(57)【要約】【課題】ＩｎＧａＡｓチャネル層とＡｌＧａＡｓキャリア供給層の間の構造を工夫することにより、電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハ又は電界効果トランジスタのチャネル電子移動度とシートキャリア濃度を向上させることを可能にする。【解決手段】半絶縁性基板上に少なくともＡｌＧａＡｓキャリア供給層とＩｎＧａＡｓ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ェハにおいて、ＩｎＧａＡｓチャネル層とＡｌＧａＡｓキャリア供給層の間に、ＩｎＧａＡｓチャネル層に接するかたちで、Ｉｎ組成を徐々に変化させたグレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層を挿入し、このグレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層のＩｎ組成を、ＩｎＧａＡｓチャネル層から遠ざかる方向にチャネルＩｎ組成から０まで変化させた構造とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性基板上に少なくともＡｌＧａＡｓキャリア供給層とＩｎＧａＡｓ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ェハにおいて、
ＩｎＧａＡｓチャネル層とＡｌＧａＡｓキャリア供給層の間に、ＩｎＧａＡｓチャネル層に接するかたちで、Ｉｎ組成を徐々に変化させたグレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層を挿入し、
このグレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層のＩｎ組成を、ＩｎＧａＡｓチャネル層から遠ざかる方向にチャネルＩｎ組成から０まで変化させた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ェハ。
【請求項２】
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ェハにおいて、
上記グレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層の厚さが１nm〜３nmの範囲内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ェハ。
【請求項３】
上記請求項１又は２に記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハを用いて作製したことを特徴とする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用エピタキシャルウェハ及びそれから作製した電界効果トランジスタに係り、特に、ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：高電子移動度トランジスタ）構造のエピタキシャルウェハに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓに代表される化合物半導体は、高い電子飽和速度を持つ材料であるため、超高速半導体デバイスおよびＩＣへの応用を目指した研究開発が各所で行われている。この中でも、異なる材料間で形成される接合（ヘテロ接合）を利用することによりさらに電子飽和速度を高めたＨＥＭＴは、マイクロ波帯の増幅素子や超高速のスイッチング素子として期待され、研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
ＨＥＭＴの種類としては、チャネル層に使用する材料により、ＧａＡｓを用いたＣ−ＨＥＭＴ（Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ−ＨＥＭＴ）と、ＩｎＧａＡｓを用いたひずみ系のｐＨＥＭＴ（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ  ＨＥＭＴ）に分かれる。現在主流はｐＨＥＭＴである。
【０００４】
このｐＨＥＭＴをキャリア供給層の材料から見ると、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ系に分かれる。現在最も多く使われているのはＡｌＧａＡｓ系である。この材料はＧａＡｓに格子整合し、且つＡｌ混晶比を変えることでバンド間エネルギーギャップを容易に制御できる。
【０００５】
また、キャリア供給層の総数に注目すると、キャリア供給層がＩｎＧａＡｓチャネル上に一層のもの（単層ＨＥＭＴ）と、チャネル下にもキャリア供給層を有したダブルヘテロタイプ（ここではＤ−ＨＥＭＴと呼ぶ）に分けられる。前者は最もポピュラーな構造で、この構造によるトランジスタは、衛星放送のコンバータに不可欠な低雑音アンプ用として広く普及している。
【０００６】
一方、Ｄ−ＨＥＭＴはデジタル通信用高出力アンプとして、ここ数年盛んに研究・開発され、実用化も急速に進み、現在最も普及しているタイプである。この構造では、上下両方から電子が供給されることから、シートキャリア濃度の高いチャネルが実現できる。この薄型ウェハを使用すれば、デジタル方式のトランジスタにおいて低ひずみで非常に高い電力が得られる。
【０００７】
図４に従来技術によるＤ−ＨＥＭＴ構造のＧａＡｓエピタキシャルウェハの一例を示す。
【０００８】
図示するように、従来のＤ−ＨＥＭＴ構造は、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層５をはさんで上下にｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層３、７を配し、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層５と上下のｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層３、７との間にｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層４、６が挿入されているものが一般的である。すなわち、下地として半絶縁性ＧａＡｓ基板１およびｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層２を備え、この上側にｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層３、ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層４、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層５、ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層６およびｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層７を積層させてダブルヘテロ構造型ＨＥＭＴを構成している。そして、このダブルヘテロ構造の上に、ｉ−ＡｌＧａＡｓショットキー層８、ｎ−ＧａＡｓコンタクト層９を設けている。なお、図４におけるエピタキシャル層名称中のｎ−、ｉ−はエピタキシャル層がそれぞれｎ型、半絶縁性であることを表している。
【０００９】
ここでｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層４、６は、キャリア（電子）が走行するｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層５とｎ型不純物がドーピングされたｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層３、７を空間的に確実に分離するために挿入されている。このｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層４、６の効果により、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層５を走行するキャリア（電子）はｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層３、７のイオン化した不純物からの散乱を受けにくくなるため、結果としてキャリア（電子）の移動度が向上する。
【００１０】
従来、ヘテロ界面の界面特性を向上させる手段として、スペーサ層の厚さを、電子供給層のドナーイオンとチャネル層の二次電子ガスとの間に十分な空間的距離を確保する厚さ（３０オングストローム）とすることが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−１０２１９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、ＨＥＭＴ構造ＧａＡｓエピタキシャルウェハの良否を決める最も重要な特性は、チャネル電子移動度とシートキャリア濃度である。このチャネル電子移動度とシートキャリア濃度が高いほど、そのエピタキシャルウェハを用いて制作したデバイスの特性を向上させることができるためである。近年、デバイスの特性を向上させる目的のため、ＨＥＭＴ構造ＧａＡｓエピタキシャルウェハのチャネル電子移動度およびシートキャリア濃度向上の要求が強まってきている。
【００１２】
しかしながら、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層中のＩｎ原子は、エピタキシャル結晶成長中に上下のＡｌＧａＡｓ層中に拡散しやすい傾向があり、Ｉｎ原子の拡散が起こると、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓヘテロ界面の急峻性が悪化してしまう。そうなるとｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層を走行すべきキャリア（電子）がｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層へしみ出すようになり、言い換えると、キャリア（電子）のｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層内への閉じ込め効果が弱くなり、キャリア（電子）へのイオン散乱の影響が相対的に大きくなる。その結果として、キャリア（電子）の移動度が低下してしまう、という現象が起こる。従来技術においては、大なり小なり、上記のような移動度低下の現象は避けることができなかった。
【００１３】
上記したように、チャネル層とキャリア供給層を空間的に確実に分離する手段としてスペーサ層を挿入することは、それなりに有効であるが、特許文献１のようにスペーサ層の厚さを大きくすることなく、ヘテロ界面の界面特性を更に向上させる技術の提供が望まれている。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＩｎＧａＡｓチャネル層とＡｌＧａＡｓキャリア供給層の間の構造を工夫することにより、電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハ又は電界効果トランジスタのチャネル電子移動度とシートキャリア濃度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１６】
請求項１の発明に係る電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハは、半絶縁性基板上に少なくともＡｌＧａＡｓキャリア供給層とＩｎＧａＡｓ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ェハにおいて、ＩｎＧａＡｓチャネル層とＡｌＧａＡｓキャリア供給層の間に、ＩｎＧａＡｓチャネル層に接するかたちで、Ｉｎ組成を徐々に変化させたグレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層を挿入し、このグレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層のＩｎ組成を、ＩｎＧａＡｓチャネル層から遠ざかる方向にチャネルＩｎ組成から０まで変化させたことを特徴とする。
【００１７】
この請求項１の発明には次の３つの形態が含まれる。第一は、ＩｎＧａＡｓチャネル層の上にグレーデッドノンドープＩｎＧａＡｓ（グレーデッドｉ−ＩｎＧａＡｓ）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た構造のＨＥＭＴ（順構造型ＨＥＭＴ）である。第二は、ＩｎＧａＡｓチャネル層の下に、グレーデッドｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層およびｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層が設けられた構造のＨＥＭＴ（逆構造型ＨＥＭＴ）である。第三は、ＩｎＧａＡｓチャネル層の上下にｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層が設けられ、そのＩｎＧａＡｓチャネル層とｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層の間にそれぞれグレーデッドｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層が設けられた構造のＨＥＭＴ（ダブルヘテロ構造型ＨＥＭＴ）である。
【００１８】
更に、上記グレーデッドｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層に隣接する形で、当該グレーデッドｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層とＡｌＧａＡｓキャリア供給層の間に従来公知のＩｎ組成が固定されたｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層を設けても良い。
【００１９】
請求項２の発明は、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ェハにおいて、上記グレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層の厚さが１nm〜３nmの範囲内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ェハ。
【００２０】
請求項３の発明に係る電界効果トランジスタは、上記請求項１又は２に記載の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハを用いて作製したことを特徴とする。
【００２１】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、上述の目的を達成するため、ＩｎＧａＡｓチャネル層とＡｌＧａＡｓキャリア供給層の間に、ＩｎＧａＡｓチャネル層に接するかたちで、Ｉｎ組成を徐々に変化させたグレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層を挿入し、このグレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層のＩｎ組成を、ＩｎＧａＡｓチャネル層から遠ざかる方向にチャネルＩｎ組成から０まで変化させたことにある。
【００２２】
具体的には、例えばＨＥＭＴ構造のＧａＡｓエピタキシャルウェハにおいて、ｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓチャネル層とｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓキャリア供給層の間に、ｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓチャネル層に接するかたちで、Ｉｎ組成のｙを徐々に変化させたグレーデッドｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓスペーサ層を挿入する。そして、このグレーデッド層のＩｎ組成：ｙは、チャネル層から遠ざかる方向に、チャネルＩｎ組成から０まで変化させる。
【００２３】
本発明者は、このグレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層を、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ｎ−ＡｌＧａＡｓ界面に、僅か数nm、好ましくは１nm〜３nmの範囲内で挿入することにより、Ｉｎ原子のｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層側への拡散を全くと言っていいほど抑止することができ、結果としてキャリア（電子）の移動度を向上させることがでることを見い出した。この効果は、Ａｌ組成ｘを０．１≦ｘ≦０．３の範囲とし、またＩｎ組成ｙの範囲もこれに整合させて０．１≦ｙ≦０．３とすることで顕著に確保される。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、ＩｎＧａＡｓチャネル層とＡｌＧａＡｓキャリア供給層の間に、ＩｎＧａＡｓチャネル層に接するかたちで、Ｉｎ組成を徐々に変化させたグレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層を挿入し、このグレーデッドＩｎＧａＡｓスペーサ層のＩｎ組成を、ＩｎＧａＡｓチャネル層から遠ざかる方向にチャネルＩｎ組成から０まで変化させた構造としたので、チャネル電子移動度とシートキャリア濃度を向上させたＨＥＭＴ構造の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハを得ることができる。また、この電界効果トランジスタ用エピタキシャルウェハを用いることにより、ＨＥＭＴ構造の電界効果トランジスタのデバイス特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００２６】
本発明の一実施例に係るＤ−ＨＥＭＴの構造を図１に示す。これは従来の一般的な構造である図４に、グレーデッドｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓスペーサ層１４、１６を挿入したものである。
【００２７】
図１におけるエピタキシャル層名称中のｎ−、ｉ−はエピタキシャル層がそれぞれｎ型、半絶縁性であることを表している。
【００２８】
図示するように、ｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓチャネル層５をはさんで上下にｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓキャリア供給層３、７を配し、ｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓチャネル層５に接するかたちで、Ｉｎ組成ｙを徐々に変化させたグレーデッドｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓスペーサ層１４、１６を挿入し、このグレーデッドｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓスペーサ層１４、１６のＩｎ組成ｙを、ｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓチャネル層から遠ざかる方向に、チャネルＩｎ組成から０まで変化させた。
【００２９】
すなわち、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、バッファ層２としてｉ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５、厚さ２００nm）を設け、その上に、キャリア供給層３としてｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５、厚さ８nm、キャリア濃度２．３×１０18cm-3）を設けた。そして、その上にスペーサ層４としてｉ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５、厚さ２nm）を設け、更にその上にグレーデッドスペーサ層１４としてｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓ（ｙ＝０→０．２、厚さ２nm）を設けた。更にその上に、チャネル層５としてｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓ（ｙ＝０．２、厚さ１２nm）を設けた。
【００３０】
また、チャネル層５の上に、グレーデッドスペーサ層１６としてｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓ（ｙ＝０．２→０、厚さ２nm）を設け、その上にスペーサ層６としてｉ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５、厚さ２nm）を設けた。その上にキャリア供給層７として、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５、厚さ８nm、キャリア濃度２．３×１０18cm-3）を設け、その上に更にショットキー層８としてｉ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５、厚さ３０nm）を設け、その上にコンタクト層９としてｎ−ＧａＡｓ（厚さ１００nm、キャリア濃度３×１０18cm-3）を設けた。
【００３１】
このように構成することにより、Ｉｎ原子のｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層側への拡散を抑止し、ヘテロ界面の界面特性を向上させてキャリア（電子）の移動度μを向上させることができる。図１の場合、グレーデッドスペーサ層１４、１６のＩｎ組成ｙを０→０．２又は０．２→０と変化させているが、これは隣のｉ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ層のＡｌ組成ｘが０．２５であることから、これに整合させたものであり、この数値に限定されるものではない。ヘテロ界面の界面特性の向上は、Ａｌ組成ｘが０．１≦ｘ≦０．３の範囲、従ってＩｎ組成ｙが０．１≦ｙ≦０．３の範囲で顕著に確保される。
【実施例】
【００３２】
上記のグレーデッドスペーサ層１４、１６の効果を調べるため、図２に示す評価用構造のＧａＡｓエピタキシャルウェハを試作した。
【００３３】
この図２においては、グレーデッドスペーサ層１４、１６の厚さｄを、ｄ＝０nm〜４nmの間で振ってＤ−ＨＥＭＴ構造の評価用エピタキシャルウェハを作製し、そのグレーデッドスペーサ層１４、１６の厚さｄと、チャネル電子移動度μ、シートキャリア濃度Ｎｓの関係を調べた。この試作した結果を、表１と図３に示す。ここでｄ＝０nmは、グレーデッドスペーサ層を挿入しない従来構造（従来例）のデータであることを示している。
【００３４】
【表１】
2006228786.tif 000003
【００３５】
比較のために、グレーデッドスペーサ層１４、１６の代わりに、ｉ−ＧａＡｓスペーサ層（２nm）を挿入した試作例（比較例）についての実験結果も合わせて図３上にプロットした。
【００３６】
図３から分かるように、グレーデッドｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓスペーサ層１４、１６を挿入した試作例（実施例）の場合、グレーデッドスペーサ層の厚さｄが１nm付近で急激にチャネル電子移動度μが向上し、３nm以上になると若千低下傾向になった。一方、シートキャリア濃度Ｎｓについては、グレーデッドスペーサ層１４、１６の厚さｄが３nmまでは、Ｎｓ＝２．５０〜２．５４とほぼ横ばいであったが、３nm以上になると急激に低下した。
【００３７】
他方、ｉ−ＧａＡｓスペーサ層（２nm）を挿入した試作例（比較例）の場合は、グレーデッドｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓスペーサ層を挿入した場合ほどの効果は得られなかった。
【００３８】
上記の試作結果から、グレーデッドｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓスペーサ層１４、１６を挿入した場合、これを挿入していない従来の構造ＨＥＭＴに較べ、チャネル電子移動度・シートキャリア濃度ともに高位安定することが分かった。また、グレーデッドｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓスペーサ層１４、１６は、その厚さを１nm〜３nmとすることで、効果的にチャネル電子移動度を高位安定化させることができることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係るＨＥＭＴ構造のＧａＡｓエピタキシャルウェハの構造図である。
【図２】本発明のエピタキシャルウェハの評価用構造を示す図である。
【図３】本発明によるグレーデッドｉ−ＩｎyＧａ1-yＡｓスペーサ層を挿入しその層厚さを振った場合のスペーサ層厚さとチャネル電子移動度およびシートキャリア濃度の関係を示すグラフである。
【図４】従来技術によるＨＥＭＴ構造ＧａＡｓエピタキシャルウェハの一例を示す構造図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  半絶縁性ＧａＡｓ基板
２  ＡｌＧａＡｓバッファ層
３、７  ＡｌＧａＡｓキャリア供給層
４、６  ＡｌＧａＡｓスペーサ層
５  ＩｎＧａＡｓチャネル層
８  ショットキー層
９  ＧａＡｓコンタクト層
１４、１６  グレーデッドｉ−ＩｎＧａＡｓスペーサ層
【図１】
2006228786.tif 000004
【図２】
2006228786.tif 000005
【図３】
2006228786.tif 000006
【図４】
2006228786.tif 000007