JP3228277B2 - ＧａＩｎＰ系エピタキシャル構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として高電子移
動度電界効果型トランジスタを構成するためのＧａＩｎ
Ｐ系エピタキシャル構造体に関し、更に詳しくは、均一
なインジウム組成を有する２次元電子走行層と電子供給
層とを具備するＧａＩｎＰ系エピタキシャル構造体に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ミリ（ｍｉｌｌｉ）波帯域で動作するシ
ョットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合型電界効果トラン
ジスタ（略称：ＭＥＳＦＥＴ）に、リン化ガリウム・イ
ンジウム混晶（Ｇａ_XＩｎ_1-XＰ：０≦Ｘ≦１）を利用し
たＧａＩｎＰ系高電子移動度トランジスタ（略称：ＴＥ
ＧＦＥＴ）がある（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｖｏｌ．３７、Ｎｏ．１０
（１９９０）、２１４１〜２１４７頁参照）。ＧａＩｎ
Ｐ系ＴＥＧＦＥＴは、例えば、信号増幅用途の低雑音
（ｌｏｗ−ｎｏｉｓｅ）ＭＥＳＦＥＴとして（ＩＥＥＥ
Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｖ
ｏｌ．４６、Ｎｏ．１（１９９９）、４８〜５４頁参
照）、また、発信用途の電力（ｐｏｗｅｒ）ＭＥＳＦＥ
Ｔとして利用されている（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ、Ｖｏｌ．４４、Ｎｏ．
９（１９９７）、１３４１〜１３４８頁参照）。

【０００３】図１は、従来のＧａＩｎＰ系ＴＥＧＦＥＴ
の断面構造を示す模式図である。基板１０には、｛００
１｝結晶面を主面とする半絶縁性の砒化ガリウム（化学
式：ＧａＡｓ）が利用される。基板１０の表面上には、
高抵抗のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる緩衝層１
１が堆積される。緩衝層１１上には、ｎ形の砒化ガリウ
ム・インジウム混晶（Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓ：０＜Ｙ≦１）
からなる２次元電子走行層（チャネル層）１２が堆積さ
れる。チャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）層１２上には、スペ
ーサ（ｓｐａｃｅｒ）層１３を介して、ｎ形のリン化ガ
リウム・インジウム混晶（Ｇａ_ZＩｎ_1-ZＰ：０＜Ｚ≦
１）からなる電子供給層１４が堆積される。電子供給層
１４のキャリア（電子）濃度は、珪素（Ｓｉ）などの拡
散し難いｎ形不純物を故意に添加（ドーピング）して調
整される。電子供給層１４上には、低接触抵抗のソース
（ｓｏｕｒｃｅ）電極１６、及びドレイン（ｄｒａｉ
ｎ）電極１７の各オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の形成
を期して、ｎ形ＧａＡｓなどからなるコンタクト（ｃｏ
ｎｔａｃｔ）層１５が設けられるが一般的である。ソー
ス及びドレイン電極１６，１７の中間には、コンタクト
層１５を除去してなしたリセス（ｒｅｃｅｓｓ）構造部
に露呈させたＧａ_ZＩｎ_1-ZＰ（０＜Ｚ≦１）電子供給層
１４の表面にショットキー接合型ゲート（ｇａｔｅ）電
極１８が設けられてＴＥＧＦＥＴ１００が構成されてい
る。

【０００４】半絶縁性ＧａＡｓ基板１０上に設けられ
る、緩衝層１１や２次元電子供給層１２等の機能層１１
〜１５は、従来から一般に有機金属気相成長法（ＭＯＣ
ＶＤ法）により形成されている。また、従来技術に於い
ては、ガリウム（元素記号：Ｇａ）の原料種を変化させ
ることなく気相成長を継続して機能層１１〜１５を構成
するのが一般的となっている。例えば、リン化インジウ
ム（ＩｎＰ）系ＴＥＧＦＥＴを、トリメチルガリウム
（化学式：（ＣＨ₃）₃Ｇａ）などの第ＩＩＩ族構成元素
のトリメチル化合物を利用してＭＯＣＶＤ法に依り成膜
したＩｎＰ、砒化アルミニウム・インジウム（化学式：
ＡｌＩｎＡｓ）、ＡｌＧａＡｓから構成する技術が開示
されている（特表平１０−５０４６８５号公報明細書参
照）。また、従来の、ＧａＩｎＰ系ＴＥＧＦＥＴの積層
構造体１Ａの積層構造を省みれば、第ＩＩＩ族構成元素
源を、メチル化合物を変えずに一定として気相成長させ
た２次元電子走行層（図１では、図番１２）を緩衝層
（図１で１１）上に直接、接合させる構成となってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＧａＩ
ｎＰ系ＴＥＧＦＥＴに関して、メチル化合物を原料とし
て成膜されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に直接、接合
させて設けたＧａ_YＩｎ_{1 -Y}Ａｓ層のインジウム組成比
（＝１−Ｙ）は不均一となることが知られている。この
ため、緩衝層の漏洩電流の大小と併せて、ＴＥＧＦＥＴ
のピンチオフ（ｐｉｎｃｈ−ｏｆｆ）電圧が不均一とな
る問題が発生している。ゲート電極のピンチオフ電圧
（閾値電圧）の不均一さは、特に、複数のゲート電極を
敷設するため、合計のゲート電極幅が数ミリメートル
（ｍｍ）に達する電力用ＧａＩｎＰ系ＴＥＧＦＥＴにあ
っては、電力利得（ｐｏｗｅｒ ｇａｉｎ）を悪化させ
る第一の要因となっている。

【０００６】また、Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓチャネル層上に設
ける電子供給層を構成するＧａ_ZＩｎ_1-ZＰ層のインジウ
ム組成比（＝１−Ｚ）も、Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓチャネル層
のインジウム組成に関する不均一さを引き継ぎ、不均一
なものとなる。インジウム組成が不均一である電子供給
層では、インジウム組成に依存して禁止帯幅が不均一と
なり、従って、閾値（所謂、Ｖｔｈ）の不均一さがより
助長される不都合が発生している。

【０００７】本発明では、インジウム組成の均一性に優
れるＧａ_YＩｎ_1-YＡｓチャネル層及びＧａ_ZＩｎ_1-ZＰ
（０＜Ｚ≦１）電子供給層をもたらす積層構成を提供す
ることを目的とする。また、併せて、緩衝層への漏洩電
流の低減をも果す積層構成を具備するエピタキシャル積
層構造体を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を解決すべく鋭意努力検討した結果、本発明に到達し
た。即ち、本発明は、［１］半絶縁性のＧａＡｓ単結晶
基板上に、Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓ（０＜Ｙ≦１）からなる２
次元電子走行層と、Ｇａ_ZＩｎ_1-ZＰ（０＜Ｚ≦１）から
なる電子供給層とを含むＧａＩｎＰ系エピタキシャル構
造体に於いて、基板と２次元電子走行層との間に、トリ
エチルガリウムを用いて気相成長され、硼素が添加され
たＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）層を有することを特
徴とするＧａＩｎＰ系エピタキシャル構造体、［２］２
次元電子走行層が、Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ層と接しているこ
とを特徴とする［１］に記載のＧａＩｎＰ系エピタキシ
ャル構造体、［３］２次元電子走行層が、トリメチルガ
リウムを用いて気相成長された、ｎ形Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓ
（０＜Ｙ≦０．７０）層から構成されていることを特徴
とする［１］または［２］に記載のＧａＩｎＰ系エピタ
キシャル構造体、［４］電子供給層が、トリメチルガリ
ウムを用いて気相成長され、珪素を添加したｎ形のＧａ
_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ層から構成されていることを特徴とする
［１］〜［３］の何れか１項に記載のＧａＩｎＰ系エピ
タキシャル構造体、［５］Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ層が、トリ
エチル硼素をドーピング源とする有機金属熱分解法で形
成されていることを特徴とする［１］〜［４］の何れか
１項に記載のＧａＩｎＰ系エピタキシャル構造体、に関
する。

【０００９】

【発明の実施の形態】図２は、本発明の請求項１に記載
の発明に係わる第１の実施形態を説明するために例示す
るエピタキシャル積層構造体２Ａの断面模式図である。
基板結晶２０１には、｛１００｝結晶面を主面とする半
絶縁性のＧａＡｓ単結晶が利用できる。また、｛１０
０｝面より例えば［１１０］結晶方向に角度にして±１
０度程度に傾斜した表面を有する｛１００｝面を主面と
する半絶縁性ＧａＡｓ単結晶も利用できる。半絶縁性の
程度を抵抗率（比抵抗）で表現すれば、比抵抗は１０⁷
オーム・センチメートル（単位：Ω・ｃｍ）以上とする
のが好ましい。また、例えば、転位密度を望ましくは５
×１０³ｃｍ^-2以下とする結晶欠陥密度が低い半絶縁性
のＧａＡｓ単結晶が基板２０１として良好に利用でき
る。

【００１０】基板２０１の表面上に設ける緩衝層２０２
は、例えば、ｎ形或いはｐ形またはｉ（高抵抗）形のＡ
ｌ_MＧａ_1-MＡｓ（０≦Ｍ≦１）単一層から構成できる。
層厚は約０．０５μｍから約５μｍ未満が適する。キャ
リア濃度は約１×１０¹⁵ｃｍ ^-3未満で、望ましくは約１
×１０¹⁴ｃｍ^-3以下とする。或いは、ｎ形或いはｐ形ま
たはｉ（高抵抗）形のＧａＡｓ層とＡｌ_MＧａ_1-MＡｓ層
とを交互に重層させた超格子構造から構成できる。例え
ば、図２に例示する様に、アンドープのｐ形ＧａＡｓ層
２０２−１と、アンドープのｉ（高抵抗）形Ａｌ_MＧａ
_1-MＡｓ層２０２−２との超格子構造から構成できる。
ちなみに、図２の緩衝層２０２は、周期数を３とするＧ
ａＡｓ／Ａｌ_MＧａ_1-MＡｓ超格子構造体からなってい
る。積層周期数は、基板２０１からのＧａ_YＩｎ_1-YＡｓ
チャネル層２０３への結晶欠陥の伝搬の、抑止の程度に
鑑みて適宣、決定する。緩衝層２０２を構成するＡｌ_M
Ｇａ_1-MＡｓのアルミニウム組成比（＝Ｍ）は、好まし
くは、０．３０以下とする。アルミニウム組成比が高い
Ａｌ_MＧａ_1-MＡｓ層を備えた緩衝層は、ドレイン電流の
ヒステリシスを増長させる場合があり不都合となる。

【００１１】緩衝層２０２はドレイン電流の漏洩を阻止
する必要性から、高抵抗層から構成する必要がある。高
抵抗の緩衝層２０２の構成層（例えば、２０２−１，２
０２−１）は、例えば、ＭＯＣＶＤ法に依り、第ＩＩＩ
族構成元素のメチル化合物を第ＩＩＩ族源として利用す
れば、メチル（ｍｅｔｈｙｌ）基の熱分解を介しての炭
素（元素記号：Ｃ）アクセプターの取込みに因り、珪素
（元素記号：Ｓｉ）等の残留ドナー（ｒｅｓｉｄｕａｌ
ｄｏｎｏｒ）が電気的に補償（ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉ
ｏｎ）されるため、高抵抗のＡｌ_MＧａ_1-MＡｓ層が形成
され得て好都合である。特に、トリメチルガリウムとト
リメチルアルミニウム（化学式：（ＣＨ ₃）₃Ａｌ）を各
々、ガリウム（Ｇａ）源及びアルミニウム（Ａｌ）源と
するＭＯＣＶＤ法に依れば、高抵抗のＡｌ_MＧａ_1-MＡｓ
（０≦Ｍ≦１）層が定常的に形成され得て利便である。
一方の、第ＩＩＩ族構成元素源にエチル（ｅｔｈｙｌ）
化合物を利用しても高抵抗のＡｌ_MＧａ_1-MＡｓ層は供給
されるが、上記のメチル原料系の場合に比較して、安定
して高抵抗層を得るのは難儀である。高抵抗の緩衝層２
０２の構成層として好都合に利用できるＡｌ_MＧａ_1-MＡ
ｓ層とは、キャリア濃度にして１×１０¹⁴ｃｍ^-3以下
の、ドナー濃度（Ｎｄ）とアクセプタ濃度（Ｎａ）との
比率で定義される補償比（Ｎａ／Ｎｄ比またはＮｄ／Ｎ
ａ比）が０．９以上で１．０以下である、比抵抗にして
１０²Ω・ｃｍを越える単結晶層である。Ｎｄ及びＮａ
は液体窒素温度（７７Ｋ）でのホール（Ｈａｌｌ）測定
値を基に計算できる。

【００１２】第１の実施形態に於ける積層構成上の特徴
は、ＧａＡｓ基板２０１の表面上に設けた緩衝層２０２
と、Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓ（０＜Ｙ≦１）チャネル層２０３
との中間に、トリエチルガリウムをガリウム源として気
相成長させたＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）２０６層
が配置されていることにある。緩衝層２０２上に設ける
Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）２０６は、例えば、第
Ｖ族構成元素の砒素（元素記号：Ａｓ）源をアルシン
（化学式：ＡｓＨ₃）とする（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｇａ／（Ｃ
Ｈ₃）₃Ｇａ／ＡｓＨ₃／水素（Ｈ₂）反応系を利用して形
成できる。または、（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｇａ／（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ａｌ
／ＡｓＨ₃／Ｈ₂反応系を利用して形成できる。第ＩＩＩ
族構成元素のエチル化合物は、メチル化合物より分解温
度が一般に低いため、メチル化合物原料系の場合に比較
してより低い温度である約５５０℃から約６５０℃の範
囲での成膜が適する。エチル原料系により成膜されたＡ
ｌ_XＧａ_{1 -X}Ａｓ（０≦Ｘ≦１）２０６層では、その表面
に炭化水素（ｈｙｄｏｒｏｃａｒｂｏｎ）基が残存する
確率が少ないため、上層となるインジウム含有ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体層２０３、２０４のインジウム組成を
均一となす作用を有する。この作用はトリエチル化合物
で最も大きく、エチル基の付加数が減ると共に効果は減
じられる。モノエチル化合物では、トリメチル化合物と
略同様の効果しか得られない。

【００１３】しかし、エチル原料系により成膜したＡｌ
_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）２０６層は一般には、アン
ドープ状態でｎ形の伝導を呈する、キャリア濃度が約１
×１０¹⁵ｃｍ^-3を越えるｎ形の伝導を呈する比較的に抵
抗の小さな層となる。従って、緩衝層２０２上にこの様
な導通性のＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ層２０６を設けたとする
と、緩衝層２０２への漏洩電流が増加するばかりであ
る。従って、本発明では、エチル原料系によるＡｌ_XＧ
ａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）２０６層の成膜時に、硼素
（Ｂ）をドーピングすることをもって、同層２０６を高
抵抗層となす。硼素は、気相成長時に於ける成長反応系
からのＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）２０６層内への
珪素不純物の混入を抑制する作用を有する。この硼素の
ドナー成分を層外へ追放する働きにより、メチル原料系
に比べれば低い炭素不純物に依るドナー不純物の補償効
果が補なわれて、高抵抗のＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦
１）２０６層が帰結される。

【００１４】硼素（Ｂ）の添加量（ドーピング量）は、
Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）層のドナー濃度（Ｎ
ｄ）が高く、補償比（Ｎａ／Ｎｄ比）が低い場合である
程、多量とする。例えば、（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｇａ／ＡｓＨ₃／
Ｈ₂反応系で、同反応系へのＡｓＨ₃／（ＣＨ₃）₃Ｇａ供
給比率を５に設定してアンドープのＧａＡｓを成長させ
るに際しては、ドナー濃度（Ｎｄ）が約８×１０¹⁵ｃｍ
^-3であることを基に、少なくとも、そのドナー濃度を越
える原子濃度となる様に硼素不純物を添加する。硼素の
原子半径（＝０．９０オングストローム）は、Ａｌ_XＧ
ａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）層２０６を構成するＧａ（原
子半径＝１．２４オングストローム或いは１．３８オン
グストローム）或いはＡｌ（原子半径＝１．４３オング
ストローム）の何れよりも小さく、極端に多量にドーピ
ングすると同層２０６には縮小歪に起因する亀裂（ｃｒ
ａｃｋ）が発生し好ましくはない（原子半径値は何れ
も、「岩波理化学辞典 第３版」（（株）岩波書店、１
９７６年４月５日発行）による）。従って、硼素不純物
の添加量は、望ましくは約５×１０¹⁹ｃｍ^-3、更に好ま
しくは１×１０¹⁹ｃｍ^-3以下とする。残留ドナーが硼素
不純物に因り補償され、ドナー成分とアクセプター成分
との濃度の不均衡に依り、結果として同層２０６がｐ形
の高抵抗層と化しても差し支えはない。硼素が添加され
たＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）層２０６は、緩衝層
２０２内部へのドレイン電流の漏洩を阻止する高抵抗層
としての機能を担うものとなる。

【００１５】エチル原料系により成膜したＡｌ_XＧａ_1-X
Ａｓ（０≦Ｘ≦１）２０６の層厚は、概ね、２ｎｍ以上
で１００ｎｍ以下とする。好ましくは、１０ｎｍ以上で
５０ｎｍ以下とする。キャリア濃度は、好ましくは、１
×１０¹⁵ｃｍ^-3以下とする。キャリア濃度は低い程、好
都合である。本発明の請求項２の発明に係わる第２の実
施形態は、この様なＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）層
２０６をＧａ_YＩｎ_1-YＡｓ（０＜Ｙ≦１）２次元電子走
行層（チャネル層）２０３の直下に、接合させて設ける
こととする。このチャネル層２０３についての接合構成
に依れば、チャネル層２０３をなすＧａ_YＩｎ_1-YＡｓ層
のインジウム組成比（＝１−Ｙ）の均一性を向上させる
ことができる。これにより、インジウム（Ｉｎ）の組成
の「揺らぎ」或いは微小領域に於けるインジウムの析出
に起因するＧａ_YＩｎ_1-YＡｓチャネル層２０３の「表面
粗さ」（ｈａｚｅ：ｈａｚｅについては、阿部 孝夫
著、「シリコン 結晶成長とウェーハ加工」（（株）培
風館、１９９４年５月２０日発行、初版）、３２２〜３
２６頁参照）を低減するのに格段の効果が挙げられる。
例えば、トリメチルガリウムをガリウム源としたＭＯＣ
ＶＤ法で成膜したＧａＡｓ層に接合させて設けた珪素ド
ープＧａ_0.85Ｉｎ_0.15Ａｓ層（厚さ約１μｍ）のｈａｚ
ｅが約１６００ｐｐｍ（百万分率）〜約２４００ｐｐｍ
であるのに対し、トリエチルガリウムをＧａ源とした場
合のそれは約２３０ｐｐｍ〜約２７０ｐｐｍに低減され
る。Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓ層の層厚が薄くなるに伴い、ｈａ
ｚｅは更に低減する。この様なＧａ_YＩｎ_1-YＡｓ層表面
のｈａｚｅが低減される効果は、上記の硼素をドーピン
グした場合でも発揮される。

【００１６】チャネル層２０３を構成するＧａ_YＩｎ_1-Y
Ａｓ層を、直下のＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）層２
０６の場合とは異なり、トリメチルガリウムをガリウム
源として気相成長させると、インジウム組成比の均一性
に優れる結晶層が得られる。例えば、ガリウム源を（Ｃ
Ｈ₃）₃Ｇａとし、インジウム源を同じくトリメチル化合
物であるトリメチルインジウム（化学式：（ＣＨ₃）₃Ｉ
ｎ）としてＭＯＣＶＤ法に依り成膜すれば、インジウム
組成比の面内均一性に優れるＧａ_YＩｎ_1-YＡｓ層が形成
される。例えば、直径４インチ（ｉｎｃｈ）の面内に於
いて、インジウム組成比の均一性を±１％以内とするＧ
ａ_{0 。 85}Ｉｎ_0.15Ａｓ層を得ることができる。ちなみに、
（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｇａ／（ＣＨ₃）₃Ｉｎ／ＡｓＨ₃／Ｈ₂反応
系により、略同一の条件下で成膜されたＧａ_0.85Ｉｎ
_0.15Ａｓの直径４インチの面内でのインジウム組成比の
均一性は０．１５±６％程度と劣るものとなる。従っ
て、本発明の請求項３に記載の発明に係わる第３の実施
形態では、トリメチルガリウムをガリウム源として気相
成長させたＧａ_YＩｎ_1-YＡｓ層をチャネル層２０３とし
て利用してＧａＩｎＰ系ＴＥＧＦＥＴ用途の積層構造体
を構成する。

【００１７】特に、インジウム組成比（＝１−Ｙ）を
０．３０以下と低く抑制したＧａ_YＩｎ_1-YＡｓ（０．７
０≦Ｙ≦１）層２０３では、下層２０６のＡｌ_XＧａ_1-X
Ａｓとの格子の不整合性も小さく抑えられ、インジウム
組成の「揺らぎ」の少ない結晶層が得られる。従って、
この様なインジウム組成のＧａ_YＩｎ_1-YＡｓ（０．７０
≦Ｙ≦１）層２０３では、禁止帯幅が均一となり、ま
た、Ｇａ_ZＩｎ_1-ZＰ電子供給層２０５とのバンド構造に
於ける均一なオフセットがもたらされるため、例えば、
均一な相互コンダクタンス（ｇ_m）を有するＧａＩｎＰ
系ＴＥＧＦＥＴが構成され得る。Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓ
（０．７０≦Ｙ≦１）からなるチャネル層２０３の厚さ
は、周知の約１０ｎｍから約３０ｎｍであるのを好適と
する。チャネル層２０３の層厚は、インジウム組成比
（＝１−Ｙ）を大とする程、薄層とする。例えば、イン
ジウム組成比を０．１５とするＧａ_0.85Ｉｎ_0.15Ａｓの
場合、好適な最大の層厚は約２０ｎｍであるのに対し、
Ｇａ_0.80Ｉｎ_0.20Ａｓでは、約１５ｎｍとなる。最大の
層厚は、下層２０６をなすＡｌ_XＧａ_1-XＡｓとの格子不
整合性に基づく歪みが緩和されない臨界膜厚で決定され
る。最小の層厚は、チャネル層２０３の通流抵抗に鑑み
て決定されるが、通常は約５ｎｍ以上とする。

【００１８】本発明の請求項４に係わる第４の実施形態
に於いて、硼素を添加したＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦
１）層２０６上に設けられる２次元電子走行層２０３を
介して設ける珪素ドープのｎ形Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ａｓ電
子供給層２０５は、トリメチルガリウムをガリウム源と
して気相成長させて形成する。例えば、（ＣＨ₃）₃Ｇａ
／（ＣＨ₃）₃Ｉｎ／ＰＨ₃／Ｈ₂反応系のＭＯＣＶＤ法に
依り形成できる。珪素のドーピング源には、シラン（化
学式：ＳｉＨ₄）やジシラン（化学式：Ｓｉ₂Ｈ₆）が利
用できる。有機Ｓｉ化合物にあっては、例えば、ジメチ
ルシラン（化学式：（ＣＨ₃）₂ＳｉＨ₂）の様なメチル
基が付加された化合物がドーパント源として好適とな
る。炭素数を２以上とするアルキル基を付加した有機Ｓ
ｉ化合物は、ＧａＩｎＰ電子供給層２０５のインジウム
組成比の均一性を悪化させかねず、不都合である。四塩
化珪素（化学式：ＳｉＣｌ₄）等のハロゲン（ｈａｌｏ
ｇｅｎ）を付加したＳｉ化合物は、ハロゲンに因りＧａ
ＩｎＰ層がエッチングされ、表面の粗さが増大する。表
面の平滑性が劣ると電子供給層２０５の表面に設けるゲ
ート電極のリーク電流が増長され、電力利得（ｐｏｗｅ
ｒ ｇａｉｎ）が高い、或いは雑音指数（ＮＦ）が小さ
い高性能のＧａＩｎＰ系ＴＥＧＦＥＴが構成できない不
都合を生ずる。

【００１９】インジウム組成を０．４９とするＧａ_0.51
Ｉｎ_0.49ＰはＧａＡｓと格子整合することは公知である
（例えば、Ｈ．Ｃ．Ｃａｓｅｙ，Ｊｒ．ａｎｄ Ｍ．
Ｂ．Ｐａｎｉｓｈ、“Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
Ｌａｓｅｒｓ Ｐａｒｔ Ｂ”（Ａｃａｄｅｍｉｃ
Ｐｒｅｓｓ、１９７８）、２８頁参照）。従って、電子
供給層２０５をＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ａｓから構成すれば、
同層２０５上には良好な格子整合性をもって例えば、Ｇ
ａＡｓからなるコンタクト層２０７が積層できる。格子
整合の関係をもって接合された両層２０５、２０７にあ
っては、不整合性に起因する格子歪みの発生を回避する
ことができる。従って、電子供給層２０５上には、歪領
域或いは格子歪みに起因する結晶欠陥を介して流通する
リーク電流が少ないゲート電極が形成できる。また、電
子供給層２０５と格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体材料からなるコンタクト層２０７上には、入出力抵抗
の小さなオーミック性ソース電極及びドレイン電極が形
成できる。

【００２０】インジウム組成を０．４９とするアンドー
プのＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐは、Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓチャネル
層２０３とＧａ_ZＩｎ_1-ZＰ電子供給層２０５との中間に
配置するスペーサ層２０４としても好適に利用できる。
キャリア濃度を約１×１０ ¹⁶ｃｍ^-3以下とする高純度の
Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ層は、スペーサ層２０４を構成する
のに好適に用いられる。層厚は約１ｎｍから約１０ｎｍ
の範囲で、特に好ましくは、２ｎｍ〜３ｎｍの層厚とす
る。電子供給層２０５或いはスペーサ層２０４を構成す
るＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ層は、インジウム源をシクロペン
タジエニルインジウム（化学式：Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ）とする
（ＣＨ₃）₃Ｇａ／Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ／ＰＨ₃／Ｈ₂系ＭＯＣＶＤ
法に依り都合良く形成できる（Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇ
ｒｏｗｔｈ、１０７（１９９０）、３６０〜３６４頁参
照）。ルイス（Ｌｅｗｉｓ）塩基性的なＣ₅Ｈ₅Ｉｎは、
ルイス酸性のホスフィン（ＰＨ₃）と気相で複合体化
（ポリマー）反応を起こし難く、従って、インジウム組
成を均一とするＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ層が得られる。

【００２１】硼素ドープＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ２０６は、例
えば、トリメチル硼素（化学式：（ＣＨ₃）₃Ｂ）を硼素
のドーピング源としてＭＯＣＶＤ法に依り形成できる。
しかし、上述の如く、Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓはトリエチルガ
リウムをガリウム源として成膜すると、上層のチャネル
層２０３，スペーサ層２０４、及び電子供給層２０５を
構成するインジウム含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の
インジウム組成の均一性を向上させるのに効果が挙げら
れる。従って、本発明の請求項５に記載の発明に係わる
第５の実施形態では、このエチル基を付加したエチル化
合物の効用に鑑み、トリエチル硼素（化学式：（Ｃ
₂Ｈ₅）₃Ｂ）を硼素のドーピング源として利用する。ト
リエチル硼素を利用すれば、エチル原料系で成膜したＡ
ｌ_XＧａ_1-XＡｓのインジウム組成の均一性を向上させる
効果を損なうことなく、硼素ドープＡｌ_XＧａ_1-XＡｓが
形成できる。

【００２２】

【実施例】本実施例では、ＭＯＣＶＤ法に依りＧａＩｎ
Ｐ系ＴＥＧＦＥＴ（２次元電子（ＴＥＧ）電界効果型ト
ランジスタ）用途のエピタキシャル積層構造体を形成す
る場合を例にして、本発明を詳細に説明する。図３は本
実施例に係わる積層構造体３Ａの断面模式図である。

【００２３】エピタキシャル積層構造体３Ａは、アンド
ープ半絶縁性の（１００）２°オフ（ｏｆｆ）ＧａＡｓ
単結晶を基板３０１として構成した。基板３０１とした
ＧａＡｓ単結晶の比抵抗は室温で約３×１０⁷Ω・ｃｍ
である。直径を約１００ｍｍとする基板３０１の表面上
には、Ａｌ_CＧａ_1-CＡｓ／ＧａＡｓ系超格子構造からな
る緩衝層３０２を堆積させた。超格子構造は、アルミニ
ウム組成比（＝Ｃ）を０．２９とするアンドープのＡｌ
_0.29Ｇａ_0.71Ａｓ層３０２ａと、アンドープでｐ形のＧ
ａＡｓ層３０２ｂとから構成した。Ａｌ_0.29Ｇａ_0.71Ａ
ｓ層３０２ａのキャリア濃度は１×１０¹⁴ｃｍ^-3とし、
層厚は５０ｎｍとした。ＧａＡｓ層３０２ｂのキャリア
濃度は６×１０¹³ｃｍ^-3とし、層厚は５０ｎｍとした。
Ａｌ_0.29Ｇａ_0.71Ａｓ層３０２ａとｐ形ＧａＡｓ層３０
２ｂとの積層周期数は３周期とした。Ａｌ_0.29Ｇａ_0.71
Ａｓ層３０２ａとｐ形ＧａＡｓ層３０２ｂは、何れも
（ＣＨ₃）₃Ｇａ／（ＣＨ₃）₃Ａｌ／ＡｓＨ₃／Ｈ₂反応系
に依る減圧ＭＯＣＶＤ法に依り、６４０℃で成膜した。
成膜時の圧力は約１．３×１０⁴パスカル（Ｐａ）とし
た。キャリア（輸送）ガスには水素を使用した。

【００２４】緩衝層３０２上には、ガリウム源を（ＣＨ
₃）₃Ｇａからトリエチルガリウムに変更して、（Ｃ
₂Ｈ₅）₃Ｇａ／ＡｓＨ₃／Ｈ₂反応系に依る減圧ＭＯＣＶ
Ｄ法に依り、硼素ドープＧａＡｓ層３０６を積層した。
硼素のドーピング源には、トリエチル硼素を利用した。
（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂを収納するステンレス鋼製のバブラー
（発泡）容器の温度は０℃に保持した。成膜温度は６４
０℃とし、成膜時の圧力は約１．３×１０⁴Ｐａとし
た。硼素はその原子濃度が約６×１０¹⁷ｃｍ^-3となる様
にドーピングした。硼素ドープＧａＡｓ層３０６のキャ
リア濃度は１×１０¹⁴ｃｍ^-3未満の高抵抗層とした。層
厚は２０ｎｍとした。

【００２５】硼素ドープＧａＡｓ層３０６上には、（Ｃ
Ｈ₃）₃Ｇａ／（ＣＨ₃）₃Ｉｎ／ＡｓＨ₃／Ｈ₂反応系を利
用した減圧ＭＯＣＶＤ法に依り、アンドープのｎ形Ｇａ
_0.80Ｉｎ_0.20Ａｓ層をチャネル層３０３として積層し
た。チャネル層３０３を構成するＧａ_0.80Ｉｎ_0.20Ａｓ
層のキャリア濃度は３×１０¹⁵ｃｍ^-3とし、層厚は１４
ｎｍとした。レーザー入射光の散乱強度を利用して計測
したＧａ_0.80Ｉｎ_0.20Ａｓ層の表面のヘイズ（ｈａｚ
ｅ）は約１５ｐｐｍとなった。また、２結晶Ｘ線回折法
に依り測定されたインジウム組成の均一性は、０．２０
±０．４％であった。

【００２６】Ｇａ_0.80Ｉｎ_0.20Ａｓチャネル層３０３の
上には、（ＣＨ₃）₃Ｇａ／（ＣＨ₃）₃Ｉｎ／ＰＨ₃／Ｈ₂
反応系を利用した減圧ＭＯＣＶＤ法に依り、アンドープ
のｎ形のＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなるスペーサ層３０４
を積層させた。スペーサ層３０４のキャリア濃度は２×
１０¹⁵ｃｍ^-3以下とし、層厚は２．５ｎｍとした。

【００２７】Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなるスペーサ層３
０４の上には、珪素ドープのｎ形Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐか
らなる電子供給層３０５を、（ＣＨ₃）₃Ｇａ／Ｃ₅Ｈ₅Ｉ
ｎ／ＰＨ₃／Ｈ₂反応系を利用した減圧ＭＯＣＶＤ法に依
り積層させた。Ｓｉのドーピング源には、水素−ジシラ
ン（濃度１０体積ｐｐｍ）混合ガスを使用した。電子供
給層３０５のキャリア濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層
厚は２５ｎｍとした。電子供給層３０５を構成するＧａ
_0.51Ｉｎ_0.49Ｐのインジウム組成の均一性は、通常のフ
ォトルミネッセンス（ＰＬ）発光波長の均一性から０．
４９±０．５％と求められた。同層３０５を積層させた
後に測定されたヘイズ値は２０ｐｐｍとなった。

【００２８】ｎ形Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐからなる電子供給
層３０５の表面上には、（ＣＨ₃）₃Ｇａ／ＡｓＨ₃／Ｈ₂
反応系により，Ｓｉドープｎ形ＧａＡｓからなるコンタ
クト層３０７を積層させた。Ｓｉのドーピング源は上記
の水素−ジシラン混合ガスを使用した。コンタクト層３
０７のキャリア濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は約
１００ｎｍとした。コンタクト層３０７の表面には、ク
ロスハッチパターンなどは認められず、下層の電子供給
層３０５との良好な格子整合の達成を伺わせた。また、
コンタクト層３０７の表面のヘイズは２８ｐｐｍと計測
された。以上をもって、積層構造体３Ａをなす構成層３
０３〜３０７のエピタキシャル成長を終了した後、アル
シンを含む雰囲気内で約５００℃迄降温し、その後、水
素雰囲気内で室温迄冷却して積層構造体３Ａの形成を完
了した。

【００２９】本発明に係わる構成からなる積層構造体３
Ａから発現される基本的な電気的特性の優位性を評価し
た。先ず、積層構造体３Ａの最表層をなすｎ形ＧａＡｓ
コンタクト層３０７をリン酸（化学式：Ｈ₃ＰＯ₄）・過
酸化水素（化学式：Ｈ₂Ｏ₂）・純水系エッチング液によ
り除去した。次に、露呈したＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ電子供
給層３０５の表面に、直径が２００μｍのチタン（元素
記号：Ｔｉ）（下層）／アルミニウム（上層）の重層構
造からなるショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）電極を形
成した。ショットキー電極に負電圧を印可する通常の容
量（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）−電圧（ｖｏｌｔａｇ
ｅ）法（所謂、Ｃ−Ｖ法）により、電子供給層３０５の
表面より緩衝層３０２に向けての深さ方向のキャリア濃
度分布（プロファイル）を測定した。図４にキャリア濃
度プロファイルの一例を示す。キャリア濃度は、電子供
給層３０５より硼素ドープＧａＡｓ層３０６の領域を経
由して緩衝層３０２に至る迄、単調に減少している。特
に、緩衝層３０２の深部領域のキャリア濃度は１×１０
¹⁴ｃｍ^-3未満であり、緩衝層３０２が高抵抗層であるこ
とが証された。

【００３０】また、ｎ形ＧａＡｓコンタクト層３０７を
上記のリン酸系エッチング液で除去した後、引き続き、
塩酸（化学式：ＨＣｌ）・Ｈ₂Ｏ₂・Ｈ₂Ｏ系混合液でｎ
形Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ３０５の全体を除去した。次に、
露呈させたＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ電子供給層３０５の表面
に、金・ゲルマニウム（Ａｕ９３重量％・Ｇｅ７重量
％）・ニッケル（Ｎｉ）・金（Ａｕ）重層構造からなる
電極を対向させて設けた。各電極は幅１００μｍとし、
長さを２００μｍとした。幅方向に平行に配列した電極
間の間隔は１０μｍとした。両電極間に２０ボルト
（Ｖ）の直流電圧を印可した際の緩衝層３０２に流通す
る漏洩電流は３０ナノアンペア（単位：ｎＡ）未満であ
り、高耐圧の緩衝層３０２がもたらされているのが証さ
れた。

【００３１】積層構造体３Ａの最表層をなすｎ形ＧａＡ
ｓコンタクト層３０７の表面にインジウム・錫（Ｉｎ・
Ｓｎ）合金からなるオーミック電極を形成し、ホール
（Ｈａｌｌ）抵抗及び磁気抵抗の磁場強度依存性を測定
したところ、図５に掲示する如く、量子化された電子
（２次元電子）の存在を示すホール抵抗及び磁気抵抗の
振動が確認された。また、通常のホール（Ｈａｌｌ）効
果測定法に依り、２次元電子走行層（チャネル層）３０
３を走行する２次元電子（Ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ
ａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｇａｓ：ＴＥＧ）に係わる電
子移動度を測定した。室温（約３００ケルビン（Ｋ））
でのシート（ｓｈｅｅｔ）キャリア濃度（ｎ _s）は約
１．５×１０¹²ｃｍ^-2であり、平均的な電子移動度（μ
_RT）は約５５００ｃｍ²／Ｖ・ｓであった。また、μ_RT
は５４００ｃｍ²／Ｖ・ｓ〜５６００ｃｍ ²／Ｖ・ｓの範
囲にあり、安定して高い室温電子移動度が顕現された。
また、液体窒素温度（７７Ｋ）でのｎｓは約１．３×１
０¹²ｃｍ^-2であり、μは約２２，０００ｃｍ²／Ｖ・ｓ
〜２３，０００ｃｍ²／Ｖ・ｓであり、高電子移動度が
安定して発現された。

【００３２】

【発明の効果】本発明では、有機ガリウム源を異にして
成膜したエピタキシャル層からＧａＩｎＰ系高電子移動
度トランジスタ用途の積層構造体を構成したので次の効
果がある。

【００３３】本発明の請求項１に記載の発明に依れば、
Ｇａ_ZＩｎ_1-ZＰ（０＜Ｚ≦１）からなる電子供給層を、
トリエチルガリウムをガリウム源として気相成長した、
トリエチルガリウムをガリウム源とし、硼素をドーピン
グして高抵抗となしたＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）
層上に設ける構成としたので、インジウム組成を均一と
する２次元電子走行層がもたらされ、高電子移動度を発
現するＧａＩｎＰ系ＴＥＧＦＥＴ用途のエピタキシャル
積層構造体を提供できる。

【００３４】特に、本発明の請求項２に記載の発明に依
れば、Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓ（０＜Ｙ≦１）２次元電子走行
層を、硼素を添加したＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）
層に接合させて設ける構成としたので、インジウムの偏
析等に因る表面の粗さが小さく、且つインジウム組成比
の均一性に優れるチャネル層が構成でき、安定して高い
電子移動度を発現するＧａＩｎＰ系エピタキシャル積層
構造体を提供できる。

【００３５】本発明の請求項３に記載の発明に依れば、
硼素を添加したＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）層上に
設ける２次元電子走行層を、トリメチルガリウムをガリ
ウム源として気相成長され、インジウム組成比を０．３
０以下とするｎ形のＧａ_YＩｎ_1-YＡｓ（０．７０≦Ｙ＜
１）層から構成することとしたので、よりインジウム組
成の均一性に優れる、従って、電子供給層との禁止帯幅
の差異の変動を小さく抑制できるため、高い電子移動度
を安定して発現するＧａＩｎＰ系エピタキシャル積層構
造体を提供できる。

【００３６】本発明の請求項４に記載の発明に依れば、
硼素を添加したＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ（０≦Ｘ≦１）層上に
設けられる２次元電子走行層を介して設ける電子供給層
を、トリメチルガリウムをガリウム源として気相成長さ
れた、インジウム組成比を０．４９とする、珪素を添加
したｎ形のＧａ_0.51Ｉｎ_0.49Ａｓ層から構成したので、
積層構造体を構成するＧａＡｓ系構成層との良好な格子
整合性が確保でき、結晶性に優れ、尚且つ、インジウム
組成の均一性に優れる電子供給層がもたらされ、よっ
て、高電子移動度を安定して発現するＧａＩｎＰ系エピ
タキシヤル積層構造体を提供できる。

【００３７】本発明の請求項５に記載の発明に依れば、
Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓ２次元電子走行層並びにＧａ_ZＩｎ_1-Z
Ｐ電子供給層の下方に配置する、硼素を添加したＡｌ_X
Ｇａ_{1 -X}Ａｓ（０≦Ｘ≦１）層を、トリエチル硼素をド
ーピング源とするＭＯＣＶＤ法で形成することとしたの
で、インジウム含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を特
に、インジウム組成比に優れるチャネル層や電子供給層
等から構成できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＧａＩｎＰ高電子移動度トランジスタの
断面構造を示す模式図である。

【図２】本発明の実施形態を説明するための積層構造体
の断面構造を示す模式図である。

【図３】実施例１に記載の積層構造体の断面模式図であ
る。

【図４】実施例１の積層構造体に係わるキャリア濃度プ
ロファイルの一例である。

【図５】実施例１の積層構造体の、ホール抵抗及び磁気
抵抗の磁場強度依存性測定結果である。

【符号の説明】

１Ａ 従来の積層構造体 ２Ａ 本発明に係わる積層構造体 １０ 単結晶基板 １１ 緩衝層 １２ チャネル（２次元電子供給）層 １３ スペーサ層 １４ 電子供給層 １５ コンタクト層 １６ ソース電極 １７ ドレイン極 １８ ゲート電極 １００ ＧａＩｎＰ系ＴＥＧＦＥＴ ２０１ 半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板 ２０２ 超格子構造緩衝層 ２０２−１ 第１の緩衝層構成層 ２０２−２ 第２の緩衝層構成層 ２０３ Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓチャネル層 ２０４ Ｇａ_ZＩｎ_1-ZＰスペーサ層 ２０５ Ｇａ_ZＩｎ_1-ZＰ電子供給層 ２０６ 硼素ドープＡｌ_XＧａ_1-XＡｓ層 ２０７ ＧａＡｓコンタクト層 ３０１ 半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板 ３０２ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ超格子構造緩衝層 ３０２ａ Ａｌ_0.29Ｇａ_0.71Ａｓ緩衝層構成層 ３０２ｂ ＧａＡｓ緩衝層構成層 ３０３ Ｇａ_0.80Ｉｎ_0.20Ａｓチャネル層 ３０４ Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐスペーサ層 ３０５ Ｇａ_0.51Ｉｎ_0.49Ｐ電子供給層 ３０６ 硼素ドープＧａＡｓ層 ３０７ ｎ形ＧａＡｓコンタクト層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 29/778 H01L 21/205 H01L 21/338 H01L 29/812

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半絶縁性のＧａＡｓ単結晶基板上に、Ｇａ
   _YＩｎ_1-YＡｓ（０＜Ｙ≦１）からなる２次元電子走行層
   と、Ｇａ_ZＩｎ_1-ZＰ（０＜Ｚ≦１）からなる電子供給層
   とを含むＧａＩｎＰ系エピタキシャル構造体に於いて、
   基板と２次元電子走行層との間に、トリエチルガリウム
   を用いて気相成長され、硼素が添加されたＡｌ_XＧａ_1-X
   Ａｓ（０≦Ｘ≦１）層を有することを特徴とするＧａＩ
   ｎＰ系エピタキシャル構造体。
2. 【請求項２】２次元電子走行層が、Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ層
   と接していることを特徴とする請求項１に記載のＧａＩ
   ｎＰ系エピタキシャル構造体。
3. 【請求項３】２次元電子走行層が、トリメチルガリウム
   を用いて気相成長された、ｎ形Ｇａ_YＩｎ_1-YＡｓ（０＜
   Ｙ≦０．７０）層から構成されていることを特徴とする
   請求項１または２に記載のＧａＩｎＰ系エピタキシャル
   構造体。
4. 【請求項４】電子供給層が、トリメチルガリウムを用い
   て気相成長され、珪素を添加したｎ形のＧａ_0.51Ｉｎ
   _0.49Ｐ層から構成されていることを特徴とする請求項１
   〜３の何れか１項に記載のＧａＩｎＰ系エピタキシャル
   構造体。
5. 【請求項５】Ａｌ_XＧａ_1-XＡｓ層が、トリエチル硼素を
   ドーピング源とする有機金属熱分解法で形成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のＧ
   ａＩｎＰ系エピタキシャル構造体。