(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上にバッファ層を介して形成されたチャネル層と、前記チャネル層より大きいバンドギャップを有する半導体で構成され該チャネル層とヘテロ接合するよう形成されたスペーサ層と、前記スペーサ層に隣接するように形成されたキャリア供給層とを備え、
前記基板がＩｎＰからなり、
前記チャネル層が、化学式ＩｎＮｙＡ1-ｙで表され、前記ＡがＡｓであり、かつ前記組成ｙが０．０３≦ｙ≦０．１０である化合物半導体層を有し、
前記バッファ層及び前記スペーサ層がＩｎＡｌＡｓ層で構成され、前記キャリア供給層がｎ−ＩｎＡｌＡｓ層で構成されている、
ヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項２】
前記組成ｙが、０．０３≦ｙ≦０．０７である、請求項１記載のヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記チャネル層が、前記化合物半導体層のみから構成されている、請求項１記載のヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記チャネル層が、第１のチャネル層と該第１のチャネル層に隣接し前記スペーサ層とヘテロ接合する第２のチャネル層とを有し、前記第１のチャネル層が前記化合物半導体層で構成され、前記第２のチャネル層がＩｎＡｓ層で構成されている、請求項１記載のヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記第１のチャネル層のＮ濃度が前記第２のチャネル層に近づくに連れて低くなっている、請求項４記載のヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記第１のチャネル層の上面及び下面に隣接するように一対の前記第２のチャネル層が形成され、前記一対の第２のチャネル層にヘテロ接合するように一対の前記スペーサ層が形成され、前記一対のスペーサ層に隣接するように一対の前記キャリア供給層が形成されている、請求項４記載のヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項７】
前記第１のチャネル層が、前記化合物半導体層であるＩｎＮＡｓ層とＩｎＡｓ層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造のＩｎＮＡｓ／ＩｎＡｓＭＱＷ層で構成されている、請求項４記載のヘテロ電界効果トランジスタ。
【請求項８】
基板上にバッファ層を介してチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、
前記チャネル層より大きいバンドギャップを有する半導体からなるスペーサ層を前記チャネル層とヘテロ接合するよう形成するスペーサ層形成工程と、
前記スペーサ層に隣接するようにキャリア供給層を形成するキャリア層形成工程とを有し、
前記基板がＩｎＰからなり、
前記チャネル層が、化学式ＩｎＮｙＡ1-ｙで表され、前記ＡがＡｓであり、かつ前記組成ｙが０．０３≦ｙ≦０．１０である化合物半導層を有し、
前記バッファ層及び前記スペーサ層がＩｎＡｌＡｓ層で構成され、前記キャリア供給層がｎ−ＩｎＡｌＡｓ層で構成されている、ヘテロ電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項９】
前記チャネル層を形成する工程において、イオン化したＮ原子を導入する、請求項８記載のヘテロ電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１０】
前記ＩｎＰ基板の上にＩｎＡｌＡｓからなる前記バッファ層を形成するバッファ層形成工程を有し、
前記チャネル層形成工程が、前記バッファ層の上にＩｎＮＡｓからなる第１のチャネル層を形成する第１のチャネル層形成工程と、前記第１のチャネル層の上にＩｎＡｓからなる第２のチャネル層を形成する第２のチャネル層形成工程とを有し、
前記スペーサ層形成工程において、前記第２のチャネル層の上にＩｎＡｌＡｓからなる前記スペーサ層を形成する、請求項８記載のヘテロ電界効果トランジスタの製造方法。
【請求項１１】
請求項１記載のヘテロ電界効果トランジスタを送信信号又は受信信号の処理のために備えた送受信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハを用いたヘテロ電界効果トランジスタ及びその製造方法並びにそれを用いた送受信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）などのヘテロ電界効果トランジスタは、ヘテロ構造で形成された２次元電子ガスを利用する化合物半導体素子である。
【０００３】
このようなＨＥＭＴの第１の従来例としてＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＡｌＡｓキャリア供給層／ＩｎＧａＡｓチャネル層／ＩｎＡｌＡｓバッファ層を有するＨＥＭＴを図１３に示す。図１３において、符号１は電極金属、符号２はｎ+‐ＩｎＧａＡｓキャップ層、符号３はｎ‐ＩｎＡｌＡｓキャリア供給層、符号４はｉ‐ＩｎＡｌＡｓスペーサ層、符号５はｉ‐ＩｎＧａＡｓチャネル層、符号６はｉ‐ＩｎＡｌＡｓバッファ層、符号７は半絶縁性ＩｎＰ基板（Ｓ.Ｉ.‐ＩｎＰ基板）を示す。このＨＥＭＴは、チャネル層５としてＩｎＧａＡｓを用いているので、チャネル層にＧａＡｓを用いているＨＥＭＴに比べ、その高い電子輸送特性のために優れた高周波特性を示す。特に、この従来例は、ＩｎＧａＡｓチャネル層５中に１〜７ｎｍの厚みを有するＩｎＡｓ層８をＩｎＡｌＡｓスペーサ層４から０〜６ｎｍ離れた位置に挿入することを特徴としている（例えば、特許許文献１参照）。
【０００４】
また、第２の従来例としてＧａＡｓ基板上に形成されたＧａＩｎＮＡｓチャネル層を有するＨＥＭＴを図１４に示す。このＨＥＭＴでは、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上に０．５μｍのアンドープＧａＡｓバッファ層１２が設けられ、このバッファ層１２の上に、厚さ１５nmのアンドープＧａＩｎＮＡｓチャネル層１３が形成されている。さらに、その上に、膜厚２nmのアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層１６を介してｎ型のＡｌＧａＡｓキャリア供給層１４が厚さ５０nmに形成され、そのＡｌＧａＡｓキャリア供給層１４上に電極１８が蒸着により形成されている。スペーサ層１６とキャリア供給層１４のＡｌ組成は共に０．２８である（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】
特開平５−３６７２６号公報
【特許文献２】
特開２０００−１６４８５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、第１の従来例では、上述のようにＩｎＡｓ層８を挿入した場合には、格子不整合が生じ、臨界膜厚以上で欠陥が発生してしまう。このため、チャネル層の厚みを臨界膜厚以上にはできず、充分なキャリア密度が実現できなかったために特性改善が不十分であった。
【０００６】
一方、第２の従来例は、ＩｎＧａＡｓ層をＧａＡｓ基板１１上に形成する場合における、ＩｎＧａＡｓ層のＧａＡｓ基板への格子整合のしにくさに起因する特性上の課題を解決するために、チャネル層を構成するＩｎＧａＡｓにＮを導入したものである。このような第２の従来例では、ＧａＩｎＮＡｓからなるチャネル層１３がＧａＡｓ基板１１に格子整合することにより、ＧａＡｓ基板１１上にＩｎＧａＡｓチャネル層を形成する場合に比べると、確かに特性が改善されている。しかしながら、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓチャネル層が形成される第１の従来例を超える特性は、実現できていなかった。
【０００７】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電子移動度が向上し、それにより高速動作が可能なヘテロ電界効果トランジスタ及びその製造方法並びに送受信装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係るヘテロ電界効果トランジスタは、基板と、前記基板上にバッファ層を介して形成されたチャネル層と、前記チャネル層より大きいバンドギャップを有する半導体で構成され該チャネル層とヘテロ接合するよう形成されたスペーサ層と、前記スペーサ層に隣接するように形成されたキャリア供給層とを備え、前記基板がＩｎＰからなり、前記チャネル層が、化学式ＩｎＮｙＡ1-ｙで表され、前記ＡがＡｓであり、かつ前記組成ｙが０．０３≦ｙ≦０．１０である化合物半導体層を有し、前記バッファ層及び前記スペーサ層がＩｎＡｌＡｓ層で構成され、前記キャリア供給層がｎ−ＩｎＡｌＡｓ層で構成されている。
【０００９】
前記組成ｙが、０．０３≦ｙ≦０．０７であってもよい。
【００１２】
前記チャネル層が、前記化合物半導体層のみからなっていてもよい。
【００１３】
前記チャネル層が、第１のチャネル層と該第１のチャネル層に隣接し前記スペーサ層とヘテロ接合する第２のチャネル層とを有し、前記第１のチャネル層が前記化合物半導体層で構成され、前記第２のチャネル層がＩｎＡｓ層で構成されていてもよい。
【００１５】
前記第１のチャネル層のＮ濃度が前記第２のチャネル層に近づくに連れて低くなっていてもよい。
【００１６】
前記第１のチャネル層の上面及び下面に隣接するように一対の前記第２のチャネル層が形成され、前記一対の第２のチャネル層にヘテロ接合するように一対の前記スペーサ層が形成され、前記一対のスペーサ層に隣接するように一対の前記キャリア供給層が形成されていてもよい。
【００２１】
前記第１のチャネル層が、前記化合物半導体であるＩｎＮＡｓ層とＩｎＡｓ層とが交互に積層されてなる多重量子井戸構造のＩｎＮＡｓ／ＩｎＡｓＭＱＷ層で構成されていてもよい。
【００２３】
また、本発明に係るヘテロ電界効果トランジスタの製造方法は、基板上にバッファ層を介してチャネル層を形成するチャネル層形成工程と、前記チャネル層より大きいバンドギャップを有する半導体からなるスペーサ層を前記チャネル層とヘテロ接合するよう形成するスペーサ層形成工程と、前記スペーサ層に隣接するようにキャリア供給層を形成するキャリア層形成工程とを有し、前記基板がＩｎＰからなり、前記チャネル層が、化学式ＩｎＮｙＡ1-ｙで表され、前記ＡがＡｓであり、かつ前記組成ｙが０．０３≦ｙ≦０．１０である化合物半導層を有し、前記バッファ層及び前記スペーサ層がＩｎＡｌＡｓ層で構成され、前記キャリア供給層がｎ−ＩｎＡｌＡｓ層で構成されている。
【００２４】
前記チャネル層を形成する工程において、イオン化したＮ原子を導入してもよい。
【００２５】
前記ＩｎＰ基板の上にＩｎＡｌＡｓからなる前記バッファ層を形成するバッファ層形成工程を有し、前記チャネル層形成工程が、前記バッファ層の上にＩｎＮＡｓからなる第１のチャネル層を形成する第１のチャネル層形成工程と、前記第１のチャネル層の上にＩｎＡｓからなる第２のチャネル層を形成する第２のチャネル層形成工程とを有し、前記スペーサ層形成工程において、前記第２のチャネル層の上にＩｎＡｌＡｓからなる前記スペーサ層を形成してもよい。このような構成とすると、チャネル層とスペーサ層との界面を形成する際に、Ｎ原子とＡｌ原子とが同時に存在しないこととなるので、良好な界面が形成される。
【００２６】
また、本発明に係る送受信装置は、請求項１記載のヘテロ電界効果トランジスタを送信信号又は受信信号の処理のために備えている。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、以上に説明したような構成を有し、ヘテロ電界効果トランジスタにおいて高速動作が可能になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
｛本発明の概念｝
最初に本発明の概念を説明する。
【００２９】
本発明のヘテロ電界効果トランジスタは、ＩｎＰ基板の上にＧａ及びＮが所定範囲の組成比を有するＧａＩｎＮＡｓがチャネル層として形成されていることを特徴としている。本発明においては、このＧａＩｎＮＡｓには、Ｇａの組成比が０の場合の態様として、ＩｎＮＡｓが含まれる。換言すれば、第１の従来例において、ＩｎＧａＡｓチャネル層のＧａの組成比を所定値に設定しかつＩｎＧａＡｓチャネル層に所定の組成比となるように窒素（Ｎ）を添加した構成を有している。
【００３０】
まず、ＩｎＧａＡｓ結晶にＮ原子を添加することによる効果を、図２（ａ），（ｂ），３図（ａ），（ｂ）を用いて簡単に説明する。
【００３１】
図２（ａ）はＩｎＧａＡｓのバンド構造を示す図、図２（ｂ）はＧａＩｎＮＡｓのバンド構造を示す図である。また、図３（ａ）は図２（ａ）のΓ点のエネルギ状態を拡大して示す図、図３（ｂ）は図２（ｂ）のΓ点のエネルギ状態を拡大して示す図である。図２（ａ），（ｂ）では、横軸はＫ空間上の位置を表し、縦軸はエネルギを表している。図３（ａ），（ｂ）では、横軸は運動量を表し、縦軸はエネルギを表している。
【００３２】
また、図２（ａ），（ｂ）はシミュレーションによって求めたものであり、従来例では
、ＩｎＰ基板の上にＩｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓ結晶層が形成され、本発明では、ＩｎＰ基板の上
にＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.125Ａｓ0.875結晶層が形成されていると仮定している。
【００３３】
図２（ａ）において、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ａｓ結晶の伝導帯３４のバンド構造では、Γ点のエネルギレベルが最も低く、このΓ点を電子が走行する。図３（ａ）において、バルクのＩｎＧａＡｓの場合は、点線４１で示すようにエネルギが運動量の２乗に比例する関係を有している。ＩｎＧａＡｓ層を井戸層とする量子井戸構造の場合には、太い実線４２で示すようにエネルギは量子化して階段状のバンド構造となり、電子のフェルミ分布４６との重なり積分より細い実線４３で示すような電子密度をとる。
【００３４】
一方、図２（ｂ）に示すように、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｎ0.125Ａｓ0.875結晶の場合には、Ｗ点付近のエネルギ状態が平坦となっており、窒素を添加した効果が現れている。この、窒素のレベルの存在によりΓ点のエネルギが低下するが、Ｌ点でのエネルギはほとんど低下していない。このことから、Γ点とＬ点のエネルギ差ΔΓLは窒素を添加することで増加することがわかる。後ほど説明するが、このΔΓLが大きいほど電子のドリフト速度の最大値が増加することがわかっており、窒素の添加のメリットが存在している。しかしながら、図３（ｂ）に示すように、Γ点付近を拡大して示すとバルクのＧａＩｎＮＡｓのエネルギ分布４８は、運動量に対しその２乗の関係から外れてきてエネルギの増加量が低下してしまう。これは、窒素原子を添加することにより窒素原子に由来するバンド４７が形成され、その結果、ＩｎＧａＡｓ固有のバンド４１（図３（ａ）参照）とのミキシングが生じてしまうためである。バンドのミキシングが生じた場合には、図３（ｂ）に示すように、窒素原子に由来するバンド４７とＩｎＧａＡｓ固有のバンド４１とが反発するためにＩｎＧａＡｓ固有のバンドが窒素原子に由来するバンド４７に近づくにつれて同一の運動量におけるエネルギが減少してしまう。また、運動量が０の場合でも、窒素原子に由来するバンド４７とＩｎＧａＡｓ固有のバンド４１とのミキシングは存在するために、ＧａＩｎＮＡｓのエネルギ分布４８の曲率は運動量が０であっても大きくなる。
【００３５】
別な観点として電子の有効質量から、窒素原子添加の効果を説明する。バンドの曲率が大きくなることは、電子の有効質量が大きくなることを意味しており、窒素原子に由来するバンド４７のエネルギの運動量依存性は直線的であるため、曲率が大きく、有効質量が大きいことになる。一方、ＩｎＧａＡｓ固有のバンドは曲率が小さいため、有効質量も小さい。従って、窒素原子を添加すると、ＩｎＧａＡｓに有効質量の大きな窒素原子のバンドがミキシングを起こすので、ＧａＩｎＮＡｓの有効質量はＩｎＧａＡｓより大きくなるわけであり、これはＧａＩｎＮＡｓのエネルギ分布４８の曲率が大きくなることと等価となるのである。
【００３６】
次に、窒素原子を添加してバンドの曲率が大きくなったことによる電子デバイスに与える影響に関して説明を行う。ヘテロ構造を有する電子デバイスとして使用する場合には一般的にスペーサ層とチャネル層とのヘテロ界面に電子が局在するために、エネルギ状態は量子化されて、階段状のエネルギ分布を有する。その結果、階段状になっているところで、エネルギが急激に変化するため、その部分で電子の存在できる状態（状態密度）が大きくなる。スペーサ層とチャネル層とのエネルギ差を大きくするほど、また有効質量が小さくなるほど、階段の段数は少なくなる。一方、室温の場合に、電子がどの程度高いエネルギまで存在できるかを示しているのがフェルミ分布４６である。電子の存在できる状態である状態密度に、電子のフェルミ分布の積を取ると特定のエネルギにおける電子密度が求められる。この、電子密度を大きくするには、(1)チャネル層のバンドギャップを小さくして、フェルミレベルに近づけることでフェルミ分布との積を大きくする、(2)階段部のエネルギ差を小さくして、高次の量子レベルをフェルミレベルに近づけることで、フェルミ分布との積を大きくする、(3)有効質量を大きくして状態密度自体を大きくする、という３つの方法がある。チャネル層に窒素原子を添加することにより、(1)バンドギャップが減少する（窒素原子の添加により格子整合するためのＩｎの添加量が増加するためさらにバンドギャップが減少する）、(2)有効質量が大きくなるので段差が減少する、(3)有効質量が大きくなるので状態密度が増加する、といった結果から、窒素原子を添加することにより電子の密度が増加して、大きな電界を印加した場合でも電子がΓ点からＬ点へオーバフローしにくくなるというメリットを有する。これは、チャネル長を短くしていった場合に動作速度が飽和しにくくなったり、ガン発振を生じなくなったりして、極めて有効になる。
【００３７】
以上のように、窒素原子を添加することで、有効質量が増加して移動度は減少するが、ΔΓLが増加し、状態密度が増加するメリットがある。そこで、これらの影響がどの程度期待できるかを定量的に評価した。その結果を図４の表に示す。この表には、その検討において得られた物性値が示されている。これらの物性値を明らかにしたことで、本発明のへテロ電界効果トランジスタの実現や評価が可能となった。電子の弱電界での移動度（ホール移動度）μ１とΔΓLとから電界を印加した場合の電子速度を計算した結果を図５に示す。これから、電子の速度は電界をかけるに従って増加するが、電子速度が最大になる点ｖd以上の電界を印加しても電子速度はかえって低下してしまう。これは、図５左端部に示したように、電界が低い場合には電子は、その有効質量が小さく移動度の大きいΓ点に存在するために、電子速度は電界をかけるにしたがって増加するが、それ以上の電界をかけた場合には電子がＬ点まで溢れ出してしまう。Ｌ点では有効質量ｍ*が大きく移動度が小さいためにトータルの移動度が低下して電子速度も低下することになる。この電子速度の最大値をｖdとして、図４に示してある。図４から明らかなように、電子速度の最大値ｖdは、ＧａＩｎＮＡｓ＜ＧａＡｓ＜ＩｎＰ＜ＩｎＧａＡｓ＜ＩｎＮＡｓ＜ＩｎＡｓの順で大きくなっているが、これはＧａＡｓよりＩｎＰのほうがΔΓLが大きいためであり、ＩｎＧａＡｓやＩｎＡｓはさらにμ1も大きいためである。ここで、ＧａＩｎＮＡｓの場合には、ΔΓLは大きいがμ1が極端に小さくなるために、電子速度の最大値ｖdはＧａＡｓ以下に低下してしまう。一方、ＩｎＮＡｓの場合には、ＩｎＧａＡｓに比べてμ1は低下するもののΔΓLが大きいために、結果的にＩｎＧａＡｓ（ｖd＝３．９６×１０5ｍ／ｓ）より大きいｖd（＝４．４７×１０5ｍ／ｓ）が得られている。その結果、チャネル層をＩｎＧａＡｓ層に代えてＩｎＮＡｓ層とすることで、電子速度が増大し、動作速度が２０％程度改善されることが判明した。
【００３８】
つまり、チャネル層をＩｎＧａＡｓ層に代えてＧａＩｎＮＡｓ層とすると、電子速度が低下して動作速度が低下するが、チャネル層をＩｎＧａＡｓ層に代えてＩｎＮＡｓ層とすると、電子速度が増大して動作速度が２０％程度向上する。それ故、チャネル層を、ＩｎＧａＡｓ層に代えて、ある範囲のＧａの組成比を有するＧａＩｎＮＡｓ層とすることにより、電子速度が増大して動作速度が向上することが判明した。
【００３９】
次に、このＧａＩｎＮＡｓ層におけるＧａ及びＮの組成比の好ましい範囲を説明する。
【００４０】
図６は本発明のチャネル層を構成するＧａＩｎＮＡｓ４元系化合物
におけるＧａ及びＮの組成比（以下、濃度（正確には原子濃度）ともいう）の好ましい範囲を示す図である。
【００４１】
図６に示すように、本件発明者の検討の結果、Ｇａ濃度が０％以上２０％以下の範囲でかつＮ濃度が３％以上１０％以下の範囲である領域(以下、本発明の領域という)６３において、ＩｎＰ基板上に欠陥を生じることなくＧａＩｎＮＡｓ層を成長できることが判った。図６において、符号６１は、ＩｎＰに格子整合するＧａ組成とＮ組成との関係を表す直線を示す。ＧａＩｎＮＡｓの組成を、ＧａｘＩｎ1-ｘＮｙＡｓ1-ｙと表した場合、この直線は、ｘ＝０．４７−６．７ｙとなる。従来はｘ＝０．４７−３ｙ程度といわれており、Ｎ濃度は１５％程度必要とされてきたが、窒素イオンを磁界によるフィルタでマススペクトロメトリーの原理に基づいて、クラスターを形成していないイオンを選別することにより、これを基板表面に均一に供給するとともに、結晶成長温度を最適な温度である５５０℃にすることで、Ｎ原子がＧａＩｎＡｓ中に均一に分散して、より低いＮ原子濃度で、ＩｎＰに格子整合することがわかった。その結果、Ｎ濃度が局所的に増加してバンドギャップが小さくなる現象がなくなり、より少ないＮ濃度で、格子整合とバンドの安定したシフトとが可能になった。特に、Ｎ濃度が３％以上７％以下の場合には、チャネル層に圧縮歪が生じ、１５０００ｃｍ2／Ｖｓ前後のホール移動度が安定して得られた。これは、Ｇａ濃度が２０％以下になると電子の有効質量が急激に減少してホール移動度が増大するためと考えられる。後述する実施の形態１では、ＩｎＰ基板に格子整合する組成を有するＩｎＮ0.07Ａｓ0.93（図６の1)の組成）でチャネル層を構成したが、上記本発明の領域６３の範囲内の組成であれば、１５０００ｃｍ2／Ｖｓ以上の高いホール移動度が得られた。本発明の領域６３は、チャネル層の膜厚を１０ｎｍ以上とするために格子歪が±１．５％以内となるように設定されている。
【００４２】
以上の説明をまとめると、本発明のチャネル層を構成するＧａＩｎＮＡｓのＧａ及びＮの組成比は、Ｇａ濃度が０％以上２０％以下の範囲でかつＮ濃度が３％以上１０％以下の範囲であることが好ましい。Ｇａ濃度が２０％以下になると電子の有効質量が急激に減少してホール移動度が増大するからである。また、Ｎ濃度が３％未満であると、電子速度の増大による動作速度の向上が不十分であり、Ｎ濃度が１０％を越えると、ＩｎＰ基板に対する格子不整合が生じるからである。また、Ｎ濃度が３％以上７％以下の範囲であることがさらに好ましい。この範囲であると、チャネル層に圧縮歪が生じ、高い（ここでは１５０００ｃｍ2／Ｖｓ前後）ホール移動度が安定して得られるからである。
【００４３】
以下、この本発明の概念を具体化した実施の形態を順次説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【００４４】
図１に示すように、このヘテロ電界効果トランジスタは、ＩｎＰ基板２１を有している。ＩｎＰ基板２１の上には、ＩｎＡｌＡｓバッファ層２２、ＩｎＮＡｓチャネル層２３、ＩｎＡｌＡｓ第１スペーサ層２５ａ、ｎ−ＩｎＡｌＡｓキャリア供給層２６、ＩｎＡｌＡｓ第２スペーサ層２５ｂが順に積層されている。ＩｎＡｌＡｓ第２スペーサ層２５ｂの上にはゲート電極を構成する電極２９ａが形成され、電極２９ａの両側に間隔を置いて、ソース電極及びドレイン電極を構成する一対の電極２９ｂ,２９ｃが形成されている。電極２９ｂ,２９ｃは、ＩｎＡｌＡｓ第２スペーサ層２５ｂ上にｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２８を介して形成されている。
【００４５】
次に、このように構成されたヘテロ電界効果トランジスタの製造方法を説明する。
【００４６】
この製造方法においては、ガスソースＭＢＥ(Molecular Beam Epitaxy）法を用いた。原料ガスは、ＰＨ３，ＡｓＨ３，Ｎ２，Ｉｎ，Ｇａ，Ｓｉである。Ｎ２は、プラズマ源でＮ原子に分解して供給している。ＰＨ３とＡｓＨ３は熱により分解して供給している。ＰＨ３を供給しながら５５０℃まで昇温し、半絶縁性ＩｎＰ基板２１上に、ｉ‐ＩｎＡｌＡｓバッファ層（膜厚５００ｎｍ）２２、ＩｎＮＡｓチャネル層（２０ｎｍ）２３、ｉ‐ＩｎＡｌＡｓスペーサ層（５ｎｍ）２５ａ、ｎ+‐ＩｎＡｌＡｓキャリア供給層（１０ｎｍ、ｎ型不純物濃度ｎ＝１０19ｃｍ-3）２６、ｉ‐ＩｎＡｌＡｓスペーサ層（２０ｎｍ）２５ｂ、ｎ+‐ＩｎＧａＡｓコンタクト層（１００ｎｍ）２８を成長した。その後、ゲート領域のコンタクト層２８をエッチングにより除去し、所定の領域にゲート電極、ソース電極、ドレイン電極を構成する電極金属２９ａ，２９ｂ，２９ｃを蒸着によりそれぞれ形成した。ゲート長は０．２μｍとし、ゲート幅は２００μｍとした。その結果、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層を形成した場合のホール移動度が１００００ｃｍ2/Ｖsであるのに対し、本実施の形態では、ホール移動度が１２０００ｃｍ2/Vｓから１５０００ｃｍ2/Vｓの範囲の値になるとともに、ヘテロ電界効果トランジスタの動作速度ｆＴが、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ層を形成した場合には２００ＧＨｚであるのに対し、本実施の形態では、２５０ＧＨｚから３００ＧＨｚの範囲の値に増加することがわかった。
（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。図７において図１と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００４７】
図７に示すように、本実施の形態では、チャネル層が第１のチャネル層としてのＩｎＮＡｓ層２３（膜厚１０ｎｍ）とＩｎＮＡｓ層２３の上に形成された第２のチャネル層としてのＩｎＡｓ層２４（４ｎｍ）との２種類の層で構成されている。その他の点は実施の形態１と同様である。
【００４８】
このように構成した理由は、冒頭で図４及び図５を用いて説明したようにＩｎＡｓ層の方がＩｎＮＡｓ層より電子速度の最大値ｖdが大きいことから、そのようなＩｎＡｓ層の利点を活用するためである。詳しく説明すると、ＩｎＡｓチャネル層２４はＩｎＰ基板２１に対して３％程度の格子不整合を有しているために、４ｎｍ以上の厚みに積層することはできなかった。このように薄いＩｎＡｓ層を第１の従来例のようにＩｎＧａＡｓ層内に形成した場合には、キャリアがＩｎＧａＡｓ層に溢れ出す前にΓ点からＬ点への遷移が発生して動作速度が低下するといった問題があった。ところが、本実施の形態のように、ＩｎＡｓチャネル層２４に隣接してＩｎＡｓチャネル層２４よりもわずかにエネルギが低いＩｎＮ0.03Ａｓ0.97チャネル層２３（図６の2)の組成）を形成すると、ＩｎＡｓチャネル層２４に局在するキャリアがΓ点からＬ点へ遷移する前にＩｎＡｓチャネル層２４からＩｎＮＡｓチャネル層２３にキャリアが溢れ出すため動作速度が低下しないということが確認された。ここで、ＩｎＡｓチャネル層２４よりＩｎＮＡｓチャネル層２３のほうがエネルギ的に0.1ｅＶ程度低いため、キャリアがＩｎＮＡｓチャネル層２３を優先的に走行するように考えられるが、実際にはＩｎＡｓチャネル層２４はバンドギャップの大きいＩｎＡｌＡｓスペーサ層２５と接合しているためにＩｎＡｓチャネル層２４とＩｎＡｌＡｓスペーサ層２５との界面で図８（ａ）に示すようにバンドが曲がるので、電子はＩｎＡｓチャネル層２４とＩｎＡｌＡｓスペーサ層２５との界面に閉じ込められることになる。
【００４９】
またさらに、ＩｎＡｌＡｓスペーサ層２５とＩｎＮＡｓチャネル層２３との間にＩｎＡｓチャネル層２４をはさみ込むことで、結晶成長時にもＮ原子の供給を止めた後にしばらくしてＡｌ原子の供給を開始すれば良く、実施の形態１のようにＩｎＡｌＡｓスペーサ層２５とＩｎＮＡｓチャネル層２３との界面の形成時にＡｌ原子とＮ原子とが同時に供給される状況がなくなるため良好な界面が形成される。その理由は、ＡｌとＮが同時に存在した場合には高抵抗の絶縁体であるＡｌＮが形成されるために、界面に多くの不純物準位が形成されるが、本実施の形態の場合には、ＡｌとＮとが同時に存在しないのでＡｌＮが形成されないためと考えられる。
【００５０】
ところで、実施の形態１及び２ではＩｎＮＡｓのＮ濃度を一定としたが、いずれの実施の形態においてもＩｎＮＡｓチャネル層のなかで基板側から表面側に向ってＮ濃度を低減する（厚み方向において表面に近づくに連れてＮ濃度が低くなるようにする）ことにより、図８（ｂ）に示すようなバンド構造となり、特に、実施の形態２では、不必要にキャリアがＩｎＡｓチャネル層２４からＩｎＮＡｓチャネル層２３に流れ出すことを抑制することができた。
【００５１】
また、本実施の形態ではキャリア供給層を、ＩｎＡｌＡｓにＳｉを１原子層につき５×１０12ｃｍ-2添加したδドープ領域２６で形成した。その結果、ホール移動度は２００００ｃｍ2／Ｖｓに増加するとともに、ヘテロ電界効果トランジスタの動作速度ｆTが4００〜４５０ＧＨｚに増加することがわかった。
【００５２】
なお、本実施の形態の変形例として、図９に示すようにδドープ領域からなる第１，第２キャリア供給層２６ａ，２６ｂを、ＩｎＡｌａｓからなる第１，第２スペーサ層２５ａ，２５ｂをそれぞれ介して、ＩｎＮＡｓチャネル層２３及び第１，第２ＩｎＡｓチャネル層２４ａ，２４ｂからなるチャネル層の両側に形成し、さらにＩｎＮＡｓチャネル層２３の両側に第１，第２ＩｎＡｓチャネル層２４ａ，２４ｂを形成したダブルチャネル構造を採用してもよい。なお、第１キャリア供給層２６ａとＩｎＡｌＡｓバッファ層２２との間にはＩｎＡｌＡｓ第３スペーサ層２５ｃが形成され、第２キャリア供給層２６ｂの上にＩｎＡｌＡｓ第４スペーサ層２５ｄが形成されている。この構造の場合には、チャネル数の増加により流れる電流量が増加するために、単一ゲートで５００ｍＡ程度の電流範囲まで５００ＧＨｚ程度の高速動作が実現された。また、このようにＩｎＮＡｓ層２３を挟むように一対の第１，第２ＩｎＡｓ層２４ａ，２４ｂを形成することにより、第１，第２ＩｎＡｓ層２４ａ，２４ｂから溢れたキャリアがＩｎＮＡｓ層２３に流入してＩｎＮＡｓ層２３内にも実質的にチャネルが形成され、それによる電流もこの電流量の増大に寄与していることがわかった。
（参考例１）
図１０（ａ）は参考例１に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のチャネル層近傍のエネルギ状態を示す図である。図１０（ａ）において図７と同一符号は同一又は相当する部分を示す。
【００５３】
図１０（ａ）に示すように、本参考例１では、第１のチャネル層として、実施の形態２のＩｎＮＡｓチャネル層２３に代えて、ＧａＩｎＮＡｓチャネル層２３が形成されている。その他の点は実施の形態２と同様である。
【００５４】
実施の形態２では、結晶成長を容易にするために第１のチャネル層をＩｎＮＡｓ層２３としたため、図８（ａ）に示すようにキャリアがＩｎＡｓ層２４から溢れ出す心配があった。そこで、本参考例１ではＩｎＮＡｓチャネル層２３に代えて、ＩｎＮＡｓにＧａを添加したＧａＩｎＮＡｓチャネル層２３とすることで、バンドギャップを大きくすることを試みた。
【００５５】
図６にＩｎＡｓと同じエネルギギャップとなるエネルギ等高線６４を記入したが、本発明の領域６３のうちでエネルギがエネルギ等高線６４以上となる領域、すなわちＧａ濃度がＮ濃度の３倍以上（ｘ≧３ｙ）となる領域では、ＧａＩｎＮＡｓ層のエネルギのほうがＩｎＡｓ層のエネルギより大きくなることがわかった。その結果、図１０（ｂ）にエネルギ状態を示すように、ＩｎＡｓチャネル層２４（以下、単に「ＩｎＡｓ層」ということがある）からＧａＩｎＮＡｓ層２３へのキャリアの溢れ出しが抑制されることがわかった。また、ＧａＩｎＮＡｓ層２３の組成を、例えば、Ｇａ0.1Ｉｎ0.9Ｎ0.03Ａｓ0.97（図６の3)の組成）として、Ｇａ濃度を０．１以上にすることにより、単一ゲートで６００ｍＡ程度の大電流の範囲まで５００ＧＨｚ程度の高速動作が実現されることがわかった。なお、ＧａＩｎＮＡｓ層を１０ｎｍ、ＩｎＡｓ層を４ｎｍの厚みにそれぞれ形成した。
【００５６】
次に、本参考例１の変形例を説明する。第１の変形例として、ＧａＩｎＮＡｓチャネル層２３に代えて、厚み２ｎｍのＩｎＡｓ層と厚み３ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ層とを交互に３層ずつ積層してなるＧａＩｎＮＡｓ／ＩｎＡｓＭＱＷチャネル層２３を形成した。このような構成するとことにより、上述の構成よりわずかに良い結果が得られた。従って、ＩｎＡｓ層を複数層積層することが可能となり、設計条件の範囲が拡大された。
【００５７】
この場合、ＧａＩｎＮＡｓを、Ｇａ0.1Ｉｎ0.9Ｎ0.03Ａｓ0.97の組成（図６の3)の組成
）とすると１％の圧縮歪が導入されるが、Ｇａ0.16Ｉｎ0.84Ｎ0.05Ａｓ0.95の組成（図６の4)の組成）とするとＩｎＰに格子整合した条件で、ＩｎＡｓと同じバンドギャップとすることができる。
【００５８】
ここで、ＧａＩｎＮＡｓは、ＩｎＡｓに比べて伝導帯のバンドの変化量が大きいことがわかっており、ＧａＩｎＮＡｓとＩｎＡｓとの伝導帯のバンドギャップを同一にすべく、Ｇａ0.2Ｉｎ0.8Ｎ0.045Ａｓ0.955の組成（図６の5)の組成）とした。その結果、キャリアのＧａＩｎＮＡｓ層への染み出しが抑制されて、動作速度が１０％程度向上することがわかった。
【００５９】
また、このＭＱＷチャネル層２３において、ＧａＩｎＮＡｓ層に代えて、下記組成のＩｎＮＡｓ層を形成してもよい。すなわち、ＩｎＡｓ層には圧縮歪が導入されるため、ＩｎＮＡｓ層に引張歪を導入することで、複数のＩｎＡｓチャネル層を安定して積層することが可能となる。ＩｎＮＡｓ層としては、１％の圧縮歪が導入されるＩｎＮ0.1Ａｓ0.9の組成（図６の6)の組成）までは安定して積層構造を成長できることがわかった。
【００６０】
以上に示したように、ＩｎＡｓ層とＧａＩｎＮＡｓ層とを積層して使用する場合においても、Ｇａ濃度が０から２０％で、Ｎ濃度が３％から１０％の範囲であれば、動作速度の向上が図れることがわかった。
【００６１】
以上の参考例１、すなわち、図６に示すチャネル層の組成ではＩｎＡｓＮにＧａを添加することでバンドギャップの増大を実現したが、ＩｎＡｓＮにＰを添加してＩｎＡｓ１−ｙ−ｘＮｙＰｚすることでもバンドギャップが増大する。Ｐの場合もＧａと同様の依存性を持っているためにＰ組成をＮ濃度の３倍程度（ｚ＝３ｙ）とする必要があることがわかった。Ｎ濃度の上限はＩｎＡｓ１−ｙ−ｚＮｙＰｚにおいても１０％以下であるため、０．０３＜ｙ＜０．１、０＜ｚ＜０．３となる。この場合は、結晶成長を行う場合に第１チャネル層の成長後にＰを完全に除去する必要があるために、成長時間が長くなるという問題はあるが、バンドギャップの変化のうち伝導帯側の変化が大きく出るために、動作電流をわずかに大きくすることが可能となった。
【００６２】
また、図６に示すＧａＩｎＮＡｓチャネル層の組成において、ＡｓをＳｂに置き換えてもよい。ＩｎＡｓに比べてＩｎＳｂのほうがより移動度が大きいためにＨＥＭＴの高速化が実現される。ＧａＩｎＮＳｂチャネル層は、ＧａＩｎＮＡｓ層の場合に比べてさらに効果的と考えられる。
【００６３】
また、本参考例１の第２の変形例として、図１１に示すようにδドープ領域で構成された第１，第２キャリア供給層２６ａ，２６ｂを、ＩｎＡｌａｓからなる第１，第２スペーサ層２５ａ，２５ｂをそれぞれ介して、ＧａＩｎＡｓチャネル層２３、第１，第２ＩｎＡｓチャネル層２４ａ，２４ｂの両側に形成し、ＧａＩｎＮＡｓチャネル層２３の両側に第１，第２ＩｎＡｓチャネル層２４ａ，２４ｂを形成したダブルチャネル構造（すなわち、図９のダブルチャネル構造において、ＩｎＮＡｓチャネル層２３をＧａＩｎＮＡｓチャネル層２３で置換した構造）を採用することができる。
【００６４】
この場合には、チャネル数の増加により流れる電流量が増加することがわかった。
（実施の形態４）
図１２は本発明の実施の形態４に係る送受信装置の構成を示すブロック図である。
【００６５】
本実施の形態は、実施の形態１乃至３のヘテロ電界効果トランジスタを用いた送受信装置を例示している。
【００６６】
図１２において、送受信装置３０２はここでは無線端末である。この送受信装置３０２は、アンテナ３２１と、アンテナ３２１からの受信電波信号を増幅する受信増幅部３１２と、送信電波信号を増幅してこれをアンテナ３２１に送出する送信増幅部３１３と、受信増幅部３１２からの受信電波信号から受信信号を取り出しかつ送信信号を搬送波に重畳して送信電波信号を生成しこれを送信増幅部３１３に送出する制御部３２５とを備えている。
【００６７】
そして、受信増幅部３１２及び送信増幅部３１３のアンプ等に実施の形態１乃至３のヘテロ電界効果トランジスタが使用されている。このヘテロ電界効果トランジスタは上述の通り、従来例に比べて高速動作が可能であるため、本実施形態の送受信装置３０２は、従来例より高い周波数（例えばテラヘルツの周波数帯）にも好適に使用することができる。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明に係るヘテロ電界効果トランジスタは、高周波送受信装置に用いられる半導体素子等として有用である。
【００６９】
また、本発明に係るヘテロ電界効果トランジスタの製造方法は、高周波送受信装置に用いられる半導体素子等の製造法として有用である。
【００７０】
また、本発明に係る送受信装置は、無線端末等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の実施の形態１に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図２】バンド構造を示す図であって、図２（ａ）はＩｎＧａＡｓのバンド構造を示す図、図２（ｂ）はＧａＩｎＮＡｓのバンド構造を示す図である。
【図３】図２のバンド構造におけるエネルギ状態を示す図であって、図３（ａ）は図２（ａ）のΓ点のエネルギ状態を拡大して示す図、図３（ｂ）は図２（ｂ）のΓ点のエネルギ状態を拡大して示す図である。
【図４】各種化合物半導体の結晶体における物性値を示す表である。
【図５】各種化合物半導体の結晶体における電子速度と電界との関係を示す図である。
【図６】本発明のチャネル層を構成するＧａＩｎＮＡｓ４元系化合物におけるＧａ及びＮの組成比の好ましい範囲を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図８】図７のヘテロ電界効果トランジスタのチャネル層近傍のエネルギ状態を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２の変形例に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す図であって、図１０（ａ）は断面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）のチャネル層近傍のエネルギ状態を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２の第２の変形例に係るヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態４に係る送受信装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】第１の従来例のヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【図１４】第２の従来例のヘテロ電界効果トランジスタの構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  電極金属
２  ＩｎＧａＡｓキャップ層
３  ＩｎＡｌＡｓキャリア供給層
４  ＩｎＡｌＡｓスペーサ層
５  ＩｎＧａＡｓチャネル層
６  ＩｎＡｌＡｓバッファ層
７  ＩｎＰ基板
１１  ＧａＡｓ基板
１２  ＧａＡｓバッファ層
１３  ＧａＩｎＮＡｓチャネル層
１４  ＡｌＧａＡｓキャリア供給層
１６  ＡｌＧａＡｓスペーサ層
１８  電極金属
２１  ＩｎＰ基板
２２  ＩｎＡｌＡｓバッファ層
２３  ＩｎＮＡｓチャネル層等
２４  ＩｎＡｓチャネル層
２５  ＩｎＡｌＡｓスペーサ層
２６  ｎ−ＩｎＡｌＡＳキャリア供給層，δドープ領域
２８  ｎ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２９  電極
３４  伝導帯
３５  フェルミ準位
４１  エネルギと運動量の関係
４２  量子井戸におけるエネルギ状態
４３  電子の密度
４６  フェルミ分布
４７  ＧａＩｎＮＡｓにおける窒素原子によるバンド
４８  ＧａＩｎＮＡｓにおけるエネルギと運動量の関係
４９  ＧａＩｎＮＡｓにおける量子井戸におけるエネルギ状態
５０  ＧａＩｎＮＡｓにおける電子の密度
６０  GaAs基板上
６１  InP基板上
６２  バンドギャップの窒素濃度依存性
６３  本発明の領域
３０２  送受信装置
３２１  アンテナ
３２２  受信増幅部
３２３  送信増幅部
３２５  制御部
【図１】
0003667331.tif 000002
【図２】
0003667331.tif 000003
【図３】
0003667331.tif 000004
【図４】
0003667331.tif 000005
【図５】
0003667331.tif 000006
【図６】
0003667331.tif 000007
【図７】
0003667331.tif 000008
【図８】
0003667331.tif 000009
【図９】
0003667331.tif 000010
【図１０】
0003667331.tif 000011
【図１１】
0003667331.tif 000012
【図１２】
0003667331.tif 000013
【図１３】
0003667331.tif 000014
【図１４】
0003667331.tif 000015