JP3053862B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、電界効果トランジスタ(FET)に係り、特
に超格子を有するMIS型FETに関する。The present invention relates to a field effect transistor (FET), and more particularly to an MIS type FET having a superlattice.
(従来の技術) 化合物半導体においてそのポテンシャルの形(エネル
ギー構造)を制御する技術は、デバイスの多機能化,高
性能化のために重要な半導体デバイス技術の一つであ
る。エネルギー帯構造を制御するための方法として、一
般的に、2つの方法が考えられる。即ち、ヘテロ接合に
よる方法と不純物原子の注入による方法である。(Prior Art) A technique for controlling the form of the potential (energy structure) in a compound semiconductor is one of the important semiconductor device technologies for multifunctional and high-performance devices. Generally, there are two methods for controlling the energy band structure. That is, a method using a heterojunction and a method using implantation of impurity atoms.
前者の方法は、種類の異なった半導体で接合を形成す
るというものである。しかしながら、この方法では、一
般的に、格子定数が異なる半導体同士を接合させること
になるので接合面に界面準位が生じ、このため電子の振
る舞いが大きく乱れ素子の劣化が起こり易くなる。その
結果、実用になるヘテロ接合は、AlGaAS/GaAs,InGaAs/A
lInGaAs/InGaAsP/InP或いは幾つかのスードモーフィッ
ク構造(pseudomorphic structure)の半導体のものに
限定されている。The former method is to form a junction with different kinds of semiconductors. However, in this method, generally, semiconductors having different lattice constants are bonded to each other, so that an interface level is generated at a bonding surface, so that the behavior of electrons is greatly disturbed and deterioration of the element is likely to occur. As a result, the practical heterojunctions are AlGaAS / GaAs, InGaAs / A
Limited to semiconductors with lInGaAs / InGaAsP / InP or some pseudomorphic structure.
後者の方法の一例として、接合界面の両側にそれぞれ
同数のドナー不純物原子とアクセプタ不純物原子とを注
入するというものがある。これによりドーピング界面双
極子DID(Doped Interface Dipole)を形成することが
でき、実効ポテンシャルバリアの制御が可能となる。他
の例としてQUID(Quantum Interface Induced Dipole)
というものがある。これはヘテロ接合を形成する半導体
のうち、エネルギーバンドギャップが小さい方の半導体
にドナー原子からなる極薄な単原子層(δドープ層)を
設けることで実効的なポテンシャルバリアを低くすると
いうものである。An example of the latter method is to implant the same number of donor impurity atoms and acceptor impurity atoms on both sides of the junction interface. As a result, a doping interface dipole DID (Doped Interface Dipole) can be formed, and the effective potential barrier can be controlled. Another example is QUID (Quantum Interface Induced Dipole)
There is something. This is to reduce the effective potential barrier by providing an ultra-thin monoatomic layer (δ-doped layer) composed of donor atoms in the semiconductor with the smaller energy band gap among the semiconductors forming the heterojunction. is there.
この不純物原子の注入による方法を適用して製造され
た半導体装置として、近年、DMT(Dope−channel heter
o MISFETs)と呼ばれる超格子を有するFET[H.Hida et
al.,ED−3y(2)(1987)1448]が、従来のGaAsMESFET
により優れた点を持つということで注目を集めている。In recent years, as a semiconductor device manufactured by applying the method based on the implantation of impurity atoms, a DMT (Dope-channel heter
o FETs with superlattices called MISFETs [H. Hida et
al., ED-3y (2) (1987) 1448] is a conventional GaAs MESFET.
It has attracted attention because it has better points.
具体的なDMTとしては、ショットキー金属層(上層)
/アンドープAlGaAs層/nドープGaAs層/アンドープAlGa
As層(下層)が挙げられる。As a specific DMT, Schottky metal layer (upper layer)
/ Undoped AlGaAs layer / n-doped GaAs layer / undoped AlGa
As layer (lower layer).
このようなDMTには次のような特徴がある。 Such a DMT has the following features.
第1に、上層のアンドープAlGaAs層により、2次元電
子FETの多種の不安定動作の原因となるDXセンターのよ
うな深い準位の集中が最小に抑えられる。また、ブレー
クダウン電圧も高くなる。First, the upper undoped AlGaAs layer minimizes the concentration of deep levels such as the DX center, which causes various kinds of unstable operations of the two-dimensional electronic FET. Also, the breakdown voltage increases.
第2に、高ゲート電圧においてキャリアは主にアンド
ープAlGaAs層/nドープGaAs層のヘテロ界面の領域に集中
する。したがって、イオン化不純物の散乱の影響を受け
難くなり、スクリーニング効果や移動度が向上する。Second, at high gate voltages, carriers are mainly concentrated in the region of the hetero-interface of the undoped AlGaAs layer / n-doped GaAs layer. Therefore, it is less susceptible to the scattering of ionized impurities, and the screening effect and the mobility are improved.
第3に、このDMTは高スピード(5Gbit/s)で低消費電
力である。このため、このDMTを用いることでDCFLー5bi
tシフトレジスタ,31段DCFLリングオシレータ(4.8ps/ga
te),レーザドライバ(10Gbit/s)等のデバイスが実現
されている。Third, the DMT has high speed (5 Gbit / s) and low power consumption. Therefore, by using this DMT, DCFL-5bi
t shift register, 31-stage DCFL ring oscillator (4.8ps / ga
te) and devices such as laser drivers (10 Gbit / s).
第7図はこのDMTのゲート直下のエネルギーバンド図
である。第7図(a)はOFF時、第7図(b)はON時を
示している。第7図(b)に示されるようにON状態では
ゲート電圧VGの上昇に伴い(VG=VG1→VG2)アンドープ
AlGaAs層(上層)/n型GaAs層のヘテロ界面(チャネル領
域)近傍のポテンシャルバリアは歪められることにより
その高さが低くなる。このため、アンドープAlGaAs層
(上層)/n型GaAs層のヘテロ界面に蓄積されている電子
がこのポテンシャルバリアを容易に乗り越えてゲートに
侵入し、アドミタンス等の電気特性の低下を引き起こす
という問題があった。FIG. 7 is an energy band diagram immediately below the gate of the DMT. FIG. 7A shows an OFF state, and FIG. 7B shows an ON state. Figure 7 with the rise of the gate voltage V G in the ON state as shown in (b) (V G = V G1 → V G2) undoped
The potential barrier near the heterointerface (channel region) between the AlGaAs layer (upper layer) and the n-type GaAs layer is distorted and its height is reduced. For this reason, there is a problem in that electrons accumulated at the hetero interface between the undoped AlGaAs layer (upper layer) and the n-type GaAs layer easily cross this potential barrier and enter the gate, causing deterioration in electrical characteristics such as admittance. Was.
(発明が解決しようとする課題) 上述の如く従来の超格子を有するMIS型のFETでは、そ
のゲート電圧が高くなるとヘテロ接合界面(チャネル)
のポテンシャルバリアが歪んで結果的に低くなり、この
ためチャネル内の電子が容易にゲートに侵入して電気特
性が低下するという問題があった。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, in the conventional MIS type FET having a superlattice, when the gate voltage increases, the heterojunction interface (channel) increases.
Is distorted, resulting in a lower potential barrier. This causes a problem that electrons in the channel easily penetrate into the gate and lower the electrical characteristics.
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その
目的とするところは、 ゲート電圧の昇圧に伴うヘテロ接合界面のポテンシャ
ルバリアの低下を防止し、良好な電気特性を有する半導
体装置を提供することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device which prevents a potential barrier at a heterojunction interface from being lowered due to a rise in a gate voltage and has good electric characteristics. Is to do.
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記の目的を達成するために、本発明の半導体装置
は、複数の半導体層が互いにヘテロ接合されてなる超格
子に蓄積されるキャリアをゲートに印加する電圧により
制御する半導体装置において、前記複数の半導体層のう
ち最も前記のゲートに近い半導体層に前記キャリアが電
子の場合はアクセプタとなる不純物或いは前記キャリア
が正孔の場合はドナーとなる不純物が添加された不純物
層が挿設されていることを特徴とする。[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, a semiconductor device of the present invention is characterized in that a carrier accumulated in a superlattice formed by heterojunction of a plurality of semiconductor layers with each other is gated. In the semiconductor device controlled by the voltage applied to the semiconductor layer, the semiconductor layer closest to the gate among the plurality of semiconductor layers becomes an impurity serving as an acceptor when the carrier is an electron or a donor when the carrier is a hole. An impurity layer to which an impurity is added is inserted.
特に、この半導体装置は、基板上に形成された第1の
化合物半導体層と、この第1の化合物半導体層にヘテロ
接合された不純物を含む第1の化合物半導体層よりエネ
ルギーバンドギャップが小さい第2の化合物半導体層
と、この第2の化合物半導体層にヘテロ接合された第2
の化合物判導体層よりエネルギーバンドギャップが大き
い第3の化合物半導体層と、この第3の化合物半導体層
に挿設された少くとも1つの極薄な不純物層とを有する
超格子を備えていることを特徴としている。In particular, this semiconductor device has a first compound semiconductor layer formed on a substrate and a second compound semiconductor layer having an energy band gap smaller than that of the first compound semiconductor layer containing an impurity hetero-junctioned to the first compound semiconductor layer. And a second heterojunction with the second compound semiconductor layer.
A superlattice having a third compound semiconductor layer having an energy band gap larger than that of the compound semiconductor layer and at least one extremely thin impurity layer interposed in the third compound semiconductor layer. It is characterized by.
(作用) 本発明の半導体装置によれば、電子の蓄積層を形成す
る半導体層のうち、ゲートに最も近い半導体層に極薄な
不純物層を挿設しているのでこの不純物層が挿設された
位置の実効的なポテンシャルバリアが高くなる。このた
め、ゲート電圧が高くなっても電子は容易にはこのポテ
ンシャルバリアを越えることができない。その結果、電
子の膜厚方向の運動の制御が可能となり、電子のゲート
侵入等を防止できるので素子の劣化や電気特性の低下を
防止できる。(Operation) According to the semiconductor device of the present invention, among the semiconductor layers forming the electron accumulation layer, the extremely thin impurity layer is inserted in the semiconductor layer closest to the gate, so that this impurity layer is inserted. The effective potential barrier at the position is higher. Therefore, even if the gate voltage increases, electrons cannot easily cross this potential barrier. As a result, it is possible to control the movement of electrons in the thickness direction, and to prevent the penetration of electrons into the gate and the like, thereby preventing deterioration of the element and deterioration of electrical characteristics.
(実施例) 以下、図面を参照しながら実施例を説明をする。(Example) Hereinafter, an example is described with reference to drawings.
第1図は本発明の第1の実施例に係るMISFETの断面図
である。FIG. 1 is a sectional view of a MISFET according to a first embodiment of the present invention.
GaAsからなる半絶縁性基板1上には結晶性を整えるた
めにアンドープGaAsからなる厚さ約500nm程度のバッフ
ァ層3が設けられている。このバッファ層3上には厚さ
が約20nm程度のアンドープAlGaAs層5が設けられてい
る。このアンドープAlGaAs層5上には、Siの濃度が約1
×1018cm-3、厚さ約20nm程度のn型GaAs層7,厚さ約25nm
のアンドープAlGaAs層9,厚さ約5nmのn型GaAs層11が順
次設けられている。また、アンドープAlGaAs層9にはア
クセプタの役割をするδドープ層13が挿設されている。
このδドープ層13は、炭素原子からなり、1つの原子面
当たりに1〜5×1012cm-2程度のイオンを含む。ソース
電極15,ドレイン電極17及びゲート電極19がn型GaAs層1
1上に所定の関係でもって配設されている。On the semi-insulating substrate 1 made of GaAs, a buffer layer 3 made of undoped GaAs and having a thickness of about 500 nm is provided for adjusting the crystallinity. An undoped AlGaAs layer 5 having a thickness of about 20 nm is provided on the buffer layer 3. The undoped AlGaAs layer 5 has a Si concentration of about 1
× 10 18 cm -3 , about 20 nm thick n-type GaAs layer 7, about 25 nm thick
An undoped AlGaAs layer 9 and an n-type GaAs layer 11 having a thickness of about 5 nm are sequentially provided. In the undoped AlGaAs layer 9, a δ-doped layer 13 serving as an acceptor is inserted.
The δ-doped layer 13 is made of carbon atoms and contains ions of about 1 to 5 × 10 12 cm −2 per atomic plane. Source electrode 15, drain electrode 17 and gate electrode 19 are n-type GaAs layer 1.
1 are arranged in a predetermined relationship.
第5図(a)〜(c)にはこのように構成されたMISF
ETのエネルギーバンド図が示されている。FIGS. 5 (a) to 5 (c) show the MISF thus constructed.
The ET energy band diagram is shown.
同図(a)にはゲート電圧がゼロのときの伝導バンド
の下端のエネルギーEcとフェルミレベルEFとが示されて
いる。低バンドギャップのn型GaAs層7は高バンドギャ
ップのアンドープAlGaAs層5,9との間に挟まれている。
このため、GaAs層5には量子井戸が形成されている。ま
た、n型GaAs層7上のアンドープAlGaAs層9内にはδド
ープ層13が設けられているので、このδドープ層13とア
ンドープAlGaAs層5/n型GaAs層7の界面との間に双極子
モーメントが誘起される。この誘起された双極子モーメ
ントは、n型GaAs層7/アンドープAlGaAs層9のヘテロ界
面におけるポテンシャルバリアの実効的の増加を導く。
即ち、δドープ層13が挿設された位置の伝導バンドの下
端のエネルギーEcがスパイク状に高くなる。The in Figure (a) is shown the gate voltage and the energy Ec and the Fermi level E F at the lower end of the conduction band at zero. The low band gap n-type GaAs layer 7 is sandwiched between the high band gap undoped AlGaAs layers 5 and 9.
Therefore, a quantum well is formed in the GaAs layer 5. Since the δ-doped layer 13 is provided in the undoped AlGaAs layer 9 on the n-type GaAs layer 7, the bipolar between the δ-doped layer 13 and the interface between the undoped AlGaAs layer 5 and the n-type GaAs layer 7. Child moments are induced. This induced dipole moment leads to an effective increase of the potential barrier at the heterointerface of the n-type GaAs layer 7 / undoped AlGaAs layer 9.
That is, the energy Ec at the lower end of the conduction band at the position where the δ-doped layer 13 is inserted increases in a spike shape.
次に同図(b)に示されるように(以下、フェミルレ
ベルEfは省略)、ゲート電極19に電圧を印加すると、ゲ
ート電圧の上昇に伴いn型GaAs層7にドープされた不純
物原子から励起された原子が、アンドープAlGaAs層5/n
型AlGaAs層7/アンドープAlGaAs層9で形成される量子井
戸に蓄積される。Next, as shown in FIG. 2B (hereinafter, the femil level Ef is omitted), when a voltage is applied to the gate electrode 19, the impurity atoms doped into the n-type GaAs layer 7 are changed with the increase of the gate voltage. Excited atoms are undoped AlGaAs layer 5 / n
It is accumulated in a quantum well formed by the type AlGaAs layer 7 / undoped AlGaAs layer 9.
次に同図(c)に示されるように、ゲート電極19にさ
らに高い電圧が印加されると、n型GaAs層7/アンドープ
AlGaAs層9のヘテロ界面にはより多くの電子が蓄積され
ると共に疑フェルミレベルが上がる。疑フェルミレベル
が上昇するとn型AlGaAs層7/アンドープAlGaAs層9のヘ
テロ界面のポテンシャルバリアが実効的に低くなる。即
ち、n型AlGaAs層7/アンドープAlGaAs層9のヘテロ界面
近傍のアンドープAlGaAs層9の伝導バンドの下端のエネ
ルギーEcが低くなり、電子が蓄積されているエネルギー
レベル以上のEcを有するアンドープAlGaAs層9の幅Wが
狭くなる。しかしながら、アンドープAlGaAs層9に挿設
されたδドープ層13により本実施例のアンドープAlGaAs
層9の伝導帯Ecのレベル及び電子が蓄積されているエネ
ルギーレベル以上のアンドープAlGaAs層9の伝導帯Ecの
幅Wは、従来のそれよりそれぞれ高く、広くなってい
る。このため、第5図(c)に示したようにゲート電極
19に印加される電圧レベルが第7図に示したVg2に達し
ても電子はポテンシャルバリアを越えることができなく
なり、アンドープAlGaAs層9を垂直に横切りn型GaAs層
11に侵入する電子の発生を防止できる。Next, as shown in FIG. 3C, when a higher voltage is applied to the gate electrode 19, the n-type GaAs layer 7 / undoped
At the hetero interface of the AlGaAs layer 9, more electrons are accumulated and the pseudo Fermi level rises. When the pseudo Fermi level rises, the potential barrier at the hetero interface between the n-type AlGaAs layer 7 and the undoped AlGaAs layer 9 is effectively reduced. That is, the energy Ec at the lower end of the conduction band of the undoped AlGaAs layer 9 near the hetero interface between the n-type AlGaAs layer 7 and the undoped AlGaAs layer 9 is reduced, and the undoped AlGaAs layer 9 having an Ec equal to or higher than the energy level at which electrons are stored. Becomes narrower. However, due to the δ-doped layer 13 inserted in the undoped AlGaAs layer 9, the undoped AlGaAs
The width W of the conduction band Ec of the undoped AlGaAs layer 9 which is equal to or higher than the level of the conduction band Ec of the layer 9 and the energy level at which electrons are stored is higher and wider than that of the conventional case. For this reason, as shown in FIG.
Even if the voltage level applied to 19 reaches V g2 shown in FIG. 7, electrons cannot cross the potential barrier, and traverse the undoped AlGaAs layer 9 vertically to form an n-type GaAs layer.
It is possible to prevent the generation of electrons that invade 11.
かくして本実施例のMISFETは、高ゲート電圧における
ゲート電極への電子の侵入を防止できるのでゲート電極
19に印加できる電圧の安全領域幅が広くなり、その結
果、より多くの電子がn型GaAs層7アンドープAlGaAs層
9のヘテロ界面に蓄積されるのでドレイン電流等の電気
特性が改善される。Thus, the MISFET of this embodiment can prevent the intrusion of electrons into the gate electrode at a high gate voltage.
The width of the safe region of the voltage that can be applied to 19 is widened, and as a result, more electrons are accumulated at the hetero interface of the n-type GaAs layer 7 and the undoped AlGaAs layer 9, so that the electrical characteristics such as drain current are improved.
なお、本実施例によるn型GaAs層7/アンドープAlGaAs
層9のヘテロ界面のポテンシャルバリアの実効的な増加
は、このヘテロ界面から5〜19nm程度離れたアンドープ
AlGaAs層9にδドープ層13を挿設した場合で、50〜150m
V程度である。また、本実施例のMISFETを用いてDCFL回
路等のロジック回路を組むと、そのノイズマージンが大
きくなるので回路の信頼性を高めることができる。The n-type GaAs layer 7 according to the present embodiment / undoped AlGaAs
The effective increase of the potential barrier at the hetero interface of layer 9 is undoped at about 5 to 19 nm away from this hetero interface.
When the δ-doped layer 13 is inserted in the AlGaAs layer 9, 50 to 150 m
It is about V. Further, when a logic circuit such as a DCFL circuit is assembled using the MISFET of the present embodiment, the noise margin is increased, so that the reliability of the circuit can be improved.
第2図には本発明の第2の実施例に係るMISFETの断面
図が示されている。なお、第1図の実施例と対応する部
分には第1図と同一符号を付し、詳細な説明は省略す
る。FIG. 2 is a sectional view of a MISFET according to a second embodiment of the present invention. Parts corresponding to those in the embodiment shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1, and detailed description is omitted.
このMISFETが先に説明した実施例のものと異なる点
は、第2のδドープ層21をアンドープAlGaAs層9に挿設
したことにある。第6図(a)〜(c)にはこのように
構成されたMISFETのエネルギーバンド図が示されてい
る。同図(a)はゲート電極19に電圧が印加されていな
いときの伝導バンドEc及びフェルミレベルEFを示してい
る。δドープ層13,21が挿設された位置に対応したとこ
ろのアンドープAlGaAs層9の伝導バンドには、スパイク
状のレベルの上昇が見られる。次にゲート電極19に電圧
を印加すると同図(b)に示されるように、n型GaAs層
7/アンドープAlGaAs層9のヘテロ界面に電子が蓄積され
る。そして、先の実施例と同様にゲート電圧がVg2を越
えても、同図(c)に示されるようにn型GaAs層7/アン
ドープAlGaAs層9のヘテロ界面の実効的なポテンシャル
バリアが高くなっているので電子がこのポテンシャルバ
リアを越えてアンドープAlGaAs層9に侵入するという不
都合は起きない。This MISFET differs from that of the embodiment described above in that the second δ-doped layer 21 is inserted in the undoped AlGaAs layer 9. FIGS. 6A to 6C show energy band diagrams of the MISFET thus configured. FIG (a) shows the conduction band Ec and the Fermi level E F when not in a voltage applied to the gate electrode 19. In the conduction band of the undoped AlGaAs layer 9 corresponding to the position where the δ-doped layers 13 and 21 are inserted, a spike-like level rise is observed. Next, when a voltage is applied to the gate electrode 19, as shown in FIG.
Electrons are accumulated at the hetero interface of the 7 / undoped AlGaAs layer 9. As in the previous embodiment, even if the gate voltage exceeds V g2 , the effective potential barrier at the hetero interface of the n-type GaAs layer 7 / undoped AlGaAs layer 9 is high as shown in FIG. Therefore, the inconvenience that electrons enter the undoped AlGaAs layer 9 beyond this potential barrier does not occur.
かくして本実施例のMISFETでも先の説明した実施例と
同様な効果を得ることができる。Thus, the MISFET of this embodiment can provide the same effects as those of the above-described embodiment.
なお、この場合先の実施例に比べ、n型GaAs層7/アン
ドープAlGaAs層9のヘテロ界面近傍のアンドープAlGaAs
層9の伝導バンドの実効的レベルがより高くなり、電子
が蓄積されているエネルギーレベル以上のアンドープAl
GaAs層9の伝導帯の幅もより広くなる。したがって、ゲ
ート電極19に印加できる電圧の安全領域幅もより広くな
る。In this case, the undoped AlGaAs near the hetero interface of the n-type GaAs layer 7 / undoped AlGaAs layer 9 is different from that of the previous embodiment.
The effective level of the conduction band of layer 9 is higher and undoped Al at or above the energy level at which electrons are stored.
The width of the conduction band of the GaAs layer 9 also becomes wider. Therefore, the safe area width of the voltage that can be applied to the gate electrode 19 also becomes wider.
第3図には本発明の第3の実施例に係るMISFETの断面
図が示されている。この実施例が第1の実施例と異なる
点は、バッファ層3上とアンドープAlGaAs層5との間に
p型GaAs層23,アンドープGaAs層25を順次設けたことに
ある。本実施例ではp型GaAs層23の不純物濃度を3×10
17,その厚を20nm程度にした。また、アンドープGaAs層2
5の厚さは10nm程度である。FIG. 3 is a sectional view of a MISFET according to a third embodiment of the present invention. This embodiment differs from the first embodiment in that a p-type GaAs layer 23 and an undoped GaAs layer 25 are sequentially provided between the buffer layer 3 and the undoped AlGaAs layer 5. In this embodiment, the impurity concentration of the p-type GaAs layer 23 is 3 × 10
17 The thickness was reduced to about 20 nm. The undoped GaAs layer 2
The thickness of 5 is about 10 nm.
このような構成であると、第1の実施例と同様な効果
が得られるのは勿論のこと、p型GaAs層23により短チャ
ンネル効果が抑制されると共に、アンドープGaAs層25に
より製造プロセスで生じるp型GaAs層23のアンドープGa
As層5への拡散,メモリ効果、そしてソース,ドレイン
領域の寄生容量を防止できる。With such a configuration, the same effect as that of the first embodiment can be obtained, of course, the short channel effect can be suppressed by the p-type GaAs layer 23, and the undoped GaAs layer 25 can be used in the manufacturing process. Undoped Ga in p-type GaAs layer 23
Diffusion into the As layer 5, the memory effect, and the parasitic capacitance of the source and drain regions can be prevented.
第4図には本発明の第4の実施例に係るMISFETの断面
図が示されている。この実施例が先に説明した第3の実
施例と異なる点は、第2のδドープ層21をアンドープAl
GaAs層9に挿設したことにある。FIG. 4 is a sectional view of a MISFET according to a fourth embodiment of the present invention. This embodiment is different from the third embodiment described above in that the second δ-doped layer 21 is
That is, it is inserted in the GaAs layer 9.
このような構成であると第3の実施例と同様な効果が
得られるのは勿論のこと、n型GaAs層7/アンドープAlGa
As層9のヘテロ界面のポテンシャルバリアの実効的なレ
ベルがより高くなるのでゲート電極19に印加できる電圧
の安全領域幅がより広くなる。With such a configuration, the same effects as those of the third embodiment can be obtained, as well as the n-type GaAs layer 7 / undoped AlGa.
Since the effective level of the potential barrier at the hetero interface of the As layer 9 is higher, the safe area width of the voltage that can be applied to the gate electrode 19 is wider.
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものでは
ない。例えば、上記実施例では3層以上のδドープ層を
用いたMISFETについては説明しなかったが、この場合で
も同様な効果が得られるのは勿論のことである。また、
この場合、δドープ層の層数が増えてもアンドープAlGa
As層9の本質的の層厚は変わらない。したがって、アン
ドープAlGaAs層9の層厚が厚くなることに起因する相互
コンダクタンスの低下などの電気特性の低下は生じな
い。また、δドープ層としてAlGaAs中で拡散係数が小さ
い炭素原子を用いたが、これは実施例のMISFETの製造に
高温(950℃)な製造工程が伴うので、δドープ層とな
る原子が拡散するのを防止するためである。したがっ
て、AlGaAs中でアクセプタとして働き、且つ拡散係数が
小さいものであれば、他の原子、例えばBe,Mgを用いて
も良い。また、n型GaAsの代わりにP型GaAsを用いて量
子井戸を構成しても良い。この場合、キャリアはホール
となり、δドープ層はドナーとして働く不純物を添加し
ておけば良い。さらに、実施例ではアンドープAlGaAs層
/n型GaAs/アンドープAlGaAs層のヘテロ接合で量子井戸
を構成したが、InGaAs/InGaAsP/InGaAs,Si/SiGe/Si,又
はスードモーフィック(pseudomorphic)構造の半導体
で構成しても良い。要はInGaAs/InGaAsP/InGaAs接合と
同様なエネルギーバンド構造を有する接合が構成できる
半導体材料を選べば良い。その他、本発明の要旨を逸脱
しない範囲で、種々変形して実施できる。The present invention is not limited to the embodiments described above. For example, although the MISFET using three or more δ-doped layers has not been described in the above embodiment, it goes without saying that a similar effect can be obtained in this case. Also,
In this case, even if the number of δ-doped layers increases, undoped AlGa
The essential layer thickness of the As layer 9 does not change. Therefore, a decrease in electrical characteristics such as a decrease in transconductance due to an increase in the thickness of the undoped AlGaAs layer 9 does not occur. Although carbon atoms having a small diffusion coefficient were used in AlGaAs as the δ-doped layer, the MISFET of the embodiment requires a high-temperature (950 ° C.) manufacturing process, so that atoms forming the δ-doped layer are diffused. This is to prevent the situation. Therefore, other atoms, such as Be and Mg, may be used as long as they function as acceptors in AlGaAs and have a small diffusion coefficient. Further, the quantum well may be formed using P-type GaAs instead of n-type GaAs. In this case, carriers serve as holes, and the δ-doped layer may be added with an impurity acting as a donor. Further, in the embodiment, the undoped AlGaAs layer
Although the quantum well is composed of a heterojunction of / n-type GaAs / undoped AlGaAs layer, it may be composed of InGaAs / InGaAsP / InGaAs, Si / SiGe / Si, or a semiconductor having a pseudomorphic structure. The point is that a semiconductor material that can form a junction having the same energy band structure as the InGaAs / InGaAsP / InGaAs junction may be selected. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[発明の効果] 本発明の半導体装置によれば、電子を蓄積する層を構
成する半導体層内に極薄な不純物層を挿設することで電
子を閉じ込めるポテンシャルバリアを実効的に高くして
いる。その結果、ゲート電圧の上昇によるポテンシャル
バリアの低下を防止できるのでゲートに印加できる電圧
の安全領域が広くなると共に、ドレイン電流等の電気特
性が改善される。[Effects of the Invention] According to the semiconductor device of the present invention, the potential barrier for confining electrons is effectively increased by inserting an extremely thin impurity layer in the semiconductor layer constituting the layer for storing electrons. . As a result, the potential barrier can be prevented from lowering due to an increase in the gate voltage, so that the safe area of the voltage that can be applied to the gate is widened and the electrical characteristics such as the drain current are improved.
第1図は本発明の第1の実施例に係るMISFETの断面図、
第2図は本発明の第2の実施例に係るMISFETの断面図、
第3図は本発明の第3の実施例に係るMISFETの断面図、
第4図は本発明の第4の実施例に係るMISFETの断面図、
第5図(a)〜(c)は本発明の第1の実施例に係るMI
SFETのエネルギーバンド図、第6図(a)〜(c)は本
発明の第2の実施例に係るMISFETのエネルギーバンド
図、第7図は従来のMISFETのエネルギーバンド図であ
る。 1……半絶縁性基板、3……バッファ層、5……アンド
ープAlGaAs層、7……n型GaAs層、9……アンドープAl
GaAs層、11……n型GaAs層、13……δドープ層、15……
ソース電極、17……ドレイン電極、19……ゲート電極、
21……δドープ層、23……p型GaAs層、25……アンドー
プGaAs層。FIG. 1 is a sectional view of a MISFET according to a first embodiment of the present invention,
FIG. 2 is a sectional view of a MISFET according to a second embodiment of the present invention,
FIG. 3 is a sectional view of a MISFET according to a third embodiment of the present invention,
FIG. 4 is a sectional view of a MISFET according to a fourth embodiment of the present invention,
FIGS. 5A to 5C show MIs according to the first embodiment of the present invention.
6 (a) to 6 (c) are energy band diagrams of the MISFET according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is an energy band diagram of the conventional MISFET. 1 ... semi-insulating substrate, 3 ... buffer layer, 5 ... undoped AlGaAs layer, 7 ... n-type GaAs layer, 9 ... undoped Al
GaAs layer, 11 ... n-type GaAs layer, 13 ... delta doped layer, 15 ...
Source electrode, 17 ... drain electrode, 19 ... gate electrode,
21 δ-doped layer, 23 p-type GaAs layer, 25 undoped GaAs layer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/338 H01L 21/336 H01L 29/78 H01L 29/812 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/338 H01L 21/336 H01L 29/78 H01L 29/812
Claims (1)
なる超格子に蓄積されるキャリアをゲートに印加する電
圧により制御する半導体装置において、 前記複数の半導体層のうち最も前記ゲートに近い半導体
層に前記キャリアが電子の場合はアクセプタとなる不純
物或いは前記キャリアが正孔の場合はドナーとなる不純
物が添加された不純物層が挿設されていることを特徴と
する半導体装置。1. A semiconductor device in which carriers accumulated in a superlattice formed by heterojunction of a plurality of semiconductor layers are controlled by a voltage applied to a gate, wherein the semiconductor layer closest to the gate among the plurality of semiconductor layers is provided. A semiconductor device, wherein an impurity layer to which an impurity serving as an acceptor when the carrier is an electron or an impurity serving as a donor when the carrier is a hole is added.
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