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JP3042019B2 - 電界効果トランジスタ - Google Patents

電界効果トランジスタ

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JP3042019B2
JP3042019B2 JP3126228A JP12622891A JP3042019B2 JP 3042019 B2 JP3042019 B2 JP 3042019B2 JP 3126228 A JP3126228 A JP 3126228A JP 12622891 A JP12622891 A JP 12622891A JP 3042019 B2 JP3042019 B2 JP 3042019B2
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JP
Japan
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layer
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fet
effect transistor
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潤 小松
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Sony Corp
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Sony Corp
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電界効果トランジス
タ、特にpチャンネル型のGeを能動層すなわちチャン
ネル層とするヘテロ構造電界効果トランジスタに係わ
る。
【0002】
【従来の技術】III −V族化合物半導体のGaAs中で
の電子の移動度は、Si中に比し4〜5倍高いため、G
aAsを能動層とするnチャンネル電界効果トランジス
タ(FET)を始めとする種々の電子デバイスが高速高
周波用デバイスとして今日実用化されている。
【0003】この高速化に加えIC(集積回路)の低消
費電力化のためにはコンプリメンタリすなわちpチャン
ネル及びnチャンネル各FETの組合せによる回路構成
を採ることが重要である。
【0004】ところが、現状においてホール(正孔)を
担体とする高速デバイスの開発及び実用化が充分でな
い。例えばGaAs中の正孔の移動度μh(室温で25
0cm2 /V・sec)は、電子移動度μe(室温で86
00cm2 /V・sec)に比して極めて小さく、GaA
sを能動層としてコンプリメンタリな回路をつくるとp
チャンネルFETの特性により、回路全体の特性が制約
されてしまうという問題がある。
【0005】一方、昨今Ge中の正孔移動度μhが室温
で1900cm2/V・secと大きいことが注目されて
いるが、金属−Geのショットキー障壁(約0.3e
V)、及びGeのpn接合による障壁(0.4〜0.6
eV)は共に比較的低いものであって、それのみでFE
Tを構成しても論理振幅はあまりとれない。
【0006】これに対して図4に示すように、例えば特
開平2−181935号に開示されているような、Ge
中の正孔をFETの担体として用いたヘテロ構造のFE
Tの提案がなされている。これは、n型のGaAs基板
21上に真性(i型)のAl 0.3 Ga0.7 As半導体層
22とp型Ge層23と真性のAl0.3 Ga0.7 Asよ
りなる半導体層24とが順次成長された構造を有し、こ
の半導体層24上にショットキー接合Jsを構成するA
l等のゲート電極25が被着された構成が採られる。2
6及び27はp型チャンネル層すなわち能動層23上に
オーミックに被着されたソース電極及びドレイン電極を
示す。
【0007】しかしながら、このような構成によるAl
GaAsを絶縁層する金属/絶縁層/半導体構造による
いわゆるDMT(Doped Channel MISLike FET)において
も、その順方向電圧を充分大きくすることができないこ
とから論理振幅が例えばnチャンネルのGaAsによる
接合型FET(J−FET)における論理振幅1.4e
Vに比し低く、このnチャンネルGaAsによるJ−F
ETとコンプリメンタリな論理回路を構成する場合に、
やはりこのJ−FETの大きな論理振幅の優位性を充分
生かし切れないという懸念がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、Geを能動
層とするヘテロ構造電界効果トランジスタにおいて、そ
の順方向電圧を大として論理振幅の増大化をはかるもの
である。
【課題を解決するための手段】本発明は、図1にその一
例の略線的断面図を示すように、p型Geチャンネル層
(能動層)1上に、このチャンネル層1と整合し、エネ
ルギーバンドギャップがチャンネル層1に比し充分大な
るGaAs化合物半導体エピタキシャル成長層よりなる
真性(i型)またはp型の障壁層2と、n型半導体層3
とこれの上にオーミックに被着されたゲート電極4より
なる接合型ゲート部5を設けた構造とする。
【0009】6及び7はp型Geチャンネル層1に対し
てゲート部5を挟んでその両側に配置したオーミック接
触によるソース電極及びドレイン電極を示す。
【0010】すなわち、本発明においては、p型Geチ
ャンネル層に対してi型またはp型障壁層2と、n型半
導体層3とによるn−i−pもしくはn−p−p型の接
合型ゲート部を有するいわゆるJ−FET構成により、
Geを能動層とするヘテロ構造電界効果トランジスタ構
成とする。
【0011】
【作用】図2は本発明構成の障壁層2をi型としたFE
Tの、特に、ノーマリーオン型としたFETの一例のバ
ンドモデル図を示すもので、この場合図2Aは熱平衡状
態のバンドモデル図を示す。
【0012】図2A中、破線のバンドモデル図は、ゲー
ト部がショットキーゲートとされたDMT構造の場合を
比較して示したものである。
【0013】今、順バイアスを加えてフラットバンド状
態にするに必要な電圧をφFBとすると、このφFBは、φ
FB=Eg−ΔEn−ΔEp−ΔEv(Egは半導体層3
及び障壁層2のバンドギャップ、ΔEn及びΔEpはド
ナーレベル及びアクセプタレベル、ΔEvは障壁層2と
p型Geチャンネル層1との価電子帯の不連続値)とな
る。ここで、ΔEn及びΔEpは無視できる程度の小さ
い値であることから、φFB≒Eg−ΔEvとなる。障壁
層2及び半導体層3がGaAsの場合、Eg=1.42
eV、ΔEv=0.68eVであるので、φFB≒0.7
2eVとなる。
【0014】これに比し、図2Aに破線で示したDMT
構造の場合、障壁層が前述したようにAlGaAsとす
ると、Eg=1.2eV、ΔEv=0.81eVである
ことから、φFBは約0.39eVとなる。このことか
ら、本発明のFETは、DMTに比し、フラットバンド
ポテンシャルが格段に向上する。したがって最大許容順
方向電圧が向上する。
【0015】また図3Aは、障壁層2がp型とされたと
きの熱平衡状態のバンドモデルを示し、この場合、φFB
=Eg−ΔEn−ΔEpとなり、上述したように、ΔE
n、ΔEpは無視できることから、φFB≒Eg=1.4
2evという高い値を示すことができる。尚、実際にそ
のゲート電極4に順方向電圧を与えても、この電圧はp
−Geのチャンネル層1のバンドを変調する変調分が生
じることから障壁層2を介した場合の実際のフラットバ
ンドポテンシャルはφFBより大きな電圧となる。
【0016】
【実施例】図1を参照して本発明によるFETを説明す
る。この場合、例えば真性(i型)のGaAsよりなる
基体10上に、順次例えばMOCVD(有機金属気相成
長)法、MBE(分子線エピタキシー)法によって連続
的にp型のGeチャンネル層1と、これに比しエネルギ
ーバンドギャップが充分大でまたGeに対して整合性が
良く、かつ熱平衡状態で正孔に対し障壁が生じる真性
(i型)のGaAsよりなる障壁層2と、n型のGaA
sよりなる半導体層3とをエピタキシャル成長させ、こ
の半導体層3上にゲート電極4をオーミックに被着する
ことによってn−i−p接合型のゲート部5を構成す
る。
【0017】ゲート電極4はGaAs半導体層3に対し
てオーミックに被着し得る例えばAu−Ge/Ni合金
層によって構成し得る。
【0018】また、ゲート部5の両側部の少なくとも一
部においてn型半導体層3と障壁層2を除去するか、ゲ
ート部5をチャンネル層1上に限定的に形成して、ゲー
ト部5の両側のp型Geチャンネル層1を外部に露出さ
せ、ここにそれぞれオーミックにソース電極6及びドレ
イン電極7を被着する。
【0019】尚、ここにGaAsとGeとは結晶的に良
好な整合性を有するものである。
【0020】図2は、この構成によるFETバンドモデ
ル図を示すもので、図2Aは熱平衡状態、図2Bは逆バ
イアス印加状態によってチャンネルを空乏化した状態を
示している。
【0021】この構成によれば、すでに図2を参照して
説明したようにフラットバンド状態にするに必要な電圧
φFBを0.72eV程度とすることができることから、
ゲートに、順方向に掛け得る電圧、つまり、論理振幅を
充分高めることができる。
【0022】尚、上述した例においては、障壁層2とし
てi型構成を採るようにした場合であるが、この障壁層
2をp型とすることもできる。この場合のバンドモデル
図は、図3に示すようになり、同様に図3Aにおいては
熱平衡状態を示し、図3Bにおいては逆バイアス印加状
態を示す。
【0023】このようにゲート部のGaAsにn−p接
合を形成することによりn−p−p構造とする場合に
は、前述の「作用」の欄で説明したように大きな順方向
電圧を掛けることができて、論理振幅をより大とするこ
とができる。
【0024】そして、このように、論理振幅の大きなF
ETを構成することによってノイズマージンの大きな回
路を構成することができ、また特性の良いコンプリメン
タリ回路が構成されることによって消費電力の低減化を
はかることができる。
【0025】また図2及び図3の例においては、ノーマ
リーオン型のFETのバンドモデルを示した場合である
が、例えば障壁層2のドーピング量を減少させると共
に、これの厚さや、p型Geチャンネル層の厚さを薄く
することによって熱平衡状態で図2Bに示すような空乏
化状態をチャンネル層に形成するようにしてノーマリー
オフ型のFETを構成することもできる。
【0026】また、本発明によるFETを共通のGaA
s基板10上にnチャンネルFETと共に形成する場合
においては、例えばGaAs基体10上の一部にp型G
eチャンネル層を形成して、これの上に本発明による上
述のFETを構成し、他部において例えばGaAsチャ
ンネル層によるnチャンネル型FETを構成してコンプ
リメンタリとする等の種々のIC構造を構成することが
できる。
【0027】
【発明の効果】上述した本発明によれば、p−Geを能
動層とするヘテロ構造電界効果トランジスタ構造を採っ
たことによって正孔に対する移動度が高められることに
よって高速ホール(正孔)デバイスを得ることができる
と共に、Ge能動層によるにも係わらず、そのゲート部
としてpn接合構造を採るようにしたことによって大き
な順方向電圧VF を印加できるようにしたので論理振幅
も大きく採ることができ、これによってノイズマージン
の大きな回路を構成できる。
【0028】またnチャンネルFETと同程度の論理振
幅、高速性等の特性の向上をはかることができて例えば
コンプリメンタリ化に有利なpチャンネル型のヘテロ構
造電界効果トランジスタを得ることができ実用上大きな
利益を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による電界効果トランジスタの一例の略
線的拡大断面図である。
【図2】そのバンドモデルである。
【図3】他の例のバンドモデル図である。
【図4】従来の電界効果トランジスタの略線的拡大断面
図である。
【符号の説明】
10 基体 1 p型Geチャンネル層 2 障壁層 3 n型半導体層 4 ゲート電極 5 ゲート部
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/337 - 21/338 H01L 29/80 - 29/812 H01L 29/775 - 29/778

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 p型Geチャンネル層上に、 該チャンネル層と整合し、エネルギーバンドギャップが
    上記チャンネル層に比し大なるGaAs化合物半導体エ
    ピタキシャル成長層よりなる真性またはp型の障壁層
    と、n型半導体層とが順次積層され、該n型半導体層上
    にゲート電極がオーミックに被着された接合型ゲート部
    が設けられてなることを特徴とする電界効果トランジス
    タ。
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