DE68919809T2

DE68919809T2 - MESFET enthaltende Halbleiteranordnung.

Info

Publication number: DE68919809T2
Application number: DE68919809T
Authority: DE
Inventors: Masanori Yokohama W Nishiguchi; Naoto Okazaki
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-09-30
Filing date: 1989-09-27
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2009-09-28
Also published as: KR920009753B1; EP0366930B1; CA1301955C; AU638940B2; DE68919809D1; AU4179289A; EP0366930A2; EP0366930A3; US5027170A; KR900005607A

Description

(Technisches Gebiet der Erfindung)

Diese Erfindung betrifft eine Halbleitereinrichtung, die einen GaAs-Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MESFET) verwendet, insbesondere eine solche, die in Maschinen oder Instrumenten verwendet werden kann, die eine Strahlungsunempfindlichkeit oder eine Strahlungsresistenz erfordern.

(Stand der Technik)

Die Einrichtungen, die in Luft- und Raumfahrtsystemen und in der Nähe von Kernreaktoren verwendet werden, erfordern eine hohe Strahlungsunempfindlichkeit. Die Strahlung umfaßt Gamma-(γ-) Strahlen, Neutronenstrahlen, Protonenstrahlen, usw. Im allgemeinen widerstehen die Galliumarsenid- (GaAs-) MESFETs und ICs, die auf diesen FETs beruhen, einer Gesamtbestrahlungsdosis von 1x10&sup8; Röntgen mit einer geringen Änderung der Kennwerte, falls überhaupt welche auftreten. Im Gegensatz dazu sind Silizium- (Si-) MOS-Schaltungen bei einer Dosis von 1 x 10&sup6; Röntgen ausgefallen (Proceedings of Symposium of Space Development, 1987, Seiten 35-38).
Zum Verbessern der Strahlungsunempfindlichkeit des GaAs- MESFET wurde die folgende Technik vorgeschlagen. Bei einer ersten Technik wird eine p-Schicht unter einer aktiven n- Schicht begraben, um dadurch einen Leckstrom zu dem Substrat zu verringern, und die Schwellenspannung des GaAs-FET wird bezüglich der Strahlungsunempfindlichkeit verbessert. Bei einer zweiten Technik wird das Schottky-Gate eines GaAs-FET verkürzt.
Dieser Stand der Technik hat die Strahlungsunempfindlichkeit zwar bis zu einer Gesamtbestrahlungsdosis R von etwa 3x10&sup8; Röntgen verbessert, jedoch kann nicht gesagt werden, daß es bei diesem Stand der Technik gelungen ist, die ausreichende praktische Stärke (1x10&sup9; Röntgen) zu erreichen. Unter diesen Umständen wurde kein praktischer Transistor mit einer Unempfindlichkeit gegenüber einer Strahlungsstärke von etwa 1 x 10&sup9; Röntgen realisiert.
Andererseits beschreibt Physics of Semiconductor Device, 2nd Edition, S.M. Sze., Seite 334 einen MESFET mit zwei aktiven Schichten. Bei diesem MESFET wurden bessere Kennwerte verwirklicht, da die Ladungsträgerkonzentration in der Oberfläche der aktiven Schicht abnimmt und der MESFET folglich von der Wirkung einer Sperrschicht frei ist.
International Electron Device Meeting, 7.-10. Dezember 1986, Seiten 829-831 offenbart einen GaAs-MESFET mit einer hochdotierten, dünnen, aktiven Kanalschicht, einem dünnen Sperrkanal mit einem verringerten Dotierungsgrad und einer AlGaAs-Pufferschicht, wobei die hochdotierte aktive Schicht die Verarmungstiefen sowohl lateral als auch vertikal in dem Kanal begrenzt. Dies verringert die effektive elektrische Länge der Einrichtung, was die parasitäre Gatekapazität minimiert und die Steilheit der Einrichtung durch eine gesteigerte Ladungssteuerung des Kanals mit Hilfe der Gateelektrode erhöht. Es gibt keine Lehre über einen MESFET- Aufbau, der eine Strahlungsunempfindlichkeit vorsieht.
Deshalb besteht eine Aufgabe dieser Erfindung darin, einen GaAs-MESFET vorzusehen, der einen einfachen Aufbau und eine hohe Strahlungsunempfindlichkeit aufweist, die durch insbesondere das Verwenden von Änderungen von zumindest einem - der Schwellenspannung, dem gesättigten Drainstrom und der Steilheit verbessert wurde.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfinder haben festgestellt, daß, falls ein GaAs-MESFET einer Strahlung ausgesetzt wird, der Änderungsbetrag ΔVth der Schwellenspannung Vth in dem Sättigungsbereich, die Änderungsrate α = IdssA/Idss des gesättigten Drainstroms bei normaler Gatevorspannung Idss und die Änderungsrate β = gmA/gm einer Steilheit gm eine konstante Beziehung zu der effektiven Dicke ta = ta1 + ta2 der aktiven Schicht und dem Änderungsbetrag AND der Ladungsträgerkonzentrationen N1D, N2D aufweisen und haben festgestellt, daß der Änderungsbetrag ΔND ein konstantes quantitatives Verhältnis zu der Gesamtbestrahlungsdosis R aufweist. Auf der Grundlage dieser Feststellungen haben sie die in Anspruch 1 definierte Erfindung vollendet.
Bei dieser Anordnung liegt unter einer Bestrahlung mit einer Gesamtbestrahlungsdosis selbst über 1x10&sup9; Röntgen zumindest einer der Werte, die Schwellenspannung Vth, der gesättigte Drainstrom Idss und die Steilheit gm innerhalb deren entsprechenden voreingestellten Bereichen (Toleranzbereiche, die durch die Signalverarbeitungsschaltung bestimmt werden). Folglich kann die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung, die den GaAs-MESFET und eine Signalverarbeitungsschaltung aufweist, normal wie anfänglich beabsichtigt betrieben werden.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der ausführlichen Beschreibung, die nachfolgend gegeben wird, und der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich, die lediglich einer Verdeutlichung dienen und deshalb nicht als eine Beschränkung der vorliegenden Erfindung in Betracht zu ziehen sind.
Ein weiterer Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der nachfolgend gegebenen ausführlichen Beschreibung ersichtlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines GaAs-MESFET, die das Prinzip dieser Erfindung erläutert;
Fig. 2 ist eine Kurve, die die Gesamtbestrahlungsdosis R abhängig von einem Änderungsbetrag ΔVth der Schwellenspannung des in dieser Erfindung enthaltenen MESFET darstellt;
Fig. 3 ist eine Kurve, die die Gesamtbestrahlungsdosis R abhängig von einem Abnahmebetrag AND der Ladungsträgerkonzentration darstellt;
Fig. 4 ist eine Kurve, die das Ergebnis des Experiments bezüglich der Gesamtbestrahlungsdosis R abhängig von einemÄnderungsbetrag ΔVth der Schwellenspannung eines konventionellen MESFET zeigt;
Fig. 5 ist eine Kurve, die die Gesamtbestrahlungsdosis R abhängig von einer Änderungsrate a des gesättigten Drainstroms des in dieser Erfindung enthaltenen MESFET darstellt;
Fig. 6 ist eine Kurve, die die Gesamtbestrahlungsdosis R abhängig von einer Änderung des gesättigten Drainstroms Idss darstellt;
Fig. 7 ist eine Kurve, die die Gesamtbestrahlungsdosis R abhängig von einer Änderungsrate β der Steilheit des in dieser Erfindung eingeschlossenen MESFET zeigt;
Fig. 8 ist eine Kurve, die die Ergebnisse der Experimente bezüglich der Gesamtbestrahlungsdosis R abhängig von einer Änderung der Steilheit gm des konventionellen MESFET darstellt;
Fig. 9 bis 11 sind Kennwertkurven der Schwellenspannung, des gesättigten Drainstroms und der Steilheit des in dieser Erfindung enthaltenen MESFET und der konventionellen FETs zum Vergleich bezüglich der Strahlungsunempfindlichkeit; und
Fig. 12 ist eine Schnittansicht eines GaAs-MESFET mit einer aktiven Schicht in einer Schicht.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Diese Erfindung wird in geeigneten Details unter Bezug auf die Zeichnungen erläutert, die das Prinzip und den Aufbau dieser Erfindung darstellen.
Die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung weist einen GaAs-MESFET und eine mit dem MESFET zusammenarbeitend kombinierte Signalverarbeitungsschaltung auf. Der MESFET und die Signalverarbeitungsschaltung können Kombinationsschaltungen z. B. Verstärker, Inverter-Oszillatoren, digitale Logik-Arrays, etc. vorsehen. Der MESFET bei dieser Kombinationsschaltung, die bei dieser Erfindung enthalten ist, weist eine voreingestellte Schwellenspannung Vth, einen gesättigten Drainstrom Idss mit einer normalen Gatevorspannung und eine Steilheit gm in dem gesättigten Bereich auf. Es ist bekannt, daß sich deren Werte unter einer Strahlungsbelastung ändern. Falls eine geänderte Schwellenspannung VthA, ein geänderter gesättigter Drainstrom IdssA und eine geänderte Steilheit gmA, von denen die anfänglichen Werte aufgrund einer Strahlenbelastung geändert wurden, aus deren durch die Signalverarbeitungsschaltung voreingestellten Bereichen fallen, arbeitet diese Kombinationsschaltung nicht normal. Nachfolgend wird in dieser Beschreibung ein tolerierbarer Wert eines Änderungsbetrags ΔVth der Schwellenspannung Vth durch einen tolerierbaren Änderungsbetrag ΔVthL dargestellt. Ein tolerierbarer Wert einer Änderungsrate α = IdssA/Idss des gesättigten Drainstroms Idss wird durch eine tolerierbare Änderungsrate αL dargestellt und ein tolerierbarer Wert einer Änderungsrate β = gmA/gm der Steilheit wird durch eine tolerierbare Änderungsrate βL dargestellt. Diese Werte von ΔVthL, αL und βL ändern sich abhängig von den Entwürfen der vorstehend beschriebenen Signalverarbeitungsschaltung, aber im allgemeinen ist ΔVthL gleich oder kleiner als 0,2V und αL sowie βL sind gleich oder größer als 0,8.
Wie vorstehend beschrieben ist es bekannt, daß die Schwellenspannung Vth, etc. sich unter einer Strahlenbelastung ändern. Als Ursachen für diese Änderungen wurde erstens von einer Abnahme bei einer Ladungsträgerkonzentration der aktiven Schicht aufgrund einer Strahlenbelastung und zweitens von einer Abnahme einer Elektronen-Beweglichkeit darin aufgrund einer Strahlenbelastung berichtet. Die Erfinder erörterten die erste Ursache in genauen Details und fanden die Beziehung
ΔND = b Rc ..... (1)
heraus, wob und c Konstanten sind, die zwischen einem Abnahmebetrag ΔND von Ladungsträgerkonzentrationen N1D, N2D und einer Gesamtbestrahlungsdosis R gelten. Die Formel 1 gilt, wenn eine anfängliche Ladungsträgerkonzentration N2D (vor einer Strahlenbelastung) der aktiven Schicht 1x10¹&sup7; 1x10¹&sup9;cm&supmin;³ und eine Gesamtdosis R der Strahlenbelastung 1x10&sup8; 1x10¹&sup0; Röntgen beträgt. Die Konstanten b und c weisen einige Bereiche abhängig von Änderungen einer anfänglichen Ladungsträgerkonzentration der aktiven Schicht, der Qualitäten der Substrate, etc. auf. Entsprechend den Experimenten, die durch die Erfinder durchgeführt wurden, weisen die Konstanten b und c Bereiche von
1,99x10¹&sup0; ≤ b ≤ 3,98x10¹&sup0;
0,5 ≤ c ≤ 0,8
auf und die typischen Werte sind b = 3,06x10¹&sup0;, c = 0,678.
Deshalb ist der typische Wert des Abnahmebetrags ΔND der Ladungsträgerkonzentration durch
AND = 3,06x10¹&sup0; R0,678
bestimmt.
Das Experiment, bei dem die Beziehung der Formel 1 herausgefunden wurde, wird nachfolgend in genauen Details erläutert.
Fig. 1 stellt eine Schnittansicht eines selektiv gewachsenen n&spplus;-Source/Drain-GaAs-MESFET mit einem vertieften Gate dar. Wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, sind eine aktive n-Schicht 2 und ein n&spplus;-dotierter Kontaktbereich 3 auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat 1 ausgebildet. Die aktive Schicht 2 umfaßt eine obere Schicht 21 mit einer Dicke tal und eine untere Schicht 22 mit einer Dicke ta2. Teile der aktiven n-Schicht 2 und des n&spplus;-dotierten Kontaktbereichs 3 für einen vorzusehenden Gatebereich sind weggeätzt, um einen Vertiefungs- bzw. Einlaßaufbau auszubilden. Dann werden eine Sourceelektrode 4 und eine Drainelektrode 5 aus einem ohmschen Metall auf dem n&spplus;-dotierten Kontaktbereich 3 durch Aufdampfen im Vakuum ausgebildet. Eine Gateelektrode 6 aus einem Schottky-Sperrschichtmetall wird auf der aktiven n-Schicht 2 ausgebildet. Das Teil der aktiven n-Schicht 2 direkt unter der Gateelektrode 6 weist im Vergleich zu den aktiven n-Schichten der konventionellen MESFETs (die jeweils eine Dicke von etwa 1000 Å (10 Å = 1 nm) aufweisen) eine ausreichend geringere Dicke, eine effektive Dicke von etwa 450 Å auf. Die untere Schicht 22 weist eine Dicke von ta2 = 150 Å, die obere Schicht 21 eine Dicke von ta1 = 300Å auf. Die aktive Schicht 2 weist im Vergleich zu den Ladungsträgerkonzentrationen der konventionellen MESFETs eine höhere Ladungsträgerkonzentration N2D in derem unteren Teil auf, insbesondere weist die untere Schicht 22 eine Ladungsträgerkonzentration von N2D = 3x10¹&sup8; cm&supmin;³ auf und die obere Schicht 21 weist eine Ladungsträgerkonzentration von N1D = 2x10¹&sup7; cm&supmin;³ auf.
Der theoretische Wert der Schwellenspannung Vth von diesem GaAs-MESFET ist durch
bestimmt, was durch Lösen der eindimensionalen Poissongleichung
unter den Grenzbedingungen
bestimmt ist. In Formel 2 stellt Vbi eine Eigenspannung des MESFET; q eine Elektronenladung; und &epsi; eine dielektrische Konstante der aktiven n-Schicht 2 dar. Wenn die Ladungsträgerkonzentrationen N1D, N2D der aktiven n-Schicht 2 aufgrund einer Strahlenbelastung zu N1DA, N2DA werden, wird eine Schwellenspannung Vth nach der Strahlenbelastung durch
gegeben. Dann wird ein Änderungsbetrag der Schwellenspannung Vth aufgrund der Strahlenbelastung durch
bestimmt. In Formel 4 gilt
ND - NDA = N1D - N1DA
= N2D - N2DA.
Falls ein Abnahmebetrag der Ladungsträgerkonzentration aufgrund einer Strahlenbelastung durch
ΔND = ND - NDA,
mit ta = ta1+ta2,
gegeben ist, gilt deshalb
Die Erfinder untersuchten ferner den Änderungsbetrag ΔVth der Schwellenspannung Vth durch Einstrahlen von Gammastrahlen mit Gesamtstrahlendosen von R = 1x10&sup8; Röntgen, 1x10&sup9; Röntgen und 3x10&sup9; Röntgen auf einen MESFET der Fig. 1, der die aktive Schicht 2 mit einer Dicke von 450 Å (=150+300) aufweist. Das Ergebnis ist in Fig. 2 mit Hilfe schwarzer Punkte dargestellt. Aufgrund der Ergebnisse in Fig. 2 werden unter Verwendung der Formel 5 Änderungsbeträge (Abnahmebeträge) ΔND der Ladungsträgerkonzentration mit Hilfe der schwarzen Punkte für Gesamtdosen von R = 1x10&sup8; Röntgen, 1x10&sup9; Röntgen und 3x10&sup9; Röntgen in Fig. 3 angegeben, was zeigt, daß die vorstehend beschriebene Formel
ΔND = 3,06 x 10¹&sup0; R0,678..... (1)
(die Punktlinie der Fig. 3) gilt. Wenn die Formel 1 auf die Fig. 2 angewendet wird, erhält man die Punktlinie in Fig. 2. Dies zeigt, daß das experimentelle Ergebnis und die theoretischen Werte gut übereinstimmen. In Fig. 2 ist mit einer Gesamtdosis von R = 1x10&sup9; Röntgen ein Änderungsbetrag ΔVth der Schwellenspannung so gering wie etwa 0,04 V. Deshalb wird es bestätigt, daß die Strahlungsunempfindlichkeit auffallend verbessert ist, falls die aktive Schicht 2 eine Dicke von etwa 450 Å aufweist.
Die vorstehend beschriebene Formel 1 wurde aus tatsächlich gemessenen Werten für drei Gesamtdosen von R = 1x10&sup8; Röntgen, 1x10&sup9; Röntgen und 3x10&sup9; Röntgen abgeleitet. Es kann festgestellt werden, daß diese Werte ungenügende Daten zum Ableiten einer allgemeinen Formel sind. Dann führten die Erfinder ein weiteres Experiment durch, bei dem Gammastrahlen von Kobalt 60 auf den GaAs-MESFET der Fig. 12 gestrahlt wurden, der den gleichen geometrischen Aufbau außer dem in der aktiven Schicht, wie beim GaAs-MESFET aufweist, der in dieser Erfindung enthalten ist, und daß sie die aktive Schicht 2 in einer Schicht aufweist. Die aktive Schicht 2 wies eine wirksame bzw. effektive Dicke ta von 1130 Å auf, so daß die Ladungsträgerkonzentration ND 2,09x10¹&sup7; cm&supmin;³ beträgt. Bei diesem Experiment betrugen die Gesamtbestrahlungsdosen R =1x10&sup6; Röntgen, 1x10&sup7; Röntgen, 1x10&sup8; Röntgen, 3x10&sup8; Röntgen, 1x10&sup9; Röntgen, 2x10&sup9; Röntgen und 3x10&sup9; Röntgen. Die resultierenden Änderungsbeträge ΔVth der Schwellenspannung sind in Fig. 4 durch die schwarzen Punkte dargestellt. Diese Punkte stimmen mit den theoretischen Werten, die durch die Punktlinie angezeigt werden, sehr gut überein. Die Änderungsbeträge ΔVth betrugen jedoch nach einer Strahlenbelastung von R = 1x10&sup9; Röntgen etwa 0,4 V, was bemerkenswert unter dem in Fig. 2 dargestellten lag.
Die Ergebnisse dieser bezüglich der Schwellenspannung angestellten Experimente werden nachfolgend aufgezeigt. Erstens ist eine Hauptursache für die Verschlechterung der Schwellenspannung des MESFET aufgrund einer Strahlungsbeschädigung eine Abnahme bei der Ladungsträgerkonzentration der aktiven Schicht und es wurde festgestellt, daß Formel 1 eine Abnahme bei der Ladungsträgerkonzentration unter der Strahlenbelastung gut ausdrückt. Zweitens wurde es festgestellt, daß der Änderungsbetrag ΔVth der Schwellenspannung Vth durch das Festsetzen nur der Dicke ta = ta1 + ta2 der aktiven Schicht auf einen erforderlichen Wert festgelegt werden kann. Im einzelnen ist, wie in Fib. 4 dargestellt, die Strahlungsunempfindlichkeit unzureichend, falls die Dicke ta der aktiven Schicht 2 wie bei den konventionellen MESFETs auf etwa 1000 Å festgelegt ist, jedoch ist die Strahlungsunempfindlichkeit, wie in Fig. 2 dargestellt, auf fallend verbessert, falls die Dicke ta = ta1 + ta2 auf 450 Å festgelegt wird.
Dann maßen die Erfinder tatsächlich Änderungen des gesättigten Drainstroms Idss, der auf die Strahlenbelastung der gleichen GaAs-MESFETs wie jenen zurückzuführen ist, die die Schwellenspannungen Vth der Fig. 2 und 4 aufzeigen. Als ein Ergebnis wurde beim Verwenden des gleichen MESFET der Fig. 2 die Charakteristik bzw. die Kennlinie der Änderungsrate α des gesättigten Drainstroms Idss der Fig. 5 erhalten.
Der gesättigte Drainstrom Idss der Fig. 6 wurde beim Verwenden des gleichen MESFET wie bei Fig. 4 erhalten. Bei den Fig. 5 und 6 zeigen die schwarzen Punkte die experimentellen Werte an und die punktierten Linien zeigen die theoretischen Werte an, die durch Anwenden der nachfolgend beschriebenen Formel 10 auf Formel 1 bestimmt werden.
Die theoretische Formel für die Änderungsrate α = IdssA-Idss des gesättigten Drainstroms Idss wird nachfolgend abgeleitet. Der gesättigte Drainstrom Idss des MESFET wird für einen eigenleitenden FET bzw. Intrinsic-FET mit einem Sourcewiderstand RS, der aus der Überlegung herausgelassen wird, durch
bestimmt, wobei
ist. In Formel 6 stellt Wg eine Gatebreite dar; u eine Elektronenbeweglichkeit in der aktiven Schicht 2; Lg eine Gatelänge; und VG eine Gatespannung. Unter der Annahme N1D < N2D ist in Formel 6 N1D/N2D = 0. Deshalb wird Formel 6 mit d&sub1; = ta1 umgeschrieben. Wenn ein gesättigter Drainstrom Idss für VG = Vbi durch IDSS zum Vereinfachen der Berechnung dargestellt wird, wird Formel 6 zu
umgeschrieben, falls eine gesättigter Drainstrom nach der Strahlenbelastung durch IDSSA dargestellt wird, und eine Änderungsrate α aufgrund der Strahlenbelastung nach Formel 7 durch
α = IDSSA / IDSS
= (uA N2DA²) / (uN2D²) ..... (8)
bestimmt ist, wobei N2DA eine Ladungsträgerkonzentration der unteren Schicht nach der Strahlenbelastung ist und durch
N2DA = N2D - ΔND ..... (9)
bestimmt ist. Dann wird Formel 8 durch Formel 9 zu
α = {uA (N2D - ΔND)²}/(u N2D²) ..... (10)
substituiert.
Die Formel 10 wird dann nachfolgend diskutiert. Es wurde festgestellt, daß die Änderungsrate a durch Änderungen (u uA) der Elektronenbeweglichkeit u aufgrund der Strahlenbelastung beeinflußt wird. Jedoch beträgt uA/u etwa 0,95 - 0,98, falls die Ladungsträgerkonzentration vor der Strahlenbelastung etwa 1x10¹&sup8;cm&supmin;³ betrug. Die Änderung wird kleiner während die Ladungsträgerkonzentration größer wird. Dann wurde die Berechnung mit uA/u = 0,95 durchgeführt. Die Ergebnisse sind die Punktlinien der Fig. 5 und 6. Wie vorstehend beschrieben wurde es bestätigt, daß die Ergebnisse mit den experimentellen Werten übereinstimmen.
Diese Experimente mit dem gesättigten Drainstrom Idss und die Studien von deren Ergebnissen zeigen das folgende. Erstens ist eine Hauptursache für die Verschlechterung des Idss des MESFET, während eine Gesamtbestrahlungsdosis einwirkt, eine Abnahme der Ladungsträgerkonzentration der aktiven Schicht und es wurde festgestellt, daß Formel 1 die Abnahme der Ladungsträgerkonzentration aufgrund der Strahlenbelastung sehr gut erklärt. Zweitens kann die Änderungsrate α des gesättigten Drainstroms durch das Festlegen nur der anfänglichen Ladungsträgerkonzentration (vor der Strahlenbelastung) N2D der unteren Schicht 22 der aktiven Schicht auf einen erforderlichen Wert festgelegt werden, da u in Formel 10 eine Konstante ist, der Wert von uA/u angenähert werden kann und ΔND abhängig von einer Gesamtstrahlendosis in Formel 1 bestimmt werden kann. Falls die Ladungsträgerkonzentration ND der aktiven Schicht 2 wie bei den Konventionellen auf etwa 2x10¹&sup7;cm&supmin;³ festgelegt wird, ist die Strahlungsunempfindlichkeit im einzelnen ungenügend, wie dies aus Fig. 6 ersichtlich ist. Falls die Ladungsträgerkonzentration N2D der unteren Schicht auf 1x10¹&sup8;cm&supmin;³ festgelegt wird, wird die Strahlungsunempfindlichkeit hervorragend verbessert, wie dies in Fig. 5 zu sehen ist.
Dann haben die Erfinder tatsächlich Änderungen der Steilheiten gm gemessen, die auf die Strahlenbelastung in den gesättigten Bereichen der gleichen GaAs-MESFETs wie jenen zurückzuführen sind, die die Schwellenspannungen Vth der Fig. 2 und 4 und die Kennlinien des gesättigten Drainstroms Idss der Fig. 5 und 6 zeigen. Als Ergebnisse wurden die Änderungsrate β der Steilheit gm der Fig. 7 beim Verwenden des gleichen MESFET der Fig. 2 und 5 erhalten und die Steilheit gm der Fig. 8 wurde beim Verwenden des gleichen MESFET der Fig. 4 und 6 erhalten. In den Fig. 7 und 8 zeigen die schwarzen Punkte die experimentellen Werte an und die punktierten Linien zeigen die theoretischen Werte an, die durch Anwenden der nachfolgend beschriebenen Formel 15 auf Formel 1 bestimmt wurden.
Die theoretische Formel für die Änderungsrate β = gmA/gm der Steilheit wird nachfolgend abgeleitet. Eine Steilheit gm in dem Sättigungsbereich des MESFET wird für einen Intrinsic-FET mit einem Sourcewiderstand RS, der aus der Überlegung herausgelassen wird, durch
bestimmt. In dieser Formel gilt
Unter der Annahme N1D < N2D gilt in Formel 11 N1D/N2D = 0. Deshalb wird Formel 11 mit d&sub1; = ta1 um geschrieben. Wenn eine Steilheit gm für VG = Vbi zum Vereinfachen der Berechnung durch gmmax dar gestellt wird, wird Formel 11 umgeschrieben zu
Eine Änderungsrate Q aufgrund der Strahlenbelastung wird nach Formel 12 durch
β = gmmaxA / gmmax
= (uA N2DA)/(u N2D) ..... (13)
gegeben, wobei N2DA eine Ladungsträgerkonzentration der unteren Schicht nach der Strahlenbelastung ist und durch
N2DA = N2D - ΔND ..... (14)
bestimmt ist. Dann wird Formel 13 durch Formel 14 zu
β = {uA(N2D - ΔND))/(u N2D) ..... (15)
substituiert.
Die Formel 15 wird dann nachfolgend diskutiert. Es wurde festgestellt, daß die Änderungsrate β durch Änderungen (u uA) der Elektronenbeweglichkeit u wegen der Strahlenbelastung beeinflußt wird. Jedoch beträgt uA/u etwa 0,95, falls die Ladungsträgerkonzentration vor der Strahlenbelastung etwa 1x10¹&sup8;cm&supmin;³ beträgt. Die Änderung wird geringer, während die Ladungsträgerkonzentration höher wird. Dann wurde die Berechnung mit uA/u = 0,95 durchgeführt. Die Ergebnisse sind die punktierten Linien der Fig. 7 und 8. Wie vorstehend beschrieben, wurde bestätigt, daß die Ergebnisse mit den experimentellen Werten übereinstimmen.
Diese Experimente und die Studien ihrer Ergebnisse zeigen das folgende. Erstens ist eine Hauptursache für die Verschlechterung der Steilheit des MESFET, während eine Gesamtstrahlendosis wirkt, eine Abnahme der Ladungsträgerkonzentration in der aktiven Schicht und es wurde festgestellt, daß Formel 1 die Abnahme der Ladungsträgerkonzentration aufgrund der Strahlenbelastung sehr gut erklärt. Zweitens kann die Änderungsrate β der Steilheit durch das Setzen von nur der anfänglichen Ladungsträgerkonzentration N2D der unteren Schicht 22 der aktiven Schicht auf einen erforderlichen Wert eingestellt werden, da u in Formel 15 eine Konstante ist, der Wert von uA/u angenähert werden kann und ΔND abhängig von einer Strahlendosis nach Formel 1 bestimmt wird. Im einzelnen ist, falls die Ladungsträgerkonzentration ND der aktiven Schicht 2 wie bei den Konventionellen auf etwa 2x10¹&sup7;cm&supmin;³ festgelegt ist, die Strahlungsunempfindlichkeit ungenügend, wie dies in Fig. 8 zu sehen ist. Falls die Ladungsträgerkonzentration N2D in der unteren Schicht auf 1x0¹&sup8;cm&supmin;³ festgelegt wird, wird die Strahlungsunempfindlichkeit hervorragend verbessert, wie dies aus Fig. 7 ersichtlich ist.
Es ist möglich, daß nach den vorstehend beschriebenen Erkenntnissen ein Aufbau einer Halbleitereinrichtung, die unter der Strahlenbelastung von einer Gesamtdosis R von nicht nur weniger als 1x10&sup9; Röntgen sondern auch einer Gesamtdosis R von über 1x10&sup9; Röntgen normal betrieben werden kann, aufgrund einer Dicke ta der aktiven Schicht 2 und einer Ladungsträgerkonzentration N2D in der unteren Schicht 22 genau angegeben werden kann. D. h., damit ein GaAs-MESFET und eine Signalverarbeitungsschaltung zu einer solchen Halbleitereinrichtung kombiniert werden können und die Signalverarbeitungsschaltung wie beabsichtigt betrieben werden kann, falls ein tolerierbarer Änderungsbetrag der Schwellenspannung Vth des MESFET ΔVthL beträgt, muß eine effektive Dicke ta = ta1 + ta2 der aktiven Schicht 2 auf Formel 5 gestützt
ta < {(2&epsi; ΔVthL)/(q ΔND)}1/2 ..... (16)
betragen. In diesem Fall wird die
Ladungsträgerkonzentration N2D der unteren Schicht 22 der aktiven Schicht 2 wie folgend nach Formel 2 durch
N2D = {[2&epsi;/(q ta²)] (Vbi - Vth)} ..... (17)
bestimmt. Falls ein tolerierbarer Änderungsbetrag ΔVthL der Schwellenspannung Vth für eine Gesamtbestrahlungsdosis von R = 1x10&sup9; Röntgen im einzelnen durch
ΔVthL = 0,1V (ΔVth < 0,1V)
berechnet wird, wird hier ein Änderungsbetrag ΔND der Ladungsträgerkonzentration durch
ΔND = 3,87 x 10¹&sup6;cm&supmin;³
bestimmt. Eine effektive Dicke ta = ta1 + ta2 der aktiven Schicht 2 liegt nach Formel 16 unter 585 Å (450 Å für den MESFET der Fig. 2). Ferner werden die Ladungsträgerkonzentrationen N1D, N2D der aktiven Schicht bei einer unter 585 Å angesetzten Dicke der aktiven Schicht 2 durch deren Zusammenhang mit der Dicke ta1, ta2 bestimmt. In diesem Fall betragen eine dielektrische Konstante der aktiven Schicht
&epsi; = &epsi;s &epsi;&sub0;
= 12,0 x 8,85 x 10&supmin;¹²F/m,
eine Elektronenladung
q = 1,602 x 10&supmin;¹&sup9;C und
eine Eigenspannung Vbi = 0,7V.
Damit die Kombinationsschaltung, die mit der Halbleitereinrichtung in Beziehung steht, wie erforderlich funktioniert, falls eine tolerierbare Änderungsrate des gesättigten Drainstroms Idss des MESFET durch αL dargestellt wird, muß eine anfängliche Ladungsträgerkonzentration N2D der unteren Schicht 22 der aktiven Schicht 2 nach Formel 10 durch
N2D > ΔND / {1-[αL(u/uA)]1/2} ..... (18)
gegeben sein. In diesem Fall wird eine effektive Dicke ta = ta1 + ta2 der aktiven Schicht 2 durch
ta = ([2&epsi;/(q N2D)](Vbi-Vth)} ..... (19)
bestimmt. Hier wird für eine Gesamtbestrahlungsdosis von R = 1 x 10&sup9; Röntgen mit αL (einer tolerierbaren Änderungsrate des gesättigten Drainstroms IDSS) = 0,9 IDSSA > 0,9IDSS) ein Änderungsbetrag ΔND der Ladungsträgerkonzentration nach Formel 1 durch
ΔND = 3,87 x 10¹&sup6;cm&supmin;³
bestimmt und die Ladungsträgerkonzentration N2D der unteren Schicht 22 der aktiven Schicht 2 wird nach Formel 10 größer als 1,45x10¹&sup8;cm&supmin;³.
Damit der GaAs-MESFET und eine Signalverarbeitungsschaltung zu dieser Halbleitereinrichtung kombiniert werden und die Signalverarbeitungsschaltung wie bestimmt betrieben werden kann, falls eine tolerierbare Änderungsrate der Steilheit gm in dem Sättigungsbereich des MESFET βL beträgt, muß ferner eine anfängliche Ladungsträgerkonzentration N2D der unteren Schicht 22 der aktiven Schicht 2 nach Formel 15
N2D > ΔND/{1 - βL (u/uA)} ..... (21)
betragen. In diesem Fall muß eine effektive bzw. wirksame Dicke ta = ta1 + ta2 der aktiven Schicht 2
ta = {[&epsi;/(q N2D)] (Vbi-Vth)}1/2 ..... (22)
betragen. Hier ist für eine Gesamtbestrahlungsdosis von R = 1x10&sup9; Röntgen mit βL (einer tolerierbaren Änderungsrate der Steilheit gmax) = 0,9 (gmmaxA > 0,9 gmmax) ein Änderungsbetrag ΔND nach Formel 1 durch
ΔND = 3,87 x 10¹&sup6;cm&supmin;³ gegeben. Die Ladungsträgerkonzentration N2D der unteren Schicht der aktiven Schicht 2 ist durch Formel 15 bei einem Wert von über 7,35 x 10¹&sup7;cm&supmin;³ bestimmt.
Die erfindungsgemäße Halbleitereinrichtung und die konventionellen werden bezüglich der Strahlungsunempfindlichkeit in den Fig. 9 bis 11 verglichen. Fig. 9 stellt Änderungsbeträge ΔVth der Schwellenspannung Vth dar, die auf die Strahlenbelastung zurückzuführen sind. Fig. 10 stellt Änderungsbeträge bzw. -raten α des gesättigten Drainstroms Idss dar. Fig. 11 zeigt Änderungsraten β der Steilheit gm. In den Fig. 9 - 11 stellen Kurven (a), (b) und (c) Kennlinien der konventionellen handelsüblichen MESFETs dar. Die Kurve (b) entspricht den Kennlinien der Fig. 4, 6 und 8 für die aktive Schicht 2 mit einer wirksamen Dicke ta von 1130 Å und einer Ladungsträgerkonzentration von 2,09 x 10¹&sup7;cm&supmin;³. Die Kurve (d) stellt die Kennlinie eines konventionellen HEMTs (Transistor mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit) dar. Wie aus Fig. 9 offensichtlich ist, weisen diese konventionellen Halbleitereinrichtungen für eine Gesamtdosis von R = 1x10&sup9; Röntgen Änderungsbeträge ΔVth der Schwellenspannung mit einer Höhe von 0,2 bis 0,3V auf. Die Kurve (e) in Fig. 9 stellt die Kennlinie eines MESFET mit einer p- Schicht dar, die unter einer aktiven n-Schicht zum Verringern eines Leckstroms zum Substrat vergraben ist, und der Änderungsbetrag ΔVth wird für R=1x10&sup9; Röntgen zu etwa 0,12V unterdrückt. Im Gegensatz dazu wird bei dem erfindungsgemäßen MESFET mit der aktiven Schicht 2 mit einer wirksamen Dicke ta = ta1 + ta2 von 450Å (was der Kennlinie der Fig. 2 entspricht) der Änderungsbetrag ΔVth selbst für R=1x10&sup9; Röntgen zu einem Wert von weniger als 0,1V unterdrückt, wie dies durch die Kurve (f) dargestellt wird, und es wurde festgestellt, daß die Strahlungsunempfindlichkeit sehr verbessert ist. Aus den Fig. 10 und 11 ist es offensichtlich, daß eine solche Verbesserung der Strahlungsunempfindlichkeit auch bei dem gesättigten Drainstrom Idss und der Steilheit gm aufgezeigt wird.
Bei dieser Erfindung bleiben selbst unter der Strahlenbelastung mit einer Gesamtbestrahlungsdosis gleich oder größer R=1x10&sup8; Röntgen die Werte der Schwellenspannung Vth, des gesättigten Drainstroms Idss und der Steilheit gm innerhalb ihrer tolerierbaren Bereiche. Ein GaAs-MESFET, der bezüglich der Strahlungsunempfindlichkeits-Kennlinie als Überlegen anerkannt wird, muß eine Strahlungsunempfindlichkeit bis zu einer Gesamtbestrahlungsdosis von etwa 1,4x10&sup8; 4,3x10&sup9; Röntgen aufweisen. Für diese Bestrahlungsdosis beträgt die absorbierte Dosis des GaAs insgesamt 1x10&sup8; 3x10&sup9; rad (1 Röntgen = 0,7 rad bei GaAs). Andererseits beträgt der tolerierbare Bereich des Änderungsbetrags ΔVth (positive Verschiebung) der Schwellenspannung Vth 0,2V und die tolerierbaren Bereiche der Änderungsraten α=IdssA/Idss, β=gmA/gm des gesättigten Drainstroms Idss und der Steilheit gm betragen etwa 80%. Im einzelnen kann gesagt werden, daß der GaAs-MESFET eine überlegene Strahlungsunempfindlichkeit aufweist, falls der Änderungsbetrag ΔVth = 0,15V mit einer Gesamtbestrahlungsdosis R=1,5x10&sup9; Röntgen beträgt.
Was hier jedoch anzumerken ist, ist, daß der vorstehend beschriebene tolerierbare Änderungsbetrag ΔVthL und die tolerierbaren Änderungsraten αL, βL abhängig von Schaltungen, die mit dem GaAs-MESFET kombiniert werden, in großem Maße variieren. Im einzelnen sind ein Beispiel SCFL- (sourcegekoppelte FET-Logik) Schaltungen, die eine geringe Integrität aufweisen, aber einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb ermöglichten. Bei diesen Schaltungen wird die Betriebsgeschwindigkeit im wesentlichen durch einen Strom bestimmt, der durch zwei Transistoren in den Pufferstufen fließt. Dementsprechend ändert sich die Betriebsgeschwindigkeit in großem Maße, falls sich die Werte der Vth, des Idss und der gm wegen einer Strahlungsbelastung ändern. Jedoch kann der Einfluß auf die Betriebsgeschwindigkeit durch die Änderungen der Werte von Vth, Idss und gm durch das Festlegen der Werte von Widerständen der SCFL-Schaltung mit-geeigneten Werten um 1/3 1/4 verringert werden. Selbst bei einer SCFL-Schaltung, die eine Änderung der Betriebsgeschwindigkeit von nur 10% erlaubt, beträgt die tolerierbare Änderung für die Schwellenspannung Vth 200mV (VthL = 0,2V) und die tolerierbaren Änderungen für den gesättigten Drainstrom Idss und die Steilheit gm liegen bei etwa 20% (αL=0,8, βL=0,8)
Im Gegensatz dazu ist ein anderes Beispiel eine Speicherzelle für einen Speicher-IC, der eine hohe Integrität auf einem Halbleiterchip aufweist, bei dem der tolerierbare Bereich für diese Änderungen eingeengt wird. Insbesondere nimmt bei diesem IC eine Zeit, in der eine kleine Speicherzelle die Datenleitungen lädt und entlädt, einen großen Teil einer Gesamtzugriffszeit in Anspruch. Ferner sind bei jeder Speicherzelle die Transistoren, Widerstände, etc. zum Verringern des Leistungsverbrauchs miniaturisiert. Folglich variiert die Betriebsgeschwindigkeit abhängig von Änderungen der Parameter in großem Maße. Um die Änderung der Speicherzugriffszeit innerhalb von 20% zu halten, beträgt der tolerierbare Änderungsbetrag der Schwellenspannung Vth nur 50 mV (ΔVthL = 0,05 V) und die tolerierbaren Änderungsraten des gesättigten Drainstroms Idss und der Steilheit gm betragen nur 10% (αL=0,9, βL=0,9)
Diese Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt und deckt verschiedene Modifikationen ab.
Zum Beispiel ist die aktive Schicht nicht notwendigerweise durch epitaxiales Aufwachsen ausgebildet, sondern kann durch die Ionenimplantation ausgebildet werden. Der Vertiefungsaufbau der Fig. 1 ist nicht wesentlich.

Claims

1. Eine strahlungsbeständige Halbleitervorrichtung mit einer Signalverarbeitungsschaltung, die mit einem MESFET kombiniert ist, der ein halbisolierendes GaAs-Substrat (1) mit einer aktiven Schicht (2) und eine auf der aktiven Schicht (2) ausgebildete Gateelektrode (6) aufweist, wobei die aktive Schicht eine obere Schicht (21) mit einer Ladungsträgerkonzentration N1D und einer wirksamen Dicke ta1 und eine untere Schicht (22) mit einer Ladungsträgerkonzentration N2D und einer wirksamen Dicke ta2 aufweist, wobei N1D < N2D ist und die aktive Schicht (2) direkt auf dem Substrat (1) ausgebildet ist, wobei der MESFET eine Schwellenspannung Vth mit einem Änderungsbetrag ΔVth, einen gesättigten Drainstrom Idss mit einer Änderungsrate α und eine Vorwärtssteilheit gm mit einer Änderungsrate β aufweist, wobei diese Parameter, nachdem die Vorrichtung einer Strahlenbelastung mit einer Gesamtdosis R von 1 x 10&sup9; Röntgen oder mehr ausgesetzt wurde, innerhalb zulässiger Änderungsbeträge ΔVthL bzw. αL bzw. βL geändert sind, wobei ΔVthL ≤ 0,2V, αL und βL ≥ 0,8 sind,

die wirksame Dicke ta = ta1 + ta2 der aktiven Schicht (2) durch

ta < {(2&epsi; ΔVthL) / ( q ΔND)}1/2 und

die Ladungsträgerkonzentration N2D der unteren Schicht (22) vor der Strahlenbelastung durch

N2D > ΔND / {1 - [αL (u/uA)]1/2} und/oder

N2D > ΔND / {1 - βL (u/uA)}

gegeben ist, wobei u und uA die Ladungsträgerbeweglichkeiten in der aktiven Schicht (2) entsprechend vor und nach der Strahlenbelastung, ΔND die Abnahme der Ladungsträgerkonzentrationen N1D oder N2D der oberen und der unteren Schicht (21, 22) aufgrund der Strahlenbelastung, &epsi; die dielektrische Konstante der aktiven Schicht (2) und q die Elektronenladung darstellen.

2. Eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Abnahmebetrag ΔND der Ladungsträgerkonzentration durch

ΔND = b Rc

bestimmt ist, wobei b und c Konstanten sind.

3. Eine Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, wobei für die Konstanten b und c

1,99 x 10¹&sup0; ≤ b ≤ 3,98 x 10¹&sup0; bzw.

0,5 ≤ c ≤ 0,8

gilt.