JP2664076B2 - Semiconductor device - Google Patents
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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。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a semiconductor device used for equipment requiring radiation resistance.
〔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)。[Prior art] Devices used in outer space, near nuclear reactors, etc.
So-called radiation resistance is required. Radiation includes gamma (γ) rays, as well as neutrons and protons, and the exposure limit for these is generally one silicon (Si) device.
× 10 6 x-ray, 1 for gallium arsenide (GaAs) device
× 10 8 x-rays ("Symposium on Space Development", p.35-38).
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。As a technique for improving the radiation resistance of a GaAs device, for example, the following has been conventionally proposed.
First, a P-type layer is buried under the n-type active layer to reduce leakage current to the substrate, thereby improving radiation resistance, particularly in terms of threshold voltage. Second
The third is to shorten the gate length, and the third is to increase the carrier concentration by thinning the n-type active layer.
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。However, the conventional one has radiation resistance up to a total dose R of about 1 × 10 8 x-rays, but cannot be said to be a sufficiently practical level (1 × 10 9 x-rays). Although the third type generally requires a high carrier concentration in the active layer, no study has been made from the viewpoint of obtaining transistor characteristics required for circuit design. Therefore, a practical transistor having radiation resistance of about 1 × 10 9 X-rays has not been realized so far.
一方「半導体装置の物理第2版」Physics of Semicon
ductor Device SECOND EDITION)S.M.Sze,P.334には、
活性層を2層にしたMESFETが開示されている。これによ
れば、活性層表面のキャリア濃度は低くなるので、表面
空乏層の悪影響がなくなり、優れた特性のMESFETが実現
できる。On the other hand, "Physics of Semicon 2nd edition"
ductor Device SECOND EDITION) SMSze, P.334,
A MESFET having two active layers is disclosed. According to this, since the carrier concentration on the surface of the active layer becomes low, the adverse effect of the surface depletion layer is eliminated, and a MESFET having excellent characteristics can be realized.
そこで本発明は、簡単な構成により、特にソース・ド
レイン間飽和電流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。Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can further improve radiation resistance with a simple configuration, particularly in view of a change in source-drain saturation current.
本発明はGaAsMESFETに放射線を照射したときに、GaAs
MESFETのソース・ドレイン間飽和電流Idssの変化率α=
IdssA/Idss(IdssAは変化後のIdss)が活性層のキャリ
ア濃度N1D,N2Dの変化量ΔND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ΔND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。The present invention provides a method for irradiating GaAs MESFETs with GaAs.
Change rate α of source-drain saturation current I dss of MESFET
I dssA / I dss (I dssA is after the change I dss) the carrier concentration of the active layer N 1D, in terms of focusing on the fact that it has a constant relationship between the variation .DELTA.N D of N 2D, said variation .DELTA.N The inventors have found that D has a certain quantitative relationship with the total dose R, and completed the present invention.
すなわち本発明は、キャリア濃度△N1Dで実効的な厚
さがa1の上側層と、キャリア濃度N2Dで実効的な厚さがa
2の下側層とからなる活性層がGaAsの中に不純物をドー
ピングして形成されたMESFETと、このMESFETのソース・
ドレイン間飽和電流Idssの変化後の値をIdssAとしたと
きの変化率α=IdssA/Idssが許容変化率αL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
レントゲン以上の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における放射線照射前、後のキ
ャリア移動をそれぞれμ,μAとしたときに、活性層の
放射線照射前のキャリア濃度N1Dが1×1017cm-3以上1
×1019cm-3以下であり、キャリア濃度の減少量△NDが、
b,cを定数とするときに、 △ND=b・Rc であり、活性層の放射線照射前のキャリア濃度N2Dが1
×1017cm-3以上1×1019cm-3以下であって、かつ、 N2D>△ND/{1−[αL(μ/μA)]1/2} 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(=a1+a2)は近似的に a={[2ε/(q・N2)]・(Vbi−Vth)}1/2 となる。ここでVbiはMESFETのビルトイン電圧である。That is, the present invention includes an upper layer effective thickness of a 1 in carrier concentration △ N 1D, effective thickness at a carrier concentration N 2D is a
(2 ) An MESFET in which an active layer composed of a lower layer is formed by doping impurities into GaAs, and a source and a source of the MESFET.
Composed with the MESFET so as to operate normally when the rate of change α = I dssA / I dss is within the allowable change rate α L when the value after change of the drain-to-drain saturation current I dss is I dssA. Signal processing circuit, and the total dose R is 1 × 10 9
A semiconductor device that may be used at 1 × 10 under 10 roentgens following radiation environment or roentgen, before irradiation of the active layer by irradiation of total dose R, respectively carrier movement after mu, and the mu A Sometimes, the carrier concentration N 1D of the active layer before irradiation is 1 × 10 17 cm −3 or more.
× is the 10 19 cm -3 or less, decrease amount △ N D of the carrier concentration,
When b and c are constants, ΔN D = b · R c , and the carrier concentration N 2D of the active layer before irradiation is 1
Wherein the × 10 17 cm -3 or more A 1 × 10 19 cm -3 or less, and a N 2D> △ N D / { 1- [α L (μ / μ A)] 1/2} And At this time, the effective thickness a (= a 1 + a 2 ) of the active layer is approximately a = {[2ε / (q · N 2 )] · (V bi −V th )} 1/2. . Here, V bi is the built-in voltage of the MESFET.
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レントゲン以上に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、GaAsME
SFETのソース・ドレイン間飽和電流Idss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
GaAsMESFET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。According to the present invention, the total dose R of the irradiated radiation is 1 ×
10 9 X-ray or less, of course, total dose R is 1 × 1
Under a preset radiation dose in the range of not less than 9 X-rays and not more than 1 × 10 10 X-rays, GaAsME
The source-drain saturation current I dss of the SFET falls within a predetermined range (permissible range determined by the signal processing circuit).
A semiconductor device including a GaAs MESFET and a signal processing circuit cooperating therewith operates normally as originally designed.
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。Hereinafter, the principle and configuration of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
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は所定のソース・ドレイン間
飽和電流Idssを有するが、この飽和電流Idss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、変化した後の飽和電流IdssA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飽和電流Idssの変化率α=IdssA/
Idssの許容変化率αLと定義して説明する。The semiconductor device of the present invention has a MESFET made of GaAs and a signal processing circuit combined so as to cooperate therewith.
The MESFET and the signal processing circuit constitute a combination circuit such as an amplifier circuit, an inverter, and an oscillation circuit. The MESFET in this combination circuit has a predetermined source-drain saturation current I dss, and it is conventionally known that this saturation current I dss changes under a radiation irradiation environment. Then, when the changed saturation current I dssA becomes a value outside the range previously required by the signal processing circuit, the combination circuit does not operate normally. Hereinafter, in this specification, the change rate α of the saturation current I dss in this allowable range α = I dssA /
The description will be made by defining the allowable change rate α L of I dss .
上記のように、MESFETのソース・ドレイン間飽和電流
Idss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Vth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N1D,N2Dの減少
量ΔNDと照射放射線の総線量Rの間には、 ΔND=b・Rc …(1) の関係が成り立つことを閾値電圧Vthの変化の実験値か
ら見出し、この関係が飽和電流Idss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NDが1×1017〜1019cm-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 ΔND=3.06×1010・R0.678 と表わすことができる。As described above, the source-drain saturation current of MESFET
It is known that I dss changes by irradiation, but it is known that the threshold voltage V th also changes under the irradiation environment. Regarding the causes of these changes, firstly, the carrier concentration of the active layer is reduced by radiation,
Second, it has been reported that the electron mobility is reduced by radiation. The present inventors have conducted detailed studies for the first of the above, between the total dose R of the carrier concentration N 1D in the active layer, irradiation decreased the amount .DELTA.N D of N 2D radiation, ΔN D = b · It was found from the experimental value of the change in the threshold voltage V th that the relationship of R c ... (1) holds, and it was confirmed that this relationship explains the experimental value of the change in the saturation current I dss quite appropriately. Where b, c
A both the constant, (1) a carrier concentration N D of the initial active layer (before irradiation with a radiation) is 1 × 10 17 ~10 19 cm -3 , and total dose R of radiation irradiated Is 1 × 10 8 -1
× 10 It is established in the range of 10 X-rays. in this case,
The constants b and c have a certain range due to variations in the initial carrier concentration of the active layer, the radiation energy, the quality of the substrate, and the like. According to the experiment of the inventor, the constants b and c
Has a width of about 1.99 × 10 10 ≦ b ≦ 3.98 × 10 10 0.5 ≦ c ≦ 0.8, and a typical value is b = 3.06 ×
10 10 , c = 0.678, and therefore the carrier concentration decrease ΔN
A typical value of D can be expressed as ΔN D = 3.06 × 10 10 · R 0.678 .
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。Hereinafter, an experiment which led to the discovery of the relationship of the equation (1) will be described.
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をなす実効的に厚さa2の下側層22
および実効的な厚さa1の上側層21を形成し、さらにその
上に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
450Å程度(従来品は1000Å前後)とし、その内訳は下
側層22をa2=150Å、上側層21をa1=300Åとする。ま
た、n型活性層2の下側のキャリア濃度は従来品に比べ
て高濃度に、具体的には下側層22をN2D=3×1018c
m-3、上側層21をN1D=2×1017cm-3とする。First, GaAs having a recess gate structure shown in a sectional view in FIG.
Prepare MESFET. As shown in the figure, a lower layer 22 having an effective thickness a 2 forming an n-type active layer 2 on a semi-insulating GaAs substrate 1 is formed.
And the effective thickness a 1 of the upper layer 21 is formed, further an n + -type contact layer 3 is formed by epitaxial growth thereon, one n-type active layer 2 and the n + -type contact layer 3 in the gate region The portion is removed by etching to form a recess structure. Next, the source electrode 4 is formed on the n + -type contact layer 3 by vacuum evaporation.
The drain electrode 5 is formed of an ohmic metal, and the gate electrode 6 is formed on the n-type active layer 2 with a Schottky metal. Here, the n-type active layer 2 immediately below the gate electrode 6
Is sufficiently thinner than the conventional product, and specifically, the effective thickness a is
It is about 450 mm (about 1000 mm for the conventional product), and the breakdown is that a 2 = 150 mm for the lower layer 22 and a 1 = 300 mm for the upper layer 21. Also, the carrier concentration on the lower side of the n-type active layer 2 is higher than that of the conventional product, and specifically, the lower layer 22 is N 2D = 3 × 10 18 c
m −3 , and the upper layer 21 has N 1D = 2 × 10 17 cm −3 .
このようなGaAsMESFET閾値電圧Vthの理論値は、完全
空乏近似のもとでの一次元のポアソン方程式 d2φ1/dχ2=−qN1D/ε (0≦χ≦a1) d2φ1/dχ2=−qN2D/ε (a1≦χ≦a1+a2) を境界条件 χ=a1+d(但し、d>a2)で dφ/dχ=0 χ=0でφ=−(Vbi−VG) の下で解くことにより、 として求めることができる。ここで、Vbi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N1D,N2DがN1DA,N2DAになったとする
と、放射線照射後の閾値電圧VthAは となる。このため、放射線照射による閾値電圧Vthのず
れ量ΔVthは となる。但し、 ND−NDA=N1D−N1DA =N2D−N2DA としてある。従って、照射線照射によるキャリア濃度の
減少量をΔND=ND−NDAとすると、 a=a1+a2であるから、 ΔVth={(q・a2)/2ε}・ΔND …(5) となる。The theoretical value of such a GaAs MESFET threshold voltage V th is obtained by calculating the one-dimensional Poisson equation d 2 φ 1 / dχ 2 = −qN 1D / ε (0 ≦ χ ≦ a 1 ) d 2 φ under the full depletion approximation. 1 / dχ 2 = −qN 2D / ε (a 1 ≦ χ ≦ a 1 + a 2 ) with boundary conditions χ = a 1 + d (where d> a 2 ), dφ / dχ = 0 χ = 0 and φ = − By solving under (V bi −V G ), Can be obtained as Here, V bi is the built-in voltage of the MESFET, q is the electron charge, and ε is the dielectric constant of the n-type active layer 2. Therefore, by irradiation, n-type active layer 2 having a carrier concentration N 1D, N 2D is N 1DA, When becomes N 2DA, the threshold voltage V thA after Irradiation Becomes Therefore, the deviation amount ΔV th of the threshold voltage V th due to the radiation irradiation is Becomes However, there is a N D -N DA = N 1D -N 1DA = N 2D -N 2DA. Accordingly, when the decrease of the carrier concentration by radiation irradiation and ΔN D = N D -N DA, because it is a = a 1 + a 2, ΔV th = {(q · a 2) / 2ε} · ΔN D ... (5)
次に、本発明者は活性層2の実効厚さaを450(=150
+300)Åとして第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Vthの変化量ΔVth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)ΔNDを求めると、第3図の黒
点のようになり、先に示した ΔND=3.06×1010・R0.678 …(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。Next, the present inventors set the effective thickness a of the active layer 2 to 450 (= 150
+300) Å, using the MESFET of FIG.
1 × 10 8, 1 × irradiated with 109 and 3 × 10 9 roentgens gamma were examined variation [Delta] V th of the threshold voltage V th. As a result, the result shown by a black dot in FIG. 2 was obtained. Therefore, according to the equation (5), the total dose R =
When obtaining the 1 × 10 8, 1 × 10 9, 3 × 10 9 variation of carrier concentration in the case of X-ray (decrease) .DELTA.N D, now black point of FIG. 3, .DELTA.N indicated above D = 3.06 × 10 10 · R 0.678 (1) It was found that the relational expression (dotted line in FIG. 3) holds. When the relationship of the equation (1) is applied to FIG. 2, it becomes as shown by a dotted line in the figure, and the experimental results and the theoretical values are in good agreement.
上記の(1)式の関係には、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、活性層を導く部分の幾何学形状に
おいてほぼ同一構造であって、活性層を1層とした第8
図のMESFETを用いて実験を行なった。ここで、活性層2
の実効的な厚さaを1130Åとし、キャリア濃度をND=2.
09×1017cm-3とした。このような、イオン注入による従
来タイプのGaAsMESFETを用いたコバルト60によるガンマ
線の照射実験の場合、総線量はR=1×106、1×107、
1×108、3×108、1×109、2×109、3×109とし
た。得られた閾値電圧Vth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。In the relationship of the above equation (1), R = 1 × 10 8 , 1 × 10 9 ,
It is obtained from actual measurement values at three radiation doses of 3 × 10 9 X-rays, and it can be said that data for deriving the general formula is somewhat insufficient. Therefore, the present inventor further proposes an eighth embodiment in which the geometrical shape of the portion leading the active layer is substantially the same, and the active layer is a single layer.
An experiment was performed using the MESFET shown in the figure. Here, the active layer 2
Is 1130 °, and the carrier concentration is N D = 2.
09 × 10 17 cm −3 . In the case of such a gamma ray irradiation experiment using cobalt 60 using a conventional type GaAs MESFET by ion implantation, the total dose is R = 1 × 10 6 , 1 × 10 7 ,
The values were 1 × 10 8 , 3 × 10 8 , 1 × 10 9 , 2 × 10 9 , and 3 × 10 9 . The obtained change in the threshold voltage Vth is as shown by the black dot in FIG. 4, which is in good agreement with the theoretical value indicated by the dotted line.
次に本発明者は、第2図および第4図の閾値電圧Vth
の特性を得たGaAsMESFETと同一のMESFETを用いて、放射
線照射によるソース・ドレイン間飽和電流Idss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
ような飽和電流Idssの変化率αの特性が得られ、第4図
の特性に対応して第6図のような飽和電流Idss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。Next, the inventor has determined that the threshold voltage V th in FIG. 2 and FIG.
The change of the source-drain saturation current I dss due to radiation irradiation was measured using the same MESFET as the GaAs MESFET having the characteristics described above. As a result, the characteristic of the change rate α of the saturation current I dss is obtained as shown in FIG. 5 corresponding to the characteristic of FIG. 2, and the saturation current I ds as shown in FIG. The characteristics of dss change were obtained. In FIGS. 5 and 6, the black points are experimental values, and the dotted lines are theoretical values obtained by applying the above-described equation (1) to theoretical equation (10) shown below.
そこで、次に飽和電流Idssの変化率α=IdssA/Idssの
理論式を求める。まず、MESFETのソース・ドレイン間飽
和電流Idssは、前述のポアッソン方程式を解くことによ
り求められ、ソース・抵抗Rsを無視した真性FETについ
て となる。ここで、Wgはゲート幅、μは活性層2における
電子移動度、Lgはゲート長、VGはゲート電圧、Vpはピン
チオフ電圧である。計算を簡単にするためにVG=Vbiの
時の飽和電流IdssをIDSSとし、N1D≪N2DよりN1D/N2D=
0とすると、d1=a1となる。このため、(6)式は となる。従って、放射線照射による変化率αは、(7)
式より となる。ここで、NDAは放射線照射後のキャリア濃度で
あり、 N2DA=N2D−ΔND … (9)であるから、(8)式は となる。Therefore, a theoretical formula of the change rate α = I dssA / I dss of the saturation current I dss is obtained next. First, the source-drain saturation current I dss of the MESFET is obtained by solving the aforementioned Poisson equation, and for an intrinsic FET ignoring the source and resistance R s. Becomes Here, W g is the gate width, mu is the electron mobility in the active layer 2, the L g gate length, V G is the gate voltage, the V p is the pinch-off voltage. The saturation current I dss when the V G = V bi and I DSS for simplicity of calculation, N 1D «N 2D from N 1D / N 2D =
Assuming 0, d 1 = a 1 . Therefore, equation (6) is Becomes Therefore, the rate of change α due to irradiation is (7)
From the formula Becomes Here, N DA is the carrier density after irradiation, since it is N 2DA = N 2D -ΔN D ... (9), (8) formula Becomes
ここで、(10)式を検討すると、変化率αは電子移動
度μの放射線照射による変化(μ→μA)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μA/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、μA/μ=
0.95として計算を行ったところ、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。Here, when examining equation (10), it can be seen that the rate of change α is also affected by the change in electron mobility μ due to irradiation (μ → μ A ), but the carrier concentration before irradiation is 1 ×
In the case of about 10 18 cm −3, μ A / μ is about 0.95, and the change becomes smaller as the concentration becomes higher. Therefore, μ A / μ =
When the calculation was performed at 0.95, the results were as shown by the dotted lines in FIGS. 5 and 6, and the agreement with the experimental value was confirmed as described above.
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μA/μの値は近似的に推定でき、しかもΔNDは放射線
量に依存して(1)式から定まるのであるから、活性層
の下側層22の初期のキャリア濃度N2Dの設定のみにより
飽和電流変化率α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ND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N2Dを3×1018cm-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。As a result of these experiments and ideas, firstly, the main cause of the MESFET characteristic deterioration due to radiation damage is the decrease in the carrier concentration in the active layer, and the relational expression (1) shows that the decrease in the carrier concentration under irradiation is very good. I understood that it was explaining. Second, the value of mu is a constant mu A / mu in (10) can be estimated approximately, yet because .DELTA.N D is the determined from depending on the radiation dose (1), the active layer It has been found that the saturation current change rate α can be set to a predetermined value only by setting the initial carrier concentration N2D of the lower layer 22. More specifically, when the carrier concentration N D of the active layer 2 as in the conventional of 2 × 10 17 cm -3 before and after, but the radiation resistance has become inadequate as FIG. 6 When the carrier concentration N 2D is set to 3 × 10 18 cm −3 , the radiation resistance is significantly improved as shown in FIG.
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の下側層22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、GaAsMESFET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のソース・ドレ
イン間飽和電流Idssの許容変化率がαL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の下側層22の初期のキャリア濃度
N2Dは(10)式より N2D>ΔND/{1−[αL(μ/μA)]1/2} …(11) でなければならず、この場合の活性層2の実行的に厚さ
aは a={[2ε/(q・N2D)]・(Vbi−Vth)}1/2 …
(12) となる。ここで、総線量R=1×109レントゲンについ
て、飽和電流IDSSの許容変化率αL=0.9(IDSSA>0.9I
DSS)として具体的に計算すると、キャリア濃度の変化
量ΔNDは(1)式より ΔND=3.87×1016cm-3 となり、活性層2のキャリア濃度は(10)式より1.45×
1018cm-3以上となる。そして、このような活性層2のキ
ャリア濃度において所定の閾値電圧Vthを得ようとした
ときには、活性層2の実効的な厚さa1,a2はキャリア濃
度N1D,N2Dとの相関関係で定まることになる。なお、 誘電率ε=εs・εo =12.0×8.85×10-12F/m 電子の電荷q=1.602×10-19C ビルトイン電圧Vbi=0.7V とする。Based on the above findings, when the total dose R is less than 1 × 10 9 Roentgen course, total dose R to operate normally even under the following radiation environment 1 × 10 10 Roentgen 1 × 10 9 roentgen or The structure of the semiconductor device can be specified particularly from the viewpoint of the carrier concentration of the lower layer 22 of the active layer 2. That is, when the GaAs MESFET is combined with the signal processing circuit to form the semiconductor device, and the allowable change rate of the source-drain saturation current I dss of the MESFET is α L ,
In order for the combinational circuit according to the semiconductor device to operate as designed, the initial carrier concentration of the lower layer 22 of the active layer 2 is required.
From equation (10), N 2D must be N 2D > ΔN D / {1− [α L (μ / μ A )] 1/2 } (11). And the thickness a is: a = {[2ε / (q · N 2D )] · (V bi −V th )} 1/2
(12) Here, the total dose R = 1 × 10 9 Roentgen, permissible saturated current I DSS change rate α L = 0.9 (I DSSA> 0.9I
More specifically calculated as DSS), the variation .DELTA.N D of the carrier concentration (1) ΔN D = 3.87 × 10 16 cm -3 next from the equation, the carrier concentration in the active layer 2 (10) 1.45 × from the equation
10 18 cm -3 or more. In order to obtain a predetermined threshold voltage V th at such a carrier concentration of the active layer 2, the effective thicknesses a 1 and a 2 of the active layer 2 are correlated with the carrier concentrations N 1D and N 2D. It will be determined by the relationship. Here, the permittivity ε = ε s · ε o = 12.0 × 8.85 × 10 −12 F / m Charge of electron q = 1.602 × 10 −19 C Built-in voltage V bi = 0.7V.
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ND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飽和
電率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)、飽和電流の特性改善は得られない。これに対し、
活性層2の下側層22のキャリア濃度N2Dを3×1018cm-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=3×109レントゲンでも変
化率α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。Comparison between the product of the present invention and the conventional product regarding radiation resistance
Shown in the figure. In the figure, (a), (b), (c) the curve shows the characteristics of commercially available MESFET conventional, in particular (b) of the curve of the active layer 2 carrier concentration N D of 2.09 × 10 17
corresponds to the characteristic of Figure 6 which is a cm -3. Curve (d) shows the characteristics of a commercially available HEMT (high electron mobility transistor). As is clear from the figure, in these conventional products, the saturation electric power change rate suddenly becomes a high value with the total dose R = 1 × 10 9 X-ray as a boundary. On the other hand, the characteristics of the MESFET in which the p-type layer is buried under the n-type active layer to reduce the leakage current to the substrate are as shown by the curve (e) in FIG. Although not shown, no improvement in saturation current characteristics can be obtained. In contrast,
The carrier concentration N 2D of the lower layer 22 of the active layer 2 is set to 3 × 10 18 cm −3
In the structure according to the present invention (corresponding to the characteristic shown in FIG. 5), the change rate α is suppressed to a sufficiently low value even at R = 3 × 10 9 X-ray as shown by the curve (f), and the radiation resistance is remarkably reduced. It can be seen that it has improved.
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。The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible.
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。For example, the formation of the active layer is not limited to the epitaxial growth method, but may be an ion implantation method. Further, it is not essential to form a recess gate structure as shown in FIG.
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GaAsMESFETのソース・ドレイン間
飽和電流Idssは所定の許容範囲に収まり、従ってGaAsME
SFET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。As described above in detail, according to the present invention, when the total dose R of the irradiated radiation is 1 × 10 9 X-rays or less, the total dose R is 1 × 10 9 X-rays or more and 1 × 10 10 X-rays or less. Also, the source-drain saturation current I dss of the GaAsMESFET falls within a predetermined allowable range, and
A semiconductor device including an SFET and a signal processing circuit cooperating with the SFET operates normally as originally designed. Therefore, the radiation resistance can be significantly improved.
第1図は、本発明の原理を説明するGaAsMESFETの断面
図、第2図は、本発明に係るMESFETの閾値変化量ΔVth
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ΔND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Vth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のソース・ドレイン間飽和電
流Idssの変化率α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のソース・ドレイン間飽和
電流Idss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、第8図は、実験に用いた従来構造のMESFETの断面
図である。 1……GaAs基板、2……n型活性層、21……活性層の上
側層、22……活性層の下側層、3……n+型コンタクト
層。FIG. 1 is a sectional view of a GaAs MESFET illustrating the principle of the present invention, and FIG. 2 is a threshold change amount ΔV th of the MESFET according to the present invention.
Shows the dose dependence of R, FIG. 3 is a diagram showing a dependency on dose R of carrier concentration decrease .DELTA.N D, Fig. 4, the radiation amount of change in the threshold V th of the conventional MESFET FIG. 5 shows the results of an experiment examining the dependence on R, FIG.
Figure is a diagram showing a dependency on dose R of the rate of change of the source-drain saturation current I dss of MESFET according to the present invention alpha, Figure 6 is a source-drain saturation current I dss conventional MESFET The figure which shows the dependence of the change on the radiation dose R,
FIG. 7 is a characteristic diagram comparing the radiation resistance of the product of the present invention with that of the conventional product, and FIG. 8 is a cross-sectional view of a conventional MESFET used in the experiment. 1 ...... GaAs substrate, 2 ...... n-type active layer, the upper layer of 21 ...... active layer, the lower layer of 22 ...... active layer, 3 ...... n + -type contact layer.
Claims (1)
度がN2D(N2D>N1D)の下側層からなる活性層がGaAs中
に不純物をドーピングして形成されたMESFETと、このME
SFETのソース・ドレイン間飽和電流Idssの変化後の値を
IdssAとしたときの変化率α=IdssA/Idssが許容変化率
αL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N1D、N2Dの減少量を△ND、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,μA
としたときに、 前記活性層の放射線照射前のキャリア濃度N1Dが1×10
17cm-3以上1×1019cm-3以下であり、 前記キャリア濃度の減少量△NDが、b,cを定数とすると
きに、 △ND=b・Rc であり、 前記活性層の放射線照射前のキャリア濃度N2Dが1×10
17cm-3以上1×1019cm-3以下であって、かつ、 N2D>△ND/{1−[αL(μ/μA)]1/2} であることを特徴とする半導体装置。And the MESFET active layer made of the lower layer is formed by doping impurities into the GaAs in claim 1] upper layer and the carrier concentration of the carrier concentration N 1D is N 2D (N 2D> N 1D ), this ME
The value after the change of the source-drain saturation current I dss of the SFET
The MESFET to operate correctly when the change rate α = I dssA / I dss when the I DSSA is within the allowable rate of change alpha L
And a signal processing circuit configured in combination with the radiation source, wherein the semiconductor device can be used in a radiation irradiation environment where the total dose R is not less than 1 × 10 9 X-rays and not more than 1 × 10 10 X-rays. the carrier concentration N 1D of the active layer by irradiation, decrease the △ N D of N 2D, the irradiated before in the active layer, the carrier mobility after each mu, mu a
When the carrier concentration N 1D of the active layer before irradiation is 1 × 10
17 cm -3 to 1 × is at 10 19 cm -3 or less, decrease amount △ N D of the carrier concentration, b, when a and c constants, a △ N D = b · R c , said active The carrier concentration N 2D of the layer before irradiation is 1 × 10
17 cm -3 or more A 1 × 10 19 cm -3 or less, and characterized in that it is a N 2D> △ N D / { 1- [α L (μ / μ A)] 1/2} Semiconductor device.
Priority Applications (7)
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CA000612547A CA1301955C (en) | 1988-09-30 | 1989-09-22 | Semiconductor device mesfet with upper and lower layers |
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