JP2004342742A - 通信機器用半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】化合物半導体からなるチャネル層の移動度を格段に向上させ、且つ特性の安定した高耐圧で高速動作が可能な通信機器用半導体装置を提供すること
【解決手段】本発明に係る通信機器用半導体装置は、
ＧａＳｂからなる化合物半導体基板１０１の表面に、
第１の半導体層１０２と、
第１の半導体層の上に設けられ、第１の半導体層１０２よりもバンドギャップが小さい第２の半導体層１０３と、
第２の半導体層の上に設けられ、第２の半導体層との間でヘテロ障壁を生ぜしめる材料からなる第３の半導体層１０４・１０６と
を備え、
第２の半導体層１０２と第３の半導体層１０４・１０６との界面において、第３の半導体層１０４・１０６は第２の半導体層１０３よりも電子親和力が小さく、その差が０．５ｅＶ以上２．２５ｅＶ以下であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信機器用半導体装置に関し、特にヘテロ接合電界効果型トランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高周波特性，発光特性，耐圧特性など特定の特性が優れた特殊な機能を有する半導体デバイスを実現するために、新しい半導体材料や半絶縁材料の開発が活発に行われている。半導体材料の中でもインジウム燐（ＩｎＰ）系半導体は、代表的な半導体材料である珪素（Ｓｉ）に比べて電子移動度や飽和電子速度が大きい半導体であることから、次世代の高周波デバイス、高温デバイスなどへの応用が期待される材料である。そして、携帯電話や携帯情報端末（ＰＤＡ）の他、家庭やオフィスの機器などをネットワーク化する、高周波を用いた通信用システムへの応用は、ＩｎＰ材料の用途として非常に有望である。
【０００３】
ＩｎＰを用いたデバイスの１つとして、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓへテロ接合を用いたヘテロ接合電界効果型トランジスタ（以下、ＨＦＥＴと称す）がある。このＨＦＥＴの高性能化は従来より進められており、集積回路に応用するための研究も盛んに行われている。
【０００４】
図１３は、従来の代表的なＨＦＥＴ（以下、「従来のＨＦＥＴ」と称す）の構造を示す断面図である。同図に示すように、従来のＨＦＥＴは、半絶縁性のＩｎＰ基板１３０１と、ＩｎＰ基板１３０１上に設けられたアンドープのＩｎＡｌＡｓからなる厚さ２００ｎｍのバッファ層１３０２と、バッファ層１３０２上に設けられたアンドープのＩｎＧａＡｓからなる厚さ１５ｎｍのチャネル層１３０３と、チャネル層１３０３の上に設けられたアンドープのＩｎＡｌＡｓからなる厚さ２ｎｍのスペーサ層１３０４と、スペーサ層１３０４の上に例えば共蒸着により設けられた面密度５×１０^１２ｃｍ^−２のＳｉを含む原子層ドーピング面からなる不純物添加層１３０５と、不純物添加層１３０５の上に設けられたアンドープのＩｎＡｌＡｓからなる厚さ１５ｎｍのバリア層１３０６と、バリア層１３０６の上に設けられたゲート電極１３１１と、バリア層１３０６の上のゲート電極１３１１の両側方に設けられた１×１０^１９ｃｍ^−３のＳｉを含むｎ型ＩｎＧａＡｓからなるキャップ層１３０７と、チャネル層１３０３，スペーサ層１３０４，不純物添加層１３０５，バリア層１３０６及びキャップ層１３０７の一部にＳｉをイオン注入することにより設けられたソース領域１３１２及びドレイン領域１３１３と、ソース領域１３１２上に設けられたソース電極１３１０と、ドレイン領域１３１３の上に設けられたドレイン電極１３０９を備えている。また、バッファ層１３０２，チャネル層１３０３，スペーサ層１３０４，バリア層１３０６及びキャップ層１３０７はそれぞれ分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法や化学気相成長（ＣＶＤ）法などにより堆積された層であり、ＩｎＰ基板１３０１に格子整合している。なお、ドレイン電極１３０９及びソース電極１３１０は共にＡｕＧｅ／Ｎｉ等からなっており、ドレイン領域１３１３とソース領域１３１２とそれぞれオーミック接触している。
【０００５】
次に、図１４は、図１３に示すＸ−Ｘ線における従来のＨＦＥＴのエネルギーバンド図である。同図は、ＨＦＥＴの駆動時におけるエネルギーバンド図であり、ゲート電極１３１１に電圧が印加された状態を示している。
【０００６】
図１３及び図１４から分かるように、従来のＨＦＥＴは、共にバンドギャップの大きいＩｎＡｌＡｓからなるバッファ層１３０２とスペーサ層１３０４との間にバンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓからなるチャネル層１３０３が挟まれた、いわゆるダブルヘテロ構造をとっている。このため、伝導帯側においては、スペーサ層１３０４とチャネル層１３０３との間、及びバッファ層１３０２とチャネル層１３０３との間には、それぞれ０．５５ｅＶのエネルギー障壁（バンド不連続量α）が形成され、キャリアとなる電子をチャネル領域中の狭い領域に閉じこめることができる。その結果、キャリアがチャネル層１３０３とスペーサ層１３０４との界面に蓄積し、散乱が抑制された状態でチャネル層１３０３中を図７の紙面に対して垂直方向に移動する。こうして、バルク中を走行する電子よりも移動度の大きい二次元電子ガス１３０８が生じるため、従来のＨＦＥＴは、高速動作が可能になっている。
【０００７】
なお、従来のＨＦＥＴにおいては、ゲート電極１３１１に印加する電圧を調節することで二次元電子ガス１３０８の濃度を変化させ、ソース電極−ドレイン電極間を流れる電流を制御することを可能にしている。
【０００８】
このように、従来のＨＦＥＴは、キャリア電子の移動度が大きく、高周波を利用した通信機器に要求される優れた高周波特性を有している。
【０００９】
【特許文献１】
特開平２−１０５５３８号公報
【特許文献２】
特開平３−２８８４４６号公報
【特許文献３】
特開昭６３−１４４５７９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＨＦＥＴにおいては改良すべきいくつかの点があった。以下ではそれらについて順を追って説明していくことにする。
【００１１】
まず、素子の遮断周波数限界について以下に説明する。
【００１２】
従来から用いてこられたＩｎＰ基板系のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７ＡｓチャネルＨＥＭＴではゲート長を短くするといったの微細化による周波数特性改善が行われているが、プロセスには電子ビーム露光を用いており、スループットの悪さとともに量産性に向かないという欠点があった。そこで微細化に頼らない高周波特性改善の一策としてチャネル層の移動度を高めるべく、Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓチャネル層におけるＩｎ組成を高め、その組成比が０．８に達するものも現れてきている。このようなＩｎ組成の高いＩｎＧａＡｓはＩｎＰ基板との格子不整合が大きくなっており、結晶品質が劣化しやすいとともに素子の安定性を失ってしまう。
【００１３】
また、近年ではＩｎＧａＡｓチャネル層をより高速な移動度を有する材料系であるＩｎＡｓＰチャネル層とすることも考案されており、この系ではバルクの移動度が４００００ｃｍ２／Ｖ・ｓにも達するため、ＨＦＥＴ素子のさらなる高速化を実現できうるものとして期待されているが、こちらも同様な理由で結晶品質が劣化しやすいとともに素子の安定性を失ってしまう。
【００１４】
次に素子の耐圧限界について以下に説明する。
【００１５】
ＩｎＰ基板に格子整合したＩｎＧａＡｓは、バンドギャップが０．７７ｅＶと小さいため衝突イオン化が起こりやすく、走行中のキャリアが大きな運動エネルギーを持ったときに、より上の準位へ遷移しやすい。高速化を実現するために前述したようにＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓチャネル層におけるＩｎ組成を高めようとするとバンドギャップエネルギーは０．７７ｅＶよりも小さくなり、トランジスタの耐圧は著しく低下する。
【００１６】
このためドレイン−ソース間への印加電圧を抑えて使用することが考えられるが、それでも衝突イオン化は生じやすくなる。
【００１７】
衝突イオン化が起こると電子・ホール対が生成され、このうち電子は他のキャリア電子と同様にドレイン電極へと流れる。これに対し、生成したホールは、電子に比べて非常に速度が遅く、電子の動作には追随できない。このため、ＨＦＥＴの動作中にホールが滞留しやすく、雑音の発生要因となり易い。また、チャネル層１３０３内に発生するホールはトランジスタ内のポテンシャル分布を変化させ、トランジスタのソース抵抗やしきい値電圧を変化させる。その結果、トランジスタの出力特性が不安定となる。
【００１８】
さらに、このようなトランジスタ特性の変化がドレイン電流の増加を誘起し、電流の増加が衝突イオン化をさらに増加させることによってトランジスタの破壊に至ることもある。
【００１９】
本発明の目的は、化合物半導体からなるチャネル層の移動度を格段に向上させ、且つ特性の安定した高耐圧で高速動作が可能な通信機器用半導体装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の通信機器用半導体装置は、化合物半導体基板上に、第１の半導体層と、上記第１の半導体層の上に設けられ、上記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さい第２の半導体層と、上記第２の半導体層の上に設けられ、上記第２の半導体層との間でヘテロ障壁を生ぜしめる材料からなる第３の半導体層とを備え、上記第２の半導体層と上記第３の半導体層との界面において、上記第３の半導体層は上記第２の半導体層よりも電子親和力が小さく、その差が０．５ｅＶ以上２．２５ｅＶ以下である。
【００２１】
これにより、第２の半導体層の伝導帯端のポテンシャルが第３の半導体層の伝導帯端のポテンシャルよりも低いので、本発明の通信機器用半導体装置がＨＦＥＴである場合に、第２の半導体層をトランジスタのチャネルとして機能させることができる。
【００２２】
なお、本発明の通信機器用半導体装置は、上記第１の半導体層の下にＧａＳｂ基板を備えていてもよい。
【００２３】
上記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーが０．４ｅＶ以上かつ０．８ｅＶ以下とすることにより、駆動時にチャネル内で衝突イオン化が起こる頻度を従来のＨＦＥＴと同等以下に抑えることができるので、ホールの発生が抑えられる。その結果、第２の半導体層内でのホールの蓄積が抑えられるので、本発明の通信機器用半導体装置は、高耐圧で信頼性の高いＨＦＥＴとして機能させることができる。
【００２４】
また、上記第２の半導体層は、Ｖ族原料として少なくともＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族半導体であることにより、優れた高周波特性を有し、従来のようなＩｎＧａＡｓチャネル層からなるトランジスタに比べて移動度の大きいＨＦＥＴを実現することができる。
【００２５】
特に、上記第２の半導体層は、ＩｎＡｓＰＳｂ、ＩｎＧａＰＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂのうちの少なくとも一つから構成されるチャネル層からなり、各材料に対しては組成を変化させることでバンド構造を変えることが可能になるので、バンドギャップの大きさ，第２の半導体層−第３の半導体層間のヘテロ障壁の大きさなどを最適に調節することができる。
【００２６】
上記第１〜第３の半導体層は、上記ＧａＳｂ基板とほぼ格子整合していることが好ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
−改良点についての検討−
ＨＦＥＴにおいて、さらなる高速化を実現するためにはゲート長を短くしていく微細化による方法とチャネル層に用いられている材料を新規材料で構成することの２つの解決方法が考えられる。
【００２８】
本発明では二者うちの材料を変える方法をとっている。
【００２９】
チャネル層材料を選ぶ際に重要なことはその材料のバルクとしての移動度が高いことは当然であるがその他に素子の安定性を考慮し、チャネル層内での衝突イオン化を抑制する必要がある。
【００３０】
衝突イオン化を防ぐためにはチャネル層のバンドギャップを大きくする必要があるが、バンドギャップを大きくすると、電子の有効質量は重くなり、ＨＦＥＴの最大の長所である高速動作性が失われる。また、バンドギャップを大きくすることで伝導帯側のエネルギー障壁が小さくなる場合には、電子の閉じこめが不十分になり、高移動度の二次元電子ガスを発生させることが困難になる。
【００３１】
以上のことから、本願発明者らは基板を該バンドギャップを大きく変えないか、バンドギャップを広くするとしてもキャリアの移動度に影響しない程度にするように留意した。
【００３２】
加えて、チャネル層内への電子の閉じこめを維持することにも留意した。
【００３３】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る通信機器用のＨＦＥＴについて、以下説明する。
【００３４】
図１は、本実施形態に係るＨＦＥＴの構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態のＨＦＥＴは、半絶縁性のＧａＳｂ基板１０１と、ＧａＳｂ基板１０１上に設けられたアンドープのＡｌ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂであって、その組成の範囲が
０≦ａ≦１ かつ ０≦ｂ≦０．２
であって、その厚みが２００ｎｍであるようなＡｌＧａＡｓＳｂバッファ層１０２と、
バッファ層１０２上に設けられたアンドープのＩｎＡｓ_ｘ（ＳｂＰ）_１−ｘであってｘ≦０．９５、かつＩｎＰ_ｙ（ＳｂＡｓ）_１−ｙであって０．３５≦ｙ≦０．７であるようなＩｎＰＡｓＳｂからなる厚さ１５ｎｍのチャネル層１０３と、
チャネル層１０３の上に設けられたアンドープのＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１からなる厚さ２ｎｍのスペーサ層１０４と、
スペーサ層１０４の上に共蒸着等により設けられた面密度５×１０^１２ｃｍ^−２のＳｉを含む原子層ドーピング面からなる不純物添加層１０５と、
不純物添加層１０５の上に設けられ、ＡｌＡｓＳｂスペーサ層１０４と同一組成であって、アンドープである厚さ１５ｎｍのＡｌＡｓＳｂバリア層１０６と、
バリア層１０６の上に設けられたゲート電極１１１と、バリア層１０６の上のゲート電極１１１の両側方に設けられた１×１０^１９ｃｍ^−３のＳｉを含むｎ型ＩｎＡｓ_０．９２Ｓｂ_０．０８からなるキャップ層１０７と、
チャネル層１０３，スペーサ層１０４，不純物添加層１０５，バリア層１０６及びキャップ層１０７の一部にＳｉをイオン注入するかまたは金属との合金化ににより設けられたソース領域１１２及びドレイン領域１１３と、ソース領域１１２上に設けられたソース電極１１０と、ドレイン領域１１３の上に設けられたドレイン電極１０９を備えている。また、バッファ層１０２，チャネル層１０３，スペーサ層１０４，バリア層１０６及びキャップ層１０７はそれぞれＭＢＥ法やＣＶＤ法などによりエピタキシャル成長された層であり、各層はＧａＳｂ基板１０１に格子整合されている。なお、ドレイン電極１０９及びソース電極１１０は共にＡｕＧｅ／Ｎｉ等からなっており、ドレイン領域１１３とソース領域１１２とそれぞれオーミック接触している。
【００３５】
また、本実施形態のＨＦＥＴにおいては、駆動時にチャネル層１０３のうちスペーサ層１０４との界面付近にキャリアが蓄積し、二次元電子ガス２０８を生じる。このとき、電流はドレイン電極１０９から順にドレイン領域１１３，二次元電子ガス２０８，ソース領域１１２，ソース電極１１０の経路を流れる。
【００３６】
本実施形態のＨＦＥＴが従来のＨＦＥＴと異なっている点は、基板にＧａＳｂを用いていることであり、それに伴って、以下バッファ層１０２、チャネル層１０３、スペーサ層１０４、不純物添加層１０５、バリア層１０６のそれぞれにＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体材料を用いていることである。特にチャネル層１０３にＩｎＰＡｓＳｂを導入していることとスペーサ層１０４ならびにバリア層１０６にＡｌＡｓＳｂを導入していることが素子動作上最も有効な点である。
【００３７】
なお、ＧａＳｂ基板は昭和電工株式会社から入手可能である。
【００３８】
以下に、チャネル層１０３にＩｎＰＡｓＳｂを導入し、スペーサ層１０４ならびにバリア層１０６にＡｌＡｓＳｂを導入したことの効果について説明する。
【００３９】
図２は、図１に示す本実施形態に係るＨＦＥＴのＩＩ−ＩＩ’線におけるエネルギーバンド図である。同図は、ＨＦＥＴの駆動時におけるエネルギーバンド図であり、ゲート電極１１１に電圧が印加された状態を示している。なお、比較しやすいように、従来のＨＦＥＴのエネルギーバンドを点線で示している。なお、図１と図２との間の相関性は、図２の上部に図１において示されている各要素を示している通りである。このことは、図５と図６との間、図９と図１０との間、および図１３と図１４との間でも同様である。
【００４０】
図２に示すように、本実施形態のＨＦＥＴは、ＡｌＧａＡｓＳｂからなるバッファ層１０２とＡｌＡｓＳｂからなるスペーサ層１０４との間にバンドギャップの小さいＩｎＰＡｓＳｂからなるチャネル層１０３が挟まれた構造をとっている。
【００４１】
このときのＡｌＧａＡｓＳｂバッファ層１０２、の組成は以下のようになる。
【００４２】
Ａｌ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦０．２）
ＡｌＧａＡｓＳｂバッファ層１０２に対して、バンドギャップエネルギーに関わる制約は特になく、ＧａＳｂ基板１０１に格子整合していることが重要となる。Ｖ族原料にＳｂやＡｓを含んでいる材料系ではＩＩＩ族原料であるＡｌとＧａの組成は格子定数に与える影響が少ないため、組成範囲ａは任意と見て良い。影響が少ないとしても格子定数は多少変化し、その微調整としてＶ族原料のＳｂやＡｓの組成を決めることになる。例えばａ＝１とした場合、ｂ＝０．０９とすると格子整合する。ちなみにこれはＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であることを意味し、このときのバンドギャップエネルギーは１．６２ｅＶになる。また、ａ＝０．５とした場合、ｂ＝０．０４５で格子整合し、ａ＝０とした場合はｂ＝０で格子整合し、これは基板と同じＧａＳｂであることを意味し、バンドギャップエネルギーは０．７２ｅＶとなる。
【００４３】
このようにバッファ層は０．７２ｅＶから１．６２ｅＶの任意の値を取ることができる。ＩＩＩ族原料であるＡｌとＧａの組成調整によってエネルギーが決まり、格子定数の微調整はＶ族原料のＳｂやＡｓで行えばよい。
【００４４】
本実施形態のＨＦＥＴが従来のＨＦＥＴを上回る高速性を実現するために、特に重要なのはＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３の組成であり、この組成によってチャネル層の移動度が決まる。ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３の組成を決める上で必要な条件はＧａＳｂ基板に格子整合しており、バンドギャップエネルギーが０．４ｅＶ以上であることである。このような条件を満たしている範囲を図３に示した。ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３の組成はＩｎＡｓ_ｘ（ＳｂＰ）_１−ｘであってｘ≦０．９５であることを示す▲１▼の領域と、ＩｎＰ_ｙ（ＳｂＡｓ）_１−ｙであって０．３５≦ｙ≦０．７であることを示す▲２▼の領域とが重なり合っている▲３▼の領域にあることがもっとも好ましい。言い換えると、ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３の組成が▲３▼の領域に入っていればＧａＳｂ基板に０．１％以内の格子不整合を維持しており、バンドギャップエネルギーが０．４ｅＶ以上であることを満たすことができるようになる。
【００４５】
ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３の組成を決定づける要素は前述のように格子定数とバンドギャップエネルギーである。それらのうち、格子定数は基板に整合していた方が素子の安定性が高まることは明確である。一方、バンドギャップエネルギーは０．４ｅＶ以上と規定しているがこれは素子の耐圧上の問題であって、バンドギャップエネルギーが余りにも小さすぎるとゲート電圧によってかかる基板に対して垂直な方向の電界によって素子が破壊されやすくなってしまうため、バンドギャップエネルギーを０．４ｅＶ以上としているのである。
【００４６】
次にＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３の電子のバルク移動度について説明する。ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３を構成しているＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂのバルクにおける室温での電子移動度はそれぞれ４５００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ、３３０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ、８００００ｃｍ^２／Ｖ・ｓである。上記のような組成範囲内にあるとき、Ｐの組成は０．３５≦ｙ≦０．７であり、ＡｓやＳｂが支配的となっている。このため、例えばチャネル層１０３がＩｎＰ_０．５Ａｓ_０．２Ｓｂ_０．３であるとするならばそのバルクにおける室温での電子移動度は１５０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓとなり、従来のＨＦＥＴにおけるＩｎＧａＡｓチャネル層のもつバルクにおける室温での電子移動度１２０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓよりも移動度が大きい。２次元電子ガス１０８はこのＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３を流れるため、ＨＦＥＴの動作はＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３の移動度が高いことによって高速化される。移動度をより高くするためにはＡｓやＳｂの組成を高めれば良いことはこれまでに述べてきたが、ＡｓやＳｂの組成が高すぎて、Ｐの組成が０．３５よりも少なくなってしまうとＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３のバンドギャップエネルギーは０．４ｅＶ以下となってしまい、前述した素子の耐圧特性上の理由によって好ましくない。
【００４７】
一方、Ｐの組成が０．７よりも大きくなってしまうとＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３の電子のバルク移動度が遅くなってしまうのでこれも好ましくない。以上のことから格子整合条件、バンドギャップエネルギー、電子のバルク移動度を考慮することにより、図３に示した領域にあることが最も好ましい。すなわち、ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３の組成はＩｎＡｓ_ｘ（ＳｂＰ）_１−ｘであってｘ≦０．９５であることを示す▲１▼の領域と、ＩｎＰ_ｙ（ＳｂＡｓ）_１−ｙであって０．３５≦ｙ≦０．７であることを示す▲２▼の領域とが重なり合っている▲３▼の領域にあることがもっとも好ましい。
【００４８】
このような組成を有するＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３を従来用いてこられたＩｎＧａＡｓチャネルと比較する。
【００４９】
ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３は、例えば、ＩｎＰ_０．５Ａｓ_０．２Ｓｂ_０．３とすることによってＩｎＧａＡｓの有する電子移動度よりも高い電子移動度を実現することができるとは既に示したが、そのときのバンドギャップエネルギーは０．８ｅＶを維持しており、ＩｎＧａＡｓの０．７７ｅＶよりも大きなバンドギャップエネルギーを実現できる。
【００５０】
このことは、組成を最適に選ぶことによって、さらに大きなバンドギャップエネルギーを有したまま高い電子移動度を有したチャネル層を使用することができるということを示している。
【００５１】
また、ＩｎＧａＡｓチャネルでは、電子移動度を高める手法としてＩｎ組成を高めるという方法を用いているが、これでは基板との格子整合が取れないだけでなく、バンドギャップエネルギーも小さくしてしまうため、素子の耐圧特性や安定性を劣化させる要因となってしまう。
【００５２】
ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３はこの点を大きく改善できうるものであって、基板との格子整合を維持したままバンドギャップエネルギーを小さくすることなく素子の高速化を図れることが大きな利点となっている。
【００５３】
ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３は、さらに、伝導帯端間のバンド不連続量αについても大きな利点を持っている。この伝導帯端間のバンド不連続量αについて以下で説明する。
【００５４】
ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３が前述のような組成範囲内にあり、例えばスペーサ層１０４はＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であるとするならば、チャネル層１０３とスペーサ層１０４との界面における両層の伝導帯端間のバンド不連続量αは０．６５ｅＶ以上となり、従来のＨＦＥＴにおけるバンド不連続量０．５ｅＶを上回る。このことは以下で詳しく述べるが、このような大きな伝導帯端間のバンド不連続量αが実現することで、チャネル層１０３のうちスペーサ層１０４との界面付近に集中的に電子が閉じこめられ、従来のＨＦＥＴよりも多くの二次元電子ガス２０８がチャネル層１０３内に存在するようになる。
【００５５】
このチャネル層１０３は不純物をほとんど含んでおらず、素子を構成している各部位の中で最も移動度の速い場所であるとともに、前述したように従来用いてこられたＩｎＧａＡｓよりも電子移動度の大きい。ほとんど全ての２次元電子ガスがＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３に存在するようになり、この層内を行き来することでトランジスタが動作する。
【００５６】
ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３のバルク電子移動度は従来用いてこられたＩｎＧａＡｓよりも高いので、ＨＦＥＴの動作は従来のものに比べて非常に高速なものとなる。
【００５７】
このような組成のＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３とＡｌＡｓＳｂスペーサ層１０４とのバンドの接合の様子を示し、伝導帯端間のバンド不連続量αが０．６５ｅＶ以上となることを示すためにＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３を構成しているＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂとＡｌＡｓＳｂスペーサ層１０４の相対的な位置関係を図４に示し、そこに組成として存在しうる領域と一例として示した組成値を示した。
【００５８】
ＩｎＰＡｓＳｂチャネル層１０３のとりうる範囲は領域▲１▼と領域▲２▼の交わっているところで、そのうち伝導帯端間のバンド不連続量αを最少とするのはＩｎＰ_０．７Ｓｂ_０．３のときである。このときに伝導帯端間のバンド不連続量αはすでに０．６５ｅＶに達しているのであるから、組成値を適切に選ぶことによって伝導帯の不連続量として取りうる値は０．６５ｅＶ以上となることが解る。また、図３および図４からわかるように、組成の範囲内ではまだ十分にＡｓやＳｂを増やすことができ、バルクにおける室温での電子移動度を格子整合の条件とバンドギャップエネルギーを維持したままより高速化することが可能である。
【００５９】
また、スペーサ層として用いているＡｌＡｓＳｂスペーサ層１０４は従来のスペーサ層に用いられているＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓのバンドギャップエネルギーである１．４５ｅＶ以上とすることができ、たとえばＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であるとするならば１．６２ｅＶである。さらに、Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓに比べて電子親和力が小さいので、ゲート電極として用いるショットキー構造を採った場合にそのショットキー障壁は１ｅＶとすることができる。
【００６０】
ショットキー障壁の大きさはＨＦＥＴ素子の相互コンダクタンス特性に大きく影響してくる。この相互コンダクタンス特性はＨＦＥＴ素子において扱える電流量を示したものであり、ゲート電圧の変化量に対するドレイン電流の変化量である。素子特性としてはこの値は大きい方が好ましい。
【００６１】
この相互コンダクタンスを高めるためにはスペーサ層１０４，不純物添加層１０５，バリア層１０６の合計の膜厚を極力薄くしておく必要がある一方で、膜厚を薄くすることは耐圧を低下させてしまうことにもつながる。
【００６２】
このためスペーサ層１０４，不純物添加層１０５，バリア層１０６にはバンドギャップエネルギーの大きい材料を用いることが必要となるが、この意味ではＡｌＡｓＳｂスペーサ層１０４は従来のスペーサ層に用いられているＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓのバンドギャップエネルギーである１．４５ｅＶ以上とすることができ、たとえばＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であるとするならば１．６２ｅＶであることからスペーサ層１０４，不純物添加層１０５，バリア層１０６に用いるのに最適な材料といえる。
【００６３】
さらに、スペーサ層１０４，不純物添加層１０５，バリア層１０６にＡｌＡｓＳｂを用いることは素子の安定動作に対しても好ましい結果をもたらす。スペーサ層１０４，不純物添加層１０５，バリア層１０６の合計の膜厚を極力薄くすることは経験的にトランジスタのしきい値電圧を安定化させる効果も持ち合わせていることが知られている。すなわち、スペーサ層１０４，不純物添加層１０５，バリア層１０６の合計の膜厚を極力薄くすることは前述のように相互コンダクタンス値を高める効果とともにしきい値電圧の安定化も同時に達成されることになり、スペーサ層１０４，不純物添加層１０５，バリア層１０６の薄膜化がＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１によってはじめて実現され、ＨＦＥＴ素子の性能安定が実現される。
【００６４】
このように、本実施形態のＨＦＥＴは高周波特性に優れ、移動度が大きく、且つ性能が安定しているＨＦＥＴを実現できるので、特に通信機器に好ましく用いられる。もちろん、従来のＨＦＥＴよりも耐圧を大きくでき、且つ特性が安定しているので、本実施形態のＨＦＥＴは、通信機器以外の半導体装置としても用いることができる。
【００６５】
また、本実施形態のＨＦＥＴにおいて、ＧａＳｂ基板１０１上の各層はＣＶＤ法やＭＢＥ法により形成されるなど、従来のＨＦＥＴとほぼ同様の公知技術により容易に製造できることも利点の１つである。
【００６６】
なお、本実施形態のＨＦＥＴにおいては、バッファ層１０２とチャネル層１０３との界面において、バッファ層１０２の伝導帯端のポテンシャルがチャネル層１０３のポテンシャルより高くなっていたが、逆に、チャネル層１０３の伝導帯端のポテンシャルの方を高くしてもよい。駆動時にはゲート電極に電圧を印加するため、この場合でもキャリア電子をチャネル層１０３内に閉じこめることは可能である。
【００６７】
なお、本実施形態のＨＦＥＴにおいて、バッファ層１０２を設けず、ＧａＳｂ基板１０１上に直接チャネル層１０３が設けられた構造をとることもできる。
【００６８】
本実施形態のＨＦＥＴの製造方法について簡潔に説明する。ＧａＳｂ基板１００の表面に、所定組成のＩＩＩ族−Ｖ族化合物半導体をチャンバの内部で結晶成長させることにより本実施の形態のＨＦＥＴを得ることができる。ＩＩＩ族の原料（Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎなど）は一般的に固体であり、結晶成長時にはこれらの各固体は加熱されてＧａＳｂ基板１００の表面に供給される。Ｖ族の原料のうち、ＡｓおよびＰは、それぞれＡｓＨ_３ガスおよびＰＨ_３ガスを熱分解しながらＧａＳｂ基板１００の表面に供給される。Ｓｂは固体であるので、結晶成長時にはこれらの各固体は加熱されてＧａＳｂ基板１００の表面に供給される。なお、チャンバの温度は約４００℃〜約５００℃である。このことは、後述する実施形態でも同様である。
【００６９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態として、チャネル層の材料に他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いてヘテロ接合におけるバンド不連続量やチャネル層のバンドギャップを調節する通信機器用のＨＦＥＴを説明する。
【００７０】
本発明の第１の実施形態に係る通信機器用のＨＦＥＴについて、以下説明する。
【００７１】
図５は、本実施形態に係るＨＦＥＴの構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態のＨＦＥＴは、半絶縁性のＧａＳｂ基板５０１と、ＧａＳｂ基板５０１上に設けられたアンドープのＡｌ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂであって、その組成の範囲が
０≦ａ≦１ かつ ０≦ｂ≦０．２
であって、その厚みが２００ｎｍであるようなＡｌＧａＡｓＳｂバッファ層５０２と、
バッファ層５０２上に設けられたアンドープのＩｎ_ｓＧａ_１−ｓＰ_ｔＳｂ_１−ｔであって０．６≦ｓ≦１ かつ ０．４≦ｔ≦０．７
であるようなＩｎＧａＰＳｂからなる厚さ１５ｎｍのチャネル層５０３と、
チャネル層５０３の上に設けられたアンドープのＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であるＡｌＡｓＳｂからなる厚さ２ｎｍのスペーサ層５０４と、
スペーサ層５０４の上に共蒸着等により設けられた面密度５×１０^１２ｃｍ^−２のＳｉを含む原子層ドーピング面からなる不純物添加層５０５と、
不純物添加層５０５の上に設けられ、ＡｌＡｓＳｂスペーサ層１０４と同一組成であって、アンドープである厚さ１５ｎｍのＡｌＡｓＳｂバリア層５０６と、
バリア層５０６の上に設けられたゲート電極５１１と、バリア層５０６の上のゲート電極５１１の両側方に設けられた１×１０^１９ｃｍ^−３のＳｉを含むｎ型ＩｎＡｓ_０．９２Ｓｂ_０．０８からなるキャップ層５０７と、
チャネル層５０３，スペーサ層５０４，不純物添加層５０５，バリア層５０６及びキャップ層５０７の一部にＳｉをイオン注入するかまたは金属との合金化ににより設けられたソース領域５１２及びドレイン領域５１３と、ソース領域５１２上に設けられたソース電極５１０と、ドレイン領域５１３の上に設けられたドレイン電極５０９を備えている。
【００７２】
また、バッファ層５０２，チャネル層５０３，スペーサ層５０４，バリア層５０６及びキャップ層５０７はそれぞれＭＢＥ法やＣＶＤ法などによりエピタキシャル成長された層であり、各層はＧａＳｂ基板５０１に格子整合されている。なお、ドレイン電極５０９及びソース電極５１０は共にＡｕＧｅ／Ｎｉ等からなっており、ドレイン領域５１３とソース領域５１２とそれぞれオーミック接触している。
【００７３】
本実施形態のＨＦＥＴにおいては、駆動時にチャネル層５０３のうちスペーサ層５０４との界面付近にキャリアが蓄積し、二次元電子ガス５０８を生じる。このとき、電流はドレイン電極５０９から順にドレイン領域５１３，二次元電子ガス５０８，ソース領域５１２，ソース電極５１０の経路を流れる。
【００７４】
本実施形態のＨＦＥＴが従来のＨＦＥＴと異なっている点は、基板にＧａＳｂを用いていることであり、それに伴って、以下バッファ層５０２、チャネル層５０３、スペーサ層５０４、不純物添加層５０５、バリア層５０６のそれぞれにＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体材料を用いていることである。特にチャネル層５０３にＩｎＧａＰＳｂを導入していることとスペーサ層５０４ならびにバリア層５０６にＡｌＡｓＳｂを導入していることが素子動作上最も有効な点である。
【００７５】
以下に、チャネル層５０３にＩｎＧａＰＳｂを導入し、スペーサ層５０４ならびにバリア層５０６にＡｌＡｓＳｂを導入したことの効果について説明する。
【００７６】
図６は、図５に示す本実施形態に係るＨＦＥＴのＩＩ−ＩＩ’線におけるエネルギーバンド図である。同図は、ＨＦＥＴの駆動時におけるエネルギーバンド図であり、ゲート電極５１１に電圧が印加された状態を示している。なお、比較しやすいように、従来のＨＦＥＴのエネルギーバンドを点線で示している。
【００７７】
図６に示すように、本実施形態のＨＦＥＴは、ＡｌＧａＡｓＳｂからなるバッファ層５０２とＡｌＡｓＳｂからなるスペーサ層５０４との間にバンドギャップの小さいＩｎＧａＰＳｂからなるチャネル層５０３が挟まれた構造をとっている。このときのＡｌＧａＡｓＳｂバッファ層５０２の組成は以下のようになる。
【００７８】
Ａｌ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦０．２）
ＡｌＧａＡｓＳｂバッファ層５０２に対して、バンドギャップエネルギーに関わる制約は特になく、ＧａＳｂ基板に格子整合していることが重要となる。Ｖ族原料にＳｂやＡｓを含んでいる材料系ではＩＩＩ族原料であるＡｌとＧａの組成は格子定数に与える影響が少ないため、組成範囲ａは任意と見て良い。影響が少ないとしても格子定数は多少変化し、その微調整としてＶ族原料のＳｂやＡｓの組成を決めることになる。例えばａ＝１とした場合、ｂ＝０．０９とすると格子整合する。ちなみにこれはＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であることを意味し、このときのバンドギャップエネルギーは１．６２ｅＶになる。また、ａ＝０．５とした場合、ｂ＝０．０４５で格子整合し、ａ＝０とした場合はｂ＝０で格子整合し、これは基板と同じＧａＳｂであることを意味し、バンドギャップエネルギーは０．７２ｅＶとなる。
【００７９】
このようにバッファ層は０．７２ｅＶから１．６２ｅＶの任意の値を取ることができる。ＩＩＩ族原料であるＡｌとＧａの組成調整によってエネルギーが決まり、格子定数の微調整はＶ族原料のＳｂやＡｓで行えばよい。
【００８０】
本実施形態のＨＦＥＴが従来のＨＦＥＴを上回る高速性を実現するために、特に重要なのはＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３の組成であり、この組成によってチャネル層の移動度が決まる。ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層５０３の組成を決める上で必要な条件はＧａＳｂ基板に格子整合しており、バンドギャップエネルギーが０．４ｅＶ以上であることである。このような条件を満たしている範囲を図７に示した。
【００８１】
ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３の組成はＩｎ_ｓＧａ_１−ｓＰ_ｔＳｂ_１−ｔであって
０．６≦ｓ≦１ かつ ０．４≦ｔ≦０．７
であるような領域にあることがもっとも好ましい。言い換えると、ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３の組成が前述の領域に入っていればＧａＳｂ基板に０．１％以内の格子不整合を維持しており、バンドギャップエネルギーが０．４ｅＶ以上であることを満たすことができるようになる。
【００８２】
ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３の組成を決定づける要素は前述のように格子定数とバンドギャップエネルギーである。それらのうち、格子定数は基板に整合していた方が素子の安定性が高まることは明確である。一方、バンドギャップエネルギーは０．４ｅＶ以上と規定しているがこれは素子の耐圧上の問題であって、バンドギャップエネルギーが余りにも小さすぎるとゲート電圧によってかかる基板に対して垂直な方向の電界によって素子が破壊されやすくなってしまうため、バンドギャップエネルギーを０．４ｅＶ以上としているのである。
【００８３】
次にＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３の電子のバルク移動度について説明する。ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３を構成しているＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂのバルクにおける室温での電子移動度はそれぞれ４５００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ、３００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ、３３０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ、４５００ｃｍ^２／Ｖ・ｓである。
【００８４】
これらの材料を用いてＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３を構成する際、Ｉｎが組成の大半を占めていることが電子移動度を高めるための必須条件となる。
【００８５】
上記のような組成範囲内にあるとき、Ｉｎの組成は０．６≦ｓであり、まさしくＩｎが支配的となっている。このため、例えばチャネル層５０３がＩｎ_０．９５Ｇａ_０．０５Ｐ_０．５５Ｓｂ_０．４５であるとするならばそのバルクにおける室温での電子移動度は１５０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓとなり、従来のＨＦＥＴにおけるＩｎＧａＡｓチャネル層のもつバルクにおける室温での電子移動度１２０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓよりも移動度が大きい。２次元電子ガス５０８はこのＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３を流れるため、ＨＦＥＴの動作はＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３の移動度が高いことによって高速化される。移動度をより高くするためにはＩｎ組成以外にＳｂの組成を高めれば良いことは本発明第１の実施形態においても述べてきたが、Ｓｂの組成が高めすぎると、ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３のバンドギャップエネルギーは０．４ｅＶ以下となってしまい、前述した素子の耐圧特性上の理由によって好ましくない。
【００８６】
一方、Ｐの組成が０．７よりも大きくなってしまうとＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３の電子のバルク移動度が遅くなってしまううえに格子整合がとれなくなってしまい、これも好ましくない。以上のことから格子整合条件、バンドギャップエネルギー、電子のバルク移動度を考慮することにより、図７に示した領域にあることが最も好ましい。すなわち、ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３の組成はＩｎ_ｓＧａ_１−ｓＰ_ｔＳｂ_１−ｔであって
０．６≦ｓ≦１ かつ ０．４≦ｔ≦０．７
であるような領域にあることがもっとも好ましい。
【００８７】
このような組成を有するＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３を従来用いてこられたＩｎＧａＡｓチャネルと比較する。
【００８８】
ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３は、例えば、Ｉｎ_０．９５Ｇａ_０．０５Ｐ_０．５５Ｓｂ_０．４５とすることによってＩｎＧａＡｓの有する電子移動度よりも高い電子移動度を実現することができるとは既に示したが、そのときのバンドギャップエネルギーは０．８５ｅＶを維持しており、ＩｎＧａＡｓの０．７７ｅＶよりも大きなバンドギャップエネルギーを実現できる。このことは、組成を最適に選ぶことによって、さらに大きなバンドギャップエネルギーを有したまま高い電子移動度を有したチャネル層を使用することができるということを示している。
【００８９】
また、ＩｎＧａＡｓチャネルでは、電子移動度を高める手法としてＩｎ組成を高めるという方法を用いているが、これでは基板との格子整合が取れないだけでなく、バンドギャップエネルギーも小さくしてしまうため、素子の耐圧特性や安定性を劣化させる要因となってしまう。ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３はこの点を大きく改善できうるものであって、基板との格子整合を維持したままバンドギャップエネルギーを小さくすることなく素子の高速化を図れることが大きな利点となっている。
【００９０】
ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３は、さらに、伝導帯端間のバンド不連続量αについても大きな利点を持っている。この伝導帯端間のバンド不連続量αについて以下で説明する。ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３が前述のような組成範囲内にあり、例えばスペーサ層５０４はＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であるとするならば、チャネル層５０３とスペーサ層５０４との界面における両層の伝導帯端間のバンド不連続量αは０．６５ｅＶ以上となり、従来のＨＦＥＴにおけるバンド不連続量０．５ｅＶを上回る。このことは以下で詳しく述べるが、このように大きな伝導帯端間のバンド不連続量αが実現することによって、チャネル層５０３のうちスペーサ層５０４との界面付近に集中的に電子が閉じこめられ、従来のＨＦＥＴよりも多くの二次元電子ガス５０８がチャネル層５０３内に存在するようになる。 このチャネル層５０３は不純物をほとんど含んでおらず、素子を構成している各部位の中で最も移動度の速い場所であるとともに、前述したように従来用いてこられたＩｎＧａＡｓよりも電子移動度の大きい。ほとんど全ての２次元電子ガスがＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３に存在するようになり、この層内を行き来することでトランジスタが動作する。ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３のバルク電子移動度は従来用いてこられたＩｎＧａＡｓよりも高いので、ＨＦＥＴの動作は従来のものに比べて非常に高速なものとなる。
【００９１】
このような組成のＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３とＡｌＡｓＳｂスペーサ層５０４とのバンドの接合の様子を示し、伝導帯端間のバンド不連続量αが０．６５ｅＶとなることを示すためにＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３を構成しているＩｎＰ、ＧａＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂとＡｌＡｓＳｂスペーサ層５０４の相対的な位置関係を図８に示し、そこに組成として存在しうる領域と一例として示した組成値を示した。
【００９２】
このとき、ＩｎＧａＰＳｂチャネル層５０３のとりうる範囲は図７における斜線部分の重なった網掛けのされている領域であるが、そのうち伝導帯端間のバンド不連続量αを最小にするのはＩｎ_０．４Ｇａ_０．６Ｐ_０．７Ｓｂ_０．３のときである。このときでも伝導帯端間のバンド不連続量αは０．６５ｅＶに達しており、組成を適切に選ぶことによって、伝導帯の不連続量として取りうる値は０．６５ｅＶ以上となることが解る。また、図７および図８からわかるように、組成の範囲内ではまだ十分にＡｓやＳｂを増やすことができ、バルクにおける室温での電子移動度を格子整合の条件とバンドギャップエネルギーを維持したままより高速化することが可能である。また、スペーサ層として用いているＡｌＡｓＳｂスペーサ層５０４は従来のスペーサ層に用いられているＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓのバンドギャップエネルギーである１．４５ｅＶ以上とすることができ、たとえばＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であるとするならば１．６２ｅＶである。さらに、Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓに比べて電子親和力が小さいので、ゲート電極として用いるショットキー構造を採った場合にそのショットキー障壁は１ｅＶとすることができる。 ショットキー障壁の大きさはＨＦＥＴ素子の相互コンダクタンス特性に大きく影響してくる。この相互コンダクタンス特性はＨＦＥＴ素子において扱える電流量を示したものであり、ゲート電圧の変化量に対するドレイン電流の変化量である。素子特性としてはこの値は大きい方が好ましい。この相互コンダクタンスを高めるためにはスペーサ層５０４，不純物添加層５０５，バリア層５０６の合計の膜厚を極力薄くしておく必要がある一方で、膜厚を薄くすることは耐圧を低下させてしまうことにもつながる。このためスペーサ層５０４，不純物添加層５０５，バリア層５０６にはバンドギャップエネルギーの大きい材料を用いることが必要となるが、この意味ではＡｌＡｓＳｂスペーサ層５０４は従来のスペーサ層に用いられているＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓのバンドギャップエネルギーである１．４５ｅＶ以上とすることができ、たとえばＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であるとするならば１．６２ｅＶであることからスペーサ層５０４，不純物添加層５０５，バリア層５０６に用いるのに最適な材料といえる。
【００９３】
さらに、スペーサ層５０４，不純物添加層５０５，バリア層５０６にＡｌＡｓＳｂを用いることは素子の安定動作に対しても好ましい結果をもたらす。スペーサ層５０４，不純物添加層５０５，バリア層５０６の合計の膜厚を極力薄くすることは経験的にトランジスタのしきい値電圧を安定化させる効果も持ち合わせていることが知られている。すなわち、スペーサ層５０４，不純物添加層５０５，バリア層５０６の合計の膜厚を極力薄くすることは前述のように相互コンダクタンス値を高める効果とともにしきい値電圧の安定化も同時に達成されることになり、スペーサ層５０４，不純物添加層５０５，バリア層５０６の薄膜化がＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１によってはじめて実現され、ＨＦＥＴ素子の性能安定が実現される。
【００９４】
このように、本実施形態のＨＦＥＴは高周波特性に優れ、移動度が大きく、且つ性能が安定しているＨＦＥＴを実現できるので、特に通信機器に好ましく用いられる。もちろん、従来のＨＦＥＴよりも耐圧を大きくでき、且つ特性が安定しているので、本実施形態のＨＦＥＴは、通信機器以外の半導体装置としても用いることができる。また、本実施形態のＨＦＥＴにおいて、ＧａＳｂ基板５０１上の各層はＣＶＤ法やＭＢＥ法により形成されるなど、従来のＨＦＥＴとほぼ同様の公知技術により容易に製造できることも利点の１つである。
【００９５】
なお、本実施形態のＨＦＥＴにおいては、バッファ層５０２とチャネル層５０３との界面において、バッファ層５０２の伝導帯端のポテンシャルがチャネル層５０３のポテンシャルより高くなっていたが、逆に、チャネル層５０３の伝導帯端のポテンシャルの方を高くしてもよい。駆動時にはゲート電極に電圧を印加するため、この場合でもキャリア電子をチャネル層５０３内に閉じこめることは可能である。
【００９６】
なお、本実施形態のＨＦＥＴにおいて、バッファ層５０２を設けず、ＧａＳｂ基板５０１上に直接チャネル層５０３が設けられた構造をとることもできる。
【００９７】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態として、チャネル層の材料に他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いてヘテロ接合におけるバンド不連続量やチャネル層のバンドギャップを調節する通信機器用のＨＦＥＴを説明する。
【００９８】
本発明の第３の実施形態に係る通信機器用のＨＦＥＴについて、以下説明する。
【００９９】
図９は、本実施形態に係るＨＦＥＴの構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態のＨＦＥＴは、半絶縁性のＧａＳｂ基板９０１と、ＧａＳｂ基板９０１上に設けられたアンドープのＡｌ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂであって、その組成の範囲が
０≦ａ≦１ かつ ０≦ｂ≦０．２
であって、その厚みが２００ｎｍであるようなＡｌＧａＡｓＳｂバッファ層９０２と、
バッファ層９０２上に設けられたアンドープのＩｎ_ｕＧａ_１−ｕＡｓ_ＶＳｂ_１−Ｖであって
０．４５≦ｕ≦１ かつ ０．３８≦ｖ≦０．９３
であるようなＩｎＧａＡｓＳｂからなる厚さ１５ｎｍのチャネル層９０３と、
チャネル層９０３の上に設けられたアンドープのＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１からなる厚さ２ｎｍのスペーサ層９０４と、
スペーサ層９０４の上に共蒸着等により設けられた面密度５×１０^１２ｃｍ^−２のＳｉを含む原子層ドーピング面からなる不純物添加層９０５と、
不純物添加層９０５の上に設けられ、ＡｌＡｓＳｂスペーサ層１０４と同一組成であって、アンドープである厚さ１５ｎｍのＡｌＡｓＳｂバリア層９０６と、
バリア層９０６の上に設けられたゲート電極９１１と、バリア層９０６の上のゲート電極９１１の両側方に設けられた１×１０^１９ｃｍ^−３のＳｉを含むｎ型ＩｎＡｓ_０．９２Ｓｂ_０．０８からなるキャップ層９０７と、
チャネル層９０３，スペーサ層９０４，不純物添加層９０５，バリア層９０６及びキャップ層９０７の一部にＳｉをイオン注入するかまたは金属との合金化ににより設けられたソース領域９１２及びドレイン領域９１３と、ソース領域９１２上に設けられたソース電極９１０と、ドレイン領域９１３の上に設けられたドレイン電極９０９を備えている。
【０１００】
また、バッファ層９０２，チャネル層９０３，スペーサ層９０４，バリア層９０６及びキャップ層９０７はそれぞれＭＢＥ法やＣＶＤ法などによりエピタキシャル成長された層であり、各層はＧａＳｂ基板９０１に格子整合されている。なお、ドレイン電極９０９及びソース電極９１０は共にＡｕＧｅ／Ｎｉ等からなっており、ドレイン領域９１３とソース領域９１２とそれぞれオーミック接触している。
【０１０１】
本実施形態のＨＦＥＴにおいては、駆動時にチャネル層９０３のうちスペーサ層９０４との界面付近にキャリアが蓄積し、二次元電子ガス９０８を生じる。このとき、電流はドレイン電極９０９から順にドレイン領域９１３，二次元電子ガス９０８，ソース領域９１２，ソース電極９１０の経路を流れる。
【０１０２】
本実施形態のＨＦＥＴが従来のＨＦＥＴと異なっている点は、基板にＧａＳｂを用いていることであり、それに伴って、以下バッファ層９０２、チャネル層９０３、スペーサ層９０４、不純物添加層９０５、バリア層９０６のそれぞれにＳｂを含むＩＩＩ−Ｖ族系化合物半導体材料を用いていることである。特にチャネル層９０３にＩｎＧａＡｓＳｂを導入していることとスペーサ層９０４ならびにバリア層９０６にＡｌＡｓＳｂを導入していることが素子動作上最も有効な点である。
【０１０３】
以下に、チャネル層９０３にＩｎＧａＡｓＳｂを導入し、スペーサ層９０４ならびにバリア層９０６にＡｌＡｓＳｂを導入したことの効果について説明する。
【０１０４】
図１０は、図９に示す本実施形態に係るＨＦＥＴのＩＩ−ＩＩ’線におけるエネルギーバンド図である。同図は、ＨＦＥＴの駆動時におけるエネルギーバンド図であり、ゲート電極９１１に電圧が印加された状態を示している。なお、比較しやすいように、従来のＨＦＥＴのエネルギーバンドを点線で示している。
【０１０５】
図１０に示すように、本実施形態のＨＦＥＴは、ＡｌＧａＡｓＳｂからなるバッファ層９０２とＡｌＡｓＳｂからなるスペーサ層９０４との間にバンドギャップの小さいＩｎＧａＰＳｂからなるチャネル層９０３が挟まれた構造をとっている。このときのＡｌＧａＡｓＳｂバッファ層９０２の組成は以下のようになる。
【０１０６】
Ａｌ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂ（０≦ａ≦１，０≦ｂ≦０．２）
ＡｌＧａＡｓＳｂバッファ層９０２に対して、バンドギャップエネルギーに関わる制約は特になく、ＧａＳｂ基板に格子整合していることが重要となる。Ｖ族原料にＳｂやＡｓを含んでいる材料系ではＩＩＩ族原料であるＡｌとＧａの組成は格子定数に与える影響が少ないため、組成範囲ａは任意と見て良い。影響が少ないとしても格子定数は多少変化し、その微調整としてＶ族原料のＳｂやＡｓの組成を決めることになる。例えばａ＝１とした場合、ｂ＝０．０９とすると格子整合する。ちなみにこれはＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であることを意味し、このときのバンドギャップエネルギーは１．６２ｅＶになる。また、ａ＝０．５とした場合、ｂ＝０．０４５で格子整合し、ａ＝０とした場合はｂ＝０で格子整合し、これは基板と同じＧａＳｂであることを意味し、バンドギャップエネルギーは０．７２ｅＶとなる。
【０１０７】
このようにバッファ層は０．７２ｅＶから１．６２ｅＶの任意の値を取ることができる。ＩＩＩ族原料であるＡｌとＧａの組成調整によってエネルギーが決まり、格子定数の微調整はＶ族原料のＳｂやＡｓで行えばよい。
【０１０８】
本実施形態のＨＦＥＴが従来のＨＦＥＴを上回る高速性を実現するために、特に重要なのはＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３の組成であり、この組成によってチャネル層の移動度が決まる。ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３の組成を決める上で必要な条件はＧａＳｂ基板に格子整合しており、バンドギャップエネルギーが０．４ｅＶ以上であることである。このような条件を満たしている範囲を図１１に示した。
【０１０９】
ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３の組成は Ｉｎ_ｕＧａ_１−ｕＡｓ_ＶＳｂ_１−Ｖであって、
０．４５≦ｕ≦１ かつ ０．３８≦ｖ≦０．９３
であるような領域にあることがもっとも好ましい。言い換えると、ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３の組成が前述の領域に入っていればＧａＳｂ基板に０．１％以内の格子不整合を維持しており、バンドギャップエネルギーが０．４ｅＶ以上であることを満たすことができるようになる。
【０１１０】
ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３の組成を決定づける要素は前述のように格子定数とバンドギャップエネルギーである。それらのうち、格子定数は基板に整合していた方が素子の安定性が高まることは明確である。一方、バンドギャップエネルギーは０．４ｅＶ以上と規定しているがこれは素子の耐圧上の問題であって、バンドギャップエネルギーが余りにも小さすぎるとゲート電圧によってかかる基板に対して垂直な方向の電界によって素子が破壊されやすくなってしまうため、バンドギャップエネルギーを０．４ｅＶ以上としているのである。
【０１１１】
次にＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３の電子のバルク移動度について説明する。ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３を構成しているＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂのバルクにおける室温での電子移動度はそれぞれ３３０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ、８０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ、８００００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ、４５００ｃｍ^２／Ｖ・ｓである。
【０１１２】
これらの材料を用いてＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３を構成する際、Ｉｎが組成の大半を占めていることが電子移動度を高めるための必須条件となる。
【０１１３】
上記のような組成範囲内にあるとき、Ｉｎの組成は０．４５≦ｓであり、まさしくＩｎが支配的となっている。このため、例えばチャネル層９０３がＩｎ_０．６Ｇａ_０．４Ｐ_０．５５Ｓｂ_０．４５であるとするならばそのバルクにおける室温での電子移動度は１５０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓとなり、従来のＨＦＥＴにおけるＩｎＧａＡｓチャネル層のもつバルクにおける室温での電子移動度１２０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓよりも移動度が大きい。２次元電子ガス９０８はこのＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３を流れるため、ＨＦＥＴの動作はＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３の移動度が高いことによって高速化される。移動度をより高くするためにはＩｎ組成以外にＳｂの組成を高めれば良いことは本発明第１の実施形態や第２の実施形態でも述べてきた。そこではＳｂの組成を高めすぎると、チャネル層に使用している材料のバンドギャップエネルギーが０．４ｅＶ以下となってしまうといった問題があったが、ＩｎＧａＡｓＳｂの場合はバンドギャップエネルギーを決定しているのは主にＩｎである。すなわち、Ｉｎ組成によって速度が向上できる一方で、バンドギャップエネルギーも小さくなる。一方、Ｓｂは格子定数に対して支配的であるため、こちらは積極的に取り入れても問題がない。以上のことから格子整合条件、バンドギャップエネルギー、電子のバルク移動度を考慮することにより、ＩｎＧａＡｓＳｂ組成は図７に示した領域にあることが最も好ましい。すなわち、ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３の組成はＩｎ_ｕＧａ_１−ｕＡｓ_ＶＳｂ_１−Ｖであって、
０．４５≦ｕ≦１ かつ ０．３８≦ｖ≦０．９３
であるような領域にあることがもっとも好ましい。
【０１１４】
このような組成を有するＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３を従来用いてこられたＩｎＧａＡｓチャネルと比較する。
【０１１５】
ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３は、例えば、Ｉｎ_０．６Ｇａ_０．４Ａｓ_０．５５Ｓｂ_０．４５とすることによってＩｎＧａＡｓの有する電子移動度よりも高い電子移動度を実現することができるとは既に示した。
【０１１６】
また、ＩｎＧａＡｓチャネルでは、電子移動度を高める手法としてＩｎ組成を高めるという方法を用いているが、これでは基板との格子整合が取れないだけでなく、バンドギャップエネルギーも小さくしてしまうため、素子の耐圧特性や安定性を劣化させる要因となってしまう。ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３はこの点を大きく改善できうるものであって、基板との格子整合を維持したまま素子の高速化を図れることが大きな利点となっている。
【０１１７】
ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３は、さらに、伝導帯端間のバンド不連続量αについても大きな利点を持っている。この伝導帯端間のバンド不連続量αについて以下で説明する。ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３が前述のような組成範囲内にあり、例えばスペーサ層９０４はＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であるとするならば、チャネル層９０３とスペーサ層９０４との界面における両層の伝導帯端間のバンド不連続量αは０．６５ｅＶ以上となり、従来のＨＦＥＴにおけるバンド不連続量０．５ｅＶを上回る。このことは以下で詳しく述べるが、このような大きな伝導帯端間のバンド不連続量αが実現することで、チャネル層９０３のうちスペーサ層９０４との界面付近に集中的に電子が閉じこめられ、従来のＨＦＥＴよりも多くの二次元電子ガス９０８がチャネル層９０３内に存在するようになる。このチャネル層９０３は不純物をほとんど含んでおらず、素子を構成している各部位の中で最も移動度の速い場所であるとともに、前述したように従来用いてこられたＩｎＧａＡｓよりも電子移動度の大きい。ほとんど全ての２次元電子ガスがＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３に存在するようになり、この層内を行き来することでトランジスタが動作する。ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３のバルク電子移動度は従来用いてこられたＩｎＧａＡｓよりも高いので、ＨＦＥＴの動作は従来のものに比べて非常に高速なものとなる。
【０１１８】
このような組成のＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３とＡｌＡｓＳｂスペーサ層９０４とのバンドの接合の様子を示し、伝導帯端間のバンド不連続量αが０．６５ｅＶ以上となることを示すためにＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３を構成しているＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ、ＧａＳｂとＡｌＡｓＳｂスペーサ層９０４の相対的な位置関係を図１２に示し、そこに組成として存在しうる領域と一例として示した組成値を示した。
【０１１９】
このとき、ＩｎＧａＡｓＳｂチャネル層９０３がとりうる範囲斜線部分の交わった網掛けのなされた領域であって、そのうち伝導帯端間のバンド不連続量αを最小とするのはＩｎＧａＡｓＳｂのときである。このときですでに伝導帯端間のバンド不連続量αは０．６５ｅＶに達しており、組成を最適に選択することによって、伝導帯の不連続量として取りうる値は０．６５ｅＶ以上となることが解る。また、図１１および図１２からわかるように、組成の範囲内ではまだ十分にＩｎやＳｂを増やすことができ、バルクにおける室温での電子移動度を格子整合の条件を維持したままより一層の高速化が可能である。また、スペーサ層として用いているＡｌＡｓＳｂスペーサ層９０４は従来のスペーサ層に用いられているＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓのバンドギャップエネルギーである１．４５ｅＶ以上とすることができ、たとえばＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であるとするならば１．６２ｅＶである。さらに、Ｉｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓに比べて電子親和力が小さいので、ゲート電極として用いるショットキー構造を採った場合にそのショットキー障壁は１ｅＶとすることができる。
【０１２０】
ショットキー障壁の大きさはＨＦＥＴ素子の相互コンダクタンス特性に大きく影響してくる。この相互コンダクタンス特性はＨＦＥＴ素子において扱える電流量を示したものであり、ゲート電圧の変化量に対するドレイン電流の変化量である。素子特性としてはこの値は大きい方が好ましい。この相互コンダクタンスを高めるためにはスペーサ層９０４，不純物添加層９０５，バリア層９０６の合計の膜厚を極力薄くしておく必要がある一方で、膜厚を薄くすることは耐圧を低下させてしまうことにもつながる。このためスペーサ層９０４，不純物添加層９０５，バリア層９０６にはバンドギャップエネルギーの大きい材料を用いることが必要となるが、この意味ではＡｌＡｓＳｂスペーサ層９０４は従来のスペーサ層に用いられているＩｎ_０．５２Ａｌ_０．４８Ａｓのバンドギャップエネルギーである１．４５ｅＶ以上とすることができ、たとえばＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１であるとするならば１．６２ｅＶであることからスペーサ層９０４，不純物添加層９０５，バリア層９０６に用いるのに最適な材料といえる。
【０１２１】
さらに、スペーサ層９０４，不純物添加層９０５，バリア層９０６にＡｌＡｓＳｂを用いることは素子の安定動作に対しても好ましい結果をもたらす。スペーサ層９０４，不純物添加層９０５，バリア層９０６の合計の膜厚を極力薄くすることは経験的にトランジスタのしきい値電圧を安定化させる効果も持ち合わせていることが知られている。すなわち、スペーサ層９０４，不純物添加層９０５，バリア層９０６の合計の膜厚を極力薄くすることは前述のように相互コンダクタンス値を高める効果とともにしきい値電圧の安定化も同時に達成されることになり、スペーサ層９０４，不純物添加層９０５，バリア層９０６の薄膜化がＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１によってはじめて実現され、ＨＦＥＴ素子の性能安定が実現される。
【０１２２】
このように、本実施形態のＨＦＥＴは高周波特性に優れ、移動度が大きく、且つ性能が安定しているＨＦＥＴを実現できるので、特に通信機器に好ましく用いられる。もちろん、従来のＨＦＥＴよりも耐圧を大きくでき、且つ特性が安定しているので、本実施形態のＨＦＥＴは、通信機器以外の半導体装置としても用いることができる。また、本実施形態のＨＦＥＴにおいて、ＧａＳｂ基板９０１上の各層はＣＶＤ法やＭＢＥ法により形成されるなど、従来のＨＦＥＴとほぼ同様の公知技術により容易に製造できることも利点の１つである。
【０１２３】
なお、本実施形態のＨＦＥＴにおいては、バッファ層９０２とチャネル層９０３との界面において、バッファ層９０２の伝導帯端のポテンシャルがチャネル層９０３のポテンシャルより高くなっていたが、逆に、チャネル層９０３の伝導帯端のポテンシャルの方を高くしてもよい。駆動時にはゲート電極に電圧を印加するため、この場合でもキャリア電子をチャネル層９０３内に閉じこめることは可能である。
【０１２４】
なお、本実施形態のＨＦＥＴにおいて、バッファ層９０２を設けず、ＧａＳｂ基板９０１上に直接チャネル層９０３が設けられた構造をとることもできる。
【０１２５】
【発明の効果】
本発明の通信機器用半導体装置によれば、ＨＦＥＴの構造を有し、基板にＧａＳｂを用いることによってチャネル層に使用する材料にＳｂやＡｓを含むＩＩＩ族−Ｖ族化合物半導体の他、ＰなどのＶ族元素の導入を可能とし、バンドギャップの大きさやヘテロ接合界面における伝導帯端のポテンシャルの差を最適化しているので駆動時に高い移動度と高いキャリア濃度の二次元電子ガスを生じ、エネルギーギャップを大きくとることによって電離衝突によるイオン化が抑制されたＨＦＥＴ素子を実現することができる。エネルギーギャップの大きな材料をバリア層に用いることによってバリア層の膜厚を薄くすることができ、しきい値電圧を安定させることができるので、周波数特性の大幅な改善とともに性能の安定した半導体装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るＨＦＥＴを示す断面図
【図２】第１の実施形態に係るＨＦＥＴの図１に示すＩＩ−ＩＩ’線におけるエネルギーバンド図
【図３】本発明の第１の実施形態に係るＨＦＥＴにおけるチャネル層材料がとりうる領域を示した図
【図４】本発明の第１の実施形態に係るＨＦＥＴにおけるチャネル層材料がとバリア層材料との価電子帯と伝導帯の位置関係を示す図
【図５】本発明の第１の実施形態に係るＨＦＥＴを示す断面図
【図６】第１の実施形態に係るＨＦＥＴの図１に示すＩＩＩＩ線におけるエネルギーバンド図
【図７】本発明の第１の実施形態に係るＨＦＥＴにおけるチャネル層材料がとりうる領域を示した図
【図８】本発明の第１の実施形態に係るＨＦＥＴにおけるチャネル層材料とバリア層材料との価電子帯と伝導帯の位置関係を示す図
【図９】本発明の第１の実施形態に係るＨＦＥＴを示す断面図
【図１０】第１の実施形態に係るＨＦＥＴの図１に示すＩＩ−ＩＩ’線におけるエネルギーバンド図
【図１１】本発明の第１の実施形態に係るＨＦＥＴにおけるチャネル層材料がとりうる領域を示した図
【図１２】本発明の第１の実施形態に係るＨＦＥＴにおけるチャネル層材料がとバリア層材料との価電子帯と伝導帯の位置関係を示す図
【図１３】従来のＨＦＥＴを示す断面図
【図１４】従来のＨＦＥＴの図１３に示すＶＩＩ−ＶＩＩ線におけるエネルギーバンド図
【符号の説明】
１０１，５０１，９０１，１３０１ 基板
１０２，５０２，９０２，１３０２ バッファ層
１０３，５０３，９０３，１３０３ チャネル層
１０４，５０４，９０４，１３０４ スペーサ層
１０５，５０５，９０５，１３０５ 不純物添加層
１０６，５０６，９０６，１３０６ バリア層
１０７，５０７，９０７，１３０７ キャップ層
１０８，５０８，９０８，１３０８ 二次元電子ガス
１０９，５０９，９０９，１３０９ ドレイン電極
１１０，５１０，９１０，１３１０ ソース電極
１１１，５１１，９１１，１３１１ ゲート電極
２０１，５０１，９０１ バリア層
２０２，５０２，９０２ 不純物添加層
２０３，５０３，９０３ スペーサ層
２０４，５０４，９０４ チャネル層
２０５，５０５，９０５ バッファ層
２０６，５０６，９０６ チャネル層とスペーサ層との伝導帯不連続量α
２０７，５０７，９０７ 従来構造における伝導帯準位
２０８，５０８，９０８ 二次元電子ガス
１４０１ 従来構造におけるバリア層
１４０２ 不純物添加層
１４０３ スペーサ層
１４０４ 従来構造におけるチャネル層
１４０５ バッファ層
１４０６ チャネル層とスペーサ層との伝導帯不連続量α
１４０７ チャネル層とバッファ層との価電子帯不連続量α
１４０８ 二次元電子ガス

Claims (14)

1. 化合物半導体基板上に、第１の半導体層と、
   上記第１の半導体層の上に設けられ、上記第１の半導体層よりもバンドギャップが小さい第２の半導体層と、
   上記第２の半導体層の上に設けられ、上記第２の半導体層との間でヘテロ障壁を生ぜしめる材料からなる第３の半導体層と
   を備え、
   上記第２の半導体層と上記第３の半導体層との界面において、上記第３の半導体層は上記第２の半導体層よりも電子親和力が小さく、その差が０．５ｅＶ以上２．２５ｅＶ以下であることを特徴とする通信機器用半導体装置。
2. 請求項１に記載の通信機器用半導体装置において、
   上記第１の半導体層の下にＧａＳｂ基板をさらに備えていることを特徴とする通信機器用半導体装置。
3. 請求項１または請求項２のうちいずれか１つに記載の通信機器用半導体装置において、上記第１〜３の半導体層は、上記ＧａＳｂ基板とほぼ格子整合しており、第１の半導体層および／または第３の半導体層はＡｌＧａＰＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＰＳｂのうちのいずれか一つであることを特徴とする通信機器用半導体装置。
4. 請求項３記載の通信機器用半導体装置において、上記第１の半導体層はＡｌ_ａＧａ_１−ａＡｓ_ｂＳｂ_１−ｂであって、以下の条件
   ０≦ａ≦１
   ０≦ｂ≦０．２
   であることを特徴とする通信機器用半導体装置。
5. 請求項１〜４記載の第３の半導体層はＡｌＡｓ_０．０９Ｓｂ_０．９１からなるスペーサ層と、共蒸着等により設けられた面密度５×１０^１２ｃｍ^−２のＳｉを含む原子層ドーピング面からなる不純物添加層と、
   不純物添加層の上に設けられ、ＡｌＡｓＳｂスペーサ層と同一組成であって、アンドープである厚さ１５ｎｍのＡｌＡｓＳｂバリア層とによって構成されていることを特徴とする通信機器用半導体装置。
6. 請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の通信機器用半導体装置において、
   上記第２の半導体層のバンドギャップエネルギーが０．４ｅＶ以上かつ０．８ｅＶ以下であることを特徴とする通信機器用半導体装置。
7. 請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の通信機器用半導体装置において、
   上記第２の半導体層は、Ｖ族原料として少なくともＳｂを含み、Ｐ、Ａｓのうちの少なくとも一方を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体であることを特徴とする通信機器用半導体装置。
8. 請求項７に記載の通信機器用半導体装置において、
   上記第２の半導体層は、ＩｎＡｓＰＳｂ、ＩｎＧａＰＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂのうちの少なくとも一つから構成されるチャネル層であることを特徴とする通信機器用半導体装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の通信機器用半導体装置において、上記第２の半導体層はＩｎＡｓ_ｘ（ＳｂＰ）_１−ｘであってｘ≦０．９５、かつＩｎＰｙ（ＳｂＡｓ）_１−ｙであって０．３５≦ｙ≦０．７であることを特徴とする通信機器用半導体装置。
10. 請求項１から８のうちいずれか１つに記載の通信機器用半導体装置において、上記第２の半導体層は、Ｉｎ_ｓＧａ_１−ｓＰｔＳｂ_１−ｔであって以下の条件
    ０．６≦ｓ≦１
    ０．４≦ｔ≦０．７
    を満たしていることを特徴とする通信機器用半導体装置。
11. 請求項１から８のうちいずれか１つに記載の通信機器用半導体装置において、上記第２の半導体層は、Ｉｎ_ｕＧａ_１−ｕＡｓ_ＶＳｂ_１−Ｖであって、以下の条件
    ０．４５≦ｕ≦１
    ０．３８≦ｕ≦０．９３
    を満たしていることを特徴とする通信機器用半導体装置。
12. 請求項１から１１のうちいずれか一つに記載の通信機器用半導体装置において、上記第３の半導体層上にＧａＳｂ基板に格子整合しており、そのバンドギャップエネルギーが０．５ｅＶ以下であるようなキャップ層を有していることを特徴とする通信機器用半導体装置。
13. 請求項１２に記載の通信機器用半導体装置において、キャップ層の材料がバリア層上のゲート電極の両側方に設けられ、１×１０^１９ｃｍ^−３のＳｉを含むｎ型ＩｎＡｓ_０．９２Ｓｂ_０．０８からなっていることを特徴とする通信機器用半導体装置。
14. 請求項１から請求項１３のうちいずれか１つに記載の通信機器用半導体装置において、
    上記第２の半導体層は微量のｐ型不純物を含んでいて、
    そこに不純物による散乱で移動度が極端に劣化しない程度であって、その電導特性がｎ型を示す程度の微量のｎ型不純物を故意に添加してあることを特徴とし、
    そのバルクとしての移動度は室温で１２０００ｃｍ^２／Ｖ・ｓ以上を維持していることを特徴とする通信機器用半導体装置。

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