JP2664073B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は耐放射線性が要求される機器に使用される半
導体装置に関するものである。

〔従来の技術〕

宇宙空間や原子炉近傍などで使用されるデバイスは、
いわゆる耐放射線性が要求される。放射線にはガンマ
（γ）線のほか中性子線、陽子線などが含まれるが、こ
れらの被爆限界は一般に、シリコン（Si）デバイスで１
×10⁶レントゲン、ガリウムヒ素（GaAs）デバイスで１
×10⁸レントゲン程度となっている（「宇宙開発関連シ
ンポジウム講演要旨集」P.35〜38）。

〔発明が解決しようとする課題〕

GaAsデバイスの耐放射線性を向上させる技術として
は、例えば次のようなものが従来から提案されている。
第１は、ｎ型の活性層の下側にＰ型層を埋め込み、これ
によって基板へのリーク電流を低減することで、特に閾
値電圧の点で耐放射線性を向上させるものである。第２
は、ゲート長を短くするものであり、第３は、ｎ型の活
性層を薄くしてキャリア濃度を上げるものである。

しかしながら、従来のものは総線量Ｒが１×10⁸レン
トゲン程度までの耐放射線性はあるが、十分に実用的な
レベル（１×10⁹レントゲン）とは言えない。また、上
記第３のタイプに関しては、一般的には活性層の高キャ
リア濃度化は必要とされているものの、回路設計上必要
とされるトランジスタ特性を得るという観点からの検討
は全くなされておらず、従って１×10⁹レントゲン程度
の耐放射線性を有する実用的なトランジスタはこれまで
実現されていない。

そこで本発明は、簡単な構成により、特に飽和領域で
の相互コンダクタンスの変化の点から更に耐放射線性を
向上させることのできる半導体装置を提供することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者はGaAs MESFETに放射線を照射したときに、G
aAs MESFETの飽和領域での相互コンダクタンスg_mの変化
率β＝g_mA/g_m（g_mAは変化後のg_m）が活性層のキャリア
濃度N_Dの変化量ΔN_Dと一定の関係を有するという事実に
着目した上で、上記の変化量ΔN_Dが総線量Ｒと一定の定
量的関係を有することを発見し、本発明を完成した。

すなわち本発明は、GaAs中に深さ方向で略一様に不純
物をドーピングして形成されたMESFETと、このMESFETの
飽和領域での相互コンダクタンスg_mの変化後の値をg_mA
としたときの変化率β＝g_mA/g_mが許容変化率β_Ｌ以内で
あるときに正常に動作するように当該MESFETと組み合せ
て構成された信号処理回路とを備え、総線量Ｒが１×10
⁹レントゲン以上１×10¹⁰レントゲン以下の放射線照射
環境下で使用され得る半導体装置であって、総線量Ｒの
放射線照射による活性層のキャリア濃度減少量をΔN_D、
活性層における放射線照射前、後のキャリア移動度をそ
れぞれμ、μ_Ａとしたときに、キャリア濃度の減少量△
N_Dが、b,cを定数とするときに、 △N_D＝ｂ・R^c であり、活性層の放射線照射前のキャリア濃度N_Dが１×
10¹⁷cm^-3以上１×10¹⁹cm^-3以下であって、かつ、 N_D＞△N_D/｛１−β_Ｌ（μ／μ_Ａ）｝ であることを特徴とする。このとき、活性層の実効的な
厚さａは近似的に ａ＝｛［２ε／（ｑ・N_D）］・（V_bi−V_th）｝^1/2 なる。ここで、V_biはMESFETのビルトイン電圧であ
る。

〔作用〕

本発明によれば、照射される放射線の総線量Ｒが１×
10⁹レントゲン以下の場合はもちろん、総線量Ｒが１×1
0⁹レントゲン以上１×10¹⁰レントゲン以下の範囲内にお
いてあらかじめ設定された放射線量の下では、GaAs MES
FETの飽和領域での相互コンダクタンスg_mは所定範囲
（信号処理回路によって定まる許容範囲）に収まり、従
ってGaAs MESFETとこれに協動する信号処理回路とを備
えて構成される半導体装置は、当初の設計値通りに正常
に動作することになる。

〔実施例〕

以下、本発明の原理および構成を図面を参照して詳細
に説明する。

本発明の半導体装置はGaAsからなるMESFETと、これと
協動するように組み合された信号処理回路を有し、この
MESFETと信号処理回路により例えば増幅回路、インバー
タ、発振回路などの組合せ回路などが構成される。この
組合せ回路におけるMESFETは飽和領域での所定の相互コ
ンダクタンスg_mを有するが、この相互コンダクタンスg_m
は放射線照射環境下で変化することが従来から知られて
いる。そして、変化した後の相互コンダクタンスg_mAが
信号処理回路によりあらかじめ要求されている範囲外の
値になると、この組合せ回路は正常に動作しなくなる。
以下、本明細書ではこの許容範囲における相互コンダク
タンスg_mの変化率β＝g_mA/g_mの許容値を、許容変化率β
_Ｌと定義して説明する。

上記のように、MESFETの飽和領域での相互コンダクタ
ンスg_mは放射線照射により変化することが知られている
が、閾値電圧V_thについても放射線照射環境下で変化す
ることが知られている。これらの変化の原因について
は、第１に放射線による活性層のキャリア濃度の減少、
第２に放射線による電子移動度の低下などが報告されて
いる。本発明者は、上記の第１の点について詳細な検討
を行ない、活性層におけるキャリア濃度N_Dの減少量ΔN_D
と照射放射線の総線量Ｒの間には、 ΔN_D＝ｂ・R^c の関係が成り立つことを閾値電圧V_thの変化の実験値か
ら見出し、この関係が相互コンダクタンスg_mの変化の実
験値を極めて適切に説明していることを確認した。ここ
で、b,cは共に定数であって、（１）式は活性層の初期
（放射線照射前）のキャリア濃度N_Dが１×10¹⁷〜１×10
¹⁹cm^-3であり、かつ照射される放射線の総線量Ｒが１×
10⁸〜１×10¹⁰レントゲンの範囲において成立する。こ
の場合、定数b,cは活性層の初期キャリア濃度や放射線
のエネルギーあるいは基板の品質等のばらつきにより、
ある程度の幅をもっている。本発明者の実験によれば、
定数b,cは 1.99×10¹⁰≦ｂ≦3.98×10¹⁰ 0.5≦ｃ≦0.8 程度の幅を有しており、代表的な値としてはｂ＝3.06×
10¹⁰、ｃ＝0.678であり、従ってキャリア濃度減少量ΔN
_Dの代表値は ΔN_D＝3.06×10¹⁰・Ｒ^0.678 と表すことができる。

以下、この（１）式の関係を発見するに至った実験を
説明する。

まず、第１図に断面図で示すリセスゲート構造のGaAs
MESFETを用意する。同図に示す通り、半絶縁性のGaAs
基板１上にｎ型活性層２およびn⁺型コンタクト層３をエ
ピタキシャル成長法で形成し、ゲート領域のｎ型活性層
２およびn⁺型コンタクト層３の一部をエッチングで除去
してリセス構造とする。次に、真空蒸着法でn⁺型コンタ
クト層３上にソース電極４およびドレイン電極５をオー
ミック金属で形成し、ｎ型活性層２上にゲート電極６を
ショットキ金属で形成する。ここで、ゲート電極６の直
下におけるｎ型活性層２を従来品に比べて十分に薄く、
具体的には実効厚さａは500Å程度（従来品は1000Å前
後）とし、ｎ型活性層２のキャリア濃度N_Dは従来品に比
べて高濃度に、具体的には１×10¹⁸cm^-3とする。

このようなGaAs MESFETの閾値電圧V_thの理論値は、培
風館「超高速化合物半導体デバイス」P.63によれば、 V_th＝V_bi−（ｑ・N_D・a²）/2ε …（２） として求めることができる。ここで、V_biはMESFETのビ
ルトイン電圧、ｑは電子の電荷、εはｎ型活性層２の誘
電率である。従って、放射線の照射によりｎ型活性層２
のキャリア濃度N_DがN_DAになったとすると、放射線照射
後の閾値電圧V_thAは V_thA＝V_bi−（ｑ・N_DA・a²）/2ε …（３） となる。このため、放射線照射による閾値電圧V_thのず
れ量ΔV_thは ΔV_th＝V_thA−V_th ＝｛V_bi−（ｑ・N_DA・a²）/2ε｝ −｛V_bi−（ｑ・N_D・a²）/2ε｝ ＝｛（ｑ・a²）/2ε｝・（N_D−N_DA） …（４） となるので、放射線照射によるキャリア濃度の減少量を
ΔN_Dとすると、 ΔV_th＝｛（ｑ・a²）/2ε｝・ΔN_D …（５） となる。

次に、本発明者は活性層２の実効厚さを500Å、キャ
リア濃度を１×10¹⁸cm^-3とした第１図のMESFETを用い
て、総線量Ｒ＝１×10⁸、１×10⁹および３×10⁹レント
ゲンのガンマ線を照射し、閾値電圧V_thの変化量ΔV_thを
調べた。その結果、第２図に黒点で示すような結果が得
られた。そこで、（５）式に従って、第２図の結果か
ら、総線量Ｒ＝１×10⁸、１×10⁹、３×10⁹レントゲン
の場合のキャリア濃度の変化量（減少量）ΔN_Dを求める
と、第３図の黒点のようになり、先に示した ΔN_D＝3.06×10¹⁰・Ｒ^0.678 …（１） の関係式（第３図中の点線）が成り立つことがわかっ
た。この（１）式の関係を第２図にあてはめると、図中
の点線のようになり、実験結果と理論値がよく一致して
いる。

上記の（１）式の関係は、Ｒ＝１×10⁸、１×10⁹、３
×10⁹レントゲンの３つの放射線照射量における実測値
から求めたものであり、一般式を導くためのデータとし
てはやや不十分であると言うことも可能である。そこ
で、更に本発明者は、幾何学形状においてほぼ同一構造
であって、活性層２の実効的な厚さａを1130Åとしキャ
リア濃度N_Dを2.09×10¹⁷cm^-3としたイオン注入による従
来タイプのGaAs MESFETを用いて、コバルト60によるガ
ンマ線の照射実験を行なった。この場合、総線量はＲ＝
１×10⁶、１×10⁷、１×10⁸、３×10⁸、１×10⁹、２×1
0⁹、３×10⁹とした。得られた閾値電圧V_thの変化は第４
図の黒点のようになり、点線で示す理論値とよく一致し
た。

次に本発明者は、第２図および第４図の閾値電圧V_th
の特性を得たGaAs MESFETと同一のMESFETを用いて、放
射線照射による飽和領域での相互コンダクタンスg_mの変
化を実測した。その結果、第２図の特性に対応して第５
図のような相互コンダクタンスg_mの変化率βの特性が得
られ、第４図の特性に対応して第６図のような相互コン
ダクタンスg_mの変化の特性が得られた。第５図および第
６図において、黒点は実験値であり、点線は下記に示す
理論式（10）に前述の（１）式を適用して得た理論値で
ある。

そこで、次に相互コンダクタンスg_mの変化率β＝g_mA/
g_mの理論式を求める。まず、MESFETの飽和領域での相互
コンダクタンスg_mは、ソース抵抗R_sを無視した真性FET
について g_m＝｛（W_g・μ・ｑ・N_D・ａ）/L_g ×｛１−［（V_bi−V_G）/V_p］^1/2 …（６） となる。ここで、W_gはゲート幅、μは活性層２における
電子移動度、L_gはゲート長、V_Gはゲート電圧、V_pはピン
チオフ電圧である。計算を簡単にするためにV_G＝V_biの
時の相互コンダクタンスg_mをg_mmaxとすると、（６）式
は g_mmax＝（W_g・μ・ｑ・N_D・ａ）/L_g …（７） となる。従って、放射線照射による変化率βは、（７）
式より β＝g_mmaxA/g_mmax ＝（μ_Ａ・N_DA）／（μ・N_D） …（８） となる。ここで、N_DAは放射線照射後のキャリア濃度で
あり、 N_DA＝N_D−ΔN_D …（９） であるから、（８）式は β＝｛μ_Ａ（N_D−ΔN_D）｝／（μ・N_D） …（10） となる。

ここで、（10）式を検討すると、変化率βは電子移動
度μの放射線照射による変化（μ→μ_Ａ）にも影響され
ることがわかるが、放射線照射前のキャリア濃度が１×
10¹⁸cm^-3程度の場合にはμ_A/μ＝0.95程度であり、高濃
度になるにつれて変化は小さくなる。そこで、μ_A/μ＝
0.95として計算を行なったところ、結果は第５図および
第６図の点線のようになり、先に説明したように実験値
との一致が確認された。

これらの実験および考案の結果、第１に、放射線損傷
におけるMESFETの特性劣化の主たる原因は活性層におけ
るキャリア濃度の減少にあり、関係式（１）は放射線照
射下のキャリア濃度の減少を極めてよく説明しているこ
とがわかった。第２に、（10）式においてμは定数であ
りμ_A/μの値は近似的に推定でき、しかもΔN_Dは放射線
量に依存して（１）式から定まるものであるから、活性
層の初期のキャリア濃度N_Dの設定のみにより相互コンダ
クタンスの変化率βを所定値に設定できることがわかっ
た。具体的には、従来品のように活性層２のキャリア濃
度N_Dを２×10¹⁷cm^-3前後としたときには、耐放射線性は
第６図のように不十分なものになっているが、キャリア
濃度N_Dを１×10¹⁸cm^-3に設定したときには、第５図のよ
うに耐放射線性は著しく改善される。

以上の知見にもとづき、総線量Ｒが１×10⁹レントゲ
ン以下の場合はもちろん、総線量Ｒが１×10⁹レントゲ
ン以上１×10¹⁰レントゲン以下の放射線照射環境下であ
っても正常に動作する半導体装置の構造を、特に活性層
２のキャリア濃度の点から特定することができる。すな
わち、GaAs MESFETが信号処理回路と組み合されて上記
半導体装置が形成され、MESFETの飽和領域での相互コン
ダクタンスg_mの許容変化率がβ_Ｌであるときに、半導体
装置に係る組み合せ回路が設計値通りの動作をするため
には、活性層２の初期のキャリア濃度N_Dは（10）式より N_D＞ΔN_D/｛１−βＬ（μ／μ_Ａ）｝ …（11） でなければならず、この場合の活性層２の実効的な厚さ
ａは ａ＝｛［ε／（ｑ・N_D）］・（V_bi−V_th）｝^1/2 …（12） となる。ここで、総線量Ｒ＝１×10⁹レントゲンについ
て、相互コンダクタンスg_mmaxの許容変化率β_Ｌ＝0.9
（g_mmaxA＞0.9g_mmax）として具体的に計算すると、キャ
リア濃度の変化量ΔN_Dは（１）式より ΔN_D＝3.87×10¹⁶cm^-3 となり、活性層２のキャリア濃度は（10）式より7.35×
10¹⁷cm^-3以上となる。そして、このような活性層２のキ
ャリア濃度おいて閾値電圧V_thを V_th＝−1.2V としたときには、活性層２の実効的な厚さは（12）式よ
り585Åとなる。但し、 誘電率ε＝ε_ｓ・ε_ｏ ＝12.0×8.85×10^-12F/m 電子の電荷ｑ＝1.602×10^-19C ビルトイン電圧V_bi＝0.7V とする。

耐放射線性に関する本発明品と従来品の比較を、第７
図に示す。同図において、（イ），（ロ），（ハ）の曲
線は従来から市販のMESFETの特性を示しており、特に
（ロ）の曲線は活性層２のキャリア濃度N_Dを2.09×10¹⁷
cm^-3とした第６図の特性に対応している。また、曲線
（ニ）は市販のHEMT（高電子移動度トランジスタ）の特
性を示している。同図から明らかなように、これら従来
品では総線量Ｒ＝１×10⁹レントゲンを境界として変化
率は急に高い値になっている。一方、ｎ型活性層の下側
にｐ型層を埋め込んで基板へのリーク電流を低減させた
MESFETの特性は、同図中の曲線（ホ）のようになり、閾
値電圧の特性改善は見られるものの（図示せず）、相互
コンダクタンスの特性改善は得られない。これに対し、
活性層２のキャリア濃度N_Dを１×10¹⁸cm^-3とした（第５
図の特性のものに対応した）本発明の構造では、曲線
（ヘ）の如くＲ＝１×10⁹レントゲンでも変化率βは十
分低い値に抑えられ、著しく耐放射線性が向上している
ことがわかる。

本発明については、上記実施例に限定されるものでは
なく、種々の変形が可能である。

例えば、活性層の形成はエピタキシャル成長法に限ら
ず、イオン注入法を用いてもよい。また、第１図のよう
なリセスゲート構造とすることも必須ではない。

〔発明の効果〕

以上、詳細に説明した通り本発明では、照射される放
射線の総線量Ｒが１×10⁹レントゲン以下の場合はもち
ろん、総線量Ｒが１×10⁹レントゲン以上１×10¹⁰レン
トゲン以下であってもGaAs MESFETの飽和領域での相互
コンダクタンスg_mは所定の許容範囲に収まり、従ってGa
As MESFETとこれに協動する信号処理回路とを備えて構
成される半導体装置は、当初の設計値通りに正常に動作
することになる。このため、耐放射線性を著しく向上さ
せることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理を説明するGaAs MESFETの断面
図、第２図は、本発明に係るMESFETの閾値変化量ΔV_th
の放射線量Ｒに対する依存性を示す図、第３図は、キャ
リア濃度減少量ΔN_Dの放射線量Ｒに対する依存性を示す
図、第４図は、従来のMESFETの閾値V_thの変化の放射線
量Ｒに対する依存性を調べた実験の結果を示す図、第５
図は、本発明に係るMESFETの飽和領域での相互コンダク
タンスg_mの変化率βの放射線量Ｒに対する依存性を示す
図、第６図は従来のMESFETの飽和領域での相互コンダク
タンスg_mの変化の放射線量Ｒに対する依存性を示す図、
第７図は、本発明品の耐放射線性を従来品と比較した特
性図である。 １……GaAs基板、２……ｎ型活性層、３……n⁺型コンタ
クト層。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】GaAs中に深さ方向で略一様に不純物をドー
   ピングして形成されたMESFETと、このMESFETの飽和領域
   での相互コンダクタンスg_mの変化後の値をg_mAとしたと
   きの変化率β＝g_mA/g_mが許容変化率β_Ｌ以内であるとき
   に正常に動作するように当該MESFETと組み合わせて構成
   された信号処理回路とを備え、総線量Ｒが１×10⁹レン
   トゲン以上１×10¹⁰レントゲン以下の放射線照射環境下
   で使用され得る半導体装置であって、 前記総線量Ｒの放射線照射による前記活性層のキャリア
   濃度N_Dの減少量を△N_D、前記活性層における前記放射線
   照射前、後のキャリア移動度をそれぞれμ，μ_Ａとした
   ときに、 前記キャリア濃度の減少量△N_Dが、b,cを定数とすると
   きに、 △N_{D ＝}ｂ・R^c であり、 前記活性層の放射線照射前のキャリア濃度N_Dが１×10¹⁷
   cm^-3以上１×10¹⁹cm^-3以下であって、かつ、 N_D＞△N_D/｛１−β_Ｌ（μ／μ_Ａ）｝ であることを特徴とする半導体装置。