DE19528604A1

DE19528604A1 - Feldeffekt-Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE19528604A1
Application number: DE19528604A
Authority: DE
Inventors: Yasutaka Kohno; Akira Inoue
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-03-14
Filing date: 1995-08-03
Publication date: 1996-09-19
Anticipated expiration: 2015-08-04
Also published as: DE19528604C2; US5808332A; JPH08250520A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht auf eine Feldeffekt- Halbleitervorrichtung und insbesondere auf die Vorrich tungsstruktur eines GaAs-Schottky-Feldeffekttransistors mit hoher Ausgangsleistung und hohem Wirkungsgrad.

Fig. 14 ist eine Schnittansicht eines Beispiels einer herkömmlichen Feldeffekt-Halbleitervorrichtung, die ein ausgekehlter GaAs-Schottky-Feldeffekttransistor mit hoher Ausgangsleistung für Mikrowellenvorrichtungen ist. In der folgenden Beschreibung wird der Schottky-Feldeffekttransi stor als "MESFET" abgekürzt.

In Fig. 14 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein halbiso lierendes GaAs-Substrat und das Bezugszeichen 2 eine aktive GaAs-Schicht vom n-Typ. Ferner bezeichnen die Bezugszeichen 3 und 4 stark dotierte Verunreinigungsbereiche vom n-Typ, 5 einen Gate-Finger, 6 eine Sourceelektrode, 7 eine Drain elektrode und 8 eine Aussparung.

Nachstehend wird der Betrieb des vorstehenden GaAs- MESFET beschrieben.

Die aktive Schicht 2 ist auf dem halbisolierenden GaAs- Substrat 1 ausgebildet. Die Sourceelektrode 6 und die Drainelektrode 7 sind auf der aktiven Schicht 2 vorgesehen, so daß diese ohmsche Kontakte ausbilden; der Gate-Finger 5 ist ebenfalls auf der aktiven Schicht 2 vorgesehen, so daß ein Schottky-Übergang ausgebildet ist. Wenn zwischen die Sourceelektrode 6 und die Drainelektrode 7 eine vorge schriebene Drainspannung V_ds angelegt wird, fließt zwischen diesen Elektroden ein Drainstrom I_ds. Der Drainstrom I_ds wird moduliert, indem durch die Änderung einer Gatespannung V_gs, die zwischen den Gate-Finger 5 und die Sourceelektrode 6 angelegt wird, die Ausdehnung der Schottky-Sperr-Verar mungsschicht geändert wird.

Fig. 15 ist eine graphische Darstellung, die eine I-V- Kennlinie des herkömmlichen MESFET zeigt. Die Horizontal achse stellt die Drainspannung V_ds dar, die Vertikalachse stellt den Drainstrom I_ds dar und der Parameter ist die Gate-Vorspannung V_gs.

Wenn in Fig. 15 die Gate-Vorspannung V_gs eine positive Spannung ist, verringert sich die Steilheit G_m, die der An stieg des Drainstromes I_ds geteilt durch den Anstieg der Gatespannung V_gs ist, wobei ein Einfluß durch die Ausdeh nung der Oberflächenverarmungsschicht vorliegt, die zum Gate-Finger 5 in der Aussparung 8 benachbart ist.

Im Fall der A-Verstärkung, wird die Ausgangsleistung P_out des MESFET ausgedrückt als:

P_out = (V_max - V_min)I_max/8,

wobei I_max der maximale Drainstrom ist und V_max und V_min in Fig. 15 gezeigt sind.

Es ist verständlich, daß zur Erhöhung der Ausgangslei stung des MESFET eine Erhöhung des maximalen Drainstroms I_max notwendig ist.

Ein Verfahren zum Erhöhen des maximalen Drainstroms I_max zur Erhöhung des Ausgangsleistung des MESFET besteht in der Erhöhung der gesamten Gatebreite, indem eine Anzahl von Gate-Fingern 5 angeordnet wird, d. h. indem eine Anzahl von MESFET parallel verbunden wird.

Bei erhöhter Gatebreite werden jedoch die Operationen der einzelnen MESFET ungleichmäßig. Ferner verringern ab weichende Mikrowellen-Phasen, die mit der vorstehenden Ga te-Anordnung und anderen Faktoren im Zusammenhang stehen, die Verstärkung und den leistungsbezogenen zusätzlichen Wirkungsgrad.

Im Hinblick auf dieses Problem wird nun versucht, einen MESFET mit hohem Wirkungsgrad für die Verwendung mit hoher Leistung zu entwickeln, indem die Ausgangsleistung erhöht wird, ohne daß die gesamte Gatebreite erhöht wird, d. h. in dem die Leistungsdichte des MESFET erhöht wird.

Fig. 16 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen MESFET mit hohem Wirkungsgrad für die Verwendung mit hoher Leistung.

Wie es in Fig. 16 gezeigt ist, ist der Gate-Finger 5 in der aktiven Schicht 2 teilweise vergraben. Diese Struktur ist darin wirksam, daß diese den Gate-Finger 5 bezüglich der Oberflächenverarmungsschicht weniger empfindlich macht. Wenn der Gate-Finger 5 in der aktiven Schicht tiefer ver graben wird, wird dieser bezüglich den Oberflächenzuständen weniger empfindlich.

Fig. 17 ist eine graphische Darstellung, die eine I-V- Kennlinie des MESFET von Fig. 16 zeigt. Die Horizontalachse stellt die Drainspannung V_ds dar, die Vertikalachse stellt den Drainstrom I_ds dar und der Parameter ist die Gate-Vor spannung V_gs. Aus Fig. 17 ist ersichtlich, daß der maximale Drainstrom I_max erhöht ist.

Fig. 18 ist eine graphische Darstellung, die die Steil heit G_m des MESFET von Fig. 16 zeigt und in der die Hori zontalachse die Gate-Vorspannung V_gs und die Vertikalachse die Steilheit G_m darstellen.

Wie es Fig. 18 entnommen werden kann, wird die Verrin gerung der Steilheit G_m im Bereich von positiver Gate-Vor spannung so stark unterdrückt, wie der Einfluß der Oberflä chenverarmung verringert ist, woraus sich eine Erhöhung von I_max ergibt.

Das Vergraben des Gate-Fingers 5 in der aktiven Schicht 2 erhöht jedoch die Gate-Drain-Kapazität C_gd, wodurch sich die Verstärkung verringert.

Im Fall einer A-Verstärkung, wird der leistungsbezogene zusätzliche (power-added) Wirkungsgrad η_add ausgedrückt als:

η_add = (G - 1)P_in/P_dc,

wobei G die Verstärkung ist, P_in die Eingangsleistung und P_dc die angelegte Gleichstromleistung ist. Die ange legte Gleichstromleistung P_dc ist durch die Gleichstromkom ponente des Drainstromes definiert, die mit der Drain-Vor spannung multipliziert wird.

Daher verursacht die Verstärkungsverringerung das Pro blem der Verringerung des leistungsbezogenen zusätzlichen Wirkungsgrades η_add.

Ferner wird zur Erhöhung des Wirkungsgrades im Hinblick auf die Schaltungskonfiguration ebenfalls versucht, das Verstärkungsschema von A zu AB und zu B zu ändern. Es wurde experimentell und theoretisch nachgewiesen, daß sich der Wirkungsgrad in vorstehenden Reihenfolge verbessert.

Da sich jedoch die Ausgangsleistung und die Verstärkung verringern, wenn sich das Verstärkungsschema an B annähert, besteht gewöhnlich keine andere Möglichkeit zur Bestimmung des Verstärkungsschemas, als zwischen der Verstärkung und dem Wirkungsgrad einen Kompromiß zu bilden.

Die vorliegende Erfindung wurde ausgeführt, um die vor stehend beschriebenen Probleme zu lösen; ihre Aufgabe be steht darin, einen Feldeffekttransistor mit hoher Ausgangs leistung und hohem Wirkungsgrad vorzusehen.

Entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung vorgesehen, die aufweist: ein halbisolierendes Halbleitersubstrat, eine er ste Halbleiterschicht, die auf einer Hauptfläche des Halb leitersubstrats ausgebildet ist, eine Steuerelektrode, die auf der ersten Halbleiterschicht ausgebildet ist, eine erste und eine zweite Elektrode, die auf der ersten Halb leiterschicht zueinander entgegengesetzt ausgebildet sind, wobei die Steuerelektrode zwischen diese eingebracht ist, und eine Verarmungsschicht-Ausbildungseinrichtung, die zwi schen der Steuerelektrode und der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode vorgesehen ist, um in dieser eine Verar mungsschicht auszubilden, so daß sich ein Ende der Verar mungsschicht näher als ein Ende einer Verarmungsschicht, die mittels der Steuerelektrode in der ersten Halbleiter schicht ausgebildet ist, am Halbleitersubstrat befindet.

Als speziellere Struktur ist einer Feldeffekt-Halblei tervorrichtung vorgesehen, die aufweist: ein halbisolieren des Halbleitersubstrat, eine erste Halbleiterschicht, die auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, eine Steuerelektrode, die auf der Halbleiterschicht ausgebildet ist, eine erste und eine zweite Elektrode, die auf der ersten Halbleiterschicht zueinander entgegengesetzt ausgebildet sind, wobei die Steuerelektrode zwischen diese eingebracht ist, und eine zweite Halbleiterschicht, die zwischen der Steuerelektrode und der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode vorgesehen ist und eine Verunreini gungskonzentration aufweist, die niedriger als die der ersten Halbleiterschicht ist.

Es ist ebenfalls eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung vorgesehen, die aufweist: ein halbisolierendes Halbleiter substrat, eine erste Halbleiterschicht, die auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, eine Steuerelektrode, die auf der Halbleiterschicht ausgebildet ist, eine erste und eine zweite Elektrode, die auf der ersten Halbleiterschicht entgegengesetzt zueinander aus ge bildet sind, wobei die Steuerelektrode zwischen diese ein gebracht ist, und einen dünn ausgestalteten Abschnitt der ersten Halbleiterschicht, der zwischen der Steuerelektrode und der ersten oder der zweiten Elektrode vorgesehen ist.

Ferner ist eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung vorge sehen, die aufweist: ein halbisolierendes Halbleiter substrat, eine erste Halbleiterschicht, die auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, eine erste und eine zweite Steuerelektrode, die auf der ersten Halbleiterschicht nebeneinander ausgebildet sind, eine erste und zweite Elektrode, die auf der ersten Halbleiter schicht entgegengesetzt zueinander ausgebildet sind, wobei die erste und die zweite Steuerelektrode zwischen diese eingebracht sind, und eine Stromversorgungsschaltung, die einen Ausgabeanschluß hat, der mit der zweiten Steuerelek trode verbunden ist, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, so daß eine Verarmungsschicht, die in der ersten Halblei terschicht mittels der zweiten Steuerelektrode ausgebildet ist, dicker als eine Verarmungsschicht ist, die in der er sten Halbleiterschicht mittels der ersten Steuerelektrode ausgebildet ist, die mit einem Eingangssignal gespeist wird.

Entsprechend der vorstehend beschriebenen ersten Aus führungsform der Erfindung wird die Ladungsträgerbewegung zwischen der ersten und der zweiten Elektrode unterdrückt, so daß die charakteristische Kurve, die das Verhältnis zwi schen dem Ausgangssignal und der Spannung, die zwischen die erste und die zweite Elektrode angelegt wird, darstellt, auf eine Änderung der Steuerspannung, die größer als ein vorgeschriebener Wert ist, weniger empfindlich reagiert. Als Ergebnis kann, wenn das Eingangssignal groß ist, das Ausgangssignal verzerrt werden; daher wird die Gleichstrom komponente des Ausgangssignals verringert. Das ermöglicht das Vorsehen von Vorrichtungen mit hohem Wirkungsgrad.

In der zuletzt genannten Feldeffekt-Halbleitervorrich tung kann die Stromversorgungsschaltung eine Konstantspan nungsschaltung oder eine Rückführschaltung sein, die eine Rückführspannung erzeugt, die einer Ausgangsleistung an der ersten oder zweiten Elektrode entspricht. Daher kann die Stromversorgungsschaltung als einfache Schaltung aufgebaut sein, die das Vorsehen von billigeren Vorrichtungen ermög licht.

In der Feldeffekt-Halbleitervorrichtung entsprechend der ersten Ausführungsform der Erfindung kann der Halblei ter Galliumarsenid sein, das eine hohe Elektronenmobilität und ein halbisolierendes Substrat vorsieht. Als Ergebnis können leistungsstarke Vorrichtung erhalten werden, die mit hoher Geschwindigkeit und geringerem Energieverbrauch ar beiten.

Entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfin dung ist eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung vorgesehen, die aufweist: ein halbisolierendes Halbleitersubstrat, das aus einem ersten Halbleiter gefertigt ist, eine erste Halb leiterschicht, die aus dem ersten Halbleiter gefertigt ist und auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, eine zweite Halbleiterschicht, die aus einem zweiten Halbleiter gefer tigt ist, vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die erste Halbleiterschicht ist und auf der ersten Halbleiterschicht ausgebildet ist, so daß ein Heteroübergang ausgebildet wird, eine dritte Halbleiterschicht, die aus dem ersten Halbleiter gefertigt ist, vom gleichen Leitfähigkeitstyps wie die erste Halbleiterschicht ist und auf der zweiten Halbleiterschicht auswählend ausgebildet ist, so daß ein Heteroübergang ausgebildet wird, eine erste und eine zweite Elektrode, die auf der dritten Halbleiterschicht entgegen gesetzt zueinander ausgebildet sind, und eine Steuerelek trode, die auf oder über der zweiten Halbleiterschicht zwi schen der ersten und der zweiten Elektrode ausgebildet ist.

Bei dieser Struktur ist eine Heteroübergangs-Sperr schicht an vier Orten vorhanden, die auf Ladungsträger wirkt, die sich zwischen der ersten und der zweiten Elek trode bewegen. Bei einer Schwellenspannung, die eine Span nung zwischen der ersten und zweiten Elektrode ist, die von den Ladungsträgern benötigt wird, um diese Heteroübergangs- Sperrschichten zu überwinden, ist eine Diskontinuität des Sättigungs-Ausgangssignals vorhanden. Daher kann das Aus gangssignal verzerrt werden, wenn das Eingangssignal groß ist; daher kann die Gleichstromkomponente des Ausgangssi gnals verringert werden. Das ermöglicht das Vorsehen von Vorrichtungen mit hoher Ausgangsleistung und hohem Wir kungsgrad.

Bei der vorstehenden Feldeffekt-Halbleitervorrichtung kann die Steuerelektrode auf der dritten Halbleiterschicht ausgebildet sein. In diesem Fall sind zwei aktive Schichten vorhanden, d. h. die erste und die dritte Halbleiterschicht. Wenn die Spannung, die zwischen die erste und die zweite Elektrode angelegt wird, niedrig ist, bewegen sich Ladungs träger durch die erste Halbleiterschicht. Wenn andererseits die Spannung, die zwischen die erste und die zweite Elek trode angelegt wird, den Schwellenwert übersteigt, bewegen sich Ladungsträger sowohl durch die erste als auch die dritte Halbleiterschicht, was eine Diskontinuität des Sät tigungs-Ausgangssignals verursacht, die die gleichen Vor teile wie vorstehend beschrieben vorsieht.

Alternativ dazu kann die Steuerelektrode direkt auf der zweiten Halbleiterschicht ausgebildet sein. In diesem Fall ist nur eine aktive Schicht vorhanden, d. h. die erste Halb leiterschicht. Wenn die Spannung, die zwischen die erste und die zweite Elektrode angelegt wird, gering ist, bewegen sich die Ladungsträger nicht. Wenn andererseits die Span nung, die zwischen die erste und die zweite Elektrode ange legt wird, den Schwellenwert übersteigt, wird die Bewegung von Ladungsträgern gestattet, was eine Diskontinuität des Sättigungs-Ausgangssignals verursacht, die den gleichen Vorteil wie vorstehend beschrieben vorsieht.

Als weitere Alternative ist eine Feldeffekt-Halbleiter vorrichtung vorgesehen, die aufweist: ein halbisolierendes Halbleitersubstrat, das aus einem ersten Halbleiter gefer tigt ist, eine isolierende erste Halbleiterschicht, die aus einem zweiten Halbleiter gefertigt ist und auf dem Halblei tersubstrat ausgebildet ist, eine zweite Halbleiterschicht, die aus dem ersten Halbleiter gefertigt ist und auf der er sten Halbleiterschicht ausgebildet ist, um einen Hetero übergang auszubilden, eine erste und zweite Elektrode, die auf der zweiten Halbleiterschicht entgegengesetzt zueinan der ausgebildet sind, und eine Steuerelektrode, die auf der zweiten Halbleiterschicht zwischen der ersten und der zwei ten Elektrode ausgebildet ist.

Bei dieser Struktur ist an einem Abschnitt, der nahe an der Grenze der ersten und der zweiten Halbleiterschicht liegt, die Kristallinität der ersten Halbleiterschicht ver ringert. Wenn die Spannung, die zwischen die erste und die zweite Elektrode angelegt wird, den Schwellenwert über steigt, werden durch Stoßionisation in diesem Abschnitt La dungsträger erzeugt, so daß die Ladungsträgerbewegung zu einer dieser Elektroden erhöht wird. Somit wird eine Dis kontinuität des Sättigungs-Ausgangssignals bewirkt, die die gleichen Vorteile wie vorstehend beschrieben vorsieht. Fer ner wird mit der einfachen Vorrichtungsstruktur ein zusätz licher Vorteil vorgesehen.

In der Feldeffekt-Halbleitervorrichtung entsprechend der zweiten Ausführungsform der Erfindung kann der erste Halbleiter Galliumarsenid und der zweite Halbleiter Alumi niumgalliumarsenid sein. Das gestattet die Ausbildung einer stabilen Heteroübergangsstruktur, die das Vorsehen von Vor richtungen mit hoher Betriebssicherheit ermöglicht.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines MESFET entspre chend einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er findung,

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die eine I-V- Kennlinie des MESFET des ersten Ausführungsbeispiels zeigt,

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Abhän gigkeit der Steilheit der Gate-Source-Spannung des MESFET des ersten Ausführungsbeispiels zeigt,

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Drain strom-Wellenformen des MESFET von Fig. 1 entsprechend zwei Hochfrequenz-Eingangsleistungspegeln zeigt,

Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines MESFET entspre chend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines Dualgate-GaAs- MESFET, der Teil eines MESFET entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist,

Fig. 7 ist eine Schaltung, die die Struktur des MESFET entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, die die Abhän gigkeit der Steilheit des MESFET des dritten Ausführungs beispiels von der Spannung, die an seine Steuergateelektro de angelegt ist, zeigt,

Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines MESFET entspre chend einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die eine I-V- Kennlinie des MESFET des vierten Ausführungsbeispiels zeigt,

Fig. 11 ist eine Schnittansicht eines MESFET entspre chend einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 12 ist eine graphische Darstellung, die die I-V- Kennlinie des MESFET des fünften Ausführungsbeispiels zeigt,

Fig. 13 ist eine Schnittansicht eines MESFET entspre chend einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 14 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen MESFET,

Fig. 15 ist eine graphische Darstellung, die eine I-V- Kennlinie des herkömmlichen MESFET von Fig. 14 zeigt,

Fig. 16 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen MESFET mit hohem Wirkungsgrad zur Verwendung mit hoher Lei stung,

Fig. 17 ist eine graphische Darstellung, die eine I-V- Kennlinie des herkömmlichen MESFET von Fig. 16 mit hohem Wirkungsgrad zeigt, und

Fig. 18 ist eine graphische Darstellung, die die Steil heit des herkömmlichen MESFET von Fig. 16 mit hohem Wir kungsgrad zeigt.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines Beispiels einer Feldeffekt-Halbleitervorrichtung, die ein GaAs-Schottky- Feldeffekttransistor (GaAs-MESFET) ist. Dieser Typ von GaAs-MESFET wird als Mikrowellenverstärkungsvorrichtung mit hoher Ausgangsleistung verwendet, die an z. B. einem künst lichem Satelliten montiert ist, und hat eine Ausgangslei stung von einem Vielfachen von zehn Watt.

In Fig. 1 bezeichnen das Bezugszeichen 21 ein halbiso lierendes GaAs-Substrat (Halbleitersubstrat), 22 eine akti ve GaAs-Schicht von n-Typ (erste Halbleiterschicht), 23 und 24 stark dotierte Verunreinigungsbereiche vom n-Typ, 25 ei ne Gateelektrode (Steuerelektrode), 26 eine Sourceelektrode (erste Elektrode), 27 eine Drainelektrode (zweite Elek trode) und 40 eine GaAs-Schicht vom n-Typ (Verarmungsschicht-Ausbildungseinrichtung und eine zweite Halbleiterschicht).

Integrierte Schaltungen aus GaAs können mit hoher Ge schwindigkeit und mit geringem Energieverbrauch arbeiten, da eine hohe Elektronenbeweglichkeit vorhanden ist und das Halbleitersubstrat isolierend ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird die aktive GaAs- Schicht 22 vom n-Typ durch epitaxiales Wachstum auf der Hauptfläche des halbisolierenden GaAs-Substrats 21 ausge bildet. Die Gateelektrode 25 ist auf den aktiven Schicht 22 vorgesehen, damit ein Schottky-Übergang ausgebildet wird. Die Sourceelektrode 26 und die Drainelektrode 27 sind auf der aktiven Schicht 22 vorgesehen, so daß diese entgegenge setzt zueinander liegen, wobei die Gateelektrode 25 zwi schen diese eingebracht ist, und so daß diese mit der akti ven Schicht 22 ohmsche Kontakte bilden. Die stark dotierten Verunreinigungsbereiche 23 und 24 vom n-Typ sind ausgebil det, um die spezifischen Widerstände der Abschnitte der ak tiven Schicht 22 in der Nähe der Sourceelektrode 26 bzw. der Drainelektrode 27 zu verringern. Die GaAs-Schicht 40 vom n-Typ, deren Verunreinigungskonzentration niedriger als die der aktiven Schicht 22 ist, ist zwischen der aktiven Schicht 22, auf der die Gateelektrode 25 ausgebildet ist, und dem stark dotierten Bereich 24, der zur Drainelektrode 27 benachbart ist, ausgebildet.

Alternativ dazu kann die GaAs-Schicht 40 vom n-Typ zwi schen der aktiven Schicht 22, auf der die Gateelektrode 25 ausgebildet ist, und dem stark dotierten Bereich 23, der zur Sourceelektrode 26 benachbart liegt, vorgesehen sein.

Die GaAs-Schicht 40 vom n-Typ, die aktive Schicht 22 und die stark dotierten Bereiche 22 und 24 haben Verunrei nigungskonzentrationen von 0,1×10¹⁷ bis 3×10¹⁷ cm^-3, 1 × 10¹⁷ bis 10×10¹⁷ cm^-3 bzw. 10×10¹⁷ bis 30×10¹⁷ cm ^-3.

Nachstehend wird der Betrieb des vorstehenden MESFET beschrieben.

Im allgemeinen entwickelt sich eine Oberflächenverar mungsschicht im GaAs-MESFET, um mit Donatoren im GaAs eine negative Ladung auszugleichen, die durch Elektronen bedingt ist, die durch die GaAs-Oberflächenzustände eingefangen werden. Das Oberflächenpotential von GaAs ist am ehesten mit der Schottky-Sperrschicht-Höhe zu vergleichen, obwohl eine Abhängigkeit vom Herstellungsverfahren des GaAs-MESFET besteht.

Daher dient durch das Ausbilden der GaAs-Schicht 40 vom n-Typ wie in diesem Ausführungsbeispiel seine Oberflächen verarmungsschicht als Quasi-Gate-Verarmungsschicht. Wenn die Quasi-Gate-Verarmungsschicht dicker als die Gate-Verar mungsschicht mit einem vorgeschriebenen Gate-Vorspannungs wert gestaltet ist, tritt kein deutlicher Anstieg des Drainstromes auf, selbst wenn die Gate-Vorspannung V_gs auf einen Wert erhöht wird, der größer als der vorgeschriebene Wert ist.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die eine I-V- Kennlinie des GaAs-MESFET dieses Ausführungsbeispiels zeigt. Die Horizontalachse stellt die Drainspannung V_ds dar, die Vertikalachse stellt den Drainstrom I_ds dar und der Parameter ist die Gate-Vorspannung V_gs. Eine Gerade A ist eine Lastkennlinie in einem Fall, in dem der Eingangs pegel niedrig ist; p bezeichnet einen Arbeitspunkt. Eine Gerade B ist eine Lastkennlinie in einem Fall, in dem der Eingangspegel hoch ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist die Verunreinigungskon zentration der GaAs-Schicht 40 vom n-Typ niedriger einge stellt als die der aktiven Schicht 22, so daß die Oberflä chenverarmungsschicht der GaAs-Schicht 40 vom n-Typ dicker als die Gate-Verarmungsschicht ist, wenn die Gate-Vorspan nung V_gs = -0,5 V ist. Wenn die Gate-Vorspannung V_gs von - 0,5 V aus erhöht wird, weist der Drainstrom I_ds daher kei nen deutlichen Anstieg auf; d. h. daß die Intervalle zwi schen den I-V-Kurven, die den jeweiligen Gate-Vorspannungen entsprechen, zwischen V_gs = -0,5 V bis 0,5 V klein sind.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die die Abhän gigkeit der Steilheit G_m von der Gate-Source-Spannung V_gs zeigt. An der Hochspannungsseite der Gate-Vorspannung V_gs wird eine Verringerung der Steilheit G_m verzeichnet.

Wenn eine Hochfrequenzleistung mit einer Hochfrequenz (die im folgenden als HF abgekürzt wird) oder mehr an das Gate des GaAs-MESFET, das die vorstehende I-V-Kennlinie hat, angelegt wird, ändert sich die Drainstrom-Wellenform mit dem Hochfrequenz-Eingangsleistungspegel.

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Drain strom-Wellenform des GaAs-MESFET dieses Ausführungsbei spiels zeigt, die zwei Hochfrequenz-Eingangsleistungspegeln entsprechen. Die Horizontalachse stellt die Zeit t und die Vertikalachse den Drainstrom I_ds dar. Die Wellenformen A und B entsprechen einem kleinen Eingangsleistungspegel bzw. einem großen Eingangsleistungspegel. Die Geraden a und b sind Gleichstromkomponenten der Wellenformen A bzw. B.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 wird eine Be schreibung der Ursache vorgenommen, aufgrund der der GaAs- MESFET dieses Ausführungsbeispiels einen hohen Wirkungsgrad hat.

Es wird angenommen, daß eine Hochfrequenzleistung ange legt wird, wobei der Arbeitspunkt bei p eingestellt ist, wie es Fig. 2 gezeigt ist. Wenn das Eingangssignal klein ist, wird die Lastkennlinie zur Gerade A und die Hochfre quenz-Drainstrom-Wellenform wird eine in Fig. 4 gezeigte Sinuswelle A. Die Gleichstromkomponente des Drainstroms I_ds wird durch eine Gerade a dargestellt und hat den gleichen Wert wie der Arbeitspunkt p.

Wenn an den GaAs-MESFET, der die in Fig. 2 gezeigte I- V-Kennlinie hat, ein großes Eingangssignal angelegt wird, wird die Lastkennlinie an der Seite mit niedriger Spannung der Gate-Vorspannung V_gs begrenzt. Daher nimmt die Hochfre quenz-Drainstrom-Wellenform die Wellenform B von Fig. 4 an, die an der Seite mit großem Drainstrom verzerrt ist. Der mittlere Drainstrom, d. h. die Gleichstromkomponente des Drainstroms I_gs, wird durch die Gerade b dargestellt, deren Pegel niedriger als die Gerade a ist. Als Ergebnis wird die angelegte Gleichstromleistung P_ds verringert, während sich der leistungsbezogene zusätzliche Wirkungsgrad η_add ver größert.

Bei der AB-Verstärkung oder der B-Verstärkung, bei de nen der Arbeitspunkt ursprünglich niedrig ist, besteht eine Tendenz zur Erhöhung der Gleichstromkomponente des Hochfre quenz-Drainstroms I_ds mit der Erhöhung der Amplitude des Eingangssignals. Im Gegensatz dazu verringert sich beim GaAs-MESFET, der wie in diesem Ausführungsbeispiels die in Fig. 2 gezeigte I-V-Kennlinie hat, die Gleichstromkomponen te des Drainstroms I_ds, während sich der Wirkungsgrad ver bessert.

Obwohl die vorstehende Beschreibung in dem Fall ange wendet wird, in dem die I-V-Kennlinie eine Kennlinie ist, die als Gleichstrom beobachtet wurde, ist die Erfindung nicht auf einen solchen Fall beschränkt. Das heißt, daß eine gepulste I-V-Kennlinie, die durch das Anlegen einer gepulsten Gatespannung von einigen Nanosekunden bis einigen Millisekunden an einen GaAs-MESFET erhalten wird, statt einer Gleichstrom-I-V-Kennlinie die in Fig. 2 gezeigte Kennlinie haben kann. Der Grund dafür liegt darin, daß sich mit einer Hochfrequenz-Eingangsleistung die Gatespannung sinusförmig ändert.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht eines GaAs-MESFET ent sprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 5 bezeichnet das Bezugszeichen 41 einen Stufen abschnitt, d. h. einen dünn ausgestalteten Abschnitt, der in der aktiven Schicht 22 vorgesehen ist, wobei der Abschnitt eine Verarmungsschicht-Ausbildungseinrichtung ist. Die an deren Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Teile wie im ersten Ausführungsbeispiel.

In diesem Ausführungsbeispiel ist der Abschnitt der ak tiven Schicht 22 benachbart zur Gateelektrode 25 ausgegra ben, um den Stufenabschnitt 41 zu bilden. Der Abstand zwi schen der Oberfläche der aktiven GaAs-Schicht 22 vom n-Typ und der Grenze zwischen der aktiven Schicht 22 und dem GaAs-Substrat 21 im Stufenabschnitt 41 ist kleiner als der im Abschnitt der aktiven Schicht 22, auf dem die Gateelek trode 25 positioniert ist.

Daher ist das Ende der Oberflächenverarmungsschicht des Stufenabschnitts 41 näher an der Grenze zwischen der akti ven Schicht 22 und dem GaAs-Substrat 21 als das Ende der Gate-Verarmungsschicht. Indem der Stufenabschnitt 41 so ausgebildet wird, daß das Ende der Oberflächenverarmungs schicht des Stufenabschnitts 41 näher an der Grenze zwi schen der aktiven Schicht 22 und dem GaAs-Substrat 21 als das Ende der Gate-Verarmungsschicht wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels ist, wenn eine vorgeschriebene Gate- Vorspannung V_gs angelegt wird, wird das Merkmal erhalten, daß, wenn die Gate-Vorspannung V_gs von dem vorgeschriebenen Wert aus erhöht wird, der Drainstrom I_ds keinen deutlichen Anstieg aufweist.

Der GaAs-MESFET dieses Ausführungsbeispiels hat eine I- V-Kennlinie, die der von Fig. 2 ähnlich ist. Daher wird, wie es in Verbindung mit dem Betrieb des ersten Ausfüh rungsbeispiels beschrieben wurde, die angelegte Gleich strom-Leistung P_dc verringert, während sich der leistungs bezogene zusätzliche Wirkungsgrad η_add erhöht.

Obwohl in diesem Ausführungsbeispiel der Abschnitt an der Drainseite der aktiven Schicht 22 benachbart zur Ga teelektrode 25 ausgegraben ist, um den Stufenabschnitt 41 zu bilden, kann der Abschnitt an der Sourceseite der akti ven Schicht 22 ausgegraben sein, um einen Stufenabschnitt 41 zu bilden.

Fig. 6 ist eine Schnittansicht eines Dualgate-GaAs- MESFET, der Teil eines GaAs-MESFET entsprechend einem drit ten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. In Fig. 6 be zeichnen das Bezugszeichen 42 einen Dualgate-GaAs-MESFET, 43 eine Gateelektrode (erste Steuerelektrode), 44 eine Steuergateelektrode (zweite Steuerelektrode) und 45 Ausspa rungen. Die anderen Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Teile wie im ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 7 ist ein Schaltbild, das die Struktur des GaAs- MESFET entsprechend diesem Ausführungsbeispiel zeigt. In Fig. 7 bezeichnet das Bezugszeichen 42 den Dualgate-GaAs- MESFET, 43 die Gateelektrode, 44 die Steuergateelektrode, 46 ein Kopplungselement, 47 einen Glättungskondensator, 48 eine Erfassungsdiode, 49 eine Inverterschaltung und 50 eine Rückführschaltung (Stromversorgungsschaltung). Die Steuer gateelektrode 44 und die Rückführschaltung 50 bilden die Verarmungsschicht-Ausbildungseinrichtung.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 ist der Dualgate-GaAs- MESFET 42 wie folgt aufgebaut. Die aktive GaAs-Schicht 22 vom n-Typ ist durch epitaxiales Wachstum auf einer Haupt fläche des halbisolierenden GaAs-Substrats 21 ausgebildet. Die Aussparungen 45 sind in der Oberfläche der aktiven Schicht 22 nebeneinander ausgebildet. Die Gateelektrode 43 und die Steuergateelektrode 44 sind auf den jeweiligen Aus sparungen positioniert, um einen Schottky-Übergang auszu bilden. Die Sourceelektrode 26 und die Drainelektrode 27, die ohmsche Elektroden sind, sind auf der aktiven Schicht 22 entgegengesetzt zueinander ausgebildet, wobei die Gate elektrode 43 und die Steuergateelektrode 44 zwischen diese eingebracht sind. Ferner sind zur Verringerung des spezifi schen Widerstandes die stark dotierten Verunreinigungsbe reiche 23 und 24 vom n-Typ in Abschnitten der aktiven Schicht 22 benachbart zur Sourceelektrode 26 und Drainelek trode 27 ausgebildet.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 ist die Drainelektrode 27 des Dualgate-GaAs-MESFET 42 über das Kopplungselement 46 mit der Anode der Erfassungsdiode 48 verbunden. Die Kathode der Erfassungsdiode 47 ist über den Glättungskondensator 47 geerdet. Der Verbindungspunkt der Kathode der Erfassungsdi ode 48 mit dem Glättungskondensator 47 ist über die Inver terschaltung 49 mit der Steuergateelektrode 44 verbunden. Die Sourceelektrode 26 des Dualgate-GaAs-MESFET 42 ist ge erdet.

Als nächstes wird der Betrieb des vorstehenden GaAs- MESFET beschrieben.

Entsprechend einem Eingangssignal an der Gateelektrode 43 wird von der Drainelektrode 27 des Dualgate-GaAs-MESFET 42 ein Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal wird durch die Erfassungsdiode 48 und den Glättungskondensator 47 erfaßt; die sich ergebende Gleichstromkomponenten-Span nung wird durch die Inverterschaltung 49 invertiert und als negative Rückführspannung an die Steuergateelektrode 44 an gelegt.

Fig. 8 ist eine graphische Darstellung, die die Abhän gigkeit der Steilheit G_m des GaAs-MESFET dieses Ausfüh rungsbeispiels von der Spannung zeigt, die an die Steuer gateelektrode 44 angelegt ist. Die Horizontalachse stellt die Steilheit G_m dar, die Vertikalachse stellt die Gate- Source-Spannung V_gs1 dar und der Parameter ist eine Steuer- Gate-Source-Spannung V_gs2.

Die in Fig. 8 gezeigte Abhängigkeit ist gleich den Ab hängigkeiten der Steilheit G_m von der Gate-Source-Spannung V_gs im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.

Wenn an die Steuergateelektrode 44 die Rückführspannung angelegt ist, arbeitet die Verarmungsschicht, die mit der Steuergateelektrode 44 in Verbindung steht, in der gleichen Weise wie die GaAs-Oberflächenverarmungsschicht im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel. Das heißt, daß, indem an die Steuergateelektrode 44 eine Steuerspannung angelegt wird, d. h. ein Rückführsignal eines Ausgangssignals von der Drainelektrode 27, das entsprechend einem Eingangssignal an der Gateelektrode 43 erzeugt wird, die Verarmungsschicht im Abschnitt der aktiven Schicht unter der Steuergateelektrode 44 dicker als die Verarmungsschicht im Abschnitt der akti ven Schicht 22 unter der Gateelektrode 43 wird. Als Ergeb nis tritt kein deutlicher Anstieg des Drainstroms an der Seite mit hoher Gatespannung auf.

Wenn eine Hochfrequenzleistung an die Gateelektrode 43 angelegt wird, kann daher die Gleichstromkomponente des Hochfrequenz-Drainstroms verringert werden, während der Wirkungsgrad erhöht werden kann.

Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel die Inverter schaltung 49 verwendet wird, kann diese durch eine Opera tionsschaltung ersetzt sein, die eine Betriebsspannung ent sprechend der erfaßten Spannung einer abgegebenen Leistung erzeugt.

Ferner kann zwischen der Steuergateelektrode 44 und der Sourceelektrode 26 eine Konstantspannungsschaltung vorgese hen sein.

Fig. 9 ist eine Schnittansicht eines GaAs-MESFET ent sprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 9 bezeichnet das Bezugszeichen 60 eine zweite aktive Schicht, d. h. eine GaAs-Schicht vom n-Typ (erste Halbleiterschicht, die aus einem ersten Halbleiter gefer tigt ist), 61 eine AlGaAs-Schicht vom n-Typ (zweite Halb leiterschicht, die aus einem zweiten Halbleiter gefertigt ist) und 63 eine erste aktive Schicht, d. h. eine GaAs- Schicht vom n-Typ (dritte Halbleiterschicht, die aus dem ersten Halbleiter gefertigt ist). Die anderen Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Teile wie im ersten Ausführungsbei spiel.

Die zweite aktive Schicht 60 (GaAs-Schicht vom n-Typ) hat eine Dotierungskonzentration von 6×10₁₇ cm^-3 und eine Dicke von 3×10_-8 m (300 Å). Die AlGaAs-Schicht 61 vom n- Typ hat einen Al-Anteil X von 0,24, einer Dotierungskonzen tration von 5×10₁₆ cm^-3 und eine Dicke von 3×10₈ m (300 Å).

Unter Bezugnahme auf Fig. 9 ist die zweite aktive Schicht 60 (GaAs-Schicht vom n-Typ) auf eine Hauptfläche des halbisolierenden GaAs-Substrats 21 epitaxial aufgewach sen. Die AlGaAs-Schicht 61 vom n-Typ ist auf die Oberfläche der zweiten aktiven Schicht 60 epitaxial aufgewachsen, um einen Heteroübergang zu bilden. Ferner ist die erste aktive Schicht 63 auf die Oberfläche der AlGaAs-Schicht 61 vom n- Typ epitaxial aufgewachsen, um einen Heteroübergang zu bil den. In der Oberfläche der ersten aktiven Schicht 63 ist eine Aussparung 45 ausgebildet; auf der Oberfläche der Aus sparung 45 ist die Gateelektrode 25 vorgesehen, um einen Schottky-Übergang auszubilden. Die Sourceelektrode 26 und die Drainelektrode 27 (ohmsche Elektroden) sind auf der Oberfläche der ersten aktiven Schicht 63 entgegengesetzt zueinander ausgebildet, wobei die Gateelektrode 25 zwischen diese eingebracht ist. Ferner sind zur Verringerung des spezifischen Widerstandes die stark dotierten Verunreini gungsbereiche 23 und 24 vom n-Typ in Abschnitten der ersten aktiven Schicht 63 benachbart zur Sourceelektrode 26 und Drainelektrode 27 ausgebildet.

Als nächstes wird der Betrieb des MESFET dieses Ausfüh rungsbeispiels beschrieben.

Wenn eine Spannung zwischen die Sourceelektrode 26 und die Drainelektrode 27 des GaAs-MESFET mit der in Fig. 9 ge zeigten Struktur angelegt wird, fließt entlang von zwei Pfaden der ersten aktiven Schicht 63 und der zweiten akti ven Schicht 60 ein Drainstrom. Damit jedoch die von der Sourceelektrode 26 abgegebenen Elektronen die Drainelektro de 27 erreichen, müssen diese die vier n-GaAs/n-AlGaAs-He teroübergangs-Sperrschichten überwinden. Insbesondere sind die Heteroübergangs-Sperrschicht zwischen der ersten akti ven Schicht 63 und der AlGaAs-Schicht 63 vom n-Typ an der Seite der Sourceelektrode 26 und die Heteroübergangs-Sperr schicht zwischen der aktiven Schicht 60 und der AlGaAs- Schicht 61 vom n-Typ an der Seite der Drainelektrode 27 im gleichen Zustand wie eine in Sperrichtung vorgespannten Di ode. Somit fließt kein Strom durch die zweite aktive Schicht 60, bis daß die Drainspannung V_ds eine vorgeschrie bene Schwellenspannung überschreitet.

Daher fließt, wenn die Drainspannung V_ds niedriger als die Schwellenspannung ist, ein Drainstrom I_ds1 durch die erste aktive Schicht 63. Wenn die Drainspannung V_ds die Schwellenspannung überschreitet, wird ein Drainstrom I_ds2, der durch die zweite aktive Schicht 60 fließt, zum I_ds1, der durch die erste aktive Schicht 63 fließt, addiert. So mit erhöht sich der Sättigungs-Drainstrom in einem Drain spannungsbereich, der größer als ein vorgeschriebener Wert ist.

Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die eine I-V- Kennlinie des GaAs-MESFET mit der vorstehenden Struktur zeigt. Die Horizontalachse stellt die Drainspannung V_ds dar, die Vertikalachse stellt den Drainstrom I_ds dar und der Parameter ist die Gate-Vorspannung V_gs. Die Symbole A und p stellen eine Lastkennlinie bzw. einen Arbeitspunkt dar. Bei dieser I-V-Kennlinie erhöht sich der Sättigungs- Drainstrom in einem Drainspannungsbereich, der größer als ein vorgeschriebener Wert ist.

Die Schwellenspannung der Drainspannung V_ds, bei der Drainstrom I_ds zu fließen beginnt, erhöht sich mit abneh mender Dotierungskonzentration der AlGaAs-Schicht 61 vom n- Typ oder mit Zunahme der Dicke der AlGaAs-Schicht 61 vom n- Typ.

Zum Beispiel ist die Schwellenspannung ungefähr 3 V, wenn die AlGaAs-Schicht 61 vom n-Typ einen Al-Anteil X von 0,24, eine Dotierungskonzentration von 5×10¹⁶ cm^-3 und eine Dicke 3×10^-8 m (300 Å) hat.

Wenn eine Hochfrequenzleistung an das Gate des GaAs- MESFET mit der in Fig. 10 gezeigten I-V-Kennlinie angelegt wird, kann eine Drainstrom-Wellenform, die der Hochfre quenz-Eingangsleistung entspricht, in der gleichen Weise wie es in Fig. 4 gezeigt ist verzerrt werden; daher kann die angelegte Gleichstromkomponente verringert werden. Als Ergebnis kann ein GaAs-MESFET mit hohem Wirkungsgrad erhal ten werden.

Fig. 11 ist eine Schnittansicht eines GaAs-MESFET ent sprechend einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wie es in Fig. 11 gezeigt ist, weicht der GaAs-MESFET dieses Ausführungsbeispiels vom vierten Ausführungsbeispiel darin ab, daß eine Aussparung 45′ ausgebildet ist, so daß diese die erste aktive Schicht 63 durchdringt, d. h., so daß die Gateelektrode 25 direkt mit der GaAs-Schicht 61 vom n- Typ einen Schottky-Übergang bildet. Die verbleibende Struk tur des fünften Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie die des vierten Ausführungsbeispiels.

Bei der vorstehenden Struktur strömt ein Drainstrom nur entlang eines Pfades der zweiten aktiven Schicht 60. Daher fließt kein Strom durch die zweite aktive Schicht 60, so fern nicht die Drainspannung V_ds eine vorgeschriebene Schwellenspannung überschreitet. Das heißt, daß ein Drain strom I_ds2 Null ist, wenn die Drainspannung V_ds niedriger als der vorgeschriebene Schwellenwert ist, und fließt, wenn die Drainspannung V_ds den vorgeschriebenen Schwellenwert überschreitet.

Fig. 12 ist eine graphische Darstellung, die eine I-V- Kennlinie des GaAs-MESFET dieses Ausführungsbeispiels zeigt. Die Horizontalachse stellt die Drainspannung V_ds dar, die Vertikalachse stellt den Drainstrom I_ds dar und der Parameter ist die Gatespannung V_gs.

Im GaAs-MESFET mit der in Fig. 12 gezeigten I-V-Kennli nie ändert sich der Begrenzungsbetrag steil. Daher verrin gert sich der mittlere Drainstrom, d. h. die Gleichstrom komponente des Drainstroms im Vergleich zu dem Fall, in dem der Drainstrom I_ds1 fließt, wenn die Drainspannung V_ds größer als der vorgeschriebene Schwellenwert ist; der Wir kungsgrad erhöht sich stark.

Fig. 13 ist eine Schnittansicht eines GaAs-MESFET ent sprechend einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In Fig. 13 bezeichnet das Bezugszeichen 64 eine i- AlGaAs-Pufferschicht (erste Halbleiterschicht) und das Be zugszeichen 65 eine aktive GaAs-Schicht vom n-Typ (zweite Halbleiterschicht). Die anderen Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Teile wie im vierten Ausführungsbeispiel.

Unter Bezugnahme auf Fig. 13 ist die i-AlGaAs-Puffer schicht 64, die isolierend ist, auf eine Hauptfläche des halbisolierenden GaAs-Substrats 21 epitaxial aufgewachsen, um einen Heteroübergang zu bilden. Ferner ist die aktive GaAs-Schicht 65 vom n-Typ auf die Oberfläche der i-AlGaAs- Schicht 64 epitaxial aufgewachsen, um einen Heteroübergang zu bilden. Die Aussparung 45 ist in der Oberfläche der ak tiven Schicht 65 ausgebildet; die Gateelektrode 25 ist auf der Oberfläche der Aussparung 45 ausgebildet. Die Source elektrode 26 und die Drainelektrode 27 sind auf der Ober fläche der aktiven Schicht 65 entgegengesetzt zueinander ausgebildet, wobei die Gateelektrode 25 zwischen diese ein gebracht ist.

Im allgemeinen ist, wenn die GaAs-Schicht vom n-Typ auf eine AlGaAs-Schicht epitaxial ausgewachsen ist, die Kri stallinität eines Abschnitts der GaAs-Schicht vom n-Typ na he an der Grenze zwischen den zwei Schichten verringert. Um dieses Problem zu verhindern, ist eine i-AlGaAs-Schicht zwischen diese Schichten zwischengefügt.

Im Gegensatz dazu verwendet dieses Ausführungsbeispiel die vorstehende Verringerung der Kristallinität. Genauer gesagt ist die Heteroübergangsstruktur ausgebildet, wobei der Al-Anteil X der AlGaAs-Schicht 64 in einen Bereich von 0,1 bis 0,8 eingestellt ist, um dadurch an der Grenze AlGaAs/n-GaAs eine Schicht mit niedriger Kristallinität auszubilden.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die Schicht mit niedriger Kristallinität an der Grenze zwischen der i- AlGaAs-Pufferschicht 64 und der GaAs-Schicht 65 vom n-Typ ausgebildet, indem zwischen der i-AlGaAs-Pufferschicht 64 und der GaAs-Schicht 65 vom n-Typ des GaAs-MESFET ein di rekter Heteroübergang ausgebildet wird. Elektronen und Lö cher werden durch Stoßionisation in der Schicht mit niedri ger Kristallinität ausgebildet, wenn die Drainspannung V_ds größer als ein vorgeschriebener Wert ist. Unter diesen La dungsträgern strömen Elektronen in die Drainelektrode 27, um den Drainstrom I_ds zu erhöhen.

Daher weist der GaAs-MESFET dieses Ausführungsbeispiels eine I-V-Kennlinie ähnlich der des in Fig. 10 gezeigten vierten Ausführungsbeispiels auf. Daher kann, wenn an das Gate eine Hochfrequenzleistung angelegt wird, eine Drain strom-Wellenform, die der Hochfrequenzeingangsleistung ent spricht, verzerrt werden; daher kann die angelegte Gleich stromkomponente verringert werden. Als Ergebnis kann der GaAs-MESFET mit hohem Wirkungsgrad vorgesehen werden.

Die einzige in diesem Ausführungsbeispiel vorgenommene Änderung ist das Einfügen der i-AlGaAs-Pufferschicht 64 zwischen das halbisolierende GaAs-Substrat 21 und die akti ve GaAs-Schicht 65 vom n-Typ. Daher ist der Herstellungs prozeß einfach, was das Vorsehen von preisgünstigeren GaAs- MESFET-Produkten gestattet.

Zwischen einer Gateelektrode und einer Source- oder Drainelektrode ist somit eine Verarmungsschicht-Ausbil dungseinrichtung, z. B. eine Schicht mit niedriger Verunrei nigungskonzentration, vorgesehen. Die Verarmungsschicht- Ausbildungseinrichtung dient dazu, in dieser eine Verar mungsschicht auszubilden, so daß sich ihr Ende näher als das Ende einer Verarmungsschicht, die mittels der Gateelek trode in einer aktiven Schicht ausgebildet ist, an einem Halbleitersubstrat befindet. Alternativ dazu ist die Verar mungsschicht-Ausbildungseinrichtung ein dünn ausgestalteter Abschnitt der aktiven Schicht.

Claims

1. Feldeffekt-Halbleitervorrichtung, die aufweist:
ein halbisolierendes Halbleitersubstrat (21),
eine erste Halbleiterschicht (22), die auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats (21) ausgebildet ist,
eine Steuerelektrode (25), die auf der ersten Halblei terschicht (22) ausgebildet ist,
eine erste und eine zweite Elektrode (26, 27), die auf der ersten Halbleiterschicht (22) entgegengesetzt zueinan der ausgebildet sind, wobei die Steuerelektrode (25; 43) zwischen diese eingebracht ist, und
eine Verarmungsschicht-Ausbildungseinrichtung (40), die zwischen der Steuerelektrode (25) und der ersten Elek trode (26) oder der zweiten Elektrode (27) vorgesehen ist, um in dieser eine Verarmungsschicht auszubilden, so daß ein Ende der Verarmungsschicht näher als ein Ende einer Verar mungsschicht, die in der ersten Halbleiterschicht (22) mit tels der Steuerelektrode (25) ausgebildet ist, am Halblei tersubstrat (21) liegt.

2. Feldeffekt-Halbleitervorrichtung, die aufweist:
ein halbisolierendes Halbleitersubstrat (21),
eine erste Halbleiterschicht (22), die auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats (21) ausgebildet ist,
eine Steuerelektrode (25), die auf der Halbleiter schicht (22) ausgebildet ist,
eine erste und eine zweite Elektrode (26, 27), die auf der ersten Halbleiterschicht (22) entgegengesetzt zueinan der ausgebildet sind, wobei die Steuerelektrode (25) zwi schen diese eingebracht ist, und
eine zweite Halbleiterschicht (40), die zwischen der Steuerelektrode (25) und der ersten Elektrode (26) oder der zweiten Elektrode (27) vorgesehen ist und eine Verunreini gungskonzentration hat, die niedriger als die der ersten Halbleiterschicht (22) ist.

3. Feldeffekt-Halbleitervorrichtung, die aufweist:
ein halbisolierendes Halbleitersubstrat (21),
eine erste Halbleiterschicht (22), die auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats (21) ausgebildet ist,
eine Steuerelektrode (25), die auf der Halbleiter schicht (22) ausgebildet ist,
eine erste und eine zweite Elektrode (26, 27), die auf der ersten Halbleiterschicht (22) entgegengesetzt zueinan der ausgebildet sind, wobei die Steuerelektrode (25) zwi schen diese eingebracht ist, und
einen dünn ausgestalteten Abschnitt (41) der ersten Halbleiterschicht (22), der zwischen der Steuerelektrode (25) und der ersten oder der zweiten Elektrode (26, 27) vorgesehen ist.

4. Feldeffekt-Halbleitervorrichtung, die aufweist:
ein halbisolierendes Halbleitersubstrat (21),
eine erste Halbleiterschicht (22), die auf einer Hauptfläche des Halbleitersubstrats (21) ausgebildet ist, eine erste und eine zweite Steuerelektrode (43, 44), die auf der ersten Halbleiterschicht (22) nebeneinander ausgebildet sind,
eine erste und eine zweite Elektrode (26, 27), die auf der ersten Halbleiterschicht (22) entgegengesetzt zueinan der ausgebildet sind, wobei die erste und die zweite Steu erelektrode (43, 44) zwischen diese eingebracht sind, und
eine Stromversorgungsschaltung (50), die einen Ausga beanschluß hat, der mit der zweiten Steuerelektrode (44) verbunden ist, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, so daß eine Verarmungsschicht, die in der ersten Halbleiterschicht (22) mittels der zweiten Steuerelektrode (44) ausgebildet ist, dicker als eine Verarmungsschicht ist, die in der ersten Halbleiterschicht (22) mittels der ersten Steuer elektrode (43) ausgebildet ist, die mit einem Eingangssi gnal gespeist wird.

5. Feldeffekt-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Stromversorgungsschaltung eine Konstantspannungs schaltung oder eine Rückführschaltung ist, die eine Rück führspannung erzeugt, die einer Ausgangsspannung an der er sten oder zweiten Elektrode (26, 27) entspricht.

6. Feldeffekt-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprü che 1 bis 5, bei der der Halbleiter Galliumarsenid ist.

7. Feldeffekt-Halbleitervorrichtung, die aufweist:
ein halbisolierendes Halbleitersubstrat (21), das aus einem ersten Halbleiter gefertigt ist,
eine erste Halbleiterschicht (60), die aus dem ersten Halbleiter gefertigt ist und auf dem Halbleitersubstrat (21) ausgebildet ist,
eine zweite Halbleiterschicht (61), die aus einem zweiten Halbleiter gefertigt ist, vom gleichen Leitfähig keitstyp wie die erste Halbleiterschicht (60) ist und auf der ersten Halbleiterschicht (60) ausgebildet ist, so daß ein Heteroübergang gebildet wird,
eine dritte Halbleiterschicht (63), die aus dem ersten Halbleiter gefertigt ist, vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die erste Halbleiterschicht (60) ist und auf der zwei ten Halbleiterschicht (61) auswählend ausgebildet ist, so daß ein Heteroübergang gebildet wird,
eine erste und eine zweite Elektrode (26, 27), die auf der dritten Halbleiterschicht (63) entgegengesetzt zueinan der ausgebildet sind, und
eine Steuerelektrode (25), die auf oder über der zwei ten Halbleiterschicht (61) zwischen der ersten und zweiten Elektrode (26, 27) ausgebildet ist.

8. Feldeffekt-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Steuerelektrode (25) auf der dritten Halbleiter schicht (63) ausgebildet ist.

9. Feldeffekt-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Steuerelektrode (63) direkt auf der zweiten Halb leiterschicht (61) ausgebildet ist.

10. Feldeffekt-Halbleitervorrichtung, die aufweist
ein halbisolierendes Halbleitersubstrat (21), das aus einem ersten Halbleiter gefertigt ist,
eine isolierende erste Halbleiterschicht (64), die aus einem zweiten Halbleiter gefertigt ist und auf dem Halblei tersubstrat (21) ausgebildet ist,
eine zweite Halbleiterschicht (65), die aus dem ersten Halbleiter gefertigt ist und auf der ersten Halbleiter schicht (64) ausgebildet ist, so daß ein Heteroübergang ausgebildet wird,
eine erste und eine zweite Elektrode (26, 27), die auf der zweiten Halbleiterschicht (65) entgegengesetzt zueinan der ausgebildet sind, und
eine Steuerelektrode (25), die auf der zweiten Halb leiterschicht (25) zwischen der ersten und zweiten Elek trode (26, 27) ausgebildet ist.

11. Feldeffekt-Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprü che 7 bis 10, bei der der erste Halbleiter Galliumarsenid und der zweite Halbleiter Aluminiumgalliumarsenid ist.