JP2008028327A - Iii-v compound semiconductor electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、FET(Field Effect Transistor)やHEMT(High Electron Mobi1ity Transistor)などの電子デバイスに用いられるIII−V族化合物半導体結晶において、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、液相エピタキシャル成長法等のエピタキシャル成長法によって形成したIII−V族化合物半導体電子デバイスに関するものである。 The present invention relates to a metal-organic vapor phase epitaxy method, a molecular beam epitaxy method, a liquid phase epitaxial growth method in a III-V group compound semiconductor crystal used in an electronic device such as a field effect transistor (FET) or a high electron mobility transistor (HEMT). The present invention relates to a group III-V compound semiconductor electronic device formed by an epitaxial growth method.
GaAs(ガリウム砥素)やInGaAs(インジウムガリウム砥素)などの化合物半導体は、Si(シリコン)半導体に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長をいかして、GaAsやInGaAsは高速動作や高効率動作を要求されるデバイスに多く用いられている。 Compound semiconductors such as GaAs (gallium abrasive) and InGaAs (indium gallium abrasive) have a feature of higher electron mobility than Si (silicon) semiconductors. Taking advantage of this feature, GaAs and InGaAs are often used in devices that require high-speed operation and high-efficiency operation.
代表例としてHEMT(High Electron Mobi1ity Transistor)が挙げられ、携帯電話の送信用マイクロ波増幅器や衛星放送用受信アンテナの高周波増幅器に用いられている。 A typical example is HEMT (High Electron Mobility Transistor), which is used for a microwave amplifier for transmitting a mobile phone and a high-frequency amplifier for a receiving antenna for satellite broadcasting.
HEMT用エピタキシャルウェハ(以下、HEMT用エピと略す)の概略構造を図4に示す。 A schematic structure of an HEMT epitaxial wafer (hereinafter abbreviated as HEMT epi) is shown in FIG.
HEMT用エピは、半絶縁性基板10上に結晶成長したバッファ層11、第1キャリア供給層12、第1スペーサ層13、チャネル層14、第2スペーサ層15、第2キャリア供給層16、ショットキー層17及びコンタクト層(キャップ層)18よりなる。
The HEMT epi is composed of a buffer layer 11, a first
基板10は単結晶成長するための下地である。
The
バッファ層11は、基板10表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きや、チャネル層14からのリーク電流を防ぐ働きがある。
The buffer layer 11 has a function of preventing deterioration of device characteristics due to residual impurities on the surface of the
チャネル層14は自由電子が流れる層であり、高純度である必要がある。スペーサ層13,15は、チャネル層14の自由電子がキャリア供給層12,16のn型不純物によってイオン散乱されるのを抑止する働きがある。
The
キャリア供給層12,16はn型不純物がドーピングされており、発生した自由電子をチャネル層14へ供給する。ショットキー層17はゲート電極を、コンタクト層18は電極を形成するための層である。
The
HEMT用エピの構造例を表1に示した。 A structural example of the HEMT epi is shown in Table 1.
結晶成長のことをエピタキシャルと言う。エピタキシャル層名称のn−,p−,i−は エピタキシャル層がそれぞれn型,p型,半絶縁性であることを表している。厚さの単位はnm(10-9m)である。キャリア濃度の単位はcm-3である。 Crystal growth is called epitaxial. The epitaxial layer names n-, p- and i- indicate that the epitaxial layer is n-type, p-type and semi-insulating, respectively. The unit of thickness is nm (10 -9 m). The unit of carrier concentration is cm −3 .
表1に示したHEMT用エピの成長方法を以下に述べる。 A method for growing the HEMT epi shown in Table 1 will be described below.
エピタキシャル層を成長させる半絶縁性基板をサセプタにセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解され、基板上にエピタキシャル層が成長される。 A semi-insulating substrate on which an epitaxial layer is grown is set on a susceptor and heated in a growth furnace. When the source gas is supplied into the growth furnace, the source gas is decomposed by heat, and an epitaxial layer is grown on the substrate.
従来構造では、ゲート電極の下地となるショットキー層には、GaAsもしくは組成が均一なAlxGa1-xAsが用いられていた。 In the conventional structure, GaAs or Al x Ga 1-x As having a uniform composition has been used for the Schottky layer serving as the base of the gate electrode.
しかしながら、従来構造ではショットキー層に高Al組成となるAlxGa1-xAs層を用いることにより、高ゲート耐圧化が行われていたが、その場合、ソース電極−チャネル間もしくはドレイン電極−チャネル間の縦方向の抵抗が上がってしまうため、結果的に非常に重要なデバイス特性であるソース−ドレイン間の抵抗が上がってしまっていた。 However, in the conventional structure, the gate breakdown voltage is increased by using an Al x Ga 1-x As layer having a high Al composition for the Schottky layer. In this case, however, the source electrode-channel or drain electrode- Since the vertical resistance between the channels is increased, the resistance between the source and the drain, which is a very important device characteristic, is increased as a result.
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ショットキー層の改良によりデバイスの絶縁性を向上させ、デバイス動作時の耐圧を向上させることができるIII−V族化合物半導体電子デバイスを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a III-V compound semiconductor electronic device that solves the above-described problems, improves the insulation of the device by improving the Schottky layer, and can improve the breakdown voltage during device operation. There is.
上記目的を達成するために請求項1の発明は、半絶縁性化合物半導体基板上に、バッファ層、チャネル層、スペーサ層、電子供給層、ショットキー層、コンタクト層を有するIII−V化合物半導体において、ショットキー層に、複数の元素の組合せからなる半導体層を用いた構造を有すると共に、該ショットキー層が、ウェハ表面側方向に向かってバンドギャップが大きくなるような傾斜構造もしくはステップ構造を有することを特徴とするIII−V族化合物半導体電子デバイスである。
In order to achieve the above object, the invention of
請求項2の発明は、請求項1において、ウェハ表面側方向に向かってバンドギャップが大きくなるようにショットキー層に用いた半導体層中における混晶比を変化させたことを特徴とするIII−V族化合物半導体電子デバイスである。
The invention of claim 2 is characterized in that, in
請求項3の発明は、請求項1において、ショットキー層にAlxGa1-xAs(但し、0≦x<1)を用いたことを特徴とするIII−V族化合物半導体電子デバイスである。 A third aspect of the present invention is a group III-V compound semiconductor electronic device according to the first aspect , wherein Al x Ga 1-x As (where 0 ≦ x <1) is used for the Schottky layer. .
請求項4の発明は、V族原料として、AsH3 (アルシン)、As(CH3)3(トリメチル砒素)、TBA(ターシャリーブチルアルシン)のうち、少なくとも1つを用い、III族原料としてAl(CH3)3(トリメチルアルミニウム)、Ga(CH3)3(トリメチルガリウム)、In(CH3)3(トリメチルインジウム)、Al(CH3 CH2)3 (トリエチルアルミニウム)、Ga(CH3CH2)3 (トリエチルガリウム)、In(CH3CH2)3 (トリエチルインジウム)のうち、少なくとも1つを用いる請求項1〜3いずれかに記載のIII−V族化合物半導体電子デバイスである。
The invention of claim 4 uses at least one of AsH 3 (arsine), As (CH 3 ) 3 (trimethylarsenic), and TBA (tertiary butylarsine) as the group V material, and Al as the group III material. (CH 3 ) 3 (trimethylaluminum), Ga (CH 3 ) 3 (trimethylgallium), In (CH 3 ) 3 (trimethylindium), Al (CH 3 CH 2 ) 3 (triethylaluminum), Ga (CH 3 CH 2) 3 (triethyl gallium), an in (CH 3 CH 2) 3 of (triethyl indium), a group III-V compound semiconductor electronic device according to any one of
本発明によれば、ウェハ表面方向に向かってステップもしくはリニアグレーデッド構造にバンドギャップが高くなるように変化する半導体層をショットキー層に採用することにより、ショットキー層での耐圧の向上と縦方向の抵抗の低減とを両立させることにより、HEMTデバイスの特性を向上することができるという優れた効果を発揮するものである。 According to the present invention, a semiconductor layer that changes in a stepped or linear graded structure toward the wafer surface direction so as to increase the band gap is employed in the Schottky layer, thereby improving the breakdown voltage in the Schottky layer and increasing the vertical direction. By achieving both reduction of the resistance in the direction, the excellent effect that the characteristics of the HEMT device can be improved is exhibited.
HEMTデバイスの特性向上により、衛星放送受信用パラボラアンテナの小型化や携帯電話の低消費電力化などの効果が期待できる。 By improving the characteristics of the HEMT device, it is possible to expect effects such as miniaturization of satellite dish receiving parabolic antennas and low power consumption of mobile phones.
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。 A preferred embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図1に本発明のHEMT用エピ構造を、また表2にHEMT用エピの構造例を示した。 FIG. 1 shows an HEMT epi structure of the present invention, and Table 2 shows an example of an HEMT epi structure.
本発明のHEMT用エピは、半絶縁性基板10上に、結晶成長したバッファ層(i−Al0.25GaAs、厚さ1000nm、キャリア濃度1×1016cm-3以下)11、第1キャリア供給層(n−Al0.20GaAs、厚さ10nm、キャリア濃度2.5×1018cm-3以下)12、第1スペーサ層(i−Al0.40GaAs、厚さ5nm、キャリア濃度1×1016cm-3以下)13、チャネル層(i−In0.30GaAs、厚さ10nm)14、第2スペーサ層(i−Al0.40GaAs、厚さ5nm、キャリア濃度1×1016cm-3以下)15、第2キャリア供給層(i−Al0.20GaAs、厚さ15nm、キャリア濃度1×1018cm-3以下)16、ショットキー層(i−AlxGa1-xAs、厚さ30nm、キャリア濃度1×1016cm-3以下)20及びコンタクト(キャップ)層(n−GaAs、厚さ150nm、キャリア濃度3×1018cm-3以下)18よりなる。
The HEMT epi of the present invention comprises a buffer layer (i-Al 0.25 GaAs, thickness 1000 nm,
本発明では、デバイス動作時の絶縁性を上げるためにショットキー層20においてウエハ表面側のAl組成が高くなるような傾斜構造、もしくはステップ構造を形成する事により、ソース−ドレイン間の抵抗を上げることなくショットキー耐圧を向上させるようにしたものである。
In the present invention, a source-drain resistance is increased by forming an inclined structure or a step structure in which the Al composition on the wafer surface side is increased in the Schottky
図2は、厚さ30nmのショットキー層20を成長させる際の厚さ[nm]方向のAlxGa1-xAsのAl混晶比を例示したもので、傾斜構造(リニアグレーデッド構造)とする場合には、図示の点線で示すように混晶比を0〜0.25まで連続的に変化させ、またステップ構造(ステップグレーデッド構造)とする場合には、混晶比を、0(GaAs)から厚さ5nm毎に0.05刻みにAl組成が高くなるようにして、25〜30nm厚さで、Al0.25GaAsとなるようなステップ構造とする。
FIG. 2 exemplifies the Al mixed crystal ratio of Al x Ga 1-x As in the thickness [nm] direction when the Schottky
次に、本発明のHEMT用エピの成長方法を説明する。 Next, a method for growing an epitaxy for HEMT according to the present invention will be described.
エピタキシャル層を成長させる基板をサセプタにセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解され、基板上にエピタキシャル層が順次成長される。 A substrate on which an epitaxial layer is grown is set on a susceptor and heated in a growth furnace. When the source gas is supplied into the growth furnace, the source gas is decomposed by heat, and epitaxial layers are sequentially grown on the substrate.
原料としてi−GaAsを成長する場合には、Ga原料のGa(CH3)3(トリメチルガリウム)とAs原料のAsH3 (アルシン)を成長炉内に供給する。なお、Ga原料として他にGa(CH3CH2)3 (トリエチルガリウム)がある。As原料として他にAs(CH3)3(トリメチル砒素)、TBA(ターシャリーブチルアルシン)がある。 When i-GaAs is grown as a raw material, Ga raw material Ga (CH 3 ) 3 (trimethylgallium) and an As raw material AsH 3 (arsine) are supplied into the growth furnace. In addition, there is Ga (CH 3 CH 2 ) 3 (triethylgallium) as another Ga raw material. Other As raw materials include As (CH 3 ) 3 (trimethylarsenic) and TBA (tertiary butylarsine).
i−AlGaAs(バッファ層、スペーサ層、ショットキー層)を成長する場合には、Ga(CH3)3、AsH3 、及びAl原料のAl(CH3)3(トリメチルアルミニウム)を成長炉内に供給する。 When growing i-AlGaAs (buffer layer, spacer layer, Schottky layer), Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3 , and Al source material Al (CH 3 ) 3 (trimethylaluminum) are grown in the growth reactor. Supply.
なお、Al原料として他にAl(CH3CH2)3 (トリエチルアルミニウム)がある。 In addition, there is Al (CH 3 CH 2 ) 3 (triethylaluminum) as an Al raw material.
バッファ層11のi−Al0.25GaAsとは、Al0.25Ga0.75Asを略したものであり、AlとGaの比が0.25:0.75であることを意味し、スペーサ層13,15のi−Al0.40GaAsとは、Al0.40Ga0.60Asを略したものであり、ショットキー層20のAlxGa1-xAsは、AlとGaの比を0.00:1.00から0.25:0.75まで混晶比を傾斜構造またはステップ構造に変化させたものである。
I-Al 0.25 GaAs of the buffer layer 11 is an abbreviation of Al 0.25 Ga 0.75 As, which means that the ratio of Al to Ga is 0.25: 0.75, and the
i−In0.20GaAs(チャネル層)を成長する場合には、Ga(CH3)3、AsH3 、及びIn原料のIn(CH3)3(トリメチルインジウム)を成長炉内に供給する。 When growing i-In 0.20 GaAs (channel layer), Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3 , and In source material In (CH 3 ) 3 (trimethylindium) are supplied into the growth furnace.
In0.20GaAsとはIn0.20Ga0.80Asを略したのもであり、InとGaの比が0.20:0.80であることを意味する。 In 0.20 GaAs is an abbreviation of In 0.20 Ga 0.80 As, which means that the ratio of In to Ga is 0.20: 0.80.
n−GaAs(キャップ層)を成長する場合には、Ga(CH3)3、AsH3 及びn型ドーパントを成長炉内に供給する。n型ドーパントの元素としてはSiやSe(セレン)がある。 When growing n-GaAs (cap layer), Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3 and n-type dopant are supplied into the growth reactor. Examples of the n-type dopant element include Si and Se (selenium).
Si原料としてSiH4 (モノシラン)、Si2H6(ジシラン)がある。Se原料としてはH2 Se(セレン化水素)がある。 Si raw materials include SiH 4 (monosilane) and Si 2 H 6 (disilane). Se raw material includes H 2 Se (hydrogen selenide).
また、n−Al0.20GaAs(キャリア供給層)を成長する場合には、Ga(CH3)3、AsH3 、Al原料のAl(CH3)3(トリメチルアルミニウム)及びn型ドーパントを成長炉内に供給する。 When growing n-Al 0.20 GaAs (carrier supply layer), Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3 , Al raw material Al (CH 3 ) 3 (trimethylaluminum) and n-type dopant are grown in the growth reactor. To supply.
AlxGa1-xAs(ショットキー層)として、リニアグレーデット層の成長時には、As原料の流量を共通にし、GaAsの成長速度、AlGaAsの成長速度の条件出しを行った後、その結果からGaAs成長速度、AlGaAs成長速度を算出し、そこから成長速度が一定に成るようにGa原料、Al原料を調節することにより直線的にAl組成を変動させながら成長を行う。 As the Al x Ga 1-x As (Schottky layer), when growing the linear graded layer, the flow rate of the As raw material was made common, the conditions for the growth rate of GaAs and the growth rate of AlGaAs were determined, and the results were obtained. Growth is performed while linearly changing the Al composition by calculating the GaAs growth rate and the AlGaAs growth rate and adjusting the Ga source and Al source so that the growth rate is constant.
ステップグレーデット層の場合は、使用する各組成の成長速度等の条件を出し、構造通りの成長を行う。 In the case of a step graded layer, conditions such as the growth rate of each composition to be used are set, and growth is performed according to the structure.
上記構造で成長したHEMT用エピのゲート耐圧の測定結果を図3に示した。 FIG. 3 shows the measurement results of the gate breakdown voltage of the HEMT epi grown with the above structure.
ここでゲート耐圧は、ゲートにかける電圧を変化させながら、基本的には流れてはいけないゲート−ドレイン間の電圧を測定し、ゲートードレイン間の電流がある一定値を超えた電圧を、ゲート耐圧としたものであり、図3は、そのゲート耐圧におけるソース−ドレイン間抵抗値を示したものである。 Here, the gate withstand voltage is measured by measuring the voltage between the gate and the drain that should not flow while changing the voltage applied to the gate. FIG. 3 shows the resistance value between the source and the drain at the gate breakdown voltage.
本発明の構造品では従来構造品に比べてソース−ドレイン間の抵抗に対して高いゲート耐圧を持つことが解る。 It can be seen that the structure of the present invention has a higher gate breakdown voltage with respect to the resistance between the source and drain than the conventional structure.
以上、本発明はHEMT用エピのショットキー層に関しての製造方法を説明したが、本発明は、FET等の他のデバイス構造にも適用できる。 Although the present invention has been described with respect to the manufacturing method of the HEMT epi Schottky layer, the present invention can also be applied to other device structures such as FETs.
このように本発明は、HEMT用エピに用いるショットキー層の絶縁性を上げることができる。また、ショットキー層の絶縁性を上げるとデバイス動作時のリーク電流が低減されるため、動作時の小電力化が期待される。HEMTデバイスの省電力化により、衛星放送受信用パラボラアンテナの小型化や携帯電話の低消費電力化などの効果が期待できる。 As described above, the present invention can improve the insulation of the Schottky layer used for the HEMT epi. In addition, if the insulation of the Schottky layer is increased, the leakage current during device operation is reduced, so that a reduction in power during operation is expected. By reducing the power consumption of the HEMT device, it is possible to expect effects such as miniaturization of satellite dish receiving parabolic antennas and lower power consumption of mobile phones.
10 基板
11 バッファ層
12,16 電子(キャリア)供給層
13,15 スペーサ層
14 チャネル層
18 コンタクト層
20 ショットキー層
DESCRIPTION OF
Claims (4)
At least one of AsH 3 (arsine), As (CH 3 ) 3 (trimethylarsenic), and TBA (tertiary butylarsine) is used as the group V source, and Al (CH 3 ) 3 (trimethyl) is used as the group III source. Aluminum), Ga (CH 3 ) 3 (trimethylgallium), In (CH 3 ) 3 (trimethylindium), Al (CH 3 CH 2 ) 3 (triethylaluminum), Ga (CH 3 CH 2 ) 3 (triethylgallium) , in (CH 3 CH 2) 3 of (triethyl indium), III-V group compound semiconductor electronic device according to any one claims 1 to 3 using at least one.
Priority Applications (1)
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JP2006202188A JP2008028327A (en) | 2006-07-25 | 2006-07-25 | Iii-v compound semiconductor electronic device |
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JP2006202188A JP2008028327A (en) | 2006-07-25 | 2006-07-25 | Iii-v compound semiconductor electronic device |
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