JP2008192830A - Third-fifth group compound semiconductor device and manufacturing method therefor - Google Patents

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Toyoaki Imaizumi
豊明 今泉
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a group III-V compound semiconductor device sufficiently suppressing buffer leak current, and also to provide a manufacturing method for the semiconductor device. <P>SOLUTION: The group III-V compound semiconductor device (1) includes an additive-free buffer layer (12) formed between a single layer substrate (11) and a channel layer (13). In the interface between the single layer substrate (11) and the additive-free buffer layer (12), an oxygen δ doping layer (12a) is formed on the surface of additive-free buffer layer (12) that is closer to the single layer substrate (11), or in the additive-free buffer layer (12). <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、III−V族化合物半導体装置及びその製造方法に関し、特に、電界効果トラ
ンジスタ(FET)やFETの一種である高電子移動度トランジスタ(HEMT)に好適なIII−V族化合物半導体装置及びその製造方法に関するものである。
The present invention relates to a group III-V compound semiconductor device and a method for manufacturing the same, and more particularly to a group III-V compound semiconductor device suitable for a field effect transistor (FET) or a high electron mobility transistor (HEMT) which is a kind of FET, and It relates to the manufacturing method.

ガリウム砒素(GaAs)やインジウムガリウム砒素(InGaAs)等の化合物半導体は、シリコン(Si)に比べて電子移動度が高いという特長がある。このような特長を活かして、GaAsやInGaAsは高速動作や高効率動作が要求されるデバイスに多く用いられている。代表例としてHEMTが挙げられる。   Compound semiconductors such as gallium arsenide (GaAs) and indium gallium arsenide (InGaAs) have a feature of higher electron mobility than silicon (Si). Taking advantage of these features, GaAs and InGaAs are often used in devices that require high-speed operation and high-efficiency operation. A representative example is HEMT.

図5に、従来のHEMTl0の断面構造を示す。このHEMTl0は、半絶縁性基板(
GaAs基板)11上に、無添加のバッファ層(GaAs層又はA1GaAs層)12、チ
ャネル層(InGaAs層)13、スペーサ層(AlGaAs層)14、キャリア供給層(A
lGaAs層)15、ショットキー層(AlGaAs層又はGaAs層)16及びコンタク
ト層(InGaAs層)17を順次エピタキシャル成長させ、コンタクト層17を選択的にエッチングしてショットキー層16の一部を露出させ、残ったコンタクト層17上にソース電極102及びドレイン電極103を形成し、ショットキー層16の露出した部分の上にゲート電極101を形成したものである。
FIG. 5 shows a cross-sectional structure of a conventional HEMT10. This HEMT10 is a semi-insulating substrate (
On the GaAs substrate 11, an additive-free buffer layer (GaAs layer or A1 GaAs layer) 12, channel layer (InGaAs layer) 13, spacer layer (AlGaAs layer) 14, carrier supply layer (A
lGaAs layer) 15, Schottky layer (AlGaAs layer or GaAs layer) 16 and contact layer (InGaAs layer) 17 are epitaxially grown in sequence, and contact layer 17 is selectively etched to expose a part of Schottky layer 16, The source electrode 102 and the drain electrode 103 are formed on the remaining contact layer 17, and the gate electrode 101 is formed on the exposed portion of the Schottky layer 16.

GaAsやA1GaAsからなるバッファ層12は、高抵抗であることが要求される。その理由は次の通りである。
HEMTの動作において、ソース―ドレイン間の電流は、ゲート電圧印加時にゲート電極101のショットキー界面からチャネル層13へ伸びる空乏層によってチャネル層13の厚さを変化させることによって、チャネル層13を流れる電流で制御される。チャネル層13が空乏化する電圧を印加した時、ソース―ドレイン間に電流が流れなくなる。この状態はピンチオフと呼ばれる。ピンチオフ時にソース―ドレイン間に流れる電流はバッファリーク電流と呼ばれ、1×10−9A以下であることが要求される。このため、バッファ層12のキャリア濃度を低く抑え、バッファ層13の比抵抗を高めている。従来、無添加のバッファ層12のキャリア濃度を1×1015cm−3以下とするのが一般的である。
The buffer layer 12 made of GaAs or A1GaAs is required to have a high resistance. The reason is as follows.
In the operation of the HEMT, a source-drain current flows through the channel layer 13 by changing the thickness of the channel layer 13 by a depletion layer extending from the Schottky interface of the gate electrode 101 to the channel layer 13 when a gate voltage is applied. Controlled by current. When a voltage that depletes the channel layer 13 is applied, no current flows between the source and the drain. This state is called pinch-off. The current flowing between the source and the drain at the time of pinch-off is called a buffer leakage current and is required to be 1 × 10 −9 A or less. For this reason, the carrier concentration of the buffer layer 12 is kept low, and the specific resistance of the buffer layer 13 is increased. Conventionally, the carrier concentration of the additive-free buffer layer 12 is generally set to 1 × 10 15 cm −3 or less.

また、従来、トランジスタ用の化合物半導体ウェハにおいて、バッファ層に酸素を均一にドープして、バッファ層の抵抗を高めバッファリーク電流を抑制するという提案がある(例えば、特許文献1)。
特開2000−312000号公報
Conventionally, in a compound semiconductor wafer for a transistor, there has been a proposal that oxygen is uniformly doped into a buffer layer to increase the resistance of the buffer layer and suppress a buffer leakage current (for example, Patent Document 1).
JP 2000-312000 A

しかしながら、図5に示す従来のHEMTl0によれば、デバイスを作製して評価した結果、バッファリーク電流が1×10−6Aも流れることが分かった。GaAsやAlGaAsからなる無添加のバッファ層12のキャリア濃度は、p型で1×1015cm−3である。このキャリア濃度はエピタキシャル成長条件に依存し、キャリア濃度を下げるためには、成長温度を上げること、成長時のV/III流量比を上げることが有効であるが、
これらの方法を駆使しても5×1014cm−3以下のキャリア濃度を実現することは困難であり、バッファリーク電流を1×10−9A以下に抑制することができなかった。また、エピタキシャル層である無添加バッファ層12では、EL2のような深いエネルギー
準位が存在しないため、半絶縁性GaAs基板のような補償機構によるキャリア濃度の減少が期待できず、高抵抗にはなり得ない。
また、酸素を均一ドープしたバッファ層を用いた構造では、リーク電流を十分に低減することができず、さらに長期信頼性にも問題があった。
However, according to the conventional HEMT10 shown in FIG. 5, as a result of fabricating and evaluating the device, it was found that a buffer leakage current of 1 × 10 −6 A flows. The carrier concentration of the additive-free buffer layer 12 made of GaAs or AlGaAs is 1 × 10 15 cm −3 for p-type. This carrier concentration depends on the epitaxial growth conditions. To lower the carrier concentration, it is effective to increase the growth temperature and increase the V / III flow rate ratio during growth.
Even if these methods are used, it is difficult to achieve a carrier concentration of 5 × 10 14 cm −3 or less, and the buffer leak current cannot be suppressed to 1 × 10 −9 A or less. In addition, in the additive-free buffer layer 12 which is an epitaxial layer, since there is no deep energy level like EL2, a decrease in carrier concentration due to a compensation mechanism such as a semi-insulating GaAs substrate cannot be expected, and high resistance is not achieved. It can't be.
Further, in the structure using the buffer layer uniformly doped with oxygen, the leakage current cannot be sufficiently reduced, and there is a problem in long-term reliability.

本発明は、デバイスを作製した時にバッファリーク電流を十分に抑制可能なIII−V族
化合物半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a group III-V compound semiconductor device capable of sufficiently suppressing a buffer leakage current when a device is manufactured and a method for manufacturing the same.

上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第1の態様は、単結晶基板とチャネル層との間に無添加バッファ層を含むIII
−V族化合物半導体装置において、前記単結晶基板と前記無添加バッファ層の界面に、前記無添加バッファ層の前記単結晶基板側の界面に、又は前記無添加バッファ層中に、酸素δドーピング層が形成されていることを特徴とするIII−V族化合物半導体装置である。
In order to solve the above problems, the present invention is configured as follows.
A first aspect of the present invention includes an additive-free buffer layer between the single crystal substrate and the channel layer.
In the group V compound semiconductor device, an oxygen δ doping layer at an interface between the single crystal substrate and the additive-free buffer layer, at an interface of the additive-free buffer layer on the single-crystal substrate side, or in the additive-free buffer layer The III-V compound semiconductor device is characterized in that is formed.

本発明の第2の態様は、第1の態様のIII−V族化合物半導体装置において、前記無添
加バッファ層が、GaAs層又はA1GaAs層であることを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, in the group III-V compound semiconductor device according to the first aspect, the additive-free buffer layer is a GaAs layer or an A1 GaAs layer.

本発明の第3の態様は、第1の態様又は第2の態様のIII−V族化合物半導体装置にお
いて、前記酸素δドーピング層は、1×1019cm−3〜1×1021cm−3の範囲の酸素濃度であり、且つl0nm〜100nmの範囲の厚さを有することを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, in the III-V group compound semiconductor device according to the first aspect or the second aspect, the oxygen δ doping layer is 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3. And an oxygen concentration in the range of 10 nm to 100 nm.

本発明の第4の態様は、単結晶基板上に無添加バッファ層とチャネル層とを含むエピタキシャル層を成長するIII−V族化合物半導体装置の製造方法において、前記単結晶基板
と前記無添加バッファ層の界面に、前記無添加バッファ層の前記単結晶基板側の界面に、又は前記無添加バッファ層中に、酸素δドーピング層を形成する工程を含むことを特徴とするIII−V族化合物半導体装置の製造方法である。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a group III-V compound semiconductor device in which an epitaxial layer including an additive-free buffer layer and a channel layer is grown on a single-crystal substrate, the single-crystal substrate and the additive-free buffer. A group III-V compound semiconductor comprising a step of forming an oxygen δ-doping layer at an interface of the layer, at an interface of the additive-free buffer layer on the single crystal substrate side, or in the additive-free buffer layer It is a manufacturing method of an apparatus.

本発明の第5の態様は、第4の態様のIII−V族化合物半導体装置の製造方法において
、前記酸素δドーピング層は、酸素ガスを供給することによって形成されることを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for manufacturing a group III-V compound semiconductor device according to the fourth aspect, the oxygen δ doping layer is formed by supplying an oxygen gas.

本発明によれば、酸素δドービング層を有することにより、デバイスを作製した時にバッファリーク電流を十分に抑制できる。したがって、スイッチング特性に優れたFET(電界効果トランジスタ)を製造することができる。   According to the present invention, the buffer leak current can be sufficiently suppressed when the device is manufactured by having the oxygen δ doving layer. Therefore, an FET (field effect transistor) excellent in switching characteristics can be manufactured.

以下に、本発明に係るIII−V族化合物半導体装置及びその製造方法の実施形態を図面
を参照しながら説明する。
Embodiments of a III-V compound semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1に、本発明に係るIII−V族化合物半導体装置の第1の実施形態であるHEMTの
断面構造を示す。このHEMTlは、GaAsからなる半絶縁性の基板11上に酸素δドーピング層(AlGaAs層に酸素が高濃度にδドーピングされた層)12a、無添加バッファ層(GaAs層、又はAlGaAs層)12、チャネル層(InGaAs層)13、スペーサ層(AlGaAs層)14、キャリア供給層(AlGaAs層)15、ショットキー層(AlGaAs層、又はGaAs層)16及びコンタクト層(InGaAs層)17を順次エピタキシャル成長させ、コンタクト層17を選択的にエッチングしてショットキー層16の一部を露出させ、残ったコンタクト層17上にソース電極102及びドレイン電極103を形成し、ショットキー層16の露出した部分上にゲート電極101を形
成したものである。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a HEMT which is a first embodiment of a III-V compound semiconductor device according to the present invention. This HEMTl is formed on a semi-insulating substrate 11 made of GaAs with an oxygen δ doping layer (a layer in which AlGaAs layer is highly doped with δ) 12a, an additive buffer layer (GaAs layer or AlGaAs layer) 12, A channel layer (InGaAs layer) 13, a spacer layer (AlGaAs layer) 14, a carrier supply layer (AlGaAs layer) 15, a Schottky layer (AlGaAs layer or GaAs layer) 16 and a contact layer (InGaAs layer) 17 are sequentially epitaxially grown. The contact layer 17 is selectively etched to expose a part of the Schottky layer 16, the source electrode 102 and the drain electrode 103 are formed on the remaining contact layer 17, and the gate is formed on the exposed part of the Schottky layer 16. The electrode 101 is formed.

ここで、コンタクト層17は、ソース電極102及びドレイン電極103とオーミック接合を形成する層である。ショットキー層16は、ゲート電極101とショットキー接合を形成する層である。キャリア供給層15は、n型不純物がドーピングされており、自由電子を放出してチャネル層13へ供給する層である。チャネル層13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14は、チャネル層13の自由電子がキャリア供給層15のn型不純物によりイオン散乱されるのを抑止する層である。無添加バッファ層12は、基板11の表面の残留不純物によるデバイス特性の劣化を防止するために形成される層である。   Here, the contact layer 17 is a layer that forms an ohmic junction with the source electrode 102 and the drain electrode 103. The Schottky layer 16 is a layer that forms a Schottky junction with the gate electrode 101. The carrier supply layer 15 is a layer that is doped with n-type impurities and emits free electrons to be supplied to the channel layer 13. The channel layer 13 is a layer through which free electrons flow and needs to be highly pure. The spacer layer 14 is a layer that inhibits free electrons in the channel layer 13 from being ion-scattered by n-type impurities in the carrier supply layer 15. The additive-free buffer layer 12 is a layer formed to prevent deterioration of device characteristics due to residual impurities on the surface of the substrate 11.

HEMTlの動作において、ソース―ドレイン間の電流は、主にチャネル層13を流れる電流であり、チャネル層13を流れる電流は、ゲート電圧印加時にゲート電極101のショットキー界面からチャネル層13へと伸びる空乏層でチャネル層13の厚さを変化させることによって制御される。チャネル層13が空乏化するピンチオフ電圧印加時に、ソース―ドレイン間に流れるバッファリーク電流は、1×10−9A以下であることが要求されている。 In the operation of the HEMT1, the current between the source and the drain is mainly a current flowing through the channel layer 13, and the current flowing through the channel layer 13 extends from the Schottky interface of the gate electrode 101 to the channel layer 13 when a gate voltage is applied. It is controlled by changing the thickness of the channel layer 13 in the depletion layer. The buffer leak current flowing between the source and the drain when the pinch-off voltage is applied to deplete the channel layer 13 is required to be 1 × 10 −9 A or less.

上述した本実施形態のHEMT1の構造によれば、半絶縁性の基板11とエピタキシャル層である無添加バッファ層12との界面に、酸素δドーピング層12aを形成することにより、この酸素δドーピング層12aが抵抗層として作用し、バッファリーク電流を1×10−9A以下に抑制することができる。
なお、上記第1の実施形態では、酸素δドーピング層12aをAlGaAs層に形成したが、GaAs層に形成してもよい。
According to the structure of the HEMT 1 of this embodiment described above, the oxygen δ doping layer is formed by forming the oxygen δ doping layer 12a at the interface between the semi-insulating substrate 11 and the additive-free buffer layer 12 that is an epitaxial layer. 12a acts as a resistance layer, and the buffer leakage current can be suppressed to 1 × 10 −9 A or less.
In the first embodiment, the oxygen δ doping layer 12a is formed on the AlGaAs layer, but may be formed on the GaAs layer.

図2は、本発明の第2の実施形態に係るHEMTの断面構造を示す。
上記第1の実施形態では、基板11と無添加バッファ層12との界面に酸素δドーピング層12aを形成したが、第2の実施形態のHEMT2では、図2に示すように、無添加バッファ層12中(無添加バッファ層12の中間領域)に、酸素δドーピング層12aを形成している。その他の構成・構造は、図1の第1の実施形態と同一である。
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of a HEMT according to the second embodiment of the present invention.
In the first embodiment, the oxygen δ doping layer 12a is formed at the interface between the substrate 11 and the additive-free buffer layer 12, but in the HEMT 2 of the second embodiment, as shown in FIG. 12 (intermediate region of the additive-free buffer layer 12), an oxygen δ doping layer 12a is formed. Other configurations and structures are the same as those of the first embodiment shown in FIG.

図2のHEMT2の構造によっても、無添加バッファ層12内に酸素δドーピング層12aを形成することにより、この酸素δドーピング層12aが抵抗層として作用し、バッファリーク電流を1×10−9A以下に抑制することが可能となる。 Also by the structure of the HEMT 2 in FIG. 2, by forming the oxygen δ doping layer 12a in the additive-free buffer layer 12, the oxygen δ doping layer 12a acts as a resistance layer, and the buffer leakage current is reduced to 1 × 10 −9 A. It becomes possible to suppress to the following.

酸素δドーピング層と従来の酸素均一ドープバッファ層と比較すると、酸素δドーピング層の方が高濃度に酸素をドーピングでき、より高抵抗を実現することができる。更に、酸素δドーピング層では、酸素を効率的に狭い範囲にドーピングでき、炉内に残留する酸素のメモリー効果を抑制することができる。   Compared with the oxygen δ-doping layer and the conventional oxygen uniform doping buffer layer, the oxygen δ-doping layer can be doped with oxygen at a higher concentration and can realize higher resistance. Furthermore, in the oxygen δ doping layer, oxygen can be doped efficiently in a narrow range, and the memory effect of oxygen remaining in the furnace can be suppressed.

また、酸素δドーピング層では、バッファ層の厚さを薄くすることができるため、基板とHEMT構造のエピタキシャル層との間にHBT構造のエピタキシャル層を介在させた構造において、酸素δドーピング層を採用すると、HEMT構造のエピタキシャル層とHBT構造のエピタキシャル層との間(縦方向)を電気的に分離でき、且つHEMTデバイスとHBTデバイスとの段差を小さくすることができる。   In addition, since the oxygen δ-doping layer can reduce the thickness of the buffer layer, the oxygen δ-doping layer is adopted in the structure in which the epitaxial layer having the HBT structure is interposed between the substrate and the epitaxial layer having the HEMT structure. Then, the HEMT structure epitaxial layer and the HBT structure epitaxial layer can be electrically separated (longitudinal direction), and the step between the HEMT device and the HBT device can be reduced.

エピタキシャル成長技術には、有機金属気相成長法(MOVPE)と分子線気相成長法(MBE)が用いられる。MBEは結晶制御性に優れた成長技術ではあるが、エピタキシャル成長環境を高真空に保持するためのメンテナンスが必須であるためにスループットが上がらない。そのため工業生産的には、MOVPEが用いられることが多い。   As the epitaxial growth technique, metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) and molecular beam vapor phase epitaxy (MBE) are used. MBE is a growth technique with excellent crystal controllability, but throughput is not increased because maintenance for maintaining the epitaxial growth environment in a high vacuum is essential. Therefore, MOVPE is often used in industrial production.

以下に、MOVPEを用いてIII−V族化合物半導体装置を製造する方法ついて簡単に
述べる。
Hereinafter, a method for manufacturing a III-V compound semiconductor device using MOVPE will be briefly described.

図3に、エピタキシャル成長に使用するMOVPE装置20を示す。このMOVPE装置20は、真空ポンプ及び排気装置(図示せず)を有する排気部26が接続された反応炉21を備える。反応炉21には、基板27を載置するサセプタ22と、サセプタ22を加熱するヒータ23と、サセプタ22を回転及び上下移動させる制御軸24と、基板27に向かって斜め方向又は水平方向に原料ガスを供給する石英ノズル25とが設けられている。また、反応炉21には、原料ガス供給系として、トリメチルガリウム(TMG)ガスを発生するTMGガス発生装置31と、トリメチルアルミニウム(TMA)ガスを発生するTMAガス発生装置32と、AsHガスを発生するAsHガス発生装置33と、トリメチルインジウム(TMI)ガスを発生するTMIガス発生装置34と、Siをドープするためのジシラン(Si)ガスを発生するSiガス発生装置35と、酸素をドープするための酸素ガス(O)を発生するOガス発生装置36とが接続されている。また、反応炉21の原料ガス供給系には、原料ガスの流量を制御するマスフローコントローラ(図示せず)等が設けられている。なお、キャリアガス(希釈用ガス)として水素が用いられる。また、基板27上に成長させるエピタキシャル層に応じて、反応炉21に供給する原料ガスの組み合わせを変える。 FIG. 3 shows a MOVPE apparatus 20 used for epitaxial growth. The MOVPE apparatus 20 includes a reaction furnace 21 to which an exhaust unit 26 having a vacuum pump and an exhaust apparatus (not shown) is connected. The reaction furnace 21 includes a susceptor 22 on which a substrate 27 is placed, a heater 23 that heats the susceptor 22, a control shaft 24 that rotates and moves the susceptor 22, and a raw material that is obliquely or horizontally directed toward the substrate 27. A quartz nozzle 25 for supplying gas is provided. In addition, the reaction furnace 21 includes a TMG gas generator 31 that generates trimethylgallium (TMG) gas, a TMA gas generator 32 that generates trimethylaluminum (TMA) gas, and AsH 3 gas as a source gas supply system. AsH 3 gas generator 33 for generating, TMI gas generator 34 for generating trimethylindium (TMI) gas, and Si 2 H 6 gas generator for generating disilane (Si 2 H 6 ) gas for doping Si 35 and an O 2 gas generator 36 that generates oxygen gas (O 2 ) for doping oxygen is connected. The source gas supply system of the reaction furnace 21 is provided with a mass flow controller (not shown) for controlling the flow rate of the source gas. Hydrogen is used as the carrier gas (dilution gas). Further, the combination of raw material gases supplied to the reaction furnace 21 is changed according to the epitaxial layer grown on the substrate 27.

エピタキシャル層を成長させる基板27を成長炉21内のサセプタ22にセットし、ヒータ23により基板27を加熱する。成長炉21内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板27上にエピタキシャル層が成長する。   The substrate 27 on which the epitaxial layer is grown is set on the susceptor 22 in the growth furnace 21, and the substrate 27 is heated by the heater 23. When the source gas is supplied into the growth furnace 21, the source gas is decomposed by heat, and an epitaxial layer grows on the substrate 27.

i−GaAsを成長させる場合には、Ga原料のトリメチルガリウム(Ga(CH))とAs原料のアルシン(AsH)を基板27に供給する。尚、Ga原料として、他にトリエチルガリウム(Ga(CHCH))がある。また、As原料として、他にトリメチル砒素(As(CH))、ターシャリーブチルアルシン(TBA)がある。 When i-GaAs is grown, trimethylgallium (Ga (CH 3 ) 3 ) as a Ga raw material and arsine (AsH 3 ) as an As raw material are supplied to the substrate 27. In addition, another example of the Ga material is triethylgallium (Ga (CH 3 CH 2 ) 3 ). Other examples of As raw materials include trimethylarsenide (As (CH 3 ) 3 ) and tertiary butylarsine (TBA).

i−Al0.25Ga0.75Asを成長させる場合には、Ga(CH)、AsH及びAl原料のトリメチルアルミニウム(Al(CH))を基板27に供給する。なお、Al原料として、他にトリエチルアルミニウム(Al(CHCH))がある。 When growing i-Al 0.25 Ga 0.75 As, Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3, and trimethylaluminum (Al (CH 3 ) 3 ) as an Al source are supplied to the substrate 27. In addition, another example of the Al material is triethylaluminum (Al (CH 3 CH 2 ) 3 ).

i−In0.20Ga0.80Asを成長させる場合には、Ga(CH)、AsH及びIn原料のトリメチルインジウム(In(CH))を成長炉21内に供給する。 When growing i-In 0.20 Ga 0.80 As, Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3, and trimethylindium (In (CH 3 ) 3 ) as an In raw material are supplied into the growth reactor 21.

n−Al0.25Ga0.75Asを成長させる場合には、Ga(CH)、AsH、Al(CH)及びn型ドーパント原料としてジシラン(Si)を成長炉21内に供給する。なお、キャリア供給層(n−Al0.25Ga0.75As)には、GaAs中での拡散係数が小さいSi或いはSが用いられることが多い。 In the case of growing n-Al 0.25 Ga 0.75 As, Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3 , Al (CH 3 ) 3 and disilane (Si 2 H 6 ) as an n-type dopant raw material are growth furnaces. 21 is supplied. Note that Si or S having a small diffusion coefficient in GaAs is often used for the carrier supply layer (n-Al 0.25 Ga 0.75 As).

n−InGaAsを成長させる場合には、Ga(CH)、In(CH)、AsH及びn型ドーパント原料としてSiを成長炉21内に供給する。 When growing n-InGaAs, Ga (CH 3 ) 3 , In (CH 3 ) 3 , AsH 3 and Si 2 H 6 as an n-type dopant material are supplied into the growth reactor 21.

n型ドーパントの元素としては、Si、S、セレン(Se)、テルル(Te)がある。Si原料としてはモノシラン(SiH)、ジシラン(Si)がある。S原料としては硫化水素(HS)がある。Se、Te原料としてはセレン化水素(HSe)、テルル化水素(
Te)がある。
酸素ドーパントには、酸素ガスを用いる。
Examples of n-type dopant elements include Si, S, selenium (Se), and tellurium (Te). Examples of the Si raw material include monosilane (SiH 4 ) and disilane (Si 2 H 6 ). S raw material is hydrogen sulfide (H 2 S). Se and Te raw materials include hydrogen selenide (H 2 Se), hydrogen telluride (
H 2 Te).
An oxygen gas is used as the oxygen dopant.

なお、上記実施形態のIII−V族化合物半導体装置では、HEMTついて説明したが、
本発明はこれに限らず、バッファ層を有する各種FETの全てに適用することができる。
In addition, in the III-V group compound semiconductor device of the said embodiment, although HEMT was demonstrated,
The present invention is not limited to this, and can be applied to all of various FETs having a buffer layer.

次に、本発明の実施例を説明する。
本実施例では、第1の実施形態のHEMTl(図1)に使用される、下記の表1に示すHEMT用エビタキシャルウェハを作製した。成長時の基板温度を650℃とし、成長炉内の圧力を10108Pa(76Torr)とし、希釈用ガスとして水素を用いた。基板にはGaAs基板を用いた。
Next, examples of the present invention will be described.
In this example, an HEMT epitaxial wafer shown in Table 1 below used for the HEMT1 (FIG. 1) of the first embodiment was manufactured. The substrate temperature during growth was 650 ° C., the pressure in the growth furnace was 10108 Pa (76 Torr), and hydrogen was used as the dilution gas. A GaAs substrate was used as the substrate.


表1において、エピタキシャル層の名称における「n−」及び「i−」はエピタキシャル層がそれぞれn型、半絶縁性であることを表す。

In Table 1, “n−” and “i−” in the name of the epitaxial layer indicate that the epitaxial layer is n-type and semi-insulating, respectively.

半絶縁性のGaAs基板の直上に、i−GaAs層を成長した。i−GaAs層の成長には、Ga(CH)とAsHを用いた。Ga(CH)の流量は10.5cm/分
であり、AsHの流量は315cm/分である。成長速度は、0.4nm/秒であっ
た。
An i-GaAs layer was grown directly on the semi-insulating GaAs substrate. Ga (CH 3 ) 3 and AsH 3 were used for the growth of the i-GaAs layer. The flow rate of Ga (CH 3 ) 3 is 10.5 cm 3 / min, and the flow rate of AsH 3 is 315 cm 3 / min. The growth rate was 0.4 nm / second.

次に、上記i−GaAs層に酸素をδドーピングした。δドーピング時には、Ga(C
)及びAsHの供給を停止し、酸素を供給した。酸素の流量は32cm/分と
した。V族原料の供給を停止したことにより、酸素の取り込みが進んだことがSIMS(二次イオン質量分析法)測定の結果判明した。酸素δドーピング層(GaAs)内の酸素濃度は2×1020cm−3、厚さは40nmであった。
Next, the i-GaAs layer was doped with oxygen by δ. At δ doping, Ga (C
The supply of H 3 ) 3 and AsH 3 was stopped and oxygen was supplied. The flow rate of oxygen was 32 cm 3 / min. As a result of SIMS (secondary ion mass spectrometry) measurement, it was found that oxygen uptake was advanced by stopping the supply of the group V raw material. The oxygen concentration in the oxygen δ-doping layer (GaAs) was 2 × 10 20 cm −3 and the thickness was 40 nm.

次いで、i−GaAs層(バッファ層)を成長した。原料流量は、基板直上に成長したものと同一とした。すなわち、Ga(CH)の流量は10.5cm/分、AsH
流量は315cm/分とした。
Next, an i-GaAs layer (buffer layer) was grown. The raw material flow rate was the same as that grown immediately above the substrate. That is, the flow rate of Ga (CH 3 ) 3 was 10.5 cm 3 / min, and the flow rate of AsH 3 was 315 cm 3 / min.

i−Al0.25Ga0.75As層(バッファ層、スペーサ層及びショットキー層)の成長には、Ga(CH)、Al(CH)及びAsHを用いた。Ga(CH)、Al(CH)及びAsHの流量はそれぞれ5.3cm/分、1.43cm/分及び630cm/分とした。成長速度は、0.3nm/秒であった。 Ga (CH 3 ) 3 , Al (CH 3 ) 3 and AsH 3 were used for the growth of the i-Al 0.25 Ga 0.75 As layer (buffer layer, spacer layer and Schottky layer). The flow rates of Ga (CH 3 ) 3 , Al (CH 3 ) 3 and AsH 3 were 5.3 cm 3 / min, 1.43 cm 3 / min and 630 cm 3 / min, respectively. The growth rate was 0.3 nm / second.

i−In0.20Ga0.80As層(チャネル層)の成長には、Ga(CH)、In(CH)及びAsHを用いた。Ga(CH)、In(CH)及びAsHの流量はそれぞれ5.3cm/分、2.09cm/分及び500cm/分とした。成長速度は、0.5nm/秒であった。 Ga (CH 3 ) 3 , In (CH 3 ) 3 and AsH 3 were used for the growth of the i-In 0.20 Ga 0.80 As layer (channel layer). Ga (CH 3) 3, In (CH 3) 3 and each flow AsH 3 5.3 cm 3 / min, it was 2.09cm 3 / min and 500 cm 3 / min. The growth rate was 0.5 nm / second.

n−Al0.25Ga0.75As層(キャリア供給層)の成長には、i−Al0.25
Ga0.75Asの成長に使用したGa(CH)、Al(CH)、AsHに加えて
n型ドーパント原料としてSiを使用した。ドーパントSiの流量は、7.
78×10−3cm/分である。ドーパントSi以外の原料の流量はi−Al0.25Ga0.75As層の場合と同じである。
For the growth of the n-Al 0.25 Ga 0.75 As layer (carrier supply layer), i-Al 0.25
In addition to Ga (CH 3 ) 3 , Al (CH 3 ) 3 and AsH 3 used for the growth of Ga 0.75 As, Si 2 H 6 was used as an n-type dopant material. The flow rate of the dopant Si 2 H 6 is 7.
78 × 10 −3 cm 3 / min. The flow rates of raw materials other than the dopant Si 2 H 6 are the same as in the case of the i-Al 0.25 Ga 0.75 As layer.

n−GaAs層(ショットキー層)の成長には、i−GaAsの成長に使用したGa(
CH)、AsHsに加えてn型ドーパントとしてSiを用いた。ドーパントS
の流量は1.47×10−4cm/分である。ドーパントSi以外の原
料の流量はi−GaAs層の場合と同様である。
For the growth of the n-GaAs layer (Schottky layer), Ga (
In addition to CH 3 ) 3 and AsHs, Si 2 H 6 was used as an n-type dopant. Dopant S
The flow rate of i 2 H 6 is 1.47 × 10 −4 cm 3 / min. The flow rates of raw materials other than the dopant Si 2 H 6 are the same as in the i-GaAs layer.

n−In0→0.50Ga1→0.50As層(コンタクト層)は、InAs混晶比が0から0.50まで変化し、成長にはIn(CH)、Ga(CH)、AsH、Si
を用いた。In(CH)、Ga(CH)、AsH、Siの成長開始時の流量はそれぞれ0cm/分、5.3cm/分、500cm/分、1.2×10−1cm/分、また成長終了時の流量はそれぞれ8.3cm/分、5.3cm/分、500cm/分、1.6cm/分とした。
In the n-In 0 → 0.50 Ga 1 → 0.50 As layer (contact layer), the InAs mixed crystal ratio changes from 0 to 0.50, and In (CH 3 ), Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3 , Si 2 H
6 was used. In (CH 3) 3, Ga (CH 3) 3, AsH 3, each flow rate of growth at the start of the Si 2 H 6 is 0 cm 3 / min, 5.3 cm 3 / min, 500 cm 3 / min, 1.2 × 10 -1 cm 3 / min, also each growth at the end of the flow rate 8.3 cm 3 / min, 5.3 cm 3 / min, 500 cm 3 / min, was 1.6 cm 3 / min.

n−In0.50Ga0.50As層(コンタクト層)の成長には、In(CH)、Ga(CH)、AsH、Siを用い、それらの流量はそれぞれ8.3cm/分
、5.3cm/分、500cm/分、1.6cm/分とした。成長速度は、0.5n
m/秒であった。
In (CH 3 ) 3 , Ga (CH 3 ) 3 , AsH 3 , and Si 2 H 6 were used for the growth of the n-In 0.50 Ga 0.50 As layer (contact layer), and their flow rates were respectively 8.3cm 3 / minute, 5.3cm 3 / minute, 500cm 3 / minute, was 1.6cm 3 / min. Growth rate is 0.5n
m / sec.

図4には、上記実施例の方法により得られた表1のエピタキシャルウェハを用いて作製したHEMTについて、ゲート電圧Vgとソース―ドレイン電流Idsを測定した結果を示
す。図4に示すように、ピンチオフ電圧印加時のバッファリーク電流は1×10−9A以下であり、優れたスイッチング特性を有することが確認された。
FIG. 4 shows the results of measuring the gate voltage Vg and the source-drain current Ids for the HEMT fabricated using the epitaxial wafer of Table 1 obtained by the method of the above example. As shown in FIG. 4, the buffer leakage current when the pinch-off voltage was applied was 1 × 10 −9 A or less, and it was confirmed that it had excellent switching characteristics.

次に、酸素δドーピング層の酸素濃度と厚さについて最適な範囲を調べた。その結果を表2に示す。表2におけるデバイス信頼性の試験は、100kA/cmの電流を流した前後での電流利得βの変化率を測定したものである。 Next, the optimum range for the oxygen concentration and thickness of the oxygen δ-doping layer was investigated. The results are shown in Table 2. The device reliability test in Table 2 is a measurement of the rate of change of the current gain β before and after flowing a current of 100 kA / cm 2 .


表2に示すように、酸素δドーピング層の酸素濃度と厚さは、デバイス特性に次の影響があることが分かった。酸素濃度がl×1019cm−3未満、厚さがl0nm未満では、リーク電流が1×10−9A程度を超えてしまい、高抵抗バッファ層として十分に機能しない。また、酸素濃度がl×1021cm−3以上で、厚さがl00nmより大きくなると、リーク電流が1×10−9Aを大きく超えると共に、酸素δドーピング層の上に成長したエピタキシャル層の結晶性が悪化し、デバイスを作製したときの信頼性が低下することが分かった。

As shown in Table 2, it was found that the oxygen concentration and thickness of the oxygen δ doping layer had the following influence on the device characteristics. When the oxygen concentration is less than 1 × 10 19 cm −3 and the thickness is less than 10 nm, the leakage current exceeds about 1 × 10 −9 A and does not function sufficiently as a high resistance buffer layer. Further, when the oxygen concentration is 1 × 10 21 cm −3 or more and the thickness is greater than 100 nm, the leakage current exceeds 1 × 10 −9 A, and the crystal of the epitaxial layer grown on the oxygen δ doping layer It has been found that the reliability deteriorates when the device is manufactured.

本発明の第1の実施形態のHEMTを示す縦断面図である。1 is a longitudinal sectional view showing a HEMT according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態のHEMTを示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows HEMT of the 2nd Embodiment of this invention. III−V族化合物半導体装置を作製するためのMOVPE装置を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the MOVPE apparatus for producing a III-V group compound semiconductor device. 実施例のHEMTにおけるソース―ドレイン電流とゲート電圧の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the source-drain current and gate voltage in HEMT of an Example. 従来のHEMTを示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the conventional HEMT.

符号の説明Explanation of symbols

1、2 HEMT
11 基板
12 無添加バッファ層
12a 酸素δドーピング層
13 チャネル層
14 スペーサ層
15 キャリア供給層
16 ショットキー層
17 コンタクト層
20 MOVPE装置
21 反応炉
22 サセプタ
23 ヒータ
24 制御軸
25 石英ノズル
26 排気部
27 基板
31 TMGガス発生装置
32 TMAガス発生装置
33 AsHガス発生装置
34 TMIガス発生装置
35 Siガス発生装置
36 Oガス発生装置
101 ゲート電極
102 ソース電極
103 ドレイン電極
1, 2 HEMT
11 substrate 12 additive-free buffer layer 12a oxygen δ doping layer 13 channel layer 14 spacer layer 15 carrier supply layer 16 Schottky layer 17 contact layer 20 MOVPE apparatus 21 reactor 22 susceptor 23 heater 24 control shaft 25 quartz nozzle 26 exhaust part 27 substrate 31 TMG gas generator 32 TMA gas generator 33 AsH 3 gas generator 34 TMI gas generator 35 Si 2 H 6 gas generator 36 O 2 gas generator 101 Gate electrode 102 Source electrode 103 Drain electrode

Claims (5)

単結晶基板とチャネル層との間に無添加バッファ層を含むIII−V族化合物半導体装置
において、
前記単結晶基板と前記無添加バッファ層の界面に、前記無添加バッファ層の前記単結晶基板側の界面に、又は前記無添加バッファ層中に、酸素δドーピング層が形成されていることを特徴とするIII−V族化合物半導体装置。
In a III-V compound semiconductor device including an undoped buffer layer between a single crystal substrate and a channel layer,
An oxygen δ doping layer is formed at an interface between the single crystal substrate and the additive-free buffer layer, at an interface of the additive-free buffer layer on the single-crystal substrate side, or in the additive-free buffer layer. III-V group compound semiconductor device.
前記無添加バッファ層が、GaAs層又はA1GaAs層であることを特徴とする請求項1記載のIII−V族化合物半導体装置。   2. The III-V compound semiconductor device according to claim 1, wherein the additive-free buffer layer is a GaAs layer or an A1 GaAs layer. 前記酸素δドーピング層は、1×1019cm−3〜1×1021cm−3の範囲の酸素濃度であり、且つl0nm〜100nmの範囲の厚さを有することを特徴とする請求項1又は2記載のIII−V族化合物半導体装置。 The oxygen δ-doping layer has an oxygen concentration in the range of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 21 cm −3 and a thickness in the range of 10 nm to 100 nm. 3. The III-V compound semiconductor device according to 2. 単結晶基板上に無添加バッファ層とチャネル層とを含むエピタキシャル層を成長するIII−V族化合物半導体装置の製造方法において、
前記単結晶基板と前記無添加バッファ層の界面に、前記無添加バッファ層の前記単結晶基板側の界面に、又は前記無添加バッファ層中に、酸素δドーピング層を形成する工程を含むことを特徴とするIII−V族化合物半導体装置の製造方法。
In a method for manufacturing a group III-V compound semiconductor device in which an epitaxial layer including an additive-free buffer layer and a channel layer is grown on a single crystal substrate,
Forming an oxygen δ-doping layer at the interface between the single crystal substrate and the additive-free buffer layer, at the interface between the additive-free buffer layer and the single-crystal substrate, or in the additive-free buffer layer. A method for producing a III-V compound semiconductor device.
前記酸素δドーピング層は、酸素ガスを供給することによって形成されることを特徴とする請求項4記載のIII−V族化合物半導体装置の製造方法。   5. The method of manufacturing a group III-V compound semiconductor device according to claim 4, wherein the oxygen [delta] doping layer is formed by supplying oxygen gas.
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