(57)【要約】 【課題】ショットキー層の改良によりデバイスの絶緑性を向上させ、デバイス動作時の耐圧を向上させることができるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体デバイスを提供する。【解決手段】半絶縁性化合物半導体基板１０上に、バッファ層１１、チャネル層１４、スペーサ層１３，１５、電子供給層１２、１６、ショットキー層２０、コンタクト層１８を成長させる際に、ショットキー層２０に、Ａｌx Ｇａ1-x Ａｓ（但し、０≦ｘ＜１）を用いた構造を有すると共に、そのショットキー層２０が、ウェハ表面側方向に向かってバンドギャップが高くなるような傾斜構造もしくはステップ構造を有するようにして、デバイスの絶縁性と耐圧を向上させたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性化合物半導体基板上に、バッファ層、チャネル層、スペーサ層、電子供給層、ショットキー層、コンタクト層を有するＩＩＩ−Ｖ化合物半導体において、ショットキー層に、複数の元素の組合せからなる半導体層を用いた構造を有すると共に、該ショットキー層が、ウェハ表面側方向に向かってバンドギャップが大きくなるような傾斜構造もしくはステップ構造を有することを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイス。
【請求項２】
請求項１において、ウェハ表面側方向に向かってバンドギャップが大きくなるようにショットキー層に用いた半導体層中における混晶比を変化させたことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイス。
【請求項３】
請求項１において、ショットキー層にＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０≦ｘ＜１）を用いたことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイス。
【請求項４】
Ｖ族原料として、ＡｓＨ3 （アルシン）、Ａｓ（ＣＨ3）3（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）のうち、少なくとも１つを用い、ＩＩＩ族原料としてＡｌ（ＣＨ3）3（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ3）3（トリメチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ3）3（トリメチルインジウム）、Ａｌ（ＣＨ3 ＣＨ2）3 （トリエチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ3ＣＨ2）3  （トリエチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ3ＣＨ2）3 （トリエチルインジウム）のうち、少なくとも１つを用いる請求項１〜３いずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉ１ｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの電子デバイスに用いられるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶において、有機金属気相成長法、分子線エピタキシー法、液相エピタキシャル成長法等のエピタキシャル成長法によって形成したＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＧａＡｓ（ガリウム砥素）やＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砥素）などの化合物半導体は、Ｓｉ（シリコン）半導体に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長をいかして、ＧａＡｓやＩｎＧａＡｓは高速動作や高効率動作を要求されるデバイスに多く用いられている。
【０００３】
代表例としてＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉ１ｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が挙げられ、携帯電話の送信用マイクロ波増幅器や衛星放送用受信アンテナの高周波増幅器に用いられている。
【０００４】
ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ（以下、ＨＥＭＴ用エピと略す）の概略構造を図４に示す。
【０００５】
ＨＥＭＴ用エピは、半絶縁性基板１０上に結晶成長したバッファ層１１、第１キャリア供給層１２、第１スペーサ層１３、チャネル層１４、第２スペーサ層１５、第２キャリア供給層１６、ショットキー層１７及びコンタクト層（キャップ層）１８よりなる。
【０００６】
基板１０は単結晶成長するための下地である。
【０００７】
バッファ層１１は、基板１０表面の残留不純物によるデバイス特性劣化を防ぐ働きや、チャネル層１４からのリーク電流を防ぐ働きがある。
【０００８】
チャネル層１４は自由電子が流れる層であり、高純度である必要がある。スペーサ層１３，１５は、チャネル層１４の自由電子がキャリア供給層１２，１６のｎ型不純物によってイオン散乱されるのを抑止する働きがある。
【０００９】
キャリア供給層１２，１６はｎ型不純物がドーピングされており、発生した自由電子をチャネル層１４へ供給する。ショットキー層１７はゲート電極を、コンタクト層１８は電極を形成するための層である。
【００１０】
ＨＥＭＴ用エピの構造例を表１に示した。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
結晶成長のことをエピタキシャルと言う。エピタキシャル層名称のｎ−，ｐ−，ｉ−は  エピタキシャル層がそれぞれｎ型，ｐ型，半絶縁性であることを表している。厚さの単位はｎｍ（１０-9ｍ）である。キャリア濃度の単位はｃｍ-3である。
【００１３】
表１に示したＨＥＭＴ用エピの成長方法を以下に述べる。
【００１４】
エピタキシャル層を成長させる半絶縁性基板をサセプタにセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解され、基板上にエピタキシャル層が成長される。
【００１５】
従来構造では、ゲート電極の下地となるショットキー層には、ＧａＡｓもしくは組成が均一なＡｌxＧａ1-xＡｓが用いられていた。
【００１６】
【特許文献１】特開２００１−４４４１８号公報
【特許文献２】特開２０００−０３１１６７号公報
【特許文献３】特開２００３−２１８１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、従来構造ではショットキー層に高Ａｌ組成となるＡｌxＧａ1-xＡｓ層を用いることにより、高ゲート耐圧化が行われていたが、その場合、ソース電極−チャネル間もしくはドレイン電極−チャネル間の縦方向の抵抗が上がってしまうため、結果的に非常に重要なデバイス特性であるソース−ドレイン間の抵抗が上がってしまっていた。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ショットキー層の改良によりデバイスの絶縁性を向上させ、デバイス動作時の耐圧を向上させることができるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、半絶縁性化合物半導体基板上に、バッファ層、チャネル層、スペーサ層、電子供給層、ショットキー層、コンタクト層を有するＩＩＩ−Ｖ化合物半導体において、ショットキー層に、複数の元素の組合せからなる半導体層を用いた構造を有すると共に、該ショットキー層が、ウェハ表面側方向に向かってバンドギャップが大きくなるような傾斜構造もしくはステップ構造を有することを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスである。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１において、ウェハ表面側方向に向かってバンドギャップが大きくなるようにショットキー層に用いた半導体層中における混晶比を変化させたことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスである。
【００２１】
請求項３の発明は、請求項１において、ショットキー層にＡｌxＧａ1-xＡｓ（但し、０≦ｘ＜１）を用いたことを特徴とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスである。
【００２２】
請求項４の発明は、Ｖ族原料として、ＡｓＨ3 （アルシン）、Ａｓ（ＣＨ3）3（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）のうち、少なくとも１つを用い、ＩＩＩ族原料としてＡｌ（ＣＨ3）3（トリメチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ3）3（トリメチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ3）3（トリメチルインジウム）、Ａｌ（ＣＨ3 ＣＨ2）3 （トリエチルアルミニウム）、Ｇａ（ＣＨ3ＣＨ2）3  （トリエチルガリウム）、Ｉｎ（ＣＨ3ＣＨ2）3 （トリエチルインジウム）のうち、少なくとも１つを用いる請求項１〜３いずれかに記載のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体電子デバイスである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、ウェハ表面方向に向かってステップもしくはリニアグレーデッド構造にバンドギャップが高くなるように変化する半導体層をショットキー層に採用することにより、ショットキー層での耐圧の向上と縦方向の抵抗の低減とを両立させることにより、ＨＥＭＴデバイスの特性を向上することができるという優れた効果を発揮するものである。
【００２４】
ＨＥＭＴデバイスの特性向上により、衛星放送受信用パラボラアンテナの小型化や携帯電話の低消費電力化などの効果が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２６】
図１に本発明のＨＥＭＴ用エピ構造を、また表２にＨＥＭＴ用エピの構造例を示した。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
本発明のＨＥＭＴ用エピは、半絶縁性基板１０上に、結晶成長したバッファ層（ｉ−Ａｌ0.25ＧａＡｓ、厚さ１０００ｎｍ、キャリア濃度１×１０16ｃｍ-3以下）１１、第１キャリア供給層（ｎ−Ａｌ0.20ＧａＡｓ、厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度２．５×１０18ｃｍ-3以下）１２、第１スペーサ層（ｉ−Ａｌ0.40ＧａＡｓ、厚さ５ｎｍ、キャリア濃度１×１０16ｃｍ-3以下）１３、チャネル層（ｉ−Ｉｎ0.30ＧａＡｓ、厚さ１０ｎｍ）１４、第２スペーサ層（ｉ−Ａｌ0.40ＧａＡｓ、厚さ５ｎｍ、キャリア濃度１×１０16ｃｍ-3以下）１５、第２キャリア供給層（ｉ−Ａｌ0.20ＧａＡｓ、厚さ１５ｎｍ、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3以下）１６、ショットキー層（ｉ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ、厚さ３０ｎｍ、キャリア濃度１×１０16ｃｍ-3以下）２０及びコンタクト（キャップ）層（ｎ−ＧａＡｓ、厚さ１５０ｎｍ、キャリア濃度３×１０18ｃｍ-3以下）１８よりなる。
【００２９】
本発明では、デバイス動作時の絶縁性を上げるためにショットキー層２０においてウエハ表面側のＡｌ組成が高くなるような傾斜構造、もしくはステップ構造を形成する事により、ソース−ドレイン間の抵抗を上げることなくショットキー耐圧を向上させるようにしたものである。
【００３０】
図２は、厚さ３０ｎｍのショットキー層２０を成長させる際の厚さ［ｎｍ］方向のＡｌxＧａ1-xＡｓのＡｌ混晶比を例示したもので、傾斜構造（リニアグレーデッド構造）とする場合には、図示の点線で示すように混晶比を０〜０．２５まで連続的に変化させ、またステップ構造（ステップグレーデッド構造）とする場合には、混晶比を、０（ＧａＡｓ）から厚さ５ｎｍ毎に０．０５刻みにＡｌ組成が高くなるようにして、２５〜３０ｎｍ厚さで、Ａｌ0.25ＧａＡｓとなるようなステップ構造とする。
【００３１】
次に、本発明のＨＥＭＴ用エピの成長方法を説明する。
【００３２】
エピタキシャル層を成長させる基板をサセプタにセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解され、基板上にエピタキシャル層が順次成長される。
【００３３】
原料としてｉ−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ原料のＧａ（ＣＨ3）3（トリメチルガリウム）とＡｓ原料のＡｓＨ3 （アルシン）を成長炉内に供給する。なお、Ｇａ原料として他にＧａ（ＣＨ3ＣＨ2）3 （トリエチルガリウム）がある。Ａｓ原料として他にＡｓ（ＣＨ3）3（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）がある。
【００３４】
ｉ−ＡｌＧａＡｓ（バッファ層、スペーサ層、ショットキー層）を成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ3）3、ＡｓＨ3 、及びＡｌ原料のＡｌ（ＣＨ3）3（トリメチルアルミニウム）を成長炉内に供給する。
【００３５】
なお、Ａｌ原料として他にＡｌ（ＣＨ3ＣＨ2）3 （トリエチルアルミニウム）がある。
【００３６】
バッファ層１１のｉ−Ａｌ0.25ＧａＡｓとは、Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓを略したものであり、ＡｌとＧａの比が０．２５：０．７５であることを意味し、スペーサ層１３，１５のｉ−Ａｌ0.40ＧａＡｓとは、Ａｌ0.40Ｇａ0.60Ａｓを略したものであり、ショットキー層２０のＡｌxＧａ1-xＡｓは、ＡｌとＧａの比を０．００：１．００から０．２５：０．７５まで混晶比を傾斜構造またはステップ構造に変化させたものである。
【００３７】
ｉ−Ｉｎ0.20ＧａＡｓ（チャネル層）を成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ3）3、ＡｓＨ3 、及びＩｎ原料のＩｎ（ＣＨ3）3（トリメチルインジウム）を成長炉内に供給する。
【００３８】
Ｉｎ0.20ＧａＡｓとはＩｎ0.20Ｇａ0.80Ａｓを略したのもであり、ＩｎとＧａの比が０．２０：０．８０であることを意味する。
【００３９】
ｎ−ＧａＡｓ（キャップ層）を成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ3）3、ＡｓＨ3 及びｎ型ドーパントを成長炉内に供給する。ｎ型ドーパントの元素としてはＳｉやＳｅ（セレン）がある。
【００４０】
Ｓｉ原料としてＳｉＨ4 （モノシラン）、Ｓｉ2Ｈ6（ジシラン）がある。Ｓｅ原料としてはＨ2 Ｓｅ（セレン化水素）がある。
【００４１】
また、ｎ−Ａｌ0.20ＧａＡｓ（キャリア供給層）を成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ3）3、ＡｓＨ3 、Ａｌ原料のＡｌ（ＣＨ3）3（トリメチルアルミニウム）及びｎ型ドーパントを成長炉内に供給する。
【００４２】
ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ショットキー層）として、リニアグレーデット層の成長時には、Ａｓ原料の流量を共通にし、ＧａＡｓの成長速度、ＡｌＧａＡｓの成長速度の条件出しを行った後、その結果からＧａＡｓ成長速度、ＡｌＧａＡｓ成長速度を算出し、そこから成長速度が一定に成るようにＧａ原料、Ａｌ原料を調節することにより直線的にＡｌ組成を変動させながら成長を行う。
【００４３】
ステップグレーデット層の場合は、使用する各組成の成長速度等の条件を出し、構造通りの成長を行う。
【００４４】
上記構造で成長したＨＥＭＴ用エピのゲート耐圧の測定結果を図３に示した。
【００４５】
ここでゲート耐圧は、ゲートにかける電圧を変化させながら、基本的には流れてはいけないゲート−ドレイン間の電圧を測定し、ゲートードレイン間の電流がある一定値を超えた電圧を、ゲート耐圧としたものであり、図３は、そのゲート耐圧におけるソース−ドレイン間抵抗値を示したものである。
【００４６】
本発明の構造品では従来構造品に比べてソース−ドレイン間の抵抗に対して高いゲート耐圧を持つことが解る。
【００４７】
以上、本発明はＨＥＭＴ用エピのショットキー層に関しての製造方法を説明したが、本発明は、ＦＥＴ等の他のデバイス構造にも適用できる。
【００４８】
このように本発明は、ＨＥＭＴ用エピに用いるショットキー層の絶縁性を上げることができる。また、ショットキー層の絶縁性を上げるとデバイス動作時のリーク電流が低減されるため、動作時の小電力化が期待される。ＨＥＭＴデバイスの省電力化により、衛星放送受信用パラボラアンテナの小型化や携帯電話の低消費電力化などの効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施の形態を示すＨＥＭＴ用エピの縦断面構造を示す図である。
【図２】本発明においてショットキー層の厚さ方向のＡｌとＧａの混晶比を示す図である。
【図３】本発明と従来技術におけるリーク電流の比較を示す図である。
【図４】従来のＨＥＭＴ用エピの縦断面構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  基板
１１  バッファ層
１２，１６  電子（キャリア）供給層
１３，１５  スペーサ層
１４  チャネル層
１８  コンタクト層
２０  ショットキー層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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