(57)【要約】【課題】不均質接面格子ミスマッチによる応力の散乱を改善して、ゲート電圧振幅の範囲を増加し、また、ドレーン飽和電流に、ステップアップ増加する現象を起こさせ、更に、電圧順応性のある多段階外因相互コンダクタンス増幅ワーキング・エリア域の高電子移動度トランジスタを形成することを課題とする。【解決手段】電圧順応性のある多段階外因相互コンダクタンス増幅高電子移動度トランジスタは、半導体基板上に、順に、バッファ層と、主チャンネル層と、ガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素の厚さが累積的である超格子構造と、単原子δ-ドーピングキャリア供給層と、ゲートショットキーコンタクト層と、ドレーン/ソースオーミックコンタクト層とが配置され、その中で、上記超格子構造には、障壁層とサブチャンネル層とがある。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
当該基板上に位置するバッファ層と、
当該バッファ層上に位置する主チャンネル層と、
当該主チャンネル層上に位置する、厚さが累積的である超格子構造である、障壁層及びサブチャンネル層と、
当該厚さが累積的である超格子構造上に位置する単原子δδ-ドーピングキャリア供給層と、
当該単原子δδ-ドーピングキャリア供給層上に位置するゲートショットキーコンタクト層と、
当該ゲートショットキーコンタクト層上に位置するドレーン/ソースオーミックコンタクト層を有することを特徴とする電圧順応性のある多段階外因相互コンダクタンス増幅高電子移動度トランジスタ。
【請求項２】
当該基板は、半絶縁型ガリウム砒素(GaAs)であることを特徴とする特許請求の範囲請求項1に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項３】
当該バッファ層は、ノンドープのガリウム砒素(GaAs)であり、厚さが、0.1〜5.0μmであることを特徴とする特許請求の範囲請求項2に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項４】
当該主チャンネル層は、ノンドープのガリウムインジウム砒素(InxGa1-xAs)であり、その中、xが0〜0.3で、当該主チャンネル層の厚さが60〜110Åであることをを特徴とする特許請求の範囲請求項3に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項５】
当該厚さが累積的である超格子構造がノンドープであるガリウム砒素(GaAs)を、障壁層とし、ノンドープのガリウムインジウム砒素(InxGa1-xAs)を、サブチャンネル層とし、xが0〜0.3で、当該障壁層の厚さが10〜50Å、当該サブチャンネル層の厚さが5〜35Åであることを特徴とする特許請求の範囲請求項4に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項６】
当該厚さが累積的である超格子構造は、合計厚さが20〜300Åであること、を特徴とする、特許請求の範囲請求項5に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項７】
当該単原子δδ-ドーピングキャリア供給層の濃度は、δ(n) =1x1011〜1x1013cm-2であることを特徴とする特許請求の範囲請求項1に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項８】
当該ゲートショットキーコンタクト層は、ノンドープのガリウム砒素(GaAs)であり、厚さが100Å〜1μ mであることを特徴とする特許請求の範囲請求項6に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項９】
当該ゲートショットキーコンタクト層は、ノンドープのガリウムインジウム燐(InxGa1-xP)であり、その中、xが0.48〜0.51で、厚さが100Å〜1μmであることを特徴とする特許請求の範囲請求項6に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項１０】
当該ドレーン/ソースオーミックコンタクト頂層は、ノンドープのガリウム砒素(GaAs)であり、厚さが100Å〜1μmであることを特徴とする特許請求の範囲請求項8、9に記載のいずれかの高電子移動度トランジスタ。
【請求項１１】
当該ドレーン/ソースオーミックコンタクト頂層は、n形ガリウム砒素(GaAs)であり、厚さが100Å〜1μmで、濃度範囲がn=1×1018〜1 ×1019cm-3のn形ドーピングであることを特徴とする特許請求の範囲請求項8、9に記載のいずれかの高電子移動度トランジスタ。
【請求項１２】
当該トランジスタ半導体エピタキシー構造は、有機金属気相成長法(MOCVD)や分子線エピタキシー成長法(MBE)により成長させることを特徴とする特許請求の範囲請求項1に記載の高電子移動度トランジスタ。
【請求項１３】
当該ゲート金属層は、金(Au)であり、厚さが100Å〜1μmであることを特徴とする特許請求の範囲請求項8、9に記載のいずれかの高電子移動度トランジスタ。
【請求項１４】
当該ドレーン/ソース金属層は、銀-金ゲルマニウム合金-ニッケル(Ag/AuGe/Ni)であり、合計厚さが200Å〜1μmであることを特徴とする特許請求の範囲請求項10、11に記載のいずれかの高電子移動度トランジスタ。
【請求項１５】
当該ドレーン/ソース金属層は、焼入加熱により、主チャンネル層とをオーミックコンタクトにし、加熱温度が300℃〜500℃であることを特徴とする特許請求の範囲請求項14に記載の高電子移動度トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧順応性のある多段階外因相互コンダクタンス増幅高電子移動度トランジスタに関し、特に、累積的な超格子構造を適用する電圧順応性のある多段階外因相互コンダクタンス増幅高電子移動度トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
化合物のガリウムインジウム砒素は、高い飽和速度や、低い有効電子質量及び、より大きいΓ−Ｌエネルギー帯幅等の本質的な特性を有する高速電子移動度材料であり、クリスタロイド系高電子移動度トランジスタ(High Electron Mobility Transistor、 HEMT)のチャンネル層材料として、広く適用され、また、δδ-ドーピング技術と不均質構造の設計を結合して、高い二次元の電子濃度と電子移動度との積である優れた駆動能力で、低いノイズや、高速かつ高いパワーをもつ光電集積回路技術を形成する重要な素子になる。
【０００３】
現在の技術からいうと、ガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素の不均質構造は、ガリウムアルミニウム砒素に、深いエネルギーレベル電子捕獲センター(DX center)が存在する問題を解決するが、格子構造のミスマッチにより、ガリウム砒素との不均質である接面に、不一致のアロステリック欠陥が形成され、応力と散乱効果を起こし、大幅に、キャリア伝達特性に影響を与え、素子の性能を低減させる。
【０００４】
また、従来の高電子移動度トランジスタは、回路に、一つの外因相互コンダクタンス増幅のワーキング・エリアしか提供できなくて、かつ、信号動作範囲が、素子のゲート電圧振幅(gate voltage swing)の範囲に制限され、特に、バイアス電圧点が変化することにより多段階外因相互コンダクタンス増幅の多選択ワーキング・エリアを生成できないので、多レベル量子化器やアナログ/デジタル変換器の回路用途に、適用できず、例えば、アナログ・デジタル変換器(ADC)と多様態量子化器(multi-state quantizer)等の高速ミックスドモード集積回路技術に適用できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、回路に、一つの外因相互コンダクタンス増幅のワーキング・エリアしか提供できなくて、また、信号動作範囲が素子のゲート電圧振幅(gate voltage swing)範囲によって制限されることを解決できる高い電子移動度トランジスタを提供する。
【０００６】
本発明の他の目的は、バイアス電圧点が変化することにより多段階外因相互コンダクタンス増幅の多選択ワーキング・エリアを生成できない問題を解決し、不均質接面のキャリア伝達特性と多段階外因相互コンダクタンス増幅性能とを、両立させる高電子移動度トランジスタ設計法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
半導体基板と、当該基板上に位置するバッファ層と、当該バッファ層上に位置する主チャンネル層と、当該主チャンネル層上に位置する、厚さが累積的である超格子構造である、障壁層及びサブチャンネル層と、当該厚さが累積的である超格子構造上に位置する単原子δδ-ドーピングキャリア供給層と、当該単原子δδ-ドーピングキャリア供給層上に位置するゲートショットキーコンタクト層と、当該ゲートショットキーコンタクト層上に位置するドレーン/ソースオーミックコンタクト層を有する高電子移動度トランジスタ構造とすることにより、バイアス電圧点が変化することにより多段階外因相互コンダクタンス増幅の多選択ワーキング・エリアを生成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図面を参照しながら、本発明の技術内容を詳しく説明する。
図１は、本発明の電圧順応性のある多段階外因相互コンダクタンス増幅高電子移動度トランジスタの断面概念図であり、基板10と、基板10上に位置するバッファ層20と、バッファ層20上に位置する主チャンネル層30と、主チャンネル層30上に位置する超格子構造40と、超格子構造40上に位置するキャリア供給層50及びゲートショットキーコンタクト層60と、頂部に位置するドレーン/ソースオーミックコンタクト層70とがある。
【０００９】
上記基板10は、半絶縁型のガリウム砒素からなり、基板10上に位置する半導体エピタキシー構造は、有機金属気相成長(MOCVD)や分子線エピタキシー成長法(MBE)技術により、作成され、バッファ層20は、厚さが0.1〜5.0μmであるノンドープ型のガリウム砒素からなり、主チャンネル層30は、厚さが60〜110Åのノンドープのガリウムインジウム砒素(InxGa1-xAs)からなり、その中、xが0〜0.3である。
【００１０】
上記超格子構造40は、合計厚さが20〜300Åである累積的なガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素からなり、ノンドープのガリウム砒素(GaAs)からなる障壁層41と、ノンドープのガリウムインジウム砒素(InxGa1-xAs)からなるサブチャンネル層42とがあり、その中、xが0〜0.3であり、また、当該障壁層41の厚さが10〜50Åで、当該サブチャンネル層42の厚さが5〜35Åである。
【００１１】
上記のキャリア供給層50は、二次元のδδ-ドーピングのガリウム砒素からなり、濃度がδ(n)=1x1011〜1x1013cm-2で、ゲートショットキーコンタクト層60は、厚さが100Å〜1μmのノンドープのガリウム砒素からなり、或いは厚さが100Å〜1μmのノンドープのガリウムインジウム燐(InxGa1-xP)からなり、その中、xが0.48〜0.51である。
【００１２】
上記ドレーン/ソースオーミックコンタクト層70は、厚さが100Å〜1μmのノンドープのガリウム砒素(GaAs)から、或いは、厚さが100Å〜1μmのn形ガリウム砒素(GaAs)からなり、その濃度範囲がn=1×1018〜1×1019cm-3であるn形ドーピングである。
【００１３】
このような構造を作成する時、まず、半絶縁型のガリウム砒素基板10を用意し、分子線エピタキシー成長(MBE)技術により、品質のよい、厚さが0.5μmであるノンドープ形ガリウム砒素のバッファ層20と、厚さが80Åであるノンドープのガリウムインジウム砒素(In0.24Ga0.76As)の主チャンネル層30とを、順に成長させ、次に、厚さが累積的であるガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素の超格子構造40(15Å  GaAs/20Å In0.28Ga0.72As/30Å GaAs/10Å  In0.28Ga0.72As/45Å GaAs)、を成長させ、障壁層41とサブチャンネル層42とし、また、濃度が5x1012cm-2である二次元のδδ-ドーピングのガリウム砒素層を再成長させて、キャリア供給層50とする。このドーピング技術は、ガリウム砒素のエピタキシー成長の時、ガリウムの成長源ゲートを閉じて、同時に、シリコンドーピング源(silane)を導入して、ヒ素成長源ゲートを開いて維持し、高いドーピング濃度の二次元のδδ-ドーピングガリウム砒素量子ウエル層が形成された後、続いて厚さが200Åであるノンドープのガリウム砒素ゲートショットキー(Schottky)コンタクト層60及び、厚さが100Åであるn形ドーピングガリウム砒素のドレーン/ソースオーミックコンタクト層70を成長させる。ここで、半絶縁型ガリウム砒素基板と他のエピタキシー層の成長温度は、それぞれ、600℃と625℃である。
【００１４】
素子の作成では、標準的なフォトリソグラフィー(Photolithography)とリフトオフ(Lift-Off)技術に加えて、真空蒸着の技術を組み合わせて、ノンドーピングのガリウム砒素の表面に、順に、銀-金ゲルマニウム合金-ニッケル(Ag/AuGe/Ni)を蒸着して、ドレーン/ソース(Drain/ Source)の金属とし、90 %の窒素ガスと10 %の水素ガスとのフォーミングガス(forming gas)を流しながら、300℃〜500℃までに焼入加熱して、ドレーン/ソースとチャンネル層のオーミックコンタクト層70とを導通し、続いて、フォトレジスト塗布、露光、現像後、エッチング液に浸漬して、ノンドーピングのガリウム砒素(undoped GaAs)バッファ層までエッチングして、障壁島の作成(Mesa Etching)を完成し、また、ノンドーピングのガリウム砒素ショットキー(Schottky)コンタクト層60に、金(Au)を蒸着して、ショットキーコンタクトゲート電極板とする。
【００１５】
当該ゲート電極層は、金(Au)であり、厚さが100Å〜1μmで、ドレーン/ソース電極層が、銀-金ゲルマニウム合金-ニッケル(Ag/AuGe/Ni)で、合計厚さが、200Å〜1μmである。
【００１６】
不均質接面におけるキャリア伝達特性の改善については、厚さが累積的であるガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素超格子障壁層構造を比較するため、同じエピタキシー環境において、本発明(構造A)のガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素超格子障壁層構造の代わりに、従来の単一ノンドーピングで、厚さが80Åであるガリウム砒素障壁層(構造B)を同時成長させて、ホール効果測定(Hall measurement)で、電子移動度と二次元の電子濃度等を測定した。
【００１７】
外部からの、磁界強度が5000Gauss、温度変化範囲が30K乃至300Kで、ホール効果測定を行い、試験結果は、温度30Kで、構造Aでは、測定した電子移動度が12600cm2/V-s、二次元の電子濃度が2.1x1012cm-2であり、構造Bでは、測定した電子移動度が6380cm2/V-s、二次元の電子濃度が1.8x1012cm-2であり、また、温度が300Kで、構造Aでは、測定した電子移動度が4250 cm2/V-s、二次元の電子濃度が2.8x1012cm-2であり、構造Bでは、測定した電子移動度が2930cm2/V-s、二次元の電子雲濃度が2.3x1012cm-2であった。試験から、構造A（即ち、本発明）の設計は、30K及び300Kにおいて、それぞれ、電子移動度を、２倍と、31 %増とに改善し、電子移動度と二次元の電子濃度との積は、構造Aでは、2.3倍(30K)と43%(300K)増とに改善されている。
【００１８】
また、従来の単一のノンドーピングのガリウム砒素障壁層とガリウムインジウム砒素チャンネル層との間に、不均質接面の格子ミスマッチが存在することにより、応力が生じ、これにより、伝達キャリアの伝達速度が、散乱(scattering)により、影響されるが、本発明においては、厚さが累積的である超格子構造により、ガリウム砒素ショットキーコンタクト層とガリウムインジウム砒素チャンネル層との間にある格子応力を、少しずつ緩和させて、散乱の影響を低減し、これにより、不均質接面を改善して、電子移動度を向上させている。
【００１９】
また、構造A（本発明）の累積的なガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素超格子障壁層は、合計厚さが120Åであり、構造B（従来技術）のガリウム砒素障壁層は、厚さが80Åであり、理論上、構造Aでは、比較的小さいゲート変調(gate modulation)能力を持つが、厚さが累積的である超格子障壁層により、不均質接面の品質を改善したため、比較的優れた素子特性が得られる。トランジスタゲートのサイズが1.5x200μm2で、室温下において、構造AとBの素子での閾値電圧が、それぞれ、−2.2Vと−1.6Vであり、本発明の構造が、より広いゲート電圧振幅(gate voltage swing)の範囲を持つことを示している。
【００２０】
図２は、本発明にかかるトランジスタの室温下での電流電圧出力特性曲線である。トランジスタゲートのサイズが1.5x200μm2で、ドレーン/ソースの間隔が10μmで、ゲートソースバイアス電圧が、0Vから、0.5Vの等間隔で、-2Vまで下がり、低いドレーン/ソースバイアス電圧下、ドレーンの電流は、外因バイアス電圧の増加にしたがって、飽和電流値まで増加するが、外因バイアス電圧が、高い電界強度まで増加すると、ドレーン/ソースの飽和電流には、ステップアップ(step-up)増加現象が起こる。また、この外因ドレーン/ソースバイアス電圧の始点が、ゲートソースのバイアス電圧の低下にしたがって、低くなるのは、チャンネル内ある有効電界強度の影響のためである。
【００２１】
図３ａ、３ｂは、このドレーン/ソース飽和電流のステップアップ(step-up)増加現象を説明するための導電エネルギー帯概念図であり、図３ａのように、トランジスタは、低いドレーン/ソースバイアス電圧下、ガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素超格子構造において、量子ウエル幅が、Debye長の長さより小さいし、量子ウエルにおいて、サブエネルギーレベル(subband)の高さが、遥かに、ガリウムインジウム砒素主チャンネル層のフェルミエネルギーレベル(Fermi level)の高さより高いため、電子を収納できないため、伝達電子は、完全に、主チャンネル層内に制限されていて、平行導通現象が起こらない。外因ドレーン/ソースバイアス電圧が増加すると、図３ｂのように、高いチャンネル電界強度は、ガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素量子ウエル超格子導電帯の不連続に起因する障壁層を形成するため、エネルギー障壁低下(energy barrier-lowering)現象が起こり、伝達キャリアを、低いインジウム成分の主チャンネル層から実空間伝送(real-space transfer)機構を介して、高いインジウム成分へ移動させ、比較的に高速であるサブチャンネル層では、平行伝達が起こる。この時、等価集中定数であるドレーン/ソース飽和電流は、ステップアップに伴って増加して、図２のような出力特性曲線を形成する。実空間伝送機構において、In0.24Ga0.76As/GaAsとIn0.28Ga0.72As/GaAsとの導電帯不連続差異が、それぞれ、0.2eVと0.23eVで、In0.24Ga0.76Asの主チャンネル層のΓ−Ｌエネルギー帯差異が、導電帯不連続差異より高いエネルギーの約0.52eVであるため、実空間伝送は、Γ−Ｌエネルギー帯間伝送と比して、比較的低い励起閾値電界(threshold field)を有し、理論上では、実空間伝送が、確実に、本設計にかかる電流ステップアップ増加現象の主な機構であることを証明している。
【００２２】
図４は、室温下でのトランジスタの出力特性曲線の外因相互コンダクタンス(extrinsic transconductance)パラメータ曲線図である。図から分かるように、本発明によるトランジスタは、電圧順応性のある多段階外因相互コンダクタンス増幅平坦區域を有し、異なるバイアス電圧下においては、単一素子が、多段階増幅選択可の素子特性を提供でき、外因3Vドレーン/ソースバイアス電圧下においては、ゲートソース入力信号直流電圧レベルが、0V、-0.5V及び−1.0Vである時、それに対して、トランジスタは、それぞれに、92mS/mm、72mS/mm及び8.5mS/mmの外因相互コンダクタンス増幅を提供でき、また、トランジスタが、共通ゲート回路様態でワーキングする場合は、ドレーンバイアス電圧が、それぞれ、1.5V、3.0V及び4.5Vで、ゲートが接地する時、それぞれに対する、外因相互コンダクタンス値が、51mS/mm、8.5mS/mm及び63mS/mmである。分區毎に増幅する中、その信号振幅は、1.5Vの平坦なかつ広いワーキング範囲を達成できる。この平坦な電圧順応性のある多段階外因相互コンダクタンスワーキング・エリアと、高い認識率の増幅率は、そのまま、アナログ・デジタル変換器や多様態量子化器等のミックスドモード集積回路に応用できる。
【００２３】
上記の構造及び試験によれば、本発明によるトランジスタは、大幅に、従来の高電子移動度トランジスタの課題を解決できることだけでなく、それに加えて、次の特徴がある。
【００２４】
1.厚さが累積的であるガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素量子ウエル超格子構造が、クリスタロイド系δδ-ドーピング高電子移動度トランジスタの障壁層とサブチャンネル層とに応用されることは、累積的な超格子の厚さや組成を変化させることにより、バッファ不均質接面の格子ミスマッチに起因する応力や散乱効果を緩和でき、大幅に、不均質接面のキャリア伝達特性を改善できる。
【００２５】
2.累積的なガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素量子ウエル超格子構造の厚さと量子ウエル導電帯不連続とに起因する障壁エネルギーレベルの設計により、素子は、高チャンネル電界強度バイアス電圧下で、伝達キャリアを、低いインジウム成分の主チャンネル層から実空間伝送(real-space transfer)機構を介して、高いインジウム成分へ移動させ、比較的に高速であるサブチャンネル層では、平行伝達になる。これにより、等価集中定数であるドレーン/ソース飽和電流のステップアップ増加と、電圧順応性のある多段階外因相互コンダクタンス(extrinsic transconductance)増幅の優れた特性が得られる。
【００２６】
3.ガリウムインジウム砒素/ガリウム砒素超格子構造の障壁層とガリウムインジウム砒素チャンネル層の統合設計により、高電子移動度トランジスタには、より強い電流駆動能力や、より広いゲート電圧振幅(gate voltage swing)ワーキング・エリア、及びより広い入力信号増幅範囲が、与えられる。
【００２７】
上記の説明は、ただ、本発明のよりよい実施例であり、本発明の実施範囲は、それによって、制限されない。また、本発明の精神に基づく、当業者による色々な等価変化や修正は、本発明の特許の請求範囲内に含まれている。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の断面概念図
【図２】本発明によるトランジスタの室温下での電流電圧出力特性曲線
【図３ａ】低いチャンネル電界強度下で、本発明の素子の導電エネルギー帯概念図
【図３ｂ】高いチャンネル電界強度下で、本発明の素子の導電エネルギー帯概念図
【図４】本発明の室温下での外因相互コンダクタンス増幅パラメータと素子ワーキングバイアス圧特性曲線
【符号の説明】
【００２９】
基板．．．．．．．10
バッファ層．．．．．．20
主チャンネル層．．．．．30
超格子構造．．．．40
障壁層．．．．．．41
サブチャンネル層．．．．．42
キャリア供給層．．．．50
ゲートショットキーコンタクト層．．．60
ドレーン/ソースオーミックコンタクト層．．．．70
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
2004327959.tif 000005
【図３ｂ】
2004327959.tif 000006
【図４】
2004327959.tif 000007