JP4635444B2

JP4635444B2 - 電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハ

Info

Publication number: JP4635444B2
Application number: JP2004018928A
Authority: JP
Inventors: 隆竹内; 雅春東谷
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2024-01-27
Also published as: JP2005216967A

Description

本発明は、ＦＥＴ（ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：電界効果トランジスタ）やＨＥＭＴ（ＨｉｇｈＥｌｅｃｔｒｏｎＭｏｂｉｌｉｔｙＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ：高電子移動度トランジスタ）などの電子デバイスに用いられる電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハに関し、特にソース−ドレイン電極間のリーク電流を低減した電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハに関する。

化合物半導体結晶を用いたＦＥＴやＨＥＭＴ等の電界効果トランジスタは、シリコン半導体に比べて電子移動度が高いため、携帯電話や衛星放送受信機などの高速動作や高効率が要求される高周波機器の増幅器などに幅広く使用されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような電界効果トランジスタは、半絶縁性ＧａＡｓ基板の上に、有機金属気相成長法（ＭｅｔａｌＯｒｇａｎｉｃＶａｐｏｒＰｈａｓｅＥｐｉｔａｘｙ、以下「ＭＯＶＰＥ法」という。）により金属薄膜を成長させて製作される。

ＭＯＶＰＥ法は、III族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解され、基板上に化合物半導体結晶がエピタキシャル成長する。

図５は、従来のチャネル層の上下にキャリア供給層を有したダブルへテロ型高電子移動度トランジスタ（Ｄ−ＨＥＭＴ）の構造を示す。このダブルへテロ型高電子移動度トランジスタ１は、半絶縁性ＧａＡｓ基板２、半絶縁性ＧａＡｓ基板２上に形成された高抵抗のｐ型導電性を示す膜からなる第１〜第３のバッファ層３０ａ〜３０ｃからなり、半絶縁性ＧａＡｓ基板２上の残留不純物によるデバイス特性の劣化を抑えるバッファ層３０と、自由電子を発生しチャネル層６に電子を供給する第１および第２のキャリア供給層４，８と、チャネル層６を流れる自由電子が第１および第２のキャリア供給層４，８のｎ型不純物によって散乱されるのを防ぐ第１および第２のスペーサ層５，７と、自由電子が流れるチャネル層６と、ショットキー接合をするショットキー層９と、図示しないソース電極およびドレイン電極とのオーミック接合を行うコンタクト層１０をそれぞれエピタキシャル成長させたものである。

表３は、これらエピタキシャル層の詳細を示す。

ここで、ＨＥＭＴは、第１および第２のキャリア供給層４，８に隣接したチャネル層６に二次元電子ガス（２ＤｉｍｅｎｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＧａｓ：２ＤＥＧ）を形成することによりイオン化不純物散乱を受けにくい高移動度の電子を利用するものである。

特許第３０５４２１６号公報（図３）

しかし、従来のＭＯＶＰＥ法で作成された電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハの場合、半絶縁性ＧａＡｓ基板とその上に形成されるエピタキシャル層との界面、正確には半絶縁性ＧａＡｓ基板とバッファ層との界面に、低抵抗の導電層が形成される。このような低抵抗層が形成される原因は、半絶縁性ＧａＡｓ基板の表面にもともとＳｉが付着しており、このＳｉがエピタキシャル結晶の成長中に結晶内に取り込まれ、ｎ型キャリアとなってしまうためである。

上記のような低抵抗層の存在するエピタキシャルウエハを用いて電界効果トランジスタを作成すると、エピタキシャル層と成長基板（鏡面ウエハ）との界面に存在する導電層を通じて、ソース電極とドレイン電極間にリーク電流が流れ、トランジスタの電気特性を悪化させるという問題がある。

従って、本発明の目的は、ソース−ドレイン電極間のリーク電流を低減した電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハを提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に前記半絶縁性ＧａＡｓ基板上の残留不純物によるデバイス特性劣化を抑えるバッファ層と、自由電子が流れるチャネル層を有する電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハにおいて、前記バッファ層は、キャリア濃度と層厚さとの積がソース−ドレイン電極間のリーク電流を低減する所定の値の結晶層(リーク電流低減層)を備えることを特徴とする電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハを提供する。

前記結晶層の前記所定の値は、１．５×１０ ¹¹〜２．５×１０¹¹ｃｍ^-2であることが好ましい。

前記バッファ層は、前記ｐ−ＡｌＧａＡｓ結晶層上に、前記ｐ−ＡｌＧａＡｓ結晶層よりもＡｌ組成比の小さいｐ−ＡｌＧａＡｓ層を備えることが好ましい。

前記チャネル層の上層及び下層にキャリア供給層を備えることが好ましい。

前記結晶層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．３５＜ｘ＜１．０）であることが好ましい。

前記結晶層は、Ａｌ元素，Ｇａ元素およびＩｎ元素のうちのいずれか２つの元素と、Ａｓ元素またはＰ元素のうちいずれか１つの元素の計３つの元素を含むことが好ましい。

前記結晶層は、Ａｌ元素，Ｇａ元素およびＩｎ元素と、Ａｓ元素またはＰ元素のうちいずれか１つの元素の計４つの元素を含むことが好ましい。

本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、キャリア濃度と層厚さとの積がソース−ドレイン電極間のリーク電流を低減する所定の範囲の結晶層をバッファ層に備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。

本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、キャリア濃度とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さとの積が６．０×１０^１０〜４．０×１０^１１ｃｍ^−２である結晶層を備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。

本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、結晶層は、他の層を介して前記バッファ層中に形成されるため、その結晶層がリークパスを効果的に打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。

本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、結晶層は、半絶縁性ＧａＡｓ基板に接して形成されるため、キャリア濃度とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さとの積が所定範囲の結晶層を備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。

本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、結晶層は、Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓ（０．３５＜ｘ＜１．０）であるため、キャリア濃度とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さとの積が所定範囲の結晶層を備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。

本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、結晶層は、Ａｌ元素，Ｇａ元素およびＩｎ元素のうちのいずれか２つの元素と、Ａｓ元素またはＰ元素のうちいずれか１つの元素の計３つの元素を含むため、キャリア濃度とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さとの積が所定範囲の結晶層を備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。

本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、結晶層は、Ａｌ元素，Ｇａ元素およびＩｎ元素と、Ａｓ元素またはＰ元素のうちいずれか１つの元素の計４つの元素を含むため、キャリア濃度とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さとの積が所定範囲の結晶層を備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。

図１は、本発明の実施の形態に係るダブルへテロ型高電子移動度トランジスタ（Ｄ−ＨＥＭＴ）の構造を示す。このダブルへテロ型高電子移動度トランジスタ１は、半絶縁性ＧａＡｓ基板２と、半絶縁性ＧａＡｓ基板２上に形成された高抵抗のｐ型導電性を示す膜からなる第１〜第４のバッファ層３ａ〜３ｄからなり、半絶縁ＧａＡｓ基板２上の残留不純物によるデバイス特性の劣化を抑えるバッファ層３と、自由電子を発生しチャネル層６に電子を供給する第１および第２のキャリア供給層４，８と、チャネル層６を流れる自由電子が第１および第２のキャリア供給層４，８のｎ型不純物によって散乱されるのを防ぐ第１および第２のスペーサ層５，７と、自由電子が流れるチャネル層６と、ショットキー接合をするショットキー層９と、図示しないソース電極およびドレイン電極とのオーミック接合を行うコンタクト層１０とをそれぞれエピタキシャル成長させたものである。

従来例と異なる点は、バッファ層３中にｐ型導電性を示すキャリア濃度（Ｎｐ、単位はｃｍ^−３）とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さ（単位はｎｍ＝１０^−７ｃｍ）との積（Ｎｄ積）が６．０×１０^１０〜４．０×１０^１１ｃｍ^−２である第２のバッファ層３ｂを形成したことである。なお、第１のバッファ層３ａと従来例の第１のバッファ層３０ａと、第３のバッファ層３ｃと従来例の第２のバッファ層３０ｂと、および第４のバッファ層３ｄと従来例の第３のバッファ層３０ｃとが対応し、同一の組成、同一のキャリア濃度および同一の層の厚さ(層厚さ)で形成されている。

ここで、Ｄ−ＨＥＭＴは、第１および第２のキャリア供給層４，８に隣接したチャネル層６に二次元電子ガス（２ＤｉｍｅｎｓｉｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎＧａｓ：２ＤＥＧ）を形成することによりイオン化不純物散乱を受けにくい高移動度の電子を利用するものである。

この実施の形態によれば、Ｎｄ積がある一定の範囲を持つ層をバッファ層３に含めることによって、この層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を低減することができた。

図２は、ＭＯＶＰＥ装置を示す。このＭＯＶＰＥ装置２０は、真空ポンプおよび排気装置（図示せず）を備えた排気部２６が接続された反応炉２１と、基板２７を載置するサセプタ２２と、サセプタ２２を加熱するヒータ２３と、サセプタ２２を回転、上下移動させる制御軸２４と、基板２７に向って斜めまたは水平に原料ガスを供給する石英ノズル２５と、Ｇａを発生するＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス発生装置３１と、Ａｌを発生するＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガス発生装置３２と、Ａｓを発生するＡｓＨ_３ガス発生装置３３と、Ｉｎを発生するＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガス発生装置３４と、ＳｉをドープするためのＳｉを発生するジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）ガス発生装置３５等を備える。なお、必要に応じてガス発生装置の数を増減してもよい。窒素源としてＮＨ_３が用いられ、キャリアガスとしてＨ_２が用いられる。成長させる金属によって原料ガスの組合せを変える。

ＭＯＶＰＥ装置２０により薄膜を形成するには、例えば、以下のように行う。まず、基板２７は、薄膜が形成される面を上にしてサセプタ２２に保持され、反応炉２１内に設置される。基板２７をヒータ２３により所定温度に保ち、III族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉２１内に導入する。導入された混合ガスは、加熱された基板２７付近で原料ガスが熱分解され、基板２７上に種々の組成からなる結晶をエピタキシャル成長させた。

表１は、本実施例において作製したＤ−ＨＥＭＴの半絶縁性ＧａＡｓ基板２上に形成したエピタキシャル層の詳細を示す。「Ｎｏ．」は、半絶縁性ＧａＡｓ基板２上にエピタキシャル成長させた順序を示す。ｎ−，ｐ−およびｕｎ−は、その結晶がそれぞれｎ型導電性、ｐ型導電性および半絶縁性であることを示している。

実施例では、Ｎｏ．１の層としてｐ−ＧａＡｓからなる第１のバッファ層３ａを２５０ｎｍ成長させ、その上にＮｏ．２の層としてｐ−Ａｌ_０．３８Ｇａ_０．６２Ａｓからなる第２のバッファ層３ｂがリーク電流低減層として形成されている。リーク電流低減層は、ｐ型導電性を示し、キャリア濃度２．５×１０^１７ｃｍ^−３、厚さ１０ｎｍ、（Ｎｄ積：２．５×１０^１１ｃｍ^−２）である。以後、表１に示される層を成長させた。従来例とは、この第２のバッファ層３ｂの有無以外は、使用基板、成長条件、反応炉内の状態に至るまですべて同一である。

成長後、２つのエピタキシャルウエハを同時に簡易プロセスにかけ、リーク電流測定用のサンプルを作成し、ソース−ドレイン間のリーク電流の測定を行った。
図３は、その測定結果を示す。

表１の構造において、Ｎｄ積を変えてソース−ドレイン間のリーク電流を測定した。
図４は、Ｎｄ積を変えて１５Ｖ印加した時のソース−ドレイン間のリーク電流値を比較したグラフである。ここで、Ｎｄ積＝０の時の値は、本発明の実施例におけるリーク電流低減層を成長していないとき（従来例）の値である。

また，Ｎｄ積を一定にしてリーク電流低減層の位置を、バッファ層の途中に挿入した場合、バッファ層の最下部（半絶縁性ＧａＡｓ基板の直上）に挿入した場合およびバッファ層の最上部に挿入した場合を比較した。

表２は、電圧を１５Ｖ印可した時のソース−ドレイン間のリーク電流値を比較した結果を示す。

本実施例の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、従来品と比べて一桁以上リーク電流が小さくなった。また、電圧をかけていったときの急激な立ち上がりがなくなった。このためリーク電流値が低いほど、本発明のリーク電流低減層の効果があるといえる。これによりＮｄ積は６．０×１０^１０〜４．０×１０^１１ｃｍ^−２の範囲で効果があることがわかる。リーク電流低減層をバッファ層の途中に挿入した場合と、最下部に挿入した場合の効果はほぼ同じであったが、バッファ層の最上部に挿入した場合では、効果があまり期待できない。したがって、バッファ層のどこに挿入しても効果は得られるが、より大きな効果を得るためには、バッファ層の最下部またはバッファ層の途中に挿入するのが良いことがわかる。

なお、本発明は、バッファ層を有する各種電界効果トランジスタのすべてに適用することができる。

本発明の実施の形態に係るＤ−ＨＥＭＴの構造を示す断面図である。本発明の実施の形態のＤ−ＨＥＭＴを製作するためのＭＯＶＰＥ装置を示す図である。本発明の実施例のＤ−ＨＥＭＴのソース−ドレイン間のリーク電流測定結果を示す図である。本発明の実施例のＤ−ＨＥＭＴにおけるＮｄ積とソース−ドレイン間のリーク電流の関係を示す図である。従来のＤ−ＨＥＭＴの構造を示す断面図である。

符号の説明

１ダブルへテロ型高電子移動度トランジスタ
２半絶縁性ＧａＡｓ基板
３バッファ層
３ａ第１のバッファ層
３ｂ第２のバッファ層
３ｃ第３のバッファ層
３ｄ第４のバッファ層
４第１のキャリア供給層
５第１のスペーサ層
６チャネル層
７第２のスペーサ層
８第２のキャリア供給層
９ショットキー層
１０コンタクト層
２０ＭＯＶＰＥ装置
２１反応炉
２２サセプタ
２３ヒータ
２４制御軸
２５石英ノズル
２６排気部
２７基板
３０バッファ層
３０ａ第１のバッファ層
３０ｂ第２のバッファ層
３０ｃ第３のバッファ層
３１ＴＭＧガス発生装置
３２ＴＭＡガス発生装置
３３ＡｓＨ_３ガス発生装置
３４ＴＭＩガス発生装置
３５ジシランガス発生装置

Claims

半絶縁性ＧａＡｓ基板と、前記半絶縁性ＧａＡｓ基板上に形成されるバッファ層と、前記バッファ層上に形成され自由電子が流れるチャネル層とを有する電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハにおいて、
前記バッファ層は、半絶縁性ＧａＡｓ基板側からｐ−ＧａＡｓ層と、ｐ−ＡｌＧａＡｓ結晶層とを備え、前記ｐ−ＡｌＧａＡｓ結晶層は、キャリア濃度と層厚さとの積が１．５×１０ ¹¹ 〜２．５×１０ ¹¹ ｃｍ ^-2 であることを特徴とする電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハ。
前記バッファ層は、前記ｐ−ＡｌＧａＡｓ結晶層上に、前記ｐ−ＡｌＧａＡｓ結晶層よりもＡｌ組成比の小さいｐ−ＡｌＧａＡｓ層を備えることを特徴とする請求項１に記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハ。
前記チャネル層の上層及び下層にキャリア供給層を備えることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハ。
前記ｐ−ＡｌＧａＡｓ結晶層は、前記キャリア濃度が２．５×１０ ¹⁷ ｃｍ ^-3 、前記層厚さが１０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハ。
前記結晶層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（０．３５＜ｘ＜１．０）であることを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハ。
前記結晶層は、Ａｌ元素，Ｇａ元素およびＩｎ元素のうちのいずれか２つの元素と、Ａｓ元素またはＰ元素のうちいずれか１つの元素の計３つの元素を含むことを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハ。
前記結晶層は、Ａｌ元素，Ｇａ元素およびＩｎ元素と、Ａｓ元素またはＰ元素のうちいずれか１つの元素の計４元素を含むことを特徴とする請求項１記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハ。