WSiN

GaAs

図5.5 SF₆を用いたECRエッチングで形成したWSiNゲートのSEM写真 表5.1 各層のイオン注入条件

Layer Ion Energy Dose n層 Si 30 keV 1.1x10¹³cm^-2 n^'層 Si 50 keV 2.6x10¹³ cm^-2 n⁺層 Si 110 keV 1.0x10¹⁴cm^-2 埋込p層(Bp) Be 50 keV 4.0x10¹² cm^-2 5.3.2 デバイス特性

A. DC特性

図5.6(a)は、作製した非対称構造デバイスのI-V特性である。ゲート長0.15μm、ゲ ート幅50μmである。ゲート電圧は、0.6Vから-1.6Vまで0.2Vステップである。良好なピ ンチオフ特性が得られており、短チャネル効果は十分に抑制されている。相互コンダク タンスg_mの最大値は280mS/mmであった。同時に作製した対称構造デバイスのg_mの最大値は 400mS/mmであった。この値は通常のイオン注入GaAs-MESFETのg_mよりも10～15%低い。

140

30keV注入の実効注入層厚_aeffは表2.2から98nmであり、チャネル表面に20nmのバリア層 (i-GaAs/i-InGaAs)が挿入されているために、ゲートｰチャネル間隔が広がったためと考 えられる。図5.6(b)は、ドレイン側におけるゲート電流のゲート電圧依存性である。同 一ウエハ上に作製した対称構造デバイスとの比較で示している。非対称構造にしたこと によって、ゲート耐圧が4Vから10Vへの大幅に向上している。図5.7は、InGaP/GaAs HMESFETとInGaP薄膜を挿入しない通常のイオン注入GaAs-MESFETにおけるゲート・ショッ トキ障壁のゲート長依存性である。InGaP薄膜を挿入することによって、約100mVのショ ットキ障壁の増加がみられる。

2.0 1.5

1.0 0.5

00.0 5 10 15 20 25

V_ds(V) Ids(mA/50µm)

L_g=0.15µm

2.0 1.5

1.0 0.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

00.0 5 10 15 20 25

0 5 10 15 20 25

V_ds(V) Ids(mA/50µm)

L_g=0.15µm

-100 -50 0 50 100

2 0 -2 -4 -6 -8 -10

-12 V_gd (V)

Igd(mA/10µm)

Asymmetric L_gn'= 0.15 µm

Symmetric L_gn'= 0 µm

Lg = 0.15µm

-100 -50 0 50 100

-100 -50 0 50 100

2 0 -2 -4 -6 -8 -10

-12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2

-12 V_gd (V)

Igd(mA/10µm)

Asymmetric L_gn'= 0.15 µm

Symmetric L_gn'= 0 µm

Lg = 0.15µm

(a)ドレインI-V特性 (b)ゲートI-V特性 図5.6 非対称構造デバイスのI-V特性

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

Barrier Height (eV)

5 6 7 8

0.1

^{2 3 4 5 6 7 8}

1

²

Gate Length (µm)

GaAs

InGaP/GaAs

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

Barrier Height (eV)

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

Barrier Height (eV)

5 6 7 8

0.1

^{2 3 4 5 6 7 8}

1

²

Gate Length (µm)

GaAs

GaAs InGaP/GaAs InGaP/GaAs

図5.7 ゲート・ショットキ障壁のゲート長依存性

InGaP/GaAs HMESFETとInGaPを挿入しない通常GaAs MESFETの比較

141

B. RF特性

RF特性は、0.5GHzから50GHzのSパラメータ測定により評価した。また、図5.8の様な 一般的なMESFET等価回路を用いて、デバイスを回路的に解析した。

図5.9(a)に、単方向電力利得Mason's-Uから求めた最大発振周波数f_maxと電流利得

|H₂₁|の傾きを-6dBで外挿して求めた電流利得遮断周波数f_Tのドレイン電流依存性を示す。

ドレイン電圧は1.5V固定である。同一ドーズ量でチャネル層を作製しているので、対称 構造デバイスの方が、ドレイン電流が多くなっている。非対称構造デバイスと対称構造 デバイスで比較すると、非対称構造デバイスのf_Tは同一ゲート電圧で2割程度減少してお り、最大値60GHzであった。しかし、f_maxは、非対称構造デバイスの方が大幅に増加して いる。図5.9(b)は、10GHzにおける最大安定利得MSGと安定定数Kが1となる周波数のドレ イン電流依存性である。10GHzにおけるMSGは、対称構造デバイス及び対称構造デバイス ともに最大値13.5GHzでありほぼ同等である。しかし、安定定数Kが1となる周波数が、対 称構造デバイスでは最大75GHzであるのに対し、非対称構造デバイスでは100GHz以上とな っている。この安定定数Kが1となる周波数の違いが、対称構造デバイスと非対称構造デ バイスのf_maxの違いとなっている。

図5.10(a)と(b)に、等価回路解析の結果をドレイン電圧依存性で示す。ドレイン電 圧は1.5V固定である。図5.10(a)のように、真性相互コンダクタンスg_m0は非対称構造デバ イスで約25%減少しているが、同時にドレインコンダクタンスg_dも約20%減少している。

また、図5.10(b)から、非対称構造デバイスでゲート・ソース間容量C_gsが増加しているが、

ゲート・ドレイン間容量C_gdは約15%減少しているのが分かる。このC_gsの増加は、n'層を21°

の斜めイオン注入で形成した結果、ゲート電極のソース端にn'注入層が入り込んだため と考えられる。以上の解析から、非対称構造デバイスは、対称構造デバイスに比較して、

g_mが減少してC_gsが増加した為に、f_Tが劣化しているが、g_dとC_gdが減少した為に、MSGが同 等で安定定数Kが1となる周波数が向上していることが分かる。

L

_g

R

_g

C

_gd

R

_d

L

_d

L

_s

R

_s

R

_i

R

_gs

g

_d

C

_ds

g

_m0

C

_gs

L

_g

R

_g

C

_gd

R

_d

L

_d

L

_s

R

_s

R

_i

R

_gs

g

_d

C

_ds

g

_m0

C

_gs

図5.9 InGaP/GaAsの等価回路

142

200

150

100

50

0 f

T

, f

max

(GH z)

30 25

20 15

10 5

0

Drain-Source Current I

_ds

(mA) L

_g

=0.2 µm W

_g

=50 µm V

_ds

=1.5 V

asymmetric symmetric

f

_max

f

_T

200

150

100

50

0 f

T

, f

max

(GH z)

30 25

20 15

10 5

0

Drain-Source Current I

_ds

(mA) L

_g

=0.2 µm W

_g

=50 µm V

_ds

=1.5 V

asymmetric symmetric asymmetric symmetric

f

_max

f

_T

(a)ftおよびfmax

20

15

10

5

0

ドキュメント内 WSiN ゲート GaAs-FET の設計・製造と そのミリ波 MMIC 応用に関する研究 (ページ 146-149)