JP2015233089A - Epitaxial wafer for compound semiconductor element and compound semiconductor element - Google Patents

Epitaxial wafer for compound semiconductor element and compound semiconductor element Download PDF

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an epitaxial wafer for a compound semiconductor element and a compound semiconductor element, which can make electron mobility of a high electron mobility transistor part comparable with at least a stand-alone high electron mobility transistor.SOLUTION: In an epitaxial wafer 100 for a compound semiconductor element in which a high electron mobility transistor structure 300 and a hetero bipolar transistor structure 400 are layered on a substrate 200, the high electron mobility transistor structure 300 has a sub-collector layer 401 having a concentration of an n-type impurity of not less than 1.0×10cmand not more than 3.0×10cm.

Description

本発明は、基板上に高電子移動度トランジスタ(HEMT;High Electron Mobility Transistor)構造とヘテロバイポーラトランジスタ(HBT;Heterojunction Bipolar Transistor)構造とを積層してなる化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ及び化合物半導体素子に関する。   The present invention relates to an epitaxial wafer for a compound semiconductor device, and a compound semiconductor device, in which a high electron mobility transistor (HEMT) structure and a hetero bipolar transistor (HBT) structure are stacked on a substrate. .

ヘテロバイポーラトランジスタは、低歪で超高速動作が可能であり、主に携帯電話や無線ローカルエリアネットワーク(LAN;Local Area Network)等の送信部におけるパワーアンプ(PA;Power Amplifier)として使用されている。   Hetero bipolar transistors are capable of ultra-high speed operation with low distortion, and are mainly used as power amplifiers (PAs) in transmitters such as mobile phones and wireless local area networks (LANs). .

このヘテロバイポーラトランジスタと高電子移動度トランジスタとを併せ持つものがBiHEMT(又はBiFET)であり(例えば、特許文献1を参照)、これにより、ヘテロバイポーラトランジスタからなるパワーアンプの周辺回路の一部を集積化してワンチップ化することが可能となり、モジュールの小型化や伝送経路の短縮化(伝送損失の低減)を実現することができることから、モジュール特性の向上等の優位性を確保することが可能となる。   BiHEMT (or BiFET) is a combination of this heterobipolar transistor and a high electron mobility transistor (see, for example, Patent Document 1), whereby a part of a peripheral circuit of a power amplifier composed of a heterobipolar transistor is integrated. It is possible to reduce the size of the module and shorten the transmission path (reduction of transmission loss), so that it is possible to secure advantages such as improved module characteristics. Become.

BiHEMTは、基本的には、化合物半導体からなる基板上に高電子移動度トランジスタ構造を形成し、高電子移動度トランジスタ構造上にヘテロバイポーラトランジスタ構造を形成した多層構造となっている。   The BiHEMT basically has a multilayer structure in which a high electron mobility transistor structure is formed on a substrate made of a compound semiconductor, and a heterobipolar transistor structure is formed on the high electron mobility transistor structure.

高電子移動度トランジスタ構造をヘテロバイポーラトランジスタ構造よりも下層側、即ち基板側に形成する理由は、高電子移動度トランジスタには、高性能な高抵抗バッファ層が必須であり、これを実現するためには、高電子移動度トランジスタ構造をヘテロバイポーラトランジスタ構造よりも基板側に形成する方が有利だからである。   The reason why the high electron mobility transistor structure is formed on the lower layer side, that is, the substrate side than the heterobipolar transistor structure is that the high electron mobility transistor requires a high-performance high-resistance buffer layer. This is because it is more advantageous to form the high electron mobility transistor structure on the substrate side than the heterobipolar transistor structure.

なお、ヘテロバイポーラトランジスタ構造を高電子移動度トランジスタ構造よりも下層側に形成する場合も少なからず存在するが、この場合、高電子移動度トランジスタに必須となる高抵抗バッファ層を相当に厚くエピタキシャル成長させる必要があるため、前者の構造と比較して価格面で不利になる。   In many cases, the heterobipolar transistor structure is formed on the lower layer side than the high electron mobility transistor structure. In this case, however, the high resistance buffer layer essential for the high electron mobility transistor is epitaxially grown to a considerable thickness. Because it is necessary, it is disadvantageous in price compared with the former structure.

BiHEMT中の高電子移動度トランジスタ構造やヘテロバイポーラトランジスタ構造の構造や材質は、基本的には、従来から存在する高電子移動度トランジスタやヘテロバイポーラトランジスタの単体品と同一であり、単にこれらの単体品が積層されているに過ぎない。   The structure and material of the high electron mobility transistor structure and the heterobipolar transistor structure in BiHEMT are basically the same as the conventional single unit of the high electron mobility transistor and the heterobipolar transistor. The product is only laminated.

高電子移動度トランジスタ構造とヘテロバイポーラトランジスタ構造とを分離するために、専ら選択エッチングし易いInGaPや、これよりもやや選択性に劣るが容易にエピタキシャル成長させることができるAlAsからなる分離層が使用されている。   In order to separate the high electron mobility transistor structure from the heterobipolar transistor structure, an isolation layer made of InGaP that is easy to selectively etch, or AlAs that is slightly inferior in selectivity but can be easily epitaxially grown is used. ing.

同一の基板上に積層された高電子移動度トランジスタ構造とヘテロバイポーラトランジスタ構造は、高電子移動度トランジスタ部やヘテロバイポーラトランジスタ部として同一の場所で同時に使用することができず、配線パターンや電極部等を除くと、何れか一方のみが使用されるような排他的な使い方をされることになる。   High electron mobility transistor structure and heterobipolar transistor structure stacked on the same substrate cannot be used at the same place as high electron mobility transistor part or heterobipolar transistor part at the same time. Excluding etc., it will be used exclusively so that only one of them is used.

高電子移動度トランジスタ構造は、少なくとも、電流リークを防止すると共に歪を緩衝するためのバッファ層と、電子を供給するための第1の電子供給層と、電子が走行するためのチャネル層と、電子を供給するための第2の電子供給層と、ショットキー電極と接触すると共に耐圧を確保するためのショットキー層と、n型キャリアが高濃度に添加(ドーピング)されると共に電極となる金属との接触抵抗を小さくするためのコンタクト層と、を基板上に順に積層してなる。   The high electron mobility transistor structure includes at least a buffer layer for preventing current leakage and buffering strain, a first electron supply layer for supplying electrons, a channel layer for traveling electrons, A second electron supply layer for supplying electrons, a Schottky layer for making contact with the Schottky electrode and ensuring a withstand voltage, and a metal that is added (doped) with n-type carriers in a high concentration and becomes an electrode And a contact layer for reducing the contact resistance with the substrate are sequentially laminated on the substrate.

そして、コンタクト層上に高電子移動度トランジスタ構造とヘテロバイポーラトランジスタ構造とを分離すると共にInGaPやAlAsからなる分離層が形成されている。   On the contact layer, a high electron mobility transistor structure and a heterobipolar transistor structure are separated, and an isolation layer made of InGaP or AlAs is formed.

また、ヘテロバイポーラトランジスタ構造は、少なくとも、外部に電流を取り出すためのサブコレクタ層と、電子を集めるためのコレクタ層と、電子の流れを制御するためのベース層と、電子を放射するためのエミッタ層と、外部から電流を注入するためのエミッタコンタクト層と、を分離層上に順に積層してなる。   Further, the heterobipolar transistor structure includes at least a subcollector layer for extracting current to the outside, a collector layer for collecting electrons, a base layer for controlling the flow of electrons, and an emitter for emitting electrons. A layer and an emitter contact layer for injecting current from the outside are sequentially stacked on the separation layer.

これらの薄膜多層構造は、有機金属気相成長(MOVPE;Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、又はMOCVD;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法や分子線成長(MBE;Molecular Beam Epitaxy)法等の方法により形成することができる。   These thin film multilayer structures should be formed by methods such as metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE) or metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) or molecular beam epitaxy (MBE). Can do.

有機金属気相成長法は、固体又は液体の有機金属原料をガス化して供給し、昇温させた基板上で熱分解乃至化学反応させることにより、基板上に薄膜結晶をエピタキシャル成長させる方法であり、分子線成長法は、超真空中で薄膜結晶の構成元素のそれぞれを別々のルツボから蒸発させて分子線の形で昇温させた基板上に供給し、その上に薄膜結晶をエピタキシャル成長させる方法である。   The metalorganic vapor phase epitaxy method is a method of epitaxially growing a thin film crystal on a substrate by gasifying and supplying a solid or liquid organometallic raw material and performing thermal decomposition or chemical reaction on the substrate that has been heated. The molecular beam growth method is a method in which each constituent element of a thin film crystal is evaporated from a separate crucible in an ultra vacuum and supplied onto a substrate heated in the form of a molecular beam, and a thin film crystal is epitaxially grown thereon. is there.

但し、分子線成長法は、超真空が要求されることから、蒸気圧の高い燐系のエピタキシャル成長が苦手であり、BiHEMTの場合、専ら有機金属気相成長法が採用されている。   However, since the molecular beam growth method requires ultra-vacuum, it is not good at phosphorus-based epitaxial growth with a high vapor pressure. In the case of BiHEMT, the metal organic vapor phase growth method is exclusively employed.

これらの方法により、基板上に薄膜多層構造がエピタキシャル成長されてなる化合物半導体素子用エピタキシャルウェハが完成し、その後のパターン形成、エッチング、電極(エミッタ電極、ベース電極、コレクタ電極、ソース電極、ゲート電極、及びドレイン電極)形成、保護膜形成、及びパッケージング等の加工工程を経てBiHEMTを使用した化合物半導体素子が完成する。   By these methods, an epitaxial wafer for a compound semiconductor device in which a thin film multilayer structure is epitaxially grown on a substrate is completed, and subsequent pattern formation, etching, electrodes (emitter electrode, base electrode, collector electrode, source electrode, gate electrode, And a drain electrode) formation, protective film formation, packaging, and other processing steps complete a compound semiconductor device using BiHEMT.

前述の通り、一般的なBiHEMTであれば、化合物半導体素子用エピタキシャルウェハの下半分が高電子移動度トランジスタ構造となり、上半分がヘテロバイポーラトランジスタ構造となるが、これらを高電子移動度トランジスタ部やヘテロバイポーラトランジスタ部として同一の場所に作製することはできないので排他的に使用されることになる。   As described above, in the case of a general BiHEMT, the lower half of the compound semiconductor device epitaxial wafer has a high electron mobility transistor structure and the upper half has a heterobipolar transistor structure. Since it cannot be produced in the same place as the heterobipolar transistor part, it is used exclusively.

また、これも一般的であるが、パワーアンプとなるヘテロバイポーラトランジスタ部の面積が大きく、バイアス回路等の周辺回路に使用される高電子移動度トランジスタ部の面積は小さい。   Moreover, although this is also common, the area of the heterobipolar transistor part which becomes a power amplifier is large, and the area of the high electron mobility transistor part used for peripheral circuits such as a bias circuit is small.

なお、絶縁領域が必要に応じて形成されるが、その方法としては、イオンを打ち込んで高抵抗化したり、エッチングによりトレンチを掘り込んだりする方法がある。   An insulating region is formed as necessary. As a method therefor, there are a method in which ions are implanted to increase the resistance, or a trench is dug by etching.

特開2009−081284号公報JP 2009-081284 A

前述の通り、BiHEMTは、従来の高電子移動度トランジスタやヘテロバイポーラトランジスタの単体品を組み合わせて作製したモジュールに対して、モジュールの小型化や伝送経路の短縮化による電気特性の向上が期待される。   As described above, BiHEMT is expected to improve electrical characteristics by reducing the size of the module and shortening the transmission path, compared to a module manufactured by combining conventional high electron mobility transistors and heterobipolar transistors. .

しかしながら、BiHEMTの高電子移動度トランジスタ部は、単体品の高電子移動度トランジスタよりも電子移動度が劣化(低下)する問題があり、例えば、バンドによりフィルタの切り替えが必要となるマルチバンド型のパワーアンプにおいて、出力先を切り替える高性能なパワースイッチとして使用することができず、専ら制御回路としての使用に限定されていた。   However, the high electron mobility transistor portion of BiHEMT has a problem that the electron mobility is deteriorated (decreased) as compared with a single high electron mobility transistor. For example, a multiband type in which a filter needs to be switched depending on a band. In a power amplifier, it cannot be used as a high-performance power switch for switching an output destination, and is limited to use as a control circuit exclusively.

そこで、本発明の目的は、高電子移動度トランジスタ部の電子移動度を少なくとも単体品の高電子移動度トランジスタと同程度とすることが可能な化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ及び化合物半導体素子を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an epitaxial wafer for a compound semiconductor device and a compound semiconductor device capable of making the electron mobility of a high electron mobility transistor portion at least comparable to that of a single high electron mobility transistor. There is.

この目的を達成するために創案された本発明は、基板上に高電子移動度トランジスタ構造とヘテロバイポーラトランジスタ構造とを積層してなる化合物半導体素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記高電子移動度トランジスタ構造は、n型不純物の濃度が1.0×1018cm-3以上3.0×1018cm-3以下であるサブコレクタ層を有している化合物半導体素子用エピタキシャルウェハである。 The present invention devised to achieve this object is an epitaxial wafer for a compound semiconductor device in which a high electron mobility transistor structure and a heterobipolar transistor structure are laminated on a substrate, wherein the high electron mobility transistor structure is , An epitaxial wafer for a compound semiconductor device having a subcollector layer having an n-type impurity concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 3.0 × 10 18 cm −3 or less.

前記n型不純物は、Si、S、又はGeの何れか一つであると良い。   The n-type impurity may be any one of Si, S, or Ge.

また、本発明は、前記化合物半導体素子用エピタキシャルウェハを使用して作製されている化合物半導体素子である。   Moreover, this invention is the compound semiconductor element produced using the said epitaxial wafer for compound semiconductor elements.

本発明によれば、高電子移動度トランジスタ部の電子移動度を少なくとも単体品の高電子移動度トランジスタと同程度とすることが可能な化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ及び化合物半導体素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an epitaxial wafer for a compound semiconductor device and a compound semiconductor device capable of making the electron mobility of the high electron mobility transistor portion at least as high as that of a single high electron mobility transistor. it can.

本発明に係る化合物半導体素子用エピタキシャルウェハの構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the epitaxial wafer for compound semiconductor elements which concerns on this invention. 本発明に係る化合物半導体素子の構造を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the compound semiconductor element which concerns on this invention. サブコレクタ層におけるn型不純物の濃度と高電子移動度トランジスタ部の電子移動度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the density | concentration of the n-type impurity in a subcollector layer, and the electron mobility of a high electron mobility transistor part.

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。   Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

図1に示すように、本発明の好適な実施の形態に係る化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ100は、基板200上に高電子移動度トランジスタ構造300とヘテロバイポーラトランジスタ構造400とを積層してなる。   As shown in FIG. 1, an epitaxial wafer 100 for a compound semiconductor device according to a preferred embodiment of the present invention is formed by laminating a high electron mobility transistor structure 300 and a heterobipolar transistor structure 400 on a substrate 200.

高電子移動度トランジスタ構造300は、半絶縁性GaAsからなる基板200上に形成されると共にアンドープ型GaAsからなる厚さが500nmのバッファ層301と、バッファ層301上に形成されると共にn型不純物としてSiを含むn型AlxGa1-xAs(x=0.3)からなる厚さが30nmの第1の電子供給層302と、第1の電子供給層302上に形成されると共にアンドープ型AlxGa1-xAs(x=0.3)からなる厚さが10nmの第1のスペーサ層303と、第1のスペーサ層303上に形成されると共にアンドープ型InxGa1-xAs(x=0.18)からなる厚さが15nmのチャネル層304と、チャネル層304上に形成されると共にアンドープ型AlxGa1-xAs(x=0.3)からなる厚さが10nmの第2のスペーサ層305と、第2のスペーサ層305上に形成されると共にn型不純物としてSiを含むn型AlxGa1-xAs(x=0.48)からなる厚さが30nmの第2の電子供給層306と、第2の電子供給層306上に形成されると共にアンドープ型AlxGa1-xAs(x=0.3)からなる厚さが30nmのショットキー層307と、ショットキー層307上に形成されると共にn型不純物としてSiを含むn型GaAsからなる厚さが600nmのコンタクト層308と、を有している。 The high electron mobility transistor structure 300 is formed on a substrate 200 made of semi-insulating GaAs and a buffer layer 301 made of undoped GaAs and having a thickness of 500 nm, and an n-type impurity formed on the buffer layer 301. A first electron supply layer 302 having a thickness of 30 nm and made of n-type Al x Ga 1-x As (x = 0.3) containing Si, and an undoped layer formed on the first electron supply layer 302 A first spacer layer 303 made of type Al x Ga 1-x As (x = 0.3) and having a thickness of 10 nm, and an undoped In x Ga 1-x formed on the first spacer layer 303 and as (x = 0.18) channel layer 304 a thickness of 15nm made of, undoped Al x Ga 1-x as ( x = 0.3) having a thickness of conjunction is formed on the channel layer 304 A second spacer layer 305 of 0 nm, the n-type Al x Ga 1-x As ( x = 0.48) having a thickness of containing Si as n-type impurity while being formed on the second spacer layer 305 A 30-nm second electron supply layer 306 and a Schottky layer formed on the second electron supply layer 306 and made of undoped Al x Ga 1-x As (x = 0.3) have a thickness of 30 nm And a contact layer 308 formed on the Schottky layer 307 and made of n-type GaAs containing Si as an n-type impurity and having a thickness of 600 nm.

高電子移動度トランジスタ構造300を構成する各層をエピタキシャル成長させる際には、基板200上にキャリアガスと共にIII族原料ガス、V族原料ガス、及びドーパント原料ガスを供給し、成長温度を580℃以上750℃以下、成長圧力を6666Pa、V/III比を10以上300以下とし、有機金属気相成長法により順にエピタキシャル成長させることが好ましい。   When the layers constituting the high electron mobility transistor structure 300 are epitaxially grown, a group III source gas, a group V source gas, and a dopant source gas are supplied onto the substrate 200 together with a carrier gas, and the growth temperature is set to 580 ° C. or higher and 750 ° C. It is preferable to perform epitaxial growth in order by metal organic vapor phase epitaxy, with a growth temperature of 6666 Pa or less, a V / III ratio of 10 or more and 300 or less.

ヘテロバイポーラトランジスタ構造400は、高電子移動度トランジスタ構造300上に形成されると共にアンドープ型InxGax-1P(x=0.48)からなる厚さが10nmの分離層500を挟み、分離層500上に形成されると共にn型不純物としてSiを含むn型GaAsからなる厚さが500nmのサブコレクタ層401と、サブコレクタ層401上に形成されると共にn型不純物としてSiを含むn型GaAsからなる厚さが700nmのコレクタ層402と、コレクタ層402上に形成されると共にp型不純物としてCを含むp型GaAsからなる厚さが120nmのベース層403と、ベース層403上に形成されると共にn型不純物としてSiを含むn型InxGax-1P(x=0.48)からなる厚さが40nmのエミッタ層404と、エミッタ層404上に形成されると共にn型不純物としてSiを含むn型GaAsからなる厚さが100nmのエミッタコンタクト層405と、エミッタコンタクト層405上に形成されると共にn型不純物としてSiを含むn型InxGax-1As(0<x<1)からなる厚さが100nmのノンアロイコンタクト層406と、を有している。 The heterobipolar transistor structure 400 is formed on the high electron mobility transistor structure 300 and sandwiches a separation layer 500 made of undoped In x Ga x-1 P (x = 0.48) and having a thickness of 10 nm. A sub-collector layer 401 having a thickness of 500 nm and made of n-type GaAs containing Si as an n-type impurity and an n-type impurity formed on the sub-collector layer 401 and containing Si as an n-type impurity. A collector layer 402 made of GaAs having a thickness of 700 nm, a base layer 403 having a thickness of 120 nm made of p-type GaAs containing C as a p-type impurity and formed on the collector layer 402, and formed on the base layer 403. And an n-type In x Ga x-1 P (x = 0.48) element containing Si as an n-type impurity and having a thickness of 40 nm The emitter contact layer 405 is formed on the emitter layer 404 and made of n-type GaAs containing Si as an n-type impurity and has a thickness of 100 nm. The emitter contact layer 405 is formed on the emitter contact layer 405 and is n-type. A non-alloy contact layer 406 having a thickness of 100 nm and made of n-type In x Ga x-1 As (0 <x <1) containing Si as an impurity.

分離層500は、その下層のコンタクト層308よりも低い温度でエピタキシャル成長させる必要があるため、コンタクト層308をエピタキシャル成長させた後に温度インターバルを設けて分離層500をエピタキシャル成長させることが好ましい。   Since the isolation layer 500 needs to be epitaxially grown at a temperature lower than that of the contact layer 308 below it, it is preferable to epitaxially grow the isolation layer 500 by providing a temperature interval after the contact layer 308 is epitaxially grown.

具体的には、コンタクト層308をエピタキシャル成長させた後にキャリアガスとアルシン(AsH3)を供給しながら降温させた後、V族原料ガスをアルシンからホスフィン(PH3)に切り替え、成長温度を550℃以下、成長圧力を6666Pa、V/III比を10以上300以下とし、有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させることが好ましい。 Specifically, after the contact layer 308 is epitaxially grown, the temperature is lowered while supplying a carrier gas and arsine (AsH 3 ), and then the group V source gas is switched from arsine to phosphine (PH 3 ), and the growth temperature is 550 ° C. Hereinafter, it is preferable that the growth pressure is 6666 Pa, the V / III ratio is 10 or more and 300 or less, and epitaxial growth is performed by metal organic vapor phase epitaxy.

ヘテロバイポーラトランジスタ構造400を構成する各層をエピタキシャル成長させる際には、キャリアガスとホスフィンを供給しながら昇温させた後、ホスフィンをアルシンに切り替え、高電子移動度トランジスタ構造300における電子移動度の低下を招かないように成長温度を高電子移動度トランジスタ構造300の成長温度よりも低い400℃以上580℃以下、成長圧力を6666Pa、V/III比を1以上75以下とし、有機金属気相成長法により順にエピタキシャル成長させることが好ましい。   When the layers constituting the heterobipolar transistor structure 400 are epitaxially grown, the temperature is raised while supplying a carrier gas and phosphine, and then the phosphine is switched to arsine to reduce the electron mobility in the high electron mobility transistor structure 300. In order not to invite, the growth temperature is 400 ° C. or higher and 580 ° C. or lower, which is lower than the growth temperature of the high electron mobility transistor structure 300, the growth pressure is 6666 Pa, the V / III ratio is 1 or higher and 75 or lower. It is preferable to perform epitaxial growth in order.

これらの成膜工程を経て得られた化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ100にいくつかの加工工程を施し、図2に示すように、エミッタ電極601、ベース電極602、コレクタ電極603、ソース電極604、ゲート電極605、及びドレイン電極606を形成することにより、高電子移動度トランジスタ部700とヘテロバイポーラトランジスタ部800とを有している化合物半導体素子600を作製することができる。   The compound semiconductor device epitaxial wafer 100 obtained through these film forming steps is subjected to several processing steps, and as shown in FIG. 2, an emitter electrode 601, a base electrode 602, a collector electrode 603, a source electrode 604, a gate By forming the electrode 605 and the drain electrode 606, the compound semiconductor element 600 including the high electron mobility transistor portion 700 and the heterobipolar transistor portion 800 can be manufactured.

なお、高電子移動度トランジスタ部700とヘテロバイポーラトランジスタ部800との間には、絶縁領域900が形成されている。   Note that an insulating region 900 is formed between the high electron mobility transistor portion 700 and the heterobipolar transistor portion 800.

さて、本実施の形態に係る化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ100では、高電子移動度トランジスタ構造300は、n型不純物の濃度が1.0×1018cm-3以上3.0×1018cm-3以下であるサブコレクタ層401を有している。 In the epitaxial wafer 100 for a compound semiconductor device according to the present embodiment, the high electron mobility transistor structure 300 has an n-type impurity concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 3.0 × 10 18 cm −. The subcollector layer 401 is 3 or less.

これにより、化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ100を使用して化合物半導体素子600を作製したときに、高電子移動度トランジスタ部700の電子移動度を少なくとも単体品の高電子移動度トランジスタと同程度とすることが可能となる。   Thereby, when the compound semiconductor element 600 is manufactured using the epitaxial wafer 100 for compound semiconductor elements, the electron mobility of the high electron mobility transistor portion 700 is at least comparable to that of a single high electron mobility transistor. It becomes possible.

これに対して、サブコレクタ層401におけるn型不純物の濃度を1.0×1018cm-3未満とすると、サブコレクタ層401におけるキャリア濃度の低下に伴う抵抗の増加により、ヘテロバイポーラトランジスタ部800のオン抵抗が上昇し、これが実用的な範囲を超えてしまう。また、サブコレクタ層401におけるn型不純物の濃度を3.0×1018cm-3超とすると、高電子移動度トランジスタ部700における電子移動度の低下が生じてしまう。 On the other hand, when the concentration of the n-type impurity in the subcollector layer 401 is less than 1.0 × 10 18 cm −3 , the heterobipolar transistor portion 800 is increased due to an increase in resistance accompanying a decrease in carrier concentration in the subcollector layer 401. This increases the on-resistance and exceeds the practical range. Further, if the concentration of the n-type impurity in the subcollector layer 401 is more than 3.0 × 10 18 cm −3 , the electron mobility in the high electron mobility transistor portion 700 is lowered.

つまり、サブコレクタ層401におけるn型不純物の濃度を1.0×1018cm-3以上3.0×1018cm-3以下とすることにより、従来と同じ性能であれば、特性向上分を化合物半導体素子600の小型化に充てられるため、スマートフォンなど、多機能であるが故に非常に多くのデバイスを収納しなければならない高機能な携帯端末において有利になる。 That is, by setting the concentration of the n-type impurity in the subcollector layer 401 to 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 3.0 × 10 18 cm −3 or less, if the performance is the same as the conventional one, the improvement in characteristics can be achieved. Since the compound semiconductor element 600 is used for downsizing, it is advantageous in a high-functional portable terminal such as a smart phone that has a large number of functions and therefore must accommodate a large number of devices.

これまで説明してきた実施の形態においては、サブコレクタ層のn型不純物がSiである例を説明したが、その他のIV族元素、即ちS又はGe等の何れか一つであっても構わない。   In the embodiments described so far, the example in which the n-type impurity of the subcollector layer is Si has been described. However, any other group IV element, that is, S or Ge may be used. .

これらのn型不純物は、3.0×1018cm-3以上の高濃度に添加することが困難であり、アンチサイトや格子間に入り込むようなオーバードープをしなければ、必然的に濃度が1.0×1018cm-3以上3.0×1018cm-3以下の範囲に収まり、先の効果を奏することができる。 These n-type impurities are difficult to be added at a high concentration of 3.0 × 10 18 cm −3 or more, and the concentration is inevitably necessary unless overdoping is performed so as to enter the antisite or the lattice. It is within the range of 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 3.0 × 10 18 cm −3 or less, and the above effect can be achieved.

これらに対して、SeやTe等のVI族元素は、温度に対して負のドーピング特性を持つため、低温でしか濃度を高くすることができず、他の層をエピタキシャル成長させる際の高温下で拡散が生じてしまうので実用的ではない。   On the other hand, group VI elements such as Se and Te have a negative doping characteristic with respect to temperature, so that the concentration can be increased only at a low temperature, and at a high temperature when other layers are epitaxially grown. Since diffusion occurs, it is not practical.

以下、本発明に係る数値限定の理由を説明する。   Hereinafter, the reason for the numerical limitation according to the present invention will be described.

先ず、有機金属気相成長法により、半絶縁性GaAsからなる基板上に、アンドープ型GaAsからなる厚さが500nmのバッファ層と、n型不純物としてSiを含むn型AlxGa1-xAs(x=0.3)からなる厚さが30nmの第1の電子供給層と、アンドープ型AlxGa1-xAs(x=0.3)からなる厚さが10nmの第1のスペーサ層と、アンドープ型InxGa1-xAs(x=0.18)からなる厚さが15nmのチャネル層と、アンドープ型AlxGa1-xAs(x=0.3)からなる厚さが10nmの第2のスペーサ層と、n型不純物としてSiを含むn型AlxGa1-xAs(x=0.48)からなる厚さが30nmの第2の電子供給層と、アンドープ型AlxGa1-xAs(x=0.3)からなる厚さが30nmのショットキー層と、n型不純物としてSiを含むn型GaAsからなる厚さが600nmのコンタクト層と、を順に積層して高電子移動度トランジスタ構造を形成した。 First, by a metal organic chemical vapor deposition method, a buffer layer made of undoped GaAs with a thickness of 500 nm and an n-type Al x Ga 1-x As containing Si as an n-type impurity are formed on a substrate made of semi-insulating GaAs. A first electron supply layer having a thickness of 30 nm made of (x = 0.3) and a first spacer layer having a thickness of 10 nm made of undoped Al x Ga 1-x As (x = 0.3) And a channel layer made of undoped In x Ga 1-x As (x = 0.18) having a thickness of 15 nm and a thickness made of undoped Al x Ga 1-x As (x = 0.3). A 10 nm second spacer layer; a 30 nm thick second electron supply layer comprising n-type Al x Ga 1-x As (x = 0.48) containing Si as an n-type impurity; and undoped Al x Ga 1-x As (x = 0.3) having a thickness of the 30nm of shea And Ttoki layer was laminated thickness and 600nm of the contact layer made of n-type GaAs containing Si as n-type impurity, in this order to form a high electron mobility transistor structure.

次に、有機金属気相成長法により、高電子移動度トランジスタ構造上に、アンドープ型InxGax-1P(x=0.48)からなる厚さが10nmの分離層を挟み、n型不純物としてSiを含むn型GaAsからなる厚さが500nmのサブコレクタ層と、n型不純物としてSiを含むn型GaAsからなる厚さが700nmのコレクタ層と、p型不純物として炭素を含むp型GaAsからなる厚さが120nmのベース層と、n型不純物としてSiを含むn型InxGax-1P(x=0.48)からなる厚さが40nmのエミッタ層と、n型不純物としてSiを含むn型GaAsからなる厚さが100nmのエミッタコンタクト層と、n型不純物としてSiを含むn型InxGax-1As(0<x<1)からなる厚さが100nmのノンアロイコンタクト層と、を順に積層してヘテロバイポーラトランジスタ構造を形成した。 Next, an n-type separation layer made of undoped In x Ga x-1 P (x = 0.48) is sandwiched on the high electron mobility transistor structure by metal organic vapor phase epitaxy. A sub-collector layer with a thickness of 500 nm made of n-type GaAs containing Si as an impurity, a collector layer with a thickness of 700 nm made of n-type GaAs containing Si as an n-type impurity, and a p-type containing carbon as a p-type impurity. A base layer made of GaAs having a thickness of 120 nm, an emitter layer made of n-type In x Ga x-1 P (x = 0.48) containing Si as an n-type impurity, and an n-type impurity an emitter contact layer thickness of n-type GaAs is 100nm containing Si, n-type in x containing Si as n-type impurity Ga x-1 as (0 < x <1) is 100nm thick consisting Non'aro Forming a hetero bipolar transistor structure by laminating a contact layer, in this order.

この際、サブコレクタ層におけるn型不純物の濃度を、サブコレクタ層におけるキャリア濃度の低下に伴う抵抗の増加により、ヘテロバイポーラトランジスタ部のオン抵抗が上昇することのない下限値である1.0×1018cm-3から、2.0×1018cm-3、3.0×1018cm-3、4.0×1018cm-3、5.0×1018cm-3と変化させることにより、複数枚の化合物半導体素子用エピタキシャルウェハを作製し、いくつかの加工工程を経てそれぞれの化合物半導体素子用エピタキシャルウェハを化合物半導体素子に加工した。 At this time, the concentration of the n-type impurity in the subcollector layer is 1.0 ×, which is a lower limit value that does not increase the on-resistance of the heterobipolar transistor portion due to an increase in resistance accompanying a decrease in carrier concentration in the subcollector layer. Change from 10 18 cm −3 to 2.0 × 10 18 cm −3 , 3.0 × 10 18 cm −3 , 4.0 × 10 18 cm −3 , 5.0 × 10 18 cm −3. Thus, a plurality of epitaxial wafers for compound semiconductor elements were produced, and the epitaxial wafers for compound semiconductor elements were processed into compound semiconductor elements through several processing steps.

これらの化合物半導体素子について、高電子移動度トランジスタ部の電子移動度を測定した。その結果を図3に示す。   About these compound semiconductor elements, the electron mobility of the high electron mobility transistor part was measured. The result is shown in FIG.

図3から分かるように、サブコレクタ層におけるn型不純物の濃度が3.0×1018cm-3を超えると、高電子移動度トランジスタ部における電子移動度の低下が顕著になる。 As can be seen from FIG. 3, when the concentration of the n-type impurity in the subcollector layer exceeds 3.0 × 10 18 cm −3 , the decrease in electron mobility in the high electron mobility transistor portion becomes significant.

以上の結果から、本発明では、サブコレクタ層におけるn型不純物の濃度を1.0×1018cm-3以上3.0×1018cm-3以下に規定した。 From the above results, in the present invention, the concentration of the n-type impurity in the subcollector layer is defined to be 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 3.0 × 10 18 cm −3 or less.

100 化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ
200 基板
300 高電子移動度トランジスタ構造
301 バッファ層
302 第1の電子供給層
303 第1のスペーサ層
304 チャネル層
305 第2のスペーサ層
306 第2の電子供給層
307 ショットキー層
308 コンタクト層
400 ヘテロバイポーラトランジスタ構造
401 サブコレクタ層
402 コレクタ層
403 ベース層
404 エミッタ層
405 エミッタコンタクト層
406 ノンアロイコンタクト層
500 分離層
600 化合物半導体素子
601 エミッタ電極
602 ベース電極
603 コレクタ電極
604 ソース電極
605 ゲート電極
606 ドレイン電極
700 高電子移動度トランジスタ部
800 ヘテロバイポーラトランジスタ部
900 絶縁領域
100 epitaxial wafer for compound semiconductor device 200 substrate 300 high electron mobility transistor structure 301 buffer layer 302 first electron supply layer 303 first spacer layer 304 channel layer 305 second spacer layer 306 second electron supply layer 307 shot Key layer 308 Contact layer 400 Hetero bipolar transistor structure 401 Sub-collector layer 402 Collector layer 403 Base layer 404 Emitter layer 405 Emitter contact layer 406 Non-alloy contact layer 500 Separation layer 600 Compound semiconductor device 601 Emitter electrode 602 Base electrode 603 Collector electrode 604 Source Electrode 605 Gate electrode 606 Drain electrode 700 High electron mobility transistor portion 800 Hetero bipolar transistor portion 900 Insulating region

Claims (3)

基板上に高電子移動度トランジスタ構造とヘテロバイポーラトランジスタ構造とを積層してなる化合物半導体素子用エピタキシャルウェハにおいて、
前記高電子移動度トランジスタ構造は、n型不純物の濃度が1.0×1018cm-3以上3.0×1018cm-3以下であるサブコレクタ層を有していることを特徴とする化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ。
In an epitaxial wafer for compound semiconductor devices in which a high electron mobility transistor structure and a heterobipolar transistor structure are stacked on a substrate,
The high electron mobility transistor structure includes a sub-collector layer having an n-type impurity concentration of 1.0 × 10 18 cm −3 or more and 3.0 × 10 18 cm −3 or less. Epitaxial wafer for compound semiconductor devices.
前記n型不純物は、Si、S、又はGeの何れか一つである請求項1に記載の化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ。   The epitaxial wafer for a compound semiconductor device according to claim 1, wherein the n-type impurity is any one of Si, S, and Ge. 請求項1又は2に記載の化合物半導体素子用エピタキシャルウェハを使用して作製されていることを特徴とする化合物半導体素子。   A compound semiconductor device produced using the compound semiconductor device epitaxial wafer according to claim 1.
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