JPH08293505A - 化合物半導体装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
ヘテロ接合界面におけるキャリアの枯渇を低減し、積層
方向の直列抵抗を低減する。 【構成】 一導電型Alx Iny Ga1-x-y P層4とそ
の上に設けたAsを含む一導電型III-V族化合物半導体
層6との界面に、拡散係数の小さな一導電型の導電型決
定不純物のプレーナドーピング層5を設ける。
Description
の製造方法に関するものであり、特に、キャップ層界面
における高抵抗層の発生を防止したヘテロ接合バイポー
ラトランジスタ(HBT)或いは高電子移動度トランジ
スタ(HEMT)等の化合物半導体装置及びその製造方
法に関するものである。
通信システムの高性能化の要求に伴い、HBT或いはH
EMT等の化合物半導体を用いた高速論理素子或いは高
速パワー素子の改良が進んでいる。
/ベース接合がAlGaAs/GaAsヘテロ接合によ
り構成されるのが一般的であったが、最近は、デバイス
特性向上或いは信頼性向上の観点からエミッタ層をAl
GaAs層からInGaP層に置き換えることが検討さ
れ、一部においては作製されている。
GaAs層をエミッタ層として用いた場合には、AlG
aAs層に深い準位に起因する多くの非発光性再結合中
心が形成され、この非発光性再結合中心を介してHBT
の劣化が進行するためであり、Alを含まないInGa
P層をエミッタ層として用いることによって劣化の問題
を解決しようとするものである。
用いたHBTを図5を参照して説明する。 図5参照 まず、MOVPE法(有機金属気相成長法)を用いて、
半絶縁性GaAs基板10上に、n型GaAsサブコレ
クタ層11、GaAsコレクタ層12、p型GaAsベ
ース層13、Siドープn型InGaPエミッタ層1
4、及び、Siドープn型GaAsキャップ層16を連
続して成長させる。
GaAsベース層13及びn型GaAsサブコレクタ層
11の一部を露出させると共に、エミッタ電極17、ベ
ース電極18、及び、コレクタ電極19を形成してnp
n型HBTが完成する。このような構成にすることによ
って、劣化の少ないHBTを得ることができる。
るInGaP層をキャリア供給層としたHEMTについ
て説明する。 図6参照 まず、MOVPE法を用いて、半絶縁性GaAs基板2
1上に、i型GaAsバッファ層22、i型GaAs電
子走行層23、i型InGaPスペーサ層24、n型I
nGaP電子供給層25、n型GaAsキャップ層27
を連続して成長させる。
プ層27を除去して、露出したn型InGaP電子供給
層25上にAlゲート電極28を設けると共に、残存す
るn型GaAsキャップ層27にソース・ドレイン電極
29を形成してnチャネル型HEMTが完成する。
やHEMTのように、InGaP層上にキャップ層とし
てGaAs層等のAsを含むIII-V族化合物半導体層を
連続して結晶成長させた場合に、成長界面であるヘテロ
接合界面において構成元素が互いに交じり合い、キャリ
アが著しく枯渇して高抵抗層(図5の20、及び、図6
の30)が形成され、エミッタ抵抗或いはソース・ドレ
イン抵抗が高くなって高周波特性等の素子特性が低下す
る問題が生ずる。
互いに混じり合うヘテロ接合界面におけるトラップの発
生、不純物の取り込まれ率の低下、或いは、不純物の活
性化率の低下等の複合要因によって生ずるものと考えら
れている。
電極17の大きさを2×5μm2 として、オープンコレ
クタでエミッタ抵抗を測定した場合、35−40Ωと高
くなり、また、高周波特性のfT 及びfmax は夫々20
GHz及び50GHzとなり、所期の特性が得られな
い。
1-x-y P層(InGaP層)4とAsを含むIII-V族化
合物半導体層とのヘテロ接合界面におけるキャリアの枯
渇を低減して、積層方向の直列抵抗を低減することを目
的とする。
成の説明図であり、この図1を参照して課題を解決する
ための手段を説明する。なお、図1(a)はHBTの断
面図であり、また、図1(b)は図1(a)に示したH
BTのエミッタ層4及びキャップ層6の形成工程におけ
る原料切り換えシーケンスを示す図である。
Alx Iny Ga1-x- y P層4とその上に設けたAsを
含む一導電型III-V族化合物半導体層6との界面に、拡
散係数の小さな一導電型の導電型決定不純物のプレーナ
ドーピング層5を設けたことを特徴とする。
て、一導電型Alx Iny Ga1-x- y P層4はx=0の
n型InGaPであり、且つ、拡散係数の小さな一導電
型の導電型決定不純物がSiであることを特徴とする。
(2)において、Asを含む一導電型III-V族化合物半
導体層6が、一導電型GaAs層、一導電型AlGaA
s層、及び、一導電型GaAs/AlGaAsヘテロ接
合複合層の内のいずれかであることを特徴とする。
(3)のいずれかにおいて、一導電型Alx Iny Ga
1-x-y P層4がエミッタ層であり、且つ、Asを含む一
導電型III-V族化合物半導体層6がキャップ層であるヘ
テロ接合バイポーラトランジスタであることを特徴とす
る。
(3)のいずれかにおいて、一導電型Alx Iny Ga
1-x-y P層がキャリア供給層であり、且つ、Asを含む
一導電型III-V族化合物半導体層がキャップ層である高
電子移動度トランジスタであることを特徴とする。
の製造方法において、一導電型Al x Iny Ga1-x-y
P層4上にAsを含む一導電型III-V族化合物半導体層
6を成長させる際に、一導電型Alx Iny Ga1-x-y
P層4の成長終端面に拡散係数の小さな一導電型の導電
型決定不純物をリン雰囲気化でプレーナドーピングし、
その後Asを含む一導電型III-V族化合物半導体層をエ
ピタキシャル成長させることを特徴とする。
て、一導電型Alx Iny Ga1-x- y P層4はx=0の
n型InGaPであり、且つ、拡散係数の小さな一導電
型の導電型決定不純物がSiであることを特徴とする。
て、Siの供給源がSiH4 またはSi2 H6 のいずれ
かであることを特徴とする。
(8)のいずれかにおいて、エピタキシャル成長を有機
金属気相成長法によって行うことを特徴とする。
(9)のいずれかにおいて、リンの供給源がPH3 また
はターシャリブチルフォスフィンのいずれかであること
を特徴とする。
上に設けたAsを含む一導電型III-V族化合物半導体層
6との接合界面に、拡散係数の小さな一導電型の導電型
決定不純物を用いたプレーナドーピング層5を設けたこ
とによって、プレーナドーピング層5の不純物が必要以
上に拡散することがないのでヘテロ接合界面におけるキ
ャリアの枯渇を補償することができる。
図2はキャリア濃度が4×1017cm-3のn型InGa
P層上に、キャリア層濃度が4×1017cm-3で300
nm(0.3μm)のGaAs層を成長させる際に、S
iプレーナドーピング層15を設けない場合(図の)
及び設けた場合(図の)のキャリア濃度分布を示すも
のである。
線で示すように表面から約0.3μmの深さにあるn
型GaAsキャップ層16/n型InGaPエミッタ層
14のヘテロ接合界面においてキャリア濃度が4×10
17cm-3程度に低下して、高抵抗層が形成されており、
積層方向の抵抗率は4×10-6Ωcm2であった。
ーピング層15を設けた場合には、n型GaAsキャッ
プ層16/n型InGaPエミッタ層14のヘテロ接合
界面において顕著なキャリアの枯渇は見られず、積層方
向の抵抗率は9×10-7Ωcm2 で、Siプレーナドー
ピング層15を設けない場合に比べて1/5程度に低減
している。
層4をx=0のn型InGaPとすることによって、G
aAsに対して格子整合し、且つ、結晶性の良好な広禁
制帯幅の半導体層を実現することができ、また、拡散係
数の小さな一導電型の導電型決定不純物としてSiを用
いることによってヘテロ接合界面における電子の枯渇を
補償することができる。
半導体層6が、一導電型GaAs層または一導電型Al
GaAs層を用いることによって、Alx Iny Ga
1-x-yP層と格子整合し、且つ、結晶性が良好なキャッ
プ層を得ることができ、また、一導電型GaAs/Al
GaAsヘテロ接合複合層を用いることによって複合層
を構成するGaAsまたはAlGaAsの一方をエッチ
ング停止層として用いることができるので、コンタクト
部近傍の加工精度を高めることができる。
(HBT)のエミッタ層を一導電型Alx Iny Ga
1-x-y P層4とし、且つ、キャップ層をAsを含む一導
電型III-V族化合物半導体層6とすることによって、H
BTのエミッタ抵抗を低減でき、それによって高周波特
性を改善することができる。
T)のキャリア供給層を一導電型Alx Iny Ga
1-x-y P層(図4の25)とし、且つ、キャップ層をA
sを含む一導電型III-V族化合物半導体層(図4の2
7)とすることによって、HEMTのソース・ドレイン
間抵抗を低減でき、それによって伝達コンダクタンス等
の素子特性を改善することができる。
層4上にAsを含む一導電型III-V族化合物半導体層6
を成長させる際に、一導電型Alx Iny Ga1-x-y P
層4の成長終端面に拡散係数の小さな一導電型の導電型
決定不純物をリン雰囲気下でプレーナドーピングするこ
とによって、ヘテロ接合界面におけるキャリアの枯渇を
再現性良く補償することができる。なお、リン雰囲気は
一導電型Alx Iny Ga1-x-y P層中のPの解離を防
止するために用いるものである。
層4をx=0のn型InGaPとすることによって、G
aAsに対して格子整合し、且つ、結晶性の良好な広禁
制帯幅の半導体層を実現することができ、また、拡散係
数の小さな一導電型の導電型決定不純物としてSiを用
いることによってヘテロ接合界面における電子の枯渇を
再現性良く補償することができる。
た場合には、SiH4 はシリコンプロセスにおいて常用
されているので取扱が容易になり、また、Si源として
Si 2 H6 を用いた場合には、SiH4 に比べて分解し
やすく且つ1分子中に2つのSiを有しているので、S
iを高濃度にドープすることが容易になる。
成長法(MOVPE法)によって行うことによって、高
品位の結晶を膜厚の制御性良く、且つ、高い生産性で製
造することができる。
場合には、PH3 はシリコンプロセスにおいて常用され
ているので取扱が容易になり、また、リンの供給源とし
てターシャリブチルフォスフィンを用いた場合には、P
H3 を使用する場合に比べて安全性が高まる。
明する。なお、図3(a)は本発明の第1の実施例のn
pn型HBTの断面図を示すものであり、また、図3
(b)はエミッタ層及びキャップ層の成長工程における
原料ガスの供給切り換えシーケンスを示す図である。
て、半絶縁性GaAs基板10上に、成長室の圧力が
0.1気圧とし、基板温度を650℃とした状態で、ト
リメチルガリウム(TMGa)を26sccm、AsH
3 を70sccm(水素希釈で370sccm)、不純
物源としてのSi2 H6 を150sccm流して不純物
濃度が4×1018cm-3で厚さが500nmのn型Ga
Asサブコレクタ層11を成長させたのち、Si2 H6
の供給を停止して厚さが500nmのノンドープのGa
Asコレクタ層12を成長させ、次いで、不純物源をS
i2H6 から四臭化炭素(CBr4 )に切替え、80s
ccm流した状態で不純物濃度が4×1019cm-3で厚
さが100nmのp型GaAsベース層13を成長させ
る。
ようにすると共に、トリメチルインジウム(TMIn)
を200sccm、トリエチルガリウム(TEGa)を
80sccm、PH3 を200sccm、不純物源とし
てのSi2 H6 を2sccm流して不純物濃度が4×1
017cm-3で厚さが50nmのSiドープn型InGa
Pエミッタ層14を形成する。
止すると共に、PH3 を100sccm、不純物源とし
てのSi2 H6 を5sccm、1分間流すことによって
Siプレーナドーピング層15を形成する。
成長室の圧力が0.1気圧となるようにすると共に、ト
リメチルガリウム(TMGa)を26sccm、AsH
3 を70sccm、不純物源としてのSi2 H6 を1
6.7sccm流して不純物濃度が4×1017cm-3で
厚さが300nmのSiドープn型GaAsキャップ層
16を連続して成長させる。
GaAsベース層13及びn型GaAsサブコレクタ層
11の一部を露出させると共に、エミッタ電極17、ベ
ース電極18、及び、コレクタ電極19を形成してnp
n型HBTが完成する。なお、電極材料としては、Ti
/AuGe/Au、Ti/Pt/Au等を用いる。
たHBTにおいて、エミッタ電極17の大きさを2×5
μm2 として、オープンコレクタでエミッタ抵抗を測定
した場合、9−11Ωで従来のHBTのエミッタ抵抗の
1/4程度となり、また、高周波特性のfT 及びfmax
も夫々50GHz及び90GHzで従来のHBTの2倍
程度の特性が得られる。
施例を説明する。なお、図4は本発明の第2の実施例の
nチャネル型HEMTの断面図を示すものである。
1上に、成長室の圧力が0.1気圧となるようにすると
共に、TMGaを26sccm、AsH3 を70scc
m流して厚さが1μmのi型GaAsバッファ層22及
び厚さが500nmのi型GaAs電子走行層23を順
次成長させる。
ようにすると共に、TMInを200sccm、TEG
aを80sccm、PH3 を200sccm流して厚さ
が2nmのi型InGaPスペーサ層24を成長させた
のち、不純物源としてのSi 2 H6 を4sccm導入し
て不純物濃度が1×1018cm-3で厚さが50nmのn
型InGaP電子供給層25を成長させる。
止すると共に、PH3 を100sccm、不純物源とし
てのSi2 H6 を5sccm、1分間流すことによって
Siプレーナドーピング層26を形成する。
び、成長室の圧力が0.1気圧となるようにすると共
に、TMGaを26sccm、AsH3 を70scc
m、不純物源としてのSi2 H6 を30sccm流して
不純物濃度が1×1018cm-3で厚さが50nmのSi
ドープn型GaAsキャップ層27を連続して成長させ
る。
プ層27を除去して、露出したn型InGaP電子供給
層25上にAlゲート電極28を設けると共に、残存す
るn型GaAsキャップ層27にAuGe/Auからな
るソース・ドレイン電極29を形成してnチャネル型H
EMTが完成する。このような、InGaP/GaAs
系HEMTにおいては、ソース・ドレイン間の抵抗が低
減され、伝達コンダクタンス等のFET特性が改善され
る。
走行層としてi型GaAsを用いているが、i型InG
aAsを用いても良いものであり、その場合には、In
GaAsの混晶比に応じて、InGaPスペーサ層24
及びInGaP電子供給層の混晶比をInGaAs電子
供給層と略格子整合するように変えることが望ましい。
は、キャップ層としてGaAsを用いているが、GaA
sの代わりにInGaPより禁制帯幅の小さなAlGa
As、或いは、GaAs/AlGaAsヘテロ接合複合
層を用いても良く、GaAs/AlGaAsヘテロ接合
複合層を用いた場合には、GaAsとAlGaAsのエ
ッチング特性の差を利用した選択エッチングが可能とな
り、エミッタメサ形成工程等のキャップ層近傍の加工が
容易になる。
は、エミッタ層或いは電子供給層等の広禁制帯幅層とし
てInGaPを用いているが、純粋なInGaPに限ら
れるのではなく、Alx Iny Ga1-x-y Pを用いても
良い。
は、プレーナドーピングする際に、Si2 H6 を5sc
cm、1分間流しているが、この数値に限定されるもの
ではなく、流量としては1.0〜10.0sccmの範
囲が好適であり、さらに、供給時間は30秒〜120秒
の範囲が好適である。
は、プレーナドーピングする際に、不純物として同じS
i2 H6 を用いる場合にも、異なったSi2 H6 源を用
いているが、これは短時間に供給量を大幅に異なるよう
にして急峻なプロファイルを再現性良く形成するためで
あり、不純物の供給量を制御性良く変化させることがで
きる場合には異なったSi2 H6 源を用いる必要はな
い。
は、Si源として分解しやすいSi 2 H6 を用いている
が、Si2 H6 の代わりにSiH4 を用いても良いもの
であり、SiH4 はシリコンプロセスにおいて常用され
ていているので取扱が容易になるが、Si2 H6 を用い
る場合と同じ成長温度で同じ濃度だけドープするために
は流すSiH4 の量をSi2 H6 の場合よりも多くする
必要がある。
は、npn型HBT或いはnチャネル型HEMTである
ため、Siプレーナドーピング層15,26を設けてい
るが、pnp型HBT或いはpチャネル型HEMTの場
合には、p型不純物として拡散係数の小さなC(炭素)
を用いたCプレーナドーピング層を設ければ良い。
は、リンの供給源としてPH3 を用いているが、PH3
の代わりにPH3 よりも安全なターシャリブチルフォス
フィンを用いても良く、また、As源としてAsH3 を
用いているが、AsH3 の代わりにターシャリブチルア
ルシンを用いても良い。
は、GaAsの成長工程においてGa源としてトリメチ
ルガリウム(TMGa)を用いているが、トリエチルガ
リウム(TEGa)を用いても全く問題が生じないもの
であり、また、InGaPの成長工程においてはGa源
として残留不純物が少なく高品位の結晶が得られるトリ
エチルガリウム(TEGa)を用いているが、場合によ
ってはトリメチルガリウム(TMGa)を用いても良
い。
T及びHEMTであるが、本発明はこのようなデバイス
に限られるものではなく、InGaP層をクラッド層と
して用い、且つ、GaAs層或いはInGaAs層をキ
ャップ層として用いた1μm帯の半導体発光装置(LE
D)或いは半導体レーザ(LD)も対象とするものであ
る。
に設けるGaAsキャップ層とのヘテロ接合界面にプレ
ーナドーピング層を設けることにより高抵抗層の形成を
防止することができ、HBTにおいてはエミッタ抵抗を
低減して高周波特性を向上することができ、また、HE
MTにおいてはソース・ドレイン間の抵抗を低減して伝
達コンダクタンスを向上することができる。
Claims (10)
- 【請求項1】 一導電型Alx Iny Ga1-x-y P層と
その上に設けたAsを含む一導電型III-V族化合物半導
体層との界面に、拡散係数の小さな一導電型の導電型決
定不純物のプレーナドーピング層を設けたことを特徴と
する化合物半導体装置。 - 【請求項2】 上記一導電型Alx Iny Ga1-x-y P
層がx=0のn型InGaPであり、且つ、上記拡散係
数の小さな一導電型の導電型決定不純物がSiであるこ
とを特徴とする請求項1記載の化合物半導体装置。 - 【請求項3】 上記Asを含む一導電型III-V族化合物
半導体層が、一導電型GaAs層、一導電型AlGaA
s層、及び、一導電型GaAs/AlGaAsヘテロ接
合複合層のいずれかであることを特徴とする請求項1ま
たは2に記載の化合物半導体装置。 - 【請求項4】 上記化合物半導体装置がヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタであり、上記一導電型Alx Iny
Ga1-x-y P層が前記ヘテロ接合バイポーラトランジス
タのエミッタ層であり、且つ、上記Asを含む一導電型
III-V族化合物半導体層がキャップ層であることを特徴
とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の化合物半
導体装置。 - 【請求項5】 上記化合物半導体装置が高電子移動度ト
ランジスタであり、上記一導電型Alx Iny Ga
1-x-y P層が前記高電子移動度トランジスタのキャリア
供給層であり、且つ、上記Asを含む一導電型III-V族
化合物半導体層がキャップ層であることを特徴とする請
求項1乃至3のいずれか1項に記載の化合物半導体装
置。 - 【請求項6】 一導電型Alx Iny Ga1-x-y P層上
にAsを含む一導電型III-V族化合物半導体層を成長さ
せる際に、前記一導電型Alx Iny Ga1- x-y P層の
成長終端面に拡散係数の小さな一導電型の導電型決定不
純物をリン雰囲気化でプレーナドーピングし、その後、
前記Asを含む一導電型III-V族化合物半導体層をエピ
タキシャル成長させることを特徴とする化合物半導体装
置の製造方法。 - 【請求項7】 上記一導電型Alx Iny Ga1-x-y P
層がx=0のn型InGaPであり、且つ、上記拡散係
数の小さな一導電型の導電型決定不純物がSiであるこ
とを特徴とする請求項6記載の化合物半導体装置の製造
方法。 - 【請求項8】 上記Siの供給源がSiH4 またはSi
2 H6 のいずれかであることを特徴とする請求項7記載
の化合物半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】 上記エピタキシャル成長を有機金属気相
成長法によって行うことを特徴とする請求項6乃至8の
いずれか1項に記載の化合物半導体装置の製造方法。 - 【請求項10】 上記リンの供給源がPH3 またはター
シャリブチルフォスフィンのいずれかであることを特徴
とする請求項6乃至9のいずれか1項に記載の化合物半
導体装置の製造方法。
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