JPH0513460A - 電界効果型トランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】化合物半導体を用いた擬一次元的な電子系を多
重に形成することにより高周波での低ノイズ特性を大幅
に改善した素子構造を提供する。 【構成】図１（ａ）に示すように、多重に並べた三角柱
構造の側面に形成された擬一次元的電子系をＦＥＴの能
動層にすることにより、図３（ａ）、（ｂ）に示すよう
に電子の経過通路のゆらぎを一次元的にすることで高周
波でのノイズを大幅に低減する。 【効果】ドレイン電流１0mAのとき12ＧＨｚでのノイズ
指数ＮＦを0.13dＢまで低減できた。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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］。

【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Ｌ_g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。

【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。

【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、

【０００９】

【数１】 ｗ＝Ｎ（ｗ₀＋ｗ₁） ……（数１） と表される。

【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ｗ_0effは、

【００１１】

【数２】 ｗ_0eff＝ηｗ₀ ……（数２） と表される。

【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ｗ_effは、Ｎ個の準一次元領域が存在するので、

【００１３】

【数３】 ｗ_eff＝Ｎηｗ₀ ……（数３） で表される。

【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
ｗ_effとの比αは次式で与えられる。

【００１５】

【数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。

【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。

【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、Ｉ_ds＝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、Ｉ_ds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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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τ_s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ｌ_sだけ広がっ
た領域のいずれかの点となる。

【００３２】ここで、上記拡散係数Ｄは、数５で与えら
れ、ｌ_sは数６で与えられる。

【００３３】

【数５】

【００３４】

【数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。τ_sとして1psec（＝10^-12sec）を典型的
な値としてとると、

【００３６】

【数７】

【００３７】程度となる。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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ｗ_effは、

【００４５】

【数８】 ｗ_eff＝Ｎ（ｈ₀／cosθ＋ｈ₁） ……（８）

【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、

【００４７】

【数１０】

【００４８】たとえばｈ₀＝0.3μm、ｈ₁＝0.1μm、θ＝
π／3とすると、

【００４９】

【数１１】

【００５０】となり、α＞１である。

【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。

【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。

【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。

【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Ａｌ_yＧａ
_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。

【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Ａｌ_zＧａ_1-zＡｓ
（ｚ＝0.3）18を２nm、Ｓｉを2×10¹⁸含有するｎ型Ａｌ
_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝0.3）13を40nm形成した。

【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Ｒ_sg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。

【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Ｌ_gは0.25μm、ソース電極とゲート電極間の距離Ｌ_sg
は1.5μmであった。

【００５８】この時のドレイン電流Ｉ_DSに対する雑音指
数ＮＦと利得Ｇ_a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。

【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Ｉｎ_xＧ
ａ_1-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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【図２】従来例の準一次元ＦＥＴの平面図及び断面図で
ある。

【図３】本発明の効果を説明するためのＦＥＴの平面図
である。

【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。

【符号の説明】

１１…アンドープＧａＡｓ、１３…ｎ型Ａｌ_xＧａ_1-xＡ
ｓ、１５…準一次元電子系、１６…アンドープＡｌ_yＧ
ａ_1-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。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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。
2. 【請求項２】上記半導体ＩがアンドープＡｌ_yＧａ_1-yＡ
   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Ａｌ_xＧａ_1-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。