JP2016225556A - Semiconductor device and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce compressive strain applied to a layer composed of semiconductor where an effectiveness mass of electrons which compose a channel layer is small.SOLUTION: A semiconductor device at least comprises a semiconductor laminated structure 26 including an electron transit layer 24 and an electron supply layer 25 above a substrate 10. The electron transit layer is made of group III-V compound semiconductor and has a structure where a first layer 13, a second layer 15 and a third layer 17 are sequentially laminated, in which the second layer is made of semiconductor with effective mass smaller than that of the first layer or the third layer; and conduction band energy of the second layer is lower than conduction band energy of the first layer or the third layer; and an interface of the first layer and the second layer, and an interface of the second layer and the third layer have mixed crystal areas 14, 16 where a group V element of the group III-V compound semiconductor is substituted by a group V element with an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V semiconductor, respectively.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.

例えばミリ波帯(約30〜約300GHz)やサブミリ波帯(約300GHz〜約3THz)で動作可能な通信用超高速トランジスタの一つに高電子移動度トランジスタ(HEMT;High Electron Mobility Transistor)がある。
例えば、III−V族化合物半導体を用いたHEMTとしては、例えば、チャネル層(電子走行層)にInGaAsを用い、電子供給層(バリア層)にInAlAs又はAlGaAsを用いたInAlAs/InGaAs系HEMT又はAlGaAs/InGaAs系HEMT、あるいは、チャネル層にInGaPを用い、電子供給層にAlGaAs又はInAlPを用いたAlGaAs/InGaP系HEMT又はInAlP/InGaP系HEMTなどがある。
For example, there is a high electron mobility transistor (HEMT) as one of ultrahigh-speed transistors for communication that can operate in a millimeter wave band (about 30 to about 300 GHz) or a submillimeter wave band (about 300 GHz to about 3 THz). .
For example, as a HEMT using a group III-V compound semiconductor, for example, an InAlAs / InGaAs-based HEMT or AlGaAs using InGaAs for the channel layer (electron transit layer) and InAlAs or AlGaAs for the electron supply layer (barrier layer). / InGaAs-based HEMT, or AlGaAs / InGaP-based HEMT or InAlP / InGaP-based HEMT using InGaP for the channel layer and AlGaAs or InAlP for the electron supply layer.

このようなHEMTの高速化を、真性遅延時間を短縮することによって実現するには、例えば、ゲート長を微細化する、チャネル層中の電子速度を増大させるなどの方法がある。
このうち、チャネル層中の電子速度を増大させるには、電子の有効質量の軽い半導体をチャネル層に用いれば良い。
In order to realize such high-speed HEMT by shortening the intrinsic delay time, there are methods such as reducing the gate length and increasing the electron velocity in the channel layer.
Among these, in order to increase the electron velocity in the channel layer, a semiconductor with a low effective mass of electrons may be used for the channel layer.

そこで、HEMTのチャネル層中に、電子の有効質量の軽い半導体からなる層を設けたコンポジットチャネルHEMTがある。
例えば、InAlAs/InGaAs系HEMT又はAlGaAs/InGaAs系HEMTのInGaAsチャネル層中に、電子の有効質量の軽い半導体であるInAsからなるInAs層を設けたInGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTがある。また、例えば、AlGaAs/InGaP系HEMT又はInAlP/InGaP系HEMTのInGaPチャネル層中に、電子の有効質量の軽い半導体であるInPからなるInP層を設けたInGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMTがある。
Therefore, there is a composite channel HEMT in which a layer made of a semiconductor having a low electron effective mass is provided in the channel layer of the HEMT.
For example, there is an InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT in which an InAs layer made of InAs, which is a semiconductor with a low effective electron mass, is provided in an InGaAs channel layer of InAlAs / InGaAs-based HEMT or AlGaAs / InGaAs-based HEMT. Further, for example, there is an InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT in which an InP layer made of InP, which is a semiconductor having a low electron effective mass, is provided in an InGaP channel layer of an AlGaAs / InGaP-based HEMT or InAlP / InGaP-based HEMT.

特開2002−313815号公報JP 2002-313815 A 特開平9−205197号公報JP-A-9-205197 特表2012−523712号公報Special table 2012-523712 gazette

ところで、例えばInGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTでは、チャネル層は、InGaAs層、InAs層、InGaAs層が順に積層された構造を有し、InAs層はInGaAs層よりも電子の有効質量の軽い半導体からなる層である。
この場合、InGaAsよりもInAsの格子定数の方が大きいため、チャネル層を構成するInAs層に圧縮歪みが加わることになる。
By the way, in an InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT, for example, the channel layer has a structure in which an InGaAs layer, an InAs layer, and an InGaAs layer are stacked in order, and the InAs layer is made of a semiconductor having a lighter effective mass of electrons than the InGaAs layer. It is a layer.
In this case, since the lattice constant of InAs is larger than that of InGaAs, compressive strain is applied to the InAs layer constituting the channel layer.

そして、圧縮歪みが加わったInAs層は、無歪みのInAs層よりも電子の有効質量が増大する。この結果、電子の有効質量が軽い半導体であるというInAsの有効性を十分には活かせなくなる。これはHEMTの高速化を図る上で好ましくない。
また、InAs層に圧縮歪みが加わると、InAs層の結晶が劣化してしまう。この結果、InAs層を厚くすることが難しくなり、InAs層を厚くすることができないと、InAs層に十分に電子を溜め込むことができず、InAs層を挟むInGaAs層にまで電子が広がってしまうことになる。これはHEMTの高速化を図る上で好ましくない。
The InAs layer to which compressive strain is applied has an effective electron mass that is higher than that of the unstrained InAs layer. As a result, the effectiveness of InAs, which is a semiconductor having a low effective electron mass, cannot be fully utilized. This is not preferable for speeding up the HEMT.
Further, when compressive strain is applied to the InAs layer, the crystal of the InAs layer is deteriorated. As a result, it is difficult to increase the thickness of the InAs layer. If the InAs layer cannot be increased, electrons cannot be sufficiently stored in the InAs layer, and electrons spread to the InGaAs layer sandwiching the InAs layer. become. This is not preferable for speeding up the HEMT.

なお、ここでは、InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTにおける課題として説明しているが、他の材料系のコンポジットチャネルHEMT(例えばInGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMT)においても同様の課題がある。
そこで、チャネル層を構成する電子の有効質量の軽い半導体からなる層に加わる圧縮歪みを低減したい。
In addition, although it demonstrated as a subject in InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT here, the same subject exists also in composite channel HEMT (for example, InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT) of another material system.
Therefore, it is desired to reduce the compressive strain applied to the layer made of a semiconductor having a light effective mass of electrons constituting the channel layer.

本半導体装置は、基板の上方に少なくとも電子走行層、電子供給層を含む半導体積層構造を備え、電子走行層は、III−V族化合物半導体からなり、第1層、第2層及び第3層が順に積層された構造を有し、第2層は第1層及び第3層よりも電子の有効質量の軽い半導体からなり、第2層の伝導帯のエネルギが第1層及び第3層の伝導帯のエネルギよりも低く、第1層と第2層との界面及び第2層と第3層との界面に、III−V族化合物半導体のV族元素が、III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素で置換された混晶領域を有する。   The semiconductor device includes a semiconductor stacked structure including at least an electron transit layer and an electron supply layer above a substrate, and the electron transit layer is made of a III-V group compound semiconductor, and includes a first layer, a second layer, and a third layer. Are stacked in order, the second layer is made of a semiconductor having a lighter effective mass of electrons than the first layer and the third layer, and the energy of the conduction band of the second layer is that of the first layer and the third layer. The group V element of the group III-V compound semiconductor is lower than the energy of the conduction band at the interface between the first layer and the second layer and the interface between the second layer and the third layer. It has a mixed crystal region substituted with a group V element having an atomic radius larger than that of a group V element.

本半導体装置の製造方法は、基板の上方に少なくとも電子走行層、電子供給層を含む半導体積層構造を形成する工程を含み、電子走行層を形成する工程は、III−V族化合物半導体からなる第1層を形成し、第1層上に、第1層よりも電子の有効質量の軽いIII−V族化合物半導体からなり、伝導帯のエネルギが第1層よりも低い第2層を形成し、第2層上に、第2層よりも電子の有効質量の重いIII−V族化合物半導体からなり、伝導帯のエネルギが第2層よりも高い第3層を形成する、各工程を含み、さらに、第1層を形成する工程と第2層を形成する工程との間及び第2層を形成する工程と第3層を形成する工程との間に、III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素を照射する工程を含む。   The method for manufacturing a semiconductor device includes a step of forming a semiconductor multilayer structure including at least an electron transit layer and an electron supply layer above a substrate, and the step of forming the electron transit layer includes a step of forming a group III-V compound semiconductor. Forming one layer, and forming on the first layer a second layer made of a III-V compound semiconductor having a lighter effective mass of electrons than that of the first layer and having a conduction band energy lower than that of the first layer; Forming a third layer made of a III-V group compound semiconductor having a larger effective mass of electrons than that of the second layer on the second layer and having a conduction band energy higher than that of the second layer; , Between the step of forming the first layer and the step of forming the second layer, and between the step of forming the second layer and the step of forming the third layer, a group V element of a III-V group compound semiconductor A step of irradiating a group V element having a larger atomic radius.

したがって、本半導体装置及びその製造方法によれば、チャネル層を構成する電子の有効質量の軽い半導体からなる層に加わる圧縮歪みを低減することができるという利点がある。   Therefore, according to the semiconductor device and the manufacturing method thereof, there is an advantage that the compressive strain applied to the layer made of a semiconductor having a light effective mass of electrons constituting the channel layer can be reduced.

本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の構成を示す模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor device (InAlAs / InGaAs-based HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) according to an embodiment. 本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の伝導帯バンド構造を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a conduction band structure of the semiconductor device (InAlAs / InGaAs-based HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) of the present embodiment. 一般的な半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の構成を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of a general semiconductor device (InAlAs / InGaAs type | system | group HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT). 一般的な半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の伝導帯バンド構造を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a conduction band structure of a general semiconductor device (InAlAs / InGaAs-based HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT). 本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device (InAlAs / InGaAs type HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) of this embodiment. 本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device (InAlAs / InGaAs type HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) of this embodiment. 本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device (InAlAs / InGaAs type HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) of this embodiment. 本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device (InAlAs / InGaAs type HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) of this embodiment. 本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device (InAlAs / InGaAs type HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) of this embodiment. 本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device (InAlAs / InGaAs type HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) of this embodiment. 本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device (InAlAs / InGaAs type HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) of this embodiment. 本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device (InAlAs / InGaAs type HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) of this embodiment. 本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device (InAlAs / InGaAs type HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) of this embodiment. 本実施形態の半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の製造方法を説明するための模式的断面図である。It is typical sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the semiconductor device (InAlAs / InGaAs type HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) of this embodiment. 本実施形態の変形例の半導体装置(InAlP/InGaP系HEMT;InGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMT)の構成を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of the semiconductor device (InAlP / InGaP type | system | group HEMT; InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT) of the modification of this embodiment. 本実施形態の変形例の半導体装置(InAlP/InGaP系HEMT;InGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMT)の伝導帯バンド構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the conduction band structure of the semiconductor device (InAlP / InGaP type HEMT; InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT) of the modification of this embodiment. 一般的な半導体装置(InAlP/InGaP系HEMT;InGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMT)の構成を示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which shows the structure of a common semiconductor device (InAlP / InGaP type | system | group HEMT; InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT). 一般的な半導体装置(InAlP/InGaP系HEMT;InGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMT)の伝導帯バンド構造を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a conduction band structure of a general semiconductor device (InAlP / InGaP-based HEMT; InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT).

以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる半導体装置について、図1〜図18を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる半導体装置は、例えば通信に用いられる超高速トランジスタの一つである、III−V族化合物半導体を用いたHEMT、即ち、III−V族化合物半導体ヘテロ構造を有するHEMTを備える。
A semiconductor device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
The semiconductor device according to the present embodiment includes, for example, a HEMT using a III-V group compound semiconductor, that is, one of ultra-high speed transistors used for communication, that is, a HEMT having a III-V group compound semiconductor heterostructure.

本実施形態では、半導体装置は、例えば、基板上に、III−V族化合物半導体としてInAlAs/InGaAs系化合物半導体を用いた半導体積層構造を有するHEMT、即ち、電子走行層(チャネル層)にInGaAsを用い、電子供給層(バリア層)にInAlAsを用いたInAlAs/InGaAs系HEMT(InGaAsチャネルHEMT)を備える。   In the present embodiment, the semiconductor device is, for example, a HEMT having a semiconductor laminated structure using an InAlAs / InGaAs-based compound semiconductor as a III-V group compound semiconductor on a substrate, that is, InGaAs is used for an electron transit layer (channel layer). In use, the electron supply layer (barrier layer) includes an InAlAs / InGaAs-based HEMT (InGaAs channel HEMT) using InAlAs.

このHEMTは、例えば、ミリ波(約30〜約300GHz)やサブミリ波(約300GHz〜約3THz)の領域で動作可能なトランジスタである。
本InAlAs/InGaAs系HEMTは、図1に示すように、基板10と、基板10上に設けられた半導体積層構造26と、半導体積層構造26上に設けられたゲート電極33、ソース電極31及びドレイン電極32とを備える。
The HEMT is a transistor that can operate in a millimeter wave (about 30 to about 300 GHz) or submillimeter wave (about 300 GHz to about 3 THz) region, for example.
As shown in FIG. 1, the present InAlAs / InGaAs-based HEMT includes a substrate 10, a semiconductor stacked structure 26 provided on the substrate 10, a gate electrode 33, a source electrode 31 and a drain provided on the semiconductor stacked structure 26. And an electrode 32.

本実施形態では、基板10は、半絶縁性InP基板[例えば半絶縁性(100)InP基板;半導体基板]である。なお、基板10としては、GaAs基板やSi基板を用いることもできる。
半導体積層構造26は、電子走行層24及び電子供給層25を含む半導体積層構造である。ここでは、半導体積層構造26は、バッファ層11、下部バリア層12、電子走行層(チャネル層)24、電子供給層(上部バリア層)25、エッチング停止層21、キャップ層22を順に積層した構造になっている。なお、キャップ層22をオーミックコンタクト用キャップ層ともいう。
In the present embodiment, the substrate 10 is a semi-insulating InP substrate [for example, a semi-insulating (100) InP substrate; a semiconductor substrate]. As the substrate 10, a GaAs substrate or Si substrate can also be used.
The semiconductor multilayer structure 26 is a semiconductor multilayer structure including an electron transit layer 24 and an electron supply layer 25. Here, the semiconductor laminated structure 26 is a structure in which a buffer layer 11, a lower barrier layer 12, an electron transit layer (channel layer) 24, an electron supply layer (upper barrier layer) 25, an etching stop layer 21, and a cap layer 22 are laminated in this order. It has become. The cap layer 22 is also referred to as an ohmic contact cap layer.

本実施形態では、バッファ層11は、例えば、厚さが約1000nmである。なお、バッファ層11に用いる材料は、基板10に応じて異なる。なお、バッファ層11は、必要に応じて設ければ良い。
下部バリア層12は、InAlAs層である。ここでは、アンドープのInAlAs層である。例えば、i−In0.52Al0.48As層であり、その厚さは約200nmである。なお、バッファ層11を設けない場合には、この下部バリア層12がバッファ層としても機能することになる。
In the present embodiment, the buffer layer 11 has a thickness of about 1000 nm, for example. The material used for the buffer layer 11 varies depending on the substrate 10. Note that the buffer layer 11 may be provided as necessary.
The lower barrier layer 12 is an InAlAs layer. Here, it is an undoped InAlAs layer. For example, an i-In 0.52 Al 0.48 As layer having a thickness of about 200 nm. When the buffer layer 11 is not provided, the lower barrier layer 12 functions as a buffer layer.

電子走行層24は、InGaAs系化合物半導体(III−V族化合物半導体)からなり、InGaAs層(第1層)13、InAs層(第2層)15、InGaAs層(第3層)17が順に積層された構造(ここでは3層構造)を有する。この場合、InAs層15は、InGaAs層13、17よりも電子の有効質量の軽い半導体からなる。
このように、本実施形態のInAlAs/InGaAs系HEMTは、InAlAs/InGaAs系HEMTのInGaAsチャネル層中に、電子の有効質量の軽い半導体であるInAsからなるInAs層を設けたInGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTである。なお、InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTを、As系コンポジットチャネルHEMTともいう。
The electron transit layer 24 is made of an InGaAs-based compound semiconductor (III-V group compound semiconductor), and an InGaAs layer (first layer) 13, an InAs layer (second layer) 15, and an InGaAs layer (third layer) 17 are sequentially stacked. The structure (here, a three-layer structure) is provided. In this case, the InAs layer 15 is made of a semiconductor having a lighter effective mass than the InGaAs layers 13 and 17.
As described above, the InAlAs / InGaAs-based HEMT according to the present embodiment is an InGaAs / InAs / InGaAs composite in which an InAs layer made of InAs, which is a semiconductor having a low electron effective mass, is provided in the InGaAs channel layer of the InAlAs / InGaAs-based HEMT. Channel HEMT. The InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT is also referred to as an As-based composite channel HEMT.

このInGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTの半導体積層構造26は、下部バリア層(InAlAs層)12、電子走行層24及び電子供給層(InAlAs層)25が順に積層された構造を有する。
そして、図2の伝導帯バンド構造(垂直方向の伝導帯バンド構造)に示すように、下部バリア層12、電子走行層24及び電子供給層25によって構成される量子井戸の中に、電子走行層24の第1層13、第2層15及び第3層17によって構成され、この量子井戸よりも伝導帯のエネルギが深い(低い)量子井戸が設けられている。
The InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT semiconductor stacked structure 26 has a structure in which a lower barrier layer (InAlAs layer) 12, an electron transit layer 24, and an electron supply layer (InAlAs layer) 25 are stacked in this order.
As shown in the conduction band structure (vertical conduction band structure) in FIG. 2, the electron transit layer is formed in the quantum well constituted by the lower barrier layer 12, the electron transit layer 24, and the electron supply layer 25. The quantum well is composed of 24 first layers 13, second layers 15, and third layers 17, and has a conduction band energy deeper (lower) than this quantum well.

また、図2の伝導帯バンド構造に示すように、電子走行層24の第1層13及び第3層17(InGaAs層)の伝導帯のエネルギが下部バリア層12及び電子供給層25(InAlAs層)の伝導帯のエネルギよりも低く、かつ、第2層15(InAs層)の伝導帯のエネルギが第1層13及び第3層17の伝導帯のエネルギよりも低くなっている。
つまり、下部バリア層12及び電子供給層25、電子走行層24の第1層13及び第3層17、電子走行層24の第2層15の順に伝導帯のエネルギが低くなっており、伝導帯のエネルギが最も低い電子走行層24の第2層15がチャネルとして機能し、その次に伝導帯のエネルギが低い電子走行層24の第1層13及び第3層17がサブチャネルとして機能するようになっている。
Further, as shown in the conduction band structure of FIG. 2, the energy of the conduction band of the first layer 13 and the third layer 17 (InGaAs layer) of the electron transit layer 24 is reduced by the lower barrier layer 12 and the electron supply layer 25 (InAlAs layer). ) And the energy of the conduction band of the second layer 15 (InAs layer) is lower than the energy of the conduction bands of the first layer 13 and the third layer 17.
That is, the energy of the conduction band decreases in the order of the lower barrier layer 12 and the electron supply layer 25, the first layer 13 and the third layer 17 of the electron transit layer 24, and the second layer 15 of the electron transit layer 24. The second layer 15 of the electron transit layer 24 with the lowest energy functions as a channel, and then the first layer 13 and the third layer 17 of the electron transit layer 24 with the lowest conduction band energy function as subchannels. It has become.

そして、図1に示すように、電子走行層24は、InGaAs層13とInAs層15との界面及びInAs層15とInGaAs層17との界面に、それを構成するInGaAs系化合物半導体のV族元素であるAsが、InGaAs系化合物半導体のV族元素であるAsよりも原子半径の大きいV族元素であるSbで置換された混晶領域14、16を有する。   As shown in FIG. 1, the electron transit layer 24 is formed at the interface between the InGaAs layer 13 and the InAs layer 15 and at the interface between the InAs layer 15 and the InGaAs layer 17. Has mixed crystal regions 14 and 16 substituted with Sb which is a group V element having a larger atomic radius than As which is a group V element of an InGaAs-based compound semiconductor.

つまり、電子走行層24は、伝導帯のエネルギが浅い量子井戸と伝導帯のエネルギが深い量子井戸との間に、これらの量子井戸を構成するIII−V族化合物半導体のV族元素であるAsが、III−V族化合物半導体のV族元素であるAsよりも原子半径の大きいV族元素であるSbで置換された混晶領域14、16を有する。
これにより、電子走行層24を構成する電子の有効質量の軽い半導体からなるInAs層15に加わる圧縮歪みを低減することができる。
That is, the electron transit layer 24 is an As group which is a group V element of a III-V group compound semiconductor that constitutes these quantum wells between a quantum well having a shallow conduction band energy and a quantum well having a deep conduction band energy. Has mixed crystal regions 14 and 16 substituted with Sb, which is a group V element having a larger atomic radius than As, which is a group V element of the III-V group compound semiconductor.
Thereby, the compressive strain added to the InAs layer 15 which consists of a semiconductor with the light effective mass of the electron which comprises the electron transit layer 24 can be reduced.

この場合、図2の伝導帯バンド構造に示すように、混晶領域14、16の伝導体のエネルギは、InAs層15の伝導帯のエネルギよりも低くなる。これにより、電子走行層24のInGaAs層13、InAs層15、InGaAs層17によって構成される量子井戸のInAs層15に、電子をより閉じ込めることが可能となる。
なお、InGaAs層13を下部層又は下部チャネル層ともいう。また、InAs層15を中間層又は中間チャネル層ともいう。また、InGaAs層17を上部層又は上部チャネル層ともいう。また、混晶領域14、16を、Sbを含む混晶領域、置換領域、As/Sb置換領域、Sbビーム照射領域、Sb雰囲気による混晶領域ともいう。また、InGaAs層13とInAs層15との界面に設けられている混晶領域14を、下部混晶領域ともいう。また、InAs層15とInGaAs層17との界面に設けられている混晶領域16を、上部混晶領域ともいう。
In this case, as shown in the conduction band structure of FIG. 2, the energy of the conductor in the mixed crystal regions 14 and 16 is lower than the energy of the conduction band of the InAs layer 15. Thereby, electrons can be further confined in the InAs layer 15 of the quantum well constituted by the InGaAs layer 13, the InAs layer 15, and the InGaAs layer 17 of the electron transit layer 24.
The InGaAs layer 13 is also referred to as a lower layer or a lower channel layer. The InAs layer 15 is also referred to as an intermediate layer or an intermediate channel layer. The InGaAs layer 17 is also referred to as an upper layer or an upper channel layer. The mixed crystal regions 14 and 16 are also referred to as a mixed crystal region containing Sb, a replacement region, an As / Sb replacement region, an Sb beam irradiation region, or a mixed crystal region due to an Sb atmosphere. The mixed crystal region 14 provided at the interface between the InGaAs layer 13 and the InAs layer 15 is also referred to as a lower mixed crystal region. The mixed crystal region 16 provided at the interface between the InAs layer 15 and the InGaAs layer 17 is also referred to as an upper mixed crystal region.

本実施形態では、図1に示すように、電子走行層24は、アンドープのInGaAs層13、Sbビーム照射領域14、アンドープのInAs層15、Sbビーム照射領域16、アンドープのInGaAs層17を下から順に備えた構造になっている。
ここで、アンドープのInGaAs層13は、例えば、InPに格子整合するi−In0.53Ga0.47As層であり、厚さは約3nmである。また、Sbビーム照射領域14は、例えば1原子層程度の極薄の領域である。また、アンドープのInAs層15は、例えば、厚さは約5nmである。また、Sbビーム照射領域16は、例えば1原子層程度の極薄の領域である。また、アンドープのInGaAs層17は、例えば、InPに格子整合するi−In0.53Ga0.47As層であり、厚さは約2nmである。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the electron transit layer 24 includes an undoped InGaAs layer 13, an Sb beam irradiation region 14, an undoped InAs layer 15, an Sb beam irradiation region 16, and an undoped InGaAs layer 17 from below. It has a structure prepared in order.
Here, the undoped InGaAs layer 13 is, for example, an i-In 0.53 Ga 0.47 As layer lattice-matched to InP, and has a thickness of about 3 nm. Further, the Sb beam irradiation region 14 is a very thin region of about one atomic layer, for example. The undoped InAs layer 15 has a thickness of about 5 nm, for example. Further, the Sb beam irradiation region 16 is a very thin region of about one atomic layer, for example. The undoped InGaAs layer 17 is, for example, an i-In 0.53 Ga 0.47 As layer lattice-matched to InP, and has a thickness of about 2 nm.

このように、電子走行層24は、III−V族化合物半導体からなり、第1層13、第2層15及び第3層17が順に積層された構造を有し、第2層15は第1層13及び第3層17よりも電子の有効質量の軽い半導体からなる。
そして、第2層15の伝導帯のエネルギが第1層13及び第3層17の伝導帯のエネルギよりも低く、第1層13と第2層15との界面及び第2層15と第3層17との界面に、III−V族化合物半導体のV族元素が、III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素で置換された混晶領域14、16を有する。
As described above, the electron transit layer 24 is made of a III-V group compound semiconductor and has a structure in which the first layer 13, the second layer 15, and the third layer 17 are sequentially laminated. It is made of a semiconductor having a lighter effective mass of electrons than the layer 13 and the third layer 17.
The energy of the conduction band of the second layer 15 is lower than the energy of the conduction bands of the first layer 13 and the third layer 17, and the interface between the first layer 13 and the second layer 15 and the second layer 15 and the third layer 15. At the interface with the layer 17, there are mixed crystal regions 14 and 16 in which the group V element of the group III-V compound semiconductor is substituted with a group V element having a larger atomic radius than the group V element of the group III-V compound semiconductor. .

本実施形態では、III−V族化合物半導体のV族元素はAsであり、III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素はSbである。また、電子走行層24は、第1層13としてInGaAs層、第2層15としてInAs層、第3層17としてInGaAs層が順に積層された構造を有する。
電子供給層25は、InAlAsスペーサ層18、Si−δドーピング層19、InAlAsバリア層20を順に積層させた構造を有する。
In the present embodiment, the group V element of the III-V group compound semiconductor is As, and the group V element having an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V compound semiconductor is Sb. The electron transit layer 24 has a structure in which an InGaAs layer as the first layer 13, an InAs layer as the second layer 15, and an InGaAs layer as the third layer 17 are sequentially stacked.
The electron supply layer 25 has a structure in which an InAlAs spacer layer 18, a Si-δ doping layer 19, and an InAlAs barrier layer 20 are sequentially stacked.

ここでは、電子供給層25は、アンドープのInAlAsスペーサ層18、Siをδドープしてn型導電性を付与したInAlAsによって形成されるSi−δドーピング層19、アンドープのInAlAsバリア層20を順に積層させた構造を有する。
例えば、電子供給層25は、厚さ約3nmのi−In0.52Al0.48Asスペーサ層18、Siのδドーピング量を約1×1013cm−2程度としたSi−δドーピング層19、厚さ約6nmのi−In0.52Al0.48Asバリア層20を順に積層させた構造を有する。
Here, the electron supply layer 25 is formed by sequentially laminating an undoped InAlAs spacer layer 18, an Si-δ doping layer 19 formed of InAlAs doped with Si to give n-type conductivity, and an undoped InAlAs barrier layer 20. Has a structure.
For example, the electron supply layer 25 includes an i-In 0.52 Al 0.48 As spacer layer 18 having a thickness of about 3 nm, and a Si-δ doping layer in which a δ doping amount of Si is about 1 × 10 13 cm −2. 19. It has a structure in which an i-In 0.52 Al 0.48 As barrier layer 20 having a thickness of about 6 nm is sequentially laminated.

エッチング停止層21は、InP層であり、キャップ層22に対するエッチング停止層である。
ここでは、アンドープのInP層、即ち、i−InP層であり、その厚さは、約3nmである。
なお、このエッチング停止層21は、InAlAs電子供給層25の酸化を防ぐ保護層としての機能も有する。
The etching stop layer 21 is an InP layer and is an etching stop layer for the cap layer 22.
Here, it is an undoped InP layer, that is, an i-InP layer, and its thickness is about 3 nm.
The etching stop layer 21 also has a function as a protective layer that prevents the InAlAs electron supply layer 25 from being oxidized.

キャップ層22は、InGaAs層である。ここでは、Siをドープしてn型導電性を付与したn−InGaAs層である。例えば、n−In0.53Ga0.47As層であり、その厚さは約20nmであり、Siドーピング量は約2×1019cm−3程度である。なお、n−In0.53Ga0.47As層に、n−In0.70Ga0.30As層を積層して、2層構造のキャップ層にしても良い。この場合、n−In0.53Ga0.47As層の厚さは約20nmとし、n−In0.70Ga0.30As層の厚さは約10nmとし、Siドーピング量は約2×1019cm−3程度とすれば良い。また、n型InGaAs層とn型InAlAs層を積層して、2層構造のキャップ層にしても良い。 The cap layer 22 is an InGaAs layer. Here, it is an n-InGaAs layer doped with Si to give n-type conductivity. For example, it is an n-In 0.53 Ga 0.47 As layer, its thickness is about 20 nm, and the Si doping amount is about 2 × 10 19 cm −3 . Note that an n-In 0.70 Ga 0.30 As layer may be stacked on the n-In 0.53 Ga 0.47 As layer to form a cap layer having a two-layer structure. In this case, the thickness of the n-In 0.53 Ga 0.47 As layer is about 20 nm, the thickness of the n-In 0.70 Ga 0.30 As layer is about 10 nm, and the Si doping amount is about 2 ×. What is necessary is just about 10 19 cm −3 . Alternatively, an n-type InGaAs layer and an n-type InAlAs layer may be stacked to form a cap layer having a two-layer structure.

なお、半導体積層構造26は、基板10の上方に少なくとも電子走行層24及び電子供給層25を含むものであれば良く、他の積層構造になっていても良い。また、半導体積層構造26を、ヘテロ構造半導体層ともいう。
そして、このように構成される半導体積層構造26上に、ゲート電極33、ソース電極31及びドレイン電極32が設けられており、半導体積層構造26の表面はSiO膜(絶縁膜)23によって覆われている。
The semiconductor multilayer structure 26 only needs to include at least the electron transit layer 24 and the electron supply layer 25 above the substrate 10, and may have another multilayer structure. The semiconductor stacked structure 26 is also referred to as a heterostructure semiconductor layer.
A gate electrode 33, a source electrode 31, and a drain electrode 32 are provided on the semiconductor multilayer structure 26 configured as described above, and the surface of the semiconductor multilayer structure 26 is covered with an SiO 2 film (insulating film) 23. ing.

ここでは、キャップ層22上に、電極金属として例えばTi/Pt/Auを用いたソース電極(金属電極)31及びドレイン電極(金属電極)32が設けられている。
つまり、キャップ層22と金属電極であるソース電極31及びドレイン電極32との接触がオーミックコンタクトとなるように、キャップ層22上に金属電極であるソース電極31及びドレイン電極32が設けられている。このため、ソース電極31及びドレイン電極32をオーミック電極という。
Here, a source electrode (metal electrode) 31 and a drain electrode (metal electrode) 32 using, for example, Ti / Pt / Au as electrode metals are provided on the cap layer 22.
That is, the source electrode 31 and the drain electrode 32 that are metal electrodes are provided on the cap layer 22 so that the contact between the cap layer 22 and the source electrode 31 and the drain electrode 32 that are metal electrodes is an ohmic contact. For this reason, the source electrode 31 and the drain electrode 32 are called ohmic electrodes.

また、i−InP層21上に、電極金属として例えばTi/Pt/Auを用いたゲート電極(金属電極)33が設けられている。
ところで、本実施形態において、電子走行層24を、上述のように構成しているのは、以下の理由による。
HEMTの高速化を実現するために、チャネル層中の電子速度を増大させるには、電子の有効質量の軽い半導体をチャネル層に用いれば良い。
Further, a gate electrode (metal electrode) 33 using, for example, Ti / Pt / Au as an electrode metal is provided on the i-InP layer 21.
By the way, in this embodiment, the reason why the electron transit layer 24 is configured as described above is as follows.
In order to increase the electron velocity in the channel layer in order to increase the speed of the HEMT, a semiconductor having a low electron effective mass may be used for the channel layer.

ここで、電子の有効質量の軽い半導体としては、例えば、InAs(0.022m)、InSb(0.014m)、これらの混晶であるInAsSbなどがある。なお、mは電子の静止質量である。
例えば、InAsは、Al(Ga)Sbをバリア層としたHEMTに用いられたり、InAlAs/InGaAs系HEMTのInGaAsチャネル層中に極薄層として導入されてInGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTとするのに用いられたりする。
Here, examples of the semiconductor with a low effective mass of electrons include InAs (0.022 m 0 ), InSb (0.014 m 0 ), and InAsSb which is a mixed crystal thereof. Note that m 0 is the static mass of electrons.
For example, InAs is used in HEMTs using Al (Ga) Sb as a barrier layer, or introduced as an ultrathin layer in an InGaAs channel layer of an InAlAs / InGaAs HEMT to form an InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT. It is used for.

このうち、InAsをAl(Ga)Sbをバリア層としたHEMTに用いる場合、InAs、AlSb、GaSbの格子定数が約0.61nm程度で近いことから、これらの組合せで比較的良好なヘテロ構造が得られる。
一方、InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTは、図3に示すように、電子走行層(チャネル層)24を上下のIn0.53Ga0.47As層13、17でInAs層15を挟んだ構造とし、下部バリア層12及び電子供給層25にIn0.52Al0.48Asを用い、電子走行層24のIn0.53Ga0.47Asと下部バリア層12及び電子供給層25のIn0.52Al0.48Asとが格子整合するようにする。この場合、伝導帯バンド構造は図4に示すようになる。
Among these, when InAs is used for a HEMT having Al (Ga) Sb as a barrier layer, the lattice constant of InAs, AlSb, and GaSb is close to about 0.61 nm. can get.
On the other hand, the InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT has an electron transit layer (channel layer) 24 sandwiched between In 0.53 Ga 0.47 As layers 13 and 17 and an InAs layer 15 as shown in FIG. In 0.52 Al 0.48 As is used for the lower barrier layer 12 and the electron supply layer 25, the In 0.53 Ga 0.47 As of the electron transit layer 24, the lower barrier layer 12 and the electron supply layer 25 In 0.52 Al 0.48 As is lattice matched. In this case, the conduction band structure is as shown in FIG.

このようなInGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTの場合、InGaAsよりもInAsの格子定数の方が大きいため、チャネル層24に導入されたInAs層15に圧縮歪みが加わることになる。
そして、圧縮歪みが加わったInAs層15は、無歪みのInAs層15よりも電子の有効質量が増大する。この結果、電子の有効質量が軽い半導体であるというInAsの有効性を十分には活かせなくなる。これはHEMTの高速化を図る上で好ましくない。
In the case of such an InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT, since the lattice constant of InAs is larger than that of InGaAs, compressive strain is applied to the InAs layer 15 introduced into the channel layer 24.
The InAs layer 15 to which compressive strain is applied has an effective electron mass that is greater than that of the unstrained InAs layer 15. As a result, the effectiveness of InAs, which is a semiconductor having a low effective electron mass, cannot be fully utilized. This is not preferable for speeding up the HEMT.

また、InAs層15に圧縮歪みが加わると、InAs層15の結晶が劣化してしまうため、InAs層15を厚くすることが難しい。また、InAs層15をあまり厚くすると、InAs層15の結晶品質が劣化してしまう。また、InAs層15を厚くすることができないと、InAs層15に十分に電子を溜め込むことができず、InAs層15を挟むInGaAs層13、17にまで電子が広がってしまうことになる。例えば、現在のところ結晶品質が劣化しない程度の厚さは約2nm程度であり、この程度の厚さだと、InAs層15に十分に電子を溜めこむことができず、上下のInGaAs層13、17にまで電子が広がってしまうことになる。これはHEMTの高速化を図る上で好ましくない。   In addition, when compressive strain is applied to the InAs layer 15, the crystal of the InAs layer 15 is deteriorated, so that it is difficult to increase the thickness of the InAs layer 15. If the InAs layer 15 is too thick, the crystal quality of the InAs layer 15 is deteriorated. If the InAs layer 15 cannot be made thick, electrons cannot be sufficiently stored in the InAs layer 15, and the electrons spread to the InGaAs layers 13 and 17 sandwiching the InAs layer 15. For example, the thickness at which the crystal quality is not deteriorated at present is about 2 nm. At this thickness, electrons cannot be sufficiently stored in the InAs layer 15, and the upper and lower InGaAs layers 13, 17 Electrons will spread to This is not preferable for speeding up the HEMT.

そこで、本実施形態では、上述のように、InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTの電子走行層24を、InGaAs層13とInAs層15との界面及びInAs層15とInGaAs層17との界面に、それを構成するInGaAs系化合物半導体のV族元素であるAsが、InGaAs系化合物半導体のV族元素であるAsよりも原子半径の大きいV族元素であるSbで置換された混晶領域14、16を有するものとしている。   Therefore, in the present embodiment, as described above, the electron transit layer 24 of the InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT is placed at the interface between the InGaAs layer 13 and the InAs layer 15 and the interface between the InAs layer 15 and the InGaAs layer 17. Mixed crystal regions 14 and 16 in which As, which is a group V element of an InGaAs-based compound semiconductor, is replaced by Sb, a group V element having a larger atomic radius than As, which is a group V element of an InGaAs-based compound semiconductor. It is supposed to have.

この混晶領域14、16では、InGaAs系化合物半導体であるInGaAsやInAsに含まれるAsがSbで置換され、InSb、InAsSb、InGaSb、InGaAsSbなどのAsよりも原子半径の大きいSbを含む混晶になっている。これらのAsよりも原子半径の大きいSbを含む混晶は、InAsよりも格子定数が大きいため(格子定数の大小関係;InGaAs<InAs<Sbを含む混晶)、InAsに加わる圧縮歪みを低減する作用がある。   In the mixed crystal regions 14 and 16, As contained in InGaAs or InAs, which are InGaAs-based compound semiconductors, is replaced with Sb, and mixed crystals containing Sb having a larger atomic radius than As, such as InSb, InAsSb, InGaSb, and InGaAsSb. It has become. These mixed crystals containing Sb having a larger atomic radius than As have a larger lattice constant than InAs (lattice magnitude relationship; mixed crystals containing InGaAs <InAs <Sb), so that the compressive strain applied to InAs is reduced. There is an effect.

これにより、InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTの電子走行層24を構成する電子の有効質量の軽い半導体からなるInAs層15に加わる圧縮歪みを低減することができる。この結果、InAs層15中の電子の有効質量の増大が抑制され、電子の有効質量が軽い半導体であるというInAsの本来の物性が十分に活かされるようになる。また、圧縮歪みが加わることによるInAs層15の結晶品質の劣化を抑制することができ、高品質の結晶を維持しつつ、InAs層15をできるだけ厚くして、InAs層15に十分に電子を溜め込む(閉じ込める)ことができるようになる。これらの点によって、InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTの高速化を実現することが可能となる。   Thereby, the compressive strain applied to the InAs layer 15 made of a semiconductor having a light effective mass of electrons constituting the electron transit layer 24 of the InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT can be reduced. As a result, an increase in the effective mass of electrons in the InAs layer 15 is suppressed, and the original physical property of InAs, which is a semiconductor with a low effective electron mass, is fully utilized. In addition, deterioration of the crystal quality of the InAs layer 15 due to the application of compressive strain can be suppressed, and while maintaining high-quality crystals, the InAs layer 15 is made as thick as possible to sufficiently accumulate electrons in the InAs layer 15. It becomes possible to (confine). With these points, it is possible to realize a high speed InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT.

この場合、図2の伝導帯バンド構造に示すように、混晶領域14、16の伝導体のエネルギは、InAs層15の伝導帯のエネルギよりも低くなる。これにより、電子走行層24のInGaAs層13、InAs層15、InGaAs層17によって構成される量子井戸のInAs層15に、電子をより一層閉じ込めることが可能となる。
次に、本実施形態にかかる半導体装置の製造方法について説明する。
In this case, as shown in the conduction band structure of FIG. 2, the energy of the conductor in the mixed crystal regions 14 and 16 is lower than the energy of the conduction band of the InAs layer 15. As a result, electrons can be further confined in the InAs layer 15 of the quantum well constituted by the InGaAs layer 13, the InAs layer 15, and the InGaAs layer 17 of the electron transit layer 24.
Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the present embodiment will be described.

本実施形態にかかる半導体装置の製造方法は、基板10の上方に少なくとも電子走行層24、電子供給層25を含む半導体積層構造26を形成する工程を含む(図5参照)。
また、電子走行層24を形成する工程は、III−V族化合物半導体(ここではInGaAs系化合物半導体)からなる第1層(ここではInGaAs層)13を形成し、第1層13上に、第1層13よりも電子の有効質量の軽いIII−V族化合物半導体からなり、伝導帯のエネルギが第1層よりも低い第2層(ここではInAs層)15を形成し、第2層15上に、第2層15よりも電子の有効質量の重いIII−V族化合物半導体からなり、伝導帯のエネルギが第2層15よりも高い第3層(ここではInGaAs層)17を形成する、各工程を含む(図5参照)。
The method for manufacturing a semiconductor device according to this embodiment includes a step of forming a semiconductor multilayer structure 26 including at least an electron transit layer 24 and an electron supply layer 25 above the substrate 10 (see FIG. 5).
The step of forming the electron transit layer 24 includes forming a first layer (here, InGaAs layer) 13 made of a III-V group compound semiconductor (here, InGaAs compound semiconductor), and forming a first layer 13 on the first layer 13. A second layer 15 (here, an InAs layer) 15 having a conduction band energy lower than that of the first layer is formed of a III-V group compound semiconductor having an effective electron mass lower than that of the first layer 13. In addition, a third layer (in this case, an InGaAs layer) 17 made of a III-V group compound semiconductor having a heavier effective mass of electrons than the second layer 15 and having a conduction band energy higher than that of the second layer 15 is formed. Including steps (see FIG. 5).

さらに、第1層13を形成する工程と第2層15を形成する工程との間及び第2層15を形成する工程と第3層17を形成する工程との間に、III−V族化合物半導体のV族元素(ここではAs)よりも原子半径の大きいV族元素(ここではSb)を照射する工程を含む(図5参照)。
本実施形態では、半導体積層構造26は、さらに下部バリア層(ここではInAlAs層)12を含む。そして、半導体積層構造26を形成する工程は、下部バリア層12を形成し、下部バリア層12上に、伝導帯のエネルギが下部バリア層12よりも低い第1層13及び第3層17を含む電子走行層24を形成し、電子走行層24上に、伝導帯のエネルギが電子走行層24の第1層13及び第3層17よりも高い電子供給層(ここではInAlAs層)25を形成する、各工程を含む。つまり、下部バリア層12、電子走行層24及び電子供給層25によって構成される量子井戸の中に、電子走行層24の第1層13、第2層15及び第3層17によって構成され、この量子井戸よりも伝導帯のエネルギが深い(低い)量子井戸を形成する(図5、図2参照)。
Further, between the step of forming the first layer 13 and the step of forming the second layer 15 and between the step of forming the second layer 15 and the step of forming the third layer 17, a III-V group compound This includes a step of irradiating a group V element (here, Sb) having a larger atomic radius than a group V element (here, As) of the semiconductor (see FIG. 5).
In the present embodiment, the semiconductor multilayer structure 26 further includes a lower barrier layer (here, an InAlAs layer) 12. Then, the step of forming the semiconductor multilayer structure 26 forms the lower barrier layer 12, and includes the first layer 13 and the third layer 17 whose conduction band energy is lower than that of the lower barrier layer 12 on the lower barrier layer 12. An electron transit layer 24 is formed, and an electron supply layer (here, an InAlAs layer) 25 having conduction band energy higher than that of the first layer 13 and the third layer 17 of the electron transit layer 24 is formed on the electron transit layer 24. , Including each step. That is, in the quantum well constituted by the lower barrier layer 12, the electron transit layer 24, and the electron supply layer 25, it is constituted by the first layer 13, the second layer 15 and the third layer 17 of the electron transit layer 24. A quantum well having a deeper (lower) conduction band energy than the quantum well is formed (see FIGS. 5 and 2).

また、本実施形態では、III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素を照射する工程で、III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素を照射することによって形成される混晶領域14、16の伝導体のエネルギは、第2層15の伝導帯のエネルギよりも低い(図5、図2参照)。
以下、InAlAs/InGaAs系HEMT(InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)の製造方法を例に挙げて、図5〜図14を参照しながら説明する。
In the present embodiment, in the step of irradiating a group V element having a larger atomic radius than the group V element of the group III-V compound semiconductor, the group V having a larger atomic radius than the group V element of the group III-V compound semiconductor. The energy of the conductor of the mixed crystal regions 14 and 16 formed by irradiating the element is lower than the energy of the conduction band of the second layer 15 (see FIGS. 5 and 2).
Hereinafter, a manufacturing method of an InAlAs / InGaAs-based HEMT (InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) will be described as an example with reference to FIGS.

まず、図5に示すように、半絶縁性InP基板10上に、例えば分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy;MBE)法によって、バッファ層11、i−In0.52Al0.48As下部バリア層12、電子走行層24を構成するi−In0.53Ga0.47As層13、Sbビーム照射領域14、i−InAs層15、Sbビーム照射領域16、i−In0.53Ga0.47As層17、電子供給層25を構成するi−In0.52Al0.48Asスペーサ層18、Si−δドーピング層19、i−In0.52Al0.48Asバリア層20、i−InPエッチング停止層21、n−In0.53Ga0.47Asキャップ層22を順に積層させて、半導体積層構造26を形成する。 First, as shown in FIG. 5, a buffer layer 11 and an i-In 0.52 Al 0.48 As lower barrier layer are formed on a semi-insulating InP substrate 10 by, for example, molecular beam epitaxy (MBE). 12, i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13, Sb beam irradiation region 14, i-InAs layer 15, Sb beam irradiation region 16, i-In 0.53 Ga 0. 47 As layer 17, i-In 0.52 Al 0.48 As spacer layer 18 constituting the electron supply layer 25, Si-δ doping layer 19, i-In 0.52 Al 0.48 As barrier layer 20, i The semiconductor stacked structure 26 is formed by sequentially stacking the -InP etching stop layer 21 and the n-In 0.53 Ga 0.47 As cap layer 22.

このようにして、基板10の上方に少なくとも電子走行層24、電子供給層25を含む半導体積層構造26を形成する。
特に、電子走行層24を形成する工程では、以下のようにして、i−In0.53Ga0.47As層13、Sbビーム照射領域14、i−InAs層15、Sbビーム照射領域16、i−In0.53Ga0.47As層17を形成する。
In this way, the semiconductor multilayer structure 26 including at least the electron transit layer 24 and the electron supply layer 25 is formed above the substrate 10.
In particular, in the step of forming the electron transit layer 24, the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13, the Sb beam irradiation region 14, the i-InAs layer 15, the Sb beam irradiation region 16, as follows. The i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 17 is formed.

つまり、まず、i−In0.52Al0.48As下部バリア層12上に、i−In0.53Ga0.47As層(第1層)13を形成する。
次に、i−In0.53Ga0.47As層13の表面にSbビームを照射して、Sbビーム照射領域14を形成する。つまり、i−In0.53Ga0.47As層13の表面に、電子走行層24を構成するInGaAs系化合物半導体(III−V族化合物半導体)のV族元素であるAsよりも原子半径の大きいV族元素であるSbビームを照射して、Sbビーム照射領域14を形成する。
That is, first, the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer (first layer) 13 is formed on the i-In 0.52 Al 0.48 As lower barrier layer 12.
Next, the surface of the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13 is irradiated with an Sb beam to form an Sb beam irradiation region 14. That is, on the surface of the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13, the atomic radius is larger than that of As which is a group V element of an InGaAs-based compound semiconductor (III-V group compound semiconductor) constituting the electron transit layer 24. An Sb beam irradiation region 14 is formed by irradiating an Sb beam which is a large group V element.

ここでは、i−In0.53Ga0.47As層13を形成した後、i−InAs層15を形成する前に、即ち、i−In0.53Ga0.47As層13を形成する工程とi−InAs層15を形成する工程との間に、III族、Asのビームを止め、Sbビームを照射する。
これにより、AsとSbの置換が起こり、i−In0.53Ga0.47As層13の表面上に、即ち、i−In0.53Ga0.47As層13とその後にこの上に形成されるi−InAs層15との間に、InSb、InAsSb、InGaSb、InGaAsSbなどのSbを含む極薄(例えば1原子層程度)の混晶領域であるSbビーム照射領域14が形成される。
Here, after the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13 is formed and before the i-InAs layer 15 is formed, that is, the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13 is formed. Between the step and the step of forming the i-InAs layer 15, the group III, As beam is stopped and the Sb beam is irradiated.
Thus, occur substitution of As and Sb, on the surface of the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13, i.e., thereafter the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13 on the Between the i-InAs layer 15 to be formed, an Sb beam irradiation region 14 which is an ultrathin (for example, about one atomic layer) mixed crystal region containing Sb such as InSb, InAsSb, InGaSb, InGaAsSb, or the like is formed.

このようにして形成される、Asよりも原子半径の大きいSbを含む混晶は、InAsよりも格子定数が大きいため、i−InAs層15に加わる圧縮歪みを低減することができる。
なお、ここでは、Sbビームを照射してSbビーム照射領域14を形成しているが、Sb雰囲気下においてSb雰囲気による混晶領域であるSbビーム照射領域14を形成しても良い。
Since the mixed crystal containing Sb having a larger atomic radius than As, which is formed in this way, has a larger lattice constant than InAs, the compressive strain applied to the i-InAs layer 15 can be reduced.
Here, the Sb beam is irradiated to form the Sb beam irradiation region 14, but the Sb beam irradiation region 14 which is a mixed crystal region by the Sb atmosphere may be formed in the Sb atmosphere.

次に、i−In0.53Ga0.47As層13上、即ち、i−In0.53Ga0.47As層13の表面上のSbビーム照射領域14上に、i−InAs層(第2層)15を形成する。つまり、i−In0.53Ga0.47As層13上に、i−In0.53Ga0.47As層13よりも電子の有効質量の軽いInAs(III−V族化合物半導体)からなり、伝導帯のエネルギがi−In0.53Ga0.47As層13よりも低いi−InAs層15を形成する。 Next, on the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13, that is, on the Sb beam irradiation region 14 on the surface of the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13, the i-InAs layer ( Second layer) 15 is formed. That is, on the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13, it is made of InAs (III-V group compound semiconductor) having a lighter effective mass than the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13. Then, the i-InAs layer 15 whose conduction band energy is lower than that of the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13 is formed.

次に、i−InAs層15の表面にSbビームを照射して、Sbビーム照射領域16を形成する。つまり、i−InAs層15の表面に、電子走行層24を構成するInGaAs系化合物半導体(III−V族化合物半導体)のV族元素であるAsよりも原子半径の大きいV族元素であるSbビームを照射して、Sbビーム照射領域16を形成する。
ここでは、i−InAs層15を形成した後、i−In0.53Ga0.47As層17を形成する前に、即ち、i−InAs層15を形成する工程とi−In0.53Ga0.47As層17を形成する工程との間に、III族、Asのビームを止め、Sbビームを照射する。
Next, the surface of the i-InAs layer 15 is irradiated with an Sb beam to form an Sb beam irradiation region 16. That is, on the surface of the i-InAs layer 15, an Sb beam that is a group V element having a larger atomic radius than As, which is a group V element of an InGaAs-based compound semiconductor (group III-V compound semiconductor) constituting the electron transit layer 24. To form an Sb beam irradiation region 16.
Here, after the i-InAs layer 15 is formed and before the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 17 is formed, that is, the step of forming the i-InAs layer 15 and the i-In 0.53. Between the step of forming the Ga 0.47 As layer 17, the group III, As beam is stopped and the Sb beam is irradiated.

これにより、AsとSbの置換が起こり、i−InAs層15の表面上に、即ち、i−InAs層15とその後にこの上に形成されるi−In0.53Ga0.47As層17との間に、InSb、InAsSb、InGaSb、InGaAsSbなどのSbを含む極薄(例えば1原子層程度)の混晶領域であるSbビーム照射領域16が形成される。
このようにして形成される、Asよりも原子半径の大きいSbを含む混晶は、InAsよりも格子定数が大きいため、i−InAs層15に加わる圧縮歪みを低減することができる。
As a result, substitution of As and Sb occurs, that is, on the surface of the i-InAs layer 15, that is, the i-InAs layer 15 and the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 17 formed thereon. In between, an Sb beam irradiation region 16 which is an ultrathin (for example, about 1 atomic layer) mixed crystal region containing Sb such as InSb, InAsSb, InGaSb, InGaAsSb is formed.
Since the mixed crystal containing Sb having a larger atomic radius than As, which is formed in this way, has a larger lattice constant than InAs, the compressive strain applied to the i-InAs layer 15 can be reduced.

なお、ここでは、Sbビームを照射してSbビーム照射領域16を形成しているが、Sb雰囲気下においてSb雰囲気による混晶領域であるSbビーム照射領域16を形成しても良い。
次に、i−InAs層15上に、即ち、i−InAs層15の表面上のSbビーム照射領域16上に、i−In0.53Ga0.47As層(第3層)17を形成する。つまり、i−InAs層15上に、i−InAs層15よりも電子の有効質量の重いIn0.53Ga0.47As(III−V族化合物半導体)からなり、伝導帯のエネルギがi−InAs層15よりも高いi−In0.53Ga0.47As層17を形成する。
Although the Sb beam irradiation region 16 is formed here by irradiating the Sb beam, the Sb beam irradiation region 16 which is a mixed crystal region by the Sb atmosphere may be formed in the Sb atmosphere.
Next, an i-In 0.53 Ga 0.47 As layer (third layer) 17 is formed on the i-InAs layer 15, that is, on the Sb beam irradiation region 16 on the surface of the i-InAs layer 15. To do. That is, the i-InAs layer 15 is made of In 0.53 Ga 0.47 As (III-V group compound semiconductor) having a heavier effective mass of electrons than the i-InAs layer 15, and the energy of the conduction band is i−. An i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 17 higher than the InAs layer 15 is formed.

このようにして、i−In0.53Ga0.47As層13、Sbビーム照射領域14、i−InAs層15、Sbビーム照射領域16、i−In0.53Ga0.47As層17を順に備える電子走行層24を形成する。
なお、結晶成長法は、MBE法に限られるものではなく、例えば、有機金属化学堆積(MOCVD;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いることも可能である。
In this way, the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13, the Sb beam irradiation region 14, the i-InAs layer 15, the Sb beam irradiation region 16, and the i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 17. Are formed in order.
Note that the crystal growth method is not limited to the MBE method, and for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method can also be used.

ここでは、バッファ層11は、厚さを約1000nmとする。また、i−In0.52Al0.48As下部バリア層12は、厚さを約200nmとする。また、i−In0.53Ga0.47As層13は、厚さを約3nmとする。また、Sbビーム照射領域14は、1原子層程度の極薄層とする。また、i−InAs層15は、厚さを約5nmとする。また、Sbビーム照射領域16は、1原子層程度の極薄層とする。また、i−In0.53Ga0.47As層17は、厚さを約2nmとする。また、i−In0.52Al0.48Asスペーサ層18は、厚さを約3nmとする。また、Si−δドーピング層19は、Siのδドーピング量を約1×1013cm−2程度とする。また、i−In0.52Al0.48Asバリア層20は、厚さを約6nmとする。また、i−InPエッチング停止層21は、厚さを約3nmとする。また、n−In0.53Ga0.47Asキャップ層22は、厚さを約20nmとし、Siドーピング量を約2×1019cm−3程度とする。 Here, the buffer layer 11 has a thickness of about 1000 nm. The i-In 0.52 Al 0.48 As lower barrier layer 12 has a thickness of about 200 nm. The i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 13 has a thickness of about 3 nm. The Sb beam irradiation region 14 is an extremely thin layer of about 1 atomic layer. The i-InAs layer 15 has a thickness of about 5 nm. The Sb beam irradiation region 16 is a very thin layer of about 1 atomic layer. The i-In 0.53 Ga 0.47 As layer 17 has a thickness of about 2 nm. The i-In 0.52 Al 0.48 As spacer layer 18 has a thickness of about 3 nm. Further, the Si-δ doping layer 19 has a Si δ doping amount of about 1 × 10 13 cm −2 . The i-In 0.52 Al 0.48 As barrier layer 20 has a thickness of about 6 nm. The i-InP etching stop layer 21 has a thickness of about 3 nm. The n-In 0.53 Ga 0.47 As cap layer 22 has a thickness of about 20 nm and an Si doping amount of about 2 × 10 19 cm −3 .

次に、素子分離後、図6に示すように、例えばTi/Pt/Auの3層構造のソース電極31、ドレイン電極32を形成する。これにより、これにより、n−In0.53Ga0.47Asキャップ層22上にソース電極31及びドレイン電極32が形成される。
次に、図7に示すように、ソース電極31とドレイン電極32の間のキャップ層22上に、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、SiO膜23を形成する。ここでは、SiO膜23は、厚さを約20nm程度とする。
Next, after element isolation, as shown in FIG. 6, for example, a source electrode 31 and a drain electrode 32 having a three-layer structure of Ti / Pt / Au are formed. As a result, the source electrode 31 and the drain electrode 32 are formed on the n-In 0.53 Ga 0.47 As cap layer 22.
Next, as shown in FIG. 7, an SiO 2 film 23 is formed on the cap layer 22 between the source electrode 31 and the drain electrode 32 by, for example, a plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) method. Here, the thickness of the SiO 2 film 23 is about 20 nm.

次に、図8〜図14に示すように、T型ゲート電極33を形成する。
つまり、まず、図8に示すように、3層構造のレジスト膜41〜43を形成する。ここでは、ZEPレジスト(日本ゼオン製)、PMGI(Poly-dimethylglutarimide)レジスト、ZEPレジストを順に塗布して、ZEPレジスト膜41、PMGIレジスト膜42、ZEPレジスト膜43を順に積層させた3層構造のレジスト膜を形成する。
Next, as shown in FIGS. 8 to 14, a T-type gate electrode 33 is formed.
That is, first, as shown in FIG. 8, three-layer resist films 41 to 43 are formed. Here, a ZEP resist (manufactured by Nippon Zeon), a PMGI (Poly-dimethylglutarimide) resist, and a ZEP resist are sequentially applied, and a ZEP resist film 41, a PMGI resist film 42, and a ZEP resist film 43 are sequentially laminated. A resist film is formed.

次に、例えば電子ビーム露光法によって、図9に示すように、T型ゲート電極33のヘッド部分を形成する領域を露光し、ZEPレジスト膜43及びPMGIレジスト膜42に開口部を形成する。また、例えば電子ビーム露光法によって、図10に示すように、T型ゲート電極33のフット部分を形成する領域を露光し、最下層のZEPレジスト膜41に所望のゲート長に合わせて開口部を形成する。   Next, as shown in FIG. 9, for example, an area for forming the head portion of the T-type gate electrode 33 is exposed by electron beam exposure to form openings in the ZEP resist film 43 and the PMGI resist film 42. Further, as shown in FIG. 10, for example, an area for forming the foot portion of the T-type gate electrode 33 is exposed by an electron beam exposure method, and an opening is formed in the lowermost ZEP resist film 41 in accordance with a desired gate length. Form.

次に、ゲート長に合わせて形成された開口部を有する最下層のZEPレジスト膜41をマスクとして、例えばエッチングガスとしてCFを用いた反応性イオンエッチングによって、図11に示すように、SiO膜23に開口部を形成する。
そして、キャップ層22を電気的に分離するために、例えばエッチング液としてクエン酸(C)と過酸化水素水(H)の混合溶液を用いてウェットエッチングを行なって、図12に示すように、リセスを形成する。
Next, using the lowermost ZEP resist film 41 having an opening formed according to the gate length as a mask, for example, by reactive ion etching using CF 4 as an etching gas, SiO 2 as shown in FIG. An opening is formed in the film 23.
In order to electrically separate the cap layer 22, for example, wet etching is performed using a mixed solution of citric acid (C 6 H 8 O 7 ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) as an etchant. As shown in FIG. 12, a recess is formed.

最後に、図13に示すように、例えばTi、Pt、Auを蒸着させた後、リフトオフを行なって、図14に示すように、例えばTi/Pt/Auの3層構造のT型ゲート電極33を形成する。これにより、i−InPエッチング停止層21上にT型ゲート電極33が形成される。
このようにして、本実施形態にかかる半導体装置(InAlAs/InGaAs系HEMT;InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT)を製造することができる。
Finally, as shown in FIG. 13, for example, Ti, Pt, and Au are deposited, and then lift-off is performed. As shown in FIG. 14, for example, a T-type gate electrode 33 having a three-layer structure of Ti / Pt / Au. Form. As a result, the T-type gate electrode 33 is formed on the i-InP etching stop layer 21.
In this way, the semiconductor device (InAlAs / InGaAs-based HEMT; InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT) according to the present embodiment can be manufactured.

したがって、本実施形態にかかる半導体装置によれば、チャネル層24を構成する電子の有効質量の軽い半導体からなる層(ここではInAs層15)に加わる圧縮歪みを低減することができるという利点がある。
この結果、電子走行層24に備えられるInAs層15中の電子の有効質量の増大が抑制され、圧縮歪みが加わることによるInAs層15の結晶品質の劣化を抑制することができ、InAs層15をできるだけ厚くすることができ、HEMTの高速化を実現することが可能となる。
Therefore, according to the semiconductor device of the present embodiment, there is an advantage that the compressive strain applied to the layer (in this case, the InAs layer 15) made of a semiconductor having a light effective mass of electrons constituting the channel layer 24 can be reduced. .
As a result, an increase in effective mass of electrons in the InAs layer 15 provided in the electron transit layer 24 is suppressed, and deterioration of the crystal quality of the InAs layer 15 due to the application of compressive strain can be suppressed. The thickness can be increased as much as possible, and the HEMT can be increased in speed.

なお、上述の実施形態では、InAlAsをバリア層(電子供給層25及び下部バリア層12)とするInGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT(InAlAs/InGaAs系HEMT)に本発明を適用する場合を例に挙げて説明しているが、材料系はこれに限られるものではない。
例えば、AlGaAsをバリア層(電子供給層及び下部バリア層)とするInGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT(AlGaAs/InGaAs系HEMT)に本発明を適用することもできる。
In the above embodiment, the case where the present invention is applied to an InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT (InAlAs / InGaAs HEMT) using InAlAs as a barrier layer (electron supply layer 25 and lower barrier layer 12) is taken as an example. Although described in detail, the material system is not limited to this.
For example, the present invention can also be applied to an InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT (AlGaAs / InGaAs HEMT) using AlGaAs as a barrier layer (electron supply layer and lower barrier layer).

つまり、InGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMT(AlGaAs/InGaAs系HEMT)において、上述の実施形態の場合と同様に、電子走行層を、InGaAs層(第1層)とInAs層(第2層)との界面及びInAs層(第2層)とInGaAs層(第3層)との界面に、それを構成するInGaAs系化合物半導体(III−V族化合物半導体)のV族元素(ここではAs)が、InGaAs系化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素(ここではSb)で置換された混晶領域(Sbビーム照射領域)を有するものとしても良い。   That is, in the InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT (AlGaAs / InGaAs HEMT), the electron transit layer is divided into an InGaAs layer (first layer) and an InAs layer (second layer), as in the case of the above-described embodiment. The V group element (here As) of the InGaAs-based compound semiconductor (III-V group compound semiconductor) constituting the interface, and the interface between the InAs layer (second layer) and the InGaAs layer (third layer), It may have a mixed crystal region (Sb beam irradiation region) substituted by a group V element (here, Sb) having a larger atomic radius than the group V element of the InGaAs-based compound semiconductor.

この場合、その製造方法は、電子走行層を形成する工程に含まれるInGaAs層(第1層)を形成する工程とInAs層(第2層)を形成する工程との間及びInAs層(第2層)を形成する工程とInGaAs層(第3層)を形成する工程との間に、InGaAs系化合物半導体(III−V族化合物半導体)のV族元素(ここではAs)よりも原子半径の大きいV族元素(ここではSb)を照射する工程(Sbビーム照射工程)を含むものとすれば良い。   In this case, the manufacturing method includes a step between the step of forming the InGaAs layer (first layer) and the step of forming the InAs layer (second layer) included in the step of forming the electron transit layer and the InAs layer (second layer). Between the step of forming the layer) and the step of forming the InGaAs layer (third layer) having a larger atomic radius than the group V element (here As) of the InGaAs compound semiconductor (III-V compound semiconductor) What is necessary is just to include the process (Sb beam irradiation process) of irradiating a group V element (here Sb).

また、例えば、AlGaAs(又はInAlP)をバリア層(電子供給層及び下部バリア層)とするInGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMT(AlGaAs/InGaP系HEMT又はInAlP/InGaP系HEMT)に本発明を適用することもできる。
例えば図17に示すように、電子走行層(チャネル層)24Xを上下のInGaP層13X,17XでInP層15Xを挟んだ構造とし、下部バリア層12X及び電子供給層25XにInAlPを用い、電子走行層24XのInGaPと下部バリア層12X及び電子供給層25XのInAlPとが格子整合するようにしたInGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMTがあり、その伝導帯バンド構造は図18に示すようになる。このようなInGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMTでも、上述の実施形態のInGaAs/InAs/InGaAsコンポジットチャネルHEMTと同様の課題があるため、上述の実施形態の場合と同様に、本発明を適用することができる。
For example, the present invention is applied to an InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT (AlGaAs / InGaP HEMT or InAlP / InGaP HEMT) using AlGaAs (or InAlP) as a barrier layer (electron supply layer and lower barrier layer). You can also.
For example, as shown in FIG. 17, an electron transit layer (channel layer) 24X has a structure in which an InP layer 15X is sandwiched between upper and lower InGaP layers 13X and 17X, and InAlP is used for the lower barrier layer 12X and the electron supply layer 25X. There is an InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT in which the InGaP of the layer 24X is lattice-matched with the InAlP of the lower barrier layer 12X and the electron supply layer 25X, and its conduction band structure is as shown in FIG. Even in such an InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT, since there is a problem similar to the InGaAs / InAs / InGaAs composite channel HEMT of the above-described embodiment, the present invention is applied as in the case of the above-described embodiment. Can do.

ここで、AlGaAs(又はInAlP)をバリア層とするInGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMTは、AlGaAs/InGaP系HEMT又はInAlP/InGaP系HEMTのInGaPチャネル層13X,17X中に、電子の有効質量の軽い半導体であるInPからなるInP層15Xを設けたInGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMTである。   Here, the InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT using AlGaAs (or InAlP) as a barrier layer has a light effective mass of electrons in the InGaP channel layers 13X and 17X of the AlGaAs / InGaP HEMT or InAlP / InGaP HEMT. This is an InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT provided with an InP layer 15X made of InP, which is a semiconductor.

つまり、InGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMT(AlGaAs/InGaP系HEMT又はInAlP/InGaP系HEMT)において、電子走行層24Xを、InGaP層(第1層)13XとInP層(第2層)15Xとの界面及びInP層(第2層)15XとInGaP層(第3層)17Xとの界面に、それを構成するInGaP系化合物半導体(III−V族化合物半導体)のV族元素(ここではP)が、InGaP系化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素(ここではAs又はSb)で置換された混晶領域(Asビーム照射領域;Sbビーム照射領域)14X,16Xを有するものとしても良い。   That is, in an InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT (AlGaAs / InGaP-based HEMT or InAlP / InGaP-based HEMT), the electron transit layer 24X is formed of an InGaP layer (first layer) 13X and an InP layer (second layer) 15X. At the interface and the interface between the InP layer (second layer) 15X and the InGaP layer (third layer) 17X, a group V element (here, P) of the InGaP-based compound semiconductor (III-V compound semiconductor) constituting the interface is formed. Assuming that the mixed crystal regions (As beam irradiation region; Sb beam irradiation region) 14X and 16X are substituted by a group V element (here, As or Sb) having a larger atomic radius than the group V element of the InGaP-based compound semiconductor. Also good.

この場合、その製造方法は、電子走行層24Xを形成する工程に含まれるInGaP層(第1層)13Xを形成する工程とInP層(第2層)15Xを形成する工程との間及びInP層(第2層)15Xを形成する工程とInGaP層(第3層)17Xを形成する工程との間に、InGaP系化合物半導体(III−V族化合物半導体)のV族元素(ここではP)よりも原子半径の大きいV族元素(ここではAs又はSb)を照射する工程(Asビーム照射工程;Sbビーム照射工程)を含むものとすれば良い。   In this case, the manufacturing method is performed between the step of forming the InGaP layer (first layer) 13X and the step of forming the InP layer (second layer) 15X included in the step of forming the electron transit layer 24X and the InP layer. Between the step of forming the (second layer) 15X and the step of forming the InGaP layer (third layer) 17X, from the group V element (here, P) of the InGaP-based compound semiconductor (III-V group compound semiconductor) May include a step (As beam irradiation step; Sb beam irradiation step) of irradiation with a group V element having a large atomic radius (here, As or Sb).

以下、InAlPをバリア層(電子供給層及び下部バリア層)とするInGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMT(InAlP/InGaP系HEMT)を例に挙げて、具体的に説明する。
ここでは、InGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMT(InAlP/InGaP系HEMT)は、例えば図15に示すように、GaAs基板(半導体基板)10X上に、バッファ層11X、InAlP下部バリア層12X、InGaP/InP/InGaP電子走行層(チャネル層)24X、InAlP電子供給層(上部バリア層)25X、InGaPキャップ層22Xを順に積層した半導体積層構造26Xを備える。
Hereinafter, an InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT (InAlP / InGaP-based HEMT) using InAlP as a barrier layer (electron supply layer and lower barrier layer) will be described as an example.
Here, the InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT (InAlP / InGaP-based HEMT) is formed on a GaAs substrate (semiconductor substrate) 10X, for example, as shown in FIG. 15, with a buffer layer 11X, an InAlP lower barrier layer 12X, an InGaP / A semiconductor multilayer structure 26X is provided in which an InP / InGaP electron transit layer (channel layer) 24X, an InAlP electron supply layer (upper barrier layer) 25X, and an InGaP cap layer 22X are sequentially stacked.

例えば、GaAs基板10Xは、例えば半絶縁性(100)GaAs基板である。また、バッファ層11Xは必要に応じて設ければ良い。また、InAlP下部バリア層12Xは、i−InAlP下部バリア層であり、その厚さは約200nmである。また、InGaP/InP/InGaP電子走行層24Xは、InGaP層13X、InP層15X、InGaP層17Xが順に積層された構造を有する。また、InAlP電子供給層25Xは、i−InAlPスペーサ層18X、Siをδドープしてn型導電性を付与したInAlPによって形成されるSi−δドーピング層19X、i−InAlPバリア層20Xを順に積層させた構造を有する。ここで、i−InAlPスペーサ層18Xの厚さは約3nmであり、Si−δドーピング層19XのSiのδドーピング量は約1×1013cm−2程度であり、i−InAlPバリア層20Xの厚さは約6nmである。また、InGaPキャップ層22Xは、Siをドープしてn型導電性を付与したn−InGaP層である。ここで、n−InGaP層22Xの厚さは約20nmであり、Siドーピング量は約2×1018cm−3程度である。なお、上述のInAlP層及びInGaP層におけるIII族元素の組成比は1:1程度(各0.5程度)とすれば良い。 For example, the GaAs substrate 10X is a semi-insulating (100) GaAs substrate, for example. Further, the buffer layer 11X may be provided as necessary. The InAlP lower barrier layer 12X is an i-InAlP lower barrier layer and has a thickness of about 200 nm. The InGaP / InP / InGaP electron transit layer 24X has a structure in which an InGaP layer 13X, an InP layer 15X, and an InGaP layer 17X are sequentially stacked. The InAlP electron supply layer 25X includes an i-InAlP spacer layer 18X, a Si-δ doping layer 19X formed of InAlP doped with Si by δ doping to give n-type conductivity, and an i-InAlP barrier layer 20X. Has a structure. Here, the i-InAlP spacer layer 18X has a thickness of about 3 nm, the Si-δ doping layer 19X has a Si δ doping amount of about 1 × 10 13 cm −2 , and the i-InAlP barrier layer 20X has a thickness of about 1 × 10 13 cm −2 . The thickness is about 6 nm. The InGaP cap layer 22X is an n-InGaP layer doped with Si to give n-type conductivity. Here, the thickness of the n-InGaP layer 22X is about 20 nm, and the Si doping amount is about 2 × 10 18 cm −3 . Note that the composition ratio of the group III elements in the above InAlP layer and InGaP layer may be about 1: 1 (about 0.5 each).

また、半導体積層構造26Xは、基板10Xの上方に少なくとも電子走行層24X及び電子供給層25Xを含むものであれば良く、他の積層構造になっていても良い。
そして、半導体積層構造26X上に、ゲート電極33X、ソース電極31X及びドレイン電極32Xを設け、半導体積層構造26Xの表面をSiO膜(絶縁膜)23Xで覆うようにすれば良い。
Further, the semiconductor multilayer structure 26X may be any structure as long as it includes at least the electron transit layer 24X and the electron supply layer 25X above the substrate 10X, and may have another multilayer structure.
Then, the gate electrode 33X, the source electrode 31X, and the drain electrode 32X may be provided on the semiconductor stacked structure 26X, and the surface of the semiconductor stacked structure 26X may be covered with the SiO 2 film (insulating film) 23X.

ところで、上述のように、電子走行層24Xは、InGaP系化合物半導体(III−V族化合物半導体)からなり、InGaP層(第1層)13X、InP層(第2層)15X、InGaP層(第3層)が17X順に積層された構造(ここでは3層構造)を有する。この場合、InP層15Xは、InGaP層13X,17Xよりも電子の有効質量の軽い半導体からなる。   As described above, the electron transit layer 24X is made of an InGaP compound semiconductor (III-V group compound semiconductor), and includes an InGaP layer (first layer) 13X, an InP layer (second layer) 15X, and an InGaP layer (first layer). 3 layers) are stacked in the order of 17X (here, a three-layer structure). In this case, the InP layer 15X is made of a semiconductor having a lighter effective mass than the InGaP layers 13X and 17X.

このように、この変形例のInAlP/InGaP系HEMTは、InAlP/InGaP系HEMTのInGaPチャネル層13X,17X中に、電子の有効質量の軽い半導体であるInPからなるInP層15Xを設けたInGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMTである。なお、InGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMTを、P系コンポジットチャネルHEMTともいう。   As described above, the InAlP / InGaP-based HEMT of this modification example is an InGaP / InGaP / InGaP-based HEMT in which an InP layer 15X made of InP, which is a semiconductor with a low effective electron mass, is provided in the InGaP channel layers 13X and 17X of the InAlP / InGaP-based HEMT. InP / InGaP composite channel HEMT. The InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT is also referred to as a P-based composite channel HEMT.

このInGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMTは、半導体積層構造26Xは、下部バリア層(InAlP層)12X、電子走行層24X及び電子供給層(InAlP層)25Xが順に積層された構造を有する。
つまり、図16の伝導帯バンド構造(垂直方向の伝導帯バンド構造)に示すように、下部バリア層12X、電子走行層24X及び電子供給層25Xによって構成される量子井戸の中に、電子走行層24Xの第1層13X、第2層15X及び第3層17Xによって構成され、この量子井戸よりも伝導帯のエネルギが深い(低い)量子井戸が設けられている。
In the InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT, the semiconductor stacked structure 26X has a structure in which a lower barrier layer (InAlP layer) 12X, an electron transit layer 24X, and an electron supply layer (InAlP layer) 25X are sequentially stacked.
That is, as shown in the conduction band structure (vertical conduction band structure) of FIG. 16, the electron transit layer is included in the quantum well composed of the lower barrier layer 12X, the electron transit layer 24X, and the electron supply layer 25X. A 24X first layer 13X, a second layer 15X, and a third layer 17X are provided, and a quantum well having a deeper (lower) conduction band energy than the quantum well is provided.

また、図16の伝導帯バンド構造に示すように、電子走行層24Xの第1層13X及び第3層17X(InGaP層)の伝導帯のエネルギが下部バリア層12X及び電子供給層25Xの伝導帯のエネルギよりも低く、かつ、第2層15X(InP層)の伝導帯のエネルギが第1層13X及び第3層17Xの伝導帯のエネルギよりも低くなっている。
つまり、下部バリア層12X及び電子供給層25X、電子走行層24Xの第1層13X及び第3層17X、電子走行層24Xの第2層15Xの順に伝導帯のエネルギが低くなっており、伝導帯のエネルギが最も低い電子走行層24Xの第2層15Xがチャネルとして機能し、その次に伝導帯のエネルギが低い電子走行層24Xの第1層13X及び第3層17Xがサブチャネルとして機能するようになっている。
Further, as shown in the conduction band structure of FIG. 16, the energy of the conduction band of the first layer 13X and the third layer 17X (InGaP layer) of the electron transit layer 24X is the conduction band of the lower barrier layer 12X and the electron supply layer 25X. The energy of the conduction band of the second layer 15X (InP layer) is lower than the energy of the conduction bands of the first layer 13X and the third layer 17X.
That is, the energy of the conduction band decreases in the order of the lower barrier layer 12X and the electron supply layer 25X, the first layer 13X and the third layer 17X of the electron transit layer 24X, and the second layer 15X of the electron transit layer 24X. The second layer 15X of the electron transit layer 24X having the lowest energy functions as a channel, and then the first layer 13X and the third layer 17X of the electron transit layer 24X with the lowest conduction band energy function as subchannels. It has become.

そして、図15、図16に示すように、電子走行層24Xは、InGaP層13XとInP層15Xとの界面及びInP層15XとInGaP層17Xとの界面に、それを構成するInGaP系化合物半導体のV族元素であるPが、InGaP系化合物半導体のV族元素であるPよりも原子半径の大きいV族元素であるAs又はSbで置換された混晶領域14X,16Xを有する。   As shown in FIGS. 15 and 16, the electron transit layer 24X is formed of an InGaP-based compound semiconductor that forms the interface between the InGaP layer 13X and the InP layer 15X and the interface between the InP layer 15X and the InGaP layer 17X. The group V element P has mixed crystal regions 14X and 16X substituted with As or Sb which is a group V element having an atomic radius larger than that of the group V element P of the InGaP-based compound semiconductor.

つまり、電子走行層24Xは、伝導帯のエネルギが浅い量子井戸と伝導帯のエネルギが深い量子井戸との間に、これらの量子井戸を構成するIII−V族化合物半導体のV族元素であるPが、III−V族化合物半導体のV族元素であるPよりも原子半径の大きいV族元素であるAs又はSbで置換された混晶領域14X,16Xを有する。
この混晶領域14X,16Xでは、InGaP系化合物半導体であるInGaPやInPに含まれるPがAs又はSbで置換され、InAs、InGaAs、InAsP、InGaAsPなど、又は、InSb、InPSb、InGaSb、InGaPSbなどのPよりも原子半径の大きいAs又はSbを含む混晶になっている。これらのPよりも原子半径の大きいAs又はSbを含む混晶は、InPよりも格子定数が大きいため(格子定数の大小関係;InGaP<InP<As又はSbを含む混晶)、InPに加わる圧縮歪みを低減する作用がある。
That is, the electron transit layer 24X is formed of a group V element of a III-V group compound semiconductor that constitutes these quantum wells between a quantum well with a shallow conduction band energy and a quantum well with a deep conduction band energy. Has mixed crystal regions 14X and 16X substituted with As or Sb, which is a group V element having a larger atomic radius than P, which is a group V element of a III-V group compound semiconductor.
In the mixed crystal regions 14X and 16X, InGaP or InP, which is an InGaP compound semiconductor, is substituted with As or Sb, and InAs, InGaAs, InAsP, InGaAsP, or InSb, InPSb, InGaSb, InGaPSb, etc. It is a mixed crystal containing As or Sb having an atomic radius larger than that of P. These mixed crystals containing As or Sb having a larger atomic radius than P have a larger lattice constant than InP (lattice magnitude relationship: mixed crystals containing InGaP <InP <As or Sb), and compression applied to InP. It has the effect of reducing distortion.

これにより、InGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMTの電子走行層24Xを構成する電子の有効質量の軽い半導体からなるInP層15Xに加わる圧縮歪みを低減することができる。この結果、InP層15X中の電子の有効質量の増大が抑制され、電子の有効質量が軽い半導体であるというInPの本来の物性が十分に活かされるようになる。また、圧縮歪みが加わることによるInP層15Xの結晶品質の劣化を抑制することができ、高品質の結晶を維持しつつ、InP層15Xをできるだけ厚くして、InP層15Xに十分に電子を溜め込む(閉じ込める)ことができるようになる。これらの点によって、InGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMTの高速化を実現することが可能となる。   Thereby, it is possible to reduce the compressive strain applied to the InP layer 15X made of a semiconductor having a light effective mass of electrons constituting the electron transit layer 24X of the InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT. As a result, an increase in the effective mass of electrons in the InP layer 15X is suppressed, and the original physical properties of InP, which is a semiconductor with a low effective electron mass, are fully utilized. In addition, deterioration of the crystal quality of the InP layer 15X due to the application of compressive strain can be suppressed, and while maintaining a high-quality crystal, the InP layer 15X is made as thick as possible to sufficiently accumulate electrons in the InP layer 15X. It becomes possible to (confine). With these points, it is possible to realize a high-speed InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT.

この場合、図16の伝導帯バンド構造に示すように、混晶領域14X,16Xの伝導体のエネルギは、InP層15Xの伝導帯のエネルギよりも低くなる。これにより、電子走行層24XのInGaP層13X、InP層15X、InGaP層17Xによって構成される量子井戸のInP層15Xに、電子をより一層閉じ込めることが可能となる。
なお、InGaP層13Xを下部層又は下部チャネル層ともいう。また、InP層15Xを中間層又は中間チャネル層ともいう。また、InGaP層17Xを上部層又は上部チャネル層ともいう。また、混晶領域14X,16Xを、As又はSbを含む混晶領域、置換領域、P/As又はP/Sb置換領域、As又はSbビーム照射領域、As又はSb雰囲気による混晶領域ともいう。また、InGaP層13XとInP層15Xとの界面に設けられている混晶領域14Xを、下部混晶領域ともいう。また、InP層15XとInGaP層17Xとの界面に設けられている混晶領域16Xを、上部混晶領域ともいう。
In this case, as shown in the conduction band structure of FIG. 16, the energy of the conductors in the mixed crystal regions 14X and 16X is lower than the energy of the conduction band of the InP layer 15X. Thereby, electrons can be further confined in the InP layer 15X of the quantum well constituted by the InGaP layer 13X, the InP layer 15X, and the InGaP layer 17X of the electron transit layer 24X.
The InGaP layer 13X is also referred to as a lower layer or a lower channel layer. The InP layer 15X is also referred to as an intermediate layer or an intermediate channel layer. The InGaP layer 17X is also referred to as an upper layer or an upper channel layer. The mixed crystal regions 14X and 16X are also referred to as mixed crystal regions containing As or Sb, substitution regions, P / As or P / Sb substitution regions, As or Sb beam irradiation regions, and mixed crystal regions due to an As or Sb atmosphere. The mixed crystal region 14X provided at the interface between the InGaP layer 13X and the InP layer 15X is also referred to as a lower mixed crystal region. The mixed crystal region 16X provided at the interface between the InP layer 15X and the InGaP layer 17X is also referred to as an upper mixed crystal region.

この変形例では、図15に示すように、電子走行層24Xは、アンドープのInGaP層13X、As又はSbビーム照射領域14X、アンドープのInP層15X、As又はSbビーム照射領域16X、アンドープのInGaP層17Xを下から順に備えた構造になっている。
ここで、アンドープのInGaP層13Xは、例えば、GaAsに格子整合するi−InGaP層であり、厚さは約3nmである。また、As又はSbビーム照射領域14Xは、例えば1原子層程度の極薄の領域である。また、アンドープのInAs層15Xは、例えば、厚さは約5nmである。また、As又はSbビーム照射領域16Xは、例えば1原子層程度の極薄の領域である。また、アンドープのInGaAs層17Xは、例えば、GaAsに格子整合するi−InGaP層であり、厚さは約2nmである。
In this modification, as shown in FIG. 15, the electron transit layer 24X includes an undoped InGaP layer 13X, an As or Sb beam irradiation region 14X, an undoped InP layer 15X, an As or Sb beam irradiation region 16X, and an undoped InGaP layer. 17X is provided in order from the bottom.
Here, the undoped InGaP layer 13X is, for example, an i-InGaP layer lattice-matched to GaAs and has a thickness of about 3 nm. Further, the As or Sb beam irradiation region 14X is an extremely thin region of about one atomic layer, for example. The undoped InAs layer 15X has a thickness of about 5 nm, for example. Further, the As or Sb beam irradiation region 16X is an extremely thin region of about one atomic layer, for example. The undoped InGaAs layer 17X is, for example, an i-InGaP layer lattice-matched to GaAs and has a thickness of about 2 nm.

このように、電子走行層24Xは、III−V族化合物半導体からなり、第1層13X、第2層15X及び第3層17Xが順に積層された構造を有し、第2層15Xは第1層13X及び第3層17Xよりも電子の有効質量の軽い半導体からなる。そして、第2層15Xの伝導帯のエネルギが第1層13X及び第3層17Xの伝導帯のエネルギよりも低く、第1層13Xと第2層15Xとの界面及び第2層15Xと第3層17Xとの界面に、III−V族化合物半導体のV族元素が、III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素で置換された混晶領域14X,16Xを有する。   As described above, the electron transit layer 24X is made of a III-V group compound semiconductor, and has a structure in which the first layer 13X, the second layer 15X, and the third layer 17X are sequentially stacked, and the second layer 15X includes the first layer 15X. The layer 13X and the third layer 17X are made of a semiconductor having a lighter effective mass of electrons. The energy of the conduction band of the second layer 15X is lower than the energy of the conduction bands of the first layer 13X and the third layer 17X, and the interface between the first layer 13X and the second layer 15X and the second layer 15X and the third layer 15X. At the interface with the layer 17X, there are mixed crystal regions 14X and 16X in which the group V element of the group III-V compound semiconductor is substituted with the group V element having a larger atomic radius than the group V element of the group III-V compound semiconductor. .

この変形例では、III−V族化合物半導体のV族元素はPであり、III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素はAs又はSbである。また、電子走行層24Xは、第1層13XとしてInGaP層、第2層15XとしてInP層、第3層17XとしてInGaP層が順に積層された構造を有する。
次に、この変形例の半導体装置(InAlP/InGaP系HEMT;InGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMT)の製造方法について説明する。
In this modification, the group V element of the III-V group compound semiconductor is P, and the group V element having an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V compound semiconductor is As or Sb. The electron transit layer 24X has a structure in which an InGaP layer is stacked as the first layer 13X, an InP layer is stacked as the second layer 15X, and an InGaP layer is stacked as the third layer 17X.
Next, a method for manufacturing the semiconductor device (InAlP / InGaP-based HEMT; InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT) according to this modification will be described.

まず、半絶縁性GaAs基板10X上に、例えばMBE法又はMOCVD法によって、バッファ層11X、InAlP下部バリア層12X、電子走行層24Xを構成するInGaP層13X、As又はSbビーム照射領域14X、InP層15X、As又はSbビーム照射領域16X、InGaP層17X、電子供給層25Xを構成するInAlPスペーサ層18X、Si−δドーピング層19X、InAlPバリア層20X、n−InGaPキャップ層22Xを順に積層させて、半導体積層構造26Xを形成する(図15参照)。   First, an InGaP layer 13X, an As or Sb beam irradiation region 14X constituting an buffer layer 11X, an InAlP lower barrier layer 12X, and an electron transit layer 24X are formed on the semi-insulating GaAs substrate 10X, for example, by MBE or MOCVD. 15X, As or Sb beam irradiation region 16X, InGaP layer 17X, InAlP spacer layer 18X constituting electron supply layer 25X, Si-δ doping layer 19X, InAlP barrier layer 20X, n-InGaP cap layer 22X are sequentially stacked, A semiconductor stacked structure 26X is formed (see FIG. 15).

このようにして、基板10Xの上方に少なくとも電子走行層24X、電子供給層25Xを含む半導体積層構造26Xを形成する(図15参照)。
特に、電子走行層24Xを形成する工程では、以下のようにして、InGaP層13X、As又はSbビーム照射領域14X、InP層15X、As又はSbビーム照射領域16X、InGaP層17Xを形成する(図15参照)。
In this manner, the semiconductor stacked structure 26X including at least the electron transit layer 24X and the electron supply layer 25X is formed above the substrate 10X (see FIG. 15).
In particular, in the step of forming the electron transit layer 24X, the InGaP layer 13X, As or Sb beam irradiation region 14X, the InP layer 15X, As or Sb beam irradiation region 16X, and the InGaP layer 17X are formed as follows (FIG. 15).

つまり、まず、InAlP下部バリア層12X上に、InGaP層(第1層)13Xを形成する。
次に、InGaP層13Xの表面にAs又はSbビームを照射して、As又はSbビーム照射領域14Xを形成する。つまり、InGaP層13Xの表面に、電子走行層24Xを構成するInGaP系化合物半導体(III−V族化合物半導体)のV族元素であるPよりも原子半径の大きいV族元素であるAs又はSbビームを照射して、As又はSbビーム照射領域14Xを形成する。
That is, first, an InGaP layer (first layer) 13X is formed on the InAlP lower barrier layer 12X.
Next, an As or Sb beam irradiation region 14X is formed by irradiating the surface of the InGaP layer 13X with an As or Sb beam. That is, an As or Sb beam which is a group V element having a larger atomic radius than P which is a group V element of an InGaP-based compound semiconductor (III-V group compound semiconductor) constituting the electron transit layer 24X on the surface of the InGaP layer 13X. To form an As or Sb beam irradiation region 14X.

ここでは、InGaP層13Xを形成した後、InP層15Xを形成する前に、即ち、InGaP層13Xを形成する工程とInP層15Xを形成する工程との間に、III族、Pのビームを止め、As又はSbビームを照射する。
これにより、PとAs又はSbの置換が起こり、InGaP層13Xの表面上に、即ち、InGaP層13Xとその後にこの上に形成されるInP層15Xとの間に、InAs、InGaAs、InAsP、InGaAsPなど、又は、InSb、InPSb、InGaSb、InGaPSbなどのAs又はSbを含む極薄(例えば1原子層程度)の混晶領域であるAs又はSbビーム照射領域14Xが形成される。
Here, after the InGaP layer 13X is formed and before the InP layer 15X is formed, that is, between the step of forming the InGaP layer 13X and the step of forming the InP layer 15X, the group III and P beams are stopped. , As or Sb beam is irradiated.
As a result, substitution of P and As or Sb occurs. On the surface of the InGaP layer 13X, that is, between the InGaP layer 13X and the InP layer 15X subsequently formed thereon, InAs, InGaAs, InAsP, InGaAsP. Or an As or Sb beam irradiation region 14X which is an ultrathin (for example, about 1 atomic layer) mixed crystal region containing As or Sb such as InSb, InPSb, InGaSb, InGaPSb, or the like.

このようにして形成される、Pよりも原子半径の大きいAs又はSbを含む混晶は、InPよりも格子定数が大きいため、InP層15Xに加わる圧縮歪みを低減することができる。
なお、ここでは、As又はSbビームを照射してAs又はSbビーム照射領域14Xを形成しているが、As又はSb雰囲気下においてAs又はSb雰囲気による混晶領域であるAs又はSbビーム照射領域14Xを形成しても良い。
The mixed crystal containing As or Sb having an atomic radius larger than that of P formed in this manner has a lattice constant larger than that of InP, so that the compressive strain applied to the InP layer 15X can be reduced.
Here, the As or Sb beam irradiation region 14X is formed by irradiating the As or Sb beam, but the As or Sb beam irradiation region 14X which is a mixed crystal region in the As or Sb atmosphere under the As or Sb atmosphere. May be formed.

次に、InGaP層13X上、即ち、InGaP層13Xの表面上のAs又はSbビーム照射領域14X上に、InP層(第2層)15Xを形成する。つまり、InGaP層13X上に、InGaP層13Xよりも電子の有効質量の軽いInP(III−V族化合物半導体)からなり、伝導帯のエネルギがInGaP層13Xよりも低いInP層15Xを形成する。   Next, an InP layer (second layer) 15X is formed on the InGaP layer 13X, that is, on the As or Sb beam irradiation region 14X on the surface of the InGaP layer 13X. That is, on the InGaP layer 13X, an InP layer 15X made of InP (group III-V compound semiconductor) having a lighter effective mass than the InGaP layer 13X and having a conduction band energy lower than that of the InGaP layer 13X is formed.

次に、InP層15Xの表面にAs又はSbビームを照射して、As又はSbビーム照射領域16Xを形成する。つまり、InP層15Xの表面に、電子走行層24Xを構成するInGaP系化合物半導体(III−V族化合物半導体)のV族元素であるPよりも原子半径の大きいV族元素であるAs又はSbビームを照射して、As又はSbビーム照射領域16Xを形成する。   Next, the As or Sb beam irradiation region 16X is formed by irradiating the surface of the InP layer 15X with As or Sb beams. That is, an As or Sb beam which is a group V element having a larger atomic radius than P which is a group V element of an InGaP-based compound semiconductor (group III-V compound semiconductor) constituting the electron transit layer 24X on the surface of the InP layer 15X. To form an As or Sb beam irradiation region 16X.

ここでは、InP層15Xを形成した後、InGaP層17Xを形成する前に、即ち、InP層15Xを形成する工程とInGaP層17Xを形成する工程との間に、III族、Pのビームを止め、As又はSbビームを照射する。
これにより、PとAs又はSbの置換が起こり、InP層15Xの表面上に、即ち、InP層15Xとその後にこの上に形成されるInGaP層17Xとの間に、InAs、InGaAs、InAsP、InGaAsPなど、又は、InSb、InPSb、InGaSb、InGaPSbなどのAs又はSbを含む極薄(例えば1原子層程度)の混晶領域であるAs又はSbビーム照射領域16Xが形成される。
Here, after the InP layer 15X is formed and before the InGaP layer 17X is formed, that is, between the step of forming the InP layer 15X and the step of forming the InGaP layer 17X, the group III and P beams are stopped. , As or Sb beam is irradiated.
As a result, substitution of P and As or Sb occurs. On the surface of the InP layer 15X, that is, between the InP layer 15X and the InGaP layer 17X subsequently formed thereon, InAs, InGaAs, InAsP, InGaAsP. Or an As or Sb beam irradiation region 16X which is an ultrathin (for example, about 1 atomic layer) mixed crystal region containing As or Sb such as InSb, InPSb, InGaSb, InGaPSb or the like.

このようにして形成される、Pよりも原子半径の大きいAs又はSbを含む混晶は、InPよりも格子定数が大きいため、InP層15Xに加わる圧縮歪みを低減することができる。
なお、ここでは、As又はSbビームを照射してAs又はSbビーム照射領域16Xを形成しているが、As又はSb雰囲気下においてAs又はSb雰囲気による混晶領域であるAs又はSbビーム照射領域16Xを形成しても良い。
The mixed crystal containing As or Sb having an atomic radius larger than that of P formed in this manner has a lattice constant larger than that of InP, so that the compressive strain applied to the InP layer 15X can be reduced.
Here, the As or Sb beam irradiation region 16X is formed by irradiating the As or Sb beam. However, the As or Sb beam irradiation region 16X which is a mixed crystal region in the As or Sb atmosphere under the As or Sb atmosphere. May be formed.

次に、InP層15X上に、即ち、InP層15Xの表面上のAs又はSbビーム照射領域16X上に、InGaP層(第3層)17Xを形成する。つまり、InP層15X上に、InP層15Xよりも電子の有効質量の重いInGaP(III−V族化合物半導体)からなり、伝導帯のエネルギがInP層15Xよりも高いInGaP層17Xを形成する。   Next, an InGaP layer (third layer) 17X is formed on the InP layer 15X, that is, on the As or Sb beam irradiation region 16X on the surface of the InP layer 15X. That is, on the InP layer 15X, an InGaP layer 17X made of InGaP (III-V group compound semiconductor) having a heavier effective mass of electrons than the InP layer 15X and having a conduction band energy higher than that of the InP layer 15X is formed.

このようにして、InGaP層13X、As又はSbビーム照射領域14X、InP層15X、As又はSbビーム照射領域16X、InGaP層17Xを順に備える電子走行層24Xを形成する。
その後、上述の実施形態の場合と同様に、素子分離後、ソース電極31X、ドレイン電極32Xを形成し、ソース電極31Xとドレイン電極32Xの間のキャップ層22X上に、SiO膜23Xを形成し、T型ゲート電極33Xを形成する。
In this way, the electron transit layer 24X including the InGaP layer 13X, the As or Sb beam irradiation region 14X, the InP layer 15X, the As or Sb beam irradiation region 16X, and the InGaP layer 17X in this order is formed.
Thereafter, similarly to the above-described embodiment, after element isolation, the source electrode 31X and the drain electrode 32X are formed, and the SiO 2 film 23X is formed on the cap layer 22X between the source electrode 31X and the drain electrode 32X. Then, a T-type gate electrode 33X is formed.

このようにして、この変形例の半導体装置(InAlP/InGaP系HEMT;InGaP/InP/InGaPコンポジットチャネルHEMT)を製造することができる。
このように、この変形例の半導体装置の製造方法は、基板10Xの上方に少なくとも電子走行層24X、電子供給層25Xを含む半導体積層構造26Xを形成する工程を含む(図15参照)。
In this way, the semiconductor device (InAlP / InGaP-based HEMT; InGaP / InP / InGaP composite channel HEMT) of this modification can be manufactured.
As described above, the manufacturing method of the semiconductor device according to this modification includes a step of forming the semiconductor stacked structure 26X including at least the electron transit layer 24X and the electron supply layer 25X above the substrate 10X (see FIG. 15).

また、電子走行層24Xを形成する工程は、III−V族化合物半導体(ここではInGaP系化合物半導体)からなる第1層(ここではInGaP層)13Xを形成し、第1層13X上に、第1層13Xよりも電子の有効質量の軽いIII−V族化合物半導体からなり、伝導帯のエネルギが第1層よりも低い第2層(ここではInP層)15Xを形成し、第2層15X上に、第2層15Xよりも電子の有効質量の重いIII−V族化合物半導体からなり、伝導帯のエネルギが第2層15Xよりも高い第3層(ここではInGaP層)17Xを形成する、各工程を含む(図15参照)。   In addition, the step of forming the electron transit layer 24X is performed by forming a first layer (here InGaP layer) 13X made of a III-V group compound semiconductor (here InGaP-based compound semiconductor) and forming a first layer 13X on the first layer 13X. A second layer (here, InP layer) 15X having a conduction band energy lower than that of the first layer is formed of a III-V group compound semiconductor having an electron effective mass lighter than that of the first layer 13X. In addition, a third layer (in this case, an InGaP layer) 17X having a conduction band energy higher than that of the second layer 15X is formed of a III-V group compound semiconductor having an effective electron mass greater than that of the second layer 15X. Including steps (see FIG. 15).

さらに、第1層13Xを形成する工程と第2層15Xを形成する工程との間及び第2層15Xを形成する工程と第3層17Xを形成する工程との間に、III−V族化合物半導体のV族元素(ここではP)よりも原子半径の大きいV族元素(ここではAs又はSb)を照射する工程を含む(図15参照)。
本実施形態では、半導体積層構造26Xは、さらに下部バリア層(ここではInAlP層)12Xを含む。そして、半導体積層構造26Xを形成する工程は、下部バリア層12Xを形成し、下部バリア層12X上に、伝導帯のエネルギが下部バリア層12Xよりも低い第1層13X及び第3層17Xを含む電子走行層24Xを形成し、電子走行層24X上に、伝導帯のエネルギが電子走行層24Xの第1層13X及び第3層17Xよりも高い電子供給層(ここではInAlP層)25Xを形成する、各工程を含む。つまり、下部バリア層12X、電子走行層24X及び電子供給層25Xによって構成される量子井戸の中に、電子走行層24Xの第1層13X、第2層15X及び第3層17Xによって構成され、この量子井戸よりも伝導帯のエネルギが深い(低い)量子井戸を形成する(図15、図16参照)。
Further, between the step of forming the first layer 13X and the step of forming the second layer 15X, and between the step of forming the second layer 15X and the step of forming the third layer 17X, a III-V group compound It includes a step of irradiating a group V element (As or Sb here) having a larger atomic radius than the group V element (here P) of the semiconductor (see FIG. 15).
In the present embodiment, the semiconductor stacked structure 26X further includes a lower barrier layer (InAlP layer here) 12X. The step of forming the semiconductor multilayer structure 26X includes the formation of the lower barrier layer 12X, and the first layer 13X and the third layer 17X having conduction band energy lower than that of the lower barrier layer 12X are formed on the lower barrier layer 12X. An electron transit layer 24X is formed, and an electron supply layer (here, an InAlP layer) 25X having conduction band energy higher than that of the first layer 13X and the third layer 17X of the electron transit layer 24X is formed on the electron transit layer 24X. , Including each step. That is, in the quantum well constituted by the lower barrier layer 12X, the electron transit layer 24X, and the electron supply layer 25X, the electron transit layer 24X is constituted by the first layer 13X, the second layer 15X, and the third layer 17X. A quantum well having a deeper (lower) conduction band energy than that of the quantum well is formed (see FIGS. 15 and 16).

また、本実施形態では、III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素を照射する工程で、III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素を照射することによって形成される混晶領域14X,16Xの伝導体のエネルギは、第2層15Xの伝導帯のエネルギよりも低い(図15、図16参照)。
(その他)
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
In the present embodiment, in the step of irradiating a group V element having a larger atomic radius than the group V element of the group III-V compound semiconductor, the group V having a larger atomic radius than the group V element of the group III-V compound semiconductor. The energy of the conductor in the mixed crystal regions 14X and 16X formed by irradiating the element is lower than the energy of the conduction band of the second layer 15X (see FIGS. 15 and 16).
(Other)
Note that the present invention is not limited to the configurations described in the above-described embodiments and modifications, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

以下、上述の実施形態及び変形例に関し、更に、付記を開示する。
(付記1)
基板の上方に少なくとも電子走行層、電子供給層を含む半導体積層構造を備え、
前記電子走行層は、III−V族化合物半導体からなり、第1層、第2層及び第3層が順に積層された構造を有し、前記第2層は前記第1層及び前記第3層よりも電子の有効質量の軽い半導体からなり、前記第2層の伝導帯のエネルギが前記第1層及び前記第3層の伝導帯のエネルギよりも低く、前記第1層と前記第2層との界面及び前記第2層と前記第3層との界面に、前記III−V族化合物半導体のV族元素が、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きいV族元素で置換された混晶領域を有することを特徴とする半導体装置。
Hereinafter, additional notes will be disclosed regarding the above-described embodiment and modifications.
(Appendix 1)
A semiconductor laminated structure including at least an electron transit layer and an electron supply layer above the substrate,
The electron transit layer is made of a III-V group compound semiconductor, and has a structure in which a first layer, a second layer, and a third layer are sequentially stacked, and the second layer includes the first layer and the third layer. A semiconductor having a lighter effective mass of electrons, wherein the energy of the conduction band of the second layer is lower than the energy of the conduction bands of the first layer and the third layer, and the first layer, the second layer, The group V element of the group III-V compound semiconductor has a larger atomic radius than the group V element of the group III-V compound semiconductor at the interface of the second layer and the third layer. A semiconductor device having a mixed crystal region substituted with an element.

(付記2)
前記半導体積層構造は、さらに下部バリア層を含み、前記下部バリア層、前記電子走行層及び前記電子供給層が順に積層された構造を有し、前記電子走行層の前記第1層及び前記第3層の伝導帯のエネルギが前記下部バリア層及び前記電子供給層の伝導帯のエネルギよりも低いことを特徴とする、付記1に記載の半導体装置。
(Appendix 2)
The semiconductor stacked structure further includes a lower barrier layer, and has a structure in which the lower barrier layer, the electron transit layer, and the electron supply layer are sequentially laminated, and the first layer and the third layer of the electron transit layer. The semiconductor device according to appendix 1, wherein energy of a conduction band of the layer is lower than energy of a conduction band of the lower barrier layer and the electron supply layer.

(付記3)
前記混晶領域の伝導体のエネルギは、前記第2層の伝導帯のエネルギよりも低いことを特徴とする、付記1又は2に記載の半導体装置。
(付記4)
前記III−V族化合物半導体の前記V族元素はAsであり、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きい前記V族元素はSbであることを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 3)
The semiconductor device according to appendix 1 or 2, wherein the energy of the conductor in the mixed crystal region is lower than the energy of the conduction band of the second layer.
(Appendix 4)
The group V element of the group III-V compound semiconductor is As, and the group V element having an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V compound semiconductor is Sb. The semiconductor device according to any one of 1 to 3.

(付記5)
前記電子走行層は、前記第1層としてInGaAs層、前記第2層としてInAs層、前記第3層としてInGaAs層が順に積層された構造を有することを特徴とする、付記4に記載の半導体装置。
(付記6)
前記III−V族化合物半導体の前記V族元素はPであり、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きい前記V族元素はAsであることを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
(Appendix 5)
The semiconductor device according to claim 4, wherein the electron transit layer has a structure in which an InGaAs layer as the first layer, an InAs layer as the second layer, and an InGaAs layer as the third layer are sequentially stacked. .
(Appendix 6)
The group V element of the group III-V compound semiconductor is P, and the group V element having an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V compound semiconductor is As. The semiconductor device according to any one of 1 to 3.

(付記7)
前記III−V族化合物半導体の前記V族元素はPであり、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きい前記V族元素はSbであることを特徴とする、付記1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。
(付記8)
前記電子走行層は、前記第1層としてInGaP層、前記第2層としてInP層、前記第3層としてInGaP層が順に積層された構造を有することを特徴とする、付記6又は7に記載の半導体装置。
(Appendix 7)
The group V element of the group III-V compound semiconductor is P, and the group V element having an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V compound semiconductor is Sb. The semiconductor device according to any one of 1 to 3.
(Appendix 8)
The electron transit layer has a structure in which an InGaP layer as the first layer, an InP layer as the second layer, and an InGaP layer as the third layer are sequentially stacked. Semiconductor device.

(付記9)
基板の上方に少なくとも電子走行層、電子供給層を含む半導体積層構造を形成する工程を含み、
前記電子走行層を形成する工程は、
III−V族化合物半導体からなる第1層を形成し、
前記第1層上に、前記第1層よりも電子の有効質量の軽いIII−V族化合物半導体からなり、伝導帯のエネルギが前記第1層よりも低い第2層を形成し、
前記第2層上に、前記第2層よりも電子の有効質量の重いIII−V族化合物半導体からなり、伝導帯のエネルギが前記第2層よりも高い第3層を形成する、各工程を含み、
さらに、前記第1層を形成する工程と前記第2層を形成する工程との間及び前記第2層を形成する工程と前記第3層を形成する工程との間に、前記III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素を照射する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
(Appendix 9)
Forming a semiconductor multilayer structure including at least an electron transit layer and an electron supply layer above the substrate;
The step of forming the electron transit layer includes
Forming a first layer made of a III-V compound semiconductor;
On the first layer, a group III-V compound semiconductor having a lighter effective mass of electrons than the first layer is formed, and a second layer having a conduction band energy lower than that of the first layer is formed.
Each step of forming, on the second layer, a third layer made of a III-V group compound semiconductor having an electron effective mass heavier than that of the second layer and having a conduction band energy higher than that of the second layer. Including
Further, the III-V group between the step of forming the first layer and the step of forming the second layer and between the step of forming the second layer and the step of forming the third layer. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: irradiating a group V element having an atomic radius larger than that of a group V element of a compound semiconductor.

(付記10)
前記半導体積層構造は、さらに下部バリア層を含み、
前記半導体積層構造を形成する工程は、
前記下部バリア層を形成し、
前記下部バリア層上に、伝導帯のエネルギが前記下部バリア層よりも低い前記第1層及び前記第3層を含む前記電子走行層を形成し、
前記電子走行層上に、伝導帯のエネルギが前記電子走行層の前記第1層及び前記第3層よりも高い前記電子供給層を形成する、各工程を含むことを特徴とする、付記9に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 10)
The semiconductor multilayer structure further includes a lower barrier layer,
The step of forming the semiconductor stacked structure includes:
Forming the lower barrier layer;
Forming the electron transit layer including the first layer and the third layer having a conduction band energy lower than that of the lower barrier layer on the lower barrier layer;
Appendix 9 includes the steps of forming the electron supply layer on the electron transit layer having a conduction band energy higher than that of the first layer and the third layer of the electron transit layer. The manufacturing method of the semiconductor device of description.

(付記11)
前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きい前記V族元素を照射する工程で、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きい前記V族元素を照射することによって形成される混晶領域の伝導体のエネルギは、前記第2層の伝導帯のエネルギよりも低いことを特徴とする、付記9又は10に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 11)
In the step of irradiating the group V element having a larger atomic radius than the group V element of the III-V group compound semiconductor, the group V element having a larger atomic radius than the group V element of the group III-V compound semiconductor. 11. The method of manufacturing a semiconductor device according to appendix 9 or 10, wherein the energy of the conductor in the mixed crystal region formed by irradiating is lower than the energy of the conduction band of the second layer.

(付記12)
前記III−V族化合物半導体の前記V族元素はAsであり、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きい前記V族元素はSbであることを特徴とする、付記9〜11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記13)
前記電子走行層を形成する工程において、前記第1層としてInGaAs層を形成し、前記第2層としてInAs層を形成し、前記第3層としてInGaAs層を形成することを特徴とする、付記12に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 12)
The group V element of the group III-V compound semiconductor is As, and the group V element having an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V compound semiconductor is Sb. The manufacturing method of the semiconductor device of any one of 9-11.
(Appendix 13)
Note 12: In the step of forming the electron transit layer, an InGaAs layer is formed as the first layer, an InAs layer is formed as the second layer, and an InGaAs layer is formed as the third layer. The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 1-3.

(付記14)
前記III−V族化合物半導体の前記V族元素はPであり、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きい前記V族元素はAsであることを特徴とする、付記9〜11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(付記15)
前記III−V族化合物半導体の前記V族元素はPであり、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きい前記V族元素はSbであることを特徴とする、付記9〜11のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 14)
The group V element of the group III-V compound semiconductor is P, and the group V element having an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V compound semiconductor is As. The manufacturing method of the semiconductor device of any one of 9-11.
(Appendix 15)
The group V element of the group III-V compound semiconductor is P, and the group V element having an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V compound semiconductor is Sb. The manufacturing method of the semiconductor device of any one of 9-11.

(付記16)
前記電子走行層を形成する工程において、前記第1層としてInGaP層を形成し、前記第2層としてInP層を形成し、前記第3層としてInGaP層を形成することを特徴とする、付記14又は15に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 16)
Note 14: In the step of forming the electron transit layer, an InGaP layer is formed as the first layer, an InP layer is formed as the second layer, and an InGaP layer is formed as the third layer. Or 15. A method of manufacturing a semiconductor device according to 15.

10 基板(InP基板)
10X 基板(GaAs基板)
11、11X バッファ層
12 InAlAs下部バリア層
12X InAlP下部バリア層
13 InGaAs層(第1層)
13X InGaP層(第1層)
14 Sb照射領域(混晶領域)
14X As又はSb照射領域(混晶領域)
15 InAs層(第2層)
15X InP層(第2層)
16 Sb照射領域(混晶領域)
16X As又はSb照射領域(混晶領域)
17 InGaAs層(第3層)
17X InGaP層(第3層)
18 InAlAsスペーサ層
18X InAlPスペーサ層
19、19X Si―δドーピング層
20 InAlAsバリア層
20X InAlPバリア層
21 InPエッチング停止層
22 n−InGaAsキャップ層
22X n−InGaPキャップ層
23、23X SiO
24、24X 電子走行層(コンポジットチャネル層)
25、25X 電子供給層
26、26X 半導体積層構造
31、31X ソース電極
32、32X ドレイン電極
33、33X ゲート電極
41 レジスト膜(ZEP)
42 レジスト膜(PMGI)
43 レジスト膜(ZEP)
10 Substrate (InP substrate)
10X substrate (GaAs substrate)
11, 11X Buffer layer 12 InAlAs lower barrier layer 12X InAlP lower barrier layer 13 InGaAs layer (first layer)
13X InGaP layer (first layer)
14 Sb irradiation region (mixed crystal region)
14X As or Sb irradiation region (mixed crystal region)
15 InAs layer (second layer)
15X InP layer (second layer)
16 Sb irradiation region (mixed crystal region)
16X As or Sb irradiation region (mixed crystal region)
17 InGaAs layer (third layer)
17X InGaP layer (third layer)
18 InAlAs spacer layer 18X InAlP spacer layer 19, 19X Si-δ doping layer 20 InAlAs barrier layer 20X InAlP barrier layer 21 InP etching stop layer 22 n-InGaAs cap layer 22X n-InGaP cap layer 23, 23X SiO 2 film 24, 24X Electronic travel layer (composite channel layer)
25, 25X Electron supply layer 26, 26X Semiconductor laminated structure 31, 31X Source electrode 32, 32X Drain electrode 33, 33X Gate electrode 41 Resist film (ZEP)
42 Resist film (PMGI)
43 Resist film (ZEP)

Claims (9)

基板の上方に少なくとも電子走行層、電子供給層を含む半導体積層構造を備え、
前記電子走行層は、III−V族化合物半導体からなり、第1層、第2層及び第3層が順に積層された構造を有し、前記第2層は前記第1層及び前記第3層よりも電子の有効質量の軽い半導体からなり、前記第2層の伝導帯のエネルギが前記第1層及び前記第3層の伝導帯のエネルギよりも低く、前記第1層と前記第2層との界面及び前記第2層と前記第3層との界面に、前記III−V族化合物半導体のV族元素が、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きいV族元素で置換された混晶領域を有することを特徴とする半導体装置。
A semiconductor laminated structure including at least an electron transit layer and an electron supply layer above the substrate,
The electron transit layer is made of a III-V group compound semiconductor, and has a structure in which a first layer, a second layer, and a third layer are sequentially stacked, and the second layer includes the first layer and the third layer. A semiconductor having a lighter effective mass of electrons, wherein the energy of the conduction band of the second layer is lower than the energy of the conduction bands of the first layer and the third layer, and the first layer, the second layer, The group V element of the group III-V compound semiconductor has a larger atomic radius than the group V element of the group III-V compound semiconductor at the interface of the second layer and the third layer. A semiconductor device having a mixed crystal region substituted with an element.
前記半導体積層構造は、さらに下部バリア層を含み、前記下部バリア層、前記電子走行層及び前記電子供給層が順に積層された構造を有し、前記電子走行層の前記第1層及び前記第3層の伝導帯のエネルギが前記下部バリア層及び前記電子供給層の伝導帯のエネルギよりも低いことを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor stacked structure further includes a lower barrier layer, and has a structure in which the lower barrier layer, the electron transit layer, and the electron supply layer are sequentially laminated, and the first layer and the third layer of the electron transit layer. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the energy of the conduction band of the layer is lower than the energy of the conduction band of the lower barrier layer and the electron supply layer. 前記混晶領域の伝導体のエネルギは、前記第2層の伝導帯のエネルギよりも低いことを特徴とする、請求項1又は2に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the energy of the conductor in the mixed crystal region is lower than the energy of the conduction band of the second layer. 前記III−V族化合物半導体の前記V族元素はAsであり、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きい前記V族元素はSbであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。   The group V element of the group III-V compound semiconductor is As, and the group V element having an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V compound semiconductor is Sb. Item 4. The semiconductor device according to any one of Items 1 to 3. 前記電子走行層は、前記第1層としてInGaAs層、前記第2層としてInAs層、前記第3層としてInGaAs層が順に積層された構造を有することを特徴とする、請求項4に記載の半導体装置。   5. The semiconductor according to claim 4, wherein the electron transit layer has a structure in which an InGaAs layer as the first layer, an InAs layer as the second layer, and an InGaAs layer as the third layer are sequentially stacked. apparatus. 前記III−V族化合物半導体の前記V族元素はPであり、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きい前記V族元素はAsであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。   The group V element of the group III-V compound semiconductor is P, and the group V element having an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V compound semiconductor is As. Item 4. The semiconductor device according to any one of Items 1 to 3. 前記III−V族化合物半導体の前記V族元素はPであり、前記III−V族化合物半導体の前記V族元素よりも原子半径の大きい前記V族元素はSbであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体装置。   The group V element of the group III-V compound semiconductor is P, and the group V element having an atomic radius larger than that of the group V element of the group III-V compound semiconductor is Sb. Item 4. The semiconductor device according to any one of Items 1 to 3. 前記電子走行層は、前記第1層としてInGaP層、前記第2層としてInP層、前記第3層としてInGaP層が順に積層された構造を有することを特徴とする、請求項6又は7に記載の半導体装置。   The electron transit layer has a structure in which an InGaP layer as the first layer, an InP layer as the second layer, and an InGaP layer as the third layer are sequentially stacked. Semiconductor device. 基板の上方に少なくとも電子走行層、電子供給層を含む半導体積層構造を形成する工程を含み、
前記電子走行層を形成する工程は、
III−V族化合物半導体からなる第1層を形成し、
前記第1層上に、前記第1層よりも電子の有効質量の軽いIII−V族化合物半導体からなり、伝導帯のエネルギが前記第1層よりも低い第2層を形成し、
前記第2層上に、前記第2層よりも電子の有効質量の重いIII−V族化合物半導体からなり、伝導帯のエネルギが前記第2層よりも高い第3層を形成する、各工程を含み、
さらに、前記第1層を形成する工程と前記第2層を形成する工程との間及び前記第2層を形成する工程と前記第3層を形成する工程との間に、前記III−V族化合物半導体のV族元素よりも原子半径の大きいV族元素を照射する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a semiconductor multilayer structure including at least an electron transit layer and an electron supply layer above the substrate;
The step of forming the electron transit layer includes
Forming a first layer made of a III-V compound semiconductor;
On the first layer, a group III-V compound semiconductor having a lighter effective mass of electrons than the first layer is formed, and a second layer having a conduction band energy lower than that of the first layer is formed.
Each step of forming, on the second layer, a third layer made of a III-V group compound semiconductor having an electron effective mass heavier than that of the second layer and having a conduction band energy higher than that of the second layer. Including
Further, the III-V group between the step of forming the first layer and the step of forming the second layer and between the step of forming the second layer and the step of forming the third layer. A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: irradiating a group V element having an atomic radius larger than that of a group V element of a compound semiconductor.
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