JPWO2014147706A1 - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このような半導体装置では、バリア層としても機能する電子供給層にn型不純物をドーピングするため、このn型不純物がドーピングされた部分で伝導帯のエネルギーが下がり、電子供給層内にも電子が伝導するチャネルが形成されてしまう場合がある。つまり、電子走行層以外の電子供給層内でも電子が伝導してしまう、いわゆるパラレルコンダクションが起こる場合がある。
このため、例えば、AlGaNバリア層において、n型不純物をドーピングする領域のAlの組成を、ノンドーピング領域のAlの組成よりも高くすることで、n型不純物をドーピングする領域の伝導帯のエネルギーを上昇させ、n型不純物がドーピングされることによって生じる伝導帯のエネルギーの低下を補償する技術がある。これを第1の技術という。
本実施形態にかかる半導体装置は、例えば通信に用いられる超高速トランジスタの一つであるInP系高電子移動度トランジスタ(HEMT;High Electron Mobility Transistor)を備える。つまり、本半導体装置は、例えば、InP基板上に、InAlAs/InGaAs系の化合物半導体を用いた半導体積層構造を有するInP系HEMTを備える。このInP系HEMTは、例えば、ミリ波(約30〜約300GHz)やサブミリ波(約300GHz〜約3THz)の領域で動作可能なトランジスタである。なお、InAlAs/InGaAs系化合物半導体を、III−V族化合物半導体ともいう。また、InP系HEMTを、InAlAs/InGaAs系HEMTともいう。
本実施形態では、基板10は、半絶縁性InP基板(半導体基板)である。なお、基板10としては、GaAs基板やSi基板を用いることもできる。
本実施形態では、バッファ層11は、例えば、厚さが約1000nmである。なお、バッファ層11に用いる材料は、基板10に応じて異なる。
電子走行層13は、InGaAs層である。つまり、電子走行層13は、InGaAsを含む。ここでは、アンドープのInGaAs層である。例えば、i−In0.53Ga0.47As層であり、その厚さは約10nmである。なお、電子走行層13としては、InPに格子整合するIn0.53Ga0.47As層でなくても良く、圧縮歪みの加わるIn0.7Ga0.3As層等、InAs組成を0.53よりも高くしても良い。
エッチング停止層19は、InP層であり、キャップ層20に対するエッチング停止層である。ここでは、アンドープのInP層、即ち、i−InP層であり、その厚さは、約3nmである。なお、このエッチング停止層19は、InAlAs電子供給層の酸化を防ぐ保護層としての機能も有する。
なお、半導体積層構造22は、基板10の上方に少なくとも電子走行層13及び電子供給層23を含むものであれば良く、他の積層構造になっていても良い。また、半導体積層構造22を、ヘテロ構造半導体層ともいう。
ここでは、n−InGaAsキャップ層20上に、例えばTi/Pt/Auからなるソース電極31及びドレイン電極32が設けられている。また、i−InP層19上に、例えばTi/Pt/Auからなるゲート電極33が設けられている。
例えば図3に示すように、電子供給層23を、i−In0.52Al0.48Asスペーサ層14、Si−δドーピング層16、i−In0.52Al0.48Asバリア層18を順に積層させた構造を有するものとする。これを第1比較例という。なお、この場合、i−In0.52Al0.48Asスペーサ層14の厚さを約3nmとし、i−In0.52Al0.48Asバリア層18の厚さを約6nmとし、電子供給層全体の厚さを上述の実施形態のものと同じにしている。
まず、図7(A)に示すように、半絶縁性InP基板10上に、例えば分子線エピタキシー(Molecular Beam Epitaxy;MBE)法によって、バッファ層11、i−In0.52Al0.48As層12、i−InGaAs電子走行層13、電子供給層23を構成するi−In0.52Al0.48Asスペーサ層14、i−In0.4Al0.6As層15、Si−δドーピング層16、i−In0.4Al0.6As層17、i−In0.52Al0.48Asバリア層18、i−InPエッチング停止層19、n−In0.53Ga0.47Asキャップ層20を順に積層させて、半導体積層構造22を形成する。なお、結晶成長法は、MBE法に限られるものではなく、例えば、有機金属化学堆積(MOCVD;Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法を用いることも可能である。
次に、図7(C)に示すように、ソース電極31とドレイン電極32の間のn−In0.53Ga0.47Asキャップ層20上に、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition)法によって、SiO2膜21を形成する。ここでは、SiO2膜21は、厚さを約20nm程度とする。
つまり、まず、図8(A)に示すように、3層構造のレジスト膜41〜43を形成する。ここでは、ZEPレジスト(日本ゼオン製)、PMGI(Poly-dimethylglutarimide)レジスト、ZEPレジストを順に塗布して、ZEPレジスト膜41、PMGIレジスト膜42、ZEPレジスト膜43を順に積層させた3層構造のレジスト膜を形成する。
そして、n型In0.53Ga0.47Asキャップ層20を電気的に分離するために、例えばエッチング液としてクエン酸(C6H8O7)と過酸化水素水(H2O2)の混合溶液を用いてウェットエッチングを行なって、図9(B)に示すように、リセスを形成する。
したがって、本実施形態にかかる半導体装置によれば、オーミック接触抵抗の増大による遅延時間の増大に起因した特性の劣化を十分に抑制しながら、パラレルコンダクションを抑制できるという利点がある。
例えば、図12に示すように、電子供給層23を、InPスペーサ層14Z(第2部分)、InAlAs層15(第1部分;アンドーピング部)、Si−δドーピング層16(第1部分;ドーピング部)、InAlAs層17(第1部分;アンドーピング部)、InPバリア層18Z(第2部分)を順に積層させた構造を有するものとしても良い。なお、この場合、InPバリア層18Zがエッチング停止層も兼ねることになる。また、この場合、第1部分と第2部分とは異なる半導体材料を含むことになる。例えば、電子供給層23を、i−InPスペーサ層14Z、i−In0.52Al0.48As層15、Si−δドーピング層16、i−In0.52Al0.48As層17、i−InPバリア層18Zを順に積層させた構造を有するものとすれば良い。なお、ここでは、Si−δドーピング層16を挟むInAlAs層15、17(即ち、δドーピングを施すInAlAs層15、17)を、InPに格子整合するi−In0.52Al0.48As層としているが、これに限られるものではなく、Al組成を多くし(例えばi−In0.4Al0.6As層とし)、さらにδドーピング部分及びその近傍の伝導帯のエネルギー(ポテンシャル)を高くしても良い。このため、Si−δドーピング層16を挟むInAlAs層15、17(即ち、δドーピングを施すInAlAs層15、17)は、i−InxAl1−xAs(x≦0.52)層であれば良い。このように構成する場合、伝導帯バンド構造は、図13に示すようになる。なお、図13中、細い点線はフェルミ準位Efを示しており、太い点線はこの部分にSi−δドーピングが施されていることを示しており、InGaAsチャネル層中の波形は電子分布を示している。なお、その他の詳細は、上述の実施形態の場合と同じである。これを第2変形例という。このように構成される第2変形例のものでも、上述の実施形態のものと同様の効果が得られる。
例えば、AlGaAs/GaAs系HEMTに本発明を適用することもできる。例えば図14に示すように、GaAs基板10A上に、バッファ層11A、AlGaAs下部バリア層12A、GaAs電子走行層13A、AlGaAs電子供給層23A、GaAsキャップ層20Aを順に積層した半導体積層構造22Aを備えるものとすれば良い。例えば、GaAs基板10A上に、バッファ層11A、i−AlxGa1−xAs下部バリア層12A、i−GaAs電子走行層13A、i−AlGaAs電子供給層23A、n−GaAsキャップ層20Aを順に積層した半導体積層構造22Aを備えるものとすれば良い。そして、i−AlGaAs電子供給層23Aを、i−AlxGa1−xAsスペーサ層14A(第2部分)、i−AlyGa1−yAs(x<y)層15A(第1部分;アンドーピング部)、Si−δドーピング層16A(第1部分;ドーピング部)、i−AlyGa1−yAs(x<y)層17A(第1部分;アンドーピング部)、i−AlxGa1−xAsバリア層18A(第2部分)を順に積層させた構造を有するものとすれば良い。ここで、xとyの差は約0.1程度必要であり、例えば、x=0.3、y=0.4などとすれば良い。このように、上述の実施形態の場合と同様に、電子供給層23Aを構成するAlGaAsのAlの組成をδドーピング部分の近傍のみ部分的に高くして、電子供給層23Aの伝導帯ECのエネルギーをδドーピング部分の近傍のみ部分的に上昇させるようにすれば良い。このように構成する場合、伝導帯バンド構造は、図15に示すようになる。なお、図15中、細い点線はフェルミ準位Efを示しており、太い点線はこの部分にSi−δドーピングが施されていることを示しており、GaAsチャネル層中の波形は電子分布を示している。なお、電子走行層13は、多少のInAsを添加して、例えばIn0.15Ga0.85AsのようなInGaAs層としても良い。この場合、キャップ層20Aは、GaAs層(n型GaAs層)、InGaAs層(n型InGaAs層)、又は、InGaAs層とGaAs層とを積層したもの(n型InGaAs層とn型GaAs層とを積層したもの)とすれば良い。これをAlGaAs/InGaAs系HEMTという。これを第3変形例という。このように構成される第3変形例のものでも、上述の実施形態のものと同様の効果が得られる。なお、この第3変形例の電子供給層23Aを構成するバリア層18Aやスペーサ層14Aに、上述の第1変形例のように、傾斜組成AlGaAs層を用いても良い。また、このように構成する場合も、上述の実施形態の場合と同様に、第1部分及び第2部分は、Alを含む。また、第1部分は、第2部分よりもAlの組成が高く、第2部分よりも伝導帯ECのエネルギーが高い。つまり、第1部分と第2部分とは、同一の半導体材料を含み、組成が異なる。また、第1部分は、n型不純物がドーピングされたドーピング部と、ドーピング部を挟み、不純物がドーピングされていないアンドーピング部とを有する。また、ドーピング部は、n型不純物が面状にドーピングされた部分であり、n型不純物は、Siである。また、第2部分は、不純物がドーピングされていない。なお、AlGaAs/GaAs系化合物半導体又はAlGaAs/InGaAs系化合物半導体をIII−V族化合物半導体という。
10A 基板(GaAs基板)
10B 基板(SiC基板)
11、11A、11B バッファ層
12 InAlAs下部バリア層
12A AlGaAs下部バリア層
13 InGaAs電子走行層
13A GaAs電子走行層
13B GaN電子走行層
14 In0.52Al0.48Asスペーサ層
14A AlxGa1−xAsスペーサ層
14B AlxGa1−xNスペーサ層
14X InxAl1−xAs(x<0.52)スペーサ層
14Y InxAl1−xAs(x=0.52→0.4)スペーサ層
14Z InPスペーサ層
15 InxAl1−xAs(x<0.52)層
15A AlyGa1−yAs(x<y)層
15B AlyGa1−yN(x<y)層
16、16A、16B Si―δドーピング層
17 InxAl1−xAs(x<0.52)層
17A AlyGa1−yAs(x<y)層
17B AlyGa1−yN(x<y)層
18 In0.52Al0.48Asバリア層
18A AlxGa1−xAsバリア層
18B AlxGa1−xNバリア層
18X InxAl1−xAs(x<0.52)バリア層
18Y InxAl1−xAs(x=0.4→0.52)バリア層
18Z InPバリア層
19 InPエッチング停止層
20 InGaAsキャップ層
20A GaAsキャップ層
21 SiO2膜
22、22A、22B 半導体積層構造
23、23A、23B 電子供給層
31 ソース電極
32 ドレイン電極
33 ゲート電極
41 レジスト膜(ZEP)
42 レジスト膜(PMGI)
43 レジスト膜(ZEP)
Claims (11)
- 基板の上方に少なくとも電子走行層及び電子供給層を含む半導体積層構造を備え、
前記電子供給層は、第1部分と、前記第1部分を挟む第2部分とを有し、
前記第1部分は、前記第2部分よりも伝導帯のエネルギーが高く、かつ、n型不純物がドーピングされたドーピング部と、前記ドーピング部を挟み、不純物がドーピングされていないアンドーピング部とを有することを特徴とする半導体装置。 - 前記第1部分と前記第2部分とは、同一の半導体材料を含み、組成が異なることを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第1部分及び前記第2部分は、Alを含み、
前記第1部分は、前記第2部分よりもAlの組成が高いことを特徴とする、請求項2に記載の半導体装置。 - 前記第1部分と前記第2部分とは、異なる半導体材料を含むことを特徴とする、請求項1に記載の半導体装置。
- 前記第2部分は、不純物がドーピングされていないことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記ドーピング部は、n型不純物が面状にドーピングされた部分であることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記n型不純物は、Siであることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。
- 前記電子走行層は、InGaAsを含み、
前記第1部分及び前記第2部分は、InAlAsを含み、
前記第1部分は、前記第2部分よりもAlの組成が高いことを特徴とする、請求項1〜3、5〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記電子走行層は、InGaAsを含み、
前記第1部分は、InAlAsを含み、
前記第2部分は、InPを含むことを特徴とする、請求項1、4、5〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記電子走行層は、GaAs又はInGaAsを含み、
前記第1部分及び前記第2部分は、AlGaAsを含み、
前記第1部分は、前記第2部分よりもAlの組成が高いことを特徴とする、請求項1〜3、5〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。 - 前記電子走行層は、GaNを含み、
前記第1部分及び前記第2部分は、AlGaN又はInAlNを含み、
前記第1部分は、前記第2部分よりもAlの組成が高いことを特徴とする、請求項1〜3、5〜7のいずれか1項に記載の半導体装置。
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