(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャネル層の上に形成されたゲート電極と、
前記チャネル層の下に形成されており、伝導帯のエネルギー準位が前記チャネル層よりも高いバリア層と、
前記バリア層の下に形成されているサブチャネル層とを備えた半導体装置であって、
前記サブチャネル層は、
伝導帯のエネルギー準位が前記チャネル層よりも高く且つ前記バリア層よりも低い上部サブチャネル層と、
前記上部サブチャネル層の下に形成されており、伝導帯のエネルギー準位が前記上部サブチャネル層よりも高く且つ前記バリア層よりも低い下部サブチャネル層とを有し、
前記上部サブチャネル層の不純物濃度が前記下部サブチャネル層の不純物濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記上部サブチャネル層と前記下部サブチャネル層との間に、伝導帯のエネルギー準位が前記下部サブチャネル層よりも高い他のバリア層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
チャネル層の上に形成されたゲート電極と、
前記チャネル層の下に形成されており、伝導帯のエネルギー準位が前記チャネル層よりも高いバリア層と、
前記バリア層の下に形成されており、伝導帯のエネルギー準位が前記チャネル層よりも高く且つ前記バリア層よりも低い範囲内で深さ方向に増加するサブチャネル層とを備え、
前記サブチャネル層は、
伝導帯のエネルギー準位が前記チャネル層よりも高く且つ前記バリア層よりも低い上部サブチャネル層と、
前記上部サブチャネル層の下に形成されており、不純物濃度が深さ方向に減少することにより伝導帯のエネルギー準位が前記上部サブチャネル層と同等以上で且つ前記バリア層よりも低い範囲内で深さ方向に増加する下部サブチャネル層とを有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
チャネル層の上に形成されたゲート電極と、
前記チャネル層の下に形成されており、伝導帯のエネルギー準位が前記チャネル層よりも高いバリア層と、
前記バリア層の下に形成されており、伝導帯のエネルギー準位が前記チャネル層よりも高く且つ前記バリア層よりも低い範囲内で深さ方向に増加するサブチャネル層とを備え、
前記サブチャネル層における不純物濃度は深さ方向に減少しており、それによって、前記サブチャネル層における伝導帯のエネルギー準位は、前記チャネル層よりも高く且つ前記バリア層よりも低い範囲内で深さ方向に増加することを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記チャネル層はＩｎx Ｇａ(1-x) Ａｓ（但し０．４≦ｘ≦１）よりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記サブチャネル層はＩｎＰよりなることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記上部サブチャネル層と前記下部サブチャネル層とは接しており、
前記上部サブチャネル層と前記下部サブチャネル層との界面において、前記下部サブチャネル層の伝導帯のエネルギー準位は、前記上部サブチャネル層の伝導帯のエネルギー準位に比べてステップ状に高くなっていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記下部サブチャネル層における不純物濃度が前記深さ方向に連続的に減少することにより、前記下部サブチャネル層における伝導帯のエネルギー準位が前記上部サブチャネル層と同等以上で且つ前記バリア層よりも低い範囲内で前記深さ方向に連続的に増加することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記サブチャネル層における不純物濃度が前記深さ方向に連続的に減少することにより、前記サブチャネル層における伝導帯のエネルギー準位が前記チャネル層よりも高く且つ前記バリア層よりも低い範囲内で前記深さ方向に連続的に増加することを特徴とする請求項４に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、LMDS（Local Multipoint Distribution System）又はFWA （Fixed Wireless Access ）等に代表されるミリ波通信やインフラ系光通信のための機器に使用される超高速の電界効果型トランジスタにおいて、その耐圧を向上させる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年のミリ波用電子デバイスに対しては、２６GHz 又は６０GHz という極めて高い周波数の信号を増幅や変復調できる特性が要望されている。そのため、ミリ波用電子デバイスには、キャリア移動度の高い化合物半導体を用いた電界効果型トランジスタが使用されている。このようなトランジスタにおいては、ゲート長は０．２５μｍ以下と極めて微細である。例えば Alpha社、TriQuint社及び Ratheon社から、ゲート長が０．２μｍのｐ型HEMT（High Electron Mobility Transistor ）を用いたミリ波用MMIC（Monolithic Microwave Integrated Circuits）が報告されているが（1999 IEEE GaAs IC Symposium Technical Digests ）、このHEMTの最大発振周波数（fmax）は１００GHz にも達している。
【０００３】
また、超高速電界効果型トランジスタの基板材料として、従来のGaAsに代えてInP を用いることにより、チャネル層を構成するInGaAsにおけるIn組成比（InxGa(1-x)As（但し０≦ｘ≦１）と表記したときのｘの値）を、基板に対する格子整合性を保つために従来の０．２から０．５まで増加させ、それにより一層の高速化が実現されようとしている。
【０００４】
しかしながら、ゲート長を微細化すると共にIn組成比の高いInGaAsをチャネル層に利用した場合、通常は飽和特性を示すＩds（ドレイン電流）ーＶds（ドレイン電圧）特性において、ドレイン電圧がある大きさ以上になるとドレイン電流が急激に上昇するという現象が観測される。この原因は、ゲート電極周辺においてチャネル層を走行する電子の速度が極めて高くなるため、イオン化衝突（電界によって加速されたキャリアが結晶格子と衝突して電子・正孔対を形成すること）により発生した正孔がチャネル層に蓄積し、その結果、プラスのゲートバイアスが印加されたときと等価な状態になるためである。
【０００５】
前述の課題を解決するために、サブチャネル構造（又はコンポジットチャネル構造）を有する電界効果型トランジスタが提案されている。
【０００６】
図４（ａ）は、従来の半導体装置、具体的にはサブチャネル構造を有する従来の電界効果型トランジスタの断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるＤ−Ｄ’線に沿ったエネルギーバンド図（ゲート電極直下のエネルギーバンド図）である。
【０００７】
図４（ａ）に示すように、化合物半導体基板４０１の上に、バッファー層４０２、InAlAsよりなるバリア層４０３、ｎ型InP よりなるサブチャネル層４０４、アンドープのInP よりなるチャネル間バリア層４０５、InGaAsよりなるチャネル層４０６、InAlAsよりなるショットキー層４０７、及びInGaAsよりなるオーミックコンタクト層４０８が順次形成されている。ショットキー層４０７には部分的に不純物がドープされている。オーミックコンタクト層４０８には、ショットキー層４０７の所定領域を露出させる凹部４０８ａが形成されており、凹部４０８ａに、ショットキー層４０７と接続するゲート電極４０９が形成されている。オーミックコンタクト層４０８におけるゲート電極４０９の両側の上に、ソース電極又はドレイン電極となるオーミック電極４１０が形成されている。
【０００８】
また、図４（ｂ）に示すように、チャネル間バリア層４０５における伝導帯のエネルギー準位はチャネル層４０６よりも高いと共に、サブチャネル層４０４における伝導帯のエネルギー準位はチャネル層４０６よりも高く且つチャネル間バリア層４０５よりも低い。
【０００９】
従って、図４（ａ）に示す電界効果型トランジスタにおいては、チャネル層４０６中で加速されて熱くなった電子は、サブチャネル層４０４中を走行するようになる。その結果、チャネル層４０６中でのイオン化衝突を防ぐことができ、それによって電界効果型トランジスタの耐圧を向上させることができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体装置においては、サブチャネル層４０４中で加速されて熱くなった電子のイオン化衝突を抑制することができないので、耐圧低下を確実に防止することができないという問題がある。この問題は、In組成比が０．４以上のInGaAsをチャネル層に利用した場合に顕著に見られる。
【００１１】
前記に鑑み、本発明は、超高速電界効果型トランジスタの耐圧を確実に向上させることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明に係る半導体装置は、チャネル層の上に形成されたゲート電極と、チャネル層の下に形成されており、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層よりも高いバリア層と、バリア層の下に形成されており、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層よりも高く且つバリア層よりも低い範囲内で深さ方向に増加するサブチャネル層とを備えている。
【００１３】
本発明の半導体装置によると、ゲート電極が形成されるチャネル層の下に、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層よりも高いバリア層を介して、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層よりも高く且つバリア層よりも低い範囲内で深さ方向に増加するサブチャネル層が形成されている。このため、チャネル層で加速されて熱くなった電子は、サブチャネル層中を走行するようになるので、チャネル層中でのイオン化衝突を防ぐことができる。また、サブチャネル層における伝導帯のエネルギー準位が相対的に低い領域で加速されて熱くなった電子は、サブチャネル層における伝導帯のエネルギー準位が相対的に高い領域中を走行するようになるので、サブチャネル層中でのイオン化衝突を防ぐことができる。従って、チャネル層及びサブチャネル層のそれぞれにおいて、イオン化衝突に起因する正孔の蓄積を抑制でき、それによって耐圧を向上させることができる。
【００１４】
本発明の半導体装置において、サブチャネル層は、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層よりも高く且つバリア層よりも低い上部サブチャネル層と、上部サブチャネル層の下に形成されており、伝導帯のエネルギー準位が上部サブチャネル層よりも高く且つバリア層よりも低い下部サブチャネル層とを有することが好ましい。
【００１５】
このようにすると、チャネル層で加速されて熱くなった電子が、まず、上部サブチャネル層中を走行するようになり、次に、上部サブチャネル層で加速されて熱くなった電子が、下部サブチャネル層中を走行するようになる。その結果、チャネル層及びサブチャネル層のそれぞれにおいてイオン化衝突を確実に防止でき、それによって耐圧を確実に向上させることができる。
【００１６】
また、この場合、上部サブチャネル層と下部サブチャネル層との間に、伝導帯のエネルギー準位が下部サブチャネル層よりも高い他のバリア層が形成されていることが好ましい。
【００１７】
このようにすると、チャネル層で加速されて熱くなった電子を、ゲート電極により近い上部サブチャネル層に蓄積することができるので、高い相互コンダクタンスを実現できる。
【００１８】
本発明の半導体装置において、サブチャネル層は、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層よりも高く且つバリア層よりも低い上部サブチャネル層と、上部サブチャネル層の下に形成されており、不純物濃度が深さ方向に連続的に減少することにより伝導帯のエネルギー準位が上部サブチャネル層と同等以上で且つバリア層よりも低い範囲内で深さ方向に連続的に増加する下部サブチャネル層とを有することが好ましい。
【００１９】
このようにすると、チャネル層で加速されて熱くなった電子が、まず、上部サブチャネル層中を走行するようになり、次に、上部サブチャネル層で加速されて熱くなった電子が、下部サブチャネル層中を走行するようになる。その結果、チャネル層及びサブチャネル層のそれぞれにおいてイオン化衝突を確実に防止でき、それによって耐圧を確実に向上させることができる。また、下部サブチャネル層における伝導帯のエネルギー準位が深さ方向に連続的に増加するため、下部サブチャネル層中で加速されて熱くなった電子は、その加速の程度に応じて、伝導帯のエネルギー準位がより高い領域中へ連続的に移行することができる。従って、下部サブチャネル層中でのイオン化衝突をより確実に防ぐことができるので、耐圧をより一層向上させることができる。さらに、チャネル層で加速されて熱くなった電子を、ゲート電極により近い上部サブチャネル層、及び下部サブチャネル層における上部サブチャネル層との界面近傍に蓄積することができるので、高い相互コンダクタンスを実現できる。
【００２０】
本発明の半導体装置において、サブチャネル層における不純物濃度は深さ方向に連続的に減少しており、それによって、サブチャネル層における伝導帯のエネルギー準位は、チャネル層よりも高く且つバリア層よりも低い範囲内で深さ方向に連続的に増加することが好ましい。
【００２１】
このようにすると、サブチャネル層における伝導帯のエネルギー準位が深さ方向に連続的に増加するため、サブチャネル層中で加速されて熱くなった電子は、その加速の程度に応じて、伝導帯のエネルギー準位がより高い領域中へ連続的に移行することができる。従って、サブチャネル層中でのイオン化衝突をより確実に防ぐことができるので、耐圧をより一層向上させることができる。また、チャネル層で加速された高エネルギーの電子が、サブチャネル層におけるバリア層との界面近傍に局在するので、言い換えると、サブチャネル層におけるポテンシャル井戸の幅が狭くなるので、相互コンダクタンスを極めて高く保つことができる。
【００２２】
本発明の半導体装置において、チャネル層はＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ（但し０．４≦ｘ≦１）よりなることが好ましい。
【００２３】
このようにすると、半導体装置、具体的には電界効果型トランジスタを確実に高速化できる。また、この場合、本発明の耐圧向上効果が従来の半導体装置と比べて顕著に得られる。
【００２４】
本発明の半導体装置において、サブチャネル層は例えばＩｎＰよりなることが好ましい。
【００２５】
このようにすると、サブチャネル層において所望のエネルギーバンド構造を簡単に実現できる。また、基板材料としてＩｎＰを用いる場合においてサブチャネル層の材料としてＩｎＰを用いると、基板に対する格子整合性を向上させることもできる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置、具体的には電界効果型トランジスタについて図面を参照しながら説明する。
【００２７】
図１（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ’線に沿ったエネルギーバンド図（ゲート電極直下のエネルギーバンド図）である。
【００２８】
図１（ａ）に示すように、例えばGaAs又はInP 等の化合物半導体よりなる高速デバイス用の基板１０１の上に、バッファー層１０２、例えばInAlAsよりなるバリア層１０３、例えばｎ型InP よりなる下部サブチャネル層１０４、例えばアンドープのInP よりなるサブチャネル間バリア層１０５、例えばｎ型InP よりなる上部サブチャネル層１０６、例えばアンドープのInP よりなるチャネル間バリア層１０７、例えばInGaAsよりなり且つキャリアが走行するチャネル層１０８、例えばInAlAs又はInGaP 等よりなり且つキャリア供給のための不純物が部分的にドープされたショットキー層１０９、及び、例えばGaAs又はInGaAs等よりなり且つ不純物が高濃度にドープされたオーミックコンタクト層１１０が順次形成されている。上部サブチャネル層１０６における不純物濃度は、下部サブチャネル層１０４における不純物濃度と比べて高い。オーミックコンタクト層１１０には、ショットキー層１０９の所定領域を露出させる凹部１１０ａが形成されており、凹部１１０ａに、ショットキー層１０９と接続するゲート電極１１１が形成されている。ゲート電極１１１はショットキー電極であり、その材料としては、Ti/Al 積層構造、Ti/Pt/Au積層構造又はWSi 等が使用される。オーミックコンタクト層１１０におけるゲート電極１１１の両側の上に、ソース電極又はドレイン電極となるオーミック電極１１２が形成されている。オーミック電極１１２の材料としては、オーミックコンタクト層１１０がGaAsよりなる場合にはAuGe合金等が使用され、オーミックコンタクト層１１０がInGaAsよりなる場合にはWSi 又はTi/Pt/Au積層構造等が使用される。
【００２９】
また、図１（ｂ）に示すように、チャネル間バリア層１０７における伝導帯のエネルギー準位はチャネル層１０８よりも高いと共に、上部サブチャネル層１０６における伝導帯のエネルギー準位はチャネル層１０８よりも高く且つチャネル間バリア層１０７よりも低い。また、下部サブチャネル層１０４における伝導帯のエネルギー準位は上部サブチャネル層１０６よりも高く且つチャネル間バリア層１０７よりも低い。尚、上部サブチャネル層１０６と下部サブチャネル層１０４との間に設けられているサブチャネル間バリア層１０５における伝導帯のエネルギー準位は、少なくとも下部サブチャネル層１０４よりも高い。
【００３０】
第１の実施形態によると、ゲート電極１１１が形成されるチャネル層１０８の下に、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層１０８よりも高いチャネル間バリア層１０７を介して、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層１０８よりも高く且つチャネル間バリア層１０７よりも低い上部サブチャネル層１０６と、伝導帯のエネルギー準位が上部サブチャネル層１０６よりも高く且つチャネル間バリア層１０７よりも低い下部サブチャネル層１０４とが形成されている。このため、チャネル層１０８で加速されて熱くなった電子が、まず、上部サブチャネル層１０６中を走行するようになり、次に、上部サブチャネル層１０６で加速されて熱くなった電子が、下部サブチャネル層１０８中を走行するようになる。その結果、チャネル層１０８中でのイオン化衝突を防ぐことができると共に、上部サブチャネル層１０６と下部サブチャネル層１０４とから構成されるサブチャネル層中でもイオン化衝突を防ぐことができる。従って、チャネル層１０８及びサブチャネル層のそれぞれにおいて、イオン化衝突に起因する正孔の蓄積を抑制でき、それによって耐圧を向上させることができる。
【００３１】
また、第１の実施形態によると、上部サブチャネル層１０６と下部サブチャネル層１０４との間に、伝導帯のエネルギー準位が下部サブチャネル層１０４よりも高いサブチャネル間バリア層１０５が形成されている。このため、チャネル層１０８で加速されて熱くなった電子を、ゲート電極１１１により近い上部サブチャネル層１０６に蓄積することができるので、高い相互コンダクタンスを実現できる。
【００３２】
尚、第１の実施形態において、サブチャネル層の構造を、下部サブチャネル層１０４と上部サブチャネル層１０６とを有する２層構造としたが、これに代えて、サブチャネル層を３層以上で構成してもよい。この場合、各層における伝導帯のエネルギー準位は、各層の深さに応じて増加することが好ましい。例えば、下部サブチャネル層１０４の下側に、伝導帯のエネルギー準位が下部サブチャネル層１０４よりも高く且つチャネル間バリア層１０７よりも低い別のサブチャネル層を設けてもよい。
【００３３】
また、第１の実施形態において、下部サブチャネル層１０４と上部サブチャネル層１０６との間にサブチャネル間バリア層１０５を設けたが、これに代えて、サブチャネル間バリア層１０５を設けなくてもよい。
【００３４】
また、第１の実施形態において、チャネル層１０８の材料としてInGaAsを用いたが、これに代えて、GaAs等を用いてもよい。但し、基板材料としてInP を用いる場合、InxGa(1-x)As（但し０．４≦ｘ≦１）を用いると、半導体装置、具体的には電界効果型トランジスタを確実に高速化できる。また、この場合、本実施形態の耐圧向上効果が従来の半導体装置と比べて顕著に得られる。
【００３５】
また、第１の実施形態において、下部サブチャネル層１０４又は上部サブチャネル層１０６の材料としてｎ型InP を用いたが、これに代えて、ｎ型InGaP 又はｎ型InGaAsP 等を用いてもよい。但し、チャネル層材料としてInGaAsを用いる場合、下部サブチャネル層１０４と上部サブチャネル層１０６とから構成されるサブチャネル層の材料として例えばInP を用いると、所望のエネルギーバンド構造を簡単に実現できる。また、基板材料としてInP を用いる場合においてサブチャネル層の材料としてInP を用いると、基板に対する格子整合性を向上させることもできる。
【００３６】
また、第１の実施形態において、チャネル間バリア層１０７又はサブチャネル間バリア層１０５の材料としてアンドープのInP を用いたが、これに代えて、アンドープのInGaAsP 等を用いてもよい。
【００３７】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置、具体的には電界効果型トランジスタについて図面を参照しながら説明する。
【００３８】
図２（ａ）は、第２の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるＢ−Ｂ’線に沿ったエネルギーバンド図（ゲート電極直下のエネルギーバンド図）である。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、例えばGaAs又はInP 等の化合物半導体よりなる高速デバイス用の基板２０１の上に、バッファー層２０２、例えばInAlAsよりなるバリア層２０３、例えばｎ型InP よりなり且つ不純物濃度が深さ方向にグレーディッドに（連続的に）減少する下部サブチャネル層２０４、例えばｎ型InP よりなる上部サブチャネル層２０５、例えばアンドープのInP よりなるチャネル間バリア層２０６、例えばInGaAsよりなり且つキャリアが走行するチャネル層２０７、例えばInAlAs又はInGaP 等よりなり且つキャリア供給のための不純物が部分的にドープされたショットキー層２０８、及び、例えばGaAs又はInGaAs等よりなり且つ不純物が高濃度にドープされたオーミックコンタクト層２０９が順次形成されている。オーミックコンタクト層２０９には、ショットキー層２０８の所定領域を露出させる凹部２０９ａが形成されており、凹部２０９ａに、ショットキー層２０８と接続するゲート電極２１０が形成されている。ゲート電極２１０はショットキー電極であり、その材料としては、Ti/Al 積層構造、Ti/Pt/Au積層構造又はWSi 等が使用される。オーミックコンタクト層２０９におけるゲート電極２１０の両側の上に、ソース電極又はドレイン電極となるオーミック電極２１１が形成されている。オーミック電極２１１の材料としては、オーミックコンタクト層２０９がGaAsよりなる場合にはAuGe合金等が使用され、オーミックコンタクト層２０９がInGaAsよりなる場合にはWSi 又はTi/Pt/Au積層構造等が使用される。
【００４０】
また、図２（ｂ）に示すように、チャネル間バリア層２０６における伝導帯のエネルギー準位はチャネル層２０７よりも高いと共に、上部サブチャネル層２０５における伝導帯のエネルギー準位はチャネル層２０７よりも高く且つチャネル間バリア層２０６よりも低い。また、下部サブチャネル層２０４における伝導帯のエネルギー準位は、下部サブチャネル層２０４の不純物濃度が深さ方向に連続的に減少することによって、上部サブチャネル層２０５と同等以上で且つチャネル間バリア層２０６よりも低い範囲内で深さ方向に連続的に増加する。また、上部サブチャネル層２０５と下部サブチャネル層２０４との間で伝導帯のエネルギー準位は連続的に変化する。
【００４１】
第２の実施形態によると、ゲート電極２１０が形成されるチャネル層２０７の下に、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層２０７よりも高いチャネル間バリア層２０６を介して、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層２０７よりも高く且つチャネル間バリア層２０６よりも低い上部サブチャネル層２０５と、伝導帯のエネルギー準位が上部サブチャネル層２０５と同等以上で且つチャネル間バリア層２０６よりも低い範囲内で深さ方向に連続的に増加する下部サブチャネル層２０４とが形成されている。このため、チャネル層２０７で加速されて熱くなった電子が、まず、上部サブチャネル層２０５中を走行するようになり、次に、上部サブチャネル層２０５で加速されて熱くなった電子が、下部サブチャネル層２０４中を走行するようになる。その結果、チャネル層２０７中でのイオン化衝突を防ぐことができると共に、上部サブチャネル層２０５と下部サブチャネル層２０４とから構成されるサブチャネル層中でもイオン化衝突を防ぐことができる。従って、チャネル層２０７及びサブチャネル層のそれぞれにおいて、イオン化衝突に起因する正孔の蓄積を抑制でき、それによって耐圧を向上させることができる。
【００４２】
また、第２の実施形態によると、下部サブチャネル層２０４における伝導帯のエネルギー準位が深さ方向に連続的に増加するため、下部サブチャネル層２０４中で加速されて熱くなった電子は、その加速の程度に応じて、伝導帯のエネルギー準位がより高い領域中へ連続的に移行することができる。従って、下部サブチャネル層２０４中でのイオン化衝突をより確実に防ぐことができるので、耐圧をより一層向上させることができる。
【００４３】
また、第２の実施形態によると、チャネル層２０７で加速されて熱くなった電子を、ゲート電極２１０により近い上部サブチャネル層２０５、及び下部サブチャネル層２０４における上部サブチャネル層２０５との界面近傍に蓄積することができるので、高い相互コンダクタンスを実現できる。
【００４４】
尚、第２の実施形態において、下部サブチャネル層２０４と上部サブチャネル層２０５との間で伝導帯のエネルギー準位を連続的に変化させたが、これに代えて、下部サブチャネル層２０４と上部サブチャネル層２０５との間で伝導帯のエネルギー準位を不連続的に変化させてもよい。例えば下部サブチャネル層２０４と上部サブチャネル層２０５との間に、伝導帯のエネルギー準位が少なくとも下部サブチャネル層２０４よりも高いサブチャネル間バリア層を設けてもよい。
【００４５】
また、第２の実施形態において、チャネル層２０７の材料としてInGaAsを用いたが、これに代えて、GaAs等を用いてもよい。但し、基板材料としてInP を用いる場合、チャネル層２０７の材料としてInxGa(1-x)As（但し０．４≦ｘ≦１）を用いると、半導体装置、具体的には電界効果型トランジスタを確実に高速化できる。また、この場合、本実施形態の耐圧向上効果が従来の半導体装置と比べて顕著に得られる。
【００４６】
また、第２の実施形態において、下部サブチャネル層２０４又は上部サブチャネル層２０５の材料としてｎ型InP を用いたが、これに代えて、ｎ型InGaP 又はｎ型InGaAsP 等を用いてもよい。但し、チャネル層２０７の材料としてInGaAsを用いる場合、下部サブチャネル層２０４と上部サブチャネル層２０５とから構成されるサブチャネル層の材料として例えばInP を用いると、所望のエネルギーバンド構造を簡単に実現できる。また、基板材料としてInP を用いる場合においてサブチャネル層の材料としてInP を用いると、基板に対する格子整合性を向上させることもできる。
【００４７】
また、第２の実施形態において、チャネル間バリア層２０７の材料としてアンドープのInP を用いたが、これに代えて、アンドープのInGaAsP 等を用いてもよい。
【００４８】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置、具体的には電界効果型トランジスタについて図面を参照しながら説明する。
【００４９】
図３（ａ）は、第３の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）におけるＣ−Ｃ’線に沿ったエネルギーバンド図（ゲート電極直下のエネルギーバンド図）である。
【００５０】
図３（ａ）に示すように、例えばGaAs又はInP 等の化合物半導体よりなる高速デバイス用の基板３０１の上に、バッファー層３０２、例えばInAlAsよりなるバリア層３０３、例えばｎ型InP よりなり且つ不純物濃度が深さ方向にグレーディッドに（連続的に）減少するサブチャネル層３０４、例えばアンドープのInP よりなるチャネル間バリア層３０５、例えばInGaAsよりなり且つキャリアが走行するチャネル層３０６、例えばInAlAs又はInGaP 等よりなり且つキャリア供給のための不純物が部分的にドープされたショットキー層３０７、及び、例えばGaAs又はInGaAs等よりなり且つ不純物が高濃度にドープされたオーミックコンタクト層３０８が順次形成されている。オーミックコンタクト層３０８には、ショットキー層３０７の所定領域を露出させる凹部３０８ａが形成されており、凹部３０８ａに、ショットキー層３０７と接続するゲート電極３０９が形成されている。ゲート電極３０９はショットキー電極であり、その材料としては、Ti/Al 積層構造、Ti/Pt/Au積層構造又はWSi 等が使用される。オーミックコンタクト層３０８におけるゲート電極３０９の両側の上に、ソース電極又はドレイン電極となるオーミック電極３１０が形成されている。オーミック電極３１０の材料としては、オーミックコンタクト層３０８がGaAsよりなる場合にはAuGe合金等が使用され、オーミックコンタクト層３０８がInGaAsよりなる場合にはWSi 又はTi/Pt/Au積層構造等が使用される。
【００５１】
また、図３（ｂ）に示すように、チャネル間バリア層３０５における伝導帯のエネルギー準位はチャネル層３０６よりも高いと共に、サブチャネル層３０４における伝導帯のエネルギー準位は、サブチャネル層３０４の不純物濃度が深さ方向に連続的に減少することによって、チャネル層３０６よりも高く且つチャネル間バリア層３０５よりも低い範囲内で深さ方向に連続的に増加する。
【００５２】
第３の実施形態によると、ゲート電極３０９が形成されるチャネル層３０６の下に、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層３０６よりも高いチャネル間バリア層３０５を介して、伝導帯のエネルギー準位がチャネル層３０６よりも高く且つチャネル間バリア層３０５よりも低い範囲内で深さ方向に連続的に増加するサブチャネル層３０４が形成されている。このため、チャネル層３０６で加速されて熱くなった電子は、サブチャネル層３０４中を走行するようになるので、チャネル層３０６中でのイオン化衝突を防ぐことができる。また、サブチャネル層３０４における伝導帯のエネルギー準位が相対的に低い領域で加速されて熱くなった電子は、サブチャネル層３０４における伝導帯のエネルギー準位が相対的に高い領域中を走行するようになるので、サブチャネル層３０４中でのイオン化衝突を防ぐことができる。従って、チャネル層３０６及びサブチャネル層３０４のそれぞれにおいて、イオン化衝突に起因する正孔の蓄積を抑制でき、それによって耐圧を向上させることができる。
【００５３】
また、第３の実施形態によると、サブチャネル層３０４における伝導帯のエネルギー準位が深さ方向に連続的に増加するため、サブチャネル層３０４中で加速されて熱くなった電子は、その加速の程度に応じて、伝導帯のエネルギー準位がより高い領域中へ連続的に移行することができる。従って、サブチャネル層３０４中でのイオン化衝突をより確実に防ぐことができるので、耐圧をより一層向上させることができる。
【００５４】
また、第３の実施形態によると、チャネル層３０６で加速された高エネルギーの電子が、サブチャネル層３０４におけるチャネル間バリア層３０５との界面近傍に局在するので、言い換えると、サブチャネル層３０４におけるポテンシャル井戸の幅が狭くなるので、相互コンダクタンスを極めて高く保つことができる。
【００５５】
尚、第３の実施形態において、チャネル層３０６の材料としてInGaAsを用いたが、これに代えて、GaAs等を用いてもよい。但し、基板材料としてInP を用いる場合、チャネル層３０６の材料としてInxGa(1-x)As（但し０．４≦ｘ≦１）を用いると、半導体装置、具体的には電界効果型トランジスタを確実に高速化できる。また、この場合、本実施形態の耐圧向上効果が従来の半導体装置と比べて顕著に得られる。
【００５６】
また、第３の実施形態において、サブチャネル層３０４の材料としてｎ型InP を用いたが、これに代えて、ｎ型InGaP 又はｎ型InGaAsP 等を用いてもよい。但し、チャネル層３０６の材料としてInGaAsを用いる場合、サブチャネル層３０４の材料として例えばInP を用いると、所望のエネルギーバンド構造を簡単に実現できる。また、基板材料としてInP を用いる場合においてサブチャネル層３０４の材料としてInP を用いると、基板に対する格子整合性を向上させることもできる。
【００５７】
また、第３の実施形態において、チャネル間バリア層３０５の材料としてアンドープのInP を用いたが、これに代えて、アンドープのInGaAsP 等を用いてもよい。
【００５８】
また、第１〜第３の実施形態において、超高速電界効果型トランジスタのチャネル構造を対象としたが、これに限られず、通常のＭＯＳ型の電界効果型トランジスタのチャネル構造を対象としても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によると、チャネル層で加速されて熱くなった電子が、まず、サブチャネル層における伝導帯のエネルギー準位が相対的に低い領域中を走行するようになり、次に、該領域で加速されて熱くなった電子が、サブチャネル層における伝導帯のエネルギー準位が相対的に高い領域中を走行するようになる。その結果、チャネル層及びサブチャネル層のそれぞれにおいてイオン化衝突を確実に防止でき、それによって耐圧を確実に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線に沿ったエネルギーバンド図である。
【図２】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ’線に沿ったエネルギーバンド図である。
【図３】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ’線に沿ったエネルギーバンド図である。
【図４】（ａ）は従来の半導体装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＤ−Ｄ’線に沿ったエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
１０１  基板
１０２  バッファー層
１０３  バリア層
１０４  下部サブチャネル層
１０５  サブチャネル間バリア層
１０６  上部サブチャネル層
１０７  チャネル間バリア層
１０８  チャネル層
１０９  ショットキー層
１１０  オーミックコンタクト層
１１０ａ  凹部
１１１  ゲート電極
１１２  オーミック電極
２０１  基板
２０２  バッファー層
２０３  バリア層
２０４  下部サブチャネル層
２０５  上部サブチャネル層
２０６  チャネル間バリア層
２０７  チャネル層
２０８  ショットキー層
２０９  オーミックコンタクト層
２０９ａ  凹部
２１０  ゲート電極
２１１  オーミック電極
３０１  基板
３０２  バッファー層
３０３  バリア層
３０４  サブチャネル層
３０５  チャネル間バリア層
３０６  チャネル層
３０７  ショットキー層
３０８  オーミックコンタクト層
３０８ａ  凹部
３０９  ゲート電極
３１０  オーミック電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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