JP5119644B2

JP5119644B2 - Ｉｉｉ−ｖ族化合物半導体エピタキシャルウェハ

Info

Publication number: JP5119644B2
Application number: JP2006285106A
Authority: JP
Inventors: 千裕廣岡
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2006-10-19
Filing date: 2006-10-19
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2026-10-19
Also published as: JP2008103546A

Description

本発明は、ＦＥＴ（Field Efect Transistor）やＨＥＭＴ（High Ｅlectron Mobility Transistor）などの電子デバイスに好適なIII−Ｖ族化合物半導体エピタキシャルウェハに関する。

ＧａＡｓ（ガリウム砒素）やＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）などのIII−Ｖ
族化合物半導体は、Ｓｉ（シリコン）半導体に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長をいかして、ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓは高速動作や高効率動作を要求されるデバイスに多く用いられている。代表例としてＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor；高電子移動度トランジスタ）が挙げられ、携帯電話の送信用マイクロ波増幅器や
衛星放送用受信アンテナの高周波増幅器に用いられている。

近年実用化されているＨＥＭＴ構造では、チャネル層ヘキャリアを効率よく供給する為に、チャネル層の上下にキャリア供給層を配置するＤ−ＨＥＭＴ（Double doped HEMT）
構造が主流と成っている。

図４に、従来のＤ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの概略構造を示す。図４に示すように、Ｄ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハは、半絶縁性の基板２１上に、結晶成長したバッファ層２２、キャリア供給層２３、スペーサ層２４、チャネル層２５、スペーサ層２６、キャリア供給層２７、ショットキー層２８及びコンタクト層２９を有する。

キャリア供給層２３，２７としては、通常のエピタキシャル層中にその厚さ方向にドーパントを均一に添加した均一ドープ層と、エピタキシャル界面に単原子層又は数原子層以下の極めて薄い層内だけにドーパントを添加したδドープ層との２種類のドーピング構造に大きく分けられる。この二つのドーピング構造には、それぞれ利点があり、どちらが良いとは一概に言うことは出来ない。従来のＤ−ＨＥＭＴには、上、下のキャリア供給層２３，２７を、共に均一ドープ層としたものと、共にδドープ層としたものが知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開２００４−１１１６１５号公報特開２００４−２２１３６３号公報

Ｄ−ＨＥＭＴは、チャネル層２５の上下に二次元電子ガスを発生させて電流駆動能力を高めているが、上述したように、上、下のキャリア供給層２３，２７が、共に均一ドープ層、又は、共にδドープ層である従来のＤ−ＨＥＭＴでは、デバイス特性として重要である、シート抵抗と閾値電圧の双方を向上させることが難しかった。

本発明は、シート抵抗と閾値電圧の双方を向上させることが可能なIII−Ｖ族化合物半導体エピタキシャルウェハを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第１の態様は、基板上に、バッファ層、キャリア供給層、第１スペーサ層、チャネル層、第２スペーサ層、キャリア供給層、ショットキー層、コンタクト層が積層されたIII−Ｖ族化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、前記バッファ層は、膜厚が１０００ｎｍのｉ−Ａｌ _0.25 ＧａＡｓからなり、前記第１スペーサ層は、膜厚が５ｎｍのｉ−Ａｌ _0.40 ＧａＡｓからなり、前記チャネル層は、膜厚が１０ｎｍのｉ−Ｉｎ _0.30 ＧａＡｓからなり、前記第２スペーサ層は、膜厚が５ｎｍのｉ−Ａｌ _0.40 ＧａＡｓからなり、前記ショットキー層は、膜厚が３０ｎｍのｉ−Ａｌ _0.25 ＧａＡｓからなり、前記コンタクト層は、膜厚が１５０ｎｍのｎ−ＧａＡｓからなり、前記基板側の下側の前記キャリア供給層は、キャリア濃度１×１０ ¹² ｃｍ ^-2 のδドープ層であり、上側の前記キャリア供給層は、キャリア濃度３×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 の均一ドープ層であって、かつ、膜厚１５ｎｍのｎ−Ａｌ _0.20 ＧａＡｓからなることを特徴とする。

本発明によれば、デバイス特性として重要であるシート抵抗と閾値電圧の双方を向上できるIII−Ｖ族化合物半導体エピタキシャルウェハが得られ、デバイスの低消費電力化を実現できる。

以下に、本発明に係るIII−Ｖ族化合物半導体素子の一実施形態のＤ−ＨＥＭＴを図面
を用いて説明する。

図１は、この実施形態のＤ−ＨＥＭＴの層構造を示す縦断面図である。図示のように、Ｄ−ＨＥＭＴは、半絶縁性の基板１上に、III−Ｖ族化合物半導体エピタキシャル層から
なる、バッファ層２、δドープ層のキャリア供給層（電子供給層）３、スペーサ層４、チャネル層５、スペーサ層６、均一ドープ層のキャリア供給層（電子供給層）７、ショットキー層８、コンタクト層（キャップ層）９（９ａ、９ｂ）が順次積層されており、ショットキー層８上にゲート電極１０が形成され、ゲート電極１０を挟んで両側に形成されたコンタクト層９ａ、９ｂ上にそれぞれドレイン電極１１、ソース電極１２が形成されている。

バッファ層２は基板１表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きや、チャネル層５からのリーク電流を防ぐ働きがある。チャネル層５は自由電子が流れる層であり、高純度である必要がある。キャリア供給層３，７はｎ型不純物がドーピングされており、発生した自由電子をチャネル層５へ供給する。スペーサ層４，６は、チャネル層５の自由電子がキャリア供給層３，７のイオン化したｎ型不純物によって散乱されるのを抑止する働きがある。

基板１は、ＧａＡｓ基板が好ましいが、その他、ＩｎＰ基板、ＧａＮ基板を用いてＨＥＭＴなどのデバイスを作製しても勿論よい。キャリア供給層３，７は、ＡｌＧａＡｓにｎ
型ドーパントがドープされたものが好ましい。ＡｌＧａＡｓはＧａＡｓに格子整合し、Ａｌ組成比を変えることでバンド間エネルギーギャップを容易に制御できる。更に、キャリア供給層３，７のｎ型ドーパントには、拡散の少ないＳｉが好ましい。また、チャネル層５は、ＩｎＧａＡｓを用いるのが好ましい。

基板１上のバッファ層２、キャリア供給層３、スペーサ層４、チャネル層５、スペーサ層６、キャリア供給層７、ショットキー層８およびコンタクト層９が積層形成されたＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハは、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、液相エピタキシャル成長法等のエピタキシャル成長法によって形成される。

有機金属気相成長法による成長では、エピタキシャル層を成長させる半絶縁性の基板１をサセプタにセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に必要に応じてＶ族原料、III族
原料、希釈用ガス、ドーパント原料を供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板１上にエピタキシャル層を成長する。
Ｖ族原料としては、例えば、ＡｓＨ_３（アルシン）、Ａｓ（ＣＨ_３）_３（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシヤリーブチルアルシン）、ＰＨ_３（ホスフィン）、ＮＨ_３（アンモニア）などを用いる。また、III族原料として、例えば、Ａｌ(ＣＨ_３)_３（トリメチルア
ルミニウム）、Ｇａ(ＣＨ_３)_３（トリメチルガリウム）、Ｉｎ(ＣＨ_３)_３（トリメチルインジウム）、Ａｌ(ＣＨ_３ＣＨ_２)_３（トリエチルアルミニウム）、Ｇａ(ＣＨ_３ＣＨ_２)_３（トリエチルガリウム）、Ｉｎ(ＣＨ_３ＣＨ_２)_３（トリエチルインジウム）を用いる。希釈用ガスとしては、Ｈ_２（水素）、Ｎ_２（窒素）またはＡｒ（アルゴン）を用いる。また、ｎ型ドーパント原料としては、例えば、Ｓｉ_２Ｈ_６（ジシラン）、ＳｉＨ_４（モノシラン）、Ｈ_２Ｓｅ（セレン化水素）、ＤＥＴｅ（ジエチルテルル）などを用いる。

上記ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハに対し、その表面のコンタクト層９に、フォトリソグラフィを用いてゲート電極１０形成領域のレジストパターンを形成し、エッチングによりコンタクト層９の一部を除去してコンタクト層９ａ、９ｂを形成する。その後、フォトリソグラフィ及び蒸着法などを用いて、ゲート電極１０、ドレイン電極１１、ソース電極１２を形成し、更にウェハをダイシングして図１に示すＨＥＭＴチップを作製する。

図１に示す本実施形態のＨＥＭＴでは、チャネル層５の上下に設けられたキャリア供給層３，７に対し、基板１側の下側のキャリア供給層３をδドープ層とし、上側のキャリア供給層７を均一ドープ層としたことを特徴とする。

上側のキャリア供給層７が均一ドープ層であると、高濃度の均一ドープのドーピング層はある程度の厚さを持っているため、電極１１，１２とチャネル層５との間の縦方向抵抗を下げることができる。これに対し、上側のキャリア供給層７がδドープ層の場合、上記縦方向抵抗の低減は期待できない。
一方、下側のキャリア供給層３がδドープ層であると、δドープのドーピング層は極めて薄い（厚さがない）ので、電圧ＯＦＦ時の空乏層の伸びが少なくて済むため、閾値電圧Ｖthの低下に有効である。これに対し、下側のキャリア供給層３を均一ドープ層とした場合、閾値電圧Ｖthの低下は期待できない。

このように、チャネル層５の上、下のキャリア供給層３，７の構成を、下側のδドープと上側の均一ドープとの新たな組み合わせを採用することにより、低いシート抵抗と低い閾値電圧とを両立させることができる。低いシート抵抗、低い閾値電圧のどちらもデバイス動作時の動作電力の低減となるため、動作時の省電力化が図れる。ＨＥＭＴデバイスの省電力化により、衛星放送受信用パラボラアンテナの小型化や携帯電話の低消費電力化などが期待できる。

次に、本発明の実施例を述べる。本実施例のＨＥＭＴも、図１に示す上記実施形態のＨＥＭＴと同一の層構造を有するので、図１を用いて実施例を説明する。

本実施例のＨＥＭＴは、図１に示すように、半絶縁性のＧａＡｓ基板１上に、ＡｌＧａＡｓバッファ層２、単原子層内又は数原子層内にＳｉがδドープされたＡｌＧａＡｓキャリア供給層３、ＡｌＧａＡｓスペーサ層４、ＩｎＧａＡｓチャネル層５、ＡｌＧａＡｓスペーサ層６、Ｓｉが均一にドープされたＡｌＧａＡｓキャリア供給層７、ＡｌＧａＡｓショットキー層８、ｎ型のＧａＡｓコンタクト層９ａ、９ｂが順次形成されており、ＡｌＧａＡｓショットキー層８上にゲート電極１０が形成され、ゲート電極１０を挟んで両側に形成されたＧａＡｓコンタクト層９ａ、９ｂ上にそれぞれドレイン電極１１、ソース電極１２が形成されている。

有機金属気相成長法より、ＧａＡｓ基板１上に、ＡｌＧａＡｓバッファ層２、δドープのＡｌＧａＡｓキャリア供給層３、ＡｌＧａＡｓスペーサ層４、ＩｎＧａＡｓチャネル層５、ＡｌＧａＡｓスペーサ層６、均一ドープのＡｌＧａＡｓキャリア供給層７、ＡｌＧａＡｓショットキー層８およびｎ型のＧａＡｓコンタクト層９を積層形成して、ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハを作製した。作製したＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの構成を図２に示す。図中、ｎ−、ｉ−は、エピタキシャル層がそれぞれｎ型、半絶縁性であることを表している。なお、δドープのＡｌＧａＡｓキャリア供給層３のキャリア濃度は、面密度（単位：ｃｍ^−２）である。

ＡｌＧａＡｓバッファ層２などのＡｌＧａＡｓ層の成長には、成長炉内にＴＭＡ，ＴＭＧ，ＡｓＨ_３を供給し、所定のＡｌ組成となるようにＴＭＧとＴＭＡの流量を調整した。また、ＩｎＧａＡｓチャネル層５の成長では、成長炉内にＴＭＩ，ＴＭＧ，ＡｓＨ_３を供給し、所定のＩｎ組成となるようにＴＭＩとＴＭＧの流量を調整した。また、均一ドープのＡｌＧａＡｓキャリア供給層７の成長では、ＴＭＡ，ＴＭＧ，ＡｓＨ_３に加えて、ｎ型ドーパント原料として、Ｓｉ_２Ｈ_６を供給して作製した。また、δドープのＡｌＧａＡｓキャリア供給層３の成長では、Ｓｉ_２Ｈ_６とＡｓＨ_３を成長炉内に供給して作製した。また、ｎ型のＧａＡｓコンタクト層９の成長では、ＴＭＡ，ＴＭＧ，Ｓｉ_２Ｈ_６を供給した。なお、上記いずれの成長においても、希釈用ガスとしてＨ_２を用いた。

図２に示す構成のＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハを用いて、図１と同一構造のＨＥＭＴを作製し、閾値電圧とシート抵抗を測定した。
また、この実施例のＨＥＭＴと比較するために、図２に示す実施例のＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ構造において、下側のキャリア供給層のみを異にするＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハを用いて比較例のＨＥＭＴを作製した。比較例のＨＥＭＴは、下側のキャリア供給層が均一ドープのｎ−Ａｌ_０．２ＧａＡｓキャリア供給層（厚さ５ｎｍ）であり、キャリア濃度が１.５×１０^１８ｃｍ^−３、２.０×１０^１８ｃｍ^−３、２.５×１０^１８
ｃｍ^−３の３種類のＨＥＭＴを作製した。これら比較例のＨＥＭＴに対しても、同様に閾値電圧とシート抵抗を測定した。図３に、実施例及び比較例のＨＥＭＴの測定結果を示す。なお、図３に示す３種類の比較例のＨＥＭＴは、キャリア濃度１.５×１０^１８ｃｍ⁻
^３、２.０×１０^１８ｃｍ^−３、２.５×１０^１８ｃｍ^−３の順に閾値電圧Ｖthが低くなっている。
図３に示すように、本実施例のＨＥＭＴは、比較例のＨＥＭＴに比べ、同じ閾値電圧Ｖthの時にシート抵抗ρｓが低くなることが確かめられた。

本発明の実施形態及び実施例におけるＤ−ＨＥＭＴの層構造を示す縦断面図である。本発明の実施例に係るＤ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの構成を説明する図である。実施例及び比較例のＤ−ＨＥＭＴの特性を示すグラフである。従来のＤ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの層構造を示す縦断面図である。

符号の説明

１基板
２バッフア層
３キャリア供給層
４スペーサ層
５チャネル層
６スペーサ層
７キャリア供給層
８ショットキー層
９、９ａ、９ｂコンタクト層
１０ゲート電極
１１ドレイン電極
１２ソース電極

Claims

基板上に、バッファ層、キャリア供給層、第１スペーサ層、チャネル層、第２スペーサ層、キャリア供給層、ショットキー層、コンタクト層が積層されたIII−Ｖ族化合物半導体エピタキシャルウェハにおいて、
前記バッファ層は、膜厚が１０００ｎｍのｉ−Ａｌ _0.25 ＧａＡｓからなり、
前記第１スペーサ層は、膜厚が５ｎｍのｉ−Ａｌ _0.40 ＧａＡｓからなり、
前記チャネル層は、膜厚が１０ｎｍのｉ−Ｉｎ _0.30 ＧａＡｓからなり、
前記第２スペーサ層は、膜厚が５ｎｍのｉ−Ａｌ _0.40 ＧａＡｓからなり、
前記ショットキー層は、膜厚が３０ｎｍのｉ−Ａｌ _0.25 ＧａＡｓからなり、
前記コンタクト層は、膜厚が１５０ｎｍのｎ−ＧａＡｓからなり、
前記基板側の下側の前記キャリア供給層は、キャリア濃度１×１０ ¹² ｃｍ ^-2 のδドープ層であり、
上側の前記キャリア供給層は、キャリア濃度３×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 の均一ドープ層であって、かつ、膜厚１５ｎｍのｎ−Ａｌ０．２０ＧａＡｓからなることを特徴とするIII−Ｖ族化合物半導体エピタキシャルウェハ。