(57)【要約】【課題】高周波帯域におけるドレイン電流の減少及びオン抵抗の増大を抑制すると共に、逆方向耐圧を向上させた電界効果トランジスタを実現できるようにする。【解決手段】電界効果トランジスタは、第１の半導体層１９と、第１の半導体層１９の上に第１の半導体層１９とショットキー接合して形成されたゲート電極２４と、第１の半導体層１９の上におけるゲート電極２４の両側方に形成されたオーミック電極２２、２３とを備えている。第１の半導体層１９の上には、ゲート電極２４の両側方にゲート電極２４の側面と接して第２の半導体層２０ｂが形成されている。第２の半導体層２０ｂは、ゲート電極２４とオーミック電極２２、２３との間隔よりもゲート長方向の幅が狭く且つ第１の半導体層１９と比べて表面準位密度が低い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に前記第１の半導体層とショットキー接合して形成されたゲート電極と、
前記第１の半導体層の上における前記ゲート電極の両側方に前記ゲート電極と間隔をおいてそれぞれ形成されたオーミック電極と、
前記第１の半導体層の上における前記ゲート電極の両側方に前記ゲート電極の側面と接してそれぞれ形成された第２の半導体層とを備え、
前記第２の半導体層は、前記ゲート電極と前記オーミック電極との間隔よりもゲート長方向の幅が狭く且つ前記第１の半導体層と比べて表面準位密度が低いことを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記第２の半導体層は、ゲート長方向の幅が０．２μｍ以下であ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。
【請求項３】
前記第２の半導体層は、インジウムガリウムリン又はインジウムガリウムアルミニウムリンからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果トランジスタに関し、特に化合物半導体を用いた電界効果トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の化合物半導体を用いたＭＥＳＦＥＴ（Metal-Semiconductor Field Effect Transistor）及びＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等の電界効果トランジスタは、電子移動度が高く、携帯電話端末等の無線通信用のパワーアンプ及びスイッチ等として広く用いられている。特にＡｌＧａＡｓと金属とのショットキー接合をゲートとして用いるｐＨＥＭＴは、高い電流駆動能力と比較的高いゲート逆方向耐圧を有し、携帯電話端末に用いられる高周波用電界効果トランジスタの主流である。
【０００３】
携帯電話端末に用いる高周波デバイスは、マルチバンド及びマルチ方式に対応することが求められている。ｐＨＥＭＴは、トランジスタがオン状態の場合における電流駆動能力が高く、信号を通す能力を大きく取れる。また、オン抵抗が低く挿入損失を低減できる。一方、トランジスタがオフ状態の場合には、寄生容量が小さく、良好な歪特性が得られる。このため、複数のバンド間、複数の通信方式間及び送受信間の切り替え用のスイッチとしてｐＨＥＭＴの利用が進められている。
【０００４】
ｐＨＥＭＴ等の電界効果トランジスタは、ゲートとして金属とＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ等からなる半導体層とのショットキー接合を利用する。このため、ゲート電極とソース電極との間及びゲート電極とドレイン電極との間における半導体層の最表面には、ゲート電極と接するＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓが露出している。ＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓ等は、比較的表面準位密度が高いため、ゲート電極からのバイアス信号に対するドレイン電流の周波数分散が発生することが知られている。周波数分散が発生すると数百ＭＨｚ以上の高周波数帯域において、直流バイアス状態よりもトランジスタのオン抵抗が増大し、ドレイン電流が低下したり、ゲート電圧に対するドレイン電流の線形性が悪化したりする。入出力信号間の線形性が悪化すると高調波歪が発生する。また、オン抵抗が増大すると、スイッチに利用する場合には挿入損失が増大し、パワーアンプに利用する場合には電力増幅率が低下する。
【０００５】
これらの問題を解決するために、ゲート電極とショットキー接合を形成する半導体層として、ＡｌＧａＡｓやＧａＡｓと比べて表面準位密度が小さいＩｎＧａＰ等を用いたトランジスタが開発されている。ＩｎＧａＰ等の表面準位密度が低い半導体層を最表面に配することにより、高周波に追従できずに表面準位に捉えられた表面負電荷による二次元電子ガスの減少を抑制できるという効果も得られる。しかし、トランジスタの製造工程においては、３００℃〜４００℃程度の熱が加わる工程がある。熱処理工程により、ＩｎＧａＰ層とチタン等からなるゲート電極との接合界面において金属が拡散し、漏れ電流が増大する等のショットキー特性の劣化が生じる。携帯電話のマルチモードに対応する場合、例えばＧＳＭ（GlobalSystemforMobileCommunications）のように、スイッチを構成する素子に大きな電圧振幅がかかり、高耐圧が必要になる場合がある。このため、ゲートリーク電流が増大したり、ゲート電極とオーミック電極との間の逆方向ブレークダウン耐圧が低下したりするおそれがある、ＩｎＧａＰ層をショットキー接合を形成する半導体層とする方法には問題がある。
【０００６】
この問題を解決するために、ゲート電極に白金等を用いることにより金属をＩｎＧａＰ層に積極的に拡散させ、ＩｎＧａＰ層よりも下側の半導体層とショットキー接合を形成する電界効果トランジスタが提案されている（例えば特許文献１を参照。）。また、ゲート電極の直下においては、ＩｎＧａＰ層を除去し、ショットキー接合をＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓとの間に形成した電界効果トランジスタも提案されている。（例えば特許文献２及び３を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１５８７７２号公報
【特許文献２】特開平９−２３７７９５号公報
【特許文献３】特開平８−３４００１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の電界効果トランジスタには、ゲート電極とオーミック電極との間に逆バイアスを印加した際の空乏層の横方向（オーミック電極方向）の延びが悪いという問題がある。空乏層の横方向の伸びが悪いと、ゲート電極近傍の半導体層に電界が集中し、比較的低い電圧でゲート電極とオーミック電極との間のアバランシェ降伏が発生してしまう。その結果、逆方向耐圧が低下してしまう。
【０００９】
本発明は、前記の問題を解決し、高周波帯域におけるドレイン電流の減少及びオン抵抗の増大を抑制すると共に、逆方向耐圧を向上させた電界効果トランジスタを実現できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
具体的に、本発明に係る電界効果トランジスタは、第１の半導体層と、第１の半導体層の上に第１の半導体層とショットキー接合して形成されたゲート電極と、第１の半導体層の上におけるゲート電極の両側方にゲート電極と間隔をおいてそれぞれ形成されたオーミック電極と、第１の半導体層の上におけるゲート電極の両側方にゲート電極の側面と接してゲートそれぞれ形成された第２の半導体層とを備え、第２の半導体層は、ゲート電極とオーミック電極との間隔よりも幅が狭く且つ第１の半導体層と比べて表面準位密度が低いことを特徴とする。
【００１１】
本発明の電界効果トランジスタは、表面準位密度が低い第２の半導体層が、ゲート電極の両側方にゲート電極の側面と接して形成されている。このため、周波数分散によるドレイン電流狭窄の発生原因となるゲート電極近傍の表面準位密度を小さくすることができる。従って、第２の半導体層が形成されていない場合と比べて、最大ドレイン電流を増大させ、ドレイン電流のゲート電圧に対する直線性を改善できる。また、第２の半導体層の幅はゲート電極とオーミック電極との間隔よりも幅が狭い。このため、ゲート端近傍に電界集中が発生しにくくなる。従って、第２の半導体層が、ゲート電極とオーミック電極との間の全面を覆っている場合と比べて、ゲート電極とオーミック電極との間の逆方向耐圧を向上させることができる。
【００１２】
本発明の電界効果トランジスタにおいて、第２の半導体層は、ゲート長方向の幅を０．２μｍ以下とすればよい。
【００１３】
本発明の電界効果トランジスタにおいて、第２の半導体層は、インジウムガリウムリン又はインジウムガリウムアルミニウムリンとすればよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る化合物半導体電界効果トランジスタによれば、高周波帯域におけるドレイン電流の減少及びオン抵抗の増大を抑制すると共に、逆方向耐圧を向上させた電界効果トランジスタを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタを示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタのドレイン電流特性を示す特性図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電界効果トランジスタのゲート逆方向特性を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、一実施形態におけるｐＨＥＭＴの断面構成を示している。半絶縁性のＧａＡｓ基板１１の上に、厚さが１００ｎｍのアンドープのＧａＡｓからなるバッファ層１２が形成されている。バッファ層１２の上には厚さが２００ｎｍのアンドープのＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２８）からなるバリア層１３、Ｓｉを３×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが３．５ｎｍのＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５）からなる下側電子供給層１４、厚さが４．５ｎｍのアンドープのＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５）からなる下側スペーサ層１５、厚さが１０ｎｍのアンドープのＩｎyＧａ1-yＡｓ（ｙ＝０．２７）からなる電子走行層１６、厚さが４．５ｎｍのアンドープのＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５）からなる上側スペーサ層１７、Ｓｉを３×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが１０ｎｍのＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５）からなる上側電子供給層１８及び厚さが３０ｎｍのアンドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５）からなるショットキー層１９が順次形成されている。
【００１７】
ショットキー層１９の上には、チタンとアルミニウムとチタンとの積層膜からなるゲート電極２４が形成されている。ゲート電極２４はショットキー層１９とショットキー接合している。ショットキー層１９の上におけるゲート電極２４の両側方には、ゲート電極２４と間隔をおいて、オーミック電極であるソース電極２２及びドレイン電極２３がそれぞれ形成されている。ソース電極２２及びドレイン電極２３は、それぞれ厚さが５ｎｍのＩｎyＧａ1-yＰ（ｙ＝０．４９）からなる低表面準位密度層２０ａ及びＳｉを３×１０18ｃｍ-3ドープした厚さが１００ｎｍのＧａＡｓからなるオーミックコンタクト形成層２１を介して形成された金、ゲルマニウム及びニッケルの合金と金との積層膜からなる。ソース電極２２及びドレイン電極２３は、オーミックコンタクト形成層２１とオーミック接合している。オーミック接合は、窒素雰囲気において４００℃程度に加熱することにより形成すればよい。
【００１８】
ショットキー層１９の上におけるゲート電極２４の両側方には、ゲート電極２４の側面と接して厚さが５ｎｍのＩｎyＧａ1-yＰ（ｙ＝０．４９）からなる低表面準位密度層２０ｂが形成されている。低表面準位密度層２０ｂのゲート長方向の幅ｗ１は、ゲート電極２４とオーミック電極（ソース電極２２又はドレイン電極２３）との間隔ｗ２よりも狭い。従って、低表面準位密度層２０ａと低表面準位密度層２０ｂとの間には、ショットキー層１９を露出する開口部が形成されている。ショットキー層１９の露出部分は、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる保護膜２５に覆われている。低表面準位密度層２０ａ及び低表面準位密度層２０ｂは、ショットキー層１９上の全面にＩｎyＧａ1-yＰ（ｙ＝０．４９）層を形成した後、選択的にエッチング除去することにより形成すればよい。
【００１９】
図２は、ゲート電極２４のゲート長を０．６μｍとし、ゲート電極２４とソース電極２２及びドレイン電極２３との距離をそれぞれ１．０μｍとし、低表面準位密度層２０ｂの幅ｗ１を０μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．２μｍ及び０．４μｍとした場合の、ゲート電圧Ｖｇｓに対するドレイン電流Ｉｄｓを計算した結果を示す。低表面準位密度層２０ｂの幅ｗ１が０μｍとは低表面準位密度層２０ｂを形成していない場合である。また、図２においてゲート幅は１ｍｍに換算している。図２に示すように、低表面準位密度層２０ｂを形成していない場合と比べて低表面準位密度層２０ｂを形成した場合には、最大ドレイン電流が増加し、ゲート電圧Ｖｇｓに対するドレイン電流Ｉｄｓの直線性も向上している。低表面準位密度層２０ｂの幅が広くなるに従い改善効果は大きくなるが、０．２μｍよりも大きい場合にはほぼ一定となる。
【００２０】
図３は、図２と同じ条件設定にてゲート電極とオーミック電極との間に逆方向バイアスを印加した場合の、ゲート電圧Ｖｇに対するゲート電流Ｉｇを計算した結果を示している。低表面準位密度層２０ｂの幅が０μｍとは、低表面準位密度層２０ｂを形成していない場合である。また、低表面準位密度層２０ｂの幅が１．０μｍとは低表面準位密度層２０ｂが、ゲート電極とオーミック電極との間の全面を覆っている場合である。低表面準位密度層２０ｂの幅が広くなるに従いゲート電極の逆方向耐圧は次第に低下し、低表面準位密度層２０ｂの幅が０．４μｍ以上の場合には、約−１２Ｖとなる。これは、ゲート電極とオーミック電極間が、表面準位密度が低いＩｎＧａＰ層で覆われることにより、ゲート電極とオーミック電極との間におけるゲート逆バイアスに対する空乏層の延びが悪くなり、ゲート端近傍に電界集中が発生し易くなるためである。低表面準位密度層２０ｂの幅が０．２μｍ以下の場合には、ゲート電極の逆方向耐圧が改善している。
【００２１】
以上の結果から、ショットキー層１９の上におけるゲート電極２４の両側方にゲート電極２４と接するようにＩｎＧａＰ等からなる低表面準位密度層２０ｂを形成すると共に、低表面準位密度層２０ｂの幅を適切に選択すれば、オン抵抗の低減と、ゲート電極の逆方向耐圧の維持とを両立できる。例えば、低表面準位密度層２０ｂの幅は０．２μｍ以下とすることが好ましい。これにより、高周波帯域でのオン抵抗の増大、ドレイン電流の低下及びドレイン電流のゲート電圧に対する線形性の悪化を抑制すると共に、ゲート電極とオーミック電極との間の逆方向耐圧の改善を同時に実現することが可能となる。従って、本実施形態の電界効果トランジスタを、携帯電話端末等の無線通信用途の高周波スイッチに用いた場合には、ハンドリングパワーの増大、挿入損失の低減及び高調波歪の低減が可能となる。また、高周波パワーアンプに用いた場合には、ハンドリングパワーの増大及び入出力信号間の非線形性起因の歪特性改善が可能となる。
【００２２】
本実施形態は、ゲート長が０．６μｍ、ゲート電極２４とオーミック電極との間隔ｗ２が１．０μｍのＩｎＧａＡｓを電子走行層に用いたｐＨＥＭＴについて説明した。しかし、デバイス寸法は任意に変更してかまわない。また、ｐＨＥＭＴに代えてＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとを用いたＨＥＭＴ、ｎ−ＧａＡｓ層をチャネルとしたＭＥＳＦＥＴにおいても同様の効果が期待できる。低表面準位密度層としてＧａＡｓにほぼ格子整合するＩｎyＧａ1-yＰ（ｙ＝０．４９）を用いる例について説明したが、ショットキー層よりも表面準位密度が小さい層であればよい。従って、Ａｌを少量添加したＩｎＧａＡｌＰを用いてもよい。また、ＧａＡｓと完全に格子整合していない半導体層であっても、臨界膜厚以下とすることにより低表面準位密度層として用いることができる。
【００２３】
本実施形態においては、オーミックコンタクト形成層とショットキー層との間に低表面準位密度層が形成されている構成を示したが、オーミックコンタクト形成層とショットキー層との間に低表面準位密度層が形成されている必要はない。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明に係る電界効果トランジスタは、高周波帯域におけるドレイン電流の減少及びオン抵抗の増大を抑制すると共に、逆方向耐圧を向上させた電界効果トランジスタを実現でき、特に高周波用途の電界効果トランジスタ等として有用である。
【符号の説明】
【００２５】
１１      ＧａＡｓ基板
１２      バッファ層
１３      バリア層
１４      下側電子供給層
１５      下側スペーサ層
１６      電子走行層
１７      上側スペーサ層
１８      電子供給層
１９      ショットキー層
２０ａ    低表面準位密度層
２０ｂ    低表面準位密度層
２１      オーミックコンタクト形成層
２２      ソース電極
２３      ドレイン電極
２４      ゲート電極
２５      保護膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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