JPH04214638A

JPH04214638A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH04214638A
Application number: JP40162890A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Nakajima; 中島　成; Hideki Hayashi; 秀樹林
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1990-12-12
Filing date: 1990-12-12
Publication date: 1992-08-05

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩｎＧａＡｓから成る
異種（ヘテロ）接合を使用する電界効果トランジスタ（
ＦＥＴ）等の半導体装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのヘテロ
接合を利用したＧａＡｓ系の高電子移動度トランジスタ
（ＨＥＭＴ）が存在するが、ＩｎＧａＡｓから成るヘテ
ロ接合を利用したＨＥＭＴも検討されている。ＩｎＧａ
ＡｓはＧａＡｓよりも電子移動度や飽和電子速度が高い
。従って、このＩｎＧａＡｓを用いて形成されたＦＥＴ
は、高速，高周波デバイスに適している。ＩｎＧａＡｓ
系のＨＥＭＴとしては、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓやＡｌＩ
ｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓのヘテロ接合を利用したものが実
現されている。

【０００３】第４図はこのＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓ
のヘテロ接合を利用したＨＥＭＴの構造を示している。ＩｎＰ半導体基板１上には、バッファ層であるＡｌＩｎ
Ａｓ層２および活性層であるＩｎＧａＡｓ層３が形成さ
れている。さらに、ＩｎＧａＡｓ層３上には、アンドー
プのＡｌＩｎＡｓ層４が形成され、ＡｌＩｎＡｓ層４上
にはｎ＋　型のＡｌＩｎＡｓ層５およびｎ＋　型のＩｎ
ＧａＡｓ層６が形成されている。そして、ゲート電極７
がＡｌＩｎＡｓ層５上に形成され、ドレイン電極８およ
びソース電極９がＩｎＧａＡｓ層６上に形成されている
。

【０００４】ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓのヘテロ接合を利用
したＩｎＧａＡｓ系のＨＥＭＴ構造も、基本的に上記の
ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓのヘテロ接合を使用したＨ
ＥＭＴと同様であり、第４図におけるＡｌＩｎＡｓ層を
ＩｎＰ層に置き換えたものになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓのヘテロ接合を利用したＨＥ
ＭＴにおいては電子供給層がＩｎＰ材料によって形成さ
れているため、良好なショットキ特性を有するゲート電
極を形成することが困難であった。これは、ＩｎＰを素
材とするショットキ接合は従来良好な接合状態で形成す
ることが難しいからである。また、ＩｎＰとＩｎＧａＡ
ｓとのヘテロ接合部に形成される伝導帯不連続量は０．
２ｅＶと小さい。このため、この伝導帯不連続量の大き
さに比例して蓄積される２次元電子ガスの濃度に制限が
生じ、十分なドレイン電流を確保することが出来なかっ
た。

【０００６】また、上記従来の第４図に示されるＡｌＩ
ｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓのヘテロ接合を利用したＨＥＭＴ
においては、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓのヘテロ接合
界面に生じる伝導帯不連続量は０．５５ｅＶと大きく、
２次元電子ガスの濃度は十分にとれる。しかし、電子供
給層になるＡｌＩｎＡｓ層とゲート電極との間に形成さ
れるショットキ障壁が０．４ｅＶと低い。このため、ゲ
ートリーク電流は大きく、また、ゲート耐圧は低下して
いた。この結果、このヘテロ接合を利用したデバイスの
出力容量は低下し、高出力用デバイスに適さないものに
なっていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような課題
を解消するためになされたもので、組成比ｘが０．６５
以上０．８５以下で構成される（ＡｌＡｓ）ｘ（ＧａＳ
ｂ）１−ｘ　と、組成比ｙが０．４以上０．６５以下で
構成されるＩｎｙ　Ｇａ１−ｙ　Ａｓとのヘテロ接合を
備えて半導体装置を形成したものである。

【０００８】

【作用】ＡｌＡｓの格子定数は５．６５オングストロー
ム，ＧａＳｂの格子定数は６．１０オングストロームで
ある。従って、ＡｌＡｓの組成比ｘを０．６５以上０．
８５以下の範囲内で（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−
ｘ　を構成することにより、（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳ
ｂ）１−ｘ　はＩｎの組成比が０．３以上０．６５以下
で格子定数が５．８０〜５．９５オングストロームのＩ
ｎｙ　Ｇａ１−ｙ　Ａｓに格子整合し、良好な接合状態
のヘテロ接合が形成される。

【０００９】また、この範囲内でのある組成比における
（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘ　のエネルギバン
ド図は図１（ａ）に示される。伝導帯の底のエネルギ準
位Ｅｃ　と価電子帯の頂上のエネルギ準位Ｅｖ　との差
に相当するエネルギギャップＥｇ　は例えば１．６０ｅ
Ｖになり、伝導帯の底のエネルギ準位Ｅｃ　にある電子
を真空準位Ｅ０　に取り出す電子親和力χ１　は例えば
約３．８ｅＶと推定される。また、ＩｎｙＧａ１−ｙ　
Ａｓのエネルギバンド図は同図（ｂ）に示され、エネル
ギギャップＥｇは例えばｙ＝０．５３の時０．７３ｅＶ
、電子親和力χ２　は約４．６ｅＶになっている。従っ
て、これら（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘとＩｎ
ｙ　Ｇａ１−ｙ　Ａｓとのヘテロ接合部における伝導帯
には、同図（ｃ）に示されるように、両者の電子親和力
の差（χ２　−χ１　）に相当する、大きさΔＥｃ　が
例えば約０．８ｅＶのエネルギスパイクが生じる。

【００１０】また、このヘテロ接合をＦＥＴに適用した
場合には、（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘ　に形
成されるショットキ障壁の高さは高くなり、良好な特性
を有するショットキ接合が形成される。

【００１１】

【実施例】次に本発明によるヘテロ接合をＨＥＭＴに適
用した場合の一実施例について説明する。

【００１２】図２はこの一実施例によるＩｎＧａＡｓ系
のＨＥＭＴの構造を示す断面図であり、以下の各製造工
程を経ることにより完成される。

【００１３】まず、ＭＢＥ（分子線エピタキシ）法など
の結晶成長技術により、半絶縁性のＩｎＰ半導体基板１
１上にバッファ層１２，チャネル層１３および電子供給
層１４を順次形成する。バッファ層１２の材質はアンド
ープのＡ　　０．４８Ｉｎ０．５２Ａｓであり、その厚
さは約１μｍである。チャネル層１３の材質はＩｎの組
成比ｙが０．３以上０．６５以下に構成されたアンドー
プのＩｎｙ　Ｇａ１−ｙ　Ａｓであり、その厚さは１０
００オングストロームである。また、電子供給層１４の
材質は、ＧａＡｓの組成比ｘが０．６５以上０．８５以
下に構成された（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘ　
であり、この（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘ　に
は濃度が１×１０１８個／ｃｍ３　のドナー不純物が添
加されている。この組成比において、ｎ−（ＡｌＡｓ）
ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘ　からなる電子供給層１４はア
ンドープＩｎｙ　Ｇａ１−ｙ　Ａｓからなるチャネル層
１３と良好な格子整合を形成している。また、電子供給
層１４の厚さは５００オングストロームである。

【００１４】次に、通常のフォトリソグラフィ技術を使
用し、素子間分離のためのマスクパターンを電子供給層
１４上に形成する。そして、このパターンを利用したメ
サエッチングにより、各素子間を電気的に分離し、その
後、形成したマスクパターンを除去する。引き続いて露
出した電子供給層１４上にＡｕＧｅ／Ｎｉなどの金属を
蒸着し、フォトリソグラフィ技術により蒸着した金属を
選択的に除去する。そして、合金化処理を施して金属と
電子供給層１４とのオーミック接触を取り、ソース電極
１５およびドレイン電極１６を形成する。

【００１５】最後に、フォトリソグラフィ技術によりマ
スクパターンを形成し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ金属などを選
択的に形成する。そして、この金属と電子供給層１４と
のショットキ接触を取り、ゲート電極１７を形成する。この結果、図２に示される構造のＨＥＭＴが完成する。

【００１６】本実施例によるＨＥＭＴのヘテロ接合の界
面、つまり、ｎ−（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘ
　からなる電子供給層１４とアンドープのＩｎＧａＡｓ
からなるチャネル層１３との界面近傍のチャネル層１３
には点線で示される２次元電子ガスが生成される。この
２次元電子ガスは、ゲート電極１７領域の図３に示され
るエネルギバンド図において次のように表される。同図
の左側はゲート電極１７（ゲート金属）、中央は電子供
給層１４（ｎ−（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘ）
、右側はチャネル層１３（アンドープＩｎｙ　Ｇａ１−
ｙ　Ａｓ）の領域に対応しており、伝導帯の底のエネル
ギ準位Ｅｃ　が実線、フェルミ準位ＥＦ　が点線で示さ
れている。

【００１７】電子供給層１４とチャネル層１３との接合
部には、前述した図１に示される大きさΔＥｃ　が約８
００ｍｅＶのエネルギスパイクが現れる。電子供給層１
４に添加されたドナー不純物から放出された電子はこの
スパイク部に図示の斜線のように蓄積し、２次元電子ガ
スが生成される。この２次元電子ガス濃度はゲート電極
１７への印加電圧によって調整される。

【００１８】本実施例における（ＡｌＡｓ）ｘ　（Ｇａ
Ｓｂ）１−ｘ　／Ｉｎｙ　Ｇａ１−ｙ　Ａｓのヘテロ接
合界面におけるΔＥｃ　は約８００ｍｅＶと大きくなり
、従来の材料系によるＨＥＭＴに比較して２次元電子ガ
ス濃度を高くすることができる。このため、電流駆動能
力に優れた高出力の高周波回路素子を実現することが可
能になる。また、（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘ
　からなる電子供給層１４とゲート電極１７との間に形
成されるショットキ障壁の高さは約０．７ｅＶと高くな
る。このため、ゲートリーク電流は減少し、また、ゲー
ト耐圧は高くなる。この結果、従来の材料系によるＨＥＭＴに比較して良好
なショットキ特性が得られる。

【００１９】なお、上記実施例は本発明によるヘテロ接
合をＨＥＭＴに適用した場合について説明したが、これ
に限定されるものではなく、例えば、ヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタ（ＨＢＴ）に適用しても良く、上記実
施例と同様な効果を奏する。この場合のＨＢＴは、エミ
ッタに（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘ　（０．６
５≦ｘ≦０．８５），ベースにｐ−Ｉｎｙ　Ｇａ１−ｙ
　Ａｓ（０．３≦ｙ≦０．６５），コレクタにｎ−Ｉｎ
ｙ　Ｇａ１−ｙ　Ａｓ（０．３≦ｙ≦０．６５）を使用
して形成する。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明による（Ａｌ
Ａｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘ　（０．６５≦ｘ≦０．
８５）とＩｎｙ　Ｇａ１−ｙ　Ａｓ（０．３≦ｙ≦０．
６５）とのヘテロ接合においては伝導帯不連続量の大き
さΔＥｃ　が大きくなり、このヘテロ接合をＦＥＴに適
用した場合には、２次元電子ガス濃度を大きくとること
が出来る。しかも、良好なショットキ特性が形成され、
ゲート電極に十分な電圧を印加することが可能になる。さらに、ＩｎＧａＡｓの有する高い電子移動度および飽
和電子速度といった特性が半導体装置に生かされ、高周
波特性の優れた高出力の素子を提供することが可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるヘテロ接合のエネルギバンド構造
を示す図である。

【図２】本発明の一実施例によるＨＥＭＴの構造を示す
断面図である。

【図３】図２に示されたＨＥＭＴのゲート領域における
エネルギバンド構造を示す図である。

【図４】従来のＨＥＭＴの構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１１…半絶縁性基板（ＩｎＰ）１２…バッファ層（アンドープＡ　　０．４８Ｉｎ０．
５２Ａｓ）１３…チャネル層（アンドープＩｎｙ　Ｇａ
１−ｙ　Ａｓ）１４…電子供給層（ｎ−（ＡｌＡｓ）ｘ
　（ＧａＳｂ）１−ｘ　）１５…ソース電極１６…ドレイン電極１７…ゲート電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　組成比ｘが０．６５以上０．８５以下
で構成される（ＡｌＡｓ）ｘ　（ＧａＳｂ）１−ｘ　と
、組成比ｙが０．３以上０．６５以下で構成されるＩｎ
ｙ　Ｇａ１−ｙ　Ａｓとの異種接合を備えて形成される
ことを特徴とする半導体装置。