JP2011096722A - Compound semiconductor epitaxial wafer, method of manufacturing the same, and hemt element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化合物半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法、並びにHEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)素子に関するものである。 The present invention relates to a compound semiconductor epitaxial wafer, a manufacturing method thereof, and a HEMT (High Electron Mobility Transistor) element.
GaAs(ガリウム砒素)やInGaAs(インジウムガリウム砒素)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。この特長を活かして、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。代表例としてHEMT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。 Compound semiconductors such as GaAs (gallium arsenide) and InGaAs (indium gallium arsenide) 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. A typical example is HEMT, which is used in a microwave amplifier for transmitting a mobile phone and a high-frequency amplifier for a receiving antenna for satellite broadcasting.
HEMTの種類としては、電子走行層(チャネル層)に使用する材料によって、GaAs系や、InGaAs系のものが知られている。また、電子供給層(キャリア供給層)の材料からみると、GaAs、AlGaAs、InGaPを用いたものがある。さらに、電子供給層の総数に注目すると、電子供給層がチャネル層上に一層のシングルへテロタイプと、チャネル層の上下にそれぞれ電子供給層を有したダブルへテロタイプに分けられる。 As types of HEMTs, GaAs type and InGaAs type are known depending on the material used for the electron transit layer (channel layer). Further, from the viewpoint of the material of the electron supply layer (carrier supply layer), there are materials using GaAs, AlGaAs, or InGaP. Further, paying attention to the total number of electron supply layers, the electron supply layer can be divided into a single heterotype having a single layer on the channel layer and a double heterotype having electron supply layers above and below the channel layer.
従来、電子供給層にAlGaAs、電子走行層(チャネル層)にInGaAsを用いた例があるが(例えば、特許文献1、特許文献2を参照)、このInGaAs系HEMTの作製に用いられるHEMT用化合物半導体エピタキシャルウェハの構造を次に述べる。
Conventionally, there is an example in which AlGaAs is used for the electron supply layer and InGaAs is used for the electron transit layer (channel layer) (see, for example,
このHEMT用化合物半導体エピタキシャルウェハは、半絶縁性のGaAs基板上に結晶成長させた以下の各層より構成されている。すなわち、GaAs基板側から順に、un−GaAsからなる下部バッファ層と、Al組成が0.20以上0.50以下のun−AlGaAsからなる上部バッファ層と、Al組成が0.28以上0.33以下のn+−AlGaAsからなる下部電子供給層と、un−InGaAsからなる電子走行層と、Al組成が0.28以上0.33以下のn+−AlGaAsからなる上部電子供給層と、un−AlGaAsからなるショットキー層と、n+−GaAsからなるオーミックコンタクト層とを有する。ここで「un−」はアンドープを表し、「n+−」はn型であってキャリア濃度が高いことを表す(以下、同様)。 This compound semiconductor epitaxial wafer for HEMT is composed of the following layers grown on a semi-insulating GaAs substrate. That is, in order from the GaAs substrate side, a lower buffer layer made of un-GaAs, an upper buffer layer made of un-AlGaAs having an Al composition of 0.20 or more and 0.50 or less, and an Al composition of 0.28 or more and 0.33. A lower electron supply layer made of n + -AlGaAs; an electron transit layer made of un-InGaAs; an upper electron supply layer made of n + -AlGaAs having an Al composition of 0.28 to 0.33; It has a Schottky layer made of AlGaAs and an ohmic contact layer made of n + -GaAs. Here, “un−” represents undoped, and “n + −” represents n-type and high carrier concentration (hereinafter the same).
しかし、上記従来のHEMT用化合物半導体エピタキシャルウェハの外周部より得られたHEMT素子では、リーク電流の急激な増加がみられ、耐圧の低下が生じていた。 However, in the HEMT device obtained from the outer peripheral portion of the conventional compound semiconductor epitaxial wafer for HEMT, a rapid increase in leak current was observed, resulting in a decrease in breakdown voltage.
本発明の目的は、化合物半導体エピタキシャルウェハ外周部より得られたHEMT素子であっても、リーク電流の急激な増加がなく、良好な耐圧を持つHEMT素子を作製可能な化合物半導体エピタキシャルウェハ及びその製造方法、並びにHEMT素子を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a compound semiconductor epitaxial wafer capable of producing a HEMT device having a good breakdown voltage without causing a rapid increase in leakage current, even for a HEMT device obtained from the outer periphery of a compound semiconductor epitaxial wafer. It is to provide a method and a HEMT device.
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成したものである。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
本発明の第1の態様は、基板上に、バッファ層と、下部電子供給層と、電子走行層と、上部電子供給層と、を有する化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記バッファ層はAlGaAsからなり、前記下部電子供給層及び前記上部電子供給層はAlGaAsからなり、前記下部電子供給層及び前記上部電子供給層のAl組成が0.20以上0.27以下であり、かつ前記バッファ層のAl組成が前記下部電子供給層のAl組成より小さい化合物半導体エピタキシャルウェハである。 According to a first aspect of the present invention, in a compound semiconductor epitaxial wafer having a buffer layer, a lower electron supply layer, an electron transit layer, and an upper electron supply layer on a substrate, the buffer layer is made of AlGaAs, The lower electron supply layer and the upper electron supply layer are made of AlGaAs, the Al composition of the lower electron supply layer and the upper electron supply layer is 0.20 or more and 0.27 or less, and the Al composition of the buffer layer is The compound semiconductor epitaxial wafer is smaller than the Al composition of the lower electron supply layer.
本発明の第2の態様は、第1の態様の化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記下部電子供給層の層厚が3nm以上6nm以下であり、かつ前記上部電子供給層の層厚が10nm以上15nm以下である化合物半導体エピタキシャルウェハである。 According to a second aspect of the present invention, in the compound semiconductor epitaxial wafer according to the first aspect, the lower electron supply layer has a thickness of 3 nm to 6 nm, and the upper electron supply layer has a thickness of 10 nm to 15 nm. This is a compound semiconductor epitaxial wafer.
本発明の第3の態様は、第1の態様又は第2の態様の化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記バッファ層のキャリア濃度が1.0×1016cm−3以下のp型層で
あり、かつ層厚が50nm以上300nm以下である化合物半導体エピタキシャルウェハである。
According to a third aspect of the present invention, in the compound semiconductor epitaxial wafer according to the first aspect or the second aspect, the buffer layer has a carrier concentration of 1.0 × 10 16 cm −3 or less, and It is a compound semiconductor epitaxial wafer having a layer thickness of 50 nm or more and 300 nm or less.
本発明の第4の態様は、第1〜3の態様のいずれかに記載の化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記バッファ層のAl組成が前記下部電子供給層及び前記上部電子供給層のAl組成より小さい化合物半導体エピタキシャルウェハである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the compound semiconductor epitaxial wafer according to any one of the first to third aspects, an Al composition of the buffer layer is smaller than an Al composition of the lower electron supply layer and the upper electron supply layer. It is a compound semiconductor epitaxial wafer.
本発明の第5の態様は、第1〜第4の態様のいずれかに記載の化合物半導体エピタキシャルウェハを作製する化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法において、前記化合物半導体エピタキシャルウェハの作製にはMOVPE法を用い、前記基板の成長面を下向きに配置し、前記各層に対応して、必要とするV族原料ガス、III族原料ガス、希釈用ガ
ス、ドーパント原料ガスを供給して、前記各層をエピタキシャル成長させる化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法である。
According to a fifth aspect of the present invention, in the method for producing a compound semiconductor epitaxial wafer for producing the compound semiconductor epitaxial wafer according to any one of the first to fourth aspects, the MOVPE method is used for producing the compound semiconductor epitaxial wafer. In use, the growth surface of the substrate is disposed downward, and the V-group source gas, the III-group source gas, the dilution gas, and the dopant source gas are supplied corresponding to the layers, and the layers are epitaxially grown. It is a manufacturing method of a compound semiconductor epitaxial wafer.
本発明の第6の態様は、第1〜第4の態様のいずれかの化合物半導体エピタキシャルウェハに、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、を有するHEMT素子である。 A sixth aspect of the present invention is a HEMT device having a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode on the compound semiconductor epitaxial wafer according to any one of the first to fourth aspects.
本発明によれば、化合物半導体エピタキシャルウェハ外周部より得られたHEMT素子であっても、リーク電流の急激な増加がなく、良好な耐圧を持つHEMT素子が得られる。 According to the present invention, even a HEMT device obtained from the outer periphery of a compound semiconductor epitaxial wafer can be obtained as a HEMT device having a good breakdown voltage without a sharp increase in leakage current.
上述したように、従来のHEMT用化合物半導体エピタキシャルウェハでは、エピタキシャルウェハ外周部から得られたHEMT素子には、リーク電流の急激な増加がみられ、耐圧の低下が生じていた。
本発明者は、鋭意研究した結果、ウェハ外周部でリーク電流が急激に増加する原因は、上部及び下部電子供給層のキャリア濃度がエピタキシャルウェハ外周部で増加するためであることを突き止め、このエピタキシャルウェハ外周部における電子供給層のキャリア濃度の増加を抑えるには、AlGaAs電子供給層のAl組成を従来の0.28〜0.33よりも下げることが有効であることを見出した。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。
As described above, in the conventional compound semiconductor epitaxial wafer for HEMT, the HEMT device obtained from the outer peripheral portion of the epitaxial wafer showed a rapid increase in leakage current and a decrease in breakdown voltage.
As a result of diligent research, the present inventor has found that the cause of the sudden increase in leakage current at the outer periphery of the wafer is that the carrier concentration of the upper and lower electron supply layers increases at the outer periphery of the epitaxial wafer. It has been found that it is effective to lower the Al composition of the AlGaAs electron supply layer from the conventional 0.28 to 0.33 in order to suppress the increase in the carrier concentration of the electron supply layer in the outer peripheral portion of the wafer. The present invention has been made based on this finding.
次に、電子供給層のAl組成を変えることによって、エピタキシャルウェハ面内の電子供給層のキャリア濃度分布がどのように変化するかを説明する。 Next, how the carrier concentration distribution of the electron supply layer in the epitaxial wafer changes by changing the Al composition of the electron supply layer will be described.
電子供給層のキャリア濃度を測定するために、図8に示すように、直径5インチのGaAs基板(ウェハ)1上にAlGaAs電子供給層を模した、目標とするキャリア濃度9.0×1017cm−3のn+−AlGaAs層11を厚さ1000nm成長させた。そ
して、n+−AlGaAs層11上にキャリア濃度測定用の電極12、13を形成した。電極13はn+−AlGaAs層11にショットキーコンタクトするショットキー電極13であり、電極12はn+−AlGaAs層11に擬オーミックコンタクトする擬オーミック電極12である。図9は図8の電極構造を平面図に表したもので、各素子形成領域に相当する中心部には円形状のショットキー電極13が設けられ、ショットキー電極13の外周には環状の擬オーミック電極12が設けられる。ショットキー電極13と擬オーミック電極12との間に印加電圧を加え、n+−AlGaAs層11の電流と位相差を測定することにより、キャリア濃度を測定した。
In order to measure the carrier concentration of the electron supply layer, as shown in FIG. 8, a target carrier concentration of 9.0 × 10 17 simulating an AlGaAs electron supply layer on a GaAs substrate (wafer) 1 having a diameter of 5 inches. A cm −3 n + -
従来の電子供給層のAl組成範囲(0.28〜0.33)にあるAl組成0.28のn+
−AlGaAs層11のときのキャリア濃度のウェハ面内分布図を図2に示す。また、本発明の電子供給層のAl組成範囲(0.20〜0.27)にあるAl組成0.225のn+
−AlGaAs層11のときのキャリア濃度のウェハ面内分布図を図3に示す。
N + of Al composition 0.28 in the Al composition range (0.28 to 0.33) of the conventional electron supply layer
FIG. 2 is a distribution diagram of the carrier concentration in the wafer plane when the
FIG. 3 is a distribution diagram of the carrier concentration in the wafer plane when the
図2に示すように、Al組成が0.28のn+−AlGaAs層11では、ウェハ中心
部から56mmまではほぼ均一なキャリア濃度を保っているが、56mmよりも外周ではキャリア濃度が急激に増加している。このときのウェハ面内のキャリア濃度のバラツキは3.09%であった。これに対し、図3に示すように、Al組成が0.225のn+−AlGaAs層11では、ウェハ外周部でのキャリア濃度の増加はあるものの、急激なキャリア濃度の増加はみられず、ウェハ面内のキャリア濃度のバラツキは1.11%に抑えられ
た。このように、Al組成を低下させることで、ウェハ外周部におけるドーピング量が抑えられ、キャリア濃度のウェハ面内のバラツキを低減できることが判った。キャリア濃度のバラツキが低減できるのは、Al組成を下げることによりエピタキシャル層内に取り込
まれる酸素量が抑えられるためと推測される。
As shown in FIG. 2, in the n + -
また、後の実施例で述べるように、AlGaAs電子供給層がAl組成0.28のHE
MT用化合物半導体エピタキシャルウェハと、Al組成0.225のHEMT用化合物半
導体エピタキシャルウェハとを作製し、これらエピタキシャルウェハを用いてHEMT素子を作製したところ、Al組成0.28の電子供給層のエピタキシャルウェハから得られ
たHEMT素子では、図6に示すようにウェハ外周部のHEMT素子にリーク電流の急激な増加がみられたが、Al組成0.225の電子供給層のエピタキシャルウェハから得ら
れたHEMT素子では、図7に示すようにウェハ外周部のHEMT素子におけるリーク電流の増加が抑えられている。
Further, as will be described later, the AlGaAs electron supply layer is made of HE having an Al composition of 0.28.
A compound semiconductor epitaxial wafer for MT and a compound semiconductor epitaxial wafer for HEMT having an Al composition of 0.225 were fabricated, and a HEMT device was fabricated using these epitaxial wafers. An epitaxial wafer having an electron supply layer of Al composition of 0.28 In the HEMT device obtained from FIG. 6, a sharp increase in leakage current was observed in the HEMT device on the outer periphery of the wafer as shown in FIG. 6, but the HEMT obtained from an epitaxial wafer with an electron supply layer having an Al composition of 0.225. In the device, as shown in FIG. 7, an increase in leakage current in the HEMT device on the outer periphery of the wafer is suppressed.
このように、エピタキシャルウェハ外周部の電子供給層のキャリア濃度の増加と、エピタキシャルウェハ外周部から取得されるHEMT素子のリーク電流の増加との間には強い相関があり、AlGaAs電子供給層のAl組成を従来よりも低下させることによって、エピタキシャルウェハ外周部の電子供給層のキャリア濃度の増加が抑えられ、その結果、エピタキシャルウェハ外周部から取得されるHEMT素子のリーク電流の増加を抑制できることが明らかとなった。 Thus, there is a strong correlation between the increase in the carrier concentration of the electron supply layer in the outer peripheral portion of the epitaxial wafer and the increase in the leakage current of the HEMT element obtained from the outer peripheral portion of the epitaxial wafer, and AlAl in the AlGaAs electron supply layer By reducing the composition as compared with the conventional one, it is clear that an increase in the carrier concentration of the electron supply layer in the outer peripheral portion of the epitaxial wafer can be suppressed, and as a result, an increase in the leakage current of the HEMT device obtained from the outer peripheral portion of the epitaxial wafer can be suppressed. It became.
次に、本発明の一実施形態に係る化合物半導体エピタキシャルウェハの構造を説明する。 Next, the structure of a compound semiconductor epitaxial wafer according to an embodiment of the present invention will be described.
図1に本実施形態に係る化合物半導体エピタキシャルウェハの断面構造を示す。図1に示すように、本実施形態のHEMT用化合物半導体エピタキシャルウェハ10は、半絶縁性のGaAs基板1上に、un−GaAsからなる下部バッファ層2と、Al組成が少なくとも下部電子供給層4のAl組成より小さいp−AlGaAsからなる上部バッファ層3と、Al組成が0.20以上0.27以下のn+−AlGaAsからなる下部電子供給層4と、un−InGaAsからなる電子走行層5と、Al組成が0.20以上0.27以下のn+−AlGaAsからなる上部電子供給層6と、un−AlGaAsからなるショットキー層7と、n+−GaAsからなるオーミックコンタクト層8とが順次形成されている。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure of a compound semiconductor epitaxial wafer according to this embodiment. As shown in FIG. 1, a HEMT compound
GaAs基板1は単結晶成長させるための下地であり、バッファ層2、3は、基板1表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きと、電子走行層5のリーク電流を抑える働きを持った層である。また、電子走行層5は自由電子が流れる層であり、高純度でなければならない。電子供給層4及び6は自由電子を発生し、電子走行層5へ電子を供給するための層である。ショットキー層7はショットキー接合を形成するための層で、オーミックコンタクト層8は電極を形成するための層である。
The
上記エピタキシャル積層構造において、下部及び上部電子供給層4、6のAl組成を0.20以上0.27以下(より好ましくは0.20以上0.23未満)に設定することにより、キャリア濃度のウェハ面内分布のバラツキを低減することができる。Al組成を0.2
0以上とするのは、本実施形態に係る構造においては、Al組成を0.20よりも低くすると電子移動度の低下を招くためである。
In the above epitaxial laminated structure, by setting the Al composition of the lower and upper
The reason why it is 0 or more is that in the structure according to this embodiment, if the Al composition is lower than 0.20, the electron mobility is lowered.
下部電子供給層4の層厚は3nm以上6nm以下、上部電子供給層6の層厚は10nm以上15nm以下とする。下部電子供給層4の層厚が厚いと、下部電子供給層4がリークパス(リーク電流の経路)となって、リーク電流の増大に繋がる。そこで、下部電子供給層4の層厚を3nm以上6nm以下に抑えつつ、所望の電子供給量を確保するため、上部電子供給層6を厚く、例えば10nm以上15nm以下に形成する。
The layer thickness of the lower
また上部バッファ層3は、キャリア濃度が1.0×1016cm−3以下のp型層であ
り、かつ層厚が50nm以上300nm以下である。上部バッファ層3をキャリア濃度1.0×1016cm−3以下のp型層で層厚50nm以上300nm以下とすることで、
上部バッファ層3を空乏化でき、上部バッファ層3へのリーク電流を抑制できる。また、上部バッファ層3のAl組成を少なくとも下部電子供給層4のAl組成より小さくすることで、酸素の取り込みを抑制する効果が得られる。このとき、上部バッファ層3のAl組成を、下部及び上部電子供給層4、6の双方のAl組成より小さくしてもよい。
The
The
次に、上記各エピタキシャル層の成長方法の一実施形態として、有機金属気相成長(MOVPE:Metalorganic Vapor Phase Epitaxy)装置による成長方法について説明する。 Next, a growth method using a metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) apparatus will be described as an embodiment of the growth method of each epitaxial layer.
図11に、MOVPE装置の反応炉20の構造を示す。この反応炉20は、基板の結晶成長面が下向きに設置されるフェイスダウンタイプのものである。
反応炉20内には、円板状のサセプタ21が水平に設置され、サセプタ21の中心部には回転軸22が垂直に取り付けられている。回転軸22の回転により、サセプタ21はその中心軸回りに回転駆動される。円板状のサセプタ21の下方には、サセプタ21に対向させて円板状の対向板(石英板)26が配置されており、サセプタ21と対向板26との間に円柱状のガス流路23が形成されている。円板状のサセプタ21には、複数のGaAs基板(ウェハ)1が、サセプタ21の中心から少し離れた位置にサセプタ21の周方向に沿って等間隔に配設され、且つ基板1表面の成長面を下向きにしてガス流路23に臨ませて設けられている。各GaAs基板1は図示省略の基板ホルダ内に収納保持され、各基板ホルダはサセプタ21に回転可能に設けられている。回転軸22の回転によってサセプタ21が回転すると、サセプタ21上のGaAs基板1(及び基板ホルダ)は、サセプタ21の回転に伴って回転(公転)すると共に、歯車機構などによって自転するように構成されている。GaAs基板1の裏面側のサセプタ21上方には、基板加熱用ヒータ24が配置され、このヒータ24により基板1が加熱される。対向板26の中央部には、ガス流路23に原料ガス25を供給する導入配管27が接続されている。
FIG. 11 shows the structure of the
A disc-shaped
原料ガス25は、導入配管27からサセプタ21中心部の下方側より導入された後、サセプタ21中心部から放射状に水平方向外側に、基板1の成長面に沿ってガス流路23を流れ、反応炉20の側壁部から排気される。原料ガス25の基板1への供給により、ヒータ24によって加熱された基板1上で原料ガス25が熱分解し、基板1上に半導体結晶がエピタキシャル成長する。
After the
原料ガス25としては、成長する各ピタキシャル層に対応する、必要なIII族原料ガス
、V族原料ガス、希釈用ガス及びドーパント原料ガスが供給され、基板1上にピタキシャル層が順次積層され、上記実施形態の化合物半導体エピタキシャルウェハ10が作製される。
III族原料ガスには、トリメチルガリウム(TMGa:Ga(CH3)3)、トリエチル
ガリウム(TEGa:Ga(C2H6)3)、トリメチルアルミニウム(TMAl:Al(
CH3)3)、トリエチルアルミニウム(TEAl:Al(CH3CH2)3)、トリメチルインジウム(TMIn:In(CH3)3)、トリエチルインジウム(TEIn:In(CH3CH2)3)等を用い、V族原料ガスには、アルシン(AsH3)、ホスフィン(PH3)等を用いる。また、n型ドーパント原料にはジシラン(Si2H6)、モノシラン(SiH4)、ジエチルテルル(Te(C2H5)2)等を用い、p型ドーパント原料にはビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)、ジエチルジンク(Zn(C2H5)2)、四臭化炭素(CBr4)等を使用する。希釈用ガスには、H2(水素)、N2(窒素)又はAr(アルゴン)などを用いる。
As the
Group III source gases include trimethylgallium (TMGa: Ga (CH 3 ) 3 ), triethylgallium (TEGa: Ga (C 2 H 6 ) 3 ), trimethylaluminum (TMAl: Al (
CH 3) 3), triethyl aluminum (TEAl: Al (CH 3 CH 2) 3), trimethyl indium (TMIn: In (CH 3) 3), triethyl indium (TEIn: In (CH 3 CH 2) 3) or the like As the V group source gas, arsine (AsH 3 ), phosphine (PH 3 ) or the like is used. In addition, disilane (Si 2 H 6 ), monosilane (SiH 4 ), diethyl tellurium (Te (C 2 H 5 ) 2 ) or the like is used as the n-type dopant material, and biscyclopentadienyl magnesium is used as the p-type dopant material. (Cp 2 Mg), diethyl zinc (Zn (C 2 H 5 ) 2 ), carbon tetrabromide (CBr 4 ) or the like is used. As the dilution gas, H 2 (hydrogen), N 2 (nitrogen), Ar (argon), or the like is used.
次に、上述の化合物半導体エピタキシャルウェハ10を用いたHEMT素子について、後に実施例で示す図10を引用して説明する。
Next, a HEMT device using the above-described compound
図10に示すように、化合物半導体エピタキシャルウェハ10にプロセスを施し、電極を形成してHEMT素子17を作製する。すなわち、オーミックコンタクト層8の一部を選択エッチングにより除去して、ショットキー層7の一部を露出し、露出したショットキー層7の上にゲート電極14を形成する。また、ゲート電極14を挟むように、オーミックコンタクト層8上にソース電極16とドレイン電極15を形成する。
As shown in FIG. 10, the compound
本実施形態の化合物半導体エピタキシャルウェハ10は、上部及び下部電子供給層4、6のウェハ外周部におけるキャリア濃度分布の増加が抑えられ、ウェハ面内におけるキャリア濃度の均一性が向上しているため、ウェハ外周部より得られたHEMT素子であっても、リーク電流の急激な増加がなく、良好な耐圧を持つHEMT素子が得られる。また、ウェハ面内におけるキャリア濃度のバラツキを低減することにより、ピンチオフ電圧の均一性が保たれる。
In the compound
なお、上記実施形態では、図11に示すようなフェイスダウンタイプの自公転型のMOVPE装置による成長方法について説明したが、基板の成長面を上向きにしてエピタキシャル成長を行うフェイスアップタイプのMOVPE装置を使用したり、反応炉の一端側から他端側に原料ガスを水平に流す横型成長炉を用いたMOVPE装置を使用したりしてもよい。或いは、他の成長方法、例えば分子線エピタキシー法(MBE:Molecular Beam Epitaxy)等を用いてもよい。 In the above embodiment, the growth method using the face-down type self-revolving MOVPE apparatus as shown in FIG. 11 has been described. However, a face-up type MOVPE apparatus that performs epitaxial growth with the growth surface of the substrate facing upward is used. Alternatively, an MOVPE apparatus using a horizontal growth furnace in which a source gas is allowed to flow horizontally from one end side to the other end side of the reaction furnace may be used. Alternatively, other growth methods such as molecular beam epitaxy (MBE) may be used.
また、上記実施形態の化合物半導体エピタキシャルウェハのエピタキシャル層の積層構造において、エピタキシャル層の構成、各エピタキシャル層の材質、層厚等は適宜に変更可能である。例えば、上部バッファ層のAl組成は下部電子供給層のAl組成以上としたり、バッファ層を上部及び下部バッファ層の二層構造ではなく単層としたり、電子供給層を一層のみのシングルへテロタイプとすることも可能である。さらに電子走行層として、InGaAs層に代えてGaAs層を用いてもよい。また、上部電子供給層の層厚を、下部電子供給層の層厚より薄くすることも可能である。 Moreover, in the laminated structure of the epitaxial layer of the compound semiconductor epitaxial wafer of the said embodiment, the structure of an epitaxial layer, the material of each epitaxial layer, layer thickness, etc. can be changed suitably. For example, the Al composition of the upper buffer layer is higher than the Al composition of the lower electron supply layer, the buffer layer is a single layer instead of the two-layer structure of the upper and lower buffer layers, or the electron supply layer is a single hetero type It is also possible. Further, as the electron transit layer, a GaAs layer may be used instead of the InGaAs layer. It is also possible to make the upper electron supply layer thinner than the lower electron supply layer.
上記実施形態ではHEMTについて述べたが、HBT(ヘテロ接合バイポーラトランジスタ)においても、Al組成を低減してキャリア濃度のウェハ面内分布のバラツキを抑える手法は有効である。加えて、Al組成を低減してキャリア濃度のウェハ面内分布のバラツキを抑える手法は、FETやHEMTなどの電子デバイスだけでなく、それらを中心とした半導体集積回路に応用でき、さらにまた発光・受光素子などにも利用できる。 Although the HEMT has been described in the above embodiment, a technique of reducing the Al composition and suppressing the distribution of the carrier concentration in the wafer surface is also effective in an HBT (heterojunction bipolar transistor). In addition, the method of reducing the Al composition and suppressing the variation in the wafer surface distribution of the carrier concentration can be applied not only to electronic devices such as FETs and HEMTs, but also to semiconductor integrated circuits centering on them, It can also be used for light receiving elements.
以下に、本発明の具体的な実施例を説明する。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described.
図1に示す上記実施形態と同じ構成でGaAs基板上にエピタキシャル層を積層してHEMT用化合物半導体エピタキシャルウェハを作製した。すなわち、半絶縁性のGaAs基板1上に、un−GaAs下部バッファ層2と、p−AlGaAs上部バッファ層3と、n+−AlGaAs下部電子供給層4と、un−InGaAs電子走行層5と、n+−AlGaAs上部電子供給層6と、un−AlGaAsショットキー層7と、n+−GaAsオーミックコンタクト層8とを順次積層して形成した。
A compound semiconductor epitaxial wafer for HEMT was manufactured by laminating an epitaxial layer on a GaAs substrate with the same configuration as the above embodiment shown in FIG. That is, on the
表1に比較例の化合物半導体エピタキシャルウェハの層構造を示し、表2に本発明の実施例の化合物半導体エピタキシャルウェハの層構造を示す。 Table 1 shows the layer structure of the compound semiconductor epitaxial wafer of the comparative example, and Table 2 shows the layer structure of the compound semiconductor epitaxial wafer of the example of the present invention.
表1、表2に示すように、AlGaAs下部及び上部電子供給層4、6のAl組成を、比較例では0.28、実施例では0.225とした。その他の構造は比較例、実施例とも同一である。例えば、AlGaAs下部電子供給層4の層厚は、比較例、実施例とも5nmであり、AlGaAs上部電子供給層6の層厚は、比較例、実施例とも13nmである。また、AlGaAs上部バッファ層3は比較例、実施例とも、キャリア濃度が1.0×1
016cm−3のp型層であり、Al組成は0.20、層厚200nmとした。また、I
nGaAs電子走行層5のIn組成は、0.20とした。
As shown in Tables 1 and 2, the Al composition of the AlGaAs lower and upper
The p-type layer was 0 16 cm −3 , the Al composition was 0.20, and the layer thickness was 200 nm. I
The In composition of the nGaAs
なお、本発明の化合物エピタキシャルウェハ10の各エピタキシャル層は、図11に示す構造のフェイスダウンタイプのMOVPE装置により成長させた。
成長条件としては、成長時の基板温度は655℃、反応炉20内圧力は約666Pa(50Torr)、希釈用ガスは水素である。III族有機金属原料ガスとしてはTMGa、
TMAl、TMInを用い、V族原料ガスとしてはAsH3を用いた。また、n型ドーパント原料としてSi2H6を使用し、p型ドーパント原料としてCBr4を使用した。
Each epitaxial layer of the
As growth conditions, the substrate temperature during growth is 655 ° C., the pressure in the
TMAl and TMIn were used, and AsH 3 was used as the group V source gas. Further, Si 2 H 6 was used as an n-type dopant material, and CBr 4 was used as a p-type dopant material.
以上のように作製された化合物半導体エピタキシャルウェハに電極を設ける等のプロセスを施してHEMT素子を作製する。 The HEMT device is manufactured by performing a process such as providing an electrode on the compound semiconductor epitaxial wafer manufactured as described above.
ここでは、比較例及び実施例の化合物半導体エピタキシャルウェハを用いたHEMT構造のリーク電流を測定すべく、上記比較例、実施例の化合物半導体エピタキシャルウェハを使用して、図10に示す簡易構造のHEMT素子17を作製した。
図10に示すように、オーミックコンタクト層8上にソース電極16とドレイン電極15を形成し、露出したショットキー層7の部分にゲート電極14を形成した。そして、HEMT素子17のゲート電極14に、ゲート電圧と閾値電圧が等しくなるよう逆バイアスをかけ、ドレイン−ソース電圧を0〜4Vまで印加して、ドレイン−ソース間に流れるリーク電流Iを測定した。ウェハ中心から20mm、56mm、及び60mmの位置におけるHEMT素子のリーク電流のプロファイルを、図4、図5に示す。図4は比較例の化合物半導体エピタキシャルウェハを用いたHEMT素子のプロファイルであり、図5は実施例の化合物半導体エピタキシャルウェハを用いたHEMT素子のプロファイルである。
Here, in order to measure the leakage current of the HEMT structure using the compound semiconductor epitaxial wafer of the comparative example and the example, the HEMT having a simple structure shown in FIG. 10 is used by using the compound semiconductor epitaxial wafer of the comparative example and the example.
As shown in FIG. 10, the
Al組成0.28の比較例では、図4に示すように、ウェハ中心部から56mm以上の
外周部においてリーク電流が急激に増加し、耐圧が低下している。それに対し、Al組成0.225を用いた実施例では、図5に示すように、ウェハ外周部での急激なリーク電流
の増加はみられず、ウェハ面内に亘って耐圧特性がほぼ安定している。このように、化合物半導体エピタキシャルウェハ外周部におけるキャリア濃度の均一性が改善されたことで、ウェハ面内全域で耐圧特性を均一化できた。
In the comparative example having an Al composition of 0.28, as shown in FIG. 4, the leakage current suddenly increases and the breakdown voltage decreases at the outer peripheral portion of 56 mm or more from the wafer center. On the other hand, in the example using Al composition 0.225, as shown in FIG. 5, there is no sudden increase in leakage current at the outer periphery of the wafer, and the breakdown voltage characteristic is almost stable over the wafer surface. ing. As described above, the uniformity of the carrier concentration in the outer peripheral portion of the compound semiconductor epitaxial wafer was improved, so that the breakdown voltage characteristics could be made uniform throughout the entire wafer surface.
また、3.5Vの印加電圧を加えた際のウェハ外周部のHEMT素子のリーク電流値を
測定した。図6は比較例のウェハ外周部におけるHEMT素子のリーク電流値をプロットしたものであり、図7は実施例のウェハ外周部におけるHEMT素子の電流値をプロットしたものである。
以上の結果をまとめたものを、表3に示す。
In addition, the leakage current value of the HEMT device on the outer periphery of the wafer when an applied voltage of 3.5 V was applied was measured. FIG. 6 is a plot of the leakage current value of the HEMT element at the outer periphery of the wafer of the comparative example, and FIG. 7 is a plot of the current value of the HEMT element at the outer periphery of the wafer of the example.
Table 3 summarizes the above results.
図6、図7より、実施例では、ウェハ外周部においてもリーク電流が抑制されていることがわかる。これにより、ウェハ面内で得られるデバイスの電気特性にもバラツキがなくなり、HEMT素子製造のおける歩留まりを向上させることができる。
また、表3より、上記実施形態で述べたように、AlGaAs電子供給層のAl組成を従来よりも低減したため、AlGaAs電子供給層のキャリア濃度のウェハ面内均一性を、従来に比べ約2%改善することができた。その結果、ウェハの中心部と最外周のHEMT素子の3.5V印加時におけるリーク電流の差を、実施例では比較例の約17%までに
大幅に低減できた。
6 and 7, it can be seen that in the example, the leakage current is also suppressed at the wafer outer periphery. Thereby, there is no variation in the electrical characteristics of the device obtained in the wafer surface, and the yield in the manufacture of the HEMT element can be improved.
Further, from Table 3, as described in the above embodiment, since the Al composition of the AlGaAs electron supply layer is reduced as compared with the conventional case, the carrier in-plane uniformity of the carrier concentration of the AlGaAs electron supply layer is about 2% as compared with the conventional case. It was possible to improve. As a result, the difference in leakage current between the central portion of the wafer and the outermost HEMT element when 3.5 V was applied could be significantly reduced to about 17% of the comparative example in the example.
1 GaAs基板
2 下部バッファ層
3 上部バッファ層
4 下部電子供給層
5 電子走行層
6 上部電子供給層
7 ショットキー層
8 オーミックコンタクト層
10 化合物半導体エピタキシャルウェハ
11 n+−AlGaAs層
12 擬オーミック電極
13 ショットキー電極
14 ゲート電極
15 ドレイン電極
16 ソース電極
17 HEMT素子
20 反応炉
21 サセプタ
22 回転軸
23 ガス流路
24 ヒータ
25 原料ガス
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記バッファ層はAlGaAsからなり、
前記下部電子供給層及び前記上部電子供給層はAlGaAsからなり、
前記下部電子供給層及び前記上部電子供給層のAl組成が0.20以上0.27以下であり、かつ
前記バッファ層のAl組成が前記下部電子供給層のAl組成より小さいことを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハ。 In a compound semiconductor epitaxial wafer having a buffer layer, a lower electron supply layer, an electron transit layer, and an upper electron supply layer on a substrate,
The buffer layer is made of AlGaAs,
The lower electron supply layer and the upper electron supply layer are made of AlGaAs,
The Al composition of the lower electron supply layer and the upper electron supply layer is 0.20 or more and 0.27 or less, and the Al composition of the buffer layer is smaller than the Al composition of the lower electron supply layer Semiconductor epitaxial wafer.
以上300nm以下であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハ。 3. The compound semiconductor epitaxial wafer according to claim 1, wherein the buffer layer is a p-type layer having a carrier concentration of 1.0 × 10 16 cm −3 or less and a layer thickness of 50 nm.
A compound semiconductor epitaxial wafer characterized by having a thickness of 300 nm or less.
前記バッファ層のAl組成が前記下部電子供給層及び前記上部電子供給層のAl組成より小さいことを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハ。 In the compound semiconductor epitaxial wafer according to any one of claims 1 to 3,
A compound semiconductor epitaxial wafer, wherein an Al composition of the buffer layer is smaller than an Al composition of the lower electron supply layer and the upper electron supply layer.
前記化合物半導体エピタキシャルウェハの作製にはMOVPE法を用い、前記基板の成長面を下向きに配置し、前記各層に対応して、必要とするV族原料ガス、III族原料ガス
、希釈用ガス、ドーパント原料ガスを供給して、前記各層をエピタキシャル成長させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハの製造方法。 In the manufacturing method of the compound semiconductor epitaxial wafer which produces the compound semiconductor epitaxial wafer in any one of Claims 1-4,
The compound semiconductor epitaxial wafer is manufactured by using the MOVPE method, the growth surface of the substrate is disposed downward, and the required group V source gas, group III source gas, dilution gas, dopant are provided corresponding to the respective layers. A method for producing a compound semiconductor epitaxial wafer, wherein a source gas is supplied to epitaxially grow each of the layers.
ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極と、を有することを特徴とするHEMT素子。 In the compound semiconductor epitaxial wafer according to any one of claims 1 to 4,
A HEMT element comprising a source electrode, a drain electrode, and a gate electrode.
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