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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feldeffekttransistor
mit einer Halbleiter-Hetero-Sperrschicht entsprechend
Patentanspruch 1, der in einem Verstärkerschaltkreis mit
niedrigem Rauschen, einem Hochfrequenzschaltkreis, einem
schnellen Logikschaltkreis, in deren integrierten Schaltkreisen und
in einem Schaltkreis mit integrierter Optik oder ähnlichem
eingesetzt wird.
Beschreibung des Standes der Technik
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Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus eines
herkömmlichen Feldeffekttransistors unter Verwendung einer
Halbleiter-Hetero-Sperrschicht, der z. B. in einem Artikel von
C.Y. Chen et al., (IEEE Eletron Device Letters, Vol. EDL-3,
No. 6, 1982, 5.152) offenbart wird.
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Ein herkömmlicher Feldeffekttransistor gemäß Fig. 1 umfaßt
ein halbisolierendes Indium-Phosphid-(In p)-Substrat 1, eine
Aluminium-Indium-Arsenid-(Al In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 2, die auf dem Substrat 1 ausgebildet ist, eine
Gallium-Indium-Arsenid-(Ga In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 3, die auf der Mischkristall-Halbleiterschicht 2
ausgebildet ist, eine Aluminium-Indium-Arsenid-(Al In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 4, die auf der
Mischkristall-Halbleiterschicht 3 ausgebildet ist und der Verunreinigungen des
n-Typs zugesetzt sind, eine Gate-Elektrode 5, die auf der
Mischkristall-Halbleiterschicht ausgebildet ist, sowie eine
Source-Elektrode 6 und eine Drain-Elektrode 7, die jeweils
zueinander entgegengesetzt auf beiden Seiten der
Gate-Elektrode 5 vorgesehen sind.
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In dem Feldeffekttransistor mit einem derartigen Aufbau wird
eine zweidimensionale Elektronenschicht 8 in der (Ga In As)-
Mischkristall-Halbleiterschicht 3 ausgebildet, wobei die
Elektronenschicht 8 als Kanal dient, so daß ein Strompfad
zwischen der Source-Elektrode 6 und der Drain-Elektrode 7
ausgebildet wird.
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Der Betrieb des Feldeffekttransistors wird durch die
Steuerung der Spannung erreicht, die an die Gate-Elektrode 5
angelegt wird, um die Elektronendichte der zweidimensionalen
Elektronenschicht 8 unmittelbar unter der Gate-Elektrode 5 zu
modulieren, so daß der Drain-Strom moduliert wird. In dem oben
beschriebenen Aufbau wird die (Al In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 2 als eine Puffer-Schicht vorgesehen, die
Funktionen zur Verbesserung der Kristalleigenschaft einer
epitaktisch gewachsenen Schicht (die (Ga In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 3), die auf dieser ausgebildet ist, auch zur
Veränderung z. B. der Diffusion von Verunreinigungen vom
Substrat 1 aufweist.
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Da die Elektronenbeweglichkeit in der zweidimensionalen
Elektronenschicht 8 in der (Ga In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 3 einen Wert von mehr als 10000 cm²/V·sec bei
Raumtemperatur besitzt, wird mit diesem Aufbau ein
Feldeffekttransistor erreicht, von dem eine hohe Steilheit, eine
geringe Rauschzahl und eine hohe Grenzfrequenz erwartet wird.
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Bei dem Feldeffekttransistor mit dem oben beschriebenen
Aufbau ist jedoch der Widerstand zwischen der zweidimensionalen
Elektronenschicht 8 unter der Gate-Elektrode 5 und der
source-Elektrode 6, das heißt der Source-Widerstand, nicht
sonderlich gering, wodurch verschiedene Probleme bei den
Transistor-Kennwerten auftreten. Z.B. verringert der
nichtvernachlässigbare Source-Widerstand die Steilheit, die
Grenzfrequenz und ähnliches, sowie die Rauschzahl wird vermindert.
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Um den Source-Widerstand zu verringern, wurde ein Verfahren
entwickelt, bei dem Verunreinigungen wie Silizium und Selen
in dem Bereich zwischen der Source-Elektrode 6 und der Gate-
Elektrode 5 ionen-implantiert werden, so daß der Widerstand in
dem Bereich zwischen der Source-Elektrode 6 und der
zweidimensionalen Elektronenschicht 8 verringert wird. Der
Widerstand in diesem Bereich ist ein Parallelwiderstand, der von
den (Al In As)-Mischkristall-Halbleiterschichten 2 und 4 und
die (Ga In As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 3 gebildet
wird. Da jedoch bei dem Aufbau gemäß Fig. 1 die oberste (Al
In As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 4 meistens eine sehr
geringe Dicke wie z. B. weniger als 10&sup4; nm (1000 A) aufweist
und die Elektronenbeweglichkeit in dem (Al En
As)-Mischkristall-Halbleiter ungefähr 100 cm²/V·sec beträgt, was um
mehr als eine Größenordnung geringer als der Wert in dem (Ga
In As)-Mischkristall-Halbleiter ist, wird der
Source-Widerstand im wesentlichen gleich zum Widerstand der (Ga In As)-
Mischkristall-Halbleiterschicht 3. Die
Mischkristall-Halbleiterschicht 3 besitzt jedoch meistens eine Dicke von 10&sup4; nm
(1000 A) und wenn Verunreinigungen mit einer Konzentration
von mehr als 10¹&sup7;/cm³ implantiert werden, um die Schicht 3
mit einem geringen Widerstand zu versehen, verringert sich
die Elektronenbeweglichkeit schnell entsprechend der
Elektronenstreuung an ionisierten Verunreinigungen. Somit ist es
schwierig, wirkungsvoll den Source-Widerstand zu verringern.
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Fig. 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines weiteren
Aufbaues des herkömmlichen Feldeffekttransistors, der auch in
einem Artikel von C.Y. Chen et al. (IEEE Electron Device
Letters, Vol, EDL-3, No. 6, 1982, p.152.) offenbart ist.
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Der in Fig. 2 gezeigte Feldeffekttransistor umfaßt ein
halbisolierendes Indium-Phosphid-(In P)-Substrat 11, eine
Gallium-Indium-Arsenid-(Ga In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 11, die auf dem Substrat 11 ausgebildet ist, eine
nicht-dotierte (Al In As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 13,
die auf der Mischkristall-Halbleiterschicht 12 ausgebildet
ist, eine Aluminium-Indium-Arsenid-(Al In As)-Mischkristall-
Halbleiterschicht 14, die mit Verunreinigungen vom n-Typ
dotiert und auf der Mischkristall-Halbleiterschicht 13
ausgebildet
ist, eine Gate-Elektrode 5, die auf der Mischkristall-
Halbleiterschicht 14 ausgebildet ist, sowie eine
Source-Elektrode 6 und eine Drain-Elektrode 7, die auf der Schicht 14
ausgebildet und zueinander entgegengesetzt auf den
entsprechenden Seiten der Gate-Elektrode 5 angeordnet sind. Bei
diesem Aufbau bilden die (Al In
As)-Mischkristall-Halbleiterschichten 13 und 14 auf der (Ga In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 12 eine zweite breite Verbots-Energielücken-
Schicht 19.
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Bei dem Feldeffekttransistor gemäß Fig. 2 wird ähnlich zum
Feldeffekttransistor gemäß Fig. 2 die zweidimensionale
Elektronenschicht 8 entlang der breiten Verbots-Energielücken
Schicht 19 in der (Ga In As)-Mischkristall-Halbleiterschicht
12 ausgebildet. Die Elektronendichte in der zweidimensionalen
Elektronenschicht 8 unter der Gate-Elektrode 5 wird durch die
an die Gate-Elektrode 5 angelegte Spannung moduliert, so daß
der Drain-Strom moduliert wird. Als Ergebnis wird der
Transistorbetrieb erreicht.
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Bei dem Feldeffekttransistor gemäß Fig. 2 besitzt der (Ga In
As)-Mischkristall-Halbleiter bei Raumtemperatur eine hohe
Elektronenbeweglichkeit von mehr als 10000 cm²/V·sec, so daß
als Steilheit, die die Leistungsfähigkeit der Einrichtung
anzeigt, hohe Werte -von ungefähr 440 mS/mm bei Raumtemperatur
und ungefähr 700 mS/mm bei 77 K in der Anordnung mit einer
Gate-Länge von 1 um erreicht wurden (siehe Artikel von K.
Hierose et al. unter dem Titel "700 ms/mm 2 DEGFETs
fabricated from high mobility MBE-grown n-Al In As/Ga In As hetero
structures").
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In einem Feldeffekttransistor mit diesem Aufbau ist jedoch
der Source-Widerstand nicht vernachlässigbar, so daß durch den
Source-Widerstand Transistor-Kennwerte wie die Steilheit und
die Rauschzahl begrenzt werden. Um den Source-Widerstand zu
verringern, wurde in Betracht gezogen, daß Verunreinigungen
des n-Typs in mindestens einem Bereich ionen-implantiert
werden,
um einen Source-Widerstand wie oben beschrieben
auszubilden, und dann ein blitzartiges Ausheizen oder Ähnliches
durchgeführt wird, um die implantierten Verunreinigungen vom
n-Typ zu aktivieren, so daß der Bereich zur Bildung eines
Source-Widerstandes einen niedrigen Widerstand aufweisen.
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Allerdings ergab sich auch in diesem Fall ähnlich zu der
Erklärung in Bezug auf den Feldeffekttransistor gemäß Fig. 1
aus einem von den Erfindern durchgeführten Experiment das
Folgende. Im einzelnen ist in einem Feldeffekttransistor mit
einer breiten Verbots-Energielücken-Schicht, die nur eine (Al
In As)-Mischkristall-Halbleiterschicht umfaßt, die Rate von
aktivierten Verunreinigungen des n-Typs gering, die in die Al
In As-Halbleiterschicht-Ionen-implantiert wurden, und die
Elektronenbeweglichkeit in der (Al In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht ist gering (kleiner als 300 cm²/V·sec), so
daß es schwierig ist, den spezifischen Widerstand der
ionenimplantierten (Al In As)-Mischkristall-Halbleiterschicht
zufriedenstellend zu verringern. Daraus ergibt sich, daß selbst
wenn die Ionen-Implantationstechnik beim Feldeffekttransistor
mit einem herkömmlichen Aufbau verwendet wird, der
Source-Widerstand nicht genügend verringert werden kann, sodaß es
schwierig ist, die Transistorkennwerte zu verbessern.
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Ein FET mit einem weiteren Merkmal wird in einem Patent
beschrieben, das in "Pat. Abs. of Japan" (Band 8, Nr. 217 (E
270) (1654), 4. October 1984) zusammengefaßt ist. Dabei wird
ein Aufbau offenbart, der verschiedene Schichten von
dotierten Ga In As, In P und Al In As mit dem Ziel enthält, die
Charakteristik von Leckströmen in den FET zu verbessern. In
dieser Druckschrift befindet sich kein Hinweis auf die
Beseitigung der oben gekennzeichneten Nachteile in Bezug auf den
Source-Widerstand in Feldeffekttransistoren.
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Das Problem des Kontaktwiderstandes zwischen dem legierten
Bereich und dem zweidimensionalen Elektronengas betrifft die
Europäische Patentanmeldung EP-A-0 131 379, worin mit
Verunreinigungen
dotierte Bereiche (Ga As und Al Ga As)
unmittelbar unter den Source-und-Drain-Bereichen beschrieben werden.
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Ein weiteres Dokument (EP-A-0 155 215) betrifft einen
Transistor hoher Elektronenbeweglichkeit, der einen speziellen
geschichteten Aufbau mit dem Ziel aufweist, die Ionen-Diffusion
in dem Transistor zu verhindern. Dabei wird eine Verringerung
des Source-Widerstandes nicht gezeigt.
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Wie oben beschrieben traten beim Aufbau des herkömmlichen
Feldeffekttransistors die Nachteile auf, daß der
Source-Widerstand nicht genügend verringert und die Gerätekennwerte
wie die Steilheit, die Grenzfrequenz, die Rauschzahl und
ähnliches nicht genügend verbessert werden konnten.
Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile
des herkömmlichen Feldeffekttransistors zu beseitigen und
einen Feldeffekttransistor mit einem genügend geringen
Source-Widerstand und hervorragenden Gerätekennwerten
anzugeben.
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Der Feldeffekttransistor entsprechend der vorliegenden
Erfindung ist derart gestaltet, daß zur Verringerung des Source-
Widerstandes eine (In P)-Halbleiterschicht zwischen einer (Ga
In As)-Mischkristall-Halbleiterschicht, in der eine
zweidimensionale Elektronenschicht ausgebildet ist, und einem
halbisolierenden Substrat vorgesehen ist und Verunreinigungen des
n-Typs in diesem Bereich ionen-implantiert werden, um einen
Source-Widerstand zu bilden. Die Ionen-Implantation wird bis
zu einer Tiefe durchgeführt, die mindestens in die (In P)-
Schicht reicht.
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Entsprechend dem oben beschriebenen Aufbau ist die
Aktivierungsrate der implantierten Ionen in der (In
P)-Halbleiterschicht sehr hoch und daher ist die Elektronenbeweglichkeit
des Ionen-implantierten (In P)-Halbleiters um mehr als eine
Größenordnung höher als die des (Al In As)-Mischkristall-
Halbleiters. Wenn ein geringer Widerstand der (In
P)-Halbleiterschicht parallel mit dem Widerstand der (Ga In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht vorgesehen ist, kann somit der
Source-Widerstand wirkungsvoll verringert werden, wobei
weiterhin eine Gate-Elektrode auf der (Al In As)-Mischkristall-
Halbleiterschicht ausgebildet wird, sodaß sich eine Schottky
Sperrschicht an der Gate-Elektrode leicht ausbilden lädt.
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Diese Aufgaben und weitere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der
folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erklärt. Es
zeigen:
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Fig. 1 eine Querschnittsansicht eines Aufbaus eines
herkömmlichen Feldeffekttransistors;
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines weiteren Aufbaus eines
herkömmlichen Feldeffekttransistors; und
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Fig. 3 eine Querschnittsansicht eines Aufbaus eines
Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung.
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Vor dem speziellen Ausführungsbeispiel wird die
experimentelle Tatsache zur Unterstützung der vorliegenden Erfindung
beschrieben.
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Entsprechend einem Bericht des Ergebnisses eines Experiments,
bei dem Verunreinigungen des n-Typs in einen (In
P)-Halbleiter implantiert werden und ein Ausheizen durchgeführt wird
(sh. Applied Physics Letters, Band 43, Nr. 15, 1983, Seite
381), wurde eine Aktivierungsrate der implantierten Ionen von
mehr als 60% sowie eine Elektronenbeweglichkeit in einer
Ionen-implantierten Schicht von mehr als 2000 cm²/V·sec
in
einem (In P)-Halbleiter erhalten. Wenn Verunreinigungen des
n-Typs mit 1014 /cm² implantiert werden, kann daher in dem
(In P)-Halbleiter der Flächenwiderstand der
onen-implantierten Schicht weniger als 50 Ω/ betragen. Andererseits wird
entsprechend einem Experiment der Erfinder, wenn
Verunreinigungen des n-Typs mit 1014 /cm² in einen (Al In
As)-Mischkristall-Halbleiter-Ionen-implantiert werden, der
Flächenwiderstand ungefähr 1k Ω/. Das ergibt sich daraus,
daß die Elektronenbeweglichkeit und die Aktivierungsrate der
implantierten Ionen in dem (In P)-Halbleiter größer als
diejenigen des (Al In As)-Mischkristall-Halbleiters sind.
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Aus dem Vorangegangenen ergibt sich, wenn die (Al In As)-
Mischkristall-Halbleiterschicht in einem Bereich zur Bildung
eines Source-Widerstandes durch einen (In P)-Mischkristall
mit einem Ionen-implantierten Bereich ersetzt wird, der
Source-Widerstand wirkungsvoll verringert werden kann.
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Spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden im einzelnen im Folgenden beschrieben.
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Fig. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Aufbaus eines
Feldeffekttransistors entsprechend einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Unter Bezug auf Fig. 3 wird ein
Herstellungsverfahren und ein Aufbau eines
Feldeffekttransistors entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Eine (In P)-Schicht 22, eine (Ga In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 23 und eine (Al In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 24 werden in dieser Reihenfolge auf einem (In
P)halbisolierenden Substrat 21 unter Verwendung des
Dampfquellen-Molekularstrahl-Epitaxie-Wachstums oder der
metall-organisch-chemischen Dampfabscheidung (MOCVD) ausgebildet. Es ist
wünschenswert, daß die (In P)-Schicht 22 mit Verunreinigungen
des n-Typs mit einer Konzentration von weniger als 10¹&sup5;/cm³
oder mit Verunreinigungen des p-Typs mit einer Konzentration
von weniger als 10¹&sup6;/cm³ dotiert wird und eine Dicke von
z. B. ungefähr 1 um aufweist. Wenn eine ionen-Implantation in
der (In P)-Schicht 22 durchgeführt wird, so beträgt die
Elektronenbeweglichkeit 2000 cm²/V·sec, was um eine
Größenordnung größer als der Wert des (Al In
As)-Mischkristall-Halbleiters aufweist. Selbst wenn die Dicke der (In P)-Schicht
mehr als 1 um beträgt, tritt somit kein Problem bei den
Gerätekennwerten auf.
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Die (Ga In As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 23 ist der
Gestalt, daß sie mit einer Verunreinigungskonzentration von
weniger als 10¹&sup6;/cm³ den n-Typ oder den p-Typ aufweist, und
ihre Dicke beträgt ungefähr 0.1 um. Bei der Bestimmung der
Verunreinigungskonzentration und der Dicke dieser Schichten
ist es wichtig, daß die (In P)-Halbleiterschicht 22 so
hergestellt ist, daß sie sich in einem Verarmungszustand befindet,
wenn der Transistor betrieben wird. Die (Al In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 24 ist so hergestellt, daß sie den n-
Typ mit einer Verunreinigungskonzentration von ungefähr 10¹&sup8;
/cm³ aufweist, wobei ihre Dicke so eingestellt wird, daß sie
z. B. 400 A beträgt. Nach Ausbildung dieser epitaxischen
Schichten werden Verunreinigungen des n-Typs wie Silicium mit
einer Dosis von z. B. mehr als 10¹&sup4;/cm² bei einer
Beschleunigungsspannung von mehr als 100 keV unter Verwendung der
Ionen-Implantation implantiert, wobei ein Ionen-implantierter
Bereich ausgebildet wird, der die (In P)-Halbleiterschicht 22
erreicht. Anschließend wird ein Ausheizen für z. B. ungefähr
10 Sekunden bei 800ºC durchgeführt, sodaß ein Bereich 25
geringen Widerstandes ausgebildet wird. Der ionen-implantierte
Bereich wird nicht in dem Abschnitt ausgebildet, der unter
den Bereich zur Bildung der Gate-Elektrode liegt. Das wird
z. B. durch Ausbildung eines Blind-Gates auf den Bereich zur
Bildung der Gate-Elektrode und durch die Durchführung der
Ionen-Implantation unter Benutzung des Blind-Gates als eine
Maske erreicht.
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Eine ohmsche Elektrode aus einer Gold-Germanium-Legierung und
Ähnlichem wird in einem vorbestimmten Bereich auf der
Oberfläche der (Al In As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 24
unter Verwendung einer Verdampfung ausgebildet und mit der
Mischkristall-Halbleiterschicht 24 legiert, sodaß sowohl eine
Source-Elektrode 6 als auch eine Drain-Elektrode 7
ausgebildet werden.
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Schließlich wird eine Gate-Elektrode 5, die Platin, Gold oder
Aluminium oder ähnliches umfalt unter Verwendung einer
Verdampfung in dem Bereich, der (AI In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 24 ausgebildet, in dem die Schicht geringen
Widerstandes 25 nicht ausgebildet ist, sodaß ein
Feldeffekttransistor fertiggestellt ist.
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In dem in Fig. 3 gezeigten Feldeffekttransistor wird wie
oben beschrieben, da der geringe Widerstand einer leitenden
Schicht, die die (In P)-Halbleiterschicht 22 umfaßt, parallel
mit dem Widerstand der (Ga In
As)-Mischkristall-Halbleiterschicht 22 vorgesehen ist, der Widerstand zwischen der
Source-Elektrode 6 und einer zweidimensionalen
Elektronenschicht 8 unter der Gate-Elektrode 5, daß heißt der Source-
Widerstand, wirkungsvoll verringert.
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Da bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die
Verunreinigungsionen bei einer hohen Beschleunigungsspannung
implantiert werden, können die Verunreinigungen hauptsächlich
innerhalb der (In P)-Schicht 22 verteilt werden, und der
Source-Widerstand kann verringert werden, während in der
Nachbarschaft der Gate-Elektrode 5 eine geringe
Verunreinigungskonzentration beibehalten wird. Es ist wichtig, eine
geringe Verunreinigungskonzentration in der Nachbarschaft der
Gate-Elektrode 5 beizubehalten, um die Durchbruch-Spannung
des Gates in dem Transistor zu steigern. Somit können gemäß
dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel die
Transistorkennwerte verbessert werden, ohne daß die Durchbruchspannung
des Gates verringert wird.