JP2560562B2 - エピタキシャル成長化合物半導体結晶 - Google Patents
エピタキシャル成長化合物半導体結晶Info
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Description
(以下FETと呼称する。)およびFETを基本素子と
する半導体集積回路(以下ICと呼称する)用に適した
エピタキシャル成長化合物半導体結晶に関する。
、AlGaInP などのエピタキシャル成長化合物半導体結
晶(以下単にエピタキシャル結晶と呼称する場合があ
る。)は超高速FET素子の材料として極めて有用であ
り、その需要は超高周波帯における各種増幅機や高速集
積回路用途に近年激増している現状にある。これらの用
途向けのFET素子は通常半絶縁性の単結晶基板上に所
定のキャリア濃度、膜厚および組成でエピタキシャル成
長させた結晶層の加工により作製される。このFET素
子の材料となるエピタキシャル結晶は気相成長法、分子
線エピタキシャル成長法および液相成長法により製作さ
れている。例えば気相成長法の一種である有機金属熱分
解法により、近年超高速FETの一種として注目を集め
ている高電子移動度トランジスタ−(High Electron Mo
bility Transistor ;以下HEMTと呼称する。)用の
エピタキシャル結晶を作製する場合,加熱された単結晶
GaAs基板上に原料であるアルシン、トリメチルガリウ
ム、トリメチルアルミニウムおよびド−パントガスを順
次供給して熱分解させ、ノンド−プGaAs(膜厚約 0.5
μ)、ノンド−プAl0.3Ga0.7As(膜厚 0.001〜0.02
μ)、n型Al0.3Ga0.7As(膜厚 0.035〜0.05μ)および
n型GaAs結晶(膜厚0.05〜0.15μ)を順次エピタキシャ
ル成長させることにより所定の構造を有する結晶を得る
ことができる。
エピタキシャル結晶ではFET素子作製に用いた場合、
素子特性が必ずしも良好ではないという問題があった。
従来のFET用エピタキシャル成長結晶においては一般
に基板とエピタキシャル成長界面に生じ易い欠陥層の影
響を避けるため活性層との間に 0.2〜5μ程度の高純度
バッファ−層が挿入されているが、バッファ−層自身の
リ−ク電流を低減するためにバッファ−層は高抵抗の結
晶であることが要求される。しかしながら安定的にバッ
ファ−層を高抵抗化するためにはバッファ−層結晶を高
純度化する必要があるが、これにはいくつかの課題があ
った。すなわちエピタキシャル成長結晶の残留不純物を
低減することがかなり困難であること、およびエピタキ
シャル結晶が高純度化するほど基板およびエピタキシャ
ル層の基板界面の不純物ないし欠陥の影響が相対的に大
きくなり、必要な高い抵抗率を有する結晶を得るために
はエピタキシャル層だけでなく、基板やその洗浄法、エ
ピタキシャル成長炉の雰囲気などを厳密に管理する必要
があり、その実施に際しては実質的に大きな困難を伴う
ものであった。バッファ−層またはその一部が低抵抗化
した場合、バッファ−層を通じての電流リ−クが生じ易
くなりFET特性不良の一因となっていると考えられ、
これらの結晶のFETへの応用上の障害となっていた。
また、集積回路(IC)用に用いる結晶においてもやは
り同様にバッファ−層不純物に起因すると思われるしき
い値電圧のばらつきといった問題を生じていた。
際して結晶の禁制帯中に深い準位を形成するド−パン
ト、たとえばクロム、酸素、バナジウム等を添加し、不
純物補償により残留キャリア濃度を下げる試みが行われ
ている。特に結晶成分としてAlが入った場合,Alが非常
に活性が高いことを利用して酸素あるいは遷移金属類の
ド−ピングにより高い抵抗率を有する結晶層が得られる
ことが報告されている(特開平3− 22519号公報および
特開平1−261818号公報)。酸素および遷移金属類は半
導体の禁制帯中に深い準位を形成することが知られてお
り,これらの不純物に対するAlの高い活性を利用してAl
を含む結晶中に多量に深い準位を導入することによりエ
ピタキシャル結晶およびエピタキシャル層に影響を及ぼ
す基板からの不純物、さらにはエピタキシャル成長炉雰
囲気からの不純物を効果的に補償し、高抵抗結晶を安定
的に作製することは可能ではある。
プしたAlを含む高抵抗エピタキシャル層をバッファ−層
としてFET作製に用いた場合、次の問題があることが
判った。すなわち、これらの高抵抗結晶の上に活性層を
形成しFETを作製し、その静特性をみた場合、ドレイ
ン電流のドレイン電圧特性においてヒステリシスや一定
ドレイン電圧印加時にドレイン電流が異常増加するキン
ク現象の発生といった問題が生じる。また選択ド−プ構
造によりHEMTを作製した場合は2次元電子密度の減
少が生じる。これらの現象の原因については明らかでは
ないが、高抵抗バッファ−層中に多量に導入されている
深い準位がそのような異常特性の原因と推測される。し
たがって酸素または遷移金属をド−プしたAlを含む高抵
抗エピタキシャル層は高抵抗ではあってもFET特性の
面からは必ずしも高品質とはいえず、各種FETへ利用
する上でバッファ−層の抵抗率とFET特性とはトレ−
ドオフの関係にあることがわかり,安定した高抵抗でし
かも素子特性への影響の少ない結晶材料が望まれてい
た。
キシャル結晶において、現実に可能な結晶純度レベルの
範囲で高い抵抗率を有し,高速電子素子用として良好な
素子特性を可能にし、かつ工業的に安定して生産可能な
構造を有するエピタキシャル結晶を提供することにあ
る。
上にバッファ−層、その上に活性層を有するエピタキシ
ャル成長化合物半導体結晶において、該バッファ−層と
して (A)酸素または/および遷移金属を添加した高抵抗
AlGaAsまたはAlGaInP 層とその上の (B)高純度GaAs、In
GaP またはAlGaAs層からなる層を有することを特徴とす
るエピタキシャル成長化合物半導体結晶を提供すること
にある。
ルの範囲で十分な抵抗率を達成でき、かつ高抵抗化に必
要な酸素または遷移金属不純物が素子特性へ及ぼす影響
を低減ないし応用上無視しうるレベルにまで下げること
が可能であり,このような構造を採用することによりバ
ッファ−層の抵抗とFET特性を同時に満足する各種F
ET用結晶の安定的な生産が可能になる。
はAlを含む混晶の成長可能な液層エピタキシャル成長
法、有機金属気相成長法、分子線エピタキシャル成長
法、化学ビ−ムエピタキシャル成長法、原子層エピタキ
シャル成長法などを用いることができる。
法を用いて作製したAlGaAsバッファ−層及びn型GaAs活
性層からなるFET用結晶を例にとり、さらに詳細に説
明する。
常、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム等のトリ
アルキルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリエチ
ルアルミニウム等のトリアルキルアルミニウムや3水素
化アルミニウム、トリメチルインジウム、トリエチルイ
ンジウム等のトリアルキルインジウムやシクロペンタジ
エニルインジウムを目的とする化合物半導体の組成に応
じて単独または混合して用いる。これらの原料について
は得られる結晶の純度について問題がない程度に高純度
のものが市販されているのでこれらを使用することがで
きる。一方、5族原料としては市販のアルシンまたはホ
スフィンの他、アルキルアルシン,アルキルホスフィン
を用いることができる。また3族原料化合物と適当な有
機5族化合物との付加化合物(アダクツ)を使用するこ
とも可能である。
相成長法によるGaAsのエピタキシャル成長装置の一例の
概略図である。以下この図を用いて本発明を具体的に説
明する。
御されたキャリアガスは恒温槽2によって温度調節され
たバブラ−3に送り込まれ,同バブラ−3に入れられた
トリアルキルガリウム中にバブルされ,蒸発したアルキ
ルガリウム蒸気と共に反応器7に導入される。このとき
のトリアルキルガリウムの導入量は液温によって定まる
蒸気圧とバブルされるキャリアガス流量によって制御さ
れ、通常10-3〜10-5mol /min の範囲である。一方アル
シンは通常アルミニウムまたは鋼製の高圧容器4に充填
されており,減圧弁5により調圧後,マスフロ−コント
ロ−ラ−6により流量調整して反応器7に導入される。
アルシンの導入量は通常ガリウム原料の5〜 200倍の範
囲が一般的である。アルシンおよびトリアルキルガリウ
ム蒸気はマスフロ−コントロ−ラ−8により流量制御さ
れたキャリアガスと共に反応器7に送り込まれるのが一
般的である。反応器内には外部コイル9により高周波誘
導加熱が可能なグラファイト支持台(サセプタ−)10
が設置されており,前記原料とキャリアガスとの混合ガ
スはその上に載置された基板11付近で熱分解され該基
板上にGaAsのエピタキシャル結晶成長が生じる。反応後
のガスは排気口12から排出される。
ガリウムの他にトリアルキルガリウムに用いたものと同
様なガス供給装置を用いてトリアルキルアルミニウムを
供給することによりAlGaAsエピタキシャル結晶を得るこ
とができる。また同様にしてトリアルキルインジウムを
供給することによりInGaAs、InAlAsエピタキシャル結晶
を得ることができる。またAsの代わりにPを用いること
によりInGaP 、InAlP、InGaAlP のエピタキシャル結晶
を得ることができる。AsおよびP源として上記のような
水素化物の他、有機化合物を用いる場合はトリアルキル
ガリウムと同様の供給法を用いればよい。
シャル結晶は、洗浄した基板上へ高抵抗の酸素または/
および遷移金属ド−プAlGaAs、AlInGaP またはInAlAs層
を所定の厚さに成長させ、引続き高純度のGaAsまたはAl
GaAsまたはInGaP 層を所定の厚さに成長した後、引続き
所定の原料切り替えおよび不純物添加を行って所定のキ
ャリア濃度、組成および膜厚を有する活性層結晶を成長
させることにより安定して得ることができる。活性層部
分の構造を選ぶことにより、通常のFETの他、HEM
TやMISFET等、各種のヘテロ接合FETが作製可
能である。このような構造を採ることにより、特に純度
の制御が困難な結晶成長初期層を安定して高抵抗化でき
ると共に活性層への酸素不純物の影響を実質的に低減さ
せることができる。
(1-X)Asの場合、酸素に対する活性度からx>0である
必要があるが、xが小さいと酸素の取り込み率が小さく
抵抗率を上げ難い。またxの大きい場合、結晶は酸化さ
れやすく不安定であることから0.1 <x<0.8 が望まし
い。より望ましくは 0.2≦x≦0.7 が適当である。AlX
Iny Ga(1-X-Y) P の場合、GaAs基板を用いる場合は格子
整合の点からy=0.49付近であることが必要である。Al
については0<x≦0.51の範囲でよい。また、遷移金属
の場合はドーパントの種類にもよるが、上記の制限は特
にない。
格子整合する系としてIn0.51Al0.49Asを用いることがで
きる。
ついてはそのベ−スとなる結晶純度にもよるが概ね、望
ましくは1×1016/cm3 以上、より望ましくは1×1017
/cm3以上である。一方、上限は成長条件等により異なる
ので一概に決められないが、余り多過ぎると成長表面が
荒れたりするので望ましくは1×1021/cm3程度以下、よ
り望ましくは1×1020/cm3 程度以下である。酸素ド−
パントとしては水素または不活性ガスに希釈された酸素
ガスを用いることが可能である。また原料の有機金属の
アルキルアルミニウムの一部を酸化してアルコキサイド
としたものをアルミニウム原料として使用することがで
きる。またアルミニウムのアルコキサイドを原料アルキ
ルアルミニウムとは別にド−パントとして添加して用い
ることができる。その他、Alを含む混晶の高抵抗化ド−
パントとして知られているトリエトキシバナジル等の遷
移金属アルコキサイド、ヘキサカルボニルクロム等の遷
移金属化合物類を用いることも可能であるが、高抵抗層
の上に作製する高純度層への影響はできるだけ少ないこ
とが望ましく、残留効果や表面偏析の少ない不純物が望
ましい。
不純物およびエピタキシャル成長炉における雰囲気から
の初期汚染等の過渡的な不純物のゲッタリング層をも兼
ねており,その上に成長させる結晶層の純度を上げるた
めに望ましくは2000Å以上、より望ましくは5000Å以上
必要である。また、上限は特にないが工業的にみれば通
常5μ以下が好ましい。
ノンド−プのGaAs、AlGaAs、InGaPを用いることができ
る。その際の純度としてはドナ−不純物,アクセプタ−
不純物及び電子捕獲性の深い準位などの活性な欠陥の濃
度の総和が1×1016/cm3以下、望ましくは1×1015/cm3
以下であることが必要である。また残留不純物の濃度が
これらの値以下である場合でも不純物相互の補償により
結晶の抵抗率は高い方が望ましい。AlX Ga(1-X) Asにつ
いては任意の組成xを選ぶことができるが、Alの組成が
高い場合結晶性が低下しやすいためx≦0.3 が適当であ
る。高純度層の厚さについては該結晶層の純度および要
求される素子特性のレベルにもよるが少なくとも1000Å
以上、上記高抵抗層の影響を無視しうる程度に低減する
ためには望ましくは3000Å以上、より望ましくは5000Å
以上が必要である。この高純度の結晶層を入れることに
より、実際のFET素子動作時に酸素または遷移金属添
加層で生じる深い準位へのキャリア捕獲・放出に伴う空
間電荷密度の変動による活性層電流密度への影響を低減
ないし除去することができる。一方、厚すぎる場合は高
純度層の抵抗率によっては高純度層での電流リ−クが問
題となるため望ましくは 20000Å以下、より望ましくは
10000Å以下が適当である。
シスやキンク等の少ない良好な特性を有し、超高周波帯
における増幅器、論理素子用FET用の材料として有用
な高速電子素子用エピタキシャル結晶を提供することが
でき、また使用する基板やその前処理等の影響を低減
し、各種FETを安定的に製造することができるエピタ
キシャル結晶を提供することができる。
板上に複数の素子を作製した場合の素子間干渉も低減が
可能でFETを基本素子とした集積回路用としても有用
であり、その工業的な意義はきわめて大きい。
らに具体的に説明するが,本発明はこれらにより限定さ
れるものではない。
釈したジシランが供給可能なアルシン供給部と同様な機
構2系列およびトリメチルアルミニウムが供給可能なト
リメチルガリウム供給部と同様な機構2系列(図示せ
ず。)を有する装置を用い、半絶縁性GaAs単結晶を基板
として基板温度 650℃、トリメチルガリウム(以下TM
G)供給量 5.2×10-5mol/min 及びキャリア水素ガス9
l/min で、アルシン供給量を2.6 ×10-4mol/min (As/Ga
=50に相当)として結晶成長を行った。このときのGaAs
成長速度は 400Å/minであった。ノンド−プGaAs層を30
00Å成長後、市販のトリメチルアルミニウム(以下TM
A)を 1.3×10-5mol/min および市販のTMAを空気酸
化により酸素不純物濃度を約 4000ppmとしたものを3.9
×10-5mol/min の速度で水素キャリアと共に供給した。
このときの成長速度は800Å/minでAl組成比x=0.5 のA
lX Ga(1-X) As層が得られる。この層を12分30秒の成長
により厚さ 10000Åに成長後、酸素不純物濃度4000ppm
のTMAの供給を止め、Al組成比x=0.2 のAlX Ga
(1-X) As層を成長速度 500Å/minで10分間成長した。な
お,このときのAl組成比x=0.2 のAlX Ga(1-X) As層は
他に行った実験により、残留キャリア濃度1〜3×1015
/cm3程度のp型であった。次にTMAの供給を停止し、
同時にジシランを8.9 ×10-8mol/min 添加しn型GaAs層
を成長速度 400Å/minで 0.5ミクロン連続して成長した
後、TMGとジシランの供給を停止して結晶成長を停止
し、550 ℃冷却後アルシンの供給を停止し、室温付近ま
で冷却後試料を反応炉より取り出した。
ろ、室温での電子移動度3,900cm2/Vsec、シ−トキャリ
ア濃度5×1012/cm2であった。次にホ−ル測定試料の電
極部を残して約 0.6μエッチングを行ってn型ド−ピン
グGaAs層を除去し、残ったノンド−プAlGaAs層部分につ
いて抵抗率を測定したところ、1×105ohm・cm以上であ
り高い抵抗率を有していることが判った。
後、直径200μのAl電極を蒸着法により形成し、c−v
法により各試料の電子濃度プロファイル測定を行ったと
ころ、図2(a) に示すように良好なプロファイルを得
た。次に試料の残りの一部を用いて図3に平面図で示す
ソース電極13およびドレイン電極14を設け、さらに
ゲ−ト長1μ、ゲ−ト幅 250μのゲート電極15を設け
たリセスゲ−ト型FET(但し、図3中のサイドゲート
を設けず。)を作製した。なお、上記FETの図3のA
−A’概略断面は図4で示すようにGaAs基板21上にGa
As層20、酸素ドープAlGaAs層19、高純度AlGaAs層1
8、Siをドープしたn型ド−ピングGaAs層17よりなっ
ている。
のようなヒステリシスが少なく、キンクのない良好な静
特性が得られた。なお、図中の横軸はドレイン電圧、縦
軸はドレイン電流、パラメーター:ゲート電圧である。
以下の静特性を示す図も同じ条件である。
部には図3でゲ−ト電極15、サイドゲート電極16を
設けず、ソ−ス電極とドレイン電極間(約10μ)に深さ
0.6μ、幅5μの溝を堀込み、ドレインソ−ス間のリ−
ク電流を測定した。10V印加時のリ−ク電流値は 5.1×
10-9Aであった。また 100V印加時もリ−ク電流の値は
1μA以下であった。このことからきわめて抵抗の高い
良好なバッファ−層ができていることが判った。
てサイドゲート電極16を設けた試料を作製した。この
電極をサイドゲ−トとして電圧を印加し、FETのドレ
イン・ソ−ス電流への影響を調べたところ図6(a) に示
すようにサイドゲ−ト電圧によるドレインソ−ス電流へ
の影響は殆ど見られなかった。(FETのドレイン電圧
Vds=2V、ゲ−ト電圧Vgs=0Vで測定。)なお、図
6中の横軸はVsg;サイドゲ−ト電圧(V)、縦軸は規
格化Ids;ドレイン電流値Idsをサイドゲ−ト電圧Vsg
=0V時のIdsで規格化した値を示す。このことからこ
の試料のバッファ−層は隣接する素子間の分離に対して
良好な特性を有していることが判った。
物濃度を約 4000ppmとしたトリメチルアルミニウムの供
給量を 5.2×10-5mol/min とし、市販トリメチルアルミ
ニウムを用いなかった以外は実施例1と同様にして結晶
成長を行った。
ろ、室温での電子移動度3,900cm2/Vsec、シ−トキャリ
ア濃度5×1012/cm2であった。次にホ−ル測定試料の電
極部を残して約 0.6ミクロンエッチングを行ってn型ド
−ピングGaAs層を除去し、残ったノンド−プAlGaAs層部
分について抵抗率を測定したところ、1×105ohm・cm以
上であり良好な抵抗率を有していることが判った。
ファイル測定を行った結果、図2(b) に示すように良好
なプロファイルを得た。次に上記の結晶を用いて実施例
1と同様にしてリセスゲ−ト型FETを作製し、静特性
を測定したところ図7のようなヒステリシスが少なく、
キンクの無い良好な静特性が得られた。次に実施例1と
同様にリ−ク電流を測定したところ、10V印加時のリ−
ク電流値は 0.5×10-9Aであった。また 100V印加時も
リ−ク電流の値は1μA以下であった。このことからき
わめて抵抗の高いバッファ−層ができていることが判っ
た。
測定したところ、図6(b) のように実施例1と同様の優
れた特性を得た。このことからこの試料のバッファ−層
は隣接する素子間の分離に対して良好な特性を有してい
ることが判った。
MA供給量を 5.2×10-5mol/min とし、酸素添加TMA
を用いなかった以外は実施例1と同様にして結晶成長を
行った。
ろ、室温での電子移動度3,900cm2/Vsec 、シ−トキャリ
ア濃度 4.5×1012/cm2であった。次にホ−ル測定試料の
電極部を残して約 0.6μエッチングを行ってn型ド−ピ
ングGaAs層を除去し、残ったノンド−プAlGaAs層部分に
ついて抵抗率を測定したところ,2〜5ohm・cmの低い抵
抗率でp型伝導を示した。次に上記の結晶を用いて実施
例1と同様にしてリセスゲ−ト型FETを作製し、静特
性を測定したところ図8のようにドレイン電圧10V付近
で異常にドレイン電流が増加するいわゆるキンクを伴う
静特性が得られた。次に実施例1と同様にリ−ク電流を
測定したところ、10V印加時のリ−ク電流値は 1.4×10
-6Aであった。また 9.6V印加時にリ−ク電流の値は1
μAを越え、FET用としてはバッファー抵抗が不十分
であることが判った。
測定したところ、図6(c) のようにサイドゲ−ト電圧に
よってドレイン電流が大きく変化しており素子間分離特
性が悪いことが判った。以上の結果から基板側バッファ
−層に酸素ド−プを行わない場合、バッファ−抵抗とF
ET特性が不良で、かつ素子間分離特性も不良であるこ
とが判った。
0.2とし、市販TMAの供給量を 1.3×10-5mol/min と
した以外は比較例1と同様にして結晶成長を行った。
ろ、室温での電子移動度3,900cm2/Vsec、シ−トキャリ
ア濃度5×1012/cm2であった。次にホ−ル測定試料の電
極部を残して約 0.6μエッチングを行ってn型ド−ピン
グGaAs層を除去し,残ったノンド−プAlGaAs層部分につ
いて抵抗率を測定したところ、1×103ohm・cmの抵抗率
でn型伝導を示した。次にc−v法により各試料の電子
濃度プロファイル測定を行った結果、図2(c)に示す
ようにバッファ−層中にややキャリア濃度の蓄積傾向の
あるプロファイルを得た。次に上記の結晶を用いて実施
例1と同様にしてリセスゲ−ト型FETを作製し、静特
性を測定したところ図9のようなヒステリシス、キンク
の少ない良好な静特性が得られた。
たところ、10V印加時のリ−ク電流値は 1.2×10-8Aで
あった。また67V印加時にリ−ク電流の値は1μAを越
え、FET用としてはバッファ−抵抗がやや低いことが
分かった。次に実施例1と同様にサイドゲ−ト特性を測
定したところ、図5(d)のようにサイドゲ−ト電圧に
よりドレイン電流の変化が見られ、素子間分離特性が悪
いことが判った。以上のことからこの試料においてはF
ET静特性は良好であったが、バッファ−抵抗および素
子分離特性が不良であることが判った。
0.2とし、市販TMAの供給量を 1.3×10-5mol/min と
し、窒素に100ppmに希釈した酸素2sccm添加した以外は
比較例2と同様にして結晶成長を行った。
室温での電子移動度3,900cm2/Vsec、シ−トキャリア濃
度 4.5×1012/cm2であった。次にホ−ル測定試料の電極
部を残して約 0.6μエッチングを行ってn型ド−ピング
GaAs層を除去し、残ったノンド−プAlGaAs層部分につい
て抵抗率を測定したところ、1×105ohm・cm以上の抵抗
率を有していることが判った。次に上記の結晶を用いて
実施例1と同様にリセスゲ−ト型FETを作製し、静特
性を測定したところ図10のようなドレイン電圧約5V
付近で強いキンクのある異常な特性が得られた。
たところ、10V印加時のリ−ク電流値は 1.2×10-8Aで
あった。また100 V印加時にもリ−ク電流の値は1μA
を越えず、バッファ−層がFET用としては良好な抵抗
値を有していることが判った。以上のことからこの試料
においてはバッファ−抵抗は良好であったが、FET特
性には強いキンクが生じ不良であることが判った。
の概略図
の深さと電子濃度との関係を示す図である。
面図。
略断面図。
Tのドレイン電流のサイドゲート電圧依存性を示す。
メチルガリウムバブラ−、4.アルシンボンベ、5.減
圧弁、6.マスフロ−コントロ−ラ−、7.反応器、8
−マスフロ−コントロ−ラ−、9.高周波加熱用コイ
ル、10.サセプタ−、11.基板、12.排気口
Claims (1)
- 【請求項1】基板上にバッファ−層、その上に活性層を
有するエピタキシャル成長化合物半導体結晶において、
該バッファ−層として (A)酸素または/および遷移金属
を添加した高抵抗AlGaAsまたはAlGaInP 層とその上の
(B)高純度GaAs、InGaP またはAlGaAs層からなる層を有
することを特徴とするエピタキシャル成長化合物半導体
結晶。
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