JP2007242746A - デュアルゲートｈｅｍｔ構造半導体変調素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】周波特性を犠性にせず、高い歩留まりを有するデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子を提供する。
【解決手段】所定の材質の基板１上に、ＧａＮチャネル層２、アンドープＡｌＧａＮスペーサ層３、ｎ型ＡｌＧａＮキャリア供給層４、アンドープＡｌＧａＮバリア層５を順次形成し、アンドープＡｌＧａＮバリア層５上に、オーミックコンタクトのソース電極６とドレイン電極７と２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２とを形成したデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子において、２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２を、互いに異なるゲート長を有するゲート電極とし、一方のゲート電極Ｇ１をＴ字形形状とし、他方のゲート電極Ｇ２をＩ字形形状とする。無線通信システムの変調器として用いる場合、高周波特性を要する搬送波信号を、高周波特性を有するＴ字形ゲート電極Ｇ１に、音声ベースバンド信号または中間周波信号を、歩留まりが良いＩ字形ゲート電極Ｇ２に入力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、デュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子及びその製造方法に関関するものである。

通常の半導体プロセスでは、ステッパを用いたフォトリソグラフィー技術が最もよく使われている。ここで、ｉ線を用いたフォトリソグラフィー工程では、最小線幅０．５μｍ程度のパターンが形成され、蒸着リフトオフによりそれとほぼ同じ寸法のＩ字形電極を形成することができる。一方、電子ビーム描画を用いたリソグラフィー工程を用いると、０．１μｍ以下の微細なパターンを形成することができる。

ゲート電極を０．１μｍ程度の微細なパターンで形成した場合、ゲート電極自身の抵抗が大きくなるため、通常、ゲート幅が大きい上部電極を追加して形成し、Ｔ字形状の電極を形成する。このような電極の微細化によって、ＨＥＭＴ（High
Electron Mobility Transistor）構造の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）の高周波数化を図ることができる。しかし、一方では、Ｔ字形電極の歩留まりは、Ｉ字形電極に比べると劣る。

無線通信システムでは、比較的周波数の低い（数十ＭＨｚ〜数百ＭＨＺ）音声信号（ベースバンド、ＢＢ）または中間周波信号（ＩＦ）を、高い周波数（通常、数ＧＨｚ〜数十ＧＨｚ）の搬送波信号（ローカル、ＬＯ）に重畳させ、ＲＦ信号として出力するために、変調器を用いて、両者を乗算している。ソース電極とドレイン電極との間に、２本のゲート電極を有するデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子（ＦＥＴ）は、構造が簡単で、このような変調動作を行う変調器として利用することができる。

すなわち、一つのゲート電極にＢＢ信号またはＩＦ信号を印加し、もう一つのゲート電極にＬＯ信号を印加すれば、ドレイン電極の出力としてＲＦ信号を得ることができる。この場合、従来技術においては、高周波数側のＬＯ信号の周波数により、デュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子のゲート長が決められるため、例えば、ＬＯ信号が数ＧＨｚ以下の場合には、Ｉ字形電極が、数十ＧＨｚの場合には、Ｔ字形電極が用いられている（非特許文献１，２参照）。
K.Shiojima,T.Makimura,T.Kosugi,S.Suggitani,N.Shigekawa,H.Ishikawaand T.Egawa,"High-power AlGaN/GaNdual‐gate high electronmobility transistor mixers on SiC substrates",Electronics Letters,Vol.40,No.12,pp.775−776,（2004） K.Shiojima,T.Makimura,T.Maruyama,T.Kosugi,T.Suemitsu,N.Sigekawa,M.Hirokiand H.Yokoyama,"Dual‐gate AlGaN／GaN high electron mobility transistors with short gate length forhigh−power mixers",32nd International Symposium on CompoundSemiconductors 2005（ISCS）,September 19,2005 in Rust,Germany

しかしながら、デュアルゲート電極として微細なＴ字形電極を２本平行に形成することは、歩留まりを劣化させるという問題がある。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、高周波特性を犠牲にせず、高い歩留まりを有するデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子及びその製造方法を提供することに、その目的がある。

本発明は、前述の課題を解決するために、以下のごとき各技術手段から構成されている。

第１の技術手段は、あらかじめ定めた材質の基板上に、少なくとも、チャネル層、スペーサ層、キャリア供給層、バリア層を順次形成し、前記バリア層上に、オーミックコンタクトのソース電極とドレイン電極と２つのゲート電極とを形成したデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子において、２つの前記ゲート電極が、互いに異なるゲート長を有するゲート電極から構成されていることを特徴とする。

第２の技術手段は、前記第１の技術手段に記載のデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子において、２つの前記ゲート電極の一方が、Ｉ字形形状のゲート電極であり、他方が、Ｔ字形形状のゲート電極であることを特徴とする。

第３の技術手段は、あらかじめ定めた材質の基板上に、少なくとも、チャネル層、スペーサ層、キャリア供給層、バリア層を、順次エピタキシャル成長させる工程と、前記バリア層上のあらかじめ定めた保護領域に保護膜を堆積した後に、前記保護膜を堆積していない残りの領域にソース電極とドレイン電極とをそれぞれ堆積する工程と、前記保護膜のあらかじめ定めた２つのゲート電極領域をエッチングで除去して、Ｉ字形のゲート電極とＴ字形のゲート電極とを堆積する工程とを有するデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子の製造方法とすることを特徴とする。

第４の技術手段は、前記第３の技術手段に記載のデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子の製造方法において、Ｉ字形の前記ゲート電極は、ステッパによるフォトリソグラフィーを用いて形成し、Ｔ字形の前記ゲート電極は、電子ビーム露光を用いたリソグラフィーを用いて形成することを特徴とする。

本発明のデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子及びその製造方法によれば、２つのゲート電極として、ゲート長が異なるゲート電極を採用し、例えば、歩留まりに優れたＩ字形ゲート電極と高周波数特性に優れたＴ字形ゲート電極とを用いて構成しているので、高周波特性と歩留まりとの双方を向上させることが可能なデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子を実現することができる。

以下に、本発明に係るデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子及びその製造方法の最良の実施形態について、その一例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

（本発明の概要）
まず、本発明の特徴を示す概要について説明する。本発明は、デュアルゲートＨＥＭＴ構造の半導体（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）変調素子に関するものであり、例えば、無線通信システムにおける変調器に好適に適用可能な変調素子として、高周波のローカル信号（ＬＯ信号）が入力されるゲート電極をゲート長が短いＴ字形電極とし、周波数が低いベースバンド信号（ＢＢ信号）または中間周波信号（ＩＦ信号）が入力されるゲート電極をゲート長が長いＩ字形電極として形成することにより、高周波特性を犠牲にすることなく、歩留まりの向上を図ることを可能としている点に、その特徴を有している。

（素子構造）
次に、図１を用いて、本発明によるデュアルゲート半導体変調素子の素子構造について説明する。ここで、図１は、本発明によるデュアルゲート半導体変調素子の素子構造の一例を示す模式図である。

本実施形態の半導体素子は、デュアルゲートを有するＨＥＭＴ構造の半導体変調素子であり、あらかじめ定めた材質の基板上に、少なくとも、チャネル層、スペーサ層、キャリア供給層、バリア層を、順次形成し、該バリア層上に、ソース電極とドレイン電極と互いに異なるゲート長を有する２つのゲート電極（デュアルゲート電極）とを形成した構造からなっている。例えば、図１に示すように、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ構造の半導体変調素子として、ＳｉＣ基板１上に、アンドープＳＩ（Ｓｅｍｉ−Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）−ＧａＮチャネル層２、アンドープＡｌＧａＮスペーサ層３、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮキャリア供給層４、アンドープＡｌＧａＮバリア層５を順次エピタキシャル成長させたＨＦＥＴ構造のエピタキシャルウェハを形成し、アンドープＡｌＧａＮバリア層５上に、オーミックコンタクトするＴｉ／Ａｌのソース電極６およびドレイン電極７と、Ｎｉ／Ａｕの２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２とＳｉＮ保護膜８とを形成した構造を有している。

ここで、図１に示すＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ構造の半導体変調素子の実施形態の一例として、デュアルゲート電極Ｇ１，Ｇ２のうち、ソース電極６側の第１ゲート電極Ｇ１が、ゲート長０．１５μｍのＴ字形の電極形状であり、ドレイン電極７側の第２ゲート電極Ｇ２が、ゲート長０．７μｍと長ゲートのＩ字形の電極形状である。なお、ゲート幅はいずれも３００μｍである。また、アンドープＧａＮチャネル層２の膜厚は、例えば３μｍであり、アンドープＡｌＧａＮスペーサ層３、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮキャリア供給層４、アンドープＡｌＧａＮバリア層５は、例えば、２：３：１の固定した膜厚比として、その合計膜厚が２０ｎｍである。

（素子の製造方法）
次に、本発明によるデュアルゲート半導体変調素子の製造方法について説明する。すなわち、デュアルゲートを有するＨＥＭＴ構造の半導体変調素子として、あらかじめ定めた材質の基板上に、少なくとも、チャネル層、スペーサ層、キャリア供給層、バリア層を、順次形成し、該バリア層上に、ソース電極とドレイン電極と互いに異なるゲート長を有する２つのゲート電極（デュアルゲート電極）とを形成する製造方法の一例として、図１に示すような、Ｔ字形の第１ゲート電極Ｇ１とＩ字形の第２ゲート電極Ｇ２とを有するＡｌＧａＮ／ＧａＮ ＨＥＭＴ構造の半導体変調素子の製造方法について説明する。

まず、ＳｉＣ基板またはサファイア基板などの所定の材質の基板１上に、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法で、ＧａＮチャネル層２、アンドープＡｌＧａＮスペーサ層３、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮキャリア供給層４、アンドープＡｌＧａＮバリア層５を、順次エピタキシャル成長させた変調ドープＨＦＥＴエピタキシャルウェハを形成した後、アンドープＡｌＧａＮバリア５層上のあらかじめ定めた保護領域にＳｉＮ保護膜８を堆積する。

ここで、ＧａＮチャネル層２の膜厚は、前述のように３μｍ、アンドープＡｌＧａＮスペーサ層３、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮキャリア供給層４、アンドープＡｌＧａＮバリア層５の合計膜厚は、２０μｍである。また、アンドープＡｌＧａＮスペーサ層３、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮキャリア供給層４、アンドープＡｌＧａＮバリア層５のＡｌ組成比は２５％であり、Ｓｉドープｎ型ＡｌＧａＮキャリア供給層４におけるＳｉのドープ濃度Ｎｄは１×１０^１９cm^−３である。

次の工程のＨＥＭＴプロセスにおいては、メサエッチングした後、ＳｉＮ保護膜８によって保護されていない領域すなわち電極形成領域のアンドープＡｌＧａＮバリア層５上に、オーミックコンタクトするＴｉ／Ａｌのソース電極６およびドレイン電極７をそれぞれ堆積する。

最後の工程で、ＳｉＮ保護膜８をドライエッチングして除去した２つの所定のゲート電極領域に、Ｎｉ／Ａｕからなるショットキーのデュアルゲート電極Ｇ１，Ｇ２を堆積し、最終的なＡｌＧａＮ／ＧａＮ デュアルゲートＨＥＭＴ構造の半導体変調素子を作製する。

ここで、デュアルゲート電極Ｇ１，Ｇ２の形成位置は、第１ゲート電極Ｇ１は、ソース電極６から０．８μｍで、第２ゲート電極Ｇ２からは１．１μｍの位置であり、第２ゲート電極Ｇ２は、ドレイン電極７から１．３μｍの位置である。

また、デュアルゲート電極Ｇ１，Ｇ２の形成については、ドレイン電極７側の所定のゲート領域にステッパを用いたゲートパターンの露光を行うことにより、まず、Ｉ字形の第２ゲート電極Ｇ２の形成を行う。ステッパによるフォトリソグラフィーを用いているため、第２ゲート電極Ｇ２を歩留まり良く形成することができる。

次に、電子ビーム露光を用いて、ソース電極６側の所定のゲート電極領域にＴ字形の第１ゲート電極Ｇ１の形成を行う。電子ビーム露光を用いたリソグラフィー工程により形成したＴ字形の第１ゲート電極Ｇ１は、ゲート長として０．１μｍ程度の微細パターンを作製することが可能であり、高周波動作が可能である。

したがって、かくのごとき異なる形状からなるデュアルゲート構成のＨＥＭＴ構造半導体変調素子を、音声ベースバンド信号（ＢＢ信号）または中間周波信号（ＩＦ信号）を搬送波信号（ＬＯ信号）に重畳する無線通信システムの変調器として利用することにすれば、ＬＯ信号の高周波特性を満足させつつ、歩留まりの良い素子を実現することができる。

次に、本実施形態のデュアルゲートＨＥＭＴ構造のＦＥＴ半導体変調素子の作用効果を確認するための一実施例として行った実験結果について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態におけるデュアルゲートＨＥＭＴ構造の半導体変調素子の２種類のゲート長をパラメータにして、変換利得（Ｇａｉｎ)と最大出力（Ｐｏｕｔ）との周波数依存性の実験結果を示すグラフである。

なお、本実験の対象とするデュアルゲートＨＥＭＴ構造の半導体変調素子は、前述したような製造工程により製造するものであるが、本実験においては、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ デュアルゲートＨＥＭＴ構造の半導体変調素子を例にとって、その２つのゲート電極Ｇ１，Ｇ２のゲート長、ゲート幅については、いずれのゲート電極Ｇ１，Ｇ２も、同じ形状のものを形成し、Ｉ字形の場合は、ゲート長が０．７μｍおよび、Ｔ字形の場合は、ゲート長が０．１５μｍという２種類のものを用いて、実験を行っている。なお、ゲート幅は、いずれの場合も３００μｍである。

また、本実験では、２００ＭＨｚのＩＦ信号でアップコンバージョン動作を行った場合の、変換利得（Ｇａｉｎ)と最大出力（Ｐｏｕｔ）のＬＯ周波数依存性を調べている。図２からも明らかなように、０．１５μｍゲート長のＴ字形ゲート電極を用いた場合には、ＬＯ周波数が、１０ＧＨｚに達しても、大きな特性の劣化は見られず、２ＧＨｚの場合に比し、変換利得（Ｇａｉｎ)の劣化が−２．５ｄＢ、最大出力（Ｐｏｕｔ）の劣化が−２ｄＢ程度に留まり、高周波特性に優れていることが分かる。

一方、０．７μｍゲート長のＩ字形ゲート電極を用いた場合は、ＬＯ周波数が、２ＧＨｚ以上になると特性に大きな劣化が見られ、５ＧＨｚで、２ＧＨｚの場合に比し、変換利得（Ｇａｉｎ)の劣化が−６ｄＢ、最大出力（Ｐｏｕｔ）の劣化が−６．５ｄＢと大幅に劣化してしまう。しかし、０．７μｍゲート長のＩ字形ゲート電極を用いた場合、２ＧＨｚ以下の低い周波数領域では、０．１５μｍゲート長のＴ字形ゲート電極とほぼ同じ良好な特性を示した。

よって、これら２種類のゲート構造を組み合わせることにより、高周波動作と高歩留まりとの双方を期待することができることが明らかになり、歩留まりを考慮して、扱う周波数に適したゲート長、ゲート構造のゲート電極を使い分けることを可能とするように、２つの異なるゲート長のゲート電極Ｇ１，Ｇ２を採用するという本発明によるデュアルゲートＨＥＭＴ構造のＦＥＴ半導体変調素子の有効性が判明した。

以上述べたように、本発明を用いれば、高周波特性と歩留まりを向上させる半導体変調素子を作製することが可能となる。

本発明によるデュアルゲート半導体変調素子の素子構造の一例を示す模式図である。 本実施形態におけるデュアルゲートＨＥＭＴ構造の半導体変調素子との２種類のゲート長をパラメータにして、変換利得（Ｇａｉｎ)と最大出力（Ｐｏｕｔ）の周波数依存性の実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１…基板、２…アンドープＧａＮチャネル層、３…アンドープＡｌＧａＮスペーサ層、４…ｎ型ＡｌＧａＮキャリア供給層、５…アンドープＡｌＧａＮバリア層、６…ソース電極、７…ドレイン電極、８…ＳｉＮ保護膜、Ｇ１…第１ゲート電極、Ｇ２…第２ゲート電極。

Claims (4)

1. あらかじめ定めた材質の基板上に、少なくとも、チャネル層、スペーサ層、キャリア供給層、バリア層を順次形成し、前記バリア層上に、オーミックコンタクトのソース電極とドレイン電極と２つのゲート電極とを形成したデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子において、２つの前記ゲート電極が、互いに異なるゲート長を有するゲート電極から構成されていることを特徴とするデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子。
2. ２つの前記ゲート電極の一方が、Ｉ字形形状のゲート電極であり、他方が、Ｔ字形形状のゲート電極であることを特徴とする請求項１に記載のデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子。
3. あらかじめ定めた材質の基板上に、少なくとも、チャネル層、スペーサ層、キャリア供給層、バリア層を、順次エピタキシャル成長させる工程と、前記バリア層上のあらかじめ定めた保護領域に保護膜を堆積した後に、前記保護膜を堆積していない残りの領域にソース電極とドレイン電極とをそれぞれ堆積する工程と、前記保護膜のあらかじめ定めた２つのゲート電極領域をエッチングで除去して、Ｉ字形のゲート電極とＴ字形のゲート電極とを堆積する工程とを有することを特徴とするデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子の製造方法。
4. Ｉ字形の前記ゲート電極は、ステッパによるフォトリソグラフィーを用いて形成し、Ｔ字形の前記ゲート電極は、電子ビーム露光を用いたリソグラフィーを用いて形成することを特徴とする請求項３に記載のデュアルゲートＨＥＭＴ構造半導体変調素子の製造方法。

Images