JP3042186B2 - 化合物半導体ウェハの製造方法 - Google Patents

化合物半導体ウェハの製造方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、HEMT構造をもつ化
合物半導体ウェハの製造方法、特に、有機金属気相エピ
タキシーによりInGaAsキャリア層を臨界膜厚以下
で成長させてシュードモフィックHEMT構造とした化
合物半導体ウェハに関するものである。
【0002】
【従来の技術】基板に設けたバッファ層上に、不純物を
含まないキャリア走行層と、n型不純物(キャリアの走
行に障害となる)を含むキャリア供給層と、ショットキ
ゲートを積んだ構造はHEMT(高電子移動度トランジ
スタ)として広く知られている。これはキャリア走行層
とキャリア供給層とをヘテロ接合によって空間的に切り
離すことで、雑音特性、高周波特性を上げることに成功
しているものである。これには、雑音特性を向上したシ
ュードモフィックHEMT(Pseudomorphi
c 高電子移動度トランジスタ)と呼ばれるものがあ
る。
【0003】図3に従来のn型AlGaAs/InGa
As/GaAs系シュードモフィックHEMTエピタキ
シャルウェハの基本構造を示す。半絶縁性GaAs基板
1上にアンドープのGaAsバッファ層2(0.5μm
厚)、その上にシュードモフィックとするために臨界膜
厚以下で制御された膜厚の薄いアンドープIn0.2 Ga
0.8 Asキャリア走行層3(10nm)を、原子レベル
で微細な成長制御が可能な有機金属気相エピタキシー
(以下、MOVPEと略する)で成長させる。この場
合、キャリア走行層3を構成するInGaAsはバッフ
ァ層2を構成するGaAsと格子定数が異なるため、G
aAs上への成長では大きく歪んだ結晶となるが、臨界
膜厚と呼ばれるある一定の膜厚を超えない限り界面に転
位が生じないきれいな接合が得られる。このように格子
不整合であっても格子が歪むことによって界面で格子欠
陥が生じないような状態をシュードモフィック状態とい
う。シュードモフィック状態が崩れて転位が発生すると
HEMTとして必要なキャリア濃度が得られない。
【0004】このようなシュードモフィック状態でバッ
ファ層2と接合されたキャリア供給層3上に、さらにア
ンドープAl0.3 Ga0.7 Asスペーサ層4(2nm
厚)を介してn型Al0.3 Ga0.7 Asキャリア供給層
5(40nm厚)を成長させるようにしたものである。
なお、スペーサ層4は、キャリア供給層5からのクーロ
ン散乱を抑え、電子移動度を向上するために必要に応じ
て挿入するものであり、HEMTとして動作上必須のも
のではない。
【0005】キャリア供給層5とキャリア走行層3との
ヘテロ界面のキャリア走行層3側にたまる2次元電子ガ
スをチャネルとして使用するが、この2次元電子ガスの
シートキャリア濃度、電子移動度が高い程、雑音特性の
良好な高性能HEMTが作製できる。従来は、常温でシ
ートキャリア濃度として1.6×1012cm-2、電子移
動度として6500cm2 /V・sというのが通常の水
準であった。しかし、これにより作製できるHEMTの
雑音指数NFは0.7dB止まりであった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来技術で雑
音指数NFが0.6dBを下回るHEMTを実現しよう
とすると、シートキャリア濃度、電子移動度をさらに増
やす必要がある。このためには、In組成が高いほどI
nGaAsにたまる電子の濃度が増すため増幅率の高く
雑音特性のよいHEMTデバイスが製作できることか
ら、従来0.15が主であったInGaAsのIn組成
を、0.2とする一方、成長温度、V/III比、成長速
度といった成長条件を最適化する必要がある。しかしな
がら、In組成を高くすることは、それだけInGaA
sに内在する歪が大きくなり、結晶が壊れ始める臨界膜
厚が薄くなるため製作が難しくなる。また従来、成長温
度、V/III 比、成長速度といった成長条件の最適化の
検討は全く行われていなかった。
【0007】本発明の目的は、シュードモフィックHE
MT構造の化合物半導体ウェハの特性を決定するInG
aAsキャリア走行層の成長条件を最適化することによ
って、前述の欠点を解消し、十分高いシートキャリア濃
度と電子移動度をもち、製造の容易な化合物半導体ウェ
ハの製造方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の化合物半導体ウ
ェハの製造方法は、半絶縁性GaAs基板上に、シュー
ドモフィック接合を得るために臨界膜厚以下で制御され
たアンドープInGaAsキャリア走行層を少なくとも
有機金属気相エピタキシーで成長させ、その上にn型
lGaAsキャリア供給層を成長させたn型AlGaA
s/InGaAs/GaAsシュードモフィックHEM
T構造の化合物半導体ウェハの製造方法において、アン
ドープInGaAsキャリア走行層を成長させるに際し
て、V/III 比を20とし、かつ、成長温度を550℃
〜625℃としたものである。
【0009】また、シュードモフィックHEMT構造の
半導体ウェハを製造する際に、成長温度を625〜65
0℃とした場合にはV/III 比を50、成長温度を65
0〜700℃とした場合にはV/III 比を100以上
50以下、成長温度を700℃以上とした場合にはV/
III 比を150、そして成長温度を550℃以下とした
場合にはV/III 比を100以上150以下としたもの
である。
【0010】さらに、上記シュードモフィックHEMT
構造の半導体ウェハを製造する際に、成長速度を5Å/
s以下とし、かつV/III 比を20としたものである。
成長速度を10Å/s以上とした場合には、V/III 比
20、成長速度を5〜10Å/sとした場合には、V
/III 比を50以上100以下としたものである。
【0011】なお、InGaAsキャリア走行層のIn
組成は、組成0のときを除いて(GaAsは不可)任意
である。In組成が任意である理由は次の2点にある。
【0012】シュードモフィックHEMTは、AlG
aAs(またはGaAs)とInGaAsとのヘテロ接
合を利用したものであれば、InGaAsのIn組成に
かかわらず作製できる。Al組成を特定しないのもこの
理由による。どのような組成であってもシュードモフィ
ックHEMTを作製できる。ただし、AlGaAs/G
aAsの組合せはできない。
【0013】本成長方法は、InGaAs混晶を成長
する際に重要となるものである。これは、従来のGaA
sに新たにIn原子を加える際に重要となるもので、加
えるIn原子の多少によるものではない。従って、In
GaAs(GaAsは除く)であれば全て成立する。
【0014】また、既述した理由で、AlGaAsキャ
リア供給層のAl組成は、組成0のときも含め(GaA
sでも可)任意である。
【0015】
【作用】InGaAsキャリア走行層の成長温度に関わ
らずV/III 比を一定にしてしまうと、成長温度に応じ
てシートキャリア濃度、電子移動度が大きく変動するた
め、シートキャリア濃度、電子移動度を常に高くするこ
とはできない。これらを高くするためには、成長温度に
応じてV/III 比を変えてやる必要がある。また、成長
速度に関しても同様で、シートキャリア濃度、電子移動
度を高くするためには、成長速度に応じてV/III 比を
変えてやる必要がある。
【0016】本発明では、上述した各成長温度及び成長
速度毎にV/III 比を変えて、シートキャリア濃度、電
子移動度が常に高くなるように、V/III 比条件を最適
化したので、InGaAsキャリア走行層のIn組成を
0.2またはそれ以上としなくとも、HEMT構造の合
物半導体ウェハの電気的特性が向上する。このことは、
In組成を0.2またはそれ以上に上げると、InGa
Asに内在する歪のため、結晶が壊れ始める臨界膜厚が
薄くなり製作が不可能となるという問題をも回避でき、
製造の容易化が図れる。
【0017】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。既に説明
した図3のシュードモフィックHEMTエピタキシャル
ウェハと同じ構造のウェハを用い、そのInGaAsキ
ャリア走行層3の成長条件を種々変えて成長させた。こ
の場合もエピタキシャル成長は有機金属気相エピタキシ
ーを用いた。成長後、ホール測定法により常温(300
K)でシートキャリア濃度と電子移動度を調べた。その
結果、次のことが分った。
【0018】(1)InGaAsキャリア走行層のMO
VPE成長温度を500〜750℃と変化させたとこ
ろ、図1(A)、(B)の結果が得られた。V/III 比
が次の条件をとるとき、凡そシートキャリア濃度ns
2.0cm-2、電子移動度μが7000cm2 /V・s
を示す。すなわち、成長温度500〜550℃ではV/
III 比100以上、550〜625℃ではV/III 比2
0以下、625〜650℃ではV/III 比50、650
〜700℃ではV/III 比100以上、そして700℃
以上ではV/III 比は150以上でないと良好な特性が
得られない。なお、500〜550℃ではシートキャリ
ア濃度ns のみについてみれば、V/III比20以下で
あっても良いのであるが、その場合、電子移動度μが悪
くなるため採用できない。なお、この時の成長速度によ
る影響は無視した。
【0019】(2)MOVPEの成長速度を4〜12Å
/sと変化させたところ、図2(A)、(B)の結果が
得られた。V/III 比が次の値をとるとき、凡そシート
キャリア濃度ns が1.6〜2.0cm-2、電子移動度
μが6500〜7000cm2 /V・sを示す。成長速
度7.5Å/sのときは、V/III 比50以上が良好だ
が、それ以外は20以下で良好な結果が得られた。従っ
て、成長速度5Å/s以下および10Å/s以上ではV
/III 比は共に20以下、5〜10Å/sではV/III
比50以上でないと良好な特性が得られない。なお、こ
のときの成長は、図1から、それぞれで最適と考えられ
る成長温度で行った。
【0020】以上述べたように本実施例によれば、シー
トキャリア濃度として常温で1.6×1012cm-2、電
子移動度として常温で6500cm2 /V・sという従
来の通常水準を上回り、シートキャリア濃度2.5×1
12cm-2、電子移動度7000cm2 /V・sという
高い値を得ることができる。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、InGaAsキャリア
走行層の成長条件を最適化することによって、十分高い
シートキャリア濃度と電子移動度をもつ化合物半導体ウ
ェハを得ることができ、その結果、化合物半導体ウェハ
の電気特性が大幅に向上し、雑音指数NFが0.6dB
以下のHEMTデバイスを実現することが可能とり、
しかも、製造条件の最適化がなされるので製造も容易に
なった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例によるシュードモフィックHE
MT化合物半導体ウェハのInGaAsキャリア走行層
の成長温度およびV/III 比を変えた時のシートキャリ
ア濃度と電子移動度の変化を示した特性図。
【図2】本実施例によるシュードモフィックHEMT構
造の化合物半導体ウェハのInGaAsキャリア走行層
の成長速度およびV/III 比を変えた時のシートキャリ
ア濃度と電子移動度の変化を示した特性図。
【図3】従来例と本実施例とに共通したシュードモフィ
ックHEMTエピタキシャルウェハの構造を示す断面
図。
【符号の説明】
1 半絶縁性GaAs基板 2 アンドープGaAsバッファ層 3 アンドープInGaAsキャリア走行層 4 アンドープAlGaAsスペーサ層 5 n型AlGaAsキャリア供給層

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半絶縁性GaAs基板上に、シュードモフ
    ィック接合を得るために臨界膜厚以下で制御されたアン
    ドープInGaAsキャリア走行層を有機金属気相エピ
    タキシーで成長させ、その上にn型AlGaAsキャリ
    ア供給層を成長させたn型AlGaAs/InGaAs
    /GaAsシュードモフィックHEMT構造の化合物半
    導体ウェハの製造方法において、上記アンドープInG
    aAsキャリア走行層を成長させるに際して、As原料
    のモル分率をGa原料とIn原料とのモル分率の和で割
    った値(以下、V/III 比と称す)を20とし、かつ、
    成長温度を550℃〜625℃としたことを特徴とする
    化合物半導体ウェハの製造方法。
  2. 【請求項2】半絶縁性GaAs基板上に、シュードモフ
    ィック接合を得るために臨界膜厚以下で制御されたアン
    ドープInGaAsキャリア走行層を有機金属気相エピ
    タキシーで成長させ、その上にn型AlGaAsキャリ
    ア供給層を成長させたn型AlGaAs/InGaAs
    /GaAsシュードモフィックHEMT構造の化合物半
    導体ウェハの製造方法において、上記アンドープInG
    aAsキャリア走行層を成長させるに際して、V/III
    比を50とし、成長温度を625〜650℃とした化合
    物半導体ウェハの製造方法。
  3. 【請求項3】半絶縁性GaAs基板上に、シュードモフ
    ィック接合を得るために臨界膜厚以下で制御されたアン
    ドープInGaAsキャリア走行層を有機金属気相エピ
    タキシーで成長させ、その上にn型AlGaAsキャリ
    ア供給層を成長させたn型AlGaAs/InGaAs
    /GaAsシュードモフィックHEMT構造の化合物半
    導体ウェハの製造方法において、上記アンドープInG
    aAsキャリア走行層を成長させるに際して、V/III
    比を100以上150以下とし、かつ成長温度を650
    〜700℃とした化合物半導体ウェハの製造方法。
  4. 【請求項4】半絶縁性GaAs基板上に、シュードモフ
    ィック接合を得るために臨界膜厚以下で制御されたアン
    ドープInGaAsキャリア走行層を有機金属気相エピ
    タキ シーで成長させ、その上にn型AlGaAsキャリ
    ア供給層を成長させたn型AlGaAs/InGaAs
    /GaAsシュードモフィックHEMT構造の化合物半
    導体ウェハの製造方法において、上記アンドープInG
    aAsキャリア走行層を成長させるに際して、V/III
    比を150とし、かつ、成長温度を700℃以上とした
    化合物半導体ウェハの製造方法。
  5. 【請求項5】半絶縁性GaAs基板上に、シュードモフ
    ィック接合を得るために臨界膜厚以下で制御されたアン
    ドープInGaAsキャリア走行層を有機金属気相エピ
    タキシーで成長させ、その上にn型AlGaAsキャリ
    ア供給層を成長させたn型AlGaAs/InGaAs
    /GaAsシュードモフィックHEMT構造の化合物半
    導体ウェハの製造方法において、上記アンドープInG
    aAsキャリア走行層を成長させるに際して、V/III
    比を100以上150以下とし、かつ成長温度を550
    ℃以下とした化合物半導体ウェハの製造方法。
  6. 【請求項6】半絶縁性GaAs基板上に、シュードモフ
    ィック接合を得るために臨界膜厚以下で制御されたアン
    ドープInGaAsキャリア走行層を有機金属気相エピ
    タキシーで成長させ、その上にn型AlGaAsキャリ
    ア供給層を成長させたn型AlGaAs/InGaAs
    /GaAsシュードモフィックHEMT構造の化合物半
    導体ウェハの製造方法において、上記アンドープInG
    aAsキャリア走行層を成長させるに際して、成長速度
    を5Å/s以下とし、かつV/III 比を20とした化合
    物半導体ウェハの製造方法。
  7. 【請求項7】半絶縁性GaAs基板上に、シュードモフ
    ィック接合を得るために臨界膜厚以下で制御されたアン
    ドープInGaAsキャリア走行層を有機金属気相エピ
    タキシーで成長させ、その上にn型AlGaAsキャリ
    ア供給層を成長させたn型AlGaAs/InGaAs
    /GaAsシュードモフィックHEMT構造の化合物半
    導体ウェハの製造方法において、上記アンドープInG
    aAsキャリア走行層を成長させるに際して、成長速度
    を10Å/s以上とし、かつV/III 比を20とした
    合物半導体ウェハの製造方法。
  8. 【請求項8】半絶縁性GaAs基板上に、シュードモフ
    ィック接合を得るために臨界膜厚以下で制御されたアン
    ドープInGaAsキャリア走行層を有機金属気相エピ
    タキシーで成長させ、その上にn型AlGaAsキャリ
    ア供給層を成長させたn型AlGaAs/InGaAs
    /GaAsシュードモフィックHEMT構造の化合物半
    導体ウェハの製造方法において、上記アンドープInG
    aAsキャリア走行層を成長させるに際して、成長速度
    を5〜10Å/sとし、かつV/III 比を50以上10
    0以下とした化合物半導体ウェハの製造方法。
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