JP2980630B2 - 化合物半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、化合物半導体装置に係り、特にｎ型Al_xGa
_1-xAsへのコンタクトの形成に関する。

（従来の技術） 砒化ガリウム（GaAs）は、シリコン（Si）に比べて、
移動度が約６倍もあり、また半絶縁性基板を容易に得る
ことができる等の利点を有していることから、高速デバ
イス用材料として有望視されている。

そしてこのGaAsにアルミニウム（Al）を添加した砒化
アルミニウムガリウム（Al_xGa_1-xAs）は格子定数がGaAs
に極めて近く、GaAsとの間で良好なエピタキシャル成長
を行うことが可能であることから、これらの間のヘテロ
接合を利用したAl_xGa_1-xAs/GaAs系のヘテロ接合デバイ
スの開発が盛んに行われている。

例えばAl_xGa_1-xAsをワイドギャップエミッタとして用
いたAl_xGa_1-xAs/GaAsヘテロ接合バイポーラトランジス
タ（HBT）や、Al_xGa_1-xAsを電子供給層として用いた高
電子移動度トランジスタ（HEMT）など、多くのデバイス
の開発が行われている。

これらのデバイスの高性能化にはオーミックコンタク
トの低減が極めて重要な役割を果たす。

一般に、Al_xGa_1-xAs層（０＜ｘ≦１）上には低抵抗の
オーミックコンタクトは形成しにくいため、表面にAl_xG
a_1-xAsがくるようなデバイスであっても、この上にオー
ミックコンタクト用のキャップ層としてn⁺GaAs層を形成
したものが用いられる。

そして、電極金属材料の組成や、合金化のための熱処
理温度等について様々な工夫がなされている。

しかしながら、GaAsやAl_xGa_1-xAsは、Siに比べてバン
ドギャップが大きく、かつ得られる電子濃度の上限も低
いため、コンタクト抵抗の低減には限界がある。

そして最近、よりバンドギャップの小さいIn_xGa_1-xAs
をコンタクト層として用いる方法が提案されている（J.
Vac.Sci.Technol.,19（３）1981PP626〜627）。

その一例として、ｎ型GaAs層へのコンタクトを形成す
る際に、n⁺型In_xGa_1-xAs層とn⁺InAs層を介在させた場合
の、ｎ型GaAs層から、n⁺型In_xGa_1-xAs層、n⁺InAs層を経
て、金属電極に至る理想的エネルギーバンド図を、第５
図に示す。ここでは、GaAs層とInAs層とのバンドを滑ら
かにつなぐために、これらの間にIn_xGa_1-xAs（ｘ＝０→
１）の組成傾斜層が挿入されている。InAs層と電極との
間にはショットキバリアがないため、低抵抗のコンタク
トを得ることができる。

ところで、InAs層とGaAs層との間にには、約７％とい
う大きな格子不整がある。

このため、InGaAs層にはミスフィット転位が発生す
る。このInGaAs層の膜厚が臨界厚以下の場合には転位は
発生しない。しかし、低抵抗のオーミックコンタクトを
得るためにはInの混晶比ｘは１に近いほどよく、臨界厚
はｘが１に近い程小さい。この臨界厚はｘが0.5である
場合、数十Å以下である。さらに、ｘが１に近い程、バ
ンドを滑らかにつなぐために必要なIn_xGa_1-xAs組成傾斜
層の厚さは厚くなる。一方、素子性能、プロセス等を考
えるとコンタクト層の厚さは薄いほうが好ましい。この
ような理由から、結局のところ、実用的な構造で低抵抗
オーミックコンタクトを得るためにはミスフィット転位
の発生は避けられない。

そして、このような転位は、特に中間層であるIn_xGa
_1-xAs組成傾斜層に集中し、この領域のキャリアを補償
してしまうため、キャリア濃度の低下を招くという問題
があった。

ところで、通常得られるキャリア濃度の上限はエピタ
キシャル成長の条件等に依存するものの、InAs、GaAsそ
れぞれについて約２×10¹⁹cm^-3,1×10¹⁹cm^-3程度である
ことが知られているが、InAs/In_xGa_1-xAs/GaAs構造にお
いては、特に、In_xGa_1-xAs中間層で、キャリア濃度の大
きなディップが生じてしまう。In_xGa_1-xAs層を充分に厚
くすれば転位密度（cm^-3）も低下し、ディップも減少す
る。

しかしながら、この構造をｎ型オーミックコンタクト
を有する半導体装置に適用することを考えると、膜厚を
増加させることは実用的でない。

第６図に、シリコンドープのInAs/In_xGa_1-xAs/GaAs構
造中のキャリア濃度分布を測定した結果を示す。ここ
で、In_xGa_1-xAsの膜厚は500Åとし、InAs,In_xGa_1-xAsに
ついてはシリコンを1.5×10¹⁹cm^-3ドーピングした。こ
の図からも明らかなように、In_xGa_1-xAs層中では、キャ
リア濃度は大きく落ち込み、特にGaAs層との界面近傍で
はキャリアの存在しない領域も形成されている。このよ
うな状態では、半導体層に垂直な方向に電流を流した場
合のコンタクト抵抗は５×10^-6Ωcm²と高いものであっ
た。

このように、InAs/電極界面で低抵抗のコンタクトを
得ることができても、コンタクト部全体としては十分な
低抵抗化をはかることができないという問題があった。

（発明が解決しようとする課題） このように、In_xGa_1-xAs層を用いてｎ型GaAs層へのオ
ーミックコンタクトを形成するように際し、In_xGa_1-xAs
組成傾斜層中で、ミスフィット転位によるキャリアの補
償により、キャリア濃度が低下し、高抵抗となる領域が
形成され、コンタクト抵抗が大きくなってしまうという
問題があった。

本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、In_xGa_1-x
As層を用いてｎ型GaAs層へのオーミックコンタクトを形
成するに際し、In_xGa_1-xAs組成傾斜層中でのキャリア濃
度の低下により高抵抗層が形成されるという問題を回避
し、極低抵抗のオーミックコンタクトを実現することを
目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ｎ
型Al_xGa_1-xAs層（０≦ｘ≦１）と、 組成が徐々に変化するIn_xGa_1-xAs（０≦ｘ≦１）組成
傾斜層と、 組成の一様なIn_xGa_1-xAs（０≦ｘ≦１）コンタクト層
と、 金属電極層とからなるコンタクト構造を含む化合物半
導体装置において、 前記In_xGa_1-xAs組成傾斜層は、 前記Al_xGa_1-xAs層に接する領域のｎ型不純物濃度が、
前記In_xGa_1-xAsコンタクト層に接する領域のｎ型不純物
濃度よりも高くなるように構成される ことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、ｎ型Al_xGa_1-xAs層（０
≦ｘ≦１）と、 組成が徐々に変化するIn_xGa_1-xAs（０≦ｘ≦１）組成
傾斜層と、 組成の一様なIn_xGa_1-xAs（０≦ｘ≦１）コンタクト層
と、 金属電極層とからなるコンタクト構造を含む化合物半
導体装置において、 前記In_xGa_1-xAs組成傾斜層は、 前記Al_xGa_1-xAs層に接する領域のｎ型不純物濃度およ
び前記In_xGa_1-xAsコンタクト層に接する領域のｎ型不純
物濃度よりも高いｎ型不純物濃度を有する領域を備えた ことを特徴とする。

（作用） 本発明者らは、第６図に示したような、シリコンドー
プのInAs/In_xGa_1-xAs/GaAs構造中のキャリア濃度分布の
測定結果に基づいて様々な考察を重ね、種々の実験を行
った結果、In_xGa_1-xAs組成傾斜層へのｎ型不純物ドープ
量を大幅に大きくすることにより、この層中のキャリア
濃度の極端な落ち込みがなくなることを発見した。

本発明は、これに着目してなされたものである。

すなわち、本発明によれば、In_xGa_1-xAs組成傾斜層へ
のｎ型不純物ドープ量をｎ型として活性化される不純物
濃度よりも多く設定することにより、縦方向に電流を流
す場合においても、極めて低抵抗のコンタクトを得るこ
とができる。

また、このとき、In_xGa_1-xAs組成傾斜層中の、該In_xG
a_1-xAsコンタクト層に接する領域のキャリア濃度が、該
Al_xGa_1-xAs層に接する領域のキャリア濃度よりも高くな
るように構成することによって、さらにコンタクト抵抗
を低くすることができる。

さらにまた、該In_xGa_1-xAs組成傾斜層中の、該Al_xGa
_1-xAs層に接する領域のｎ型不純物濃度が、該In_xGa_1-xA
sコンタクト層に接する領域のｎ型不純物濃度よりも高
くすることによって、この層中のキャリア濃度を高め、
さらにより低抵抗のコンタクトを得ることが可能とな
る。

実験結果から、この不純物濃度は、３×10¹⁹cm^-3以上
であるのが望ましい。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細
に説明する。

実施例１ 第１図は、AlGaAs/GaAsヘテロ接合を用いた本発明の
第１の実施例のヘテロ接合バイポーラトランジスタを示
す断面図である。

このヘテロ接合バイポーラトランジスタは、膜厚2000
Åのｎ型Al_0.3Ga_0.7As層５および膜厚300Åのｎ型Al_xGa
_1-xAs組成傾斜層（ｘ＝0.3→０）６とからなるエミッタ
層へのコンタクトが、膜厚500Åのn⁺型GaAs層７と、膜
厚400Åのn⁺型In_xGa_1-xAs組成傾斜層（ｘ＝０→１）８
と、膜厚400Åのn⁺型InAs層９とから構成され、このn⁺
型InAs層９およびn⁺型In_xGa_1-xAs層８の不純物濃度を3.
5×10¹⁹cm^-3と高濃度にし、この上にCr/Au層からなるエ
ミッタ電極13を形成したことを特徴とするものである。
このときIn_xGa_1-xAs組成傾斜層８の不純物濃度は第２図
（ａ）に示すように3.5×10¹⁹cm^-3となっている。ここ
で、ｎ型不純物としてはSi、ｐ型不純物としてはBeを用
いた。

すなわち、このヘテロ接合バイポーラトランジスタ
は、半絶縁性GaAs基板１上に積層されコレクタコンタク
ト層を構成する膜厚5000Åのn⁺型GaAs層２と、この上層
に順次積層され低濃度コレクタ層を構成する膜厚5000Å
のn^-型GaAs層３と、ベース層を構成する膜厚1000Åのp⁺
GaAs層４と、エミッタ層を構成する膜厚2000Åのｎ型Al
_0.3Ga_0.7As層５および膜厚300Åのｎ型Al_xGa_1-xAs組成
傾斜層（ｘ＝0.3→０）６とから素子領域が構成されて
おり、エミッタ層へのコンタクトが、n⁺型GaAs層７と、
n⁺型In_xGa_1-xAs組成傾斜層（ｘ＝０→１）８と、n⁺型In
As層９とから構成されている。

そして、各層にコンタクトするようにエミッタ電極1
0、ベース電極11、コレクタ電極12が形成されている。

このヘテロ接合バイポーラトランジスタの各半導体層
は、基板上にエピタキシャル成長させる必要があり、こ
のエピタキシャル成長法としては、分子線エピタキシー
法（MBE法）、ガスソース分子線エピタキシー法（GSMBE
法）、または、有機金属気相成長法（MOCVD法）等が用
いられる。ここでは、MBE法を用いた。

ここで、n⁺型In_xGa_1-xAs組成傾斜層（Ｘ＝０→１）８
において、ｘは0,1の間を下から上に向かって大きくな
るように設定されており、こうすることにより、n⁺型Ga
As層７とn⁺型InAs層９との間における伝導帯をなめらか
につなぐことができる。

このHBTのn⁺型GaAs層７と、n⁺型In_xGa_1-xAs中間層す
なわち組成傾斜層（ｘ＝０→１）８と、n⁺型InAs層９と
におけるキャリア濃度を測定した結果を第２図（ｂ）に
示す。この図からも明らかなように、n⁺型In_xGa_1-xAs中
間層でのキャリア濃度の落ち込みはほとんどなくなって
いることがわかる。

このようにして得られたHBTのエミッタコンタクト抵
抗は、７×10^-8Ωcm²となっており、従来例のHBTの５×
10^-6Ωcm²に比べて極めて小さいものであった。

このように、本発明のHBTではエミッタ抵抗を極めて
低くすることができるため、従来例のHBTに比べてトラ
ンスコンダクタンスGmが向上し、より電流密度の高い領
域での動作が可能となった。

また、トランジスタの性能指数の１つであるカットオ
フ周波数f_Tは90GHzとなり、従来の70のGHzに比べて大幅
に向上している。

なお、同様の構造において、n⁺型In_xGa_1-xAs中間層８
の不純物濃度のみを変化させたHBTの、不純物濃度とコ
ンタクト抵抗率との関係を測定した結果を第１表に示
す。

この場合、得られるｎ型キャリア濃度の上限はおよそ
２×10¹⁹cm^-3程度であるが、この表からも明らかなよう
に、n⁺型In_xGa_1-xAs中間層８の不純物濃度を３×10¹⁹cm
^-3以上としたとき極めて低いコンタクト抵抗を得ること
ができる。

実施例２ 次に本発明の第２の実施例として、第１図に示した実
施例１のHBTと同一構造でIn_xGa_1-xAs組成傾斜層８の不
純物濃度を層中で変化させた例について説明する。

すなわち、この実施例２のHBTは、In_xGa_1-xAs組成傾
斜層８の不純物濃度を第３図（ａ）に示すように、In_xG
a_1-xAs組成傾斜層８中でのｎ型不純物濃度が、該GaAs層
７側から、該InAsコンタクト層９側にかけて徐々に低く
なるようにしている。すなわち、該GaAs層７に接する領
域のｎ型不純物濃度d1は、該InAsコンタクト層９に接す
る領域のｎ型不純物濃度d2よりも高くなっている。この
とき、InAsコンタクト層９に接する領域のｎ型不純物濃
度d2を3.5×10¹⁹cm^-3とし、GaAs層７に接する領域のｎ
型不純物濃度d1を5.0×10¹⁹cm^-3とした。

このHBTのn⁺型GaAs層７と、n⁺型In_xGa_1-xAs中間層す
なわち組成傾斜層（ｘ＝０→１）８と、n⁺型InAs層９と
におけるキャリア濃度を測定した結果を第３図（ｂ）に
示す。この図からも明らかなように、n⁺型In_xGa_1-xAs中
間層でのキャリア濃度の落ち込みはほとんどなくなって
おり、In_xGa_1-xAs組成傾斜層中の、InAsコンタクト層に
接する領域のキャリア濃度D2が、該GaAs層に接する領域
のキャリア濃度D1よりも高くなっている。

このようにして得られたHBTのエミッタコンタクト抵
抗は、５×10^-8Ωcm²となっており、実施例１のHBTより
も小さくなっており、さらには従来例のHBTの５×10^-6
Ωcm²に比べると極めて小さいものであった。

このように、実施例２のHBTではエミッタ抵抗を極め
て低くすることができるため、さらにトランスコンダク
タンスGmが向上し、より電流密度の高い領域での動作が
可能となった。

また、トランジスタの性能指数の１つであるカットオ
フ周波数f_Tは100GHzとなり、実施例１のHBTのカットオ
フ周波数f_Tよりもさらに向上している。

なお、同様の構造において、n⁺型In_xGa_1-xAs中間層８
の不純物濃度変化の勾配は同一とし不純物濃度レベルの
みを変化させたHBTの、不純物濃度とコンタクト抵抗率
との関係を測定した結果を第２表に示す。

この場合、得られるｎ型キャリア濃度の上限はおよそ
２×10¹⁹cm^-3程度であるが、この表からも明らかなよう
に、n⁺型In_xGa_1-xAs中間層８の不純物濃度を３×10¹⁹cm
^-3以上としたとき極めて低いコンタクト抵抗を得ること
ができる。

実施例３ なお、前記実施例２のHBTでは、In_xGa_1-xAs組成傾斜
層８の不純物濃度は、GaAs層７側から、該InAsコンタク
ト層９側にかけて徐々に低くなるようにしたが、第３の
実施例として、第４図（ａ）に示すように、In_xGa_1-xAs
組成傾斜層８のｎ型不純物濃度が、該GaAs層７に接する
領域からややInAsコンタクト層９側に入った領域で高く
なったのち、さらに徐々に低くなるようにしてもよい。
この場合のHBTのn⁺型GaAs層７と、n⁺型In_xGa_1-xAs中間
層すなわち組成傾斜層（ｘ＝０→１）８と、n⁺型InAs層
９とにおけるキャリア濃度を測定した結果を第４図
（ｂ）に示す。この図からも明らかなように、n⁺型In_xG
a_1-xAs中間層でのキャリア濃度の落ち込みはまったくな
くなっており、In_xGa_1-xAs組成傾斜層中の、InAsコンタ
クト層に接する領域のキャリア濃度D2が、該GaAs層に接
する領域のキャリア濃度D1よりも高くなっている。そし
て、コンタクト抵抗は４×10^-8Ωcm²とさらに低くなっ
ている。

なお、各半導体層の不純物濃度や厚さについては、実
施例に限定されることなく必要に応じて適宜変更可能で
ある。

加えて、その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲
で種々変形して実施することが可能である。

〔効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、ｎ型Al_xG
a_1-xAs層へのコンタクトを、In_xGa_1-xAs組成傾斜層と組
成が一様なIn_xGa_1-xAsコンタクト層と電極金属層とによ
って形成するに際し、In_xGa_1-xAs組成傾斜層をｎ型とし
て活性化される不純物濃度よりも多いｎ型不純物をドー
プするようにしているため、In_xGa_1-xAs組成傾斜層の厚
さを十分薄くしたままでもこの部分におけるキャリア濃
度の低下による高抵抗化もなく、低抵抗のコンタクトを
形成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のヘテロ接合バイポーラ
トランジスタを示す断面図、第２図（ａ）は同トランジ
スタのエミッタコンタクト部の各層のｎ型不純物濃度と
深さとの関係を示す断面図、第２図（ｂ）はキャリア濃
度と深さとの関係を示す断面図、第３図（ａ）は本発明
の第２の実施例の同トランジスタのエミッタコンタクト
部の各層のｎ型不純物濃度と深さとの関係を示す断面
図、第３図（ｂ）は同トランジスタのキャリア濃度と深
さとの関係を示す断面図、第４図（ａ）は本発明の第３
の実施例の同トランジスタのエミッタコンタクト部の各
層のｎ型不純物濃度と深さとの関係を示す断面図、第４
図（ｂ）は同トランジスタのキャリア濃度と深さとの関
係を示す断面図、第５図はｎ型GaAs/n⁺型In_xGa_1-xAs/In
As電極構造の理想的エネルギーバンド図、第６図は従来
のシリコンドープｎ型GaAs/n⁺型In_xGa_1-xAs/InAs電極構
造における各層のキャリア濃度と深さとの関係を示す断
面図である。 １……半絶縁性GaAs基板、２……n⁺型GaAs層、３……n^-
型GaAs層、４……p⁺GaAs層、５……ｎ型Al_0.3Ga_0.7As
層、６……ｎ型Al_xGa_1-xAs組成傾斜層（ｘ＝0.3→
０）、７……n⁺型GaAs層、８……n⁺型In_xGa_1-xAs組成傾
斜層（ｘ＝０→１）、９……n⁺型InAs層、10……エミッ
タ電極、11……ベース電極、12……コレクタ電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/33 - 21/331 H01L 29/68 - 29/737

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｎ型Al_xGa_1-xAs層（０≦ｘ≦１）と、 組成が徐々に変化するIn_xGa_1-xAs（０≦ｘ≦１）組成傾
   斜層と、 組成の一様なIn_xGa_1-xAs（０≦ｘ≦１）コンタクト層
   と、 金属電極層とからなるコンタクト構造を含む化合物半導
   体装置において、 前記In_xGa_1-xAs組成傾斜層は、 前記Al_xGa_1-xAs層に接する領域のｎ型不純物濃度が、前
   記In_xGa_1-xAsコンタクト層に接する領域のｎ型不純物濃
   度よりも高くなるように構成される ことを特徴とする化合物半導体装置。
2. 【請求項２】ｎ型Al_xGa_1-xAs層（０≦ｘ≦１）と、 組成が徐々に変化するIn_xGa_1-xAs（０≦ｘ≦１）組成傾
   斜層と、 組成の一様なIn_xGa_1-xAs（０≦ｘ≦１）コンタクト層
   と、 金属電極層とからなるコンタクト構造を含む化合物半導
   体装置において、 前記In_xGa_1-xAs組成傾斜層は、 前記Al_xGa_1-xAs層に接する領域のｎ型不純物濃度および
   前記In_xGa_1-xAsコンタクト層に接する領域のｎ型不純物
   濃度よりも高いｎ型不純物濃度を有する領域を備えた ことを特徴とする化合物半導体装置。