JP2008218480A - Compound semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超高速動作集積回路やミリ波帯MMIC(monolithic microwave integrated circuits)に用いて好適なInGaAsチャネル層をもつ高電子移動度トランジスタ(high electron mobility transistor:HEMT)に関する。 The present invention relates to a high electron mobility transistor (HEMT) having an InGaAs channel layer suitable for use in an ultrahigh-speed operation integrated circuit and a millimeter-wave band MMIC (monolithic integrated circuit).
一般に、HEMTは、高周波特性及び高速動作性が良好な素子として、高周波デバイス・高速デバイスとして用いられている。中でも、InGaAs(In組成>0.53)をチャネル層として有する、所謂、InP系HEMTは遮断周波数500GHz以上の高速特性が得られる超高速デバイスとして、超高速動作集積回路やミリ波帯MMICへの応用が期待されている。 In general, HEMTs are used as high-frequency devices and high-speed devices as elements having good high-frequency characteristics and high-speed operability. Among them, the so-called InP-based HEMT having InGaAs (In composition> 0.53) as a channel layer is an ultra-high-speed device capable of obtaining a high-speed characteristic with a cutoff frequency of 500 GHz or more. Application is expected.
図3は通常のInP系HEMTの構造を表す要部切断側面図であり(例えば、非特許文献1を参照。)、半絶縁性InP基板1上にアンドープInAlAsバッファ層2、アンドープInGaAsチャネル層3、アンドープInAlAsスペーサ層4、n型InAlAs電子供給層5、アンドープInAlAsバリア層6、InPストッパ層7、n型InGaAsキャップ層8が順に積層されたシングルドープ構造になっていて、InPストッパ層7にはゲート電極9が、また、n型InGaAsキャップ層8にソース電極10及びドレイン電極11がそれぞれコンタクトしている。尚、n型InAlAs電子供給層5は∂ドープ層に代替されることもある。
FIG. 3 is a cutaway side view of the main part showing the structure of a normal InP-based HEMT (see, for example, Non-Patent Document 1). An undoped InAlAs buffer layer 2 and an undoped InGaAs channel layer 3 are formed on a semi-insulating InP substrate 1. The undoped InAlAs spacer layer 4, the n-type InAlAs electron supply layer 5, the undoped InAlAs barrier layer 6, the InP stopper layer 7, and the n-type
上記説明したInP系HEMTに於いては、n型InGaAsキャップ層8が高濃度にドーピングされているため、ソース電極10及びドレイン電極11は合金化(アロイ)を行うことなく、ノンアロイであっても、n型InGaAsキャップ層8とのオーミック接触を得ることができる。
In the InP-based HEMT described above, since the n-type
ところで、このInP系HEMTは、高速動作を実現するために採用しているInGaAsチャネル層3内で衝突イオン化が起きやすいため、例えば2V以上の高ドレイン電圧印加時の信頼性が低く、従って、高電圧が加わらないような回路設計が求められるなど、設計マージンが小さいという問題点の存在が報告されている(例えば、非特許文献2を参照。)。 By the way, this InP-based HEMT is susceptible to collision ionization in the InGaAs channel layer 3 employed for realizing high-speed operation, and therefore has low reliability when a high drain voltage of, for example, 2 V or higher is applied. It has been reported that there is a problem that the design margin is small, for example, a circuit design in which no voltage is applied is required (see, for example, Non-Patent Document 2).
上記報告では、図3に見られるInP系HEMTに於ける信頼度を改善するには、ダブルドープ構造にすると有効である旨が記述されている。 The above report describes that a double-doped structure is effective in improving the reliability in the InP-based HEMT shown in FIG.
図4は信頼度を改善したInP系HEMTの構造を表す要部切断側面図であり、図3に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。 FIG. 4 is a cutaway side view of the main part showing the structure of an InP-based HEMT with improved reliability. The parts indicated by the same symbols as those used in FIG. 3 represent the same or equivalent parts. .
図4に見られる信頼度を改善したInP系HEMTでは、InGaAsチャネル層3を上下からInAlAsスペーサ層4A及び4B、n型InAlAs電子供給層5A及び5B、アンドープInAlAsバリア層6A及び6Bからなる積層体で挟んだダブルドープ構造が有効であるとしている。 In the InP-based HEMT with improved reliability shown in FIG. 4, the InGaAs channel layer 3 is a stacked body composed of InAlAs spacer layers 4 A and 4 B, n-type InAlAs electron supply layers 5 A and 5 B, and undoped InAlAs barrier layers 6 A and 6 B from above and below. It is said that the double dope structure sandwiched between is effective.
然しながら、図4に見られる構造では、表面側の電子供給層5Bが薄い為、通常のInP系HEMTで用いているようなキャップ層8上からノンアロイでオーミック・コンタクトをとる電極構造を採った場合には、接触抵抗が高く、InP系HEMT本来の高速性能が実現されていない。実際、シングルドープ構造で相互コンダクタンス(gm )が873mS/mmであるのに対し、ダブルドープ構造の相互コンダクタンス(gm )は729mS/mmと低い。
However, in the structure shown in FIG. 4, since the surface-side electron supply layer 5B is thin, an electrode structure in which ohmic contact is made non-alloyed from the
ダブルドープ構造であってもアロイオーミックを用いて、コンタクトを取る手段もあるが、Inを多く含む半導体に対するアロイオーミックでは、電極表面が荒れるため、電極端面(側面)に凹凸が生じ、微細化を進める障害となる。 Although there is a means of making contact using alloy ohmic even in a double-doped structure, in alloy ohmic for a semiconductor containing a large amount of In, the electrode surface is rough, resulting in unevenness on the electrode end face (side face), and miniaturization. It becomes an obstacle to advance.
また、逆HEMT構造にした場合、前記ダブルドープ構造と同様、電界集中緩和効果があるので信頼性は向上する。然しながら、オーミック接触抵抗が高いこともダブルドープ構造と同様である。 Further, when the inverse HEMT structure is used, the reliability is improved because there is an electric field concentration relaxation effect as in the case of the double dope structure. However, the high ohmic contact resistance is similar to the double-doped structure.
要するに、InP系HEMTに関する従来の技術では、高速性、高信頼性、微細化の3つを同時に実現することはできなかった。
本発明では、高信頼性を実現可能なダブルドープ構造InP系HEMT若しくは逆HEMT構造InP系HEMTに於いて、微細化が可能であるノンアロイオーミック電極構造にした場合であっても接触抵抗を低減させ、InP系HEMT本来の高速性能を実現できるようにする。 In the present invention, the contact resistance is reduced even in the case of a non-alloy ohmic electrode structure that can be miniaturized in a double-doped InP-based HEMT or an inverse HEMT-structured InP-based HEMT capable of realizing high reliability. The high speed performance inherent to the InP-based HEMT can be realized.
本発明に依る化合物半導体装置に於いては、基板上に形成されたInGaAsからなるチャネル層と、前記基板と前記チャネル層との間に形成され前記チャネル層と比較してエネルギーバンドギャップが広く、且つ、n型にドーピングされた電子供給層と、前記チャネル層とゲート電極の間に形成され前記チャネル層と比較してエネルギーバンドギャップが広い半導体層と、前記チャネル層に合金化されることなく直接接触して形成されたソース電極及びドレイン電極とを備えてなることが基本になっている。 In the compound semiconductor device according to the present invention, the channel layer made of InGaAs formed on the substrate and the energy band gap formed between the substrate and the channel layer are wider than the channel layer. An n-type doped electron supply layer, a semiconductor layer formed between the channel layer and the gate electrode and having a wider energy band gap than the channel layer, and without being alloyed with the channel layer It is basically provided with a source electrode and a drain electrode formed in direct contact.
前記手段を採ることに依り、ダブルドープ構造InP系HEMT、若しくは、逆HEMT構造InP系HEMTに於いて、チャネル層に直接接触するノンアロイオーミック電極を形成することで、高速性、高信頼性、微細化の3要件を同時に実現することが可能となった。 By adopting the above means, in the double doped structure InP-based HEMT or the reverse HEMT structure InP-based HEMT, by forming a non-alloy ohmic electrode that is in direct contact with the channel layer, high speed, high reliability, It has become possible to simultaneously realize the three requirements for miniaturization.
本発明では、図4について説明した従来のダブルドープ構造InP系HEMTに於けるオーミック電極構造並びに逆HEMT構造InP系HEMTに於けるオーミック電極構造を改善する。 The present invention improves the ohmic electrode structure in the conventional double-doped InP-based HEMT described with reference to FIG. 4 and the ohmic electrode structure in the inverse HEMT-structured InP-based HEMT.
ノンアロイオーミックで接触抵抗が高くなるのは、InPストッパ層7とInAlAsバリア層6Bの間のバンド不連続に原因がある。従って、InGaAsチャネル層3に直接接触させるようにソース電極やドレイン電極などのオーミック電極を形成すると良い。 The non-alloy ohmic contact resistance is increased due to the band discontinuity between the InP stopper layer 7 and the InAlAs barrier layer 6B. Therefore, an ohmic electrode such as a source electrode or a drain electrode is preferably formed so as to be in direct contact with the InGaAs channel layer 3.
同様に、逆HEMT構造においても、InGaAsチャネル層に直接接触するオーミック電極を形成すれば良い。 Similarly, in the inverted HEMT structure, an ohmic electrode that is in direct contact with the InGaAs channel layer may be formed.
図1は本発明を実施したダブルドープ構造InP系HEMTを表す要部切断側面図であり、図3及び図4に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。尚、図に於いて、12はソース電極、13はドレイン電極をそれぞれ示している。 FIG. 1 is a cutaway side view of an essential part showing a double-doped InP-based HEMT embodying the present invention. The parts indicated by the same symbols as those used in FIGS. 3 and 4 are the same or effective parts. It shall represent. In the figure, reference numeral 12 denotes a source electrode, and 13 denotes a drain electrode.
このダブルドープ構造InP系HEMTを作製する場合、ソース電極12及びドレイン電極13の形成予定領域に於けるInGaAsキャップ層8、InPストッパ層7、InAlAsバリア層6B、n型InAlAs電子供給層5B、InAlAsスペーサ層4Bを除去して開口を形成し、該開口の底に表出されたInGaAsチャネル層3上にソース電極12及びドレイン電極13を形成する。
When this double-doped InP-based HEMT is manufactured, the InGaAs
図2は本発明を実施した逆HEMT構造InP系HEMTを表す要部切断側面図であり、図1に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。 FIG. 2 is a cutaway side view of a principal part showing an inverse HEMT structure InP-based HEMT embodying the present invention, and the parts indicated by the same symbols as those used in FIG. 1 represent the same or equivalent parts. To do.
この逆HEMT構造InP系HEMTを作製する場合も、前記説明したダブルドープ構造InP系HEMTを作製する場合と同じであり、ソース電極12及びドレイン電極13の形成予定部分に於けるInGaAsキャップ層8、InPストッパ層7、InAlAsバリア層6Bを除去して開口を形成し、該開口の底に表出されたInGaAsチャネル層3上にソース電極12及びドレイン電極13を形成する。
The case of manufacturing the inverse HEMT structure InP-based HEMT is the same as the case of manufacturing the double-doped structure InP-based HEMT described above, and the
ソース電極12及びドレイン電極13を形成する場合、アロイ化熱処理は行わず、本発明の特徴の一つであるノンアロイオーミック電極とするが、ノンアロイであっても、InGaAsチャネル層3に於けるIn組成は0.53であるから、アロイ化熱処理なしでも充分に接触抵抗が小さいオーミック接触を得ることができる。 When the source electrode 12 and the drain electrode 13 are formed, the alloying heat treatment is not performed and a non-alloy ohmic electrode, which is one of the features of the present invention, is used. Since the composition is 0.53, ohmic contact with sufficiently low contact resistance can be obtained even without alloying heat treatment.
図1について説明したダブルドープ構造InP系HEMTを作製する場合について説明する。 A case where the double-doped InP-based HEMT described with reference to FIG. 1 is manufactured will be described.
(1)
MOVPE(metalorganic vapor phase epitaxy)法を用いることに依り、半絶縁性InP基板1上にアンドープInAlAsバッファ層2(In組成 0 .52、膜厚300nm)、アンドープInAlAsバリア層6A(In組成 0 .52、膜厚5nm)、SiドープInAlAs電子供給層5A(In組成 0 .52、膜厚3nm、ドーピング濃度5×1018cm-3)、アンドープInAlAsスペーサ層4A(In組成 0 .52、膜厚3nm)、アンドープInGaAsチャネル層3(In組成 0 .53、膜厚15nm)、アンドープInAlAsスペーサ層4B(In組成 0 .52、膜厚3nm)、SiドープInAlAs電子供給層5B(In組成 0 .52、膜厚7nm、ドーピング濃度5×1018cm-3)、アンドープInAlAsバリア層6B(In組成 0 .52、膜厚5nm)、アンドープInPストッパ層7(膜厚5nm)、SiドープInGaAsキャップ層8(In組成 0 .53、膜厚50nm、ドーピング濃度1×1019cm-3)を成長する。尚、SiドープInAlAs電子供給層5A、5BはSi−∂ドープ層を用いても良い。
(1)
By using a MOVPE (metalorganic vapor phase epitaxy) method, an undoped InAlAs buffer layer 2 (In composition 0.52; film thickness 300 nm), an undoped InAlAs barrier layer 6A (In composition 0.52) on a semi-insulating InP substrate 1. , Film thickness 5 nm), Si-doped InAlAs electron supply layer 5A (In composition 0.52, film thickness 3 nm, doping concentration 5 × 10 18 cm −3 ), undoped InAlAs spacer layer 4A (In composition 0.52; film thickness 3 nm) ), Undoped InGaAs channel layer 3 (In composition 0.53, film thickness 15 nm), undoped InAlAs spacer layer 4B (In composition 0.52; film thickness 3 nm), Si-doped InAlAs electron supply layer 5B (In composition 0.52), thickness 7 nm, the doping concentration of 5 × 10 18 cm -3), Ndopu InAlAs barrier layer 6B (an In composition 0.52, thickness 5 nm), an undoped InP stopper layer 7 (thickness 5 nm), Si-doped InGaAs cap layer 8 (an In composition 0.53, thickness 50 nm, the doping concentration of 1 × 10 19 cm −3 ). Si-doped InAlAs electron supply layers 5A and 5B may be Si-sodium doped layers.
(2)
次に、リソグラフィ技術およびウェットエッチング技術を用いることに依り、素子作製予定部分以外を表面からバッファ層2に達するまでエッチングして素子分離を行う。本発明に於いて、InGaAs及びInAlAsのエッチングには、例えば燐酸系のエッチャントを、また、InPのエッチングには、例えば塩酸系のエッチャントを用いる。
(2)
Next, by using a lithography technique and a wet etching technique, elements other than the element production scheduled portion are etched from the surface until reaching the buffer layer 2 to perform element separation. In the present invention, for example, a phosphoric acid-based etchant is used for etching InGaAs and InAlAs, and a hydrochloric acid-based etchant is used for etching InP.
(3)
次に、リソグラフィ技術およびウェットエッチング技術を用いることにより、ソース電極12およびドレイン電極13の形成予定領域に於いて表面からチャネル層3に達するまでエッチングを行った後、蒸着技術及びリフトオフ技術を用いることに依り、Mo/Ti/Pt/Auからなるソース電極12およびドレイン電極13を形成する。勿論、電極形成後のアロイ化熱処理は行わない。
(3)
Next, using the lithography technique and the wet etching technique, etching is performed from the surface until reaching the channel layer 3 in the region where the source electrode 12 and the drain electrode 13 are to be formed, and then the deposition technique and the lift-off technique are used. Accordingly, the source electrode 12 and the drain electrode 13 made of Mo / Ti / Pt / Au are formed. Of course, the alloying heat treatment after electrode formation is not performed.
(4)
次に、リソグラフィ技術およびウェットエッチング技術を用いることに依り、ゲートリセス領域形成予定部分のInGaAsキャップ層8を除去した後、リソグラフィ技術、蒸着技術、リフトオフ技術を用いることに依り、ゲート電極9を形成する。ここで、代表的なゲート長は 0 .1μmである。尚、完成したHEMTの相互コンダクタンス(gm )は890mS/mmであり、シングルドープ構造のHEMTと同様の特性が得られた。
(4)
Next, the gate electrode 9 is formed by using the lithography technique, the vapor deposition technique, and the lift-off technique after removing the
図2について説明した逆HEMT構造InP系HEMTを作製する場合について説明する。 A case where the inverted HEMT structure InP-based HEMT described with reference to FIG. 2 is manufactured will be described.
(1)
MOVPE法を用いることに依り、半絶縁性InP基板1上にアンドープInAlAsバッファ層2(In組成 0 .52、膜厚300nm)、アンドープInAlAsバリア層6A(In組成 0 .52、膜厚5nm)、SiドープInAlAs電子供給層5(In組成 0 .52、膜厚10nm、ドーピング濃度5×1018cm-3)、アンドープInAlAsスペーサ層4(In組成 0 .52、膜厚3nm)、アンドープInGaAsチャネル層3(In組成 0 .53、膜厚15nm)、アンドープInAlAsバリア層6B(In組成 0 .52、膜厚20nm)、アンドープInPストッパ層7(膜厚5nm)、SiドープInGaAsキャップ層8(In組成 0 .53、膜厚50nm、ドーピング濃度1×1019cm-3)を成長する。尚、SiドープInAlAs電子供給層5はSi−∂ドープ層を用いても良い。
(1)
By using the MOVPE method, an undoped InAlAs buffer layer 2 (In composition 0.52 and film thickness 300 nm), an undoped InAlAs barrier layer 6A (In composition 0.52 and film thickness 5 nm) on the semi-insulating InP substrate 1; Si-doped InAlAs electron supply layer 5 (In composition 0.52, film thickness 10 nm, doping concentration 5 × 10 18 cm −3 ), undoped InAlAs spacer layer 4 (In composition 0.52; film thickness 3 nm), undoped InGaAs channel layer 3 (In composition 0.53, film thickness 15 nm), undoped InAlAs barrier layer 6B (In composition 0.52, film thickness 20 nm), undoped InP stopper layer 7 (film thickness 5 nm), Si-doped InGaAs cap layer 8 (In composition) 0.53, film thickness 50 nm, doping concentration 1 × 10 19 cm −3 ). The Si-doped InAlAs electron supply layer 5 may be a Si-sodium doped layer.
(2)
この後、実施例1と同様のプロセスを経て、素子分離を行い、ソース電極12及びドレイン電極13を形成し、ゲートリセスを形成し、ゲート電極9を形成して逆HEMT構造InP系HEMTを完成させる。尚、完成したHEMTの相互コンダクタンス(gm )は880mS/mmであり、シングルドープ構造のHEMTと同様の特性が得られた。
(2)
Thereafter, through the same process as in Example 1, element isolation is performed, the source electrode 12 and the drain electrode 13 are formed, the gate recess is formed, and the gate electrode 9 is formed to complete the inverted HEMT structure InP-based HEMT. . The completed HEMT had a mutual conductance (g m ) of 880 mS / mm, and the same characteristics as those of a single-doped HEMT were obtained.
下記の表は、前出の各化合物半導体装置について、高速特性を比較して示したものであり、本発明に依る化合物半導体装置が従来の技術に依る化合物半導体装置と比べると優れていることが看取できよう。
上記説明した例では、InP基板を用いてデバイスを作製したのであるが、他に基板としては、SiやGaAsを用いることもできる。また、ドーパントとしては、上記Si以外にSなど他のn型ドーパントを用いることができる。 In the example described above, a device is manufactured using an InP substrate, but Si or GaAs can also be used as the substrate. In addition to the Si, other n-type dopants such as S can be used as the dopant.
1 InP基板
2 アンドープInAlAsバッファ層
3 アンドープInGaAsチャネル層
4、4A、4B アンドープInAlAsスペーサ層
5、5A、5B n型InAlAs電子供給層
6、6A、6B アンドープInAlAsバリア層
7 アンドープInPストッパ層
8 n型InGaAsキャップ層
9 ゲート電極
10 ソース電極(従来例)
11 ドレイン電極(従来例)
12 ソース電極(本発明)
13 ドレイン電極(本発明)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 InP substrate 2 Undoped InAlAs buffer layer 3 Undoped InGaAs channel layer 4, 4A, 4B Undoped InAlAs spacer layer 5, 5A, 5B n-type InAlAs electron supply layer 6, 6A, 6B Undoped InAlAs barrier layer 7 Undoped InP stopper layer 8 n-type InGaAs cap layer 9 Gate electrode 10 Source electrode (conventional example)
11 Drain electrode (conventional example)
12 Source electrode (present invention)
13 Drain electrode (present invention)
Claims (4)
前記基板と前記チャネル層との間に形成され前記チャネル層と比較してエネルギーバンドギャップが広く、且つ、n型にドーピングされた電子供給層と、
前記チャネル層とゲート電極の間に形成され前記チャネル層と比較してエネルギーバンドギャップが広い半導体層と、
前記チャネル層に合金化されることなく直接接触して形成されたソース電極及びドレイン電極と
を備えてなることを特徴とする化合物半導体装置。 A channel layer made of InGaAs formed on a substrate;
An electron supply layer formed between the substrate and the channel layer, having an energy band gap wider than that of the channel layer and doped in an n-type;
A semiconductor layer formed between the channel layer and the gate electrode and having a wider energy band gap than the channel layer;
A compound semiconductor device comprising a source electrode and a drain electrode formed in direct contact with the channel layer without being alloyed.
前記チャネル層とゲート電極の間に形成され前記チャネル層に比較してエネルギーバンドギャップが広く、且つ、n型にドーピングされた第二の電子供給層と
を備えてなることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体装置。 A first electron supply layer formed between the substrate and the channel layer, having a wider energy band gap than the channel layer and doped in an n-type;
2. A second electron supply layer which is formed between the channel layer and the gate electrode and has a wider energy band gap than the channel layer and is doped n-type. 2. The compound semiconductor device according to 1.
を備えてなることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体装置。 2. The compound according to claim 1, comprising a single electron supply layer formed between the substrate and the channel layer and having an energy band gap wider than that of the channel layer and doped in an n-type. Semiconductor device.
を特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1記載の化合物半導体装置。 4. The compound semiconductor device according to claim 1, wherein the electron supply layer is made of InAlAs.
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Citations (2)
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JPH05218096A (en) * | 1992-02-03 | 1993-08-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | High electron mobility transistor |
JPH07312421A (en) * | 1994-05-17 | 1995-11-28 | Nec Corp | Field effect transistor and its manufacture |
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- 2007-02-28 JP JP2007049804A patent/JP2008218480A/en active Pending
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