JPS63250863A - Field effect semiconductor device - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To eliminate P.P.C. (Persistent Photoconductivity) and to improve mutual conductance gm of a field effect semiconductor device by laminating a spacer layer made of non-doped AlGaAs between an electron supply layer made of Si-doped GaAs and an electron transit layer. CONSTITUTION:An electron supply layer 9 made of Si-doped GaAs, an electron transit layer 7 made of InGaAs, and a spacer 3 made of non-doped AlGaAs interposed between the layers 9 and 7 are laminated between a gate electrode 6 and a compound semiconductor substrate 1. Since the layer 9 uses Si-doped GaAs having no D-X sensor as the layer 9, the temperature change of a threshold value voltage Vth is less, P.P.C is eliminated, and since the non-doped AlGaAs layer is used as the layer 3, a discontinuity to a conduction band to the InGaAs of the layer 7 can be increased to be able to increase the sheet carrier concentration of secondary electron gas, thereby improving gm.

Description

Translated fromJapanese

【発明の詳細な説明】（イ）産業上の利用分野本発明は電界効果型半導体装置に関し、特にＩｎＧａＡ
ｓ系変調ドープＰＥＴ　（ＭＯＤＦＥＴ）における素子
構造に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (a) Field of Industrial Application The present invention relates to field effect semiconductor devices, particularly InGaA semiconductor devices.
The present invention relates to an element structure in an s-based modulation doped PET (MODFET).

（ロ）従来の技術一般に、化合物半導体は、キャリアの易動度が大きいこ
とや、その多くが直接遷移型半導体であること等の長所
により、超高速半導体素子や発光素子等、他方面にわた
ってその用途が拡大している。また、分子線エピタキシ
ャル成長は、他の結晶成長では作製できない急峻なヘテ
ロ界面の成長が可能である等の元来の長所に加え、近年
、基板直接加熱法や、各ソースるつぼの大口径化や成長
時の基板回転の高速化による成長層の均一性向上等の改
良により、化合物半導体装置製作の基盤技術として、急
速に進歩している。また、上記超高速半導体素子におい
ては、低雑音化、高利得化のため、相互コンダクタンス
ｇ１の向上、ソース抵抗Ｒｓおよびゲート人力容＠Ｃｇ
ｓの低減化が進められており、これにより、例えば、ゲ
ート長の短縮化や活性層最下部のキャリア濃度を高くす
るベリラドチャンネルプロファイルの採用や、表面ｎ゛
層導入とそれに伴う深いリセス構造の採用およびドリフ
ト速度の高い電子を得るべくＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ、
ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ
等のへテロ接合を利用したＭ　ＯＤ　Ｆ　ＥＴの採用等
が行われている。(b) Conventional technology In general, compound semiconductors have advantages such as high carrier mobility and the fact that most of them are direct transition type semiconductors, so they are used in ultrahigh-speed semiconductor devices, light-emitting devices, etc. Its uses are expanding. In addition to the original advantages of molecular beam epitaxial growth, such as the ability to grow steep hetero-interfaces that cannot be produced with other crystal growth methods, in recent years, direct heating of the substrate, larger diameters of each source crucible, and growth Due to improvements such as improved uniformity of the grown layer due to faster substrate rotation, it is rapidly progressing as a basic technology for manufacturing compound semiconductor devices. In addition, in the above-mentioned ultra-high-speed semiconductor device, in order to reduce noise and increase gain, the mutual conductance g1 is improved, the source resistance Rs and the gate force capacity @Cg
Progress is being made to reduce s, and this has resulted in, for example, shortening the gate length, adopting a Verirad channel profile that increases the carrier concentration at the bottom of the active layer, and introducing an n layer on the surface and the accompanying deep recess structure. In order to obtain electrons with high drift speed, AlGaAs/GaAs,
GaAs/InGaAs, AlGaAs/InGaAs
MOD FETs using heterojunctions such as these have been adopted.

上記Ｍ　ＯＤ　Ｆ　Ｅ　Ｔにおいては、従来、第３図に
示すような、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＭＭＯＤＦＥＴが
最も一般的であり、これはＧａＡｓ基板ｌ上にノンドー
プＧａＡｓバッファ一層２およびＳｉドープｎ”−ＡＩ
ＧａＡｓ層４を成長させ、電子供給層であるＳｉドープ
ｎ”−ＡＩＧａＡｓ層４と電子走行層であるノンドープ
ＧａＡｓバッファ一層２との間にノンドープＡｌＧａＡ
ｓスペーサ一層３を設けることにより、２次元電子ガス
を電子供帖層４中のイオン化ドナーによるクローン場か
ら遠ざけて電子の易動度を高める等の改良が行われてい
る。Conventionally, the most common type of MOD FET is an AlGaAs/GaAs MMODFET as shown in FIG.
A GaAs layer 4 is grown, and non-doped AlGaA is grown between the Si-doped n''-AIGaAs layer 4 which is an electron supply layer and the non-doped GaAs buffer layer 2 which is an electron transport layer.
By providing the s-spacer layer 3, improvements such as increasing the mobility of electrons by moving the two-dimensional electron gas away from the clone field caused by the ionized donors in the electron book layer 4 have been made.

また、近年、第４図に示すように、電子走行層２および
スペーサ一層３間にＧａＡｓよりも電子の飽和速度の高
いＩｎＧａＡｓ層７を有するＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡ
ｓ系ＭＯＤＦＥＴや、第５図に示すように、ＩｎＧａＡ
ｓ層７上にノンドープＧａＡｓスペーサ一層８を介して
Ｓｉドープｎ”−ＧａＡｓ層９が成長されたＧｔＩＡ５
／　Ｉ　ｎＧａＡｓ系ＭＯＤＦＥＴ等が提案されており
、電子のドリフト速度を高くする改良が行われている。In addition, in recent years, as shown in FIG.
s-based MODFET, and as shown in Figure 5, InGaA
GtIA 5 in which a Si-doped n''-GaAs layer 9 is grown on the s-layer 7 with a non-doped GaAs spacer layer 8 interposed therebetween.
/InGaAs-based MODFETs and the like have been proposed, and improvements have been made to increase the electron drift speed.

なお、第３〜５図において、５．６はそれぞれオーミッ
ク、ゲート各電極である。In addition, in FIGS. 3 to 5, 5.6 is an ohmic electrode and a gate electrode, respectively.

（ハ）発明が解渓しようとする問題点しかしながら、上記ＭＯＤＦＥＴ、例えば第３図のごと
きＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＭＯＤＦＥＴ。(c) Problems to be solved by the invention However, the above-mentioned MODFET, for example, the AlGaAs/GaAs-based MODFET as shown in FIG.

第４図のごときＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系Ｍ　ＯＤ
　ＦＥＴにおいては電子供給層４としてＡｌｘＧａ＋−
ｘＡｓからなる混晶を用いているため、Ｍ　ＯＤ　Ｆ　
ＥＴとして通常用いられているＸ＝０．３程度の混晶比
では、ｎ″ＡｌｘＧａ１．□ｘＡＳ中によく知られてい
るＤ−Ｘセンターが存在し、それが原因となり、ＦＥＴ
のしきい値電圧ｖｔｈが温度によって変化することや、
Ｐｅｒｓｉｓｔｅｎｔ　Ｐｈｏｔｏｃｏｎｄｕｃｔｉｖ
ｉｔｙ　（Ｐ　、　Ｐ　。AlGaAs/InGaAs-based MOD as shown in Figure 4
In the FET, AlxGa+- is used as the electron supply layer 4.
Since a mixed crystal consisting of xAs is used, M OD F
At a mixed crystal ratio of about
The threshold voltage vth of
Persistent Photoconductiv
ity (P, P.

Ｃ，）等の現象が起こるという欠点がある。また、第５
図のごときＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系Ｍ　ＯＤ　Ｆ　Ｅ
Ｔでは、電子供給層９中に、Ｄ−Ｘセンターが存在しな
いため、上記のような不良は生じないが、スペーサ一層
と電子走行層との間の伝導帯の不連続さに関してはＧａ
ＡｓとＩｎＧａＡｓとの伝導帯の不連続さが、Ａ　ｌｘ
Ｇ　ａｌ　−ｘＡ　ｓ　（Ｘ　＝　０．３）とＧａＡｓ
との伝導帯の不連続さく０．３ｅＶ）に比べ小さいため
、ヘテロ接合界面の２次元電子のシートキャリア濃度が
、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＭＯＤＦＢＴに比べ低くな
ってしまい、ｇｌの向上に、つながらないという欠点が
ある。There is a drawback that phenomena such as C, ) occur. Also, the fifth
GaAs/InGaAs system MOD F E as shown in the figure
In T, since there is no DX center in the electron supply layer 9, the above-mentioned defects do not occur, but regarding the discontinuity of the conduction band between the spacer layer and the electron transit layer, Ga
The conduction band discontinuity between As and InGaAs causes Alx
Gal-xA s (X = 0.3) and GaAs
Since the conduction band discontinuity (0.3eV) is smaller than that of the conduction band, the two-dimensional electron sheet carrier concentration at the heterojunction interface is lower than that of AlGaAs/GaAs-based MODFBT, which does not lead to an improvement in gl. There is.

本発明は、上記のような構造のＭＯＤＦＥＴでは不可能
な電子のドリフト速度の向上や、シートキャリア濃度の
増加や、特性安定性の向上等を同時に実現し得る電界効
果型半導体装置を堤供するものである。The present invention provides a field-effect semiconductor device that can simultaneously achieve improvements in electron drift velocity, increase in sheet carrier concentration, and improvement in characteristic stability that are impossible with MODFETs having the above-described structure. It is.

（ニ）問題点を解決するための手段本発明は、ゲート電極と化合物半導体基板との間に、Ｓ
ｉドープＧａＡｓからなる電子供給層と、ＩｎＧａＡｓ
からなる電子走行層と、両層の間に介在され、ノンドー
プＡｌＧａＡｓからなるスペーサ層とを積層してなる電
界効果型半導体装置である。(d) Means for Solving the Problems The present invention provides an S
An electron supply layer made of i-doped GaAs and InGaAs
This is a field-effect semiconductor device formed by laminating an electron transport layer consisting of the above-mentioned electron transit layer and a spacer layer interposed between the two layers and made of non-doped AlGaAs.

すなわち、第４〜５図に示すごとき電子供給層のＳｉド
ープｎ″ＧａＡｓと電子走行層のＩｎＧａＡｓとの間の
スペーサ層として、ノンドープＡｌＧａＡｓを用いるこ
とによって、しきい値電圧ｖｔｈの温度による変化を少
なくすると共にＰ、Ｐ、Ｃ，現象の防止を保障したうえ
で、更に電子走行層とスペーサ層との間の伝導帯の不連
続さを改良し、それによって相互インダクタンスｇ、の
向上を図ることができる。That is, by using non-doped AlGaAs as a spacer layer between the Si-doped n''GaAs of the electron supply layer and the InGaAs of the electron transport layer as shown in FIGS. 4 and 5, changes in the threshold voltage vth due to temperature can be suppressed. In addition to ensuring the prevention of the P, P, and C phenomena, the discontinuity of the conduction band between the electron transit layer and the spacer layer is improved, thereby improving the mutual inductance g. Can be done.

（ホ）作用本発明の電界効果型半導体装置では、電子供給層として
Ｄ−Ｘセンターの存在しないＳｉドープＧａＡｓを用い
ているため、従来ＳｉドープＡｌＧａＡｓ層を電子供給
層として用いているものに比べ、しきい値電圧ｖｔｈの
温度変化が少なく、Ｐ、Ｐ、Ｃ。(e) Function The field-effect semiconductor device of the present invention uses Si-doped GaAs without a DX center as the electron supply layer, and is therefore compared to a conventional device using a Si-doped AlGaAs layer as the electron supply layer. , P, P, C with little temperature change in threshold voltage vth.

が無くなる。また、スペーサ層としてＧａＡｓよりもバ
ンドギャップが大きく、かつ、電子親和力の小さいノン
ドープＡｌＧａＡｓ層を用いているため、電子走行層で
あるＩｎＧａＡｓとの伝導帯の不連続さを従来のＧａＡ
ｓ／１ｎＧａＡｓ系Ｍ　ＯＤ　Ｆ　Ｅ　Ｔよりも大きく
することができ、２次元電子ガスのシートキャリア濃度
を高めることが可能となり、ｇ、の向上が実現できる。disappears. In addition, since a non-doped AlGaAs layer with a larger band gap and lower electron affinity than GaAs is used as the spacer layer, the discontinuity of the conduction band with InGaAs, which is the electron transport layer, is reduced compared to that of conventional GaAs.
It can be made larger than the s/1nGaAs-based MOD FET, the sheet carrier concentration of the two-dimensional electron gas can be increased, and an improvement in g can be realized.

（へ）実施例以下、第１及び第２図を参照しながら本発明の一実施例
を工程順に詳細に説明する。(F) Example Hereinafter, an example of the present invention will be described in detail in the order of steps with reference to FIGS. 1 and 2.

まず、ＧａＡｓ基板を分子線エビタキシー（Ｍｏｌｅｃ
ｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ、以下Ｍ　Ｂ　Ｅ
と称す）に使用する前に硫酸系エッチャント（硫酸：過
酸化水素：水＝３：１：ｌ）中に３０秒間浸漬し、前処
理を行う。次に、ＧａＡｓ基板をＭＢＥ装置の成長室に
搬入し、Ａｓ圧力下で、６００℃、１時間のベーキング
を行い、ＧａＡｓ基板表面に付着している酸化膜を除去
する。その後、基板温度を５８０℃に下げ、Ｇ　ａ（８
８４℃）セルシャッターを開け、第２図（ａ）に示すよ
うに、ＧａＡｓ基板１上にノンドープＧａＡｓからなる
バッファ一層２を１μｍ成長させる。その後、Ｉ　ｎ（
９５０℃）セルシャッターを開け、ノンドープＩｎＧａ
Ａｓ７からなる電子走行層を３００人成長させる。その
後、Ｉ　ｎ（９５０℃）セルシャッターを閉じ、同時に
Ａ　Ｉ（１０２０℃）セルシャッターを開け、ノンドー
プＡｌＧａＡｓ３からなるスペーサ一層を３０人成長さ
せる。さらに、Ａ　Ｉ（１０２０℃）セルの温度を、毎
秒１℃の割合で下げＡ１セルが９５０℃に達した所でＡ
Ｉセルシャッターを閉じ、同時にＳ　ｉ　（１０４０℃
）セルシャッターを開け、Ｓｉドープｎ′″−ＧａＡｓ
９からなる電子供給層を６０００人成長させる。その後
、Ｓｉセルシャッター及びＧａセルシャッターを同時に
閉じ、基板温度を４００℃まで下げ、Ａｓセルシャッタ
ーを閉じた後、基板温度を室温にもどす。その後、Ｇａ
Ａｓ基板１をＭＢＥ成長室から取り出す。First, a GaAs substrate was coated with molecular beam epitaxy (Molec).
ular beam epitaxy, hereinafter MBE
Before using it in a sulfuric acid-based etchant (sulfuric acid: hydrogen peroxide: water = 3:1:l), it is immersed for 30 seconds for pretreatment. Next, the GaAs substrate is carried into a growth chamber of an MBE apparatus, and baked at 600° C. for 1 hour under As pressure to remove the oxide film adhering to the surface of the GaAs substrate. After that, the substrate temperature was lowered to 580°C, and Ga(8
84 DEG C.) The cell shutter was opened, and a buffer layer 2 made of undoped GaAs was grown to a thickness of 1 .mu.m on the GaAs substrate 1, as shown in FIG. 2(a). Then I n (
950℃) Open the cell shutter and remove the non-doped InGa.
Grow 300 electron transport layers consisting of As7. Thereafter, the I n (950° C.) cell shutter is closed and the A I (1020° C.) cell shutter is simultaneously opened to grow 30 single layer spacers made of non-doped AlGaAs3. Furthermore, the temperature of the A I (1020°C) cell was lowered at a rate of 1°C per second, and when the A1 cell reached 950°C, the
Close the I cell shutter and at the same time S i (1040℃
) Open the cell shutter and remove Si-doped n'''-GaAs.
Grow the electron supply layer consisting of 9 people by 6000 people. Thereafter, the Si cell shutter and the Ga cell shutter are closed simultaneously to lower the substrate temperature to 400° C., and after the As cell shutter is closed, the substrate temperature is returned to room temperature. After that, Ga
The As substrate 1 is taken out from the MBE growth chamber.

その後、ＧａＡｓ成長層上にフォトレジストを用いてメ
サパターンＩＯを形成する（第２図（ａ）参照）。その
後、このメサパターン１０をマスク材として、成長層の
エツチングを行い（第２図（ｂ）参照）、素子間を分離
さけ、その後上記メサエッチング用フォトレジストＩＯ
を、有機溶剤を用いて除去する。その後、通常のフォト
リソグラフィー、電極蒸着、アロイ処理を行い、オーミ
ック電極５を形成する（第２図（ｃ）参照）。その後、
フォトレジストを用いてゲートパターンＩＩを形成しく
第２図（ｄ）参照）、このゲートパターン１１をマスク
材として、ｎ”−ＧａＡｓ層９の一部をリン酸系エッチ
ャント（リン酸：過酸化水素：水＝３＋ｌ：５０）を用
いてエツチングし、第２図（ｅ）に示すようなりセス形
状を得る。その後、ゲート電極６を電子ビームＥＢ蒸着
機を用いて蒸着し、その後上記フォトレジスト１１を有
機溶媒を用いて除去し、第１図に示すような構造の電界
効果型半導体装置を得る。Thereafter, a mesa pattern IO is formed on the GaAs growth layer using a photoresist (see FIG. 2(a)). Thereafter, using this mesa pattern 10 as a mask material, the growth layer is etched (see FIG. 2(b)) to avoid separation between elements, and then the photoresist IO for mesa etching is etched.
is removed using an organic solvent. Thereafter, ordinary photolithography, electrode deposition, and alloying processing are performed to form the ohmic electrode 5 (see FIG. 2(c)). after that,
A gate pattern II is formed using a photoresist (see FIG. 2(d)), and using this gate pattern 11 as a mask, a part of the n''-GaAs layer 9 is etched with a phosphoric acid-based etchant (phosphoric acid: hydrogen peroxide). :water=3+l:50) to obtain a grooved shape as shown in FIG. is removed using an organic solvent to obtain a field effect semiconductor device having a structure as shown in FIG.

以上のような方法でＤ−Ｘセンターのない電子供給層を
有し、ヘテロ界面での伝導帯の不連続さの大きい半導体
装置が得られ、２次元電子ガスのシートキャリア濃度を
ＩＸ　１０”／　ａｍ’程度高めることができ、その結
果５０ｍ５／ｍｍ程度ｇ、を向上することが可能となっ
た。また、ｖｔｈについては、３００に、　７７にテ各
々−１，１０Ｖ、−１，０８Ｖとなり、温度依存性がほ
ぼ無くなり、また、Ｐ、Ｐ、Ｃ，を全く無くすことが可
能となった。By the method described above, a semiconductor device having an electron supply layer without a D-X center and a large conduction band discontinuity at the heterointerface can be obtained, and the sheet carrier concentration of the two-dimensional electron gas can be reduced to IX 10"/ As a result, it became possible to improve g by about 50 m5/mm. Also, vth was -1, 10 V and -1,08 V for 300 and 77, respectively. Temperature dependence has almost disappeared, and it has become possible to completely eliminate P, P, and C.

なお、本発明は、ＧａＡｓ基板を用いたＩｎＧａＡｓ系
ＭＯＤＦＥＴばかりでなく、化合物半導体基板の材料と
して、Ｉ　ｎＡｓ、　　ｒ　ｎＰ等を利用したＭＯＤＦ
ＥＴに対しても適用し得る。Note that the present invention is applicable not only to InGaAs-based MODFETs using GaAs substrates, but also to MODFETs using InAs, rnP, etc. as materials for compound semiconductor substrates.
It can also be applied to ET.

（ト）発明の効果以上のように本発明によれば、電子供給層としてＤ−Ｘ
センターの存在しないＳｉドープＧａＡｓを用いている
ため、従来ＳｉドープＡｌＧａＡｓ層を電子供給層とし
て用いているものに比べ、しきい値電圧ｖｔｈの温度変
化か少なく、Ｐ、Ｐ、Ｃ，が無くなる。また、スペーサ
層としてＧａＡｓよりもバンドギャップが大きく、かつ
、電子親和力の小さいノンドープＡｌＧａＡｓ層を用い
ているため、電子走行層であるＩｎＧａＡｓとの伝導帯
の不連続さを従来のＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系ＭＯＤＦ
’ＥＴよりも大きくすることができ、２次元電子ガスの
シートキャリア濃度を高めることが可能となり、ｇａの
向上が実現できる効果がある。(g) Effects of the invention As described above, according to the present invention, D-X
Since Si-doped GaAs without a center is used, the temperature change in threshold voltage vth is smaller than that in a conventional Si-doped AlGaAs layer used as an electron supply layer, and P, P, and C are eliminated. In addition, since a non-doped AlGaAs layer with a larger band gap and lower electron affinity than GaAs is used as the spacer layer, the discontinuity of the conduction band with InGaAs as the electron transport layer is reduced compared to the conventional GaAs/InGaAs-based MODF.
'ET, it becomes possible to increase the sheet carrier concentration of the two-dimensional electron gas, and there is an effect that an improvement in ga can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明の一実施例による。ノンドープスペーサ
一層のみにＡｌＧａＡｓを用いたＧａＡｓ／ＵｎＧａＡ
ｓ系ＭＯＤＦＥＴの断面図、第２図（ａ）〜（ｅ）は上
記電界効果型半導体装置の工程説明図、第３図は従来構
造のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＭＯＤＦＥＴの断面図、
第４図は従来構造のＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系Ｍ　
ＯＤ　Ｆ　Ｅ　Ｔの断面図、第５図は従来構造のＧａＡ
ｓ／ＩｎＧａＡｓ系ＭＯＤＦＥＴの断面図である。ｌ・・・・・・ＧａＡｓ基板、２・・・・・・ノンドープＧａＡｓバッファ一層、３・
・・・・・ノンドープＡｌＧａＡｓスペーサ一層、５・
・・・・・オーミック電極、　　　６・・・・・・ゲー
ト電極、７−＝ＩｎＧａＡｓ層、９・・・・・・Ｓｉドープｎ″ＧａＡｓ層。第２図（ａ）（ｂ）第２図（Ｃ）第３図第４図FIG. 1 is in accordance with one embodiment of the present invention. GaAs/UnGaA using AlGaAs only in one layer of non-doped spacer
A sectional view of an s-based MODFET, FIGS. 2(a) to 2(e) are process explanatory diagrams of the field-effect semiconductor device, and FIG. 3 is a sectional view of an AlGaAs/GaAs-based MODFET with a conventional structure.
Figure 4 shows the conventional structure of AlGaAs/InGaAs system M.
A cross-sectional view of OD FET, Figure 5 shows the conventional structure of GaA.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an s/InGaAs-based MODFET. l...GaAs substrate, 2...non-doped GaAs buffer layer, 3...
...Non-doped AlGaAs spacer layer, 5.
...Ohmic electrode, 6...Gate electrode, 7-=InGaAs layer, 9...Si-doped n''GaAs layer. Fig. 2 (a) (b) Fig. 2 (C) Figure 3 Figure 4

Claims (1)

Translated fromJapanese

【特許請求の範囲】[Claims]１、ゲート電極と化合物半導体基板との間に、Ｓｉドー
プＧａＡｓからなる電子供給層と、ＩｎＧａＡｓからな
る電子走行層と、両層の間に介在され、ノンドープＡｌ
ＧａＡｓからなるスペーサ層とを積層してなる電界効果
型半導体装置。1. An electron supply layer made of Si-doped GaAs and an electron transport layer made of InGaAs are interposed between the gate electrode and the compound semiconductor substrate, and non-doped Al
A field effect semiconductor device formed by laminating a spacer layer made of GaAs.