(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペーサ層、第１キャリア供給層、第２キャリア供給層、第１チャネル層および第２チャネル層を具える高電子移動度トランジスタにおいて、
前記第２キャリア供給層をｎ−ＡｌＧａＡｓ層とし、前記第２キャリア供給層上に前記スペーサ層であるｉ−ＡｌＧａＡｓ層が積層され、前記スペーサ層上に前記第１チャネル層であるｉ−ＩｎＧａＡｓ層が積層され、前記第１チャネル層上に前記第２チャネル層であるｉ−ＧａＡｓ層が積層され、前記第２チャネル層上に前記第１キャリア供給層であるｎ−ＡｌＧａＡｓ層が積層されており、
前記第２チャネル層の膜厚が１０〜１００Åであることを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、化合物半導体素子、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高電子移動度トランジスタ（以下、ＨＥＭＴと称する。）は、２次元電子ガス（２  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｇａｓ；以下、２ＤＥＧと称する場合がある。）を利用する素子であり、ヘテロ構造を有した化合物半導体素子である。従来のＨＥＭＴの構造は、例えば文献「Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  Ｌａｔｔｉｃｅ−Ｍａｔｃｈｅｄ  ａｎｄ  Ｓｔｒａｉｎｅｄ  Ｉｎｄｉｕｍ  Ｇａｌｌｉｕｍ  Ａｒｓｅｎｉｄｅ，ｐ２９０，ＩＮＳＰＥＣ（１９９３）」に開示されている通りである。この文献の構成例は、半絶縁性ＧａＡｓ基板に歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層をチャネルとする歪格子（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ  ）ＨＥＭＴ構造である。ＩｎＧａＡｓチャネル層の上にはノンドープＡｌＧａＡｓ（ｉ−ＡｌＧａＡｓ）スペーサ層およびＳｉドープＡｌＧａＡｓ（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）キャリア供給層が順次に設けられており、通常、このような構造のＨＥＭＴは順構造型ＨＥＭＴと呼ばれている。この他に、チャネル層の下にキャリア供給層が設けられた構造の逆構造型ＨＥＭＴや、チャネル層の上下にキャリア供給層が設けられた構造のダブルヘテロ型ＨＥＭＴ（ダブルドープ型ＨＥＭＴとも呼ばれる。）等が知られている。一般に逆構造型ＨＥＭＴはピンチオフ特性が優れており、ダブルヘテロ型ＨＥＭＴはキャリアの密度が高いから高出力用に向いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＨＥＭＴを構成するキャリア供給層とチャネル層との間には、２次元電子の移動度を高めるためにスペーサ層が挿入されて設けられていることが多い。例えば、キャリア供給層をｎ−ＡｌＧａＡｓ層とし、チャネル層をｉ−ＩｎＧａＡｓ層とする文献の構成例の場合には、キャリア供給層とチャネル層とのＳｉ不純物のドーピングの選択性をより効果的にするために、スペーサ層としてｉ−ＡｌＧａＡｓ層が設けられる。このように、スペーサ層を設けることにより、キャリア供給層の不純物に伴うクーロン散乱の影響をさらに低減させることができるから、チャネル層を移動する２次元電子の移動度を高めることになる。一般に２次元電子の移動度は、スペーサ層の厚さに伴い増大することが知られている。
【０００４】
しかしながら、２次元電子の移動度を高める目的でスペーサ層を厚くすると２ＤＥＧ密度が減少してしまうといった問題があった。このことは、理論的にも実験的にも判明している。これは障壁となるキャリア供給層の伝導帯（およびこれに付随するドナー準位）が、スペーサ層中のフェルミ準位に近づく（または交差する）ために生じるものである。よって、高い移動度を利用しようとしても２ＤＥＧ密度が低ければ、オーミックコンタクトを形成するのも難しく、デバイスに応用することが困難である。
【０００５】
従って、従来より、２ＤＥＧ密度が高く、かつ、高い移動度を示すＨＥＭＴの出現が望まれていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の高電子移動度トランジスタによれば、スペーサ層、第１キャリア供給層、第２キャリア供給層、第１チャネル層および第２チャネル層を具える高電子移動度トランジスタにおいて、前記第１キャリア供給層と前記第１チャネル層との間に第２チャネル層を具え、前記第２キャリア供給層をｎ−ＡｌＧａＡｓ層とし、前記第２キャリア供給層上に前記スペーサ層であるｉ−ＡｌＧａＡｓ層が積層され、前記スペーサ層上に前記第１チャネル層であるｉ−ＩｎＧａＡｓ層が積層され、前記第１チャネル層上に前記第２チャネル層であるｉ−ＧａＡｓ層が積層され、前記第２チャネル層上に前記第１キャリア供給層であるｎ−ＡｌＧａＡｓ層が積層されており、前記第２チャネル層の膜厚が１０〜１００Åであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。尚、図は、この発明の構成の形状、大きさおよび配置関係が理解できる程度に概略的に示しているに過ぎず、また、以下に記載する数値条件等は単なる一例であり、従って、この発明は、この実施の形態に何ら限定されることはない。
【００１２】
図１は、この実施の形態の構成を示す断面図である。この実施の形態の構成例はダブルヘテロ構造のＨＥＭＴであり、二層のキャリア供給層を具えている。下地１０として、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２、ｉ−ＧａＡｓバッファ層１４およびｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層１６が順次に積層された構造を具えており、この下地１０の上側にＨＥＭＴ構造が形成されている。先ず、ｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層１６の上にはｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層１８が積層されており、以下、ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層２０、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４およびｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６が順次に積層されている。このように、この実施の形態の構成例は、第１チャネル層としてｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２を、第２チャネル層としてｉ−ＧａＡｓチャネル層２４を、およびキャリア供給層としてｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６を具えた構成である。尚、第１および第２チャネル層２２および２４は、歪量子井戸構造としてある。
【００１３】
上述の各層は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の上側に分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法によって形成される。また、各層の膜厚は下記の通りに設定されている。
【００１４】
ｉ−ＧａＡｓバッファ層１４          １０００Å
ｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層１６      １０００Å
ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層１８    １００Å
ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層２０          ４０Å
ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２        １００Å
ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４              ５０Å
ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６    ５００Å
尚、ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層１８およびｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６の不純物ドープ量は３×１０１８ｃｍ−３としてある。また、上述の各ＡｌＧａＡｓ層１６、１８、２０および２６のＡｌ組成はＤＸセンターの制限によりＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ａｓと表したときにｘ＝０．２８であり、ＩｎＧａＡｓ層２２のＩｎ組成は格子整合の関係からＩｎｘ  Ｇａ１−ｘ  Ａｓと表したときにｘ＝０．２としてある。
【００１５】
ここで、ＤＸセンターとはＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  ＡｓにＳｉなどの不純物をドーピングしてｎ型半導体を作るとき、ｘ＝０．３より大きいｘの範囲では、ｘの増大とともにドナーレベルが次第に伝導帯底のエネルギレベルから見て、深くなってゆく現象をいう。
【００１６】
このように組成を設定したときに、ミスフィット転移を生じさせずにＩｎＧａＡｓ層２２を良好な結晶状態で成長させるために、ＩｎＧａＡｓ層２２の膜厚は上述の通りに１００Åとしている（１５０Åが限界である。）。さらに、ｉ−ＧａＡｓバッファ層１４には２ＤＥＧが発生しないようにするために、ｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層１６の膜厚は１０００Åと十分に厚く形成しており、ｉ−ＧａＡｓ層１４とｎ−ＡｌＧａＡｓ層１８との距離を十分に取っている。
【００１７】
また、ソース電極２８およびドレイン電極３０をオーミックコンタクトとなるように形成するため、これら電極２８および３０とｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６との間に１０００Åのｎ＋  −ＧａＡｓキャップ層３２を挿入してある。このｎ＋  −ＧａＡｓキャップ層３２には、４×１０１８ｃｍ−３の不純物をドープしてある。電極２８および３０は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ層（ＡｕＧｅ、ＮｉおよびＡｕがこの順に積層された層）を用いている。また、所望のしきい値で動作するＨＥＭＴを構成するために、ソース電極２８およびドレイン電極３０間の領域に、ｎ＋  −ＧａＡｓキャップ層３２からｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６の中途にかけてリセス構造を形成しており、そこにゲート電極３４としてＴｉ／Ａｌ層（ＴｉおよびＡｌがこの順に積層された層）が設けられている。
【００１８】
図２は、この実施の形態の構成例のエネルギ状態を示す図である。図は、図中の縦方向にエネルギの高さを取ってあり、図中の横方向にＨＥＭＴを構成する各層１２〜２６の領域を取ってある。実線ａは、各層１２〜２６のコンダクションバンド端ＥＣ  を表しており、破線ｂはフェルミレベルＥＦ  を表している。特に、ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６のコンダクションバンド端をＥＣ１で表し、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２のコンダクションバンド端をＥＣ２で表し、およびｉ−ＧａＡｓチャネル層２４のコンダクションバンド端をＥＣ３で表している。破線ｃは第１チャネル層２２において発生した２ＤＥＧの密度を図中の縦方向の高さで表しており、破線ｄは第２チャネル層２４において発生した２ＤＥＧの密度を図中の縦方向の高さで表している。
【００１９】
このように、第２チャネル層２４のコンダクションバンド端ＥＣ３を、ＥＣ１＞ＥＣ３＞ＥＣ２となるように設定してあることにより、第２チャネル層であるｉ−ＧａＡｓチャネル層２４にも２ＤＥＧが形成されるようになる。２ＤＥＧが形成されやすくするためには、ＥＣ１およびＥＣ３（およびＥＣ２）間のエネルギ差を大きく設定しておきたいが、このためには、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層のＩｎの組成比ｘを高く取ればよい。しかし、前述したようにミスフィット転移の問題があるためにｘ＝０．２〜０．３の範囲に設定しておくのがよい。
【００２０】
図３は、この実施の形態において発生した２ＤＥＧの移動度および密度のｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚依存性を示すグラフである。図の横軸にはｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚をÅ単位で０〜１００の範囲で取ってあり、図の左側の縦軸には移動度を１０３  ｃｍ２  ・Ｖ−１・ｓ−１単位で０〜１０の範囲で取ってあり、図の右側の縦軸には密度を１０１２ｃｍ−２単位で０〜４の範囲で取ってある。実施の形態の構成例の各データは、移動度を記号○で、および密度を記号□でグラフ上にプロットしている。尚、図中には比較のために、従来の構成例（すなわち、実施の形態の構成例においてｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の代わりにｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層を設けた構成例）における２ＤＥＧの移動度および密度のｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の膜厚依存性を示してある。従来の構成例の各データは、移動度を記号△で、および密度を記号▽でグラフ上にプロットしている。これらの測定は、室温（２５℃）で行われた。また、測定値を、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４またはｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の膜厚と移動度および密度との関係として表１に示してある。尚、測定は、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚を５０Åおよび１００Åに設定して行い、また、ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の膜厚を１０Å、２０Åおよび４０Åに設定して行った。また、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４またはｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層を設けていない場合についても移動度および密度の測定を行い、その結果を膜厚が０Åの場合の測定結果として表１および図３に示している。
【００２１】
【表１】
0003625954.tif 000002
【００２２】
図３および表１から明らかなように、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚が０〜５０Åのときには２ＤＥＧの移動度が５．６６×１０３  ｃｍ２  ・Ｖ−１・ｓ−１から６．９３×１０３  ｃｍ２  ・Ｖ−１・ｓ−１にまで増加しており、従来の構成におけるｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の膜厚依存性と同様の傾向が現れていることが理解される。一方、２ＤＥＧの密度について実施の形態例（記号□）と従来（記号▽）とを比較した場合に、例えば、ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の膜厚が４０Åのときには密度が３．０１×１０１２ｃｍ−２であるのに対し、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚が５０Åのときには３．３１×１０１２ｃｍ−２となっており、実施の形態例の方が密度の減少が小さいことが分かる。
【００２３】
図３（および表１）の測定結果は、定性的に以下のように説明される。この実施の形態では、ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６とｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２との間に、両者の伝導帯のバンド不連続間に伝導帯があるようなｉ−ＧａＡｓチャネル層２４を従来のｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の代わりに設けた。このｉ−ＧａＡｓチャネル層２４は、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２にとっては従来のスペーサ層のように働く。従って、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚の増加に伴って２ＤＥＧの移動度は高くなる。しかしながら、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４にも２ＤＥＧが形成されるため、この層の膜厚を大きくし過ぎると（この実施の形態では５０Å以上にすると）、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４に形成された比較的低い移動度の２ＤＥＧが全体の移動度に反映して、全２ＤＥＧの移動度が低くなってしまう。
【００２４】
一方、従来のｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層には２ＤＥＧが形成されないが、この実施の形態の構成例のｉ−ＧａＡｓチャネル層２４には２ＤＥＧが形成されているため、従来の構成例に比べて２ＤＥＧの密度が高くなっている。このように、キャリアとしての２ＤＥＧの密度が増大するため、ＨＥＭＴ素子の高周波特性が増大し、高出力用としての使用に供することが可能になる。前述の移動度との兼ね合いから、この実施の形態の構成例においてはｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚を１０〜１００Åの範囲に設定したときが好適であり、例えば、膜厚が５０Åのときには移動度が６．９３×１０３  ｃｍ２  ・Ｖ−１・ｓ−１であり、密度が３．３１×１０１２ｃｍ−２である。
【００２５】
この実施の形態では、ＨＥＭＴの構成例として、ダブルヘテロ構造を用いて説明したが、これに限られることなく、順構造型や逆構造型であっても同様の効果を奏する。
【００２６】
図４は、順構造型のＨＥＭＴの構成を示す断面図である。この構成例は、キャリア供給層がｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６の一層だけであり、このキャリア供給層２６の下側にｉ−ＧａＡｓチャネル層２４があり、その下にｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２が設けられている構成となっている。また、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２は、ｉ−ＧａＡｓバッファ層１４の上に形成されている。さらに、ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６の上にはｎ＋  −ＧａＡｓキャップ層３２を介してソース電極２８およびドレイン電極３０が設けられており、これらの電極２８および３０間のリセス構造が形成されている領域にゲート電極３４がｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６の一部に接して設けられている。以上説明した構造は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の上側に形成されている。
【００２７】
先に説明したダブルヘテロ構造型のＨＥＭＴの構成例に比べれば、キャリア供給層が一層少ないのでその分だけ２ＤＥＧの密度が小さくなることが予測される。しかしながら、従来の順構造型のＨＥＭＴ（ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の代わりにｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層が設けられた構成のＨＥＭＴ。）と比べてみれば、この構成例の場合にはｉ−ＧａＡｓチャネル層２４にも２ＤＥＧが形成されるから、その分だけ全体の２ＤＥＧの密度は高くなっている。
【００２８】
また、図５は、逆構造型のＨＥＭＴの構成を示す断面図である。この構成例は、下地１０（半絶縁性ＧａＡｓ基板１２、ｉ−ＧａＡｓバッファ層１４およびｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層１６）の上にｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６を形成しており、その上にｉ−ＧａＡｓチャネル層２４およびｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２およびｎ−ＧａＡｓショットキーコンタクト層２１を、この順に設けた構成である。そして、ｎ−ＧａＡｓショットキーコンタクト層２１の上にはｎ＋  −ＧａＡｓキャップ層３２を介して、ソース電極２８およびドレイン電極３０が設けられており、また、これらの電極２８および３０間のリセス構造が形成されている領域にゲート電極３４がｎ−ＧａＡｓショットキーコンタクト層２１の一部に接して設けられている。
【００２９】
このように、逆構造型にした場合には、一般にピンチオフ特性が優れていることが知られている。逆構造型にした場合にも、従来ではｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層が設けられるべき箇所にｉ−ＧａＡｓチャネル層２４を設けることによって、このｉ−ＧａＡｓチャネル層２４に２ＤＥＧを発生することができるから全体の２ＤＥＧの密度を増大させることが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
この発明のＨＥＭＴによれば、従来のスペーサ層の代わりに第２チャネル層を設けることにより、この層にも２ＤＥＧが形成される結果、全体の２ＤＥＧの密度を従来に比べて高めることが可能になる。また、第２チャネル層の膜厚の範囲を適当に設定することにより、高移動度でかつ密度の低下が少ない２ＤＥＧが得られる。従って、ＨＥＭＴの素子特性（例えば高周波特性）が向上するといった顕著な効果を奏するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の構成を示す図である。
【図２】実施の形態のエネルギ状態を示す図である。
【図３】２ＤＥＧの移動度および密度のｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚依存性を示す図である。
【図４】実施の形態の構成を示す図である。
【図５】実施の形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０：下地
１２：半絶縁性ＧａＡｓ基板
１４：ｉ−ＧａＡｓバッファ層
１６：ｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層
１８：ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層
２０：ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層
２１：ｎ−ＧａＡｓショットキーコンタクト層
２２：ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層
２４：ｉ−ＧａＡｓチャネル層
２６：ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層
２８：ソース電極
３０：ドレイン電極
３２：ｎ＋  −ＧａＡｓキャップ層
３４：ゲート電極
【図１】
0003625954.tif 000003
【図２】
0003625954.tif 000004
【図３】
0003625954.tif 000005
【図４】
0003625954.tif 000006
【図５】
0003625954.tif 000007