JP2003151996A - ２次元電子ガスを用いた電子デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＩｎＧａＮチャネル層／ＩｎＡｌＧａＮワイ
ドバンドギャップ層からなるヘテロ構造を有する高電子
移動度トランジスタにおいて、２次元電子ガスの電子移
動度をさらに向上させる。 【解決手段】 Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮチャネル層／Ｉｎ_ｙ
Ａｌ_ｚＧａ_{１−ｙ− ｚ}Ｎワイドバンドギャップ層からな
るヘテロ構造を有する高電子移動度トランジスタにおい
て、そのワイドバンドギャップ層のＡｌ混晶比をヘテロ
界面から離れるに従って小さくすることにより、チャネ
ル層を流れる２次元電子ガスの電子移動度を高速化す
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、第三世代移動体通
信用基地局、衛星通信などの分野で有用であり、高周
波、高出力特性を持つ２次元電子ガスを利用した高速電
界効果トランジスタに関する。より詳しくは、本発明
は、Ｉｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ系化合物半導体を用
いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であって、
その２次元電子ガスの電子移動度が向上されたＨＥＭＴ
に関する。すなわち、本発明は、高い電子移動度、およ
び、高周波、高出力特性等を有するＨＥＭＴを提供す
る。

【０００２】

【従来の技術】ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）系化合物半導
体を用いた高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、
電子移動度が高く、１２ＧＨｚの高い周波数の信号も低
雑音で増幅できるため、電波望遠鏡や、家庭用衛星テレ
ビ受信機、カーナビゲーション受信機等に広く使われて
いる。

【０００３】近年、窒化物系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体
である窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体が開発さ
れ、その降伏電界は約５×１０^６Ｖ／ｃｍであり、Ｇａ
Ａｓ系化合物半導体の降伏電界よりも一桁大きい。それ
ゆえ、ＧａＮ系化合物半導体を用いたＨＥＭＴは、Ｇａ
Ａｓ系ＨＥＭＴを凌駕する高出力、高耐圧動作が可能で
あり、高周波、高温、大電力用の半導体素子として大き
な可能性を持つことが期待されている。かくして、現
在、ＧａＮ系化合物半導体を用いたＨＥＭＴの開発が進
められている。

【０００４】従来のＧａＮ系化合物半導体を用いたＨＥ
ＭＴは、例えば、図１に示すごとく、サファイア基板１
上に低温成長ＧａＮバッファー層２が形成され、さらに
その上に不純物を含まないＧａＮチャネル層３とＡｌＧ
ａＮワイドバンドギャップ層４とからなるヘテロ構造が
形成された構造を有している。さらに、該ワイドバンド
ギャップ層４の上面には、ソース電極５およびドレイン
電極６がオーミック接続され、ゲート電極７がショット
キー接続されている。上記のＧａＮ／ＡｌＧａＮヘテロ
構造により、２次元電子ガスがＧａＮチャネル層に蓄積
される。この２次元電子ガスをソース電極５およびドレ
イン電極６で接続し、ゲート電極７により電流を制御し
て動作させる。このとき、２次元電子ガスは、不純物を
含まないＧａＮチャネル層３を移動するため、高い電子
移動度が達成される。

【０００５】

【特許文献１】特開平１１−２７４４７４号公報

【特許文献２】特開平１１−１６３３９９号公報

【特許文献３】特開２０００−２５２４５８号公報

【非特許文献１】エム・アシフ・カーンら(M. Asif Kha
n et al.)、「アプライド・フィジックス・レターズ (A
pp. Phys. Lett.)」 ６８（４）、２２ １９９６年１
月、ｐ．５１４−５１６

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】現在、ＧａＡｓ系ＨＥ
ＭＴで得られる電子移動度は、３０００〜４０００ｃｍ
^２／Ｖ・ｓ以上が達成されているが、従来のＧａＮ系Ｈ
ＥＭＴの構造により得られる室温での電子移動度は、サ
ファイア基板上において１５００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ程度に
過ぎない。ＧａＮ系のＨＥＭＴにおいて電子移動度の高
速化が達成されれば、ＧａＡｓ系ＨＥＭＴを凌駕する高
出力、高耐圧動作が可能なＨＥＭＴをさらに広い分野に
適用することができる。

【０００７】かくして、本発明の目的は、ＧａＮ系ＨＥ
ＭＴの電子移動度を向上させることにある。より詳しく
は、本発明の目的は、特に、ＩｎＧａＮ／ＩｎＡｌＧａ
Ｎヘテロ構造を有するＨＥＭＴにおいて、電子移動度を
高速化することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、ＧａＮ系
化合物半導体を用いた高電子移動度トランジスタのさら
なる電子移動度の向上を目的とし、鋭意研究を行なった
結果、驚くべきことに、従来のＨＥＭＴ構造を大きく変
更することなく、ＩｎＡｌＧａＮ系ワイドバンドギャッ
プ層のＡｌ混晶比をヘテロ界面から離れるに従い次第に
小さくすることにより、電子移動度を高速化できること
を見出した。

【０００９】本発明者らは、ＨＥＭＴの電子移動度の高
速化を達成するために、ワイドバンドギャップ層の結晶
性を向上させることに着目し、このワイドバンドギャッ
プ層の成長条件の最適化を検討した。一般に、ＧａＮチ
ャネル層は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）等
の薄膜形成技術を用いて、１０００℃以上の高温で成長
させている。一方、ＡｌＧａＮワイドバンドギャップ層
は、結晶性のよい層を得ることを考慮し、窒素脱離を抑
制するために１０００℃よりも低い温度（例えば、８０
０℃）で成長させることを考えた。また、チャネル層と
ワイドバンドギャップ層との界面に不必要な物質（例え
ば、Ｇａメタル）が付着しないように、界面における成
長条件の切替えには時間をかけないことが好ましい。

【００１０】そこで、本発明において、例えば、１０５
０℃にてチャネル層を形成した後、目標の温度（例え
ば、８００℃）に達してからワイドバンドギャップ層を
形成するのではなく、１０５０℃から８００℃まで降温
させながら一定の原料ガス供給量にてワイドバンドギャ
ップ層を形成したところ、１０５０℃または８００℃の
一定温度にてワイドバンドギャップ層を形成した場合よ
りも高い電子移動度を示すことが見出された。これは、
８００℃程度の低温ではＡｌもＧａも脱離しにくいが、
１０００℃以上の高温では、Ａｌは脱離しにくいがＧａ
は脱離し易くなるため、成長温度が高いほど、形成され
た層中のＡｌ混晶比が相対的に高くなったことに起因す
るものと考えられる。かくして、本発明者らは、ＡｌＧ
ａＮ系ワイドバンドギャップ層を降温させながら形成し
たことにより、ＡｌＧａＮ系ワイドバンドギャップ層の
Ａｌ混晶比がヘテロ界面から離れるに従って減少するこ
とにより、電子移動度が向上したのではないかと考え
た。そこで、成長温度を一定とし、意図的にＡｌ原料ガ
ス供給量を変化させて、ヘテロ界面から離れるに従って
Ａｌ混晶比が減少するようにワイドバンドギャップ層を
形成したところ、上記同様、電子移動度の高速化が達成
されることが確認された。

【００１１】かくして、本発明のＨＥＭＴは、Ｉｎ_ｘＧ
ａ_１−ｘＮチャネル層／Ｉｎ_ｙＡｌ _ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ
ワイドバンドギャップ層からなるヘテロ構造を有し、ワ
イドバンドギャップ層のＡｌ混晶比ｚがヘテロ界面から
離れるに従って減少している。これにより、チャネル層
を流れる２次元電子ガスの電子移動度を高速化すること
ができた。

【００１２】より詳しくは、本発明は、Ｉｎ_ｘＧａ
_１−ｘＮ系化合物半導体層（０≦ｘ≦１）からなるチャ
ネル層およびＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ系化合物半
導体層（０≦ｙ、０≦ｚ、ｙ＋ｚ≦１）からなるワイド
バンドギャップ層により構成されるヘテロ構造を含み、
該Ｉｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ系ワイドバンドギャッ
プ層において、該ヘテロ界面でのバンドギャップが該チ
ャネル層のバンドギャップよりも広く、該ヘテロ界面か
ら離れるに従って、Ａｌ混晶比ｚが連続的にまたは段階
的に減少することを特徴とする２次元電子ガスを用いた
電子デバイスを提供する。

【００１３】すなわち、本発明の２次元電子ガスを用い
た電子デバイスは、該ワイドバンドギャップ層におい
て、該へテロ界面でのバンドギャップが該チャネル層の
バンドギャップよりも広いので、２次元電子ガス層がチ
ャネル層に形成される。また、本発明において、該ワイ
ドバンドギャップ層におけるＡｌ混晶比を該へテロ界面
から離れるに従って減少させることにより、高速化され
た電子ガス移動度を有する２次元電子ガスを用いた電子
デバイスを作製することが可能となった。また、該ワイ
ドバンドギャップ層において、該チャネル層とのヘテロ
界面でのＡｌ混晶比ｚを０．３５とすれば、ＧａＮチャ
ネル層のバンドギャップとワイドバンドギャップ層のバ
ンドギャップとの差が充分あるので、効率的に２次元電
子ガス層をチャネル層に形成することができる。また、
Ａｌ混晶比が０．３５であれば、ワイドバンドギャップ
層の結晶性も良好である。

【００１４】さらに、本発明の電子デバイスは、該チャ
ネル層がＧａＮ層であって、該ワイドバンドギャップ層
がＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ層（０≦ｚ≦１）であることを特
徴とする。

【００１５】本発明は、該ワイドバンドギャップ層は、
ドナー不純物をドープした１または複数のドープ層と１
または複数のアンドープ層とからなる多層構造であっ
て、該ＧａＮチャネル層にはアンドープ層が接している
ことを特徴とする電子デバイスも提供する。特に、上記
ドナー不純物はＳｉであることが好ましい。すなわち、
本発明のＨＥＭＴにおいて、ワイドバンドギャップ層が
チャネル層と接合される部分にはドナー不純物がドープ
されていないので、ワイドバンドギャップ層の結晶性が
高い。

【００１６】また、本発明の電子デバイスは、該ワイド
バンドギャップ層上にｎ型ハイドープＧａＮコンタクト
層を形成することを特徴とする。コンタクト層にドープ
する不純物はＳｉであることが好ましい。

【００１７】また、本発明は、基板上にＩｎ_ｘＧａ
_１−ｘＮ系化合物半導体層（０≦ｘ≦１）からなるチャ
ネル層を成膜する工程と、該チャネル層上にＩｎ_ｙＡｌ
_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ系化合物半導体層（０≦ｙ、０≦
ｚ、ｙ＋ｚ≦１）からなるワイドバンドギャップ層を成
膜して、ヘテロ構造を形成する工程とを含む電子デバイ
スの製造方法を提供する。さらに、この製造方法は、該
ワイドバンドギャップ層のＡｌ混晶比をヘテロ界面から
離れるに従って減少させることを特徴とする すなわち、本発明の方法によれば、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ
系化合物半導体層（０≦ｘ≦１）からなるチャネル層お
よびＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ系化合物半導体層
（０≦ｙ、０≦ｚ、ｙ＋ｚ≦１）からなるワイドバンド
ギャップ層から構成されるヘテロ構造を有し、そのワイ
ドバンドギャップ層におけるＡｌ混晶比がヘテロ界面か
ら離れるに従い減少しているＨＥＭＴを製造できる。

【００１８】本発明の電子デバイスの製造方法におい
て、該ワイドバンドギャップ層の成膜は、一定の成長温
度にて、Ａｌ原料ガス供給量を減少させて行なうことも
できるし、一定のＡｌ原料ガス供給量にて、成長温度を
降温させながら行なうこともできる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、ＨＥＭＴを例として本発明
を説明するが、本発明はＨＥＭＴに限定されず、２次元
電子ガスを利用した電子デバイスに適用することができ
る。

【００２０】高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）構
造 本発明のＨＥＭＴは、図２および３に示すごとく、基板
１０１上にＩｎ_ｘＧａ _１−ｘＮチャネル層１０３とＩｎ
_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎワイドバンドギャップ層１０
４とからなるヘテロ構造を有する。基板としては、サフ
ァイア基板、ＳｉＣ基板、ＧａＮ基板、Ｓｉ基板等を用
いることができる。基板１０１とチャネル層１０３との
格子定数不整を緩和し、結晶欠陥を低減させるために、
Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮチャネル層１０３を形成する前に、
基板１０１上に低温成長させたＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮバッ
ファー層１０２を形成することが好ましい。上記ワイド
バンドギャップ層１０４上にソース電極１０５、ドレイ
ン電極１０６およびゲート電極１０７が形成されてい
る。また、ソース電極１０５およびドレイン電極１０６
は、好ましくは、電極との接触抵抗が小さくなるような
材料、例えば、ＳｉハイドープＧａＮなどの材料からな
るコンタクト層１０８および１０９を介して形成されて
いる。

【００２１】ＨＥＭＴ製造工程 まず、例えば、サファイア基板１０１上に、有機金属化
学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）のごとき通常の薄膜形成技
術を用いて、膜厚０．１〜５００ｎｍのＧａＮバッファ
ー層１０２を形成する。次いで、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ
（０≦ｘ≦１）、好ましくは、ＧａＮを用いてチャネル
層１０３を形成する。該チャネル層１０３は不純物を含
まない。チャネル層もＭＯＣＶＤのごとき通常の薄膜形
成技術を用いて形成することができる。該Ｉｎ_ｘＧａ
_１−ｘＮのチャネル層１０３の好ましい膜厚は、１〜６
μｍである。ＧａＡｓ系ＨＥＭＴにおいて、膜厚５００
μｍのチャネル層に０．１μｍ厚程度の２次元電子ガス
層が形成されたことが知られている。これにより、結晶
性の高い領域で有効に２次元電子ガスを形成するために
は、チャネル層の膜厚は１μｍ以上であることが好まし
い。また、基板の種類および厚みに依存するが、チャネ
ル層の膜厚が６μｍ以下であれば、熱膨張係数の差によ
り基板に反りが発生することがないので好ましい。

【００２２】次いで、ＭＯＣＶＤのごとき通常の薄膜形
成技術を用いて、ワイドバンドギャップ層を形成する。
ワイドバンドギャップ層は、該チャネル層のバンドギャ
ップよりも広いバンドギャップを有する材料系で形成す
ればよいが、Ｉｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ系材料（０
≦ｙ、０≦ｚ、ｙ＋ｚ≦１）で形成することが好まし
く、Ａｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ系材料（０≦ｚ≦１）で形成す
ることがより好ましい。最も好ましくは、該ワイドバン
ドギャップ層はＡｌＧａＮで形成する。ワイドバンドギ
ャップ層の膜厚は、５〜５０ｎｍであることが好まし
い。２次元電子ガスの形成には、膜厚が５ｎｍ以上ある
ことが必要であり、膜厚が５０ｎｍを超えると、チャネ
ル層に電子が遷移しにくくなりワイドバンドギャップ層
が伝導層となってしまう。より好ましくは、ワイドバン
ドギャップ層の膜厚は、１０〜２０ｎｍである。

【００２３】ワイドバンドギャップ層１０４は、ｎ型に
するためにＳｉ等の不純物をドープする。ワイドバンド
ギャップ層におけるドープ濃度は、３×１０^１７〜１×
１０ ^１８ｃｍ^−３であることが好ましい。ドープ濃度が
前記範囲にあれば、キャリア効果があり、結晶性も良好
であるので好ましく、高い電子移動度を達成することが
可能となる。本発明において、図３（Ａ）に示すごと
く、ワイドバンドギャップ層は、ＧａＮチャネル層１０
３に接する側が不純物をドープしないアンドープ層１０
４ａであり、その上にドープ層１０４ｂが積層された２
層構造とすることができる。この構成により、不純物ド
ープによるヘテロ界面領域の結晶性の低下を抑制するこ
とができる。

【００２４】本発明において、ワイドバンドギャップ層
はアンドープ層／ドープ層の２層構造に限らず、１また
は複数のアンドープ層および１または複数のドープ層か
らなる多層構造とすることができる。例えば、図３
（Ｂ）に示すごとく、ＧａＮチャネル層１０３側から、
第１のアンドープ層１０４ａ、ドープ層１０４ｂおよび
第２のアンドープ層１０４ｃのような多層構造とする。
なお、図３では、説明の便宜上、コンタクト層の図示を
省略したが、上記構成においても、図２に示した構成と
同様にコンタクト層を形成することができる。

【００２５】該ワイドバンドギャップ層において、Ａｌ
の混晶比を変化させることによって、バンドギャップを
変化させることができる。すなわち、Ａｌ混晶比を高く
すれば、バンドギャップを広くし、Ａｌ混晶比を低くす
れば、バンドギャップを狭くすることが可能である。し
かしながら、Ａｌ混晶比を高くすると、結晶性を低下さ
せてしまうので、Ａｌ混晶比を変化させる際には、バン
ドギャップと結晶性の両方の特性を考慮する必要があ
る。

【００２６】該へテロ界面においては、該チャネル層の
バンドギャップとワイドバンドギャップ層のバンドギャ
ップの差が大きいほど２次元電子ガスを有効にチャネル
層に分離できるので、Ａｌ混晶比は高い方が好ましい
が、Ａｌ混晶比が約０．３５を超えるとワイドバンドギ
ャップ層の結晶性が著しく低下してしまう。したがっ
て、Ａｌ混晶比は最大でも０．３５とすることが好まし
い。

【００２７】本発明の実施の形態において、Ｉｎ_ｙＡｌ
_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎワイドバンドギャップ層のＡｌ混晶
比ｚをヘテロ界面では０．３５とし、該へテロ界面から
離れるに従って小さくする。このとき、ワイドバンドギ
ャップ層のヘテロ界面から最上層に向かうＡｌ混晶比変
化のプロファイルの例を図４に示す。Ａｌ混晶比は、例
えば、図４（Ａ）に示すごとく、段階的に変化させるこ
とが簡便であるが、連続的に減少させることも可能であ
る。例えば、図４（Ｂ）および（Ｃ）に示すごとく、非
線形的または線形的に漸次減少させることができる。な
お、Ａｌ混晶比変化のプロファイルは、上記したドープ
層／アンドープ層の膜厚比とは、独立して設定される。

【００２８】ＭＯＣＶＤ等の薄膜形成技術によりＡｌＧ
ａＮワイドバンドギャップ層を成長させる際、マスフロ
ーコントローラによる原料ガスの供給量の制御や、Ａｌ
ＧａＮの成長温度の制御によって、Ａｌ混晶比を変化さ
せることができる。すなわち、Ａｌ混晶比を低下させる
ためには、一般に、一定の成長温度にてＡｌの原料ガス
の供給量を減少させるが、原料ガスの供給量を一定とし
て、成長温度を降温することによっても、Ａｌ混晶比を
低下させることが可能である。

【００２９】ソース電極１０５およびドレイン電極１０
６が接触するワイドバンドギャップ層の領域近傍におけ
るＳｉ等の不純物のドープ濃度を高くし、ゲート電極１
０７が接触する領域近傍における不純物のドープ濃度を
低くすることが好ましい。これにより、ソース電極／ド
レイン電極をオーミック接続し、ゲート電極をショット
キー接続することができる。すなわち、ワイドバンドギ
ャップ層上面に、後述のソース電極１０５およびドレイ
ン電極１０６をオーミック接続するために、Ｓｉ等の不
純物をハイドープしたＧａＮを用いてｎ型コンタクト層
１０８および１０９を形成する。ここで、良好なオーミ
ック電極を得るためには、ドープ濃度を３×１０^１８ｃ
ｍ^−３程度とすることが好ましい。

【００３０】コンタクト層１０８および１０９を形成す
るには、まず、ＭＯＣＶＤのごとき通常の薄膜形成技術
を用いて、ワイドバンドギャップ層上全面にコンタクト
層を形成する。次いで、コンタクト層上にエッチングマ
スクを形成し、パターニングした後、エッチングによ
り、コンタクト層１０８および１０９を形成する方法が
ある。別法として、まず、ワイドバンドギャップ層上に
フォトマスクを形成し、コンタクト層１０８および１０
９を形成すべき領域が開口するようにパターニングす
る。次いで、ＭＯＣＶＤ等によりコンタクト層を形成す
る方法もある。

【００３１】ワイドバンドギャップ層の上面、または、
上記のコンタクト層の上にｎ型半導体に対してオーミッ
ク接触できる電極材料系を用いて、ソース電極１０５お
よびドレイン電極１０６を形成し、ｎ型半導体に対して
ショットキー接触できる電極材料系を用いて、ゲート電
極１０７を形成する。ソース電極１０５およびドレイン
電極１０６は、接触抵抗が最小となるように形成すれば
よく、例えば、Ｔｉ／Ａｌの積層配線とすることが好ま
しい。また、ゲート電極１０７は、ショットキー特性が
最適になるように、例えば、Ｎｉ／Ａｕの積層配線とす
ることが好ましい。上記の電極はスパッタ法のごとき通
常の技術を用いて形成する。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の実施例を詳細に説明するが、
本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

【００３３】実施例１ 従来例と同様に、ＡｌＧａＮワイドバンドギャップ層の
Ａｌ混晶比を一定にしてＨＥＭＴを作製し、該Ａｌ混晶
比が電子移動度およびシートキャリア濃度に与える影響
を調べた。

【００３４】１．ＨＥＭＴの製造 基板として、オリエンテーションフラット面がＡ面であ
り、（０００１）Ｃ面を主面とするサファイア基板１０
１（直径２インチφ、厚み４２５μｍ）を用いた。この
サファイア基板１０１をＭＯＣＶＤ反応容器にセット
し、温度を５００℃にして、トリメチルガリウム（ＴＭ
Ｇ）およびアンモニア（ＮＨ_３）を用いて、ＧａＮバッ
ファー層１０２を２０ｎｍの膜厚まで成長させた。

【００３５】次いで、反応容器の温度を１０５０℃にし
て、ＴＭＧおよびアンモニアを用いて、不純物を含まな
いＧａＮチャネル層１０３を３μｍの膜厚まで成長させ
た。

【００３６】続いて、１０５０℃にて、ＴＭＧ、トリメ
チルアルミニウム（ＴＭＡ）、アンモニアおよびシラン
ガスを用いて、チャネル層の上にＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮワ
イドバンドギャップ層１０４を成長させた。ここで、ワ
イドバンドギャップ層１０４の全膜厚を１５ｎｍとし、
アンドープＡｌＧａＮ層１０４ａの膜厚を５ｎｍとし、
Ｓｉをドープしたドープ層１０４ｂの膜厚を１０ｎｍと
した。また、このとき、表１に示すごとく、Ａｌの混晶
比ｚが異なる６種のワイドバンドギャップ層を形成し
た。

【００３７】次に、ワイドバンドギャップ層１０４の上
面に、ＭＯＣＶＤ反応容器中、１０５０℃にて、ＴＭＧ
およびアンモニア、不純物としてシランガスを用いて、
ソース電極１０５およびドレイン電極１０６をワイドバ
ンドギャップ層にオーミック接触させるためのコンタク
ト層１０８および１０９を形成した。このとき、これら
のコンタクト層の膜厚は１０ｎｍであり、Ｓｉドープ濃
度は３×１０^１８ｃｍ ^−３であった。

【００３８】最後に、コンタクト層上に１０ｎｍ厚Ｔｉ
／２００ｎｍ厚Ａｌを積層した後、６００℃にてアニー
リングすることにより合金からなる配線を形成して、ソ
ース電極１０５およびドレイン電極１０６とした。ま
た、ワイドバンドギャップ層上に１５０ｎｍ厚Ｎｉ／１
００ｎｍ厚Ａｕの積層配線を形成してゲート電極１０７
とした。上記の３つの電極はスパッタ法を用いて形成し
た。

【００３９】２．ワイドバンドギャップ層のＡｌ混晶比
が電子移動度およびシートキャリア濃度に与える影響 上記の工程により得られた、ワイドバンドギャップ層１
０４のＡｌ混晶比の異なる６種のＨＥＭＴを用いて、Ａ
ｌ混晶比ｚと電子移動度およびシートキャリア濃度（Ｎ
ｓ）との関係を調べた。固体内において自由電子のドリ
フト速度（ｃｍ／ｓ）は電界強度（Ｖ／ｃｍ）に比例
し、この比例係数を「電子移動度（ｃｍ^２／Ｖ・ｓ）」
という。また、「シートキャリア濃度」とは、自由電子
数の面密度（個／ｃｍ^２）を意味する。これら２つの電
気的特性は、van der Pauw 法により測定した。得られ
た結果を表１および図５に示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】以上の結果から、Ａｌ混晶比ｚが増加する
に従い、シートキャリア濃度が増大するが、一方、電子
移動度は、ｚ＝０．１５付近で最大となり、さらにｚが
増加すると減少することが明らかとなった。Ａｌ混晶比
が低い領域（ｚ＝０．１５以下）では、Ａｌ混晶比が低
いほど電子移動度が低くなるのは、チャネル層とのバン
ドギャップ差が小さくなり、２次元電子ガスが有効にチ
ャネル層に蓄積されないためと考えられる。Ａｌ混晶比
ｚの値が高いほどシートキャリア濃度が増大するが、Ａ
ｌ混晶比が高くなるに従い、結晶性が悪くなり、他のト
ランジスタ特性の低下を招くので、ｚ＝０．３５を上限
とした。

【００４２】実施例２ ＨＥＭＴに大電流を流すためには、高い電子移動度と共
に高いシートキャリア濃度が必要である。すなわち、概
略的には、高い電子移動度を有し、さらに電子移動度と
シートキャリア濃度との積が大きいことが、高速度、高
出力特性のＨＥＭＴを形成するのに有用である。実施例
１の結果から、ワイドバンドギャップ層１０４の結晶性
を考慮しつつ、最も高いシートキャリア濃度を与えるＡ
ｌ混晶比ｚは０．３５であることが明らかになった。し
かしながら、このＡｌ混晶比では、低い電子移動度しか
得られなかった。

【００４３】そこで、（１）有効に２次元電子ガスをチ
ャネル層に蓄積するために、チャネル層とワイドバンド
ギャップ層との間のバンドギャップ差を大きく保ちつ
つ、（２）高い電子移動度と高いシートキャリア濃度と
を同時に達成するために、チャネル層／ワイドバンドギ
ャップ層のヘテロ界面におけるＡｌ混晶比ｚを０．３５
に固定し、ヘテロ界面から離れるに従ってＡｌ混晶比を
減少させることを検討した。ここで、ワイドバンドギャ
ップ層において、ヘテロ界面でのＡｌ混晶比を「初期Ａ
ｌ混晶比ｚ_ｉ」と定義し、最上層でのＡｌ混晶比を「最
終Ａｌ混晶比ｚ_ｔ」と定義する。

【００４４】上記したごとく、ＡｌＧａＮワイドバンド
ギャップ層のＡｌ混晶比の変化は、ＭＯＣＶＤによる薄
膜形成工程において、（１）一定の成長温度にて、Ａｌ
原料ガスの供給量を変化させることにより、または
（２）Ａｌ原料ガスの供給量を一定とし、成長温度を変
化させることにより達成することができる。

【００４５】１．Ａｌ原料ガス供給量によるＡｌ混晶比
の制御 ワイドバンドギャップ層形成時、成長温度を１０５０℃
に固定し、Ａｌ原料ガス（ＴＭＡ）の供給量を変化させ
る以外は実施例１と同様にしてＨＥＭＴを作製した。そ
のとき、ワイドバンドギャップ層のヘテロ界面における
初期Ａｌ混晶比ｚ_ｉを０．３５とし、最上層における最
終Ａｌ混晶比ｚ_ｔを０から０．３５まで変化させた。

【００４６】Ａｌ原料ガス（ＴＭＡ）の初期供給量を２
０ｃｃ／分とすることで初期Ａｌ混晶比ｚ_ｉを０．３５
とした。そこから、Ａｌ原料ガス以外の原料ガス供給量
は一定のままＡｌ原料ガス供給量を減少させることによ
り、漸次Ａｌ混晶比を減少させた。最終Ａｌ混晶比ｚ_ｔ
を０とした場合のＡｌ原料ガス供給量プロファイルを図
６に示す。このとき、Ａｌ原料ガス供給量は、１ステッ
プ２秒間として４８ステップ、すなわち９６秒間かけて
２０ｃｃ／分から０ｃｃ／分にまで減少させた。図６に
示すように、Ａｌ原料ガスの供給量はほぼ直線的に減少
した。その後、実施例１と同様にして形成したＨＥＭＴ
につき、電子移動度およびシートキャリア濃度を測定し
た。得られた結果を表２および図７に示す。

【００４７】

【表２】

【００４８】以上の結果から、最終Ａｌ混晶比ｚ_ｔを小
さくすると、キャリア濃度を高く保ったまま、電子移動
度を顕著に増大させることができた。

【００４９】かくして、ワイドバンドギャップ層１０４
のＡｌ混晶比ｚをヘテロ界面において０．３５とし、該
層の上面において０になるように変化させたとき、電子
移動度が１８８０ｃｍ^２／Ｖ・ｓとなり、従来の有機金
属化学気相成長法のみを用いたＨＥＭＴ構造に比べ、約
２５％高速化された。

【００５０】２．成長温度によるＡｌ混晶比の制御 ワイドバンドギャップ層形成時、Ａｌ原料ガス（ＴＭ
Ａ）の供給量を固定し、成長温度を変化させる以外は実
施例１と同様にしてＨＥＭＴを作製した。具体的には、
実施例１と同様にしてＴＭＧおよびアンモニアを用いて
１０５０℃にて、アンドープＧａＮチャネル層（３μｍ
厚）を形成後、すぐにＴＭＡを流し、Ａｌ_０．３５Ｇａ
_０．６５Ｎワイドバンドギャップ層（１５ｎｍ厚）を形
成した。このワイドバンドギャップ層を形成するとき、
ヘテロ界面では１０５０℃、ワイドバンドギャップ層の
最上層では８５０℃になるようにヘテロ界面から離れる
に従って、９０秒間かけて温度を降温させながら成長さ
せた。

【００５１】このように、ワイドバンドギャップ層を降
温させながら成長させた場合、キャリア濃度を高く保っ
たまま電子移動度を顕著に増大させることができた。こ
のときの電子移動度は２０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓとなり、
従来の有機金属化学気相成長法のみを用いたＨＥＭＴ構
造と比べ、約３０％高速化された。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来のＨＥＭＴの構造を表す概略断面図。

【図２】 本発明のＨＥＭＴの構造を表す概略断面図。

【図３】 本発明ののＨＥＭＴの構造を表す概略断面
図。

【図４】 本発明のＨＥＭＴのワイドバンドギャップ層
におけるＡｌ混晶比の濃度変化を示すグラフ。

【図５】 本発明のＨＥＭＴのワイドバンドギャップ層
におけるＡｌ混晶比と電子移動度およびキャリア濃度と
の関係を表すグラフ。

【図６】 本発明のＨＥＭＴのワイドバンドギャップ層
を形成するときのＡｌ原料ガス供給量の変化プロファイ
ルの一例を示すグラフ。

【図７】 本発明のＨＥＭＴのワイドバンドギャップ層
におけるＡｌ混晶比の勾配と電子移動度およびキャリア
濃度関係を表すグラフ。

【符号の説明】

１・・・基板、 ２・・・ＧａＮ系バッファー層、 ３・・・ＧａＮ系チャネル層、 ４・・・ＡｌＧａＮ系ワイドバンドギャップ層、 ５・・・ソース電極、 ６・・・ドレイン電極、 ７・・・ゲート電極、 １０１・・・基板、 １０２・・・バッファー層 １０３・・・チャネル層、 １０４・・・ワイドバンドギャップ層、 １０４ａ・・・アンドープワイドバンドギャップ層、 １０４ｂ・・・ドープワイドバンドギャップ層、 １０５・・・ソース電極、 １０６・・・ドレイン電極、 １０７・・・ゲート電極、 １０８、１０９・・・コンタクト層。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ系化合物半導体層
   （０≦ｘ≦１）からなるチャネル層およびＩｎ_ｙＡｌ_ｚ
   Ｇａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ系化合物半導体層（０≦ｙ、０≦ｚ、
   ｙ＋ｚ≦１）からなるワイドバンドギャップ層により構
   成されるヘテロ構造を含み、該Ｉｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ
   _{１−ｙ−ｚ}Ｎ系ワイドバンドギャップ層において、該ヘ
   テロ界面でのバンドギャップが該チャネル層のバンドギ
   ャップよりも広く、該ヘテロ界面から離れるに従って、
   Ａｌ混晶比ｚが連続的にまたは段階的に減少することを
   特徴とする２次元電子ガスを用いた電子デバイス。
2. 【請求項２】 該チャネル層とのヘテロ界面でのＡｌ混
   晶比ｚが０．３５であることを特徴とする請求項１記載
   の電子デバイス。
3. 【請求項３】 該チャネル層がＧａＮ層であって、該ワ
   イドバンドギャップ層がＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＮ層（０≦ｚ
   ≦１）であることを特徴とする請求項１または２記載の
   電子デバイス。
4. 【請求項４】 該ワイドバンドギャップ層は、ドナー不
   純物をドープした１または複数のドープ層と１または複
   数のアンドープ層とからなる多層構造であって、該Ｇａ
   Ｎチャネル層にはアンドープ層が接していることを特徴
   とする請求項１ないし３いずれか１記載の電子デバイ
   ス。
5. 【請求項５】 該ドナー不純物がＳｉであることを特徴
   とする請求項４記載の電子デバイス。
6. 【請求項６】 該ワイドバンドギャップ層上にｎ型ハイ
   ドープＧａＮコンタクト層を有することを特徴とする請
   求項１ないし５いずれか１記載の電子デバイス。
7. 【請求項７】 該ハイドープＧａＮコンタクト層にＳｉ
   をドープすることを特徴とする請求項６記載の電子デバ
   イス。
8. 【請求項８】 基板上にＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＮ系化合物半
   導体層（０≦ｘ≦１）からなるチャネル層を成膜する工
   程と、該チャネル層上にＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１−ｙ−ｚ}Ｎ
   系化合物半導体層（０≦ｙ、０≦ｚ、ｙ＋ｚ≦１）から
   なるワイドバンドギャップ層を成膜して、ヘテロ構造を
   形成する工程とを含む２次元電子ガスを用いた電子デバ
   イスの製造方法。
9. 【請求項９】 該ワイドバンドギャップ層のＡｌ混晶比
   をヘテロ界面から離れるに従って減少させることを特徴
   とする請求項８記載の電子デバイスの製造方法。
10. 【請求項１０】 該ワイドバンドギャップ層を成膜する
    際、一定の成長温度にて、Ａｌ原料ガス供給量を減少さ
    せることを特徴とする請求項８または９記載の電子デバ
    イスの製造方法。
11. 【請求項１１】 該ワイドバンドギャップ層を成膜する
    際、一定のＡｌ原料ガス供給量にて、成長温度を降温す
    ることを特徴とする請求項８または９記載の電子デバイ
    スの製造方法。