【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、２次元電子ガス電界効果トランジスタの結晶構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ヘテロ界面での２次元電子ガスを利用した電界効果トランジスタが、衛星通信，移動体通信等の分野で盛んに利用されるようになっている。

【０００３】電子の走行するチャネル層をＩｎＧａＡｓ
で形成するＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ２次元電子ガス電界効果トランジスタは、例えばケッターソンら（Ｋｅ
ｔｔｅｒｓｏｎ ｅｔ ａｌ． ）によりアイ・イー・イー・イー・エレクトロン・デバイス・レターズ、１９８
５年，第６巻，６２８頁（ＩＥＥＥ ＥＬＥＣＴＲＯＮ
ＤＥＶＩＣＥ ＬＥＴＴＥＲＳ，１９８５，ＶＯＬ．
６，Ｐ． ６２８）に報告されている。 図４にその主たる構造を示す。 この電界効果トランジスタは、半絶縁性Ｇ
ａＡｓ基板４１１、アンドープＧａＡｓ層４１２、アンドープＩｎＧａＡｓ層４１３、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層４１
４、ｎ−ＧａＡｓ層４１５、オーミック電極４１６，４
１７、ゲート電極４１８により構成されている。

【０００４】ＩｎＧａＡｓがＧａＡｓに比べ電子輸送デバイスに適した材料である要因としては、電子の低電界移動度が高い、電子のピーク速度が大きい、電子速度のより大きなオーバーシュートが期待できる、谷間散乱に起因する雑音が小さい、ＡｌＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓヘテロ界面の伝導帯エネルギー不連続が大きく量子井戸に電子が多く溜ると同時に量子井戸の外にしみ出す電子の割合が小さい、などが挙げられる。 これらの要因のために、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓを用いた２次元電子ガス電界効果トランジスタに比べて、高遮断周波数特性，高出力特性，低雑音動作等の特性向上が達成されている。

【０００５】また、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓヘテロ界面を利用した２次元電子ガス電界効果トランジスタの研究も行われている。 これについては、例えばチャンら（ＣＨ
ＡＮｅｔ ａｌ． ）がアイ・イー・イー・イー・トランザクションズ・オン・エレクトロン・デバイスィズ、１
９９０年，第３７巻，第１０号，２１４１頁（ＩＥＥＥ
ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＥＬＥＣＴＲＯＮ
ＤＥＶＩＣＥＳ，１９９０，ＶＯＬ． ３７，ＮＯ． １
０，Ｐ． ２１４１）に報告している。 この報告によれば、この系を用いた電界効果トランジスタでは、特に低温での直流特性等が優れていることが指摘されている。

【０００６】ＩｎＡｌＧａＰ／ＧａＡｓヘテロ界面を利用した電界効果トランジスタについては、特開昭６２−
２５２９７５号公報に記載されている。 それによると、
電子供給層として用いられるＩｎ _0.5 （Ａｌ _x Ｇ
ａ _1-x ） _0.5においてＡｌの組成比ｘが０．３程度より小さい場合、ドナー準位が比較的浅い位置に形成されるため高濃度のキャリアが蓄積される。 またキャリアの熱的安定性にも優れ、光照射による特性の変化もないとしている。

【０００７】また、特開昭６３−２７４１８１号公報には、アンドープのＩｎＡｌＧａＰとアンドープのＧａＡ
ｓヘテロ接合面に形成される２次元電子ガスを利用した電界効果トランジスタが記載されている。 この構造では、不純物ドープされた層がないにもかかわらず、キャリアが十分蓄積されることを基本動作原理としている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】２次元電子ガス電界効果トランジスタにおいては、ヘテロ界面での伝導帯エネルギー不連続がより大きい程、２次元電子ガスのシート濃度が増加し、量子井戸での電子の良好な閉じ込め効果を得ることができる。 しかし、伝導帯エネルギー不連続の値は材料で決まっている。

【０００９】表１は、ＧａＡｓ基板上に形成できる主なヘテロ接合材料の伝導帯エネルギー不連続の値を示している。 これらの値はコルチンら（Ｓ．Ｗ．ＣＯＲＺＩＮ
Ｅｅｔ ａｌ． ）によるアプライド・フィジックス・レターズ、１９９０年，第５７巻，第２６号，２８３５頁（ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，
１９９０，ＶＯＬ． ５７，ＮＯ． ２６，Ｐ． ２８３
５）、渡辺ら（Ｍ．Ｏ．ＷＡＴＡＮＡＢＥ ｅｔ ａ
ｌ． ）によるアプライド・フィジックス・レターズ、１
９８７年，第５０巻，第１４行，９０６頁（ＡＰＰＬＩ
ＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，１９８７，Ｖ
ＯＬ． ５０，ＮＯ． １４，Ｐ． ９０６）の報告に基づく。

【００１０】

【表１】

【００１１】表１によれば、伝導帯エネルギー不連続の値は、従来の系の中で大きい値が得られるＡｌ _0.2 Ｇａ
_0.8 Ａｓ／Ｉｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓにおいても０．２８ｅ
Ｖであり、さらに伝導帯エネルギー不連続が大きいヘテロ接合材料が望まれている。

【００１２】本発明の目的は、伝導帯エネルギー不連続の大きいヘテロ接合を有する電界効果トランジスタを提供することにある。

【００１３】本発明の他の目的は、高性能化合物半導体ヘテロ接合電界効果トランジスタを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、ヘテロ界面での２次元電子ガスを利用した電界効果トランジスタにおいて、前記ヘテロ界面が、ＩｎＡｌＧａＰ／ＩｎＧａＡ
ｓヘテロ接合で構成されることを特徴とする。

【００１５】また本発明は、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、電子親和力の大きい第１の半導体層と、この第１の半導体層に比べて電子親和力が小さい第２の半導体層が、この順に積層された電界効果トランジスタにおいて、前記第１の半導体層がアンドープのＩｎＧａＡｓで形成され、かつ前記第２の半導体層がｎ型に不純物ドープされたＩｎＡｌＧａＰで形成されていることを特徴とする。

【００１６】また本発明は、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、電子親和力の大きい第１の半導体層と、この第１の半導体層に比べて電子親和力が小さい第２の半導体層が、この順に積層された電界効果トランジスタにおいて、前記第１の半導体層がＩｎＧａＡｓで形成されており、前記第１の半導体層の少なくとも一部分がｎ型に不純物ドープされており、かつ前記第２の半導体層がｎ型に不純物ドープされたＩｎＡｌＧａＰで形成されていることを特徴とする。

【００１７】

【作用】ＩｎＡｌＧａＰ／ＩｎＧａＡｓヘテロ接合における伝導帯エネルギー不連続の値は、ＧａＡｓ基板上に作られる従来の系の伝導帯エネルギー不連続の値に比較して大きい。 表１においてＡｌ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓ／Ｇａ
ＡｓとＡｌ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓ／Ｉｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓの伝導帯エネルギー不連続の差は０．１３ｅＶである。 これをＩｎ _0.5 （Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 ） _0.5 Ｐ／ＧａＡｓの伝導帯エネルギー不連続の値に加えることにより、Ｉｎ
_0.5 （Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 ） _0.5 Ｐ／Ｉｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａ
ｓの伝導帯エネルギー不連続の値を求めると０．４１ｅ
Ｖとなる。

【００１８】以上述べたように伝導帯エネルギー不連続の増加により、従来に比べ２次元電子ガスの良好な閉じ込め効果と、より高いキャリア濃度が期待できる。 またデバイスの性能の面からみれば、相互コンダクタンス，
遮断周波数，最大出力電流などの特性向上が期待できる。

【００１９】また本発明の電界効果トランジスタは、本発明の特徴である高キャリア濃度を最大限に生かすため、チャネル層の少なくとも一部分をｎ型に不純物ドープしたものである。 その結果、相互コンダクタンス、最大出力電流の改善が期待できる。

【００２０】さらに本発明の電界効果トランジスタは、
本発明の特徴である高キャリア濃度を最大限に生かすため、チャネル層の両側にＩｎＡｌＧａＰ電子供給層を設けているので、最大出力電流等の改善が期待できる。

【００２１】

【実施例】本発明の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

【００２２】（実施例１）図１に本発明の半導体装置の構造の一例を表す要部断面図を示す。

【００２３】半絶縁性ＧａＡｓ基板１１１の上に、アンドープＧａＡｓ層１１２が２００ｎｍの厚さで、アンドープのＩｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓチャネル層１１３が１５ｎ
ｍの厚さで、２×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3の濃度にｎ型にＳｉドープされたＩｎ _0.5 （Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 ） _0.5 Ｐ電子供給層１１４が３０ｎｍの厚さで、２×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3の濃度にｎ型にＳｉドープされたＧａＡｓキャップ層１１５が６０ｎｍの厚さで、それぞれ有機金属化学堆積法（ＭＯ
ＣＶＤ）により順次結晶成長され、前記ｎ型キャップ層上にソース電極１１６，ドレイン電極１１７が、ＡｕＧ
ｅとＮｉの蒸着およびそれに続く熱処理アロイ工程により形成されており、このオーミック電極間に前記ｎ型にドープされたＩｎ _0.5 （Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 ） _0.5 Ｐ電子供給層１１４の途中までエッチング除去されたリセス内部にＴｉとＰｔとＡｕにより形成されるショットキーゲート電極１１８が形成されている。 ゲート長は０．５μ
ｍである。

【００２４】本実施例の電界効果トランジスタにおいては、アンドープＩｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓ層１１３に形成される量子井戸に２次元電子ガスが溜り、この電子をキャリアとして動作する。

【００２５】本実施例による電界効果トランジスタの特性として、最大相互コンダクタンス３６０ｍＳ／ｍｍ、
遮断周波数３８ＧＨｚ、最大出力電流３３０ｍＡ／ｍｍ
が得られている。 これは図４の従来例における電界効果トランジスタで得られた最大相互コンダクタンス３００
ｍＳ／ｍｍおよび遮断周波数２９ＧＨｚ，最大出力電流２９０ｍＡ／ｍｍに比べて優れた特性が得られている。

【００２６】（実施例２）図２に本発明の半導体装置の構造の他の例を表す要部断面図を示す。

【００２７】半絶縁性ＧａＡｓ基板２１１の上に、アンドープＧａＡｓ層２１２が２００ｎｍの厚さで、アンドープのＩｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓチャネル層２１３が１５ｎ
ｍの厚さであり、このアンドープＩｎＧａＡｓチャネル層中に面密度５×１０ ¹² ｃｍ ^-2で基板方向から１０ｎｍ
の位置にｎ型不純物Ｓｉがプレーナードープされており（２１４）、２×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3の濃度にｎ型にＳｉドープされたＩｎ _0.5 （Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 ） _0.5 Ｐ電子供給層２１５が３０ｎｍの厚さで、２×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3の濃度にｎ型にＳｉドープされたＧａＡｓキャップ層２１６が６０ｎｍの厚さで、それぞれ有機金属化学堆積法（ＭＯ
ＣＶＤ）により順次結晶成長され、前記ｎ型キャップ層上にソース電極２１７，ドレイン電極２１８が、ＡｕＧ
ｅとＮｉの蒸着およびそれに続く熱処理アロイ工程により形成されており、このオーミック電極間に前記ｎ型にドープされたＩｎ _0.5 （Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 ） _0.5 Ｐ電子供給層２１５の途中までエッチング除去されたリセス内部にＴｉとＰｔとＡｕにより形成されるショットキーゲート電極２１９が形成されている。 ゲート長は０．５μ
ｍである。

【００２８】本実施例の電界効果トランジスタにおいては、アンドープＩｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓ層２１３に形成される量子井戸に２次元電子ガスが溜り、この電子をキャリアとして動作する。

【００２９】本実施例による電界効果トランジスタの特性として、最大相互コンダクタンス４００ｍＳ／ｍｍ、
遮断周波数３０ＧＨｚ、最大出力電流４８０ｍＡ／ｍｍ
が得られている。 これは図４の従来例における電界効果トランジスタに比べて、特に最大相互コンダクタンスと最大出力電流が優れている。

【００３０】（実施例３）図３に本発明の半導体装置の構造のさらに他の例を表す要部断面図を示す。

【００３１】半絶縁性ＧａＡｓ基板３１１の上に、アンドープＧａＡｓ層３１２が２００ｎｍの厚さで、２×１
０ ¹⁸ ｃｍ ^-3の濃度にｎ型にＳｉドープされた第１のＩｎ
_0.5 （Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 ） _0.5 Ｐ電子供給層３１３が５
ｎｍの厚さで、アンドープのＩｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓチャネル層３１４が１５ｎｍの厚さで、２×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3の濃度にｎ型にＳｉドープされた第２のＩｎ _0.5 （Ａｌ
_0.3 Ｇａ _0.7 ） _0.5 Ｐ電子供給層３１５ｓが３０ｎｍの厚さで、２×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3の濃度にｎ型にＳｉドープされたＧａＡｓキャップ層３１６が６０ｎｍの厚さで、それぞれ有機金属化学堆積法（ＭＯＣＶＤ）により順次結晶成長され、前記ｎ型キャップ層上にソース電極３１
７，ドレイン電極３１８が、ＡｕＧｅとＮｉの蒸着およびそれに続く熱処理アロイ工程により形成されており、
このオーミック電極間に前記ｎ型にドープされたＩｎ
_0.5 （Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 ） _0.5 Ｐ電子供給層３１５の途中までエッチング除去されたリセス内部にＴｉとＰｔとＡｕにより形成されるショットキーゲート電極３１９が形成されている。 ゲート長は０．５μｍである。

【００３２】本実施例の電界効果トランジスタにおいては、アンドープＩｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａｓ層３１４に形成される量子井戸に２次元電子ガスが溜り、この電子をキャリアとして動作する。

【００３３】本実施例による電界効果トランジスタの特性として、最大相互コンダクタンス３１０ｍＳ／ｍｍ、
遮断周波数３６ＧＨｚ、最大出力電流４１０ｍＡ／ｍｍ
が得られている。 これらの特性は図４の従来例における電界効果トランジスタに比べ優れている。

【００３４】以上、実施例１，実施例２および実施例３
で本発明の具体例を提示した。

【００３５】表２は、実施例１，実施例２，実施例３および従来例の最大相互コンダクタンス、遮断周波数および最大出力電流の値を示す表である。

【００３６】

【表２】

【００３７】以上に述べた実施例においては具体的な素子構造とその特性を示したが、構造，材料，数字等はここで示したものに限られない。 例えばゲート電極を用いる金属として使用できるものはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕに限らずショットキー接合を形成するものであれば良く、この金属組成が本発明の本質的な効果に変化をもたらせるものではない。 また、各層の厚さは、必ずしもここに例として示したものに限られない。

【００３８】本実施例においては、電子供給層の不純物分布は一様ドープとしているが、これに限られるものではなく、例えば深さ方向に階段状に不純物濃度が変化したり、不純物分布を局在させたり（例えばプレーナードープ）、電子供給層とチャネル層との間にアンドープのスペーサ層を設けたりすることなども可能である。 さらにＩｎＧａＡｓチャネル層の組成比または深さ方向での組成比分布等に関しても、ここで示したものに限定されない。

【００３９】実施例２では、チャネル層にプレーナードープを施しているが、一様ドープやステップドープなど不純物濃度の深さ方向に関する分布を変化させることもできる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によるＩｎＡｌＧａＰ／ＩｎＧａ
Ａｓヘテロ接合を用いた２次元電子ガス電界効果トランジスタでは、従来に比べて顕著に優れたＤＣ，ＲＦ特性並びに電流駆動能力等のデバイス特性を得ることができる。 したがって、本発明による電界効果トランジスタは、マイクロ波ミリ波帯における低雑音増幅器や高出力増幅器を構成する基本素子として、および超高速ディジタル集積回路を構成する基本素子として広く応用することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電界効果トランジスタの実施例１の構造を示す図である。

【図２】本発明の電界効果トランジスタの実施例２の構造を示す図である。

【図３】本発明の電界効果トランジスタの実施例３の構造を示す図である。

【図４】従来例における構造を示す図である。

【符号の説明】

１１１，２１１，３１１，４１１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板 １１２，２１２，３１２，４１２ アンドープＧａＡｓ
層 １１３，２１３，３１３，４１３ アンドープＩｎ _0.2
Ｇａ _0.8 Ａｓチャネル層 １１４，２１５ 実施例１，２におけるｎ型ドープＩｎ
_0.5 （Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 ） _0.5 Ｐ電子供給層 １１５，２１６，３１６，４１５ ｎ型ドープＧａＡｓ
キャップ層 １１６，２１７，３１７，４１６ ソース電極 １１７，２１８，３１８，４１７ ドレイン電極 １１８，２１９，３１９，４１８ ゲート電極 ２１４ 実施例２におけるｎ型不純物 ３１３ 実施例３における第１のＩｎ _0.5 （Ａｌ _0.3 Ｇ
ａ _0.7 ） _0.5 Ｐ電子供給層 ３１５ 実施例３における第２のｎ型ドープＩｎ
_0.5 （Ａｌ _0.3 Ｇａ _0.7 ） _0.5 Ｐ電子供給層 ４１４ 従来例におけるｎ型ドープＩｎ _0.2 Ｇａ _0.8 Ａ
ｓ電子供給層