JP4272547B2 - Field effect transistor and integrated circuit device and switch circuit using the same - Google Patents
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Description
本発明は、電界効果型トランジスタ並びにそれを用いた集積回路装置及びスイッチ回路に関し、特に高周波通信機器又はスイッチ回路に使用される電界効果型トランジスタに関する。 The present invention relates to a field effect transistor, an integrated circuit device using the same, and a switch circuit, and more particularly to a field effect transistor used in a high frequency communication device or a switch circuit.
携帯電話に代表される高周波通信機器において、アンドープのチャネル層の上に、n型不純物をドープした電子供給層を用いた変調ドープ型電界効果トランジスタ(MODFET:Modulation Doped Field Effect Transistor)が広く用いられている。 In a high-frequency communication device typified by a cellular phone, a modulation doped field effect transistor (MODFET) using an electron supply layer doped with an n-type impurity on an undoped channel layer is widely used. ing.
従来より、MODFETのチャネル層には電子移動度が大きいヒ化インジウムガリウム(InGaAs)が用いられ、電子供給層にはInGaAsよりもバンドギャップが大きい材料であるヒ化アルミニウムガリウム(AlGaAs)が用いられている。 Conventionally, indium gallium arsenide (InGaAs) having a high electron mobility is used for the channel layer of the MODFET, and aluminum gallium arsenide (AlGaAs), which is a material having a band gap larger than that of InGaAs, is used for the electron supply layer. ing.
しかしながら、AlGaAsは界面準位密度が大きい材料であるため、界面準位に電子がトラップされてMODFETの電流密度を増大することが困難となる。具体的には、電子供給層の表面に形成される界面準位は、電子を捕捉して電子供給層の表面に保持するトラップとして働き、このトラップに捕捉された電子の負電荷がチャネル領域の空乏層を狭窄する。この空乏層が狭窄される現象によって、高周波信号をゲートに印加した際の最大電流密度が、直流を印加した場合と比べて大幅に減少するという、いわゆるドレイン電流の周波数分散が生じてしまう。 However, since AlGaAs is a material having a high interface state density, it becomes difficult to increase the current density of the MODFET by trapping electrons in the interface state. Specifically, the interface state formed on the surface of the electron supply layer functions as a trap that captures electrons and holds the electrons on the surface of the electron supply layer, and the negative charges of the electrons captured by the traps are in the channel region. Narrow the depletion layer. As a result of the phenomenon that the depletion layer is constricted, so-called frequency dispersion of the drain current occurs in which the maximum current density when a high-frequency signal is applied to the gate is significantly reduced as compared with the case where a direct current is applied.
このような問題に対して、電子供給層を構成する材料にAlGaAsに代えてリン化インジウムガリウム(InGaP)を用いることにより、電子供給層に生じるトラップを低減し、電界効果型トランジスタの電流密度の増大が可能となる(例えば、特許文献1を参照)。 To solve this problem, by using indium gallium phosphide (InGaP) instead of AlGaAs as the material constituting the electron supply layer, traps generated in the electron supply layer are reduced, and the current density of the field effect transistor is reduced. Increase is possible (see, for example, Patent Document 1).
図7は、電子供給層にInGaPを用いる従来のMODFET断面構成を示している。図7に示すように、GaAsからなる化合物半導体基板101の上には、アンドープのGaAsからなるバッファ層102と、n型不純物がドープされたAlGaAsからなるバリア層103と、アンドープのIn0.2Ga0.8Asからなるチャネル層104と、n型不純物がドープされたInGaPからなる電子給層105と、該電子供給層105を露出する開口部が形成され且つn型不純物がドープされたGaAsからなるキャップ層107とが順次積層されている。キャップ層107の開口部に露出した電子供給層105の上には、ショットキー接合によりゲート電極108が形成されている。またキャップ層107上には、ソース電極109及びドレイン電極110が形成されている。
FIG. 7 shows a conventional MODFET cross-sectional configuration using InGaP for the electron supply layer. As shown in FIG. 7, on a
InGaPは、AlGaAsと比べて界面準位密度が小さい材料であるため、キャップ層107の開口部に露出した電子供給層105の界面準位を低減することができるので、高周波信号を印加したときの最大電流密度を高めることができる。
Since InGaP is a material having a lower interface state density than AlGaAs, the interface state of the
ところで、従来のMODFETにおいて、通常用いられている化合物半導体の製造方法によりInGaPからなる半導体層(InGaP層)を結晶成長すると、III 族原子層において、Ga原子とIn原子とが同一面内で交互に配列した自然超格子が形成される。 By the way, in a conventional MODFET, when a semiconductor layer (InGaP layer) made of InGaP is crystal-grown by a generally used method for manufacturing a compound semiconductor, Ga atoms and In atoms are alternately arranged in the same plane in the group III atomic layer. A natural superlattice arranged in the order is formed.
近年、例えば、特許文献2に記載されているように、自然超格子構造を破壊してIII 族原子層におけるGa原子とIn原子との配列を無秩序化したInGaP層を形成する方法が知られており、このような自然超格子を破壊してInGaPを用いることにより、InGaP層と他の半導体層との界面抵抗が低減された電界効果型トランジスタが開発されている。
しかしながら、前記従来のMODFETによると、ゲート電極108をInGaPからなる電子供給層105とのショットキー接合により形成しているため、ゲート電極108のドレイン電極110に対する逆方向耐圧が、電子供給層105にAlGaAsを用いた場合よりも低下してしまうことが実験的に知られている。
However, according to the conventional MODFET, since the
このように、前記従来のMODFETは、InGaPを用いて高周波信号印加時の最大電流密度の向上を図ると、InGaPの材料的な制約によりゲート耐圧が低下してしまうため、最大電流密度の向上とゲート耐圧の向上とを両立することが困難であるという問題を有している。 As described above, when the conventional MODFET uses InGaP to improve the maximum current density at the time of applying a high-frequency signal, the gate breakdown voltage is reduced due to material restrictions of InGaP. There is a problem that it is difficult to achieve both improvement in gate breakdown voltage.
本発明は、前記従来の問題を解決し、電界効果型トランジスタにおいて、最大電流密度の向上とゲート耐圧の向上とを両立できるようにすることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-described conventional problems, and to make it possible to achieve both improvement in maximum current density and improvement in gate breakdown voltage in a field effect transistor.
前記の目的を達成するため、本発明は、ショットキー層の上部に自然超格子が破壊され且つ厚さが所定値以下のInGaP層を設ける構成とする。 In order to achieve the above object, the present invention is configured such that an InGaP layer having a natural superlattice destroyed and having a thickness of a predetermined value or less is provided on the Schottky layer.
具体的に本発明に係る電界効果型トランジスタは、キャリアが走行する第1の化合物半導体層(チャネル層)と、第1の化合物半導体層の上に形成され、第1の化合物半導体層にキャリアを供給する第2の化合物半導体層(キャリア供給層)と、第2の化合物半導体層の上に形成された第3の化合物半導体層(ショットキー層)と、第3の化合物半導体層の上に形成され、第3の化合物半導体層とショットキー接合するゲート電極とを備え、第3の化合物半導体層は、その少なくとも上部に自然超格子が破壊され且つ厚さが所定値以下に設定されたリン化インジウムガリウムを含む。 Specifically, a field effect transistor according to the present invention is formed on a first compound semiconductor layer (channel layer) in which carriers travel and a first compound semiconductor layer, and carriers are transferred to the first compound semiconductor layer. Formed on the second compound semiconductor layer (carrier supply layer) to be supplied, the third compound semiconductor layer (Schottky layer) formed on the second compound semiconductor layer, and the third compound semiconductor layer The third compound semiconductor layer is provided with a gate electrode that forms a Schottky junction, and the third compound semiconductor layer has a phosphation in which a natural superlattice is destroyed at least on the upper side and the thickness is set to a predetermined value or less. Indium gallium is included.
本発明の電界効果型トランジスタによると、第3の化合物半導体層は、その少なくとも上部に自然超格子が破壊されたリン化インジウムガリウム(InGaP)を含むため、第3の化合物半導体層における界面準位密度を低減して最大電流密度を向上することができる。その上、第3の化合物半導体層に含まれるリン化インジウムガリウムの厚さが所定値以下に設定されているため、ゲート電極の耐圧が向上する。これは、第3の化合物半導体層の上部に自然超格子構造が破壊されたリン化インジウムガリウムを用いると、第3の化合物半導体層の上部に自然超格子構造が破壊されたリン化インジウムガリウムを含めない状態から、リン化インジウムガリウムの厚さを増大させるのに伴って、ゲート電極の耐圧がまず急激に増大し、その後徐々に低下する傾向があるという本願発明者らの知見に基づく。従って、第3の化合物半導体層の上部に含める、自然超格子構造が破壊されたリン化インジウムガリウムの厚さを所定値以下に設定することにより、ゲート電極の耐圧が、第3の化合物半導体層の上部に自然超格子構造が破壊されたリン化インジウムガリウムを形成しない場合と比べてその耐圧が大きくなる。 According to the field effect transistor of the present invention, since the third compound semiconductor layer includes indium gallium phosphide (InGaP) in which the natural superlattice is broken at least above, the interface state in the third compound semiconductor layer The maximum current density can be improved by reducing the density. In addition, since the thickness of indium gallium phosphide contained in the third compound semiconductor layer is set to a predetermined value or less, the breakdown voltage of the gate electrode is improved. This is because, when indium gallium phosphide whose natural superlattice structure is destroyed is used on the third compound semiconductor layer, indium gallium phosphide whose natural superlattice structure is destroyed is used on the third compound semiconductor layer. Based on the knowledge of the inventors of the present application that the breakdown voltage of the gate electrode first increases rapidly and then gradually decreases as the thickness of indium gallium phosphide is increased from the state that is not included. Therefore, by setting the thickness of the indium gallium phosphide included in the upper portion of the third compound semiconductor layer and having a destroyed natural superlattice structure to a predetermined value or less, the breakdown voltage of the gate electrode is reduced to the third compound semiconductor layer. As compared with the case where indium gallium phosphide whose natural superlattice structure is broken is not formed on the upper portion of the GaN, the breakdown voltage is increased.
本発明の電界効果型トランジスタにおいて、第3の化合物半導体層に含まれるリン化インジウムガリウムの厚さは8nm以下であることが好ましい。このようにすると、ゲート電極の耐圧が、第3の化合物半導体層にリン化インジウムガリウムを含めない構成と比べて確実に大きくなる。 In the field effect transistor of the present invention, the thickness of the indium gallium phosphide contained in the third compound semiconductor layer is preferably 8 nm or less. In this case, the breakdown voltage of the gate electrode is surely increased as compared with the configuration in which the third compound semiconductor layer does not include indium gallium phosphide.
本発明の電界効果型トランジスタにおいて、リン化インジウムガリウムが第3の化合物半導体層の上部にのみ含まれる場合に、第3の化合物半導体層の下部はヒ化アルミニウムガリウムからなることが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, when indium gallium phosphide is included only in the upper part of the third compound semiconductor layer, the lower part of the third compound semiconductor layer is preferably made of aluminum gallium arsenide.
本発明の電界効果型トランジスタにおいて、第2の化合物半導体層はヒ化アルミニウムガリウムからなることが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, the second compound semiconductor layer is preferably made of aluminum gallium arsenide.
本発明の電界効果型トランジスタは、第3の化合物半導体層の上にゲート電極を覆うように形成された低誘電率材料からなる保護膜をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、低誘電率の保護膜により第3の化合物半導体層及びゲート電極が覆われるため、ゲート電極の寄生容量を低減することができる。また、第3の化合物半導体層の少なくとも上部は、酸化されにくい材料であるInGaPからなるため、低誘電率材料を用いても信頼性が低下することがない。 The field effect transistor of the present invention preferably further includes a protective film made of a low dielectric constant material formed on the third compound semiconductor layer so as to cover the gate electrode. In this way, the third compound semiconductor layer and the gate electrode are covered with the protective film having a low dielectric constant, so that the parasitic capacitance of the gate electrode can be reduced. In addition, since at least the upper part of the third compound semiconductor layer is made of InGaP, which is a material that is difficult to oxidize, reliability is not lowered even when a low dielectric constant material is used.
本発明の電界効果型トランジスタにおいて、低誘電率材料はベンゾシクロブテンであることが好ましい。 In the field effect transistor of the present invention, the low dielectric constant material is preferably benzocyclobutene.
本発明に係る集積回路装置は、基板上に、電界効果型トランジスタ及び該電界効果型トランジスタと電気的に接続された受動素子が形成された集積回路装置を対象とし、電界効果型トランジスタは、キャリアが走行する第1の化合物半導体層と、第1の化合物半導体層の上に形成され、第1の化合物半導体層にキャリアを供給する第2の化合物半導体層と、第2の化合物半導体層の上に形成された第3の化合物半導体層と、第3の化合物半導体層の上に形成され、第3の化合物半導体層とショットキー接合するゲート電極とを有し、第3の化合物半導体層は、その少なくとも上部に自然超格子が破壊され且つ厚さが所定値以下に設定されたリン化インジウムガリウムを含む。 An integrated circuit device according to the present invention is directed to an integrated circuit device in which a field effect transistor and a passive element electrically connected to the field effect transistor are formed on a substrate. On the first compound semiconductor layer, the second compound semiconductor layer formed on the first compound semiconductor layer and supplying carriers to the first compound semiconductor layer, and on the second compound semiconductor layer A third compound semiconductor layer formed on the third compound semiconductor layer and a gate electrode formed on the third compound semiconductor layer and having a Schottky junction with the third compound semiconductor layer. At least an upper portion thereof includes indium gallium phosphide in which the natural superlattice is broken and the thickness is set to a predetermined value or less.
本発明の集積回路装置によると、電界効果型トランジスタに本発明に係る電界効果型トランジスタを用いており、本発明に係る電界効果型トランジスタと受動素子とを1つの基板上に集積化することにより、電界効果型トランジスタにおける最大電流密度の向上とゲート電極の耐圧の向上とを同時に実現できるため、回路特性を飛躍的に向上させることができる。 According to the integrated circuit device of the present invention, the field effect transistor according to the present invention is used as the field effect transistor, and the field effect transistor according to the present invention and the passive element are integrated on one substrate. Since the improvement of the maximum current density and the improvement of the breakdown voltage of the gate electrode can be realized simultaneously in the field effect transistor, the circuit characteristics can be drastically improved.
本発明に係る第1のスイッチ回路は、ゲート電極、ドレイン電極及びソース電極を有し、ドレイン電極及びソース電極が入出力端子となる電界効果型トランジスタと、一端がゲート電極と接続され他端が制御端子となる抵抗素子とを備えたスイッチ回路を対象とし、電界効果型トランジスタは、キャリアが走行する第1の化合物半導体層と、第1の化合物半導体層の上に形成され、第1の化合物半導体層にキャリアを供給する第2の化合物半導体層と、第2の化合物半導体層の上に形成された第3の化合物半導体層と、第3の化合物半導体層の上に形成され、第3の化合物半導体層とショットキー接合するゲート電極とを有し、第3の化合物半導体層は、その少なくとも上部に自然超格子が破壊され且つ厚さが所定値以下に設定されたリン化インジウムガリウムを含む。 A first switch circuit according to the present invention includes a field effect transistor having a gate electrode, a drain electrode, and a source electrode, the drain electrode and the source electrode serving as input / output terminals, one end connected to the gate electrode, and the other end A field effect transistor is intended for a switch circuit including a resistance element serving as a control terminal. The field-effect transistor is formed on a first compound semiconductor layer in which carriers travel, and on the first compound semiconductor layer. A second compound semiconductor layer for supplying carriers to the semiconductor layer; a third compound semiconductor layer formed on the second compound semiconductor layer; and a third compound semiconductor layer formed on the third compound semiconductor layer, The third compound semiconductor layer has a compound semiconductor layer and a gate electrode that forms a Schottky junction, and the third compound semiconductor layer has a natural superlattice broken at least on its top and a thickness set to a predetermined value or less. Including the emissions indium gallium.
また、本発明に係る第2のスイッチ回路は、それぞれが、ゲート電極、ドレイン電極及びソース電極を有し、ドレイン電極及びソース電極が入出力端子となる電界効果型トランジスタと、一端がゲート電極と接続され他端が制御端子となる抵抗素子とを備え、互いに電気的に接続され複数のスイッチ回路を対象とし、各電界効果型トランジスタは、キャリアが走行する第1の化合物半導体層と、第1の化合物半導体層の上に形成され、第1の化合物半導体層にキャリアを供給する第2の化合物半導体層と、第2の化合物半導体層の上に形成された第3の化合物半導体層と、第3の化合物半導体層の上に形成され、第3の化合物半導体層とショットキー接合するゲート電極とを有し、第3の化合物半導体層は、その少なくとも上部に自然超格子が破壊され且つ厚さが所定値以下に設定されたリン化インジウムガリウムを含む。 Each of the second switch circuits according to the present invention includes a field effect transistor having a gate electrode, a drain electrode, and a source electrode, the drain electrode and the source electrode serving as input / output terminals, Each of the field effect transistors includes a first compound semiconductor layer in which carriers run, a first compound semiconductor layer, and a first compound semiconductor layer that is electrically connected to each other. A second compound semiconductor layer formed on the first compound semiconductor layer and supplying carriers to the first compound semiconductor layer; a third compound semiconductor layer formed on the second compound semiconductor layer; 3 having a gate electrode that forms a Schottky junction with the third compound semiconductor layer, and the third compound semiconductor layer has a natural superlattice at least on the top thereof. Destroyed and thickness comprises indium gallium phosphide which is set to a predetermined value or less.
第1及び第2のスイッチ回路によると、本発明に係る電界効果型トランジスタを用いているため、オフ状態からオン状態への切り替えが十分に行えない不良(バースト不良)を防止できるので、良好なスイッチ特性を得ることができる。 According to the first and second switch circuits, since the field effect transistor according to the present invention is used, a failure (burst failure) that cannot be sufficiently switched from the off state to the on state can be prevented. Switch characteristics can be obtained.
本発明に係る電界効果型トランジスタによると、ショットキー層の界面準位密度を低減して高周波信号印加時における最大電流密度が向上すると共に、ショットキー層の上部に含める自然超格子が破壊されたリン化インジウムガリウムの厚さを所定値以下に設定するため、ショットキー電極の逆方向耐圧が向上する。 According to the field effect transistor of the present invention, the interface state density of the Schottky layer is reduced to improve the maximum current density when a high frequency signal is applied, and the natural superlattice included above the Schottky layer is destroyed. Since the thickness of indium gallium phosphide is set to a predetermined value or less, the reverse breakdown voltage of the Schottky electrode is improved.
さらに、本発明に係る電界効果型トランジスタをスイッチ回路に適用することにより、スイッチ回路におけるバースト不良を防止することができる。 Furthermore, by applying the field effect transistor according to the present invention to a switch circuit, a burst failure in the switch circuit can be prevented.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の第1の実施形態に係る電界効果型トランジスタの断面構成を示している。図1に示すように、例えば、ヒ化ガリウム(GaAs)からなる化合物半導体基板11の上には、厚さが約500nmのヒ化アルミニウムガリウム(AlGaAs)からなるバッファ層12、厚さが約100nmのn型のAlGaAsからなるバリア層13、厚さが約15nmのアンドープのヒ化インジウムガリウム(InGaAs)からなるチャネル層14、厚さが約20nmのn型のAlGaAsからなるキャリア供給層15、厚さが約5nmのアンドープのリン化インジウムガリウム(InGaP)からなり、InGaPにおける自然超格子が破壊されたショットキー層16及び厚さが約100nmでn型不純物がドープされたGaAsからなり、ショットキー層16の一部を露出する開口部を有するキャップ層17が順次積層されている。
FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a field effect transistor according to a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, on a
ここで、自然超格子が破壊されたInGaPとは、そのIII 族原子層においてGa原子とIn原子とが不規則に配列した結晶構造を持つInGaPのことをいう。 Here, InGaP in which the natural superlattice is destroyed means InGaP having a crystal structure in which Ga atoms and In atoms are irregularly arranged in the group III atomic layer.
一般に、InGaP層を結晶成長により形成すると、III 族原子層においてGa層とIn層とが交互に配列した自然超格子が形成されるが、InGaP層を低温で結晶成長することにより、自然超格子が破壊されたInGaP層を形成することができる。なお、以下の説明では、このような自然超格子が破壊されたInGaPを、無秩序配列(Disordered)のInGaPと呼ぶ。 In general, when an InGaP layer is formed by crystal growth, a natural superlattice in which Ga layers and In layers are alternately arranged in a group III atomic layer is formed. However, by growing an InGaP layer at a low temperature, the natural superlattice is formed. Can be formed. In the following description, InGaP in which such a natural superlattice is broken is referred to as disordered (Disordered) InGaP.
キャップ層17の開口部に露出したショットキー層16の上には、チタンとアルミニウムとの積層膜(Ti/Al)により、ショットキー層16とショットキー接合するゲート電極18が形成されている。また、キャップ層17の上には、オーミック電極として、金ゲルマニウム(AuGe)系の合金からなるソース電極19及びドレイン電極20がそれぞれに形成されている。
On the
なお、ゲート電極18を構成する材料はTi/Alに限られず、ショットキー層16とショットキー接合を形成する材料であればよく、例えば、チタン、白金及び金が積層された積層膜(Ti/Pt/Au)又はタングステンシリサイド(WSi)を用いることができる。
The material constituting the
また、キャップ層17を構成する材料は、GaAsに限られず、例えばInGaAsを用いてもよい。キャップ層17を構成する材料にInGaAsを用いる場合、ソース電極19及びドレイン電極20を構成する材料に、AuGe系の合金に代えてTi/Pt/Auを用いることができる。
The material constituting the
第1の実施形態の電界効果型トランジスタにおける各半導体層の具体的な組成として、例えば、チャネル層14を構成するInGaAsに、In0.2Ga0.8Asを用い、キャリア供給層15を構成するAlGaAsに、Al0.2Ga0.8Asを用い、ショットキー層16を構成するInGaPに、In0.5Ga0.5Pを用いる。また、キャリア供給層15には、ドーピング濃度が約4×1012cm-3のシリコン(Si)がプレーナドープされている。
As a specific composition of each semiconductor layer in the field effect transistor according to the first embodiment, for example, In 0.2 Ga 0.8 As is used for InGaAs constituting the
なお、第1の実施形態においては、厚さが5nmのショットキー層16の全体を無秩序配列のInGaPにより構成したが、これに限られない。例えば、無秩序配列のInGaPの厚さを3nmに設定した場合には、残りの2nmをAlGaAsにより形成する。また、無秩序配列のInGaPの厚さを7nmに設定した場合には、トランジスタのしきい値電圧Vthを決定するパラメータである、チャネル層14とゲート電極18との距離を変えないように、キャリア供給層15の厚さを2nmだけ減らす必要がある。
In the first embodiment, the
第1の実施形態に係る電界効果型トランジスタにおいて、AlGaAsからなるキャリア供給層15の上にInGaPからなるショットキー層16が設けられているため、ショットキー層16の界面準位密度が小さくされているので、周波数分散を抑制することができる。その結果、ゲート電極18に高周波信号を印加した場合においても高い最大電流密度を実現することができる。
In the field effect transistor according to the first embodiment, since the
さらに、第1の実施形態の特徴として、ショットキー層16の上部に厚さが0nmよりも大きく且つ10nm以下、ここでは5nmの無秩序配列のInGaPが形成されており、これにより、ゲート電極18の逆方向耐圧の向上が実現される。ここで、ゲート電極18の逆方向耐圧とは、ゲート電極18とドレイン電極20との電極間であって、ゲート電極18に印加される負電圧に対する耐圧をいう。
Furthermore, as a feature of the first embodiment, disordered InGaP having a thickness of more than 0 nm and not more than 10 nm, here 5 nm, is formed on the upper part of the
以下、ショットキー層16の厚さとゲート電極18の逆方向耐圧との関係について図面を参照しながら説明する。
Hereinafter, the relationship between the thickness of the
図2は第1の実施形態に係る電界効果型トランジスタにおいて、ショットキー層16の上部に含めるInGaPの厚さとゲート電極18の逆方向耐圧との関係を実験に基づいて示している。図2において、横軸はショットキー層16の上部に含めるInGaPの厚さを表し、縦軸はゲート電極18の逆方向耐圧を表している。ここで、例えば、ショットキー層16におけるInGaPの厚さが0nmの場合は、ショットキー層16はAlGaAsのバルクからなっており、また、InGaPの厚さが10nmの場合は、ショットキー層16の上部に10nmの厚さのInGaPを含み、その残部はAlGaAsからなる。また、実線はショットキー層16の上部に含めるInGaPに無秩序配列InGaPを用いた第1の実施形態の電界効果型トランジスタを示し、破線は、比較用であって、ショットキー層16の上部に含めるInGaPに自然超格子構造のInGaPを用いた場合を示している。
FIG. 2 shows the relationship between the thickness of InGaP included in the upper part of the
図2に示すように、ショットキー層16の上部に含めるInGaPの厚さが0nmの場合、即ち、ショットキー層16をすべてAlGaAsにより形成した場合には、逆方向耐圧は約12Vである。
As shown in FIG. 2, when the thickness of InGaP included in the upper part of the
図2において実線で示すように、無秩序配列のInGaPをショットキー層16の上部に含めた第1の実施形態に係る構成においては、ショットキー層16におけるInGaPの厚さが約2nmまで増大すると、逆方向耐圧が急激に増大し、その後、該InGaPの厚さが増大するにつれて、徐々に逆方向耐圧が低下して、InGaPの厚さが約8nmよりも大きくなると逆方向耐圧が約12Vよりも小さくなる。
As shown by a solid line in FIG. 2, in the configuration according to the first embodiment in which disordered arrangement of InGaP is included in the upper part of the
一方、図2において破線で示すように、自然超格子のInGaPをショットキー層16の上部に含めた場合には、自然超格子のInGaPの厚さが約2nmまで増大すると、逆方向耐圧が急激に低下し、その後、自然超格子のInGaPの厚さが増大しても逆方向耐圧はほとんど変化しない。
On the other hand, when the natural superlattice InGaP is included in the upper part of the
図2から明らかなように、無秩序配列のInGaPをショットキー層16の上部に含めた第1の実施形態においては、ゲート電極18の逆方向耐圧が、ゲート電極18をAlGaAsからなるショットキー層16の上に形成した場合と比べて、ゲート電極18の逆方向耐圧が増大するような無秩序配列のInGaPの厚さが存在する。具体的には、ショットキー層16の上部に含める無秩序配列のInGaPの厚さが10nm以下、より好ましくは8nm以下であると、逆方向耐圧がゲート電極18をAlGaAsからなるショットキー層16の上に形成した場合と比べて大きくなる。
As apparent from FIG. 2, in the first embodiment in which disordered arrangement of InGaP is included in the upper part of the
これに対し、自然超格子構造のInGaPをショットキー層16の上部に含めた場合には、逆方向耐圧がゲート電極18をAlGaAsからなるショットキー層16の上に形成した場合と比べて増大することがない。
On the other hand, when InGaP having a natural superlattice structure is included in the upper portion of the
このように、ショットキー層16の上部に、厚さが0nmよりも大きく且つ8nm以下の無秩序配列のInGaPを含めることにより、逆方向耐圧がゲート電極18をAlGaAsからなるショットキー層16の上に形成した場合よりも大きくなる。
As described above, the disordered arrangement of InGaP having a thickness greater than 0 nm and not greater than 8 nm is included in the upper portion of the
なお、第1の実施形態においては、キャリア供給層15を構成するAlGaAsにAl0.2Ga0.8Asを用い、ショットキー層16の上部に含めるInGaPにIn0.5Ga0.5Pを用いた場合について説明したが、各半導体層の組成及び不純物濃度を変更した場合においても、ゲート電極18の逆方向耐圧がゲート電極18をAlGaAsからなるショットキー層16の上に形成した場合よりも大きくなるように無秩序配列のInGaPの厚さを設定することが可能である。
In the first embodiment, Al 0.2 Ga 0.8 As is used for AlGaAs constituting the
即ち、各半導体層の組成及び不純物濃度を変更した場合においても、ショットキー層16の上部に含めるInGaPの厚さを増大させるのに伴って、ゲート電極18の逆方向耐圧はまず急激に増大してその後徐々に低下するという傾向があり、ショットキー層16の上部に含めるInGaPの厚さが所定の値よりも大きくなると、逆方向耐圧はInGaPを含めない場合の逆方向耐圧よりも小さくなる。従って、ショットキー層16の上部に含めるInGaPの厚さを所定の値、即ち、逆方向耐圧がショットキー層16の上部にInGaPを含めない場合の逆方向耐圧と同一となるときの厚さ以下に設定することにより、ゲート電極18の逆方向耐圧がゲート電極18をAlGaAsからなるショットキー層16の上に形成した場合よりも大きくなる。
That is, even when the composition and impurity concentration of each semiconductor layer are changed, the reverse breakdown voltage of the
以上説明したように、第1の実施形態によると、ショットキー層16の少なくとも上部に自然超格子が破壊された無秩序配列のInGaPを含ませ、該InGaP層の厚さを所定値以下に設定することにより、最大電流密度の向上と逆方向耐圧の向上とを両立することが可能となる。
As described above, according to the first embodiment, disordered InGaP in which the natural superlattice is broken is included in at least the upper part of the
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図3は、本発明の第2の実施形態に係る電界効果型トランジスタの断面構成を示している。図3において、図1と同一の構成部材については同一の符号を付すことにより説明を省略する。 FIG. 3 shows a cross-sectional configuration of a field effect transistor according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 3, the same components as those in FIG.
図3に示すように、化合物半導体基板11の上には、バッファ層12、バリア層13、チャネル層14、キャリア供給層15、ショットキー層16、キャップ層107が順次積層されている。キャップ層17のリセス開口部に露出したショットキー層16の上には、ショットキー電極であるゲート電極18が形成されており、ゲート電極18両側方に挟むキャップ層17の上には、オーミック電極としてのソース電極19及びドレイン電極20がそれぞれに形成されている。
As shown in FIG. 3, a
キャップ層17の上には、ゲート電極18、ソース電極19及びドレイン電極20の上を含む全面にわたって、ベンゾシクロブテン(BCB)からなる保護膜21が設けられている。
A
なお、保護膜21を構成する材料は、BCBに限られず、例えばSiLK(ダウケミカル社の芳香族炭化水素ポリマー)、FSG(フッ素が添加されたシリコングラス)、ポーラスシリコン又は有機シロキサン等のSOG(spin on glass)等の低誘電率材料(いわゆるlow−k材料)を用いることができる。
The material constituting the
一般に、ショットキー層16を被覆する保護膜21の材料として、耐湿性に優れた窒化シリコン(SiN)を用いる。これに対し、第2の実施形態においては、ショットキー層16が酸化されにくい材料であるInGaPからなるため、耐湿性に優れた材料を用いる必要がない。
In general, silicon nitride (SiN) having excellent moisture resistance is used as a material for the
即ち、第2の実施形態によると、ショットキー層16の上にSiN膜を形成しなくても電界効果型トランジスタの信頼性が低下しないため、SiNよりも比誘電率が小さい低誘電率材料を用いて保護膜21を形成することができるので、電界効果型トランジスタの寄生容量を低減することができる。
That is, according to the second embodiment, since the reliability of the field effect transistor does not decrease even if the SiN film is not formed on the
さらに、第2の実施形態においても、第1の実施形態と同様に、ショットキー層16が無秩序配列のInGaPからなり、その厚さが10nm以下に形成されているため、AlGaAsからなるショットキー層の上にゲート電極18を形成した場合と比べて、ゲート電極18の逆方向耐圧が向上した電界効果型トランジスタが実現されている。これにより、InGaPをショットキー層16に用いた電界効果型トランジスタにおいて、最大電流密度の向上とゲート耐圧の向上とを両立することが可能となる。
Further, in the second embodiment, as in the first embodiment, the
(第3の実施形態)
以下、本発明の第3の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図4は本発明の第3の実施形態に係る集積回路装置の断面構成を示している。図4に示すように、例えばGaAsからなる化合物半導体基板30の上に、化合物半導体からなるエピタキシャル層31が結晶成長により形成されている。
FIG. 4 shows a cross-sectional structure of an integrated circuit device according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, an
基板30及びエピタキシャル層31上における符号32が示す領域には、第1の実施形態に係る電界効果型トランジスタと同一の構成を有する電界効果型トランジスタが形成されている。また、基板30上には、抵抗素子33と容量素子34とが集積されて、MMIC(モノリシックマイクロ波集積回路)が構成されている。
A field effect transistor having the same configuration as the field effect transistor according to the first embodiment is formed in a region indicated by
抵抗素子33は、例えばポリシリコン(PS)、タングステンシリサイドナイトライド(WSiN)又はニッケルクロム(NiCr)により構成されている。なお、ここでは、WSiN又はNiCrが特に好ましい。容量素子34は例えば、白金(Pt)からなる下部電極34a及び上部電極34c並びにそれらの間に挟まれた例えば窒化シリコン(SiN)からなる容量絶縁膜34bにより構成されている。
The
図4に示すように、電界効果型トランジスタ32のドレイン電極20は、抵抗素子33の一方の端子と、層間絶縁膜35の上に形成された金属配線36により電気的に接続されており、抵抗素子33の他方の端子は、容量素子34の下部電極34aと金属配線36により電気的に接続されている。
As shown in FIG. 4, the
電界効果型トランジスタ32は、第1の実施形態で説明したように、最大電流密度の向上とゲート耐圧の向上とを共に実現できるため、最大電流密度と耐圧との積で決定されるパワー特性を改善することが可能となる。
As described in the first embodiment, the
従って、電界効果型トランジスタ32、抵抗素子33及び容量素子34を集積化したMMICは、優れた電気的特性を有するスイッチ回路を実現することができる。
Therefore, the MMIC in which the
なお、第3の実施形態に係る集積回路は、パワーアンプに適用しても優れた電気的特性を有することはいうまでもない。 Needless to say, the integrated circuit according to the third embodiment has excellent electrical characteristics even when applied to a power amplifier.
(第4の実施形態)
以下、本発明の第4の実施形態について図面を参照しながら説明する。
(Fourth embodiment)
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図5は本発明の第4の実施形態に係るスイッチ回路の構成を示している。図5に示すように、スイッチ回路40は、第1の実施形態と同一の構成を有する電界効果型トランジスタ41と、該電界効果型トランジスタのゲート電極と接続された抵抗素子42とから構成されている。
FIG. 5 shows a configuration of a switch circuit according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the
抵抗素子42におけるゲート電極の反対側の端子は、直流電圧(直流バイアス)が印加される制御端子43と接続されている。
A terminal on the opposite side of the gate electrode in the
電界効果型トランジスタ40のソース電極は高周波信号の入力端子44と接続され、ドレイン電極は出力端子45と接続されている。
The source electrode of the
この構成により、公知のように、制御端子43に対して、電界効果トランジスタ41に設定されたしきい値電圧Vthよりも高い制御電圧を印加すると、入力端子44から入力される高周波信号は出力端子45に出力され、逆に、しきい値電圧Vthよりも低い制御電圧を印加すると、入力端子44から入力される高周波信号を出力されないようにすることができる。
With this configuration, as is well known, when a control voltage higher than the threshold voltage Vth set in the
このとき、第4の実施形態に係る電界効果型トランジスタ41は、ショットキー層の少なくとも上部に無秩序配列のInGaPを含むことにより、最大電流密度が向上しているため、ドレイン電流の周波数分散が抑制される。その結果、スイッチをオフ状態からオン状態に切りかえる時に発生する切り替え不良(バースト不良)を抑制することができる。
At this time, the
さらに、スイッチ回路の重要な特性である最大電力を増加させるには、電界効果型トランジスタ41のしきい値電圧Vthを浅く(絶対値で小さく)することが重要であるが、従来はしきい値電圧Vthを浅くするとバースト不良が発生するという課題があった。
Furthermore, in order to increase the maximum power, which is an important characteristic of the switch circuit, it is important to make the threshold voltage Vth of the
しかしながら、第4の実施形態に係るスイッチ回路40を用いると、ショットキー層の上部に含まれる無秩序配列のInGaPの厚さを8nm以下に設定しているため、ゲート耐圧の向上が図られている。従って、しきい値電圧Vthを浅く設計した場合でも、バースト不良を確実に防止できるので、スイッチ回路40は極めて大きな高周波電力のスイッチングを行うことができる。
However, when the
(第4の実施形態の一変形例)
以下、本発明の第4の実施形態の一変形例について図面を参照しながら説明する。
(One Modification of Fourth Embodiment)
Hereinafter, a modification of the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図6は本発明の第4の実施形態の一変形例に係るスイッチ回路の構成を示している。図6において、図5に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。図5に示すように、スイッチ回路50は、第1のスイッチ回路40Aと第2のスイッチ回路40Bとからなり、第2のスイッチ回路40Bが、第1のスイッチ回路40Aの出力端子45とグランド46との間にシャント接続されている。
FIG. 6 shows a configuration of a switch circuit according to a modification of the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 6, the same components as those shown in FIG. As shown in FIG. 5, the
スイッチ回路50において、第1のスイッチ回路40Aの第1の制御端子43Aには電界効果型トランジスタ42のしきい値電圧Vthよりも高い制御電圧を印加し、且つ、第2のスイッチ回路40Bの第2の制御端子43Bには電界効果型トランジスタ42のしきい値電圧Vthよりも低い制御電圧を印加することにより、入力端子44に入力された高周波信号は出力端子45に伝達されて、スイッチ回路50はオン状態となる。
In the
これとは逆に、第1のスイッチ回路40Aの第1の制御端子43Aには電界効果型トランジスタ42のしきい値電圧Vthよりも低い制御電圧を印加し、且つ、第2のスイッチ回路40Bの第2の制御端子43Bには電界効果型トランジスタ41のしきい値電圧Vthよりも高い制御電圧を印加することにより、入力端子44に入力された高周波信号は出力端子45には伝達されず、スイッチ回路50はオフ状態となる。
On the contrary, a control voltage lower than the threshold voltage Vth of the
このように、各制御端子43A、43Bに印加する制御電圧によりスイッチ回路50のオン状態及びオフ状態を制御する際に、第1の実施形態に係る電界効果型トランジスタと同一の構成を有する電界効果型トランジスタ41を用いているため、ドレイン電流の周波数分散に起因するバースト不良を防止できるので、2組の電界効果型トランジスタ41のオン状態とオフ状態との切り替えを確実に行うことができる。その結果、極めて良好なスイッチ特性を実現することができる。
Thus, when controlling the ON state and the OFF state of the
なお、第4の実施形態において説明したスイッチ回路40を複数個接続することにより実現可能な、1入力2出力のいわゆるSPDT(Single-Pole Double-Throw)又は2入力2出力のDPDT(Double-Pole Double-Throw)等の極めて多様なスイッチ回路に、本発明を適用可能であることはいうまでもない。
A so-called SPDT (Single-Pole Double-Throw) with one input and two outputs or a DPDT (Double-Pole with two inputs and two outputs), which can be realized by connecting a plurality of
本発明に係る電界効果型トランジスタ並びにそれを用いた集積回路装置及びスイッチ回路は、ショットキー電極の逆方向耐圧が向上し、さらに本発明に係る電界効果型トランジスタをスイッチ回路に適用することにより、該スイッチ回路におけるバースト不良を防止するという効果を有し、高周波通信機器又はスイッチ回路等の分野に有用である。 The field effect transistor according to the present invention and the integrated circuit device and the switch circuit using the same improve the reverse breakdown voltage of the Schottky electrode, and further apply the field effect transistor according to the present invention to the switch circuit. It has the effect of preventing burst defects in the switch circuit, and is useful in the field of high-frequency communication equipment or switch circuits.
11 化合物半導体基板
12 バッファ層
13 バリア層
14 チャネル層
15 キャリア供給層
16 ショットキー層
17 キャップ層
18 ゲート電極
19 ソース電極
20 ドレイン電極
21 保護膜
30 化合物半導体基板
31 エピタキシャル層
32 電界効果型トランジスタ
33 抵抗素子
34 容量素子
34a 下部電極
34b 容量絶縁膜
34c 上部電極
35 層間絶縁膜
36 金属配線
40 スイッチ回路
40A 第1のスイッチ回路
40B 第2のスイッチ回路
41 電界効果型トランジスタ
42 抵抗素子
43 制御端子
43A 第1の制御端子
43B 第2の制御端子
44 入力端子
45 出力端子
46 グランド
50 スイッチ回路
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記第1の化合物半導体層の上に形成され、前記第1の化合物半導体層にキャリアを供給するヒ化アルミニウムガリウムからなる第2の化合物半導体層と、
前記第2の化合物半導体層の上に形成された無秩序配列のリン化インジウムガリウムからなる第3の化合物半導体層と、
前記第3の化合物半導体層の上に形成され、前記第3の化合物半導体層とショットキー接合するゲート電極とを備え、
前記第3の化合物半導体層は、厚さが5nm以下であり、
前記第3の化合物半導体層は、前記第3の化合物半導体層を形成しない場合と比べ、前記ゲート電極の逆方向耐圧が大きくなるように設けられていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。 A first compound semiconductor layer in which a carrier travels;
A second compound semiconductor layer made of aluminum gallium arsenide formed on the first compound semiconductor layer and supplying carriers to the first compound semiconductor layer;
A third compound semiconductor layer made of disordered indium gallium phosphide formed on the second compound semiconductor layer;
A gate electrode formed on the third compound semiconductor layer and having a Schottky junction with the third compound semiconductor layer;
The third compound semiconductor layer state, and are less thick Saga 5 nm,
The field effect transistor , wherein the third compound semiconductor layer is provided so that a reverse breakdown voltage of the gate electrode is increased as compared with a case where the third compound semiconductor layer is not formed .
前記第1の化合物半導体層の上に形成され、前記第1の化合物半導体層にキャリアを供給する第2の化合物半導体層と、
前記第2の化合物半導体層の上に形成された第3の化合物半導体層と、
前記第3の化合物半導体層の上に形成され、前記第3の化合物半導体層とショットキー接合するゲート電極とを備え、
前記第3の化合物半導体層は、その少なくとも上部に厚さが5nm以下である無秩序配列のリン化インジウムガリウムを含み、
前記リン化インジウムガリウムが前記第3の化合物半導体層の上部にのみ含まれる場合に、前記第3の化合物半導体層の下部はヒ化アルミニウムガリウムからなり、
前記リン化インジウムガリウムは、前記リン化インジウムガリウムを形成しない場合と比べ、前記ゲート電極の逆方向耐圧が大きくなるように設けられていることを特徴とする電界効果型トランジスタ。 A first compound semiconductor layer in which a carrier travels;
A second compound semiconductor layer formed on the first compound semiconductor layer and supplying carriers to the first compound semiconductor layer;
A third compound semiconductor layer formed on the second compound semiconductor layer;
A gate electrode formed on the third compound semiconductor layer and having a Schottky junction with the third compound semiconductor layer;
The third compound semiconductor layer includes disordered indium gallium phosphide having a thickness of 5 nm or less on at least an upper portion thereof,
When the indium gallium phosphide is contained only in the upper portion of the third compound semiconductor layer, a lower portion of the third compound semiconductor layer is Ri Do from aluminum gallium arsenide,
The indium gallium phosphide, the comparison with the case of not forming the indium gallium phosphide, the reverse breakdown voltage becomes large so provided have to that electric field-effect transistor, wherein Rukoto gate electrode.
前記電界効果型トランジスタは、
キャリアが走行する第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層の上に形成され、前記第1の化合物半導体層にキャリアを供給するヒ化アルミニウムガリウムからなる第2の化合物半導体層と、
前記第2の化合物半導体層の上に形成された無秩序配列のリン化インジウムガリウムからなる第3の化合物半導体層と、
前記第3の化合物半導体層の上に形成され、前記第3の化合物半導体層とショットキー接合するゲート電極とを有し、
前記第3の化合物半導体層は、厚さが5nm以下であり、
前記第3の化合物半導体層は、前記第3の化合物半導体層を形成しない場合と比べ、前記ゲート電極の逆方向耐圧が大きくなるように設けられていることを特徴とする集積回路装置。 An integrated circuit device in which a field effect transistor and a passive element electrically connected to the field effect transistor are formed on a substrate,
The field effect transistor is:
A first compound semiconductor layer in which a carrier travels;
A second compound semiconductor layer made of aluminum gallium arsenide formed on the first compound semiconductor layer and supplying carriers to the first compound semiconductor layer;
A third compound semiconductor layer made of disordered indium gallium phosphide formed on the second compound semiconductor layer;
A gate electrode formed on the third compound semiconductor layer and having a Schottky junction with the third compound semiconductor layer;
The third compound semiconductor layer state, and are less thick Saga 5 nm,
The integrated circuit device , wherein the third compound semiconductor layer is provided so that a reverse breakdown voltage of the gate electrode is increased as compared with a case where the third compound semiconductor layer is not formed .
前記電界効果型トランジスタは、
キャリアが走行する第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層の上に形成され、前記第1の化合物半導体層にキャリアを供給するヒ化アルミニウムガリウムからなる第2の化合物半導体層と、
前記第2の化合物半導体層の上に形成された無秩序配列のリン化インジウムガリウムからなる第3の化合物半導体層と、
前記第3の化合物半導体層の上に形成され、前記第3の化合物半導体層とショットキー接合するゲート電極とを有し、
前記第3の化合物半導体層は、厚さが5nm以下であり、
前記第3の化合物半導体層は、前記第3の化合物半導体層を形成しない場合と比べ、前記ゲート電極の逆方向耐圧が大きくなるように設けられていることを特徴とするスイッチ回路。 A field effect transistor having a gate electrode, a drain electrode, and a source electrode, wherein the drain electrode and the source electrode serve as input / output terminals; and a resistance element having one end connected to the gate electrode and the other end serving as a control terminal A switch circuit comprising:
The field effect transistor is:
A first compound semiconductor layer in which a carrier travels;
A second compound semiconductor layer made of aluminum gallium arsenide formed on the first compound semiconductor layer and supplying carriers to the first compound semiconductor layer;
A third compound semiconductor layer made of disordered indium gallium phosphide formed on the second compound semiconductor layer;
A gate electrode formed on the third compound semiconductor layer and having a Schottky junction with the third compound semiconductor layer;
The third compound semiconductor layer state, and are less thick Saga 5 nm,
The switch circuit , wherein the third compound semiconductor layer is provided so that a reverse breakdown voltage of the gate electrode is increased as compared with a case where the third compound semiconductor layer is not formed .
前記各電界効果型トランジスタは、
キャリアが走行する第1の化合物半導体層と、
前記第1の化合物半導体層の上に形成され、前記第1の化合物半導体層にキャリアを供給するヒ化アルミニウムガリウムからなる第2の化合物半導体層と、
前記第2の化合物半導体層の上に形成された無秩序配列のリン化インジウムガリウムからなる第3の化合物半導体層と、
前記第3の化合物半導体層の上に形成され、前記第3の化合物半導体層とショットキー接合するゲート電極とを有し、
前記第3の化合物半導体層は、厚さが5nm以下であり、
前記第3の化合物半導体層は、前記第3の化合物半導体層を形成しない場合と比べ、前記ゲート電極の逆方向耐圧が大きくなるように設けられていることを特徴とするスイッチ回路。 Each has a gate electrode, a drain electrode, and a source electrode, the drain electrode and the source electrode serve as input / output terminals, and a resistor having one end connected to the gate electrode and the other end serving as a control terminal A plurality of switch circuits electrically connected to each other,
Each of the field effect transistors is
A first compound semiconductor layer in which a carrier travels;
A second compound semiconductor layer made of aluminum gallium arsenide formed on the first compound semiconductor layer and supplying carriers to the first compound semiconductor layer;
A third compound semiconductor layer made of disordered indium gallium phosphide formed on the second compound semiconductor layer;
A gate electrode formed on the third compound semiconductor layer and having a Schottky junction with the third compound semiconductor layer;
The third compound semiconductor layer state, and are less thick Saga 5 nm,
The switch circuit , wherein the third compound semiconductor layer is provided so that a reverse breakdown voltage of the gate electrode is increased as compared with a case where the third compound semiconductor layer is not formed .
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