JP4672959B2

JP4672959B2 - 化合物半導体エピタキシャル基板

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Publication number: JP4672959B2
Application number: JP2002374547A
Authority: JP
Inventors: 剛規長田; 強中野; 孝行井上
Original assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: KR101032010B1; JP2004207471A; TW200421614A; TWI345309B; WO2004059744A1; US7732836B2; KR20050086945A; AU2003289473A8; AU2003289473A1; US20060113563A1

Description

【０００１】
【特許文献１】
特開平６−２１１０６号公報
【特許文献２】
第２７０８８６３号特許公報
【非特許文献１】
J. Crystal Growth，27(1974)p.118
【非特許文献２】
J. Crystal Growth，32(1974)p.265
【非特許文献３】
「化合物半導体・材料の量産段階突入▲２▼」〜電子デバイス用化合物半導体材料〜，乙木洋平，半導体産業新聞フォーラム「化合物半導体の全貌２００２−再浮上に向けて動き出した光・高周波デバイスの胎動」，２００２年６月５日，東京・御茶ノ水明神会館
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３−５族化合物半導体からなる歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスタ用の化合物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
ＧａＡｓ系３−５族化合物半導体を用いた電子素子は、電子移動度が高いため超高速、高周波動作が可能であるという特徴を生かして、超高速トランジスタへの応用が盛んに行われており、最近では、消費電力が少ないというメリットにより携帯電話等の高周波通信機器の各種主要部品として実用化されている。
【０００４】
このような超高速トランジスタとしては、高電子移動度電界効果型トランジスタ（以下ＨＥＭＴという）が広く知られている。ＨＥＭＴは、ＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor)、ＭＯＤＦＥＴ(Modulation Doped Transistor) 、またはＨＪＦＥＴ(Hetero-Junction Field Effect Transistor) などとも呼ばれる。
【０００５】
ＨＥＭＴは、電子を供給する電子供給層（ドープ層）と、電子が走行するチャネル層とを異なる材料で構成する選択ドープへテロ構造を採る点が大きな特徴である。このヘテロ構造において、電子供給層内のｎ型不純物から供給された電子は、ヘテロ接合する材料の電子親和力の差によりヘテロ接合界面のチャンネル側に形成されるポテンシャル井戸に溜まり、二次元電子ガスを形成する。このように、電子を供給するｎ型不純物は電子供給層内に、電子は高純度なチャネルの中にと、イオン化不純物と電子とが空間的に分離されているため、チャネル内の二次元電子ガスはイオン化不純物による散乱を受けず、高い電子移動度を示す。
【０００６】
ＨＥＭＴは、通常、所定の電子特性を有する各薄膜結晶層を所定の構造でＧａＡｓ単結晶基板上に積層成長させたエピタキシャル基板を用いて作製することができる。ＨＥＭＴはチャネルが高い電子移動度を有することが重要であり、そのため、ＨＥＭＴ構造を形成する薄膜結晶層を単原子層オーダーで精密に制御することが要求されるので、ＨＥＭＴ構造を有するエピタキシャル基板の製造方法としては、分子線エピタキシャル成長法（以下ＭＢＥ法という）あるいは有機金属熱分解法（以下ＭＯＣＶＤ法という）が用いられている。
【０００７】
ＭＢＥ法は、真空蒸着法の一種であり、膜厚制御性や界面急峻性に優れている一方で、量産性が劣ると言われている。これに対し、ＭＯＣＶＤ法は、エピタキシャル層を構成する原子種の有機金属化合物または水素化物を原料として用い、単結晶基板上で熱分解させて結晶成長を行なう方法であるため、原料として利用可能な物質の範囲が広く、エピタキシャル結晶の組成および膜厚を極めて広範囲にかつ精密に制御できるという特徴があり、大量の基板を再現性よく処理する目的に適した方法である。
【０００８】
さらに、最近の急速なＭＯＣＶＤ法の技術革新は、不純物量の制御のみならず、この方法では難しいとされていた急峻なヘテロ界面や良好な面内均一性をも実現可能にした。実際、ＭＯＣＶＤ法により作製したエピタキシャル基板は、ＨＥＭＴの電子移動度の点において、ＭＢＥ法により作製したものに比べて優るとも劣らない特性を示すまでになっており、工業的に広く用いられている。
【０００９】
ＨＥＭＴは、このように高い電子移動度を有する二次元電子ガスを利用した超高速のトランジスタであるので、ＨＥＭＴの高性能化のためにはチャネル層の電子移動度は高ければ高いほど良い。そのため、最近では、電子輸送特性に優れていることに加えて、Ｉｎ組成に応じてエネルギーギャップを大幅に変えることができ、二次元電子を効果的に閉じ込めることができるなどの理由から、ＧａＡｓに代わってＩｎＧａＡｓがチャネル層の材料として用いられている。また、ＩｎＧａＡｓに組み合わせる材料としてＡｌＧａＡｓあるいはＧａＡｓが知られている。
【００１０】
ＩｎＧａＡｓは、Ｉｎ組成を高めると、それにつれて移動度が高くなる性質がある。これによりトランジスタを高性能化できるが、Ｉｎ組成を高くするとＩｎＧａＡｓの格子定数も大きくなり、電子供給層や基板材料と格子不整合を生じることになる。そこで、準安定な（pseudomorphic）状態で結晶成長を行う方法が用いられている。これは、格子定数の異なる材料で格子不整合を伴う成長であっても、臨界膜厚と呼ばれる一定の膜厚以下であれば、格子は歪んで弾性変形するものの転位など格子の乱れがない良質な結晶を作製できるという性質を利用したものである。このようなＩｎＧａＡｓ歪み層をチャネル層として用いたＨＥＭＴは、歪みチャネル高電子移動度電界効果型トランジスタ（pseudomorphic-HEMT）と呼ばれている（以下、ｐ―ＨＥＭＴという）。
【００１１】
ＩｎＧａＡｓ層の臨界膜厚は、Ｉｎ組成および膜厚の関数として与えられることが知られており、例えば、ＧａＡｓ層に対するＩｎＧａＡｓ層の系では、非特許文献１および２に示される理論式のように表され、実験的にも概ね正しいことが確認されている。また、特許文献１では、高い移動度を有するｐ−ＨＥＭＴを効率良く製造できるエピタキシャル基板として、この理論式で規定されるＩｎ組成と膜厚の関係において、一定の関係式を用いてその範囲をさらに限定したエピタキシャル基板が開示されている。実際、結晶性の低下をきたすことなくエピタキシャル成長可能なＩｎＧａＡｓ歪みチャネル層として、Ｉｎ組成０．２０、膜厚１３ｎｍ程度のＩｎＧａＡｓ層が実用化されている。
【００１２】
また、さらに移動度を高めるためには、イオン化不純物による二次元電子の散乱をさらに小さくすることが有効であるので、電子供給層とチャネル層との間に電子供給層と同じ材質、同じ組成でも不純物を添加しない層をスペーサ層として挿入することもある。例えば、特許文献２には、ｐ-ＨＥＭＴ構造のチャネル層に用いられるＩｎＧａＡｓ歪み層とｎ-ＡｌＧａＡｓ電子供給層の間にＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層からなるスペーサ層を挿入し、成長条件を最適化することにより、二次元電子ガス濃度と、電子移動度を改善するようにした構成が開示されている。
【００１３】
このように、歪みＩｎＧａＡｓ層をチャネル層としたｐ−ＨＥＭＴにおいて、チャネル層のＩｎ組成を高くし、チャネル層と電子供給層またはスペーサ層とのバンドギャップの差を大きくとることにより、量子効果を効果的に作用させて多数の二次元電子を閉じ込めることができるので、電子濃度の向上と高移動度とを両立できるという長所がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
電子移動度は、電界効果型トランジスタの重要な性能指標であるオン抵抗、最大電流値あるいはトランスコンダクタンスといった諸特性を向上させる上で重要なパラメータであることはよく知られている。従って、電子移動度をさらに改善することにより、立ち上がり抵抗（オン抵抗）の低減を達成でき、これにより消費電力を低減できる。また、低消費電力化により発熱量を削減できるので、デバイスの高集積化が可能となることに加えて、チップサイズを小さくできるので、１枚のエピタキシャル基板から製造できるチップの数を増やすことができ、モジュール設計の自由度を高めることもできる。このような観点から、携帯電話等の各種携帯機器に用いられるｐ−ＨＥＭＴの場合には、電子移動度のより一層の改善が望まれている。
【００１５】
しかしながら、ｐ−ＨＥＭＴ構造を有するエピタキシャル基板においては、二次元電子ガス濃度と電子移動度とを同時に高くすることによりトランジスタの特性をさらに向上できるという観点から見ても、電子移動度はまだ満足できる値に達していない。例えば、非特許文献３に示されるように、ｐ―ＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板においてこれまでに報告されている室温（３００Ｋ）におけるチャネル層での電子移動度の最高値は、二次元電子濃度２．０６×１０¹²／ｃｍ²において８１７０ｃｍ²／Ｖ・ｓ、二次元電子濃度２．７７×１０¹²／ｃｍ²において７９７０ｃｍ²／Ｖ・ｓ程度であった。
【００１６】
二次元電子ガスの室温（３００Ｋ）での電子移動度は、結晶格子による散乱およびＧａＡｓ電子有効質量で決まると考えられている。そのため、歪みＩｎＧａＡｓ層をチャネル層とした場合には、Ｉｎの添加により、電子の有効質量が減少し電子移動度が上がることが期待される反面、ＩｎとＧａによる混晶散乱の増加により電子移動度が低下する懸念がある。さらに、電子の有効質量については、二次元電子ガス面に対して垂直な方向と水平な方向について異方性が生じるとされ、実用上重要な水平方向の有効質量については未だ報告例はなく、確かに電子の有効質量が下がり電子移動度が上がるという確証は何もないのが現状であった。
【００１７】
一方、ＩｎＰ単結晶基板を用いてこれに格子整合させたＩｎＧａＡｓでは、早くから室温での電子移動度が１００００ｃｍ²／Ｖ・ｓという値が報告されている。また、最近では、ＧａＡｓ単結晶基板上において、ＩｎＡｌＡｓをバッファ層としＩｎ混晶比を段階的に変化させることにより、バッファ層の格子定数をＩｎＰのそれに段階的に変化させ、ＩｎＰの格子定数に近いバッファ層を形成する技術、いわゆるメタモルフィック技術が開発されている。この技術を用いて形成したバッファ層上に、ＩｎＧａＡｓ層をチャネルとする変調ドープ構造を形成することにより、９０００ｃｍ²／Ｖ・ｓを超える電子移動度が報告されている。すなわちチャネルに歪みのないＩｎＧａＡｓではその低い電子有効質量に見合った、ＧａＡｓを超える高い電子移動度が可能であったのである。
【００１８】
このように、８２００ｃｍ²／Ｖ・ｓを超えるような高い電子移動度を有する高性能トランジスタを実現しようとする場合、ＩｎＰ単結晶基板を用いるか、あるいは上記のようにメタモルフィック技術によりＧａＡｓ単結晶基板上に特殊なバッファ層を積層する必要がある。その上で、ＩｎＰと格子整合するＩｎＧａＡｓ層をチャネル層とし、これに格子整合するＩｎＡｌＡｓ層を電子供給層として用いた変調ドープ系構造のエピタキシャル基板が必要となる。そのため、ＩｎＰ単結晶基板を用いる場合には原料コストが極めて高いものとなってしまう。一方、メタモルフィック技術を用いる場合でも厚膜のバッファ層を形成するので、製造コストが高くなるだけでなく、従来のＧａＡｓ系とは異なる新しい材料加工技術が必要となると言う問題に加えて、バッファ層の結晶欠陥密度が高いため信頼性が低い等の問題も有している。
【００１９】
そのため、電子供給層にｎ-ＡｌＧａＡｓ層を用い、チャネル層に歪みＩｎＧａＡｓ層を用いたｐ-ＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、現在、報告されている値よりも、さらに改善された、高い二次元電子ガス濃度と高い電子移動度をあわせもつエピタキシャル基板が強く望まれている。
【００２０】
本発明の目的は、従って、上述の各種要求性能を達成するために必要不可欠な高い電子移動度を有するｐ−ＨＥＭＴ構造のエピタキシャル基板およびその製造方法を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行なってきた結果、ＩｎＧａＡｓチャネル層のＩｎ組成と膜厚とを最適化し、さらに、ＩｎＧａＡｓチャネル層とｎ-ＡｌＧａＡｓ電子供給層の間に設けられるＡｌＧａＡｓ層とＧａＡｓ層からなるスペーサ層の膜厚を最適化した、ｐ-ＨＥＭＴ構造のエピタキシャル基板を成長すれば、これまでに報告されたことのない高い電子移動度と高い二次元電子ガス濃度をあわせもつエピタキシャル基板を形成できることを見い出し、これらの知見に基づいて本発明をなすに至ったものである。
【００２２】
上記課題を解決するため、請求項１の発明によれば、ＧａＡｓ単結晶基板の上に形成され、ＩｎＧａＡｓ層を歪チャネル層、ｎ型不純物を含有するＡｌＧａＡｓ層を電子供給層とする歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスタに用いられる化合物半導体エピタキシャル基板において、夫々が前記歪チャネル層に接するように前記歪チャネル層を挟んで積層されている膜厚が４ｎｍ以上の一対のアンドープＧａＡｓ層と、夫々が前記一対のアンドープＧａＡｓ層の前記歪チャネル層と接する面と反対側の面に接するように前記一対のアンドープＧａＡｓ層を挟んで積層されている一対のアンドープＡｌＧａＡｓ層と、夫々が前記一対のアンドープＡｌＧａＡｓ層の前記アンドープＧａＡｓ層と接する面と反対側の面に接するように前記一対のアンドープＡｌＧａＡｓ層を挟んで積層されている一対のｎ型ＡｌＧａＡｓ電子供給層とを備えており、前記歪チャネル層を構成するＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が０．２５以上０．４０以下であり、前記歪チャネル層の室温での電子移動度が８３００ｃｍ²／Ｖ・ｓ以上であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板が提案される。
【００２３】
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明によるＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板の第１の実施例の断面構造を説明するための図である。図１において、１は単結晶基板であるＧａＡｓ単結晶基板、２〜５はいずれもＧａＡｓ単結晶基板１上に積層されたバッファ層である。ここでは、バッファ層２〜５は、それぞれ２００ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層、２５０ｎｍ厚のｉ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ層、２５０ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層、２００ｎｍ厚のｉ−Ａｌ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ層として積層されている。
【００２８】
６は、４ｎｍ厚のｎ−Ａｌ_0.24Ｇａ_0.76Ａｓ層として形成され、ｎ型不純物を３×１０¹⁸／cm³ドープしたバック側電子供給層であり、バック側電子供給層６の上には、バック側スペーサ層７、８がこの順序で積層されている。ここでは、バック側スペーサ層７は３ｎｍ厚のｉ−Ａｌ_0.24Ｇａ_0.76Ａｓ層、バック側スペーサ層８は６ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層となっている。９は二次元電子を流すため二次元電子ガスが形成されるチャネル層であり、７．５ｎｍ厚のｉ−Ｉｎ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ層から成っている。
【００２９】
１０、１１はそれぞれがフロント側スペーサ層であり、フロント側スペーサ層１０は６ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層、フロント側スペーサ層１１は３ｎｍ厚のｉ−Ａｌ_0.24Ｇａ_0.76Ａｓ層である。
【００３０】
１２はフロント側電子供給層で、１０ｎｍ厚のｎ−Ａｌ_0.24Ｇａ_0.76Ａｓ層として形成され、ｎ型不純物が３×１０¹⁸／cm³の濃度にドープされている。１３、１４はいずれもアンドープ層で、それぞれ、３ｎｍ厚のｉ−Ａｌ_0.22Ｇａ_0.78Ａｓ層、２０ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層として積層されている。
【００３１】
図１に示したエピタキシャル基板は以上のように積層成長されているので、バック側電子供給層６からバック側スペーサ層７、８を介してチャネル層９へ電子が供給されると共に、フロント側電子供給層１２からもフロント側スペーサ層１０、１１を介してチャネル層９へ電子が供給される。この結果チャネル層９には、高濃度の二次元電子ガスが形成される。
【００３２】
ここで、チャネル層９のＩｎ組成を０．２５以上の０．３とし、これに加えてチャネル層９の膜厚を７．５ｎｍとしてチャネル層９のＩｎ組成と膜厚との最適化を図っているので、チャネル層９内における二次元電子ガス濃度を高めることができる上に、二次元電子ガスの電子移動度を従来に比べて格段に向上させることができる。この結果、チャネル層９における室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度を２．２０×１０¹²／ｃｍ²以上としても、そのときの電子移動度を少なくとも８３００ｃｍ²/V・s 以上という値にすることができる。
【００３３】
このように、図１に示す実施の形態では、ＩｎＧａＡｓ歪みチャネル層であるチャネル層９のＩｎ組成を０．３とした場合を例に説明したが、種々のＩｎ組成について、チャネル層膜厚が最適となるように調整しながら、Ｉｎ組成とチャネルの電子移動度の関係を調べた結果、図２に示すような関係が得られた。この場合、チャネル層９の膜厚は、チャネル層９のＩｎ組成を用いて非特許文献１および２の理論式により求めた臨界膜厚の８０％程度の厚さとした。チャネル層９におけるＩｎの組成を０．２５以上とした時、チャネル層９の膜厚は１０．５ｎｍ以下である。また、図２に示した各データ点での二次元電子濃度は、（２．２〜２．４）×１０¹²／ｃｍ²に調整している。
【００３４】
以上により、ノンドープＩｎＧａＡｓ層のチャネル層およびｎ型不純物を含有するＡｌＧａＡｓ層の電子供給層をエピタキシャル成長させたｐ−ＨＥＭＴ構造において、チャネル層におけるＩｎの組成を０．２５以上としかつその膜厚を最適化することにより、二次元電子ガスの濃度を高めると共にチャネル層における室温（３００Ｋ）での二次元電子ガスの移動度を８３００ｃｍ²／Ｖ・ｓ以上とすることができることが確認できた。ここで、チャネル層の上下に接して積層したＧａＡｓ層の膜厚は、４ｎｍ以上であれば良いことが確かめられた。
【００３５】
図１に示した層構造のエピタキシャル基板を作製する方法について説明する。先ず、ＧａＡｓ単結晶基板１を用意する。ＧａＡｓ単結晶基板１は高抵抗の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板であり、ＬＥＣ（Liquid Encapsulated Czochralski）法、ＶＢ（Vertical Bridgeman）法、ＶＧＦ（Vertical Gradient Freezing）法等で製造されたＧａＡｓ基板が好適であり、いずれの方法で製造された場合であっても、１つの結晶学的面方位から０．０５°乃至１０°程度の傾きをもった基板を用意する。
【００３６】
上述の如く用意したＧａＡｓ単結晶基板１の表面を、脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥処理した後、結晶成長炉の加熱台上に載置する。炉内を高純度水素で充分置換した後、加熱を開始する。適度な温度に安定したところで炉内に砒素原料を導入する。ＧａＡｓ層を成長する際には、続いてガリウム原料を導入する。また、ＡｌＧａＡｓ層を成長する際には、砒素原料の導入に加えて、ガリウム原料およびアルミニウム原料を導入する。ＩｎＧａＡｓ層を成長する際には、砒素原料の導入に加えて、ガリウム原料およびインジウム原料を導入する。各原料の供給量と時間を制御することにより、所望の積層構造を成長していく。最後に、各原料の供給を停止して結晶成長を停止し、冷却後、図１に示すように積層したエピタキシャル基板を炉内から取り出して結晶成長を完了する。結晶成長時の基板温度は、通常、およそ５００℃から８００℃である。
【００３７】
図１に示した層構造のエピタキシャル基板は、ＭＯＣＶＤ法を用いて作製することができる。ＭＯＣＶＤ法を用いることの利点は、エピタキシャル層を構成する原子種の有機金属化合物または水素化物を原料として用いることができることである。
【００３８】
実際には、エピタキシャル成長時の砒素原料として、一般に三水素化砒素（アルシン）を用いることが多いが、アルシンの水素を炭素数が１から４のアルキル基で置換したアルキルアルシンを使用することもできる。ガリウム、アルミニウム、およびインジウムの原料としては、各金属原子に炭素数が１から３のアルキル基もしくは水素が結合したトリアルキル化物もしくは三水素化物が、一般に用いられる。
【００３９】
ｎ型ドーパントとしては、シリコン、ゲルマニウム、スズ、硫黄、セレン等の水素化物または炭素数が１から３のアルキル基を有するアルキル化物を用いることができる。
【００４０】
【実施例】
以下、本発明について、実施例と比較例とをもとに、より詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４１】
（実施例１）
図１に示した層構造のエピタキシャル基板を減圧バレル型ＭＯＣＶＤ炉を用い、以下に説明するようにして作製した。ＧａＡｓ単結晶基板１として、ＶＧＦ法で製造された半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板を用意し、ＧａＡｓ単結晶基板１上にエピタキシャル成長した。３族の原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およびトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、５族の原料としては、アルシン（ＡｓＨ₃）を用いた。ｎ型ドーパントとしては、シリコン（Ｓｉ）を用いた。原料のキャリアガスとしては、高純度水素を用い、反応炉内圧力０．１ａｔｍ、成長温度６５０℃、成長速度３〜１μm／hrの成長条件でエピタキシャル成長を行なった。
【００４２】
電子を走行させるチャネル層９には、Ｉｎ組成０．３０、膜厚７．５ｎｍの歪ＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長した。
【００４３】
チャネル層９に用いたＩｎＧａＡｓ層の上下には、スペーサ層８、１０としてｉ‐ＧａＡｓ層を上下各６．０ｎｍずつ、エピタキシャル成長した。
【００４４】
上記のようにして製造して得られたエピタキシャル基板において、Van der Pauw法によるホール測定を行なった結果、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が２．２８×１０¹²／ｃｍ²、室温（３００Ｋ）での電子移動度が８９９０ｃｍ²／Ｖ・s 、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．５９×１０¹²／ｃｍ²、７７Ｋでの電子移動度が３５６００ｃｍ²／Ｖ・s と、これまでに報告されたことのない良好な値を得た。また、このときの構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１×１０¹⁵／ｃｍ³となるときのピンチオフ電圧は−１．９３Ｖであった。
【００４５】
（実施例２）
図３に示した層構造のエピタキシャル基板を実施例１の場合と同様に、ＭＯＣＶＤ法により作製した。図３に示したエピタキシャル基板において、２１は半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板、２２〜２５はバッファ層、２６はバック側電子供給層、２７〜２８はバック側スペーサ層、２９はチャネル層、３０〜３１はフロント側スペーサ層、３２はフロント側電子供給層、３３はアンドープＡｌＧａＡｓ層、３４はアンドープＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図２中に示した通りである。
【００４６】
図１と図３とを比較して判るように、実施例２では、Ｉｎ組成０．３５、膜厚５．５ｎｍの歪ＩｎＧａＡｓ層をエピタキシャル成長した点で実施例１と異なっている。その他の各層の形成については、実施例１の場合と同様である。
【００４７】
このようにして得られたエピタキシャル基板について、Van der Pauw法によるホール測定を行なった結果、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が２．２２×１０¹²／ｃｍ²、室温（３００Ｋ）での電子移動度が８９５０ｃｍ²／Ｖ・s 、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．２２×１０¹²／ｃｍ²、７７Ｋでの電子移動度が３３０００ｃｍ²／Ｖ・s と、良好な値を得た。また、上述の構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１×１０¹⁵／ｃｍ³となるときのピンチオフ電圧は、―１．７５Ｖであった。
【００４８】
（比較例）
ｐ−ＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、チャネル層に用いられる歪みＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成および膜厚と、このチャネル層の上下に積層されるｉ−ＧａＡｓ層の膜厚だけを変えた図４に示す構造のエピタキシャル基板を、比較例として同じくＭＯＣＶＤ法を用いて作製した。図４に示したエピタキシャル基板において、４１は半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板、４２〜４５はバッファ層、４６はバック側電子供給層、４７〜４８はバック側スペーサ層、４９はチャネル層、５０〜５１はフロント側スペーサ層、５２はフロント側電子供給層、５３はアンドープＡｌＧａＡｓ層、５４はアンドープＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図３中に示した通りである。
【００４９】
図３と図４とを比較して判るように、比較例では、チャネル層４９のＩｎ組成を０．２０とし、且つその膜厚を１３．５ｎｍとした点、及びチャネル層４９の上下に設けたスペーサ層として働くｉ―ＧａＡｓ層の膜厚をそれぞれ２．０ｎｍとした点においてのみ図３（実施例２）の構成と異なっている。なお、図４に示されているこの比較例の構造は、従来からよく知られているｐ―ＨＥＭＴ構造である。
【００５０】
このようにして得られたエピタキシャル基板について、Van der Pauw法によるホール測定を行なった結果、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度は２．５５×１０¹²／ｃｍ²、室温（３００Ｋ）での電子移動度は７２００ｃｍ²／Ｖ・s 、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度は２．７８×１０¹²／ｃｍ²、７７Ｋでの電子移動度は２１９００ｃｍ²／Ｖ・s と、従来から報告されている程度の値しか得られなかった。また、このときの構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１××１０¹⁵／ｃｍ³となるときのピンチオフ電圧は、−２．１２Ｖであった。
【００５１】
実施例および比較例のエピタキシャル基板の層構造は、Hall測定による移動度評価、ＣＶ測定によるしきい値電圧測定などの２次元電子ガス特性評価のためのテスト構造である。ＦＥＴデバイスの作製のための実際のエピタキシャル基板の層構造では、実施例および比較例のエピタキシャル基板の層構造の第１４層のノンドープＧａＡｓ層の膜厚を厚くし、さらに、ソース電極及びドレイン電極とオーミックコンタクトをとるためのコンタクト層を積層したものとなっている。コントクト層には、３×１０¹⁸〜５×１０¹⁸／cm³程度にシリコンをドーピングしたｎーＧａＡｓ層を１００ｎｍ程度積層したものを通常用いる。しかし、本発明による移動度向上の効果は、コンタクト層の成長およびＦＥＴデバイス作製のためのプロセスにより損なわれることはない。実施例および比較例のエピタキシャル基板特性評価用テスト構造においてのみならず、ＦＥＴデバイスのためのエピタキシャル基板構造においても、本発明による移動度向上の効果は有効である。
【００５２】
これまで、ＩｎＰ基板を用いてこれに格子整合させたＩｎＧａＡｓ層をチャネル層とした系、またはＧａＡｓ基板上にメタモルフィック技術によりＩｎＰの格子定数に近いバッファ層を形成した上でこれに格子整合するＩｎＧａＡｓ層をチャネル層とした系でしか得られなかった高い電子移動度が、本発明により初めてＧａＡｓ基板上の歪みＩｎＧａＡｓチャネル系で得られたことは非常にインパクトが大きい。すなわち、高価で取扱いが難しいＩｎＰ基板あるいは特殊なメタモルフィックバッファ技術を用いずに済むこと、また電子供給層あるいはバッファ層は基本的に従来のｐ−ＨＥＭＴと同様であることから、従来のデバイス加工技術をそのまま適用できる点において、その工業的なメリットは極めて大きいものである。
【００５３】
また応用上も電子移動度と密接に相関する電子速度に支配されるため、ＩｎＰ系あるいはメタモルフィック系でなければ実現が難しいとされている数十ＧＨｚ〜数百ＧＨｚにおよぶ超高周波帯での各種高速デバイスとして、本発明によるＧａＡｓ基板を用いたｐ−ＨＥＭＴが用いうる可能性を拓いたという点で多大なるメリットをもたらすものである。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、電子素子作製時にも有利となるような、これまでに報告されたことのない良好な特性を有するｐ―ＨＥＭＴ（歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスタ）構造の化合物半導体エピタキシャル基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図２】本発明の効果を表すための実験結果を示すグラフであって、チャネル層のＩｎ組成と室温におけるチャネル層の電子移動度の関係を示したグラフ。
【図３】本発明の実施例２に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図４】本発明の比較例に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【符号の説明】
１、２１，４１半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板
２〜５、２２〜２５、４２〜４５バッファ層
６、２６，４６バック側電子供給層
７〜８、２７〜２８、４７〜４８バック側スペーサ層
９、２９、４９チャネル層
１０〜１１、３０〜３１、５０〜５１フロント側スペーサ層
１２、３２、５２フロント側電子供給層
１３、３３、５３アンドープＡｌＧａＡｓ層
１４、３４、５４アンドープＧａＡｓ層

Claims

ＧａＡｓ単結晶基板の上に形成され、ＩｎＧａＡｓ層を歪チャネル層、ｎ型不純物を含有するＡｌＧａＡｓ層を電子供給層とする歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスタに用いられる化合物半導体エピタキシャル基板において、
夫々が前記歪チャネル層に接するように前記歪チャネル層を挟んで積層されている膜厚が４ｎｍ以上の一対のアンドープＧａＡｓ層と、
夫々が前記一対のアンドープＧａＡｓ層の前記歪チャネル層と接する面と反対側の面に接するように前記一対のアンドープＧａＡｓ層を挟んで積層されている一対のアンドープＡｌＧａＡｓ層と、
夫々が前記一対のアンドープＡｌＧａＡｓ層の前記アンドープＧａＡｓ層と接する面と反対側の面に接するように前記一対のアンドープＡｌＧａＡｓ層を挟んで積層されている一対のｎ型ＡｌＧａＡｓ電子供給層とを備えており、
前記歪チャネル層を構成するＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が０．２５以上０．４０以下であり、
前記歪チャネル層の室温での電子移動度が８３００ｃｍ²／Ｖ・ｓ以上であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板。