JP2003133332A - 化合物半導体素子 - Google Patents

化合物半導体素子

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JP2003133332A
JP2003133332A JP2001326805A JP2001326805A JP2003133332A JP 2003133332 A JP2003133332 A JP 2003133332A JP 2001326805 A JP2001326805 A JP 2001326805A JP 2001326805 A JP2001326805 A JP 2001326805A JP 2003133332 A JP2003133332 A JP 2003133332A
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Yukari Suzuki
由佳里 鈴木
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 GaN系の化合物半導体素子において、チャ
ネル層に供給されるキャリア密度を有効に増加でき、大
出力化を可能とする素子構造を提供する。 【解決手段】 HEMT1は、Gaを必須とするIII
族元素窒化物からなるチャネル層119と、該チャネル
層119の層厚方向両側に配置されるとともに、それぞ
れチャネル層119よりも伝導体底エネルギーが高く、
かつGaを必須とするIII族元素窒化物により構成さ
れ、n型にドープされた1対の電子供給層110を有す
ることを特徴とする。該構造によると、チャネル層11
9の層厚方向両側に電子供給層110を配置すること
で、チャネル層119の両面に2DEG層を形成でき
る。その結果、チャネル層に供給されるキャリア密度を
有効に増加できるので、片面のみに2DEG層を形成す
る構成と比較して、素子の大出力化を図ることが可能と
なる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は化合物半導体素子に
関し、特に半導体ヘテロ接合を用いた高速電界効果型ト
ランジスタ等に適用される化合物半導体素子に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、高周波用等に普及している高速半
導体デバイスに、HEMT(High Electron Mobility T
ransistor)がある。HEMTは、GaAs/AlGa
Asヘテロ接合を用いたものが実用化されており、その
優れたマイクロ波・ミリ波特性により、衛星放送用受信
器等の低雑音かつ高速の電界効果トランジスタ(FE
T:FieldEffect Transistor)として広く使用されてい
る。その要部は、具体的には、n型にドープされたAl
GaAs電子供給層にノンドープのGaAsチャネル層
(i−GaAs層)をヘテロ接合した半導体多層構造で
ある。GaAsはAlGaAsよりも電気陰性度が高い
ため、n型AlGaAs電子供給層からi−GaAsチ
ャネル層へ電子の一部が流入し、そのヘテロ接合界面よ
りもi−GaAsチャネル層側に逆三角形のポテンシャ
ル井戸が形成される。このポテンシャル井戸内において
電子はドナー不純物と空間的に分離された形で閉じ込め
られ、不純物散乱の影響を受け難い二次元電子ガス(以
下、本明細書では「2DEG」と記載する)層を形成す
る。その結果、i−GaAsチャネル層内の電子は、ヘ
テロ接合界面に沿って非常に高い電子移動度を示し、高
速電界効果型トランジスタが実現できる。
【0003】他方、近年では、GaAs系化合物に代え
てGaN系化合物を用いたHEMT(以下、GaN系H
EMTという)が、次世代型の高速FETとして注目さ
れている。GaN系化合物はバンドギャップが広く、電
子有効質量から見積もられる飽和電子移動度も高いこと
から、より大出力で高耐圧かつ高温動作可能な高周波デ
バイスを実現できる可能性があり、研究が重ねられてい
る。GaN系化合物を用いたHEMT構造としては、n
型にドープしたAlGaN電子供給層に、GaNあるい
はInGaNチャネル層をヘテロ接合したものが多く試
みられている。チャネル層は不純物による電子散乱の影
響がなるべく生じないように、ノンドープの化合物半導
体により構成される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、GaN
系HEMTにおいては、これまでのところ、満足の行く
高出力特性が工業的には実現されるに至っていない。本
発明の課題は、GaN系の化合物半導体素子において、
チャネル層に供給されるキャリア密度を有効に増加で
き、ひいては大出力化を可能とする素子構造を提供する
ことにある。
【0005】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】上記の課
題を解決するために、本発明の化合物半導体素子は、G
aを必須とするIII族元素窒化物からなるチャネル層
と、該チャネル層の層厚方向両側に配置されるととも
に、それぞれチャネル層よりも伝導体底エネルギーが高
く、かつGaを必須とするIII族元素窒化物により構
成され、n型にドープされた1対の電子供給層とを有す
ることを特徴とする。該構造によると、チャネル層の層
厚方向両側に電子供給層を配置することで、チャネル層
の両面に2DEG層を形成できる。その結果、素子のよ
り大出力化を図ることが可能となる。
【0006】電子供給層のそれぞれとチャネル層との間
には、Gaを必須とするIII族元素窒化物からなり、
電子供給層からチャネル層へのドーパント拡散を防止す
る1対のスペーサ層を配置することができる。電子供給
層には比較的多量のn型ドーパントが添加されているか
ら、層成長時等において電子供給層側からチャネル層に
不純物拡散することを防止するために、このようなスペ
ーサ層の挿入が有効である。その際、直列抵抗増大の要
因となるスペーサ層の挿入は、素子の高出力化の観点に
おいては不利に作用する。しかしながら、本発明ではチ
ャネル層の両面に2DEG層を形成するので、チャネル
層の両面側にスペーサ層を配置した場合においてもなお
高出力化の効果を十分に達成することができる。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
の図面により説明する。図1は、本発明の電界効果トラ
ンジスタの一例であるHEMT1の積層構造を模式的に
示すものである。該HEMT1は、SiCあるいはサフ
ァイアからなる単結晶基板101上に、GaNあるいは
AlNからなるバッファ層102を介して、素子層10
3をヘテロエピタキシャル成長法により形成したもので
ある。具体的には、周知の気相成長法、例えばMOVP
E(Metalorganic Vapor Phase Epitaxy: 有機金属気相
エピタキシャル成長)法が用いられる。
【0008】素子層103は、ノンドープのGaNチャ
ネル層119、ノンドープのAlGaNスペーサ層10
5、Si等によりn型にドープされたAlGaN電子供
給層110、電極とのコンタクト層として機能するn型
GaN層111が積層されたものである。n型GaN層
111上には、ドレイン電極106、ソース電極107
が形成され、n型GaN層111の非形成領域に露出す
るn型AlGaN層110にゲート電極108が形成さ
れている。ドレイン電極106とソース電極107とは
n型GaN層111との間でオーミック接合を形成する
金属(例えばTi/Al)により、ゲート電極108は
n型AlGaN電子供給層110との間でショットキー
(Schottky)接合を形成する金属(例えばPd/Au)
により、それぞれ構成されている。
【0009】そして、本実施形態のHEMT1において
は、チャネル層119の両側にAlGaNスペーサ層1
05,105と、AlGaN電子供給層110,110
とを形成している。また、下側のAlGaN電子供給層
110以降に係る各層の格子緩和防止あるいは結晶性改
善を図るために、バッファ層102とAlGaN電子供
給層110との間に、ノンドープのGaN結晶性改善層
104を挿入している。
【0010】図2に示すように、GaNチャネル層11
9とAlGaN電子供給層110との間には、両者の電
子親和力の相違から、それらのヘテロ接合界面よりもG
aNチャネル層119側に三角ポテンシャルが形成され
る。この三角ポテンシャル内において電子は、ドナー不
純物(電子供給層110内のSi)と空間的に分離され
た形で閉じ込められて2DEG層を形成する。この2D
EG層は、2つのAlGaN電子供給層110に対応し
て、チャネル層119の両面に形成される。前記したA
lGaNスペーサ層105は、電子とドナー不純物との
該空間分離効果を高める役割を果たす。また、AlGa
Nスペーサ層105は、層成長時等においてn型AlG
aN電子供給層110側からGaNチャネル層119に
n型ドーパントであるSi等の不純物が拡散することを
防止する機能を果たす場合がある。
【0011】AlGaN電子供給層110のAlN混晶
比は、例えば0.15〜0.33に調整されている。ま
た、AlGaNスペーサ層105は、AlGaN電子供
給層110とほぼ同じAlN混晶比を有することができ
る。
【0012】図1のHEMT1は、ゲート電極108に
正のバイアス電圧を印加することにより、AlGaN電
子供給層110側の空乏層が縮小してオン・チャネルと
なり、ドレイン電極106とソース電極107との間で
GaNチャネル層119の2DEG層を経由した通電が
可能となる。そして、チャネル層119に形成される2
DEG層内の電子が、ヘテロ接合界面に沿って非常に高
い移動度を示すことから、高速動作が可能である。そし
て、AlGaN電子供給層110がチャネル層119の
両側に配置されることにより、2DEG層がチャネル層
119の両面に形成される結果(図2も参照)、片面の
みに2DEG層を形成する構成と比較して、通電可能な
電流値を増大することができる。すなわち、チャネル層
に供給されるキャリア密度を有効に増加できるので、片
面のみに2DEG層を形成する構成と比較して、大出力
の素子を実現できる。
【0013】以下、本発明の化合物半導体素子の変形例
について説明する。図3のHEMT2においては、チャ
ネル層119を、GaNに代えてInGaN混晶により
構成している。InGaNは、電子の有効質量がInN
より小さく、また、バンドギャップがInNよりも大き
くポテンシャル井戸へ電子を効果的に閉じ込めることが
できるので、電子移動度の向上ひいては素子の高速化に
寄与する。
【0014】図4のHEMT3においては、素子層10
3を基板から剥離し、その2つの電子供給層110,1
10のそれぞれに、コンタクト層111と、ゲート電極
108、ソース電極107及びドレイン電極106とを
形成した例である。これにより、チャネルのオン/オフ
及び通電電流値の制御を一層精密に行なうことができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の化合物半導体素子の一実施形態を示す
模式図。
【図2】そのヘテロ接合部のバンド構造を示す模式図。
【図3】本発明の化合物半導体素子の、第一の変形例を
示す模式図。
【図4】同じく第二の変形例を示す模式図。
【符号の説明】
1,2,3 HEMT(化合物半導体素子) 110 AlGaN電子供給層 119 チャネル層

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 Gaを必須とするIII族元素窒化物か
    らなるチャネル層と、 該チャネル層の層厚方向両側に配置されるとともに、そ
    れぞれ前記チャネル層よりも伝導体底エネルギーが高
    く、かつGaを必須とするIII族元素窒化物により構
    成され、n型にドープされた1対の電子供給層とを有す
    ることを特徴とする化合物半導体素子。
  2. 【請求項2】 前記電子供給層のそれぞれと前記チャネ
    ル層との間に、Gaを必須とするIII族元素窒化物か
    らなり、前記電子供給層から前記チャネル層へのドーパ
    ント拡散を防止する1対のスペーサ層が設けられている
    ことを特徴とする請求項1記載の化合物半導体素子。
  3. 【請求項3】 前記電子供給層がn型AlGaN層から
    なり、前記スペーサ層がノンドープのAlGaN層から
    なり、前記チャネル層がGaN層又はInGaN層から
    なることを特徴とする請求項1又は2に記載の化合物半
    導体素子。
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