JPH0513460A - Field effect transistor - Google Patents
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- JPH0513460A JPH0513460A JP3161389A JP16138991A JPH0513460A JP H0513460 A JPH0513460 A JP H0513460A JP 3161389 A JP3161389 A JP 3161389A JP 16138991 A JP16138991 A JP 16138991A JP H0513460 A JPH0513460 A JP H0513460A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は多重の一次元量子細線を
用いた電界効果型トランジスタに係り、特に大電流が取
れ、高周波でのノイズが極端に低い電界効果型トランジ
スタに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field effect transistor using multiple one-dimensional quantum wires, and more particularly to a field effect transistor capable of obtaining a large current and having extremely low noise at high frequencies.
【0002】[0002]
【従来の技術】昭和62年7月より、DBS(Direct
Broading Satellite Service:衛星放送直接受信サー
ビス)による24時間テレビ放送が開始され、DBS受
信システムの高性能化への要求が強まっている。また、
受信フロントエンドでのHEMT(High Electron Mob
ility Transistor)の採用により、急激にその需要が増
加している。2. Description of the Related Art Since July 1987, DBS (Direct
Broadband Satellite Service: A satellite broadcasting direct reception service) has started 24-hour television broadcasting, and there is an increasing demand for higher performance of the DBS receiving system. Also,
HEMT (High Electron Mob) at the reception front end
Demand is rapidly increasing due to the adoption of the (ility Transistor).
【0003】実際、AlGaAs/GaAs系HEMT
で0.9dB、AlGaAs/InGaAs Pseudomorphi
cHEMTで0.5dBのNF(ノイズ指数)が、12GHz帯で
達成されている。これらについては例えば、文献1:第
3回アジア パシフィックマイクロウエーブ カンファ
レンス プロシーディングズ(Asia-Pasific Microwave
Conference Proceedings),Tokyo 1990,p951-p954
あるいは文献2:第21回固体素子カンファレンス,To
kyo,1989,pp285-288を参照されたい。Actually, AlGaAs / GaAs HEMT
0.9dB, AlGaAs / InGaAs Pseudomorphi
NF (noise figure) of 0.5 dB in cHEMT is achieved in the 12 GHz band. These are described in, for example, Document 1: 3rd Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings (Asia-Pasific Microwave
Conference Proceedings), Tokyo 1990, p951-p954
Or Reference 2: 21st Solid State Device Conference, To
kyo, 1989, pp285-288.
【0004】ところで、アンテナの小型化、個人機器の
無線通信などには、さらに低消費電力で、ノイズ指数の
優れたFET(電界効果型トランジスタ)が必要とされ
ているが、結晶構造、ゲート構造の最適化などでの改善
は既に技術が飽和状態にあり、現在以上にNFを画期的
に低減することは困難になってきている。By the way, FETs (field-effect transistors) with low power consumption and excellent noise figure are required for downsizing of antennas, wireless communication of personal devices, etc., but a crystal structure and a gate structure are required. Improvements such as optimization of the technology are already in a saturated state, and it is becoming more difficult to reduce NF dramatically.
【0005】一方、一次元電子系をFETの能動層に用
いるという準一次元FETのアイデアがだされ、そのデ
バイス特性が検討されている[文献3:アイイーイーイ
ーアイディーイーエム(IEEE IEDM)1989,89-125参
照]。On the other hand, the idea of a quasi-one-dimensional FET in which a one-dimensional electron system is used for the active layer of the FET has been proposed, and its device characteristics have been investigated [Reference 3: IEEE IEDM 1989, 89-125].
【0006】この準一次元FETの素子平面図と断面図
を図2(a)、(b)に示す。通常のHEMT構造をM
BE(分子線エピタキシー)などの技術で形成し、幅約
0.15μm程度の細線領域30を残してメサエッチ除去し(31
部分)、準一次元の細線を並べ、0.3μmレベルのゲート
長Lgを実現する。ゲート電極20とソース、ドレイン電
極21、22を各々形成する。A plan view and a sectional view of this quasi-one-dimensional FET are shown in FIGS. Normal HEMT structure is M
It is formed by a technique such as BE (molecular beam epitaxy) and has a width of
The mesa etch is removed leaving the fine line region 30 of about 0.15 μm (31
Part) and quasi-one-dimensional thin lines are arranged to realize a gate length L g of 0.3 μm level. A gate electrode 20 and source / drain electrodes 21 and 22 are formed respectively.
【0007】n+AlGaAs13、i-AlGaAs(ア
ンドープ層)12とアンドープi-GaAs層の界面に二
次元電子ガス(2DEG)15が形成され、線幅w0=0.1
5μmの準一次元領域(非常に細い線状領域)30が、メサ
エッチで除去されたデッドスペース幅(=w1)を隔てて
多重に形成されている。A two-dimensional electron gas (2DEG) 15 is formed at the interface between the n + AlGaAs 13, i-AlGaAs (undoped layer) 12 and the undoped i-GaAs layer, and the line width w 0 = 0.1.
Quasi-one-dimensional regions (extremely thin linear regions) 30 of 5 μm are multiply formed with the dead space width (= w 1 ) removed by mesa etching.
【0008】いま、準一次元領域が全部でN本、上記デ
ッドスペース領域もN本であったとすると、平面図にお
いてFETのウエーハ上での幅w(この値が例えば3吋
ウエーハ上で何個のFETが取れるかを左右する)は、Now, assuming that the total number of quasi-one-dimensional regions is N and the number of dead space regions is N, the width w of the FET on the wafer in plan view (this value is, for example, how many on a 3-inch wafer) It depends on whether the FET can be taken)
【0009】[0009]
【数1】 w=N(w0+w1) ……(数1) と表される。[Expression 1] w = N (w 0 + w 1 ) ... (Expression 1)
【0010】また、準一次元領域は、ショットキーゲー
ト電極20により、メサ段面両側から空乏層を伸ばしてい
るので、実効的な準一次元領域幅w0effは、In the quasi-one-dimensional region, the depletion layer extends from both sides of the mesa step surface by the Schottky gate electrode 20, so that the effective quasi-one-dimensional region width w 0eff is
【0011】[0011]
【数2】 w0eff=ηw0 ……(数2) と表される。[ Expression 2] w 0eff = ηw 0 ( Expression 2)
【0012】通常この空乏層による補正因子ηは、0.7
程度である。従って、FETの電荷を運びうる実効的F
ET幅weffは、N個の準一次元領域が存在するので、Usually, the correction factor η due to this depletion layer is 0.7
It is a degree. Therefore, an effective F that can carry the charge of the FET
Since the ET width w eff has N quasi-one-dimensional regions,
【0013】[0013]
【数3】 weff=Nηw0 ……(数3) で表される。[Expression 3] w eff = Nηw 0 (Expression 3)
【0014】GaAsウエーハ面内で、FETの占める
占有領域wと実効的にトランジスタとして働く有効領域
weffとの比αは次式で与えられる。The ratio α between the occupied area w of the FET and the effective area w eff that effectively acts as a transistor in the GaAs wafer surface is given by the following equation.
【0015】[0015]
【数4】 [Equation 4]
【0016】上記の値αは、GaAsウエーハがどの程
度有効に使われているかを表すパラメータである。The above value α is a parameter indicating how effectively a GaAs wafer is used.
【0017】[0017]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構造の準一次元FETを試作してみると、簡単な理
論から予測される一次元効果[文献4:ジャパニーズ
ジャーナル オブ アプライド フィジクス(Jap. J.
Appl.Phis)19,1980,ppL735-L738]すなわち低電界領
域での移動度の増大は、4Kの極低温においてさえ、見
出されなかった。また、12GHzで、ソース・ドレイン
電流Ids=10mAの時のNFも1.5dBと、通常のHEM
T構造に比べても悪い値しか得られなかった。However, when a quasi-one-dimensional FET having such a structure is made as a prototype, the one-dimensional effect predicted from a simple theory [Reference 4: Japanese
Journal of Applied Physics (Jap. J.
Appl. Phis) 19, 1980, ppL735-L738], that is, no increase in mobility in the low electric field region was found even at a cryogenic temperature of 4K. At 12 GHz, when the source / drain current Ids = 10 mA, the NF is 1.5 dB, which is a normal HEM.
Only a bad value was obtained compared to the T structure.
【0018】さらに、通常、ディープ(Deep)リセス構
造のHEMT、例えば文献5:特開昭62-200711に示され
た構造または前記文献1に開示される素子断面構造で
は、トランジスタ幅wとして200μmで、Ids=10mAの時
のNFも0.8〜1.0dBを実現できるのに、図2に示す準
一次元FETでは、Idsを10mA流すためにはトランジス
タ幅wとして600μmを必要とした。Further, in a HEMT having a deep recess structure, for example, in the structure shown in Document 5: Japanese Patent Laid-Open No. 62-200711 or the device cross-sectional structure disclosed in Document 1, a transistor width w is 200 μm. , NF when I ds = 10 mA can be realized in the range of 0.8 to 1.0 dB, however, in the quasi-one-dimensional FET shown in FIG. 2, a transistor width w of 600 μm was required to flow I ds of 10 mA.
【0019】このように所要トランジスタ幅wが3倍も
大きくなる理由は、準一次元FETでは、(1)電流の
流れないデッドスペース31が存在(幅〜0.2μm)する、
(2)準一次元電子系のリソグラフィーによる幅w
0(〜0.15μm)よりもメサ段差に集まる両サイドのゲー
ト電極金属20による空乏層のため、実際に有効な幅は上
記w0の約70%程度と見積もられる、などによるものと
考えられる。The reason why the required transistor width w becomes three times larger in this way is that in the quasi-one-dimensional FET, (1) there is a dead space 31 in which no current flows (width: 0.2 μm),
(2) Lithography width w of quasi-one-dimensional electron system
It is considered that the actually effective width is estimated to be about 70% of the above w 0 because of the depletion layer due to the gate electrode metal 20 on both sides gathering at the mesa step height more than 0 (∼0.15 μm).
【0020】また、準一次元構成にしても、移動度がむ
しろ劣化した理由は、準一次元系のメサ構造を形成する
ときに、実際にはまっすぐな直線を形成することが難し
く、凹凸があるものしか形成できないことにある。さら
には、ドレイン側で高電界のために準一次元系が三次元
的に拡がってしまうことにも依存する。Further, even when the quasi-one-dimensional structure is used, the mobility is rather deteriorated because it is difficult to form a straight line in practice when forming a quasi-one-dimensional mesa structure, and unevenness is caused. It is that only certain things can be formed. Furthermore, it depends on that the quasi-one-dimensional system expands three-dimensionally due to the high electric field on the drain side.
【0021】しかし、きれいな準一次元系が形成でき、
かつトランジスタ幅wが通常のHEMT構造より小さく
てしかもNFが小さいデバイス構造が実現されれば、高
周波用の低雑音FETとして大きな期待ができる。However, a clean quasi-one-dimensional system can be formed,
Further, if a device structure having a transistor width w smaller than that of a normal HEMT structure and a small NF is realized, it can be expected to be a low-noise FET for high frequencies.
【0022】このように準一次元電子系をFETに用い
るとき、ウエーハ上のトランジスタ幅は通常のDeepリセ
スHEMT構造に比べ、3倍を要している。すなわち数
4のα=1/3を意味している。実際の素子では、η=0.
7、w0=0.15μm、w1=0.2μmなので、α=0.3であ
り、測定上の誤差を考えれば、理論値のα=1/3と非常
に良く一致している。As described above, when the quasi-one-dimensional electron system is used for the FET, the transistor width on the wafer needs to be three times as large as that of the normal Deep recess HEMT structure. That is, it means α = 1/3 in the equation 4. In the actual device, η = 0.
7. Since w 0 = 0.15 μm and w 1 = 0.2 μm, α = 0.3, which is very well in agreement with the theoretical value of α = 1/3, considering an error in measurement.
【0023】しかしながら、数4からわかるように、準
一次元領域を単純に並べただけでは、αを1に近付ける
ことは難しく、一つのGaAsウエーハから通常のHE
MT構造で1万個のFETが取れるとき、準一次元FE
Tでは4000個程度しか取れず、コストの大幅な上昇を招
く、FETの大きさが数倍程度になるといった問題を抱
えていた。However, as can be seen from the equation (4), it is difficult to bring α close to 1 simply by arranging the quasi-one-dimensional regions.
Quasi-one-dimensional FE when 10,000 FETs can be taken with MT structure
With T, only about 4000 pieces can be obtained, which causes a significant increase in cost and the size of the FET is several times larger.
【0024】[0024]
【課題を解決するための手段】本発明は、トランジスタ
幅wを通常のFETより大幅に小さくでき、準一次元電
子系の特徴をうまく引き出すことができるFET構造と
して図1(a)、(b)に示す構造の電界効果型トラン
ジスタとした。すなわち、本発明の電界効果型トランジ
スタは、三角柱状に形成された半導体Iと、この半導体
Iを多重に並べた構造において、該半導体I上に、不純
物を実質的に含有しない半導体IIが形成され、さらに、
該半導体IIより電子親和力が小さい半導体IIIが半導体I
Iに対してヘテロ接合に形成され、該半導体III内には少
なくとも不純物をドープされた半導体層を有し、上記三
角柱状に配されたヘテロ接合面に準一次元領域が形成さ
れてなることを特徴とし、該準一次元担体を制御する電
極と、該準一次元電子系にオーミック接続する電極を少
なくとも2個以上形成されてなることを特徴とする。The present invention provides a FET structure in which the transistor width w can be made significantly smaller than that of an ordinary FET, and the characteristics of a quasi-one-dimensional electron system can be brought out well, as shown in FIGS. The field effect transistor having the structure shown in FIG. That is, the field-effect transistor of the present invention has a structure in which the semiconductors I formed in a triangular prism shape and the semiconductors I are arranged in multiple layers, and the semiconductors II substantially free of impurities are formed on the semiconductors I. ,further,
The semiconductor III having a smaller electron affinity than the semiconductor II is the semiconductor I.
It is formed in a heterojunction with respect to I, has a semiconductor layer doped with at least an impurity in the semiconductor III, and a quasi-one-dimensional region is formed on the heterojunction surface arranged in the triangular prism shape. Characteristically, at least two electrodes for controlling the quasi-one-dimensional carrier and at least two electrodes for ohmic connection to the quasi-one-dimensional electron system are formed.
【0025】[0025]
【作用】発明者等は、HEMTとMESFETのノイズ
特性の違いを解析した結果、従来の仮説とは異なる以下
に説明する一般理論を見出した。まず、電界効果型トラ
ンジスタにおいて生ずる雑音は、電子がソースからドレ
インに流れる古典的電子流線(単純な流体とみなしたと
きの電子の流れを示す流線:流体力学のアナロジーから
容易に定義できる)からの熱運動によるゆらぎや乱れに
よる。ここではこれを真性ノイズと呼ぶ。これにたい
し、結晶中の欠陥、ソース・ゲート間の表面準位等に由
来するGaAs材料固有の原因により電子の流れが乱さ
れて発生するノイズは、GaAsMESFET、GaA
sHEMTに共通のノイズ要因であり、いわば寄生ノイ
ズと呼ぶことができる。As a result of analyzing the difference in noise characteristics between HEMT and MESFET, the inventors found a general theory described below, which is different from the conventional hypothesis. First, the noise generated in a field-effect transistor is the classical electron streamline in which electrons flow from the source to the drain (streamline showing the flow of electrons when regarded as a simple fluid: easily defined from the analogy of fluid dynamics). Due to fluctuations and turbulence due to thermal motion from the. Here, this is called intrinsic noise. On the other hand, the noise generated by disturbing the electron flow due to the peculiar cause of the GaAs material, which is derived from defects in the crystal, surface level between the source and the gate, is generated by the GaAs MESFET, GaA.
It is a noise factor common to sHEMTs and can be called, so to speak, parasitic noise.
【0026】HEMTとGaAsMESFETのノイズ
の差は、MESFETの場合、この古典的電子流線から
三次元的に揺らぐのにたいして、HEMTの場合本質的
に二次元的にしかゆらぐことができないことに起因して
いる。The noise difference between HEMT and GaAs MESFET is due to the fact that, in the case of MESFET, the three-dimensional fluctuation from this classical electron stream line is essentially two-dimensional in HEMT. ing.
【0027】MESFETは電子の能動層(チャネル)
が三次元的(バルク的)であり、従って、電子は電子流
線の周りに三次元的にゆらぐことができる。すなわち、
古典的電子流線からのゆらぎを三次元的にする。一方、
HEMTにおいては、AlGaAs/GaAs界面に二
次元的に電子が閉じ込められているため、電子の運動方
向も主として限定されている。このため、古典的電子流
線も、二次元的になり、上記ヘテロ界面に対して垂直方
向のゆらぎが抑制され、古典的電子流線からのゆらぎは
ヘテロ界面の面内で二次元のみになってしまう。MESFET is an electron active layer (channel)
Is three-dimensional (bulk-like), and therefore electrons can fluctuate three-dimensionally around the electron streamline. That is,
Makes fluctuations from classical electron streamlines three-dimensional. on the other hand,
In the HEMT, since the electrons are two-dimensionally confined at the AlGaAs / GaAs interface, the movement direction of the electrons is mainly limited. Therefore, the classical electron streamlines are also two-dimensional, the fluctuations in the direction perpendicular to the hetero interface are suppressed, and the fluctuations from the classical electron stream lines are only two-dimensional in the plane of the hetero interface. Will end up.
【0028】真性ノイズはゆらぎの自由度に対する対数
量で与えられるので、三次元方向のノイズを1とする
と、二次元方向のノイズは2/3となる。これは、三次元
ゆらぎの自由度が10の3/3乗に比例し、二次元ゆらぎの
自由度は10の2/3乗に比例することに起因する。Since the intrinsic noise is given by the logarithm of the fluctuation degree of freedom, if the noise in the three-dimensional direction is 1, the noise in the two-dimensional direction is 2/3. This is because the degree of freedom of three-dimensional fluctuation is proportional to 10 3/3, and the degree of freedom of two-dimensional fluctuation is proportional to 10 2/3.
【0029】ところで、高周波数でのノイズは、電子が
散乱され、発熱することにより発生する。二次元チャネ
ルを能動層に用いることにより、電子散乱の自由度を三
次元から二次元に小さくしたHEMTにおいては、この
発熱が抑えられ、低ノイズ化が可能になったものであ
る。By the way, noise at high frequencies is generated by the scattering of electrons and heat generation. In a HEMT in which the degree of freedom of electron scattering is reduced from three-dimensional to two-dimensional by using a two-dimensional channel in the active layer, this heat generation is suppressed and noise can be reduced.
【0030】本発明者らは、このようなノイズに係る発
見から、一次元電子系を用いれば、さらにノイズを減少
させることができるのではないかとの着想を得た。すな
わち前述の検討に従えば、一次元のゆらぎの自由度は10
の1/3乗に比例し、原理的に2DEG(二次元電子ガ
ス)を用いたHEMT系の1/2の真性ノイズになる。The inventors of the present invention have come to the idea that the noise can be further reduced by using a one-dimensional electron system based on the discovery of such noise. That is, according to the above examination, the degree of freedom of one-dimensional fluctuation is 10
In proportion to the 1/3 power of the above, in principle, it becomes 1/2 the intrinsic noise of the HEMT system using 2DEG (two-dimensional electron gas).
【0031】図3(a)は、通常のHEMT構造素子の
平面図である。本図を用いてさらにノイズの発生機構に
ついて説明する。ソース電極21のある1点61から発射さ
れた電子は、電界によりドリフト拡散しながらゲート電
極20の領域に到達する。ところで、ソースから発射され
た電子は、ゲート方向(x方向)には電界によって加速
されるが、ゲートと平行な方向(y方向)には電界が存
在していないため、拡散のみで支配される。2DEGの
拡散係数をDとし、ゲート電極までの到達時間をτsと
すると、ソース21上の点60から出発した電子がゲート20
方向に移動して到達する位置は、ソース側ゲート電極に
おいて点60をx方向に移動した点64からlsだけ広がっ
た領域のいずれかの点となる。FIG. 3A is a plan view of an ordinary HEMT structure element. The noise generation mechanism will be further described with reference to this drawing. The electrons emitted from one point 61 on the source electrode 21 reach the region of the gate electrode 20 while drift-diffusing by the electric field. By the way, the electrons emitted from the source are accelerated by the electric field in the gate direction (x direction), but do not exist in the direction parallel to the gate (y direction), and are therefore dominated by diffusion only. . Assuming that the diffusion coefficient of 2DEG is D and the arrival time to the gate electrode is τ s , the electron starting from the point 60 on the source 21 is the gate 20.
The position reached by moving in the direction is any one of the regions in the source side gate electrode which is expanded by l s from the point 64 obtained by moving the point 60 in the x direction.
【0032】ここで、上記拡散係数Dは、数5で与えら
れ、lsは数6で与えられる。Here, the diffusion coefficient D is given by equation 5, and l s is given by equation 6.
【0033】[0033]
【数5】 [Equation 5]
【0034】[0034]
【数6】 [Equation 6]
【0035】いま、2DEGの移動度μ=8,000cm2/V
・s、kT=24.8meV(室温)、とすると、D=198.4cm2/
V・sになる。τsとして1psec(=10-12sec)を典型的
な値としてとると、Now, the mobility of 2DEG μ = 8,000 cm 2 / V
・ Assuming that s and kT = 24.8 meV (room temperature), D = 198.4 cm 2 /
It becomes V · s. Taking 1 psec (= 10 -12 sec) as a typical value for τ s ,
【0036】[0036]
【数7】 [Equation 7]
【0037】程度となる。It becomes a degree.
【0038】τがソース・ゲート間距離Lに比例すると
考えると、この拡散領域は、放物線70、71で示した領域
になる。ソース電極のある地点60から出発した電子は、
上記ソース・ゲート間距離Lを1μmとすると、回程度
散乱され、運動の方向を曲げられる。図3の線51は上記
の電子の軌跡を模式的に示したものである。この散乱過
程で、電子と電子の散乱では、電界からもらったエネル
ギーを電子間のエネルギー分布に再配分させ、格子と電
子との散乱では電子のエネルギーを結晶側に流してしま
う。Considering that τ is proportional to the source-gate distance L, this diffusion region becomes the region indicated by the parabolas 70 and 71. The electrons that started at point 60 with the source electrode are
When the source-gate distance L is 1 μm, the light is scattered about once and the direction of motion is bent. A line 51 in FIG. 3 schematically shows the above-mentioned electron trajectory. In this scattering process, in the electron-electron scattering, the energy obtained from the electric field is redistributed in the energy distribution between the electrons, and in the lattice-electron scattering, the electron energy flows to the crystal side.
【0039】GaAsMESFETの場合、この拡散領
域が、三次元的(立体的)であるのに対し、HEMTの
場合には二次元的(平面的)であるために、真性ノイズ
が大幅に小さいのであった。そして、ゲート電極領域に
到達した電子についても、電子のランダムなパス50やド
レイン側ゲート電極端での電子の拡がりlについても数
6と同様に評価できる。In the case of GaAs MESFET, this diffusion region is three-dimensional (three-dimensional), whereas in the case of HEMT it is two-dimensional (planar), so that the intrinsic noise is significantly small. It was Also with respect to the electrons that have reached the gate electrode region, the random path 50 of the electrons and the spread 1 of the electrons at the end of the drain side gate electrode can be evaluated in the same manner as Equation 6.
【0040】もし、この電子の横方向の拡散を抑えるこ
とができる構造を工夫できれば、高周波でノイズの発生
を大幅に抑えることが可能になる。If a structure capable of suppressing the lateral diffusion of the electrons can be devised, it becomes possible to significantly suppress the generation of noise at high frequencies.
【0041】図3(b)は、上記した電子の横方向の拡
散を抑えた平面構造の概念図である。すなわち、幅w0
の準一次元的電子の道筋が多重に形成される。ソース上
のある点62から出発した電子は、ランダムな運動52を行
い、ゲート20の直下まで到達する。この時ランダムな電
子の道筋は、幅w0の準一次元的な構造内だけに留めら
れ、他の道筋に移ることは非常にまれであるので、ゆら
ぎを大幅に下げることができる。ソース側ゲート端に達
した別の電子63についても同様のことがいえる。FIG. 3B is a conceptual diagram of a plane structure in which lateral diffusion of electrons is suppressed. That is, the width w 0
Multiple quasi-one-dimensional electron paths of are formed. An electron that starts from a point 62 on the source makes a random motion 52 and reaches just below the gate 20. At this time, the random electron path is confined only within the quasi-one-dimensional structure having the width w 0 , and it is extremely rare to move to another path, so that the fluctuation can be significantly reduced. The same can be said for another electron 63 that has reached the source-side gate end.
【0042】一方、従来の擬一次元FET(例えば図
2)は、電流がとれないという大きな問題があり、実用
に即していなかった。この欠点を解決するために、本発
明においては、図1(a)、(b)に示すように、多重
周期のコルゲート型の2DEG構造とした。On the other hand, the conventional quasi-one-dimensional FET (for example, FIG. 2) has a big problem that current cannot be taken, and is not suitable for practical use. In order to solve this drawback, in the present invention, as shown in FIGS. 1A and 1B, a multi-period corrugated type 2DEG structure is used.
【0043】すなわち、GaAs基板上に、アンドープ
AlGaAs16/アンドープGaAs11/n型AlGa
As13からなる三角柱17を多重に並べると、アンドープ
GaAs11とn型AlGaAs13のヘテロ接合界面に二
次元状電子ガス15が三角柱の内側に形成される。この三
角柱にゲート電極20を上側から形成して電界効果型トラ
ンジスタを構成する。この時、三角柱の側面に形成され
る2DEGは、準一次元的になる。すなわち、三角柱の
側面を幅w0とする準一次元電子伝導路とする図3
(b)に示す多重の準一次元FETになる。That is, on a GaAs substrate, undoped AlGaAs16 / undoped GaAs11 / n-type AlGa
When the triangular prisms 17 made of As13 are multiply arranged, the two-dimensional electron gas 15 is formed inside the triangular prisms at the heterojunction interface between the undoped GaAs11 and the n-type AlGaAs13. The gate electrode 20 is formed on the triangular prism from above to form a field effect transistor. At this time, the 2DEG formed on the side surface of the triangular prism becomes quasi-one-dimensional. That is, the side surface of the triangular prism is a quasi-one-dimensional electron conduction path having a width w 0 .
It becomes the multiple quasi-one-dimensional FET shown in (b).
【0044】このようなAlGaAs/GaAs/Al
GaAs三角柱を多重に並べ、AlGaAs16のGaA
s上の幅をh0、三角柱の側面幅をlとし、1個の三角
柱が与える2DEGの幅は、底辺に対する三角柱側面の
傾斜角度をθとすると、h/cosθとなる。三角柱と三
角柱の間の隙間をh1とすると、ウエーハ上の幅w中に
N個の三角柱があると仮定すると、有効なトランジスタ
幅weffは、Such AlGaAs / GaAs / Al
GaAs triangular prisms are arranged in multiple layers, and AlGaAs16 GaA
The width on s is h 0 , the side width of the triangular prism is 1, and the width of 2DEG given by one triangular prism is h / cos θ, where θ is the inclination angle of the triangular prism side surface with respect to the bottom. Assuming that the gap between the triangular prisms is h 1 , and assuming that there are N triangular prisms in the width w on the wafer, the effective transistor width w eff is
【0045】[0045]
【数8】 weff=N(h0/cosθ+h1) ……(8)[ Equation 8] w eff = N (h 0 / cos θ + h 1 ) (8)
【0046】[0046]
【数9】
w=(h0+h1) ……(9)
となり、数4で表されるウエーハの有効利用率αは次式
で与えられ、[Equation 9] w = (h 0 + h 1 ) ... (9), and the effective utilization rate α of the wafer expressed by Equation 4 is given by the following equation,
【0047】[0047]
【数10】 [Equation 10]
【0048】たとえばh0=0.3μm、h1=0.1μm、θ=
π/3とすると、For example, h 0 = 0.3 μm, h 1 = 0.1 μm, θ =
If it is π / 3,
【0049】[0049]
【数11】 [Equation 11]
【0050】となり、α>1である。And α> 1.
【0051】そこで、三角柱の側面に形成される準一次
元電子系の真性高周波ノイズが小さいという性質を持つ
ことから本発明の電界効果型トランジスタでは、同一の
トランジスタ幅wのDeepリセスHEMTに比べて電流が
大きくとれ、しかも高周波でのノイズ特性で優る。Therefore, in the field effect transistor of the present invention, the intrinsic high frequency noise of the quasi-one-dimensional electron system formed on the side surface of the triangular prism is small, as compared with the deep recess HEMT having the same transistor width w. It has a large current and is excellent in noise characteristics at high frequencies.
【0052】ところで、このような三角柱を形成する方
法については、文献6:第22回固体素子カンファレン
ス(Extended Abstracts of the 22nd 1990 Inte
rnational Conference on Solid State Devices
and Materials, Sendai,1990)の753〜756頁に記載さ
れている。By the way, as to the method for forming such a triangular prism, Reference 6: Extended Abstracts of the 22nd 1990 Inte
rnational Conference on Solid State Devices
and Materials, Sendai, 1990), pp. 753-756.
【0053】[0053]
【実施例】AlGaAs/GaAsヘテロ接合系を用い
た場合について図1(a)、(b)を用いて説明する。EXAMPLE A case of using an AlGaAs / GaAs heterojunction system will be described with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b).
【0054】半絶縁性GaAs(100面)10上にCVD
で厚さ10nmのSiO2膜40を形成した。ついで、位相シ
フトリソグラフィーを用いて上記SiO2膜40を、幅h1
=100nm、間隔h0=200nmで666本の縞状に残した。MO
CVD有機金属熱分解法により、アンドープAlyGa
1-yAs(y=0.3)を三角柱状に形成した。ここで、上
記yの値は通常0≦y≦0.5の範囲で選ばれる。この時、
上記三角柱の側面とGaAs基板とのなす角度θは60度
であった。また、上記MOCVDは650℃の低温で、A
sH3の分圧を高くして成長させた。CVD on semi-insulating GaAs (100 plane) 10
Then, a SiO 2 film 40 having a thickness of 10 nm was formed. Then, by using phase shift lithography, the SiO 2 film 40 with a width h 1
= 100 nm, the interval h 0 = 200 nm, and 666 stripes were left. MO
The CVD metal organic decomposition method, an undoped Al y Ga
1-y As (y = 0.3) was formed into a triangular prism shape. Here, the value of y is usually selected within the range of 0 ≦ y ≦ 0.5. This time,
The angle θ between the side surface of the triangular prism and the GaAs substrate was 60 degrees. Also, the MOCVD is performed at a low temperature of 650 ° C.
The growth was performed by increasing the partial pressure of sH 3 .
【0055】次に結晶成長温度を800℃に上げてアンド
ープGaAs11を30nm、アンドープAlzGa1-zAs
(z=0.3)18を2nm、Siを2×1018含有するn型Al
xGa1-xAs(x=0.3)13を40nm形成した。Next, the crystal growth temperature was raised to 800 ° C., the undoped GaAs 11 was 30 nm, and the undoped Al z Ga 1-z As.
(Z = 0.3) n-type Al containing 2 nm of 18 and 2 × 10 18 Si
The x Ga 1-x As (x = 0.3) 13 to 40nm formed.
【0056】次にDeepリセスHEMTを形成するときと
同様に、ソース・ゲート間抵抗Rsgを低減する目的でS
iを2×1018含有するn+型GaAs19を160nm形成し
た。以降、ゲート電極20、ソースドレイン電極は、通常
のDeepリセスHEMTを形成するときと同様に形成させ
た。Next, as with the case of forming the deep recess HEMT, S is used for the purpose of reducing the source-gate resistance R sg.
An n + type GaAs 19 containing 2 × 10 18 i was formed to a thickness of 160 nm. After that, the gate electrode 20 and the source / drain electrode were formed in the same manner as when forming the normal Deep recess HEMT.
【0057】以上の工程によって構成された本発明の素
子の平面上のトランジスタ幅w(数9)は200μmゲート
長Lgは0.25μm、ソース電極とゲート電極間の距離Lsg
は1.5μmであった。The transistor width w ( equation 9) on the plane of the device of the present invention constituted by the above steps is 200 μm, the gate length L g is 0.25 μm, and the distance L sg between the source electrode and the gate electrode is L sg.
Was 1.5 μm.
【0058】この時のドレイン電流IDSに対する雑音指
数NFと利得Ga測定結果を従来のFETと比較して図
4に示す。チャネルが多重(666本)一次元化された効
果として、著しい特性の向上がなされた。The noise figure NF and the gain G a measurement results for the drain current I DS at this time are shown in FIG. 4 in comparison with those of the conventional FET. As a result of multidimensional (666) channels one-dimensionalized, remarkable improvement in characteristics was made.
【0059】ここで、上記実施例の半導体材料として
は、チャネル層のGaAs11を、歪層を有するInxG
a1-xAsで置き換えることも可能である。これは従来
のPseudomorphicHEMTと代わらない。ただし、この
時にはInの組成xに応じた歪みに耐えられる最大膜厚
が存在することも従来技術と同様である。Here, as the semiconductor material of the above-mentioned embodiment, GaAs11 of the channel layer is used as In x G having a strained layer.
It is also possible to replace it with a 1-x As. It does not replace the conventional Pseudomorphic HEMT. However, at this time, the maximum film thickness that can withstand the strain corresponding to the In composition x exists, as in the prior art.
【0060】さらに、GaAs基板ではなく、InP基
板上に格子整合のとれたInGaAs/InAlAsヘ
テロ接合を形成してより高性能なHEMTを形成するこ
ともできる。Further, it is also possible to form a lattice-matched InGaAs / InAlAs heterojunction on the InP substrate instead of the GaAs substrate to form a higher performance HEMT.
【0061】[0061]
【発明の効果】本発明は、三角柱状の半導体側面に形成
される準一次元的電子系を多重に並べた構造をFETの
能動層としているため、(1)一次元電子系の特徴を活
かした低ノイズ特性が得られる、(2)隙間なく三角柱
を並べることにより、十分な電流を流すことができない
という従来の欠点を克服することができる、などの効果
を得ることができる。According to the present invention, since the active layer of the FET has a structure in which quasi-one-dimensional electron systems formed on the side surface of a semiconductor having a triangular prism shape are multiply arranged, (1) the characteristics of the one-dimensional electron system are utilized. It is possible to obtain effects such as low noise characteristics, and (2) arranging triangular prisms without gaps to overcome the conventional drawback that a sufficient current cannot flow.
【図1】本発明の電界効果型トランジスタの実施例を示
す斜視図及び断面図である。FIG. 1 is a perspective view and a cross-sectional view showing an embodiment of a field effect transistor of the present invention.
【図2】従来例の準一次元FETの平面図及び断面図で
ある。FIG. 2 is a plan view and a cross-sectional view of a quasi-one-dimensional FET of a conventional example.
【図3】本発明の効果を説明するためのFETの平面図
である。FIG. 3 is a plan view of an FET for explaining the effect of the present invention.
【図4】本発明と従来例のFETの高周波特性を示すグ
ラフである。FIG. 4 is a graph showing high frequency characteristics of FETs of the present invention and a conventional example.
11…アンドープGaAs、13…n型AlxGa1-xA
s、15…準一次元電子系、16…アンドープAlyG
a1-yAs、17…半導体三角柱、20…ゲート電極、
21…ソース電極、22…ドレイン電極、30…準一次
元電子系チャネル、31…不活性領域、50〜53…電
子拡散経路、70〜73…電子拡散領域。11 ... Undoped GaAs, 13 ... n-type Al x Ga 1-x A
s, 15 ... Quasi-one-dimensional electron system, 16 ... Undoped Al y G
a 1-y As, 17 ... Semiconductor triangular prism, 20 ... Gate electrode,
21 ... Source electrode, 22 ... Drain electrode, 30 ... Quasi-one-dimensional electron system channel, 31 ... Inactive region, 50-53 ... Electron diffusion path, 70-73 ... Electron diffusion region.
Claims (2)
導体Iを多重に並べた構造において、該半導体I上に、
不純物を実質的に含有しない半導体IIが形成され、さら
に、該半導体IIより電子親和力が小さい半導体IIIが半
導体IIに対してヘテロ接合に形成され、該半導体III内
には少なくとも不純物をドープされた半導体層を有し、
上記三角柱状に配されたヘテロ接合面に準一次元半導体
領域が形成されてなることを特徴とし、該準一次元担体
を制御する電極と、該準一次元電子系にオーミック接続
する電極が少なくとも2個以上形成されてなることを特
徴とする電界効果型トランジスタ。1. A semiconductor I formed in the shape of a triangular prism and a structure in which the semiconductors I are lined up in multiple layers are provided on the semiconductor I.
A semiconductor II containing substantially no impurities is formed, and further, a semiconductor III having an electron affinity smaller than that of the semiconductor II is formed in a heterojunction with respect to the semiconductor II, and the semiconductor III is at least doped with impurities. Have layers,
It is characterized in that a quasi-one-dimensional semiconductor region is formed on the heterojunction surface arranged in the shape of a triangular prism, and an electrode for controlling the quasi-one-dimensional carrier and an electrode for ohmic connection to the quasi-one-dimensional electron system are at least A field effect transistor characterized by being formed of two or more.
s(0≦y≦0.5)、半導体IIがアンドープGaAs、半
導体IIIがドープされたAlxGa1-xAsから形成され
てなることを特徴とする請求項1記載の電界効果型トラ
ンジスタ。2. The semiconductor I is undoped Al y Ga 1-y A
2. The field effect transistor according to claim 1, wherein s (0 ≦ y ≦ 0.5), the semiconductor II is formed of undoped GaAs, and the semiconductor III is formed of Al x Ga 1-x As.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3161389A JPH0513460A (en) | 1991-07-02 | 1991-07-02 | Field effect transistor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3161389A JPH0513460A (en) | 1991-07-02 | 1991-07-02 | Field effect transistor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0513460A true JPH0513460A (en) | 1993-01-22 |
Family
ID=15734166
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3161389A Pending JPH0513460A (en) | 1991-07-02 | 1991-07-02 | Field effect transistor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0513460A (en) |
-
1991
- 1991-07-02 JP JP3161389A patent/JPH0513460A/en active Pending
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