等離子體振動開關元件的製作方法
2023-12-02 00:20:11
專利名稱：等離子體振動開關元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體元件，尤其是涉及高頻波段動作的等離子體振動開關元件。
背景技術：
現有技術的半導體元件主要通過使元件構造微細化提高其動作速度，例如在高電子遷移率晶體體管通過利用二維分布的電子有效地防止雜質擴散，提高動作速度。可是，在上述那樣的半導體元件由於在信號傳遞利用電荷(電子)的遷移，所以其遷移速度受材料的飽和速度限制。然而，對於縮短溝道行走時間也有限制，存在所謂高速動作困難的問題。從這樣的狀況出發，為了實現高速動作，要求元件構造更新的微細化，例如對於所報導的高達數百GHz的高速動作的元件的柵極電極形成，至少要求0.1μm以下的超微細加工技術。
對於這樣的問題，以前提出在信號傳遞中伴隨直接電荷移動的半導體元件。例如在M.Dyakonov-及M.Shur的文獻1(Phys.Rev.lett.V71(1993)，P.2465)及文獻2(IEEE Trans.Elect.Dev.V43(1996)，P.380)提出利用FET溝道內的高濃度電子流體的等離子體振動的元件。圖7是文獻1所示的FET元件的截面圖。此外，在文獻3(特開平8-139306號公報)利用由空穴和電子形成的雙流體共存系統或者重電子和輕電子形成的雙流體共存系統引起的雙流體不穩定性現象的電磁波放大元件。圖8是文獻3所示的電磁波放大元件的立體圖。
可是，儘管上述現有技術在理論上在高頻波段的動作是可能的，但是在實際上動作範圍受限制，信號輸入輸出是困難的，此外，由於存在構造複雜等問題，缺乏實用性。例如在文獻1及文獻2記載的元件構造，儘管在高頻下的電磁波振蕩，頻率倍增，存在電磁波檢測的可能性，然而，除了實驗上檢出初期的響應之外，並未確認正規的動作(動作)。作為阻礙實用化的主要因素之一可列舉以下困難，即；在例如圖7所示的文獻1所示的FET元件，輸入輸出和元件內部的等離子體振動的耦合是困難的。
特開2000-294768號公報公開了可以抑制通過絕緣膜的漏電流的如下所示的半導體元件。在由蘭寶石構成的基板上經分別由未摻雜AlGaN形成的緩衝層及基底層順序地疊層由n型AlGaN形成的電子供給層及由n型GaN形成的電子行走層。而且，在該電子行走層之上經由AIN形成的絕緣膜設置柵極電極17。絕緣膜是在900℃以下的溫度下生長的，通過多個柱狀結晶構成。絕緣膜在柵極電極側表面的各柱狀結晶塊間間隙的最大深度在膜厚的80％以下，平均深度在膜厚的35％以下，各柱狀結晶塊的平均直徑成為40nm以下。
特開2000-252458號公報公開了可以抑制通過絕緣膜的漏電流的以下所示那樣的半導體元件。通過在由蘭寶石形成的基板上經由未摻雜AlGaN分別形成的緩衝層及襯底層順序地疊層由n型AlGaN形成的電子供給層及由n型GaN形成的電子行走層。而且，在電子行走層上經絕緣膜設置柵極電極。絕緣膜具有從電子行走層側順序疊層由AlN形成的第一絕緣膜和由SiO2形成的第二絕緣膜的構造。通過設置第二絕緣膜，可以抑制只在第一絕緣膜上發生的漏電流。
特開平8-274346號公報公開了，得到使確保柵極電極耐壓特性提高的雙柵極FET，為了得到高性能放大電路及混頻電路，使雙柵FET電壓控制時的固有部分電導在使用第一柵極電極時比在使用第二柵極電極時還大，漏極電極耐壓在第二柵極電極時比第一柵極電極大，沒有相互電導的劣化，提高元件耐壓。
本發明是為了解決上述問題而作的，其目的是提供在高頻區域可實現可靠動作的等離子體振動開關元件。
發明內容
本發明的等離子體開關元件是為了解決上述問題而作的，包含以下部件，即基板；在上述基板上形成的由III-V族化合物半導體形成的第一阻擋層；在上述第一阻擋層上形成，由III-V族化合物半導體形成的溝道層；在上述溝道層上形成，由III-V族化合物半導體形成的第二阻擋層；和在上述第二阻擋層上設置的源極電極、柵極電極以及漏極電極；上述第一阻擋層具有n型擴散層以及p型擴散層的任一方，上述第二阻擋層具有這些擴散層的任意的另一方，具有上述n型擴散層的阻擋層的傳導帶端能量(電子電勢)比上述溝道層的傳導帶端的能量大，具有上述p型擴散層的阻擋層的價電子帶端的能量比上述溝道層的價電子帶端的能量小，在具有上述n型擴散的阻擋層和上述溝道層的界面上蓄積二維電子氣，而在具有上述p型擴散層的阻擋層和上述溝道層的界面上蓄積二維空穴氣，上述各電極與上述二維電子氣及二維空穴氣靜電耦合。
圖1是示出本發明等離子體振動開關元件實施方式1的截面圖。
圖2是示出圖1的溝道層附近的能帶構造圖。
圖3是示出本發明等離子體振動開關元件實施方式2的截面圖。
圖4是示出等離子體振動相位變化的圖。
圖5是示出本發明等離子體振動開關元件實施方式2另一例的截面圖。
圖6是用本發明等離子體振動開關元件的高頻調製裝置。
圖7是示出文獻1所示的現有技術的FET元件的截面圖。
圖8是示出文獻3所示的現有技術的電磁波放大元件的立體圖。
具體實施例方式
(實施方式1)以下，邊參照附圖，邊對本發明等離子體振動開關元件的實施方式1加以說明。圖1是本實施方式的等離子體振動開關元件的截面圖。
如圖1所示，該開關元件包含由添加Fe的半絕緣性InP形成的半導體基板101和在該半導體基板101上形成的半導體疊層體S。半導體疊層體S通過與半導體基板101晶格匹配的組成形成，是順序地疊層由外延生長形成的無添加InP層102、由InAlAs形成的第一阻擋層103、由無添加GaInNAs形成的溝道層104以及由InAlAs形成的第二阻擋層。在這裡，InP層102是與半導體基板101大體相同寬度(圖1左右方向長度)地形成，在其以上的層，以比InP層102還狹窄的寬度以臺式(mesa)狀形成。第一阻擋層103其大部分是無添加的，而在與溝道層104的界面附近形成了δ摻雜(delta dope)n型雜質的第一擴散層103a。同樣地，第二阻擋層105其大部分也是無添加的，然而在與溝道層104的界面附近形成δ摻雜p型雜質的第二擴散層105a。
這些第一及第二擴散層103a、105a內的雜質濃度都為1×1012～1×1013cm-2。第一及第二擴散層103a、105a和溝道層104以預定間隔配置。即，在各擴散層103a、105a和溝道層104之間配置阻擋層的一部分無添加區域103b、105b。這時在各擴散層103a、105a和溝道層104之間，即上述無添加區域103b、105b的層厚優選例如在10nm以上100nm以下。通過這樣以預定間隔配置，可以防止後述的二維電子氣或二維空穴氣的振動因受擴散層103a、105a的影響而產生擾亂。
半導體基板101的下面形成由金屬構成的共用電極111，該電極111接地。另一方面，在半導體層疊體S的上面，即第二阻擋層105上形成由SiO2構成的絕緣層106，在其上面形成3個電極。即，在絕緣層106中央形成柵極電極109，夾持它而在絕緣層106兩側形成源極電極107及漏極電極108。這樣一來，在本實施方式的開關元件上，與通常的高電子遷移率電晶體不同，源極電極107及漏極電極108都是相對溝道層不作電歐姆接觸。絕緣層106也可以由SiN形成，此外，其膜厚也不因器件特性而改變，然而，優選例如在20nm以上100nm以下。此外，半導體疊層體S上的InP層102的上面，以及臺面狀形成的部分的側面上形成由SiO2構成的保護絕緣層110，據此，使半導體疊層體S與周圍絕緣。
圖2是該開關元件的溝道層附近的能帶構造。如同圖所示，溝道層104的能帶間隙比第一阻擋層103及第二阻擋層105的小，據此形成能帶偏移(offset)。而且，在第一及第二阻擋層103、105和溝道層104各自的境界上積聚由第一及第二擴散層103a、105a供給的電荷，形成二維分布。即，由於在第一擴散層103a上添加n型雜質，所以這部分的電子積聚於在第一阻擋層103和溝道層104的境界處被偏移的傳導帶Ec、形成二維電子氣(稱為「二維電子流體」)EG。另一方面，由於在第二擴散層105a上添加p型雜質，所以這部分的空穴積聚於在第二阻擋層105和溝道層104的境界上被偏移的價電子帶Ev、形成二維空穴氣(稱為「二維空穴流體」)HG。二維電子氣EG及空穴氣HG的電荷密度大體與雜質的添加密度對應，都在1×1012～1×1013cm-2。
在圖2，費米能級EF是電子的化學勢，是電子分布函數成為0.5的能量。在傳導帶Ec中在費米能級EF之下，在價電子帶Ev中在費米能級EF之上分別存在高濃度電子(EG)及空穴(HG)。
其次，對這樣構成的開關元件的動作加以說明。首先，在源極電極107上加10GHz以上1000GHz以下頻率的信號。這時，由於在二維電子氣EG及二維空穴氣HG內積聚高濃度電荷，所以一旦加上高頻信號，則因為二維電氣EG及二維空穴氣HG與源極電極107靜電耦合，所以這些二維電子氣EG及空穴氣HG分別產生等離子體振動。在這裡，在本實施方式的開關元件上由於二維電子氣EG及二維空穴氣HG平行地接近，所以兩者的等離子體振動容易耦合，在穩定地耦合的狀態加以傳播。因為在溝道層104不產生超過等離子體振動的相位速度那樣的電荷移動，所以不產生雙流體不穩定現象。因為漏極電極108與二維電子氣EG及二維空穴氣HG靜電耦合，所以如上述所示，從源極電極107側傳播的等離子體振動從漏極電極108輸出。
這時，如果在柵極電極109上加電壓則柵極電極109下方的電荷密度變化。尤其是，如果在柵極電極109上加負電壓，則使電子、空穴的電荷密度也減少，不久在柵極電極下方的積聚電荷量成為零。據此，溝道層104的二維電子氣EG及空穴氣HG在柵極電極109左右分開，所以從源極電極109傳播的等離子體振動不能達到漏極電極108。因而，這樣一來，由於通過改變加在柵極電極109上的電壓可以使柵極電極109正下方的等離子體振動的傳播效率改變，所以可以使本元件作為強度調製高頻振動的調製元件發揮功能。此外，通過改變柵電壓，利用等離子體振動的傳播速度變化的相位調製也是可以的。優選在柵極電極109上輸入直流電壓或具有施加在源極電極109上的信號頻率的約1/10～1/1000左右的頻率的信號。
如以上所示，根據本實施方式，通過具有添加有雜質的擴散層103a、105a的阻擋層103、105夾持能帶間隙窄的溝道層104，在能帶偏移部分上形成二維電子氣EG及二維空穴氣HG。而且，在與這些電子氣EG及空穴氣HG靜電耦合的源極電極109上加高頻信號。據此，在電子氣EG及空穴氣HG各自產生等離子體振動，通過這些振動耦合而傳播，可傳播高頻信號。這樣，由於在本實施方式的開關元件不伴隨電荷遷移而使用耦合的等離子體振動來進行信號的傳遞，可不受電子或空穴的飽和速度的限制，進行高頻信號的傳遞。
由於利用現有技術的等離子體振動的半導體元件難以使從外界的電磁場或電路來的信號與等離子體振動耦合，因此必須有特殊的結構、耦合用天線。作為產生這樣的問題的原因之一，可以列舉由於等離子體振動是由電荷疏密產生的縱波，在與二維電子氣或空穴氣垂直的方向，產生的電場強度小，因此，使外部信號與等離子體振動之間耦合是困難的。與此相反，在本實施方式的構成，由於二維電子氣和空穴氣之間耦合，所以與現有技術例比較，可得到大的縱向電場。因此，在電子密度高的區域，空穴密度也變高，結果使半導體疊層體S上面的電位變低。如果因此改變半導體疊層體S上面的電位，則可以改變溝道層104的電荷密度。因而，由於元件上部設置的源極電極107及漏極電極108的電位在高頻區與溝道層104的等離子體振動耦合，所以如果在源極電極107上加高頻信號，則輸入信號可以作為等離子體振動在溝道層104傳播，可從漏極電極108輸出。
在上述說明中，在同一絕緣層106上形成各電極107～109，然而並不限於此，也可以通過形成各電極部分改變絕緣層膜厚或組成。例如在進行高頻信號輸入輸出的源極電極107及漏極電極108的下方，為了有效地實現信號的輸入輸出，優選使絕緣層106的膜厚作薄。另一方面，由於在柵極電極109輸入較低頻率的信號，所以可以使絕緣層106比源極電極107下方的絕緣層厚。此外，除了各電極107～109如上述所示經絕緣層106在第二阻擋層105上形成以外，可以在與第二阻擋層105之間形成肖脫基結(Schottky junction)地連接。對於這些變更在後述實施方式2也是可適用的。
構成阻擋層103、105以及溝道層104的材料不限於上述說明的。即，只要由III-V族化合物半導體構成即可，不僅用二元系材料，也可以用三元、四元或五元混晶材料。如果溝道層104含有In，由於可以使能帶間隙變狹，所以優選。
可是，在本實施方式，在溝道層104使用含有N的GaInNAs，通過這樣含有N，可以得到如下所示的效果。通常電子的有效質量比空穴(正孔)的有效質量小許多，因此，電子的遷移率比空穴的遷移率大很多。在這裡，信號頻率變高，在信號波長相對源·漏間距離而短的情況下，如果如上述所示，電子及空穴的遷移率相差很大，則有可能在傳播中等離子體振動相位錯移，耦合解除，與此相反，如果如上所述添加N，則可以增大電子的有效質量，由此可以使電子遷移率減慢。由於其結果使兩者的遷移率之差變小，所以可以防止等離子體振動的耦合的解除，可以進行穩定的信號傳遞。作為其一例，示出在GaAs內添加N時的電子有效質量。在以下的表示出GaNxAs1-x中的x值，即示出改變N組成率時的電子有效質量。這樣，如果增加N的組成率，由於電子的有效質量變大，優選。作為V族元素的N的導入雖然對傳導帶給予很大影響，然而對價電子帶的影響比其小，所以空穴的有效質量(約0.62)沒有太大變化。
可是，在III-V族化合物半導體基板上生長的半導體混晶內，N的添加界限約為0.1。這時為了保持良好的結晶性，約0.07是上限。叢此觀點出發，在構成溝道層104的III-V族化合物半導體中含有N、As，N的組成率，即表示為NxAs1-x的情況中的x值優選在0以上0.1以下，更優選在0.01以上0.07以下，特別優選在0.02以上0.05以下。在這裡所謂的有效質量指的是相對於真空中的電子重量的相對重量。
在本實施方式，構成溝道層104的半導體混晶是Ga(0.2)In(0.8)N(0.04)As(0.96)。尤其是，作為InP基板上的溝道層的組成優選作成Ga(y)In(1-y)N(x)As(1-x)混晶，在y＝0.47-6.7x±0.26以內，而且x通過使用作為上述範圍的組成範圍，可得到高品質的半導體膜。
作為在GaAs基板上溝道層的組成，優選作成Ga(y)In(1-y)N(x)As(1-x)混晶，在y＝1-2.9x±0.12以內，而且x通過使用作為上述範圍的組成範圍，可得到高品質的半導體膜。
(實施方式2)其次，邊參照附圖，邊對本發明的實施方式2加以說明。圖3是本實施方式的等離子體振動開關元件的截面圖。本實施方式的等離子體振動開關元件與實施方式1不同之點在於電極的構成，因為基板、疊層體的構成是與實施方式1相同，附同一符號，省略其說明。
如圖3所示，在本實施方式，在第二阻擋層105的上面形成絕緣層106和夾持該絕緣層106地在阻擋層105兩側配置的一對接觸層112。在絕緣層106的上面上形成與實施方式1說明的同一構成的第一源極電極107、柵極電極109以及第一漏極電極108。在與第一源極電極107鄰接的接觸層112上形成第二源極電極113，在與第一漏極電極108鄰接的接觸層112上形成第二漏極電極114。接觸層112可以通過例如高濃度添加有p型雜質的InGaAs形成，據此，第二源極電極113及漏極電極114對第二阻擋層105及二維空穴氣HG作成歐姆接觸。
其次，對如上述所示構成的開關元件的動作加以說明。與在實施方式1說明的同樣地，高頻信號輸入到第一源極電極107，在柵極電極109上加直流電壓或者較低頻信號。據此，在二維電子氣EG及二維空穴氣HG產生等離子體振動。與這些振動耦合，使高頻信號從源極電極107側傳播到漏極電極108側。另一方面，在第二源極電極113及漏極電極114間加直流電壓。在這裡，因為第二源極電極113及漏極電極114經接觸層112與第二阻擋層105連接，在二維空穴氣HG內作成歐姆性接觸。因而，如果例如使第二漏極電極114為正地加電壓，則在二維空穴氣HG內空穴應當從第二漏極電極114側遷移到第二源極電極113側。另一方面，二維電子氣EG內的電子不遷移。
如果空穴這樣遷移，則通過都卜勒效應，使等離子體振動波長改變。即，如圖4所示，由於在二維空穴氣HG，空穴向與振動的傳播方向相反方向流動，所以振動的波長變短。另一方面，二維電子氣EG的等離子體振動的波長不改變。這樣一來，各氣體產生的等離子體振動的相位隨著信號的傳播出現偏移，在該偏移量與波長一致時，(例如線K上)，兩振動再耦合。如果根據圖4作詳細說明，二維電子氣EG的等離子體振動的1波長和空穴的振動n波長(n是2以上的自然數，在圖4，n＝2)一致，則兩振動再耦合。據此，在漏極電極108，有選擇地只強調輸出與源·漏間的相位變化量一致的波長的頻率信號。而且，除此以外的信號被等離子體振動的相位偏移所壓制。
如以上所示，根據本實施方式，在夾持第一源極電極107及漏極電極108的位置上設置加直流電壓的第二源極電極113及漏極電極114。而且，由於通過流過該電極間的直流電流，可以分別改變各等離子體振動波長，所以可以只取出與相位變化量一致的波長的頻率信號。即，本實施方式的等離子體振動開關元件可作為取出任意頻率信號的濾波器發揮功能。這時，因為相位偏移量通過第二源極電極113及漏極電極114間的電流量而變化，所以可取出任意頻率的信號。這樣，為了以本元件作為濾波器發揮功能，可以省略柵極電極109，據此使構造變簡單，製造容易。
可是，在圖3，第二源·漏電極113、114經第二阻擋層105與二維空穴氣HG實現歐姆性接觸。在臺面狀的斜面上也擴張設置第二源·漏電極113、114，或者在臺面的下部露出第一阻擋層103的一部分，在那裡也可以擴張設置第二源·漏電極113、114。由此的製造過程變得若干複雜，然而可能使第二源·漏電極113、114，不僅與二維空穴氣HG，而且經第一阻擋層103與二維電子氣EG實現歐姆性接觸。這種情況下，如果第二源·漏電極113、114之間流過電流，則在二維電子氣EG及二維空穴氣HG雙方，電子和空穴分別遷移。這時因為通過電子和空穴的遷移方向相逆，產生相位偏移，所以可得與上述實施方式同樣的效果。
此外，如圖5所示，在臺面的下部露出第一阻擋層103的一部分，在那裡經第一阻擋層103也可以使與二維電子氣EG歐姆性接觸的第三源極電極115及第三漏極電極116與第二源·漏電極113、114獨立設置。由此製造過程變得更加複雜，然而可以用第二源·漏電極113、114和第三源·漏電極115、116分別獨立地控制二維空穴氣HG的空穴遷移量和二維電子氣EG內的電子遷移量。
在上述開關元件，使第二源·漏電極113、114的任一方接地或與電源電壓連接，也使AC短路，對另一方電極加以控制，使電流變為一定，使AC開路，可進行信號放大及振蕩動作。在這裡也與上述所示，可以用將第三源·漏電極115、116與第二源·漏電極113、114獨立而設置的元件。在這種情況下，因為通過在第二源·漏電極113、114和第三源·漏電極之間相互流過相反方向電流，可以使電子和空穴的遷移方向一致，在雙方得到增益，所以是特別希望的。
以下，更加詳細地說明由上述開關元件產生的信號的放大及振蕩動作。正如M.Dyakonov及M.Shur指出，第二(及第三)的源·漏電極113、114對等離子體振動形成2個境界，AC短路電極對等離子體振動成為固定端，AC開路電極成為自由端。在元件內，可以建立與電子氣(或空穴氣)的擴展尺寸對應的等離子體振動的駐波，可以對於對應的頻率的電信號(或電磁波)諧振。諧振頻率與等離子體振動的傳播速度有依存關係，因為這由電荷密度決定，所以通過改變柵極電壓而可調製。
在該元件內，以電子(或空穴)從固定端向自由端方向遷移而且其速度不超過等離子體振動傳播速度的範圍地流過電流。這樣一來，對於從固定端向著自由端行進的行波看起來自由端境界在接近。其結果，自由端的反射率成為絕對值超過1的復值。此外對於逆方向的行波(在自由端的反射波)固定端看起來在後退，因為電子(或空穴)的速度比行波的傳播速度慢，所以一直追趕，再次反射。其結果，行波在左右境界之間可以多重反射，而且，在自由端的每次反射其振幅放大。如果改變看法，通過成為介質的電子(或空穴)的遷移，諧振頻率固有值的虛數成分變正，出現隨著時間振幅增大的不穩定模式。根據行波在諧振器內疊加反射而使振幅放大，而決定其上限的元件增益受限於在各境界的反射損耗或在諧振器內的相位散亂·能量散亂等，而為有限值。
然而，例如以第二(及第三)源極電極113作為固定端，以第二源極電極114作為自由端的同時，電子(或空穴)從第二源極電極113側向第二漏極電極114側遷移地流過直流電流，此外，通過把具有合適頻率的電信號導入第一源極電極107，從第一漏極電極108輸出放大了的信號。即，作為放大裝置動作。此外，通過把輸出信號的一部分反饋到輸入側，也可作為振蕩裝置動作。通過改變柵極電壓也可以調製諧振(放大·振蕩)的頻率。
即使在這樣的放大·振蕩動作，通過用相互耦合的二維電子氣EG及二維空穴氣而在與其耦合的第一源極電極107和漏極電極108上進行高頻信號輸出輸入的構成，此外，用獨立的第二源·漏電極113、114(及第三源·漏電極)供給直流電流的構成，可以更加容易地在輸出輸入信號和等離子體振動之間進行耦合。
(實施方式3)其次，邊參照附圖，邊對本發明的實施方式3加以說明。本實施方式是有實施方式1的等離子體振動開關元件的高頻調製裝置。圖6是本實施方式的高頻調製裝置的概略構成圖。
如圖6所示，該高頻調製裝置包含實施方式1所示的等離子體振動開關元件10、輸入匹配電路20、和高頻信號發生裝置30。在輸入匹配電路20上設置輸入調製信號的輸入部41的同時，在開關元件10的漏極電極108上設置輸出部42。在開關元件10的柵極電極109上連接上述輸入匹配電路20的同時，在源極電極107連接高頻發生裝置30。
如以上所示構成的裝置如下所示動作。即，由高頻信號發生裝置30產生的1000GHz左右的高頻信號Sa輸入開關元件10。在從輸入部41輸入的調製信號Sb在輸入匹配電路20進行阻抗匹配，輸入到開關元件10的柵極電極109。在這裡，在開關元件10，如實施方式1說明的，在從源極電極107向漏極電極109傳播高頻波段信號的同時，通過柵極電壓控制該信號。因而，如上述所示，輸入到源極電極107的高頻信號Sa通過輸入柵極電極109的調製信號Sb而被調製，從漏極電極108輸出。
如以上所示，根據本實施方式，通過使用在實施方式1用的等離子體振動開關元件，可以以簡單的構成實現在高頻區域動作的調製裝置。在這裡，如果在輸出部42上連接天線，則可以把調製了的高頻信號Sc作為輸出電磁波向外部發射。因而，可將本裝置用作使用高頻區域電磁波的發射機。在開關元件10和天線之間還設置阻抗匹配裝置，在上部輸入部41或輸出部42上也可以設置放大裝置。在本實施方式，使用實施方式1的等離子體振動開關元件，然而，不用說也可以使用實施方式2的等離子體開關元件。
以上，對本發明的實施方式加以說明，然而，本發明並不限於上述各實施方式，只要不脫離其要點可作各種變更。例如，等離子體振動開關元件的基板101也可以由InP以外的材料形成，例如可以通過半絕緣性的III-V族化合物半導體形成。或者由Al2O3等的絕緣性基板形成。這樣一來，如果用半絕緣性或絕緣性基板，則因為降低了開關元件的靜電容量，所以可以提高高頻特性。此外，也存在所謂在形成多個開關元件之際容易形成各元件的絕緣的有利之處。
在上述各實施方式，在第一阻擋層103上形成n型擴散層103a，在第二阻擋層105上形成p型擴散層105a，也可以與其相反。即，也可以在第一阻擋層103上形成p型擴散層，在第二阻擋層105上形成n型擴散層。此外，在上述各實施方式，如圖2所示，以使溝道層104的能帶間隙比第一及第二阻擋層103、105的能帶間隙還小的方式選擇形成各層的材料，然而並不限於此。即，用於積聚二維電子氣EG及空穴氣HG的偏移部分也可以在各阻擋層103、105和溝道層104的境界上形成，具體講，只要具有n型擴散層的阻擋層的傳導帶端的能量(對電子的勢能)比溝道層的傳導帶端的能量大，具有p型擴散層的阻擋層的價電子帶端的能量比溝道層的價電子端的能量小即可。這時形成的能帶偏移優選在0.1eV以上1.0eV以下。
在上述實施方式，通過δ摻雜，在各阻擋層103、105形成添加有雜質的擴散層，然而也可以如下所示進行。例如也可以在各阻擋層103、105中，在溝道層104與擴散層103a、105a之間形成具有預定厚度的無添加區域103b、105b，在阻擋層103、105的其以外部分全部添加雜質。或者，也可以在阻擋層103、105全部添加雜質。通過這樣作，使製造變得容易。可是，如實施方式1說明的那樣，為了有效地產生等離子體振動，優選在溝道層104和擴散層103a、105a之間設置預定間隔的無添加層103b、105b。
在上述各實施方式，使接地的共用電極111設置在基板101的下面，然而設置共用電極的位置不限於這部分，也可以設置在基板101和第一阻擋層103之間的區域102。也可以在基板101上添加雜質，其上設置共用電極。此外，也可以設置與二維電子氣或空穴氣至少一方歐姆性接觸的電極，以此作為共用電極。可是，這樣獨立的共用電極也不一定是必要的，也可以用柵極電極109作為共用電極使用。然而，從信號輸入的高效率化或電路簡易化的觀點出發，優選設置上述所示的共用電極。
工業上利用的可能性根據本發明，提供在高頻區域可實現可靠動作的等離子體振動開關元件。
權利要求
1.一種等離子體振動開關元件，其特徵在於，具有基板；在所述基板上形成、由III-V族化合物半導體構成的第一阻擋層；在所述第一阻擋層上形成，由III-V族化合物半導體構成的溝道層；在所述溝道層上形成，由III-V族化合物半導體構成的第二阻擋層；和在所述第二阻擋層上設置的源極電極、柵極電極以及漏極電極，所述第一阻擋層具有n型擴散層及p型擴散層的任意一方，所述第二阻擋層具有這些擴散層的任意另一方，具有所述n型擴散層的阻擋層的傳導帶端能量比所述溝道層的傳導帶端的能量大，具有所述p型擴散層的阻擋層的價電子帶端的能量比所述溝道層的價電子帶端的能量小，在具有所述n型擴散層的阻擋層和所述溝道層之間的境界上積聚二維電子氣，另一方面，在具有p型擴散層的阻擋層和所述溝道層之間的境界上積聚二維空穴氣，所述源極電極、所述柵極電極以及所述漏極電極分別與所述二維電子氣及二維空穴氣靜電耦合。
2.根據權利要求1所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，通過在所述源極電極上加高頻信號，在所述二維電子氣及二維空穴氣產生等離子體振動，這些等離子體振動耦合，傳播到所述漏極電極側。
3.根據權利要求1所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，具有所述n型擴散層的阻擋層的傳導帶端能量和所述溝道層傳導帶端能量之差，以及具有所述p型擴散層的阻擋層的價電子帶端的能量和所述溝道層的價電子帶端能量之差為0.1eV以上1.0eV以下。
4.根據權利要求1所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，所述溝道層的能帶間隙比所述第一阻擋層及第二阻擋層的能帶間隙小。
5.根據權利要求1所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，所述溝道層含有N。
6.根據權利要求5所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，所述溝道層含有NxAs1-x，N的組成率x在0以上0.1以下。
7.根據權利要求5所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，所述溝道層含有NxAs1-x，N的組成率x在0.01以上0.07以下。
8.根據權利要求1所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，所述各擴散層在離開所述溝道層10nm以上100nm以下的間隔配置。
9.根據權利要求1所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，所述基板包含接地的共用電極。
10.根據權利要求1所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，在所述源極電極上加10GHz以上1000GHz以下的高頻信號，在所述柵極電極上加直流電壓，或者頻率為所述源極電極上所加信號的頻率的0.1％以上10％以下的頻率信號。
11.根據權利要求1所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，所述源極電極、所述柵極電極以及所述漏極電極分別經絕緣層，在所述第二阻擋層上形成。
12.根據權利要求1所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，所述源極電極、所述柵極電極以及所述漏極電極和所述第二阻擋層分別形成肖脫基結。
13.根據權利要求1所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，在夾持所述源極電極、所述柵極電極以及所述漏極電極的任一電極的位置，形成與所述二維電子氣及二次空穴氣的任一方或雙方作歐姆性接觸的第二源極電極及第二漏極電極。
14.根據權利要求13所述的等離子體振動開關元件，其特徵在於，在所述第二源極電極和第二漏極電極之間加直流電壓。
全文摘要
本發明的等離子體振動開關元件包含半導體基板(101)；在該基板上形成的由Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體構成的第一阻擋層(103)，在第一阻擋層上形成的由Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體構成的溝道層(104)；在溝道層上形成的由Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體構成的第二阻擋層(105)；和在第二阻擋層上設置的源極電極(107)、柵極電極(109)以及漏極電極(108)，第一阻擋層具有n型擴散層(103a)，第二阻擋層具有p型擴散層(105a)，溝道層的能帶間隙比第一及第二阻擋層的能帶間隙小，在第一阻擋層和溝道層之間境界的傳導帶上積聚二維電子氣EG，另一方，在第二阻擋層和溝道層境界的價電子帶上積聚二維空穴氣HG，各電極經絕緣層(106)在第二阻擋層上形成。
文檔編號H01L29/20GK1650436SQ0380964
公開日2005年8月3日 申請日期2003年9月30日 優先權日2002年10月9日
發明者吉井重雄, 大塚信之, 水野紘一, 鈴木朝實良, 橫川俊哉 申請人:松下電器產業株式會社