JP3588988B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明はショットキー接合型の電極を有する半導体装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図6は従来のショットキー接合型の電極を有する半導体装置を示す要部断面図である。この図において、1は半絶縁性GaAs基板、18はこの基板1上に形成された高抵抗のアンドープAl0.20Ga0.80Asバッファ層、19はこのバッファ層18上に形成されたn型不純物濃度が比較的高いAl0.20Ga0.80Asからなる第1の電子供給層、4はこの第1の電子供給層19上に形成されたアンドープIn0.15Ga0.85Asチャネル層、20はこのチャネル層4上に形成されたn型不純物濃度が比較的高いAl0.20Ga0.80Asからなる第2の電子供給層、21はこの第2の電子供給層20上に形成されたアンドープAl0.20Ga0.80Asショットキー接合形成層である。
【0003】
又、7は上記ショットキー接合形成層21上に所望の間隔を開けて形成された一対のn型不純物を有する(以下、「n−」と記載する。)GaAs層、8はこのn−GaAs層7上にそれぞれ形成された高濃度にn型不純物を含有するGaAsコンタクト層、9及び10はそれぞれ上記コンタクト層8上に形成されたソース及びドレイン電極、11は上記ショットキー接合形成層21上に上記一対のn−GaAs層7に挟まれて形成されたゲート電極である。
【0004】
ここで、従来の半導体装置は、低不純物濃度のInGaAsチャンネル層4の上下に配置された電子親和力の小さな比較的高濃度のn−AlGaAs電子供給層19、20から、電子親和力の大きなチャネル層4に電子が供給され、チャネル層4に蓄積した電子がキャリアとして動作するいわゆるHEMT(High Electron Mobility Transistor)を構成しており、ゲート電極11のバイアス電圧を変化させることによりチャネル層4の電子濃度を変調させてトランジスタ動作を行わせることができる。
【0005】
ここで、高出力化のためには高い電子濃度が必要であり、そのためにn−AlGaAs電子供給層19、20の不純物濃度を高くするとともに、そのAl組成比を大きくして、チャネル層4との伝導帯のポテンシャル差を大きくすることが有効である。
【0006】
又、高出力化のためにはゲートの高耐圧化が要求され、そのためにゲート電極11の下にアンドープ又は比較的低濃度のAlGaAsショットキー接合形成層21が用いられている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、従来のこの種の半導体装置では、ショットキー接合形成層21と電子供給層19、20は同一Al組成比のAlGaAsが用いられていたため、Al組成比を高くしていくとショットキー接合形成層21とn−GaAs層7とのヘテロ障壁も高くなり、n−GaAs7とチャネル層4間の抵抗が高くなり、結果としてソース及びドレインの抵抗が高くなり、デバイス特性を劣化させる要因となっていた。
【0008】
加えて、上記のようにAl組成比を高くすると、ゲート電極11近傍に露出したAlGaAsショットキー接合形成層21の表面22はより活性になるため、酸化等の影響によりキャリアをトラップする表面準位が増加し、デバイス特性が劣化することが問題となっていた。
【0009】
この発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、高い電子濃度を実現し、かつソース及びドレイン抵抗の上昇を抑制して、高性能で高出力化が実現できる半導体装置を得ることを目的とするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る半導体装置は、半絶縁性基板上に形成された比較的高い不純物濃度のAlxGa1−xAsからなる第1の電子供給層と、この第1の電子供給層上に形成されたアンドープ又は比較的低い不純物濃度のInGaAsからなるチャネル層と、このチャネル層上に形成された比較的高い不純物濃度のAlyGa1−yAsからなる第2の電子供給層と、この第2の電子供給層上に形成されたアンドープ又は比較的低い不純物濃度のAlzGa1−zAsからなるショットキー接合形成層と、このショットキー接合形成層上に形成されたゲート電極と、このゲート電極を挟んで上記ショットキー接合形成層上に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備え、上記ショットキー接合形成層のAl組成比zは、上記第1の電子供給層のAl組成比xおよび上記第2の電子供給層のAl組成比yよりも低いことを特徴とするものである。
【0011】
又、上記ショットキー接合形成層のAl組成比zは、0.15以上0.20以下であることを特徴とするものである。
【0012】
又、上記第2の電子供給層のAl組成比yは、第1の電子供給層のAl組成比xよりも低いことを特徴とするものである。
【0013】
又、上記第2の電子供給層のAl組成比yは、0.15以上0.20以下であることを特徴とするものである。
【0014】
又、上記第2の電子供給層のAl組成比yは、第1の電子供給層のAl組成比xと同じであることを特徴するものである。
【0015】
又、上記第1の電子供給層のAl組成比xは、0.25以下であることを特徴とするものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下に、この発明の実施の形態1について図1に基づいて説明する。
図1はこの発明の実施の形態1における半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【0018】
図1において、1は半絶縁性GaAs基板、2はこの基板1上に形成された高抵抗のアンドープAl0.24Ga0.76Asバッファ層、3はこのバッファ層3上に形成されたn型不純物濃度が比較的高いAl0.24Ga0.76Asからなる第1の電子供給層、4はこの第1の電子供給層3上に形成されたアンドープIn0.15Ga0.85Asチャネル層、5はこのチャネル層4上に形成されたn型不純物濃度が比較的高いAl0.16Ga0.84Asからなる第2の電子供給層、6はこの第2の電子供給層5上に形成されたアンドープAl0.16Ga0.84Asショットキー接合形成層である。
ここで、上記チャネル層4及びショットキー接合形成層6のそれぞれにおいて、アンドープでなく比較的低濃度のn型不純物を含有していても良い。
【0019】
又、7は上記ショットキー接合形成層6上に所望の間隔を開けて形成された一対のn−GaAs層、8はこのn−GaAs層7上にそれぞれ形成された高濃度にn型不純物を含有するGaAsコンタクト層、9及び10はそれぞれ上記コンタクト層8上に形成されたソース及びドレイン電極、11は上記ショットキー接合形成層6上に上記一対のn−GaAs層7に挟まれて形成されたゲート電極である。
【0020】
このように、本実施の形態1においては、チャネル層4下のアンドープAlGaAsバッファ層2及びn−AlGaAs第1の電子供給層3のAl組成比が0.24、そしてチャネル層4上のn−AlGaAs第2電子供給層5及びアンドープAlGaAsショットキー接合形成層6のAl組成比が0.16と、チャネル層4の上層のAlGaAs層のAl組成比が下層のAl組成比より小さいことを特徴とする。
【0021】
図2に本実施の形態1における製造方法を示す。
まず、図2(a)に示すように、MOCVD法又はMBE法のようなエピタキシャル成長技術をもちいて半絶縁性GaAs基板1上に、バッファ層2、第1の電子供給層3、チャネル層4、第2の電子供給層5、ショットキー接合形成層6、n−GaAs層7、コンタクト層8を順次成長する。そして、写真製版、蒸着、リフトオフ及びシンタリングにより、AuGe/Ni/Auからなるソース電極9及びドレイン電極10を形成する。
【0022】
次に、図2(b)に示すように、写真製版と例えばリン酸、過酸化水素水及び水の混合溶液を用いたウェットエッチングにより、コンタクト層8をエッチングして第1のリセス溝12を形成する。
【0023】
次に、図2(c)に示すように、ゲート電極形成用のレジスト13のパターニングを行い、例えばクエン酸、過酸化水素水及び水の混合溶液を用いたウェットエッチングにより第2のリセス溝14を形成しショットキー接合形成層6を露出させる。上記クエン酸系のウェットエッチングにおいてはAlGaAsのエッチング速度がGaAsに比較して非常に遅いため、選択的にGaAsのみエッチング可能であり、制御性良く均一にショットキー接合形成層6を露出させることが可能である。
【0024】
最後に、蒸着により全面に例えばTi/Alからなるゲート金属を蒸着し、リフトオフすることによりゲート電極11を形成し、図1に示した半導体装置を得る。
【0025】
本実施の形態1においては、チャネル層4の下層の第1の電子供給層3のAl組成比を大きくすることにより電子濃度を高めており、また、チャネル層4の上層の第2の電子供給層5及びショットキー接合形成層6のAl組成比を小さくすることにより、ソース及びドレインの抵抗を低減するとともにゲート近傍の表面酸化を抑制しており、高性能で高出力化が実現できる半導体装置を得ることが可能となる。
【0026】
ここで、第2の電子供給層5及びショットキー接合形成層6のAl組成比を0.16としたのは、Al組成比を0.15未満にすると、上記クエン酸系のウェットエッチング時のGaAsに対する選択性が急激に劣化するとともに、InGaAsチャネル層4と第2の電子供給層5のヘテロ障壁が小さくなり実用的な電子濃度を得ることが困難になるためである。したがって、電子供給層5及びショットキー接合形成層6のAl組成比は0.15から0.2程度が望ましい。
【0027】
又、第1の電子供給層3のAl組成比を0.24としたのは、Al組成比を0.25より大きくすると活性化率が急激に低下してしまうからである。したがって第1の電子供給層3のAl組成比は0.22から0.25程度が望ましい。
【0028】
実施の形態2.
図3に本発明における実施の形態2を示す。本実施の形態における半導体装置の基本的構造は実施の形態1に示した構造と同一であるが、本実施の形態では、第1及び第2の電子供給層3、15は同一でかつ比較的高いAl組成比のAlGaAsを用いており、それに対して、ショットキー接合形成層6のAl組成比のみ低くすることを特徴としている。
具体的には、第1の電子供給層3はAl0.24Ga0.76As、第2の電子供給層15はAl0.24Ga0.76As、ショットキー接合形成層6はAl0.16Ga0.84Asとしている。
【0029】
本実施の形態2においては、ショットキー接合形成層6は前述のとおりアンドープであるため、この層のAl組成比を下げるだけでもヘテロ障壁に起因した抵抗成分を下げることが可能となり、ソース及びドレイン抵抗を低減できる。加えて、この場合は表面酸化も抑制可能となる。
【0030】
又、本実施の形態2においては、第2の電子供給層15も比較的高いAl組成比を用いているため、実施の形態1に比較して高い電子濃度を実現できるという利点も有する。
【0031】
実施の形態3.
図4に本発明における実施の形態3を示す。本実施の形態における半導体装置の基本的構造は実施の形態1の構造と同一であるが、本実施の形態では、第1の電子供給層3に比較的高いAl組成比のAlGaAsをもちいており、それに対して、第2の電子供給層16及びショットキー接合形成層17にはInGaPをもちいている。
ここで、具体的な組成比として、Al0.24Ga0.76As及びIn0.53Ga0.47Pを用いている。
【0032】
本実施の形態3においては、チャネル層4の下層の第1の電子供給層3のAl組成比を大きくすることにより電子濃度を高めており、また、チャネル層4の上層の第2の電子供給層16及びショットキー接合形成層17をInGaPで構成することにより、GaAsとの伝導帯のヘテロ障壁を小さくして、ソース及びドレイン抵抗を小さくするとともに、表面準位をAlGaAsより小さくしているので、高性能で高出力化を実現できる半導体装置を得ることが可能となる。
【0033】
実施の形態4.
図5に本発明における実施の形態4を示す。本実施の形態における半導体装置の基本的構造は実施の形態3の構造と同一であるが、本実施の形態では、第1及び第2の電子供給層3、15は同一でかつ比較的高いAl組成比のAlGaAsをもちいており、それに対してショットキー接合形成層17にInGaPを用いていることを特徴とする。
ここで、具体的な組成比として、Al0.24Ga0.76As及びIn0.53Ga0.47Pを用いている。
【0034】
本実施の形態4においては、前述のとおりショットキー接合形成層17をInGaPで構成することにより、GaAsとの伝導帯のヘテロ障壁を小さくでき、このヘテロ障壁に起因した抵抗成分を下げることで、ソース及びドレイン抵抗を低減するとともに、表面準位をAlGaAsより小さくしているので、高性能で高出力化を実現できる半導体装置を得ることが可能となる。
【0035】
又、本実施の形態4においては、第2の電子供給層15も比較的高いAl組成比を用いているため、実施の形態3に比較して高い電子濃度を実現できるという利点も有する。
【0036】
【発明の効果】
この発明に係る半導体装置は、半絶縁性基板上に形成された比較的高い不純物濃度のAlxGa1−xAsからなる第1の電子供給層と、この第1の電子供給層上に形成されたアンドープ又は比較的低い不純物濃度のInGaAsからなるチャネル層と、このチャネル層上に形成された比較的高い不純物濃度のAlyGa1−yAsからなる第2の電子供給層と、この第2の電子供給層上に形成されたアンドープ又は比較的低い不純物濃度のAlzGa1−zAsからなるショットキー接合形成層と、このショットキー接合形成層上に形成されたゲート電極と、このゲート電極を挟んで上記ショットキー接合形成層上に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備え、上記ショットキー接合形成層のAl組成比zは、第1の電子供給層のAl組成比xよりも低いことを特徴とするので、高い電子濃度を実現でき、かつソース及びドレイン抵抗の上昇を低減するとともにゲート近傍の表面酸化を抑制でき、そのため、高性能及び高出力化を実現できる。
【0037】
又、半絶縁性基板上に形成された比較的高い不純物濃度のAlGaAsからなる第1の電子供給層と、この第1の電子供給層上に形成されたアンドープ又は比較的低い不純物濃度のInGaAsからなるチャネル層と、このチャネル層上に形成された比較的高い不純物濃度のAlGaAsからなる第2の電子供給層と、この第2の電子供給層上に形成されたアンドープ又は比較的低い不純物濃度のInGaPからなるショットキー接合形成層と、このショットキー接合形成層上に形成されたゲート電極と、このゲート電極を挟んで上記ショットキー接合形成層上に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備えたので、高い電子濃度を実現でき、かつ、ショットキー接合形成層とGaAsとの伝導帯のヘテロ障壁を小さくでき、このヘテロ障壁に起因した抵抗成分を下げることで、ソース及びドレイン抵抗を低減するとともに、表面準位をAlGaAsからなるショットキー接合形成層を用いた場合より小さくでき、そのため、高性能及び高出力化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1における半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図2】この発明の実施の形態1における半導体装置の製造方法を示す要部断面図である。
【図3】この発明の実施の形態2における半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図4】この発明の実施の形態3における半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図5】この発明の実施の形態4における半導体装置の構造を示す要部断面図である。
【図6】従来のHEMTの構造を示す要部断面図である。
【符号の説明】
1 半絶縁性基板、 3 第1の電子供給層、 4 チャネル層、
5 第2の電子供給層、 6 ショットキー接合形成層、
9 ソース電極、 10 ドレイン電極、 11 ゲート電極、
15、16 第2の電子供給層、 17 ショットキー接合形成層。
Claims (6)
- 半絶縁性基板上に形成された比較的高い不純物濃度のAlxGa1−xAsからなる第1の電子供給層と、
この第1の電子供給層上に形成されたアンドープ又は比較的低い不純物濃度のInGaAsからなるチャネル層と、
このチャネル層上に形成された比較的高い不純物濃度のAlyGa1−yAsからなる第2の電子供給層と、
この第2の電子供給層上に形成されたアンドープ又は比較的低い不純物濃度のAlzGa1−zAsからなるショットキー接合形成層と、
このショットキー接合形成層上に形成されたゲート電極と、
このゲート電極を挟んで上記ショットキー接合形成層上に形成されたソース電極及びドレイン電極とを備え、
上記ショットキー接合形成層のAl組成比zは、上記第1の電子供給層のAl組成比xおよび上記第2の電子供給層のAl組成比yよりも低いことを特徴とする半導体装置。 - ショットキー接合形成層のAl組成比zは、0.15以上0.20以下であることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 第2の電子供給層のAl組成比yは、第1の電子供給層のAl組成比xよりも低いことを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置。
- 第2の電子供給層のAl組成比yは、0.15以上0.20以下であることを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
- 第2の電子供給層のAl組成比yは、第1の電子供給層のAl組成比xと同じであることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体装置。
- 第1の電子供給層のAl組成比xは、0.25以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の半導体装置。
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