JPH02202029A - 化合物半導体装置 - Google Patents

化合物半導体装置

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JPH02202029A
JPH02202029A JP1022095A JP2209589A JPH02202029A JP H02202029 A JPH02202029 A JP H02202029A JP 1022095 A JP1022095 A JP 1022095A JP 2209589 A JP2209589 A JP 2209589A JP H02202029 A JPH02202029 A JP H02202029A
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ingaas
semiconductor device
compound semiconductor
composition
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Masamichi Ogawa
小川 正道
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    • H01L29/7783Field effect transistors with two-dimensional charge carrier gas channel, e.g. HEMT ; with two-dimensional charge-carrier layer formed at a heterojunction interface with confinement of carriers by at least two heterojunctions, e.g. DHHEMT, quantum well HEMT, DHMODFET using III-V semiconductor material

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、化合物半導体装置に関し、特に、2次元電子
ガスを用いた化合物半導体装置に関するものである。
〔発明の概要〕
本発明は、チャネル層と電子供給層とを有する2次元電
子ガスを用いた化合物半導体装置において、上記チャネ
ル層と上記電子供給層との界面の近傍の上記チャネル層
をグレーディッド層とすることによって、特性が良好で
しかも製造が容易な化合物半導体装置を実現することが
できるようにしたものである。
〔従来の技術〕
従来、2次元電子ガス(20EG)を用いた化合物半導
体装置として、高電子移動度トランジスタ(High 
Electron Mobility Transis
tor 、 HEMT)が知られている。このHEMT
は、チャネル層と電子供給層とのへテロ界面の近傍のチ
ャネル層中に形成される2DECをチャネルとして用い
るものであり、電子供給層及びチャネル層としてそれぞ
れn型A lGaAs層及びアンドープGaAs層を用
いたn型^lGaAs / GaAs HE M Tが
最もよく知られている。
近年、このn型AlGaAs/ GaAs HE M 
Tにおいて、n型AlGaAs層とGaAs層との間に
GaAsよりも電子親和力の大きい一定組成のfnGa
As層を介在させることによりn型A lGaAs /
 GaAsヘテロ界面における伝導帯端(E、)の段差
ΔEcを大きくし、これによって2DEC密度n、の増
大を図る提案がなされている。この場合、InGaAs
の格子定数はGaAsの格子定数よりも大きいため、I
nGaAs層とGaAsjlとの間には格子のミスマツ
チが存在する。この結果、このInGaAs層には格子
歪みが生じている。このような理由により、このInG
aAs層は歪層(pseudom。
rphic層)と呼ばれている。このInGaAs層は
、その組成に応じて決まる臨界膜厚と呼ばれる値以上の
厚さにすると、このInGaAs層とGaAs層との界
面にミスフィツト転位が発生してしまうため、このミス
フィツト転位の発生を抑えるためにこのInGaAs層
の厚さは臨界膜厚以下とする必要がある。
ところで、HEMTの特性向上を図るためには、2DE
C密度n、及び電子の飽和速度V、を大きくする必要が
ある。上述のように一定組成のInGaAs層を歪層と
して用いる場合には、In組成が大きいほど2DEC密
度n3及び飽和速度V、が大きくなり有利であるが、一
方では次のような問題がある(Jpn、 J、 App
l、 Phys、 ■(1987)539)。
1 ) InMi成が大きいほど臨界膜厚が小さくなる
例えば、In組成が20%のとき臨界膜厚は200Å以
下であると言われている。
2 ) InGaAs層の厚さを臨界膜厚以下の値にし
た結果、このInGaAs層の厚さが量子効果を伴うほ
どの値(<200人)になると量子準位が大きくなるた
め、In組成を大きくしても2DEC密度n。
が大きくならない。
〔発明が解決しようとする課題〕
以上のことから、InGaAs層を歪層として用いた従
来のn型へ1GaAs/InGaAs/GaAsHEM
Tでは、2DEC密度n1を最大にしようとすると、I
nGaAs層のIn組成は15〜20%、厚さは200
〜150人に決まってしまう。このため、これらのIn
組成及び厚さの選択の自由度は小さい。また、このn型
AlGaAs/ InGaAs/GaAs HE M 
Tでは、n型AlGaAs/ InGaAsヘテロ接合
とInGaAs / GaAs ヘテロ接合とのダブル
へテロ接合により形成された量子井戸内に電子が閉じ込
められて2DECが形成されるので、このダブルへテロ
接合にアロイクラスタ等の欠陥や他の散乱体が存在した
場合には、それらの影響でHEMTの特性劣化が生じや
すい。
さらに、分子線エピタキシー(MBE)法を用いてHE
MTを製造する場合、InGaAs層の成長温度はGa
As層やAlGaAs層の成長温度よりも約100°C
程度低くする必要があるが、このためには例えばGaA
s層を成長させた後に直ちに成長温度を約100°C程
度下げてからInGaAs層の成長を行う必要がある。
ところが、成長温度を急激にしかも制御性良く変化させ
ることは簡単ではない。この成長温度の制御性が悪いと
、上述のダブルへテロ接合のへテロ界面にアロイクラス
タ等が形成されてHEMTの特性劣化が生じるおそれが
あるため、これを防止するために成長温度の制御には十
分な注意を払わなければならなかった。また、InGa
As層の厚さは上述のように200〜150人と小さい
ので、このInGaAs層を厚さの制御性良く成長させ
ることは難しい。
従って本発明の目的は、特性が良好でしかも製造が容易
な化合物半導体装置を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明は、チャネル層(2
)と電子供給層(3)とを有する2次元電子ガス(9)
を用いた化合物半導体装置において、チャネル層(2)
と電子供給層(3)との界面の近傍のチャネル層(2)
をグレーディッド層(8)としている。
ここで、グレーディッド層(graded 1ayer
)(8)とは、組成が連続的に変化している層のことを
言う。ここでは、このグレーディッド層(8)はチャネ
ル層(2)との界面ではこのチャネル層(2)と同一組
成であるが、その組成は電子供給層(3)に向かって伝
導帯端Ecが低(なるように連続的に変化している。こ
のグレーディッド層(8)が歪層を構成する。
〔作用〕
上記した手段によれば、チャネル層(2)と電子供給層
(3)との界面の近傍のチャネル層(2)をグレーディ
ッド層(8)としているので、このグレーディッド層(
8)を歪層として用いることにより、従来のように一定
組成の歪層を用いた場合に比べて歪層の臨界膜厚が大き
くなる。このため、従来の一定組成の歪層に比べて歪層
の厚さを大きくすることができる。これによって、例え
ばMBE法により歪層を成長させる場合にその厚さの制
御を容易に行うことができる。また、従来のように歪層
を成長させる場合に成長温度を急激に変える必要もなく
なる。さらに、この化合物半導体装置には、電子供給層
(3)とグレーディト層(8)との単一のへテロ接合し
か存在しないので、ダブルへテロ接合を有する上述の従
来のHEMTのようにアロイクラスタ等による影響を受
けにくく、従ってこれによる化合物半導体装置の特性劣
化も生じにくい。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。この実施例は、歪層としてInGaAs層を用
いたn型A lGaAs / InGaAs / Ga
As HE M Tに本発明を適用した実施例である。
第1図に示すように、この実施例による)IEMTにお
いては、半絶縁性GaAs基板1上にチャネル層を構成
するアンドープGaAs層2、電子供給層を構成するn
型AlGaAs層(例えば、n型A16.3 Gao、
7As層)3及びキャップ層を構成するアンドープGa
As層4が順次形成されている。このn型AlGaAs
層3の厚さは例えば700人程度である。また、アンド
ープGaAs層4上には、ショットキーゲート電極5が
形成されている。符号6.7はそれぞれソース電極及び
ドレイン電極を示す。
この実施例においては、アンドープGaAs層2とn型
AlGaAs層3との界面の近傍のアンドープGaAs
層2中にInGaAs層8が形成されている。このIn
GaAs層8の厚さは例えば500人程度である。第3
図に示すように、このInGaAs層8のIn組成は、
アンドープGaAs層2からn型AlGaAs層3に向
かって0から例えば20%まで線形に連続的に変化して
いる。また、符号9は2 DEC,を示す、この2DE
G9は、n型AlGaAs層3とInGaAs層8との
へテロ界面の近傍のInGaAs層8中に形成されてい
る。
次に、上述のように構成された本実施例によるHEMT
の製造方法の一例について説明する。
第1図に示すように、まず半絶縁性GaAs基板1上に
例えばMBE法によりアンドープGaAs層2を成長さ
せる。次に、引き続きこのアンドープGaAs層2上に
InGaAs層8を成長させる。この場合、このInG
aAs層8をグレーディッド層とするために、Inの分
子線源を構成する例えばクヌードセンセルの温度を成長
中に例えば線形に徐々に高くし、このInGaAsji
i 8が目的とする厚さになった時点でIn組成が例え
ば20%になるようにする。これによって、第3図に示
すようなIn組成分布を有するInGaAs層8が成長
される。また、アンドープGaAs層2の成長を終えた
後にこのInGaAs層8の成長を行う場合、従来のよ
うにIn組成が一定なInGaAs層を用いる場合に比
べて成長温度の下げ方はゆっくりでよい。次に、引き続
きこのInGaAs層8上にMBE法により例えばSt
ドープのn型AlGaAs層3を成長させた後、このn
型AlGaAs層3上にアンドープGaAs層4を成長
させる0次に、このアンドープGaAs層4上に例えば
蒸着法によりオーミック金属膜を形成し、このオーミッ
ク金属膜を所定形状にパターンニングした後、熱処理を
行うことにより二〇オーミック金属膜とアンドープGa
As層4、n型AlGaAs層3、InGaAs層8及
びアンドープGaAs層2とを合金化させてソース電極
6及びドレイン電極7を形成する。この後、アンドープ
GaAs層4上にショットキーゲート電極5を形成して
、目的とするHEMTを完成させる。
なお、ソース電極6及びドレイ、ン電極7とショットキ
ーゲート電極5との形成順序は逆にすることも可能であ
る。
第2図は、この実施例によるHEMTのエネルギーバン
ド構造を示す、なお、第2図において、Evは価電子帯
端を示す。第2図に示すように、このHEMTにおいて
は、n型AlGaAs層3とI nGaAs層8とのへ
テロ界面の近傍のInGaAs層8中に逆三角形状の深
い量子井戸が形成されており、この量子井戸内に20E
C;9が形成されている・この場合、InGaAs層8
はアンドープGaAs層2との界面74よ1n組成が0
%・すなわち実際に番よGaAs層であるので、このI
nGaAs層8のエネルギーバンドはアンドープGaA
s層2のエネルギーバンドと連続的につながっている。
一方、比較のために、In組成が一定のInGaAs層
を歪層として用いた従来のn型AlGaAs/ InG
aAs/GaAs HE M Tのエネルギーバンド構
造を第4図に示す。また、この場合のIn組成分布を第
5図に示す。
この実施例によれば、歪層としてのInGaAs層8を
そのIn組成がアンドープGaAs層2からn型AlG
aAsN3に向かって線形に連続的に変化するグレーデ
ィッド層としているので、第4図及び第5図に示すよう
にIn組成が一定のInGaAs層を歪層として用いた
従来のHEMTでは臨界膜厚による制約によりInGa
As層の厚さを200〜150人程度に小さくする必要
があったのに対し、この実施例の場合にはこのInGa
As層8の厚さを例えば約500人程度に大きくするこ
とができる。このため、このInGaAs層8の厚さの
制御性は従来に比べて良好である。また、アンドープG
aAs層2の成長を終えた後にこのInGaAs層8を
成長させる場合には、従来のように成長温度を急激に低
くする必要がなく、成長温度は従来に比べてゆっくりと
低くすればよい。
さらに、InGaAs層8とアンドープGaAs層2と
の接合はへテロ接合ではなくホモ接合であるので、この
実施例によるHEMTにはn型AlGaAs層3とIn
GaAs層8との単一のへテロ接合しか存在しない。
従って、従来に比べてアロイクラスタ等による影響を受
けにくくなるので、これによるHEMTの特性劣化を防
止することができる。
また、量子井戸を構成するInGaAs層8の厚さが従
来に比べて大きいので、従来に比べて2 DEG9の密
度n、の増大を図ることができる(第2図及び第4図参
照)。
以上のように、この実施例によれば、2 DEC密度密
度が高い特性が良好なHEMTを実現することができる
とともに、従来に比べて製造も容易に行うことができる
以上、本発明の実施例につき具体的に説明したが、本発
明は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明
の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施例においては、InGaAs層8の
In組成を線形に変化させているが、アンドープGaA
s層2からn型AlGaAs層3に向かってIn組成が
単調に増加するようなIn組成分布ならばどのような分
布にすることも可能である。具体的には、例えばIn組
成の分布曲線が上に凸または上に凹となるようにするこ
とが可能である。この場合、InGaAs層8の厚さは
、このIn組成の分布曲線に応じて決まってくる。In
組成の分布曲線が例えば上に凸の場合には、InGaA
s層8のエネルギーバンドの傾斜が大きくなるので、I
nGaAs層を用いないn型AlGaAs / GaA
s HE M Tに比べるとショートチャネル効果が生
じるおそれが少なくなるという利点がある。
また、上述の実施例においては、n型AlGaAs層3
との界面でのInGaAs層8のIn組成を20%とし
ているが、このIn組成は20%以外の値にすることが
可能であることは言うまでもない。さらに、アンドープ
GaAs層2、InGaAs層8、n型AlGaAs層
3及びアンドープGaAs層4の成長は、MBE法以外
の方法、例えば有機金属気相成長(MOCVD)法を用
いて行うことも可能である。
また、上述の実施例のHEMTはいわゆる順(または正
)HEMTであるが、本発明は、アンドープGaAs層
2とn型AlGaAs層3との積層順序が第1図と逆で
あるいわゆる逆HEMTに適用することも可能である。
さらに、本発明は、上述の実施例のようにn型AlGa
As/InGaAs/GaAsHEMTばかりでなく、
例えばn型InGa P / InGaAs / Ga
AsHEMTのような各種の半導体へテロ接合を用いた
HEMTに適・用することが可能である。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、チャネル層と電
子供給層との界面の近傍のチャネル層をグレーディッド
層としているので、特性が良好でしかも製造が容易な化
合物半導体装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例によるn型AlGaAs/I
nGaAs / GaAs HE M Tを示す断面図
、第2図は第1図に示すHEMTのエネルギーバンド構
造を示すエネルギーバンド図、第3図は第1図に示すH
EMTにおけるInGaAs層のIn組成分布を示すグ
ラフ、第4図はIn組成が一定のInGaAs層を歪層
として用いた従来のn型^lGaAs / InGaA
s / GaAs HE MTのエネルギーバンド構造
を示すエネルギーバンド図、第5図は第4図に示すHE
MTにおけるInGaAs層のIn!成分布を示すグラ
フである。 5ニジヨツトキーゲート電極、  6:ソース電極、7
:ドレイン電極、  8 : InGaAs層、  9
:2DEC。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 チャネル層と電子供給層とを有する2次元電子ガスを用
    いた化合物半導体装置において、 上記チャネル層と上記電子供給層との界面の近傍の上記
    チャネル層をグレーディッド層としたことを特徴とする
    化合物半導体装置。
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