JP2761211B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 ヘテロ接合を有する半導体装置に関し、 制御性の向上を目的とし、 InAlAsからなる第1の層とInGaAsからなる第2の層と
のヘテロ接合を有し、前記第1の層にフェルミ準位
(EF)より高いエネルギー位置に深い不純物準位が位置
し、前記第1の層または第2の層の少なくともいずれか
一方に、価電子帯の頂上エネルギー(Ev)に対して浅い
アクセプタ準位を形成し、熱平衡状態でフェルミ準位が
禁制帯中に位置するよう構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は半導体装置に係り、特にヘテロ接合を有する
半導体装置に関する。
近年の分子線エピタキシャル成長法(MBE:Molecular
Beam Epitaxy)などの化合物半導体結晶成長技術の高度
化により、InGaAsと他の化合物半導体とのヘテロ接合を
用いた超高速半導体装置が製造できるようになってき
た。特に、InP基板上のIII−V族化合物半導体ヘテロ接
合界面に形成される2次元電子ガス(2DEG)層をチャネ
ル層に使用する電界効果トランジスタは電子移動度が大
きく注目されている。
このような半導体装置ではInP基板とデバイスの一部
を構成するInGaAs層との間に、両者の電気伝導度を抑
え、また結晶成長の際に悪影響が生じないように、バッ
ファ層が形成される。従って、このバッファ層は高抵抗
であることが必要とされる。
〔従来の技術〕
第5図(A)は従来の半導体装置の一例の構造断面
図、第5図(B)は第5図(A)に示す半導体装置のエ
ネルギーバンド図を示す。同図(A)中、1は半絶縁性
InP基板(S.I.InP基板)で、その上に超格子バッファ層
2が形成されている。超格子バッファ層2はアンドープ
InGaAs層31〜3nとアンドープInAlAs層41〜4nとが交互に
積層された構造である。なお、アンドープInGaAs層31
3nとアンドープInAlAs層41〜4nの順序はどちらが先でも
よい。
また、5はアンドープInGaAs層、6はN−InAlAs層、
7はゲート電極、8はソース電極、9はドレイン電極
で、これらは高電子移動度トランジスタ(HEMT:High El
ectron Mobility Transistor)を構成している。これら
は、MEB法により製造することができる。
第6図(A)は従来の半導体装置の他の例の構造断面
図、第6図(B)は第6図(A)に示す半導体装置のエ
ネルギーバンド図を示す。同図(A)中、第5図(A)
と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略す
る。
この従来例は、バッファ層13を超格子層ではなくアン
ドープのInAlAs層のみで形成したものである。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、第5図(A)に示した従来の半導体装置は、
そのエネルギーバンド図が第5図(B)に示す如くにな
る。MBEで製造したi−InGaAs層5はn型(n〜1×10
15cm-3)で、またアンドープのInAlAs層41〜4nは高抵抗
になる。しかもアンドープのInAlAs層41〜4nは第5図
(B)に破線で示す如く電子トラップ(深い不純物準
位)が存在することによって高抵抗になっている。
このため、両者のヘテロ接合を構成すると、フェルミ
準位EFより高い位置に深い不純物準位がくるため、これ
から電子が供給され、伝導帯の底のエネルギーECにおい
てInGaSAs層5側に第5図(B)に11で示す如く電子蓄
積層が発生する。なお、第5図(B)中、Evは価電子帯
の頂上を示す。
同様に、第6図(A)に示した従来の半導体装置もそ
のエネルギーバンド図(第6図(B))からわかるよう
に、i−InAlAs層13とi−InGaAs層5とのヘテロ接合界
面に不要な電子蓄積層14が生じてしまう。
この電子蓄積層11及び14は、不要な電子を蓄積してお
り、i−InGaAs層5上に形成されたHEMT10などのデバイ
スのリーク電流やゲート電圧の制御性を劣化させてい
た。
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、デバイス
制御性を向上できる半導体装置を提供することを目的と
する。
〔課題を解決するための手段〕
第1図(A)は本発明の原理構成図、第1図(B)は
本発明のエネルギーバンド図を示す。第1図(A)にお
いて、30はInAlAsからなる第1の層、31はInGaAsからな
る第2の層である。第1の層30と第2の層31とは互いに
伝導帯のエネルギーが異なり、へテロ接合されており、
第1図(B)に示す如くフェルミ準位EFより高い位置に
深い不純物準位32が位置する。
このような半導体装置において、本発明は上記の層30
及び31の少なくともいずれか一方に、価電子帯の頂上の
エネルギー(第1図(B)にEVで示す)に対して浅いア
クセプタ準位を形成したものである。
なお、第1図(B)では図示の便宜上、第1の物質の
層30に浅いアクセプタ準位33が形成されている。
〔作用〕
第1の層30の伝導帯の底のエネルギーは第1図(A)
にEcaで示され、第2の層31のそれは同図(A)にEcb
示す如くなり、両者のヘテロ接合界面ではΔECなる伝導
帯端不連続値が生じ、深い不純物準位32がΔEC中に位置
する。
このような半導体装置において、浅いアクセプタ準位
を第1図(B)に33で示す如く形成すると、上記の伝導
帯の底のエネルギーEca及びEcbはフェルミ準位EFより常
に高いエネルギー位置にくることになるので、電子蓄積
層は層30と31とのヘテロ接合界面で生じない。
〔実施例〕
第2図(A)は本発明の第1実施例の構造断面図、同
図(B)はそのエネルギーバンド図を示す。同図中、16
は半絶縁性InP基板、17は超格子バッファ層、20はi−I
nGaAs層で、例えばMBEにより製造されている。超格子バ
ッファ層17の各層はド・ブロイ波長以下の層厚にされて
いる。またi−InGaAs層181〜18nとp-−InAlAs層191〜1
9nとが交互に、かつ、互いに等しい膜厚で積層された構
成とされている。
i−InGaAs層181〜18nは前記第2の物質の層31に相当
し、p-−InAlAs層191〜19nは前記第1の物質の層30に相
当する。
InAlAs層191〜19nはそこから供給される電子がInGaAs
層181〜18nから供給される電子の総電荷量と等しく、又
はやや多くなるように、ベリリウム(Be)等のp形ドー
パントをInAlAs層191〜19nの各々に、低濃度(例えば3
×1015cm-3以下)にドープされる。これにより、超格子
バッファ層17全体がノンドープ層又は低濃度のp層とな
る。
なお、i−InGaAs層20上にi−InGaAs層20を含めてHE
MT等が形成される。
この第1実施例のエネルギーバンド図は第2図(B)
に示す如くになり、超格子バッファ層17におけるECは、
常にフェルミ準位EFより高いエネルギー位置になるか
ら、i−InGaAs層20と超格子バッファ層17とのヘテロ接
合界面には電子蓄積層は生じない。
本実施例によれば、i−InGaAs層181〜18nの各々の膜
厚をt1,そのフリーキャリア濃度をn、p-−InAlAs層191
〜19nの各々の膜厚をt2とし、アクセプタ濃度をNA、ト
ラップ濃度をNTとすると、nt1≒(NA−NT)t2なる式が
成立する。なお、第2図(B)中、破線21はEVに対して
浅いアクセプタ準位を示す。
次に本発明の第2実施例について第3図と共に説明す
る。第3図(A)は本発明の第2実施例の構造断面図
で、第2図(A)と同一構成部分には同一符号を付し、
その説明を省略する。本実施例は超格子バッファ層を構
成するInGaAs層(前記第1の物質の層30に相当)とInAl
As層(前記第2の物質の層31に相当)のうち、第1実施
例とは反対に、InGaAs層231〜23n形成時にP形ドーパン
トを低濃度でドープし、かつ、InAlAs層241〜24nをアン
ドープとすることにより、第3図(B)に破線25で示す
如く、InGaAs層231〜23nに浅いアクセプタ準位を形成し
超格子バッファ層22全体をi層又はp-層としたものであ
る。
本実施例のエネルギーバンド図は第3図(B)に示す
如くになり、第1実施例と同様の効果を奏する。なお、
第3図(B)中、InAlAs層241〜24nの禁制帯中の破線は
深い不純物準位を示す。
次に本発明の第3実施例について第4図と共に説明す
る。第4図(A)は本発明の第3実施例の半導体装置の
構造断面図で、第2図(A)と同一構成部分には同一符
号を付し、その説明を省略する。
本実施例は第4図(A)に示す如くバッファ層として
のInAlAs中の深い不純物準位(電子トラップ)濃度NT
同程度、又はややそれよりもアクセプタ濃度NAが多くな
るように、p形ドーパントをバッファ層形成時にInAlAs
にドープしたものである。第4図(A)中、27が上記の
ようにして得られたp-−InAlAs層(バッファ層)で、前
記第1の物質の層30に相当する。
この半導体装置のエネルギーバンド図は第4図(B)
に示す如くになり、バッファ層であるInAlAs層27とInGa
As層20との界面には電子蓄積層は発生せず、またBe等の
p形ドーパントのドープ量も少ない(例えば3×1015cm
-3以下)ので、正孔の蓄積の影響は無視できる。
なお、本発明は以上の実施例に限定されるものではな
く、超格子バッファ層を構成するInAlAs層とInGaAs層の
両方にp形ドーパントをドープするようにしてもよい。
またバッファ層はInPで構成することも可能である。
更に、本発明は通常のヘテロ接合やスタガード型ヘテ
ロ接合にも適用することができる。
〔発明の効果〕
上述の如く、本発明によれば、ヘテロ接合界面におけ
る電子蓄積層の発生を未然に防止することができ、よっ
てヘテロ接合を構成する層の上に形成されるHEMT等のデ
バイスのリーク電流やゲート電圧の制御性を格段に向上
することができる等の特長を有するものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の原理構成図とエネルギーバンド図、 第2図乃至第4図は夫々本発明の第1乃至第3実施例の
構造断面とエネルギーバンドを示す図、 第5図及び第6図は夫々従来の各例の構造断面とエネル
ギーバンドを示す図である。 図において、 16は半絶縁性InP基板、 17,22は超格子バッファ層、 181〜18n,20はi−InGaAs層、 191〜19nはp-−InAlAs層、 21,25,33はアクセプタ準位、 231〜23nはp−InGaAs層、 241〜24nはi−InAlAs層、 27はバッファ層(p-−InAlAs層)、 30は第1の物質の層、 31は第2の物質の層、 32は深い不純物準位、 EFはフェルミ準位、 Eca,Ecdは伝導帯の底のエネルギー、 EVは価電子帯の頂上のエネルギー を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/203 H01L 21/205 H01L 29/80 - 29/812 H01L 21/337 - 21/338 H01L 29/775 - 29/778 H01L 21/33 - 21/331 H01L 29/68 - 29/737

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】InAlAsからなる第1の層とInGaAsからなる
    第2の層とのヘテロ接合を有し、前記第1の層にフェル
    ミ準位(EF)より高いエネルギー位置に深い不純物準位
    が位置し、前記第1の層または第2の層の少なくともい
    ずれか一方に、価電子帯の頂上エネルギー(Ev)に対し
    て浅いアクセプタ準位を形成し、熱平衡状態でフェルミ
    準位が禁制帯中に位置することを特徴とする半導体装
    置。
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