JP3840036B2

JP3840036B2 - 化合物半導体エピタキシャルウェハ及びｈｅｍｔ

Info

Publication number: JP3840036B2
Application number: JP2000148618A
Authority: JP
Inventors: 幸男佐々木
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: JP2001326345A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体エピタキシャルウェハ及びＨＥＭＴに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来の化合物半導体エピタキシャルウェハの構造図である。
【０００３】
同図に示す化合物半導体エピタキシャルウェハ１は、ＧａＡｓ基板２の上に、ｕｎ−ＧａＡｓからなる下側バッファ層３、ｕｎ−ＡｌＧａＡｓからなる上側バッファ層４、ｎ⁺−ＡｌＧａＡｓからなる下側電子供給層５、ｕｎ−ＩｎＧａＡｓからなる電子走行層６、ｎ⁺−ＡｌＧａＡｓからなる上側電子供給層７、ｕｎ−ＡｌＧａＡｓからなるショットキー層８及びｎ⁺−ＧａＡｓからなるオーミックコンタクト層９が順次積層されたエピタキシャルウェハである。
【０００４】
このエピタキシャルウェハ１は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）構造とは異なるＤ−ＨＥＭＴ（ダブルヘテロダブルドープの高電子移動度トランジスタ）の構造を有しており、下側電子供給層５の直下の上側バッファ層４が、下側電子供給層５のＡｌ組成以上のＡｌＧａＡｓ層となっている点に特徴がある。
【０００５】
このＤ−ＨＥＭＴ構造のエピタキシャルウェハ１は、上側バッファ層４のバンドギャップを下側電子供給層５のバンドギャップより大きい組成（高抵抗）とすることで、バッファ層側に２次元電子ガスが形成されることを防止するものである。２次元電子ガスが形成されると、上側バッファ層４へのリーク電流が発生し、トランジスタ特性が著しく悪化する。
【０００６】
これを改善するため、バッファ層に酸素等を添加した高抵抗のＡｌＧａＡｓ層を使用したものもある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バッファ層が最適化されていないと、バッファ層側へのリーク電流が発生したり、電子走行層のキャリアが消滅したりするという不具合が生じる。特に前述した酸素添加のバッファ層はキャリアを消滅させる確率が高いという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、最適なバッファ層を有する化合物半導体エピタキシャルウェハ及びＨＥＭＴを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハは、ＧａＡｓ基板上に、バッファ層、ＡｌＧａＡｓからなる下側電子供給層、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓからなる電子走行層、ＡｌＧａＡｓからなる上側電子供給層及びＡｌＧａＡｓからなるショットキー層が順次形成されたダブルヘテロダブルドープＨＥＭＴ構造の化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、下側電子供給層の直下のバッファ層は、下側電子供給層のＡｌ組成以上のＡｌＧａＡｓバッファ層であり、ＡｌＧａＡｓバッファ層の厚さが１００〜３００ｎｍの範囲内にあり、ｐ濃度が１Ｅ１６〜５Ｅ１６ｃｍ^-3の範囲内にあり、かつＡｌ組成が０．２８より大きく０．４以下の範囲内にあるものである。
【００１０】
本発明のＨＥＭＴは、ＧａＡｓ基板上に、バッファ層、ＡｌＧａＡｓからなる下側電子供給層、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓからなる電子走行層、ＡｌＧａＡｓからなる上側電子供給層及びＡｌＧａＡｓからなるショットキー層が順次形成され、ショットキー層の上に対向するように一対のオーミックコンタクト層が形成され、オーミックコンタクト層の上にソース電極とドレイン電極とがそれぞれ形成され、ショットキー層の上のソース電極とドレイン電極との間にゲート電極が形成されたダブルヘテロダブルドープのＨＥＭＴにおいて、下側電子供給層の直下のバッファ層は、下側電子供給層のＡｌ組成以上のＡｌＧａＡｓバッファ層であり、ＡｌＧａＡｓバッファ層の厚さが１００〜３００ｎｍの範囲内にあり、ｐ濃度が１Ｅ１６〜５Ｅ１６ｃｍ^-3の範囲内にあり、かつＡｌ組成が０．２８より大きく０．４以下の範囲内にあるものである。
【００１１】
ここで、図６は図５に示した従来の化合物半導体エピタキシャルウェハのエネルギーバンド図である。
【００１２】
同図において上側バッファ層４、下側電子供給層５、電子走行層６、上側電子供給層７及びショットキー層８を右から左に配列したときのバンド構造が示されている。なお、Ｅ_Fはフェルミ準位である。
【００１３】
従来の化合物半導体エピタキシャルウェハは、高抵抗のＡｌＧａＡｓからなるバッファ層を有しているため障壁が低く、バッファ層へのリーク電流が発生しやすい。
【００１４】
図３は本発明のｐ^-−ＡｌＧａＡｓを用いたＤ−ＨＥＭＴ構造のエピタキシャルウェハのエネルギーバンド図である。
【００１５】
本発明のエピタキシャルは、バッファ層の濃度をｐ^-になるように制御しているため、同図に示すようにバッファ層のバンドエネルギーを持ち上げることができ、バッファ層側へのリーク電流を減らすことができる。
【００１６】
ここで、ｐ^-−ＡｌＧａＡｓバッファ層の厚さと、ｐ^-のキャリア濃度の適性化とが問題となる。トランジスタを正常に動作させるためには、バッファ層は空乏化している必要がある。ｐ^-−ＡｌＧａＡｓバッファ層が厚すぎたり、ｐ濃度が高すぎると、バッファ層がｐ型になってしまうため最適化が必要となる（この制限は後述する。）。また、下側電子供給層より大きなＡｌ組成のＡｌＧａＡｓを用いると、障壁が大きくなるため、これもバッファ層へのリーク電流を防止するのに有効である。但し、Ａｌ組成が多すぎると、電子走行層に悪影響を及ぼすため、適性化が必要となる。
【００１７】
そこで、下側電子供給層の直下のＡｌＧａＡｓバッファ層の厚さを５０〜３００ｎｍの範囲内にし、ｐ濃度を５Ｅ１４〜５Ｅ１６ｃｍ^-3の範囲内にし、かつＡｌ組成を０．２より大きく０．４以下の範囲内にすることにより、バッファ層のバンドエネルギーを持ち上げることができ、バッファ層側へのリーク電流を減らすことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１は本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハの一実施の形態を示す構造図である。なお、従来例と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００２０】
本化合物半導体エピタキシャルウェハ１０は、ＧａＡｓ基板２上に、ｕｎ−ＧａＡｓからなる下側バッファ層３、ＡｌＧａＡｓからなる上側バッファ層１１、ｎ⁺−ＡｌＧａＡｓからなる下側電子供給層５、ｕｎ−ＩｎＧａＡｓからなる電子走行層６、ｎ⁺−ＡｌＧａＡｓからなる上側電子供給層７、ｕｎ−ＡｌＧａＡｓからなるショットキー層８及びｎ⁺−ＧａＡｓからなるオーミックコンタクト層９が順次積層されたダブルヘテロダブルドープＨＥＭＴ構造の化合物半導体エピタキシャルウェハであって、下側電子供給層５の直下の上側バッファ層１１は、下側電子供給層５のＡｌ組成以上のＡｌＧａＡｓ層で厚さが１００〜３００ｎｍの範囲内にあり、かつ、ｐ濃度が１Ｅ１６〜５Ｅ１６ｃｍ^-3の範囲内にあり、Ａｌ組成が０．２８より大きく０．４以下の範囲内にあるものである。
【００２１】
本エピタキシャルウェハ１０は、上側バッファ層１１のｐ濃度をｐ^-になるように制御しているため、上側バッファ層１１のバンドエネルギーを持ち上げることができ、上側バッファ層１１側へのリーク電流を減らすことができる。このため、最適なバッファ層を有する化合物半導体エピタキシャルウェハ及びＨＥＭＴの提供を実現することができる。
【００２２】
【実施例】
次に具体的な数値を挙げて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２３】
（実施例１）
図２は本発明のＨＥＭＴの一実施例を示す断面図である。
【００２４】
このＨＥＭＴ２０は、電子供給層５，７のＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を０．２３とし、電子走行層６をＩｎＧａＡｓとし、Ｉｎ組成を０．２０としたシュードモルフィックのＤ−ＨＥＭＴエピタキシャルウェハをＭＯＶＰＥ法により成長させ、ショットキー層８上にゲート電極２１を形成し、オーミックコンタクト層９ａ、９ｂにそれぞれドレイン電極２２とソース電極２３を形成したものである。
【００２５】
（比較例）
上側バッファ層４のＡｌＧａＡｓのＡｌ組成を０．２３とし、膜厚ｄを２００ｎｍとし、Ｖ／III 比を高くして高抵抗層としたものを作製し、これをリファレンスとした。
【００２６】
（実施例２）バッファ層の最上層のＡｌＧａＡｓ層の膜厚の適性化
上側バッファ層１１のＡｌＧａＡｓのキャリア濃度をｐ型で１Ｅ１６ｃｍ^-3とし、Ａｌ組成を０．２８に固定した。膜厚ｄは２０ｎｍ、３５ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、５００ｎｍとした。ゲート電極に逆バイアスをかけ、ゲート電圧Ｖｇ＝閾値電圧Ｖｔｈとし、ドレイン−ソース間に電圧Ｖ_DSを印加しても電流Ｉ_DSが流れない状態にしておいて、ドレイン−ソース電圧Ｖ_DSを２０Ｖまでかけてドレイン−ソース間に流れるリーク電流をＩ_Leakとして測定した。
【００２７】
このリーク電流Ｉ_Leakが１００μＡ以上流れたときのソースドレイン耐圧ＢＶ_DSを表１に示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
図４はＢＶ_DSの説明図である。同図において横軸はドレイン−ソース電圧軸であり、縦軸がドレイン−ソース電流軸を示す。
【００３０】
ＢＶ_DSは大きい方がよく、表１より膜厚ｄが５０ｎｍ以上で比較例（高抵抗層）よりＢＶ_DSが大きくなっており、効果があることが分る。特に膜厚ｄが１００ｎｍ以上で大きな効果があることが分る。ＢＶ_DSの測定結果では５００ｎｍでも問題はないが、バッファ層が空乏化せずｐ型になってしまった。このため、膜厚ｄは５０〜３００ｎｍが適性値と言える。
【００３１】
（実施例３）バッファ層の最上層ＡｌＧａＡｓのｐ濃度適正化
上側バッファ層１１のＡｌＧａＡｓの膜厚ｄを１００ｎｍとし、Ａｌ組成を０．２８に固定した。ｐ濃度を１Ｅ１４、５Ｅ１４、１Ｅ１５、５Ｅ１５、１Ｅ１６、５Ｅ１６、１Ｅ１７ｃｍ^-3と変化させ、実施例２と同様にＢＶ_DSを測定した。その結果を表２に示す。
【００３２】
【表２】

【００３３】
同表よりｐ＝５Ｅ１４ｃｍ^-3以上でリファレンスより高いＢＶ_DSが得られたことが分る。すなわちｐ濃度を増加することにより効果が得られることが分る。ｐ＝１Ｅ１７ｃｍ^-3のときは空乏化せずｐ型化してしまった。従ってキャリア濃度ｐ＝５Ｅ１４〜５Ｅ１６ｃｍ ^-3 が適性値である。
【００３４】
（実施例４）バッファ層の最上層のＡｌＧａＡｓのＡｌ組成の適性化
上側バッファ層１１のＡｌＧａＡｓの膜厚ｄを１００ｎｍとし、ｐ濃度を１Ｅ１６ｃｍ^-3とした。Ａｌ組成を０．２３、０．２５、０．２８、０．３０、０．３５、０．４０、０．５０と変化させ、実施例２と同様にＢＶ_DSを測定した。また、併せてＶ_G＝０Ｖのときの電子移動度μを室温で測定した結果を表３に示す。
【００３５】
【表３】

【００３６】
下側電子供給層５のＡｌ組成以上でＡｌ組成が高い方がリーク電流が減少することが分る。但し、Ａｌ組成０．５０で電子移動度μが著しく低下している。Ａｌ組成が高すぎて取り込まれた酸素や炭素が電子走行層６まで悪影響を及ぼしていると考えられる。通常、下側電子供給層５のＡｌ組成は０．２０以上のため、上側バッファ層１１の適性範囲は０．２０より大きく０．４０以下である。
【００３７】
ここで、本実施の形態ではバッファ層がｕｎ−ＧａＡｓ層と、ＡｌＧａＡｓ層の単層からなる例の場合で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ＡｌＧａＡｓ／ｕｎ−ＧａＡｓの繰り返し構造でも同様の効果が得られる。
【００３８】
以上において本発明によれば、バッファ層へのリーク電流が少く、かつ電子走行層への悪影響が無いバッファ層が得られるため、より高出力のトランジスタが得られる。従って、携帯電話の端末用、或いは基地局用のＨＥＭＴ用として最適なエピタキシャルウェハを提供することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００４０】
最適なバッファ層を有する化合物半導体エピタキシャルウェハ及びＨＥＭＴの提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化合物半導体エピタキシャルウェハの一実施の形態を示す構造図である。
【図２】本発明のＨＥＭＴの一実施例を示す断面図である。
【図３】本発明のｐ^-−ＡｌＧａＡｓを用いたＤ−ＨＥＭＴ構造のエピタキシャルウェハのエネルギーバンド図である。
【図４】ＢＶ_DSの説明図である。
【図５】従来の化合物半導体エピタキシャルウェハの構造図である。
【図６】図５で示した従来の化合物半導体エピタキシャルウェハのエネルギーバンド図である。
【符号の説明】
２ＧａＡｓ基板
３下側バッファ層
４上側バッファ層
５下側電子供給層
６電子走行層
７上側電子供給層
８ショットキー層
９オーミックコンタクト層
９ａ，９ｂオーミックコンタクト層
１０化合物半導体エピタキシャルウェハ
１１上側バッファ層
２０ＨＥＭＴ
２１ゲート電極
２２ドレイン電極
２３ソース電極

Claims

ＧａＡｓ基板上に、バッファ層、ＡｌＧａＡｓからなる下側電子供給層、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓからなる電子走行層、ＡｌＧａＡｓからなる上側電子供給層及び全体にＡｌＧａＡｓからなるショットキー層が順次形成されたダブルヘテロダブルドープＨＥＭＴ構造の化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記下側電子供給層の直下のバッファ層は、上記下側電子供給層のＡｌ組成以上のＡｌＧａＡｓバッファ層であり、該ＡｌＧａＡｓバッファ層の厚さが１００〜３００ｎｍの範囲内にあり、ｐ濃度が１Ｅ１６〜５Ｅ１６ｃｍ^-3の範囲内にあり、かつＡｌ組成が０．２８より大きく０．４以下の範囲内にあることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハ。
ＧａＡｓ基板上に、バッファ層、ＡｌＧａＡｓからなる下側電子供給層、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓからなる電子走行層、ＡｌＧａＡｓからなる上側電子供給層及びＡｌＧａＡｓからなるショットキー層が順次形成され、該ショットキー層の上に対向するように一対のオーミックコンタクト層が形成され、該オーミックコンタクト層の上にソース電極とドレイン電極とがそれぞれ形成され、上記ショットキー層の上のソース電極とドレイン電極との間にゲート電極が形成されたダブルヘテロダブルドープのＨＥＭＴにおいて、
上記下側電子供給層の直下のバッファ層は、上記下側電子供給層のＡｌ組成以上のＡｌＧａＡｓバッファ層であり、該ＡｌＧａＡｓバッファ層の厚さが１００〜３００ｎｍの範囲内にあり、ｐ濃度が１Ｅ１６〜５Ｅ１６ｃｍ^-3の範囲内にあり、かつＡｌ組成が０．２８より大きく０．４以下の範囲内にあることを特徴とするＨＥＭＴ。
ＧａＡｓ基板上に、バッファ層、ＡｌＧａＡｓからなる下側電子供給層、ＧａＡｓもしくはＩｎＧａＡｓからなる電子走行層、ＡｌＧａＡｓからなる上側電子供給層及びＡｌＧａＡｓからなるショットキー層が順次形成されたダブルヘテロダブルドープＨＥＭＴ構造の化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
上記下側電子供給層の直下のバッファ層は、上記下側電子供給層のＡｌ組成以上のＡｌＧａＡｓバッファ層であり、該ＡｌＧａＡｓバッファ層の厚さが１００〜３００ｎｍの範囲内にあり、ｐ濃度が１Ｅ１６〜５Ｅ１６ｃｍ^-3の範囲内にあり、かつＡｌ組成が０．２８より大きく０．４以下の範囲内にあることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェハ。