JP3376078B2 - 高電子移動度トランジスタ - Google Patents

高電子移動度トランジスタ

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JP3376078B2
JP3376078B2 JP04887594A JP4887594A JP3376078B2 JP 3376078 B2 JP3376078 B2 JP 3376078B2 JP 04887594 A JP04887594 A JP 04887594A JP 4887594 A JP4887594 A JP 4887594A JP 3376078 B2 JP3376078 B2 JP 3376078B2
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    • H01L29/43Electrodes ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
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    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
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    • H01L29/772Field effect transistors
    • H01L29/80Field effect transistors with field effect produced by a PN or other rectifying junction gate, i.e. potential-jump barrier
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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【産業上の利用分野】本発明は、電界効果型半導体装置
に関し、特にIII−V族化合物半導体を用い、ショッ
トキゲート電極を有する電界効果型半導体装置に関す
る。 【0002】 【従来の技術】III−V族化合物半導体を用いると、
Si、Geよりも高いキャリア移動度を得ることができ
る。ヘテロ接合による狭いポテンシャルの谷と低不純物
密度のIII−V族化合物半導体結晶を利用すると、著
しく高い移動度を有する2次元電子ガスを得ることがで
きる。 【0003】このような2次元電子ガスを利用する電界
効果型半導体装置として、たとえば高電子移動度トラン
ジスタ(HEMT)が知られている。HEMT等の高速
動作化合物半導体装置は高速動作のコンピュータ等への
利用が期待されている。 【0004】HEMTは、当初AlGaAs/GaAs
ヘテロ接合を用いて実現された。その後AlGaAs
は、I−V特性を歪ませる原因等となる深い準位のトラ
ップであるDXセンタを含むことが判り、DXセンタを
含まないInGaP/GaAsヘテロ接合を用いるHE
MTも開発された。なお、チャネル(電子走行)層とし
てはGaAsの代わりにInGaAsも用いられる。 【0005】III−V族化合物半導体結晶に対して
は、Si結晶に対する酸化シリコンのような良好な絶縁
膜が未だ見いだされていない。従って、Si半導体装置
におけるMOS型制御電極のような絶縁ゲート電極を作
成することができず、ゲート電極はショットキ電極によ
って形成される。ショットキ接触は、金属−半導体接合
で構成されるため、ショットキ電圧以上の順バイアス電
圧を印加すると、順方向電流が流れる。 【0006】図6に、従来の技術によるHEMTの構成
例を示す。Cr等をドープした半絶縁性GaAs基板2
1の上に、ノンドープのGaAsバッファ層22をエピ
タキシャルに成長した後、その上にノンドープのGaA
s能動層23をエピタキシャルに成長し、さらにその上
にノンドープのAlGaAsスペーサ層24、Siドー
プのn型AlGaAs電子供給層25、Siドープのn
型GaAsコンタクト層27がこの順序でエピタキシャ
ルに成長される。コンタクト層27の一部を取り除き、
電子供給層25の上にAl、WSix 等で形成されたシ
ョットキゲート電極29が形成される。 【0007】また、コンタクト層27の上にオーミック
接触を形成するソース/ドレイン電極28が形成されア
ロイイングされる。なお、AlGaAsはDXセンタを
伴うため、HEMT特性に悪影響を与える。AlGaA
sの代わりにInGaPを用いて電子供給層25を形成
することもできる。この場合には、ショットキゲート電
極29はn型InGaP層の上に形成される。 【0008】MESFETにおいては、チャネル層の上
にショットキゲート電極が形成され、ショットキゲート
電極を挟むように1対のソース/ドレイン電極が形成さ
れる。GaAsMESFETの場合、n型GaAs層の
上にAl、WSi2 等を用いてショットキゲート電極が
形成される。 【0009】これらの電界効果型III−V族化合物半
導体装置において、ゲート電極はチャネル層内のキャリ
アの走行を制御するためのものである。ところで、ショ
ットキゲート電極は、下地半導体層に対し特有のショッ
トキ障壁を有し、ある電圧以上の順バイアス電圧が印加
されると電流が流れてしまう。入力信号電圧の振幅が大
きな場合、ゲート電極に大きな順方向電圧が印加される
こともある。このような場合にはゲート電極に電流が流
れることになる。 【0010】 【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来のIII−V族化合物半導体装置におけるショット
キ電極は、限られた値のショットキ障壁を有し、高い順
方向電圧を受けると電流が流れてしまう。 【0011】本発明の目的は、電流が流れ難いショット
キ電極を有するIII−V族化合物半導体装置を提供す
ることである。本発明の他の目的は、ゲート電流の流れ
難い電界効果型化合物半導体装置を提供することであ
る。 【0012】 【課題を解決するための手段】本発明の高電子移動度ト
ランジスタは、GaAs基板と、前記GaAs基板上に
形成され、2次元キャリアガスが走行する能動層と前記
能動層にキャリアを供給できる電子供給層とを含む複数
のIII−V族化合物半導体結晶積層と、前記III−
V族化合物半導体結晶積層上の少なくとも一部に形成さ
れたInAlP層と、前記InAlP層上に形成され、
ショットキ接触するゲート電極と、前記III−V族化
合物半導体結晶積層の表面であって且つ前記ゲート電極
を挟んで形成されたGaAs層又はInGaAs層と、
前記、GaAs層又はInGaAs層を含み、前記In
AlP層を介在することなく前記能動層と電気的に接続
されている1対のソース/ドレイン電極とを有する。 【0013】ゲート電極下にInAlP層を設けること
により、ゲート電極のショットキ障壁を高めることがで
きる。ゲート電極を挟んで積層表面にGaAs層又はI
nGaAs層を設け、InAlP層を介することなくソ
ース/ドレイン電極を形成することにより、ソース/ド
レイン電極と能動層との間を低抵抗で接続できる。 【0014】 【作用】ゲート電極とIII−V族化合物半導体結晶層
との間に、InAlP層を挿入することにより、ゲート
電極のショットキ接触は、ゲート電極とInAlP層と
の間で形成される。下地半導体層としてInAlP層を
用いることにより、従来得られなかった高いショットキ
障壁を得ることができる。 【0015】 【実施例】ゲート電極のリーク電流を減少させるために
は、ゲート電極のショットキ障壁を高くすることが望ま
しい。本発明者は、高いショットキ障壁のデート電極を
見いだすため、以下に述べる予備実験を行った。 【0016】図7に示すように、半絶縁性GaAs基板
21の上に、有機金属気相成長法(MOCVD)によ
り、n型III−V族化合物半導体層30を厚さ約15
0nm成長し、その上に直径約100μmのAl電極3
2を蒸着して形成した。なお、このAl電極32の形成
は、まず電極形状の開口を有するレジストマスクを半導
体層30の上に形成し、Al電極層を蒸着し、リフトオ
フすることによって電極層の不要部分を除去して行っ
た。 【0017】化合物半導体層30として、種々のIII
−V族化合物半導体(混晶を含む)を試みた。III−
V族化合物半導体層30がn型GaAs、n型AlGa
As、n型InGaP、n型InAlPであった場合、
各ショットキ接触のショットキ障壁は以下のように求め
られた。なお、ショットキ障壁は、順方向電流−電圧
(I−V)特性から求めた。また、n型III−V族化
合物半導体層30は、Siドープで約1.5×1018
-3の不純物濃度を有していた。なお、不純物濃度測定
は容量−電圧(C−V)法によって測定した。 【0018】 【表1】 【0019】一般に、ショットキ電極を流れる電流は、
ショットキ障壁が高くなると共に、指数関数的に減少す
ることが知られている。従って、ショットキゲート電極
のリーク電流は、そのショットキゲート電極のショット
キ障壁高さに指数関数的に依存する。 【0020】従来の電界効果型半導体装置のショットキ
ゲート電極の下地半導体層は、n型GaAs、n型In
GaP、n型AlGaAs等であり、上述の実験によれ
ばこれらのショットキ障壁は高々0.69Vであった。
ショットキゲート電極の下地半導体層としてn型InA
lPを用いれば、約10%高いショットキ障壁を得るこ
とができる。 【0021】図1は、本発明の実施例によるHEMTの
構成を概略的に示す。Crドープの半絶縁性GaAs基
板1の上に、有機金属気相成長法(MOCVD)によ
り、まずノンドープのGaAsバッファ層2を約0.5
μm成長する。続いて、バッファ層2の上に、ノンドー
プGaAs能動層3を約0.1μm、ノンドープAlG
aAsスペーサ層を約3nm、Siを約1×1018cm
-3程度ドープしたn型AlGaAs電子供給層5を約1
00nmMOCVDによって成長する。この工程まで
は、従来のHEMTの製造工程とほぼ同様である。 【0022】電子供給層5の上に、MOCVDによりさ
らにSiを約1×1018cm-3程度ドープしたn型In
AlPバリア層6を厚さ約3nm成長し、さらにその上
にSiを約1〜3×1018cm-3程度ドープしたn型G
aAsキャップ層7を厚さ約10〜50nm成長する。 【0023】次に、1対の開口を有するレジストパター
ンをキャップ層7の上に形成し、厚さ約50nmのAl
Ge層と厚さ約200nmのAu層を蒸着し、レジスト
パターンをリフトオフして開口部のみにソース/ドレイ
ン電極8a、8bを残す。その後アロイイングを行な
い、ソース/ドレイン電極8a、8bを能動層3にオー
ミック接触させる。 【0024】なお能動層3は、スペーサ層4との界面付
近に2次元電子ガスの走行領域を形成するので、アロイ
イングによるオーミック接触は2次元電子ガスに到達す
ればよい。 【0025】次に、ソース/ドレイン電極を覆うレジス
トマスクを形成し、その間に露出したコンタクト層7を
HF+H2 2 混合エッチング液でエッチングする。こ
のウエットエッチングは、n型InAlPバリア層6が
露出した点で自動的に停止する。 【0026】ソース/ドレイン電極8a、8bの間に露
出したn型InAlPバリア層6の上に、レジストマス
クを用いたリフトオフ法により、厚さ約0.2μmのA
lゲート電極9を形成する。 【0027】ゲート電極9は制御信号端子Vg を介して
入力信号源Vinに接続される。ソース電極8aはソース
端子Vs を介して接地され、ドレイン電極8bはドレイ
ン端子Vd を介して出力端子Vout に接続される。ま
た、ドレイン端子Vd は負荷Lを介して電源電圧+Vに
接続される。Alゲート電極9は、n型InAlPバリ
ア層6にショットキ接触しているため、高いショットキ
障壁を有する。なお、このn型InAlPバリア層6
は、厚さが約3nmであるため、ゲート電極9が能動層
3に与える影響を実質的に変更させることはない。ま
た、ソース/ドレイン電極8a、8bと能動層3との間
のオーミック性にも大きな影響を与えることはない。 【0028】なお、電極形成前の能動層の特性をInA
lP層のない場合とある場合とで測定した。能動層の2
次元電子ガスの濃度と移動度を、室温と77Kで測定し
た。 【0029】 【表2】 なお、2DEG濃度は、cm-2の単位であり、E12は
×1012を表す。移動度の単位はcm2 /V・secで
ある。 【0030】これらの測定結果から判明するように、電
子供給層の上にInAlP層を形成することによって
は、能動層の特性はほとんど影響されない。次に、In
AlP層を挿入することにより、ゲート電極の特性がど
のように変化したかを以下の実験によって確認した。 【0031】図2(A)に示すように、n型AlGaA
s電子供給層5上のn型InAlP層6をHClで部分
的にエッチング除去した。n型InAlP層6の上とn
型AlGaAs層5の上に同時にそれぞれ直径約100
μmのAl電極11、12を蒸着/リフトオフ法に
よって形成した。これらのショットキ電極11、
2のI−V特性を図2(B)、(C)に示す。 【0032】図2(B)において、横軸は印加電圧をV
で示し、縦軸はショットキ電極を流れる電流をμAで示
す。図2(C)においては、横軸は同様に印加電圧を、
異なるスケールのVで示し、縦軸はショットキ電極を流
れる電流をmAで示す。すなわち、図2(C)は、図2
(B)の特性をより広範囲に見たグラフである。 【0033】図から明らかなように、従来技術に相当す
るショットキ電極12の特性i12の立ち上がりと、
本実施例のゲート電極に対応するショットキ電極11
の特性i11の立ち上がりは、ショットキ電極11の
方がより高電圧である。同一の電流が流れる電圧を比較
すると、常にショットキ電極11の電圧がショットキ
電極12の電圧よりも高い。 【0034】例えば、2μAの順方向電流(0.025
A/cm2)が流れる順方向電圧は、図2(B)から明
らかなように、InAlP層6上のショットキ電極
1の場合には約1.2Vであるのに対し、AlGaAs
層5の上のショットキ電極12の場合には約1.0V
である。 【0035】リーク電流が0.025A/cm2 の場合
を限界とすると、ショットキ電極11に印加できる電
圧は1.2Vであるのに対し、ショットキ電極12に
対しては1.0Vである。 【0036】すなわち、図1のHEMTにおいては、ゲ
ート電極9に従来よりも約0.2V大きな順方向電圧を
印加することができる。なお、リーク電流の限界を変化
させると、印加できる電圧差も変化する。より大きなリ
ーク電流まで許容すれば、図2(C)から明らかなよう
に、印加できるゲート電圧はさらに大きくなる。 【0037】なお、図1の実施例においては、電子供給
層としてn型AlGaAsを用いたが、n型InGaP
を用いてもよい。この場合も、電子供給層とゲート電極
との間にInAlP層6を挿入することにより、同様に
ゲート電極に印加できる順方向電圧は増大する。 【0038】また、ゲート電極としてAlを用いる場合
を説明したが、ゲート電極にWSi x を用いる場合も、
電子供給層とゲート電極との間にInAlP層を挿入す
ることにより、ショットキ障壁はほぼ同様に増大するで
あろう。 【0039】なお、図1の実施例においては、InAl
Pバリア層6はソース/ドレイン電極下にも存在した。
しかしながら、ソース/ドレイン電極を形成する領域に
おいて、InAlP層を挿入する必要はない。 【0040】図3は、本発明の他の実施例によるHEM
Tの構成を示す。半絶縁性GaAs基板1の上に、Al
GaAsバッファ層2aが形成され、その上にノンドー
プのGaAs能動層3、ノンドープAlGaAsスペー
サ層4、n型AlGaAs電子供給層5がエピタキシャ
ル成長されている。電子供給層5の上に、ゲート電極を
形成する領域にはノンドープInAlP層6aが厚さ3
〜10nmエピタキシャルに形成され、その両側にはn
型GaAsコンタクト層7aが厚さ10〜50nmエピ
タキシャルに成長される。 【0041】ノンドープInAlP層6aの上に、ゲー
ト電極9が形成され、n型GaAsコンタクト層7aの
上に、ソース/ドレイン電極8a、8bが形成される。
本実施例においては、バッファ層としてAlGaAs層
を用いている。AlGaAsは、GaAsよりも広いバ
ンドギャップを有し、能動層3を基板1から電気的に遮
断するのにより有効である。 【0042】また、本実施例においては、InAlP層
6aがゲート電極下のみに形成され、ソース/ドレイン
電極下からは除去されている。このため、n型GaAs
コンタクト7aは、n型AlGaAs電子供給層5上に
直接形成されている。このため、良好なオーミック接触
を形成し易くなる。InAlPバリア層6aは、オーミ
ック電極の特性を考慮する必要がなく、ノンドープとさ
れている。このため、より良好なショットキゲート電極
を形成し易くなる。その他の点は図1の実施例と同様で
あるため、説明を省略する。 【0043】InAlPはGaAsと格子整合すること
ができるため、GaAs基板上の化合物半導体装置に用
いるのに適している。しかしながら、基板と若干格子不
整合であってもその層の厚さを薄くすることにより、I
nAlP層を同様に用いることができる。 【0044】図4は本発明の他の実施例によるHEMT
の構成例を示す。半絶縁性InP基板11の上に、ノン
ドープのInPバッファ層12、ノンドープのInGa
As能動層13、n型InAlAs電子供給層15がエ
ピタキシャルに成長されている。これらの層は、好まし
くはInP基板11に格子整合させる。 【0045】n型InAlAs電子供給層15の上に、
ノンドープのInAlPバリア層16がエピタキシャル
に成長され、ゲート電極を形成する領域を残してその両
側の領域を除去されている。露出されたn型InAlA
s電子供給層15の上には、n型InGaAsコンタク
ト層17がエピタキシャルに成長されている。 【0046】ノンドープInAlPバリア層16の上
に、ショットキゲート電極19が形成され、n型InG
aAsコンタクト層17の上にオーミックソース/ドレ
イン電極18a、18bが形成されている。 【0047】InAlPバリア層16は、InP基板1
1と格子整合させることができない。しかしながら、そ
の厚さを臨界膜厚以下とすれば、過度の格子欠陥を含む
ことなくエピタキシャル成長させることができる。In
GaAs能動層13は、GaAs能動層よりも高い2次
元電子ガス移動度を実現することができる。このため、
より高周波動作の可能なHEMTを構成することがき
る。 【0048】また、n型InGaAsコンタクト層は、
n型GaAsコンタクト層よりも良好なオーミック接触
を形成することができる。このため、よりオン抵抗の低
いHEMTを構成することがきる。図3の構成におい
て、コンタクト層7aをn型InGaAs層にしてもよ
い。 【0049】以上、HEMTにInAlP層を用いる場
合を説明したが、HEMT以外にもInAlP層をショ
ットキ電極の下地半導体層として用いることは可能であ
る。図5は、本発明の他の実施例によるMESFETの
構成例を示す。半絶縁性GaAs基板1の上に、ノンド
ープGaAsバッファ層2b、n型GaAs能動層3a
がエピタキシャルに成長されている。n型GaAs能動
層3aの一部表面上に、ノンドープInAlPバリア層
6bがエピタキシャルに成長されている。ノンドープI
nAlPバリア層6bの上にショットキゲート電極が形
成され、n型GaAs能動層3aの上に、オーミック接
触するソース/ドレイン電極8a、8bが形成されてい
る。 【0050】ショットキゲート電極9は、ノンドープI
nAlPバリア層6bを介してn型GaAs能動層3a
上に形成されるため、より高いショットキ障壁を得るこ
とができる。 【0051】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、結
晶成長を有機金属気相成長法(MOCVD)で行う場合
を説明したが、分子線エピタキシ(MBE)等他のエピ
タキシャル成長を用いてもよい。 【0052】オーミック電極、ショットキ電極の材料
も、下地半導体層に合わせ種々選択することが可能であ
る。単一のトランジスタ部分を図示し説明したが、集積
回路内の構成素子として用いることもできる。集積回路
構成の場合、素子間を酸素イオン注入等の分離領域で分
離することもできる。その他種々の変更、改良、組み合
わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。 【0053】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高いショットキ障壁を有するショットキゲート電極を備
えた電界効果型化合物半導体装置が提供される。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明の実施例によるHEMTを示す概略断面
図である。 【図2】図1の実施例の特性を検証する実験を説明する
ための断面図およびグラフである。 【図3】本発明の他の実施例によるHEMTの構成を概
略的に示す断面図である。 【図4】本発明の他の実施例によるHEMTの構成を概
略的に示す断面図である。 【図5】本発明の他の実施例によるHEMTの構成を概
略的に示す断面図である。 【図6】従来の技術によるHEMTの構成を概略的に示
す断面図である。 【図7】本発明の予備実験に用いたサンプルの構成を概
略的に示す断面図である。 【符号の説明】 1 半絶縁性GaAs基板 2 GaAs(AlGaAs)バッファ層 3 GaAs能動層 4 ノンドープAlGaAsスペーサ層 5 n型AlGaAs電子供給層 6 InAlPバリア層 7 n型GaAsコンタクト層 8 オーミックソース/ドレイン電極 9 ショットキゲート電極 11 半絶縁性InP基板 12 InPバッファ層 13 ノンドープInGaAs能動層 15 n型InAlAs電子供給層 16 ノンドープInAlPバリア層 17 n型InGaAsコンタクト層 18 オーミックソース/ドレイン電極 19 ショットキゲート電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/338 H01L 29/778 H01L 29/812

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】GaAs基板と、 前記GaAs基板上に形成され、2次元キャリアガスが
    走行する能動層と前記能動層にキャリアを供給できる電
    子供給層とを含む複数のIII−V族化合物半導体結晶
    積層と、 前記III−V族化合物半導体結晶積層の少なくとも
    一部に形成されたInAlP層と、 前記InAlP層上に形成され、ショットキ接触するゲ
    ート電極と、前記III−V族化合物半導体結晶積層の表面であって
    且つ前記ゲート電極を挟んで形成されたGaAs層又は
    InGaAs層と、 前記、GaAs層又はInGaAs層を含み、前記In
    AlP層を介在することなく前記能動層と電気的に接続
    されている 1対のソース/ドレイン電極とを有する高電
    子移動度トランジスタ。
JP04887594A 1994-03-18 1994-03-18 高電子移動度トランジスタ Expired - Lifetime JP3376078B2 (ja)

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