor elements that control carrier holes traveling in two different semiconductor layers are integrated on the same substrate in principle, and, for example, the degree of freedom in design regarding the current driving capability of the load of the inverter circuit is increased. To improve the integration degree and performance of the semiconductor integrated device. Also in this example, variations in V T and gm in the plane of the 2-inch substrate were extremely small.

また、本実施例において電極48及び47の間に制御電極例
えばAlによるショット電極を設けることにより、例えば
負荷側のチャネルの導伝度を制御できる。この場合この
制御電極と電極48を例えば短絡させることにより、E-FE
TとD-FETによって構成されるインバータ回路も実現でき
る。
Further, in this embodiment, by providing a control electrode, for example, a shot electrode made of Al, between the electrodes 48 and 47, it is possible to control the conductivity of the channel on the load side. In this case, the E-FE
An inverter circuit composed of T and D-FET can also be realized.

更に負荷側の伝導キャリアとして、第1及び第2の半導
体層42及び43のヘテロ接合界面に形成された2次元正孔
層と第4の半導体層45内のバルク正孔の両方を用いるこ
とも可能である。この場合、オーミック性電極48及び49
は第4の半導体層45と前記2次元正孔層の両方に電気的
に接続している必要がある。
Further, both the two-dimensional hole layer formed at the heterojunction interface between the first and second semiconductor layers 42 and 43 and the bulk holes in the fourth semiconductor layer 45 may be used as the load side conduction carriers. It is possible. In this case, ohmic electrodes 48 and 49
Must be electrically connected to both the fourth semiconductor layer 45 and the two-dimensional hole layer.

尚、本発明においても第1,第2及び第3の実施例で述べ
た内容は原則的にそのまま適用できることは明らかであ
る。
It is obvious that the contents described in the first, second and third embodiments can be applied to the present invention as they are in principle.

(発明の効果) 以上本発明によれば、設計に従う結晶構造を有す半導体
集積装置のデートしきい値電圧VTが、結晶成長を行った
時点で所望の値に設定されるため、製造工程に伴うVT
変動及び他の素子特性の変動がほとんどなく、しかも構
成素子の選択の自由度が拡い効果を有している。更にほ
ぼプレーナ型であるため素子間分離が容易に行える効果
も有している。本発明によって、高性能,高信頼の超高
速半導体集積装置が実現でき、本発明の効果は極めて多
大である。
As described above, according to the present invention, the date threshold voltage V T of the semiconductor integrated device having the crystal structure according to the design is set to a desired value at the time of crystal growth. There is almost no variation in V T and other element characteristics due to the above, and there is an effect that the degree of freedom in selecting constituent elements is expanded. Further, since it is almost a planar type, it also has an effect that element isolation can be easily performed. According to the present invention, a high performance and highly reliable ultra high speed semiconductor integrated device can be realized, and the effect of the present invention is extremely great.

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

第1図(a),第2図(a),第3図(a)及び第4図
(a)は本発明の半導体集積装置の基本的構造の一例を
示す模式的断面図、第1図(b)と第1図(c)、第2
図(b)と第2図(c)、第3図(b)及び第4図
(b)はそれぞれのエネルギーバンド図である。 11,21,31及び41……高抵抗基板、12及び32……高純度又
はp型の第1の半導体層、22及び42……高純度又はn型
の第1の半導体層、13及び33……n型の第2の半導体
層、23及び43……p型の第2の半導体層、14及び34……
p型の第3の半導体層、24及び44……n型の第3の半導
体層、15及び35……n型の第4の半導体層、25及び45…
…p型の第4の半導体層、16,18,19,26,28,29,36,38,3
9,46,48及び49……オーミック性電極、17,27,37及び47
……制御電極、20……2次元電子層、30……2次元正孔
層、EF……フェルミ準位、EC……伝導帯下端のエネルギ
ー準位、EV……価電子帯上端のエネルギー準位、Vbi…
…第2の半導体層のビルトイン電圧、Vin……熱平衡状
態における第2と第3の半導体層の界面でのフェルミ準
位からの電位、VT……ゲートしきい値電圧、△EC……第
1と第2の半導体層との伝導帯下端のエネルギー差、δ
……第1の半導体層の伝導帯下端のエネルギーとEFとの
差。
1 (a), 2 (a), 3 (a) and 4 (a) are schematic sectional views showing an example of a basic structure of a semiconductor integrated device of the present invention, FIG. (B) and FIG. 1 (c), second
FIG. 2 (b), FIG. 2 (c), FIG. 3 (b) and FIG. 4 (b) are respective energy band diagrams. 11, 21, 31, and 41 ... High-resistance substrate, 12 and 32 ... High-purity or p-type first semiconductor layer, 22 and 42 ... High-purity or n-type first semiconductor layer, 13 and 33 ... n-type second semiconductor layer, 23 and 43 ... p-type second semiconductor layer, 14 and 34 ...
p-type third semiconductor layer, 24 and 44 ... n-type third semiconductor layer, 15 and 35 ... n-type fourth semiconductor layer, 25 and 45 ...
... P-type fourth semiconductor layer, 16,18,19,26,28,29,36,38,3
9,46,48 and 49 ... Ohmic electrodes, 17,27,37 and 47
...... Control electrode, 20 …… two-dimensional electron layer, 30 …… two-dimensional hole layer, E F …… Fermi level, E C …… energy level at the bottom of the conduction band, E V …… top of the valence band Energy levels of Vbi ...
… Built-in voltage of the second semiconductor layer, Vin …… Potential from the Fermi level at the interface between the second and third semiconductor layers in thermal equilibrium, V T …… Gate threshold voltage, ΔE C …… Energy difference at the bottom of the conduction band between the first and second semiconductor layers, δ
The difference between the energy at the bottom of the conduction band of the first semiconductor layer and E F.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】高抵抗基板上に、高純度あるいはp型の第
1の半導体層と、該第1の半導体の有する電子親和力よ
り小さくn型の第2の半導体層と、p型の第3の半導体
層とが順次設けられ、該第3の半導体層上に少くとも1
つの第1の制御電極を設け、該第1の制御電極を挟ん
で、該第1の半導体層と該第2の半導体層との接合界面
に形成されるチャネル領域と電気的に接続した少くとも
2つの第1及び第2のオーミック領域を設け、少なくと
も1つの該第2のオーミック領域に対し、該第1の制御
電極と対向した該第3の半導体層上にn型の第4の半導
体層を設け、該第4の半導体層上に、該チャネル領域と
電気的に接続した少くとも1つの第3のオーミック領域
と、該第2及び第3のオーミック領域の間に第2の制御
電極を零個以上設けたことを特徴とする半導体集積装
置。
1. A high-purity or p-type first semiconductor layer, an n-type second semiconductor layer smaller than the electron affinity of the first semiconductor, and a p-type third layer on a high-resistance substrate. Semiconductor layers are sequentially provided, and at least one semiconductor layer is provided on the third semiconductor layer.
At least one first control electrode is provided, and the first control electrode is sandwiched between the first control electrode and the first control electrode, and the first control electrode is electrically connected to a channel region formed at a junction interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer. Two first and second ohmic regions are provided, and an n-type fourth semiconductor layer is provided on the third semiconductor layer facing the first control electrode with respect to at least one of the second ohmic regions. And at least one third ohmic region electrically connected to the channel region and a second control electrode between the second and third ohmic regions on the fourth semiconductor layer. A semiconductor integrated device characterized in that zero or more are provided.
【請求項2】高抵抗基板上に高純度あるいはn型の第1
の半導体層と、該第1の半導体の有する電子親和力とエ
ネルギーギャップの和より大きく、p型の第2の半導体
層と、n型の第3の半導体層が順次設けられ、該第3の
半導体層上に少くとも1つの第1の制御電極を設け、該
第1の制御電極を挟んで該第1の半導体層と該第2の半
導体層との接合界面に形成されるチャネル領域と電気的
に接続した少くとも2つの第1及び第2のオーミック領
域を設け、少なくとも1つの該第2のオーミック領域に
対し、該第1の制御電極と対向した該第3の半導体層上
にp型の第4の半導体層を設け、該第4の半導体層上に
該チャネル領域と電気的に接続した少くとも1つの第3
のオーミック領域と、該第2及び第3のオーミック領域
の間に第2の制御電極を零個以上設けたことを特徴とす
る半導体集積装置。
2. A high-purity or n-type first film on a high-resistance substrate.
A semiconductor layer, a p-type second semiconductor layer larger than the sum of electron affinity and energy gap of the first semiconductor, and an n-type third semiconductor layer are sequentially provided, and the third semiconductor layer At least one first control electrode is provided on the layer, and a channel region electrically formed at a bonding interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer with the first control electrode interposed therebetween is electrically connected to the channel region. At least two first and second ohmic regions connected to each other, and at least one of the second ohmic regions is provided on the third semiconductor layer facing the first control electrode. A fourth semiconductor layer is provided, and at least one third semiconductor layer electrically connected to the channel region is provided on the fourth semiconductor layer.
And at least two second control electrodes are provided between the ohmic region and the second and third ohmic regions.
【請求項3】高抵抗基板上に、高純度あるいはp型の第
1の半導体層と該第1の半導体の有する電子親和力より
小さくn型の第2の半導体層と、p型の第3の半導体層
とが順次設けられ、該第3の半導体層上に少くとも1つ
の第1の制御電極を設け、該第1の制御電極を挟んで、
該第1の半導体層と該第2の半導体層との接合界面に形
成されるチャネル領域と電気的に接続した少くとも2つ
の第1及び第2のオーミック領域を設け、少くとも1つ
の該第2のオーミック領域に対し、該第1の制御電極と
対向した該第3の半導体層上に、該第2のオーミック領
域と電気的に接続したn型の第4の半導体層を設け、該
第4の半導体層上に少くとも該第4の半導体層と電気的
に接続した少くとも1つの第3のオーミック領域と、該
第2及び第3のオーミック領域の間に第2の制御電極を
零個以上設けたことを特徴とする半導体集積装置。
3. A high-purity substrate, a high-purity or p-type first semiconductor layer, an n-type second semiconductor layer smaller than the electron affinity of the first semiconductor, and a p-type third semiconductor layer. Semiconductor layers are sequentially provided, at least one first control electrode is provided on the third semiconductor layer, and the first control electrode is sandwiched between the first control electrode and the third control layer.
At least two first and second ohmic regions electrically connected to a channel region formed at a junction interface between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are provided, and at least one first ohmic region is provided. For the second ohmic region, an n-type fourth semiconductor layer electrically connected to the second ohmic region is provided on the third semiconductor layer facing the first control electrode. A second control electrode between at least one third ohmic region electrically connected to the fourth semiconductor layer and the second and third ohmic regions on the fourth semiconductor layer; A semiconductor integrated device characterized in that at least one is provided.
【請求項4】高抵抗基板上に、高純度あるいはn型の第
1の半導体層と、該第1の半導体の有する電子親和力と
エネルギーギャップの和より大きく、p型の第2の半導
体層と、n型の第3の半導体層が順次設けられ、該第3
の半導体層上に少くとも1つの第1の制御電極を設け、
該第1の制御電極を挟んで、該第1の半導体層と該第2
の半導体層との接合界面に形成されるチャネル領域と電
気的に接続したp型の第4の半導体層を設け、該第4の
半導体層上に、少くとも該第4の半導体層と電気的に接
続した少くとも1つの第3のオーミック領域と、該第2
及び第3のオーミック領域の間に第2の制御電極を零個
以上設けたことを特徴とする半導体集積装置。
4. A high-purity or n-type first semiconductor layer and a p-type second semiconductor layer, which is larger than the sum of electron affinity and energy gap of the first semiconductor, on a high-resistance substrate. , N-type third semiconductor layers are sequentially provided, and
Providing at least one first control electrode on the semiconductor layer of
The first semiconductor layer and the second semiconductor layer are sandwiched by the first control electrode.
A p-type fourth semiconductor layer electrically connected to a channel region formed at a junction interface with the semiconductor layer, and electrically connected to at least the fourth semiconductor layer on the fourth semiconductor layer. And at least one third ohmic region connected to
And zero or more second control electrodes are provided between the third ohmic region and the third ohmic region.
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