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JPS6342864B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6342864B2
JPS6342864B2 JP55042053A JP4205380A JPS6342864B2 JP S6342864 B2 JPS6342864 B2 JP S6342864B2 JP 55042053 A JP55042053 A JP 55042053A JP 4205380 A JP4205380 A JP 4205380A JP S6342864 B2 JPS6342864 B2 JP S6342864B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor
semiconductor material
region
channel
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired
Application number
JP55042053A
Other languages
English (en)
Other versions
JPS55132074A (en
Inventor
Apushutoraitaa Geruharuto
Purooku Kurausu
Fuitsushaa Aruburehito
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MATSUKUSU PURANKU G TSUA FUERUDERUNKU DERU UITSUSENSHAFUTEN EE FUAU
Original Assignee
MATSUKUSU PURANKU G TSUA FUERUDERUNKU DERU UITSUSENSHAFUTEN EE FUAU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MATSUKUSU PURANKU G TSUA FUERUDERUNKU DERU UITSUSENSHAFUTEN EE FUAU filed Critical MATSUKUSU PURANKU G TSUA FUERUDERUNKU DERU UITSUSENSHAFUTEN EE FUAU
Publication of JPS55132074A publication Critical patent/JPS55132074A/ja
Publication of JPS6342864B2 publication Critical patent/JPS6342864B2/ja
Granted legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
    • H10D62/82—Heterojunctions
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00—Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/40—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
    • H10D30/47—FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having 2D charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
    • H10D30/471—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
    • H10D30/472—High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having lower bandgap active layer formed on top of wider bandgap layer, e.g. inverted HEMT
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/80—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers characterised by the materials
    • H10D62/82—Heterojunctions
    • H10D62/824—Heterojunctions comprising only Group III-V materials heterojunctions, e.g. GaN/AlGaN heterojunctions

Landscapes

  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、ヘテロ構造半導体を使用して製造さ
れた電界効果トランジスタに関する。 ヒ化ガリウムGaAsからなる半導体基板を含ん
でいて、該基板上にドナーにより比較的強く（ほ
ぼ１×1017cm-3）ドーピングされたヒ化ガリウム
の薄い（約0.5μｍの厚さ）エピタキシヤル層が在
つて、この層がその上に備えられたソースコンタ
クト及びドレインコンタクトの間でチヤンネルと
して構成された高周波電界効果トランジスタ
（MES−FET）がある。制御電極（ゲート）は、
チヤンネルに備えられ且つその抵抗を空乏層によ
り制御することを可能ならしめるシヨツトキーコ
ンタクトから構成されている。かかるMES−
FET及びヘテロ構造半導体の他の使用法は、例
えば雑誌「ジヤーナル オブ ザ エレクトロケ
ミカル ソサイエテイ」1978年12月号478C頁乃
至499C頁から公知である。 チヤンネルを構成するドーピングされた層が高
い比抵抗のヒ化ガリウム内へのイオン注入により
製造される種類の電界効果トランジスタも公知で
ある。 上述の種類の半導体素子の遮断周波数は実質的
に荷電担体の移動度またはドリフト速度及びチヤ
ンネルの長さにより決定される。素子の構造が与
えられるならば、できる限り高い担体移動度を達
成することが望ましい。そのため、ヒ化ガリウム
の代りにヒ化ガリウムより高い担体移動度を有す
るリン化インジウムInPまたはリン化ヒ化ガリウ
ムインジウムGaxIn1-xPyAs1-yの如き他の化合物
半導体を使用することも公知である。 使用される半導体材料の種類に関係なく、上述
の種類の公知の半導体素子の場合には荷電担体の
移動度は導電性チヤンネルにある多数の不純物ま
たは荷電不純物により限定される。 本発明は担体移動度を高めるための新たな方法
を提供するという課題に基づいている。 この課題は特許請求の範囲１に示された本発明
により解決される。 本発明に用いられるヘテロ構造半導体の場合に
は、荷電担体のより高い移動度は、荷電担体がよ
り大きいエネルギーギヤツプを有する比較的強く
ドーピングされた半導体材料からより小さいエネ
ルギーギヤツプを有する純粋な半導体材料へ移動
し得ることにより、達成される。後者の材料がよ
り純粋であるから、この材料内での担体の移動度
はドーピングされた「活性の」層におけるほど強
くは荷電不純物及び他の不純物により限定されな
い。 本発明に用いられるヘテロ構造半導体は、オプ
トエレクトロニクス素子及び電界効果半導体素子
の如き半導体素子、マイクロ波電界効果トランジ
スタの如き高周波素子に対してそして集積オプト
エレクトロニクス回路等を含む集積回路のための
基板として特に適している。 以下に本発明の実施例が図面に関連して詳細に
説明される。 本発明に用いられるヘテロ構造半導体は異なる
大きさのエネルギーギヤツプを有する二つの異な
る半導体材料Ａ及びＢを含んでいる。半導体材料
Ａはより大きいエネルギーギヤツプを有し且つ強
くドーピングされている。より小さいエネルギー
ギヤツプを有する半導体材料Ｂはより弱くドーピ
ングされているかまたはまつたくドーピングされ
ていず、何よりも重要なことは、より小さいエネ
ルギーギヤツプを有する半導体材料の不純物濃度
がより大きいエネルギーギヤツプを有する半導体
材料よりも少なくとも１桁だけ小さいということ
である。 半導体材料及びドーピング材料の適当な選択に
よつて、ドーピング材料の準位（ドナー準位また
はアクセプター準位）が第二の半導体材料Ｂの
（ドナーの場合）伝導帯または（アクセプターの
場合）価電子帯よりもエネルギー的に低い位置に
あることが可能である。 ドナーの場合には、半導体材料Ａのドナー準位
はエネルギー的に半導体材料Ｂの伝導帯より上に
ある。かくして、電子はドナーから放出され隣接
する半導体材料Ｂ内に移動する。これにより、第
１図に示されているようにエネルギー帯の歪曲が
生じ、半導体材料Ａは双方の半導体材料の間の遷
移領域１０に隣接して空乏層を生じ半導体Ｂ内で
は遷移領域１０に隣接して荷電担体が集まる。 第１図は、半導体材料Ａがヒ化アルミニウムガ
リウムAlxGa1-xAsから半導体材料Ｂが純粋なヒ
化ガリウムGaAsから構成されていて且つ半導体
材料Ａがゲルマニウム及び／またはシリコンによ
りドーピングされている場合に対する二つの半導
体材料Ａ及びＢにおける価電子帯及び伝導帯の形
状の一例を示している。 材料Ａがアクセプターによりｐ型にドーピング
されていると、強化層の代りに電子反転層が生じ
る。アクセプター及びホールに対して特性が同様
に説明される。 第２図は、大きいエネルギーギヤツプを有する
（強くドーピングされた）材料Ａと小さいエネル
ギーギヤツプを有する（弱くドーピングされた）
材料Ｂとから構成された四つの異なるヘテロ構造
の伝導帯LB及び価電子帯VBの形状を（図式的
に）示している。EFはフエルミエネルギーであ
る。双方の材料中の荷電担体（多数担体）の種類
が同じ（ｎ型またはｐ型）であると、材料Ｂ中に
は多数荷電担体（電子またはホール）の強化層が
生じる。双方の材料中の荷電担体が異なる符号を
有するならば、反転層が生じる。しかしながら、
その特性は、境界面でのエネルギー帯の不連続性
に依る。ヒ化アルミニウムガリウムとヒ化ガリウ
ムAlxGa1-xAs／GaAsのシステムの場合には伝導
帯における双方の材料のエネルギーギヤツプの差
の約80％が補償される。従つてこのシステムはヒ
化ガリウム内に電子強化層及び電子反転層を備え
た装置に対して適している。ホールを有する適当
なチヤンネルに対しては伝導帯に大きなステツプ
をもつ材料が適している。ヒ化ガリウム／ゲルマ
ニウムはかかるシステムの一例である。この場
合、ｐ型にドーピングされた材料Ａ（ここではヒ
化ガリウム）のホールはより小さいエネルギーギ
ヤツプを有する材料Ｂ（例えばゲルマニウム）内
に移動する。ｐ型ゲルマニウムの場合にはホール
強化層がｎ型ゲルマニウムに対してはホール反転
層が得られる。 すべての場合に重要な利点は、荷電担体が材料
Ａから材料Ｂ内に移動しこれにより材料Ａ内のア
クセプターまたはドナーから空間的に分離される
ということにある。材料Ｂ内で遷移領域１０また
は境界面に在る荷電担体は、シリコン−MOS−
トランジスタの反転層と同様に準二次元のチヤン
ネル１１を形成している。強くドーピングされた
材料Ａから荷電担体を含むチヤンネル１１は同時
に材料Ａ内に構成された空乏層１２により電気的
に絶縁されている。 高い移動度を有する荷電担体を含むチヤンネル
の構成のために重要な条件は、一つの半導体材料
から他の半導体材料への遷移及びドーピングのス
テツプが非常に急激でできる限り少なく有利には
十の原子層を超えないこと、そして境界面状態密
度が材料Ａから材料Ｂ内に移動する荷電担体の密
度より実質的に小さいことである。更に境界面ま
たは遷移領域自体は、荷電担体の散乱によつて純
粋な材料で達成された移動度の増分を再び吸収し
てしまう境界面の粗さが存在しないように、原子
スケールでできるだけ平坦にされるべきである。 より小さいエネルギーギヤツプを有する純粋な
半導体材料のドーピング材料濃度または不純物濃
度とより大きいエネルギーギヤツプを有するドー
ピングされた半導体材料のそれとの差は、所望の
効果を得るためにほゞ１桁になることが必要であ
るが、その効果は当然のことながら前記差が大き
いほど又は小さいエネルギーギヤツプを有する半
導体材料が純粋であるほど明白になる。より大き
いエネルギーギヤツプを有する材料Ａは、有利に
は例えば５×1016乃至５×1018cm-3の与えられた
伝導形式の荷電担体またはイオン化可能な不純物
を含んでいる。例示的な値は５×1017cm-3であ
る。材料Ｂは、化合物半導体から構成されている
ならば、完全には純粋ではなく、例示的な不純物
濃度はここでは残留不純物５×1013乃至１×1015
cm-3である。 半導体は二つの前述の層に加えて、必要であれ
ばより大きいエネルギーギヤツプを有する半導体
材料の一部から構成され得る基板を含んでいる。
しかしながら、より小さいエネルギーギヤツプを
有する材料Ｂは、一側でドーピングされた半導体
材料Ａからなる層によりまた他側で空気及び／ま
たは金属コンタクト及び／または保護層または不
活性層により各々画成されている一種の表面層を
常に形成している。半導体材料Ｂからなるこの層
は、必要であればドーピングされた半導体材料Ａ
からなる活性の第二の層よりも薄くなし得る。 第３図には本発明に用いられる半導体を使用し
て製造されたマイクロ波電界効果トランジスタが
示されている。該マイクロ波トランジスタ１６は
従来のシヨツトキー−ゲート−MESFETと同様
に作動する。これはヒ化ガリウムGaAsからなる
基板１８を含んでいて、該基板には半導体の表面
に接しているヒ化アルミニウムガリウムAlx
Ga1-xAsからなるｎ型の層２０と高純度のヒ化ガ
リウムからなる層２２とが備えられている。ヒ化
ガリウムの層２２にはソース及びドレインとして
役立ち且つ対応する金属コンタクト３０及び３２
と接触している二つのn+領域２６，２８が拡散
されている。ヒ化ガリウムの層２２の表面２４に
はさらに該ヒ化ガリウムの層２２と共にシヨツト
キーコンタクトを構成するゲート電極３４が在
る。該層２２上には例えば酸化物または窒化物か
らなる図示されていない保護層または不活性層が
設けられ得る。 ヒ化ガリウムの層２２の厚さは有利には、バイ
アス電圧Vg＝０のときにシヨツトキーコンタク
トにより生ぜしめられる空乏層が、層２０及び２
２の間の境界面３６に構成される強化チヤンネル
または反転チヤンネルにまで達しているが該チヤ
ンネル自体が開放していて伝導性があるように、
選定されている。ゲート電極３４によりシヨツト
キーコンタクトに逆方向にバイアスをかけた電圧
を印加すると、境界面３６にある荷電担体は該チ
ヤンネルが最終的に遮断されるまで排除される。
該チヤンネルを遮断するために空乏層が構成され
る必要がなく、荷電担体が高い移動度を有するの
で、チヤンネルの遮断は極めて迅速にほゞ10-12
秒以内に行なわれ得る。 本発明に用いられる半導体は例えば金属有機化
合物から分子線エピタクシーまたは化学的気相エ
ピタクシーにより製造され得る。好ましい材料の
組合せは、ヒ化ガリウム−ヒ化アルミニウムガリ
ウムGaAs−AlxGa1-xAsである。急激なドーピン
グ特性を得ることを可能にするドーピング材料と
して、例えばゲルマニウムまたはシリコンが適し
ている。ｘはほゞ0.10乃至0.37の間の値をとる。
シリコンまたはゲルマニウムのヒ化アルミニウム
ガリウムAlxGa1-xAs中での濃度はほゞ５×1016
乃至５×1018cm-3の間になり得る。 他の有用な材料組合せは以下の表に示されてい
る。
【表】 本発明に用いられる半導体を半導体素子に使用
する場合には、少なくとも二つのコンタクト例え
ば各層に一つのコンタクトが備えられ得る。さら
に半導体材料Ｂからなる第一の層に多数のコンタ
クト例えばオームコンタクト及び／またはシヨツ
トキーコンタクトが備えられ得る。基板もまた接
続点を有し得る。コンタクトはドーピングされた
領域から構成されていてもよい。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例に用いられるヘテロ
構造半導体のバイアス電圧を印加しない状態のエ
ネルギー図、第２図は本発明の他の実施例に用い
られるヘテロ構造半導体のエネルギー図、第３図
は本発明の好適例である金属半導体電界効果トラ
ンジスタの断面斜視図である。 LB……伝導帯、VB……価電子帯、EF……フ
エルミエネルギー、１０……遷移領域、１１……
準二次元チヤンネル、１２……空乏層、１６……
マイクロ波電界効果トランジスタ、１８……基
板、２０，２２……層、２４……表面、２６，２
８……n+領域、３０，３２……金属コンタクト、
３４……ゲート電極、３６……境界面、３８……
強化層、４０，４２……空乏層。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 結晶性半導体本体と、前記本体内にあつて導
    電率の制御が可能なチヤンネルと、前記チヤンネ
    ルに接続されていて前記チヤンネルを介して電流
    を導く第１及び第２電極と、前記本体に取り付け
    られていて前記チヤンネルの導電率を制御するゲ
    ート電極とを含んでいて、 前記半導体本体が、比較的狭いバンドギヤツプ
    を有する第１半導体材料から成る第１領域と比較
    的広いバンドギヤツプを有する第２半導体材料か
    ら成る第２領域とを含むヘテロ構造の半導体本体
    であつて、前記両領域が階段形ヘテロ接合を構成
    し、それによつて前記ヘテロ接合に沿つて狭バン
    ドギヤツプ材料から成る前記第１領域内に電荷担
    体集積層が生じ、前記集積層が導電率の制御が可
    能なチヤンネルを形成し、前記広いバンドギヤツ
    プ材料内のドーピング材料不純物の濃度が前記狭
    バンドギヤツプ材料内のドーピング材料不純物の
    濃度よりも少なくとも１桁大きく、前記狭バンド
    ギヤツプ材料内の不純物の濃度が約１×1015cm-3
    より多くなく、 前記ゲート電極が前記第１領域とシヨツトキー
    形コンタクトを構成していることを特徴とする、
    電界効果トランジスタ。 ２ 前記第１領域が実質的に純粋な半導体材料か
    ら成つていることを特徴とする、特許請求の範囲
    第１項に記載の電界効果トランジスタ。 ３ 前記第１領域が実質的にヒ化ガリウムから成
    り、前記第２領域が実質的にヒ化アルミニウムガ
    リウムから成つていることを特徴とする、特許請
    求の範囲第１項又は第２項に記載の電界効果トラ
    ンジスタ。 ４ 前記第１半導体材料が約５×1013乃至約１×
    1015cm-3の不純物原子を含み、前記第２半導体材
    料が５×1016乃至５×1018cm-3のイオン化可能な
    不純物原子を含んでいることを特徴とする、特許
    請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の
    電界効果トランジスタ。
JP4205380A 1979-04-02 1980-04-02 Hetero semiconductor and method of using same Granted JPS55132074A (en)

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DE19792913068 DE2913068A1 (de) 1979-04-02 1979-04-02 Heterostruktur-halbleiterkoerper und verwendung hierfuer

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JPS55132074A JPS55132074A (en) 1980-10-14
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