(57)【要約】【課題】電子供給層からチャネル層への電子の供給を高い電子密度で行うと共に高い電子移動度を保つことが可能である高電子移動度トランジスタを提供する。【解決手段】電子供給層４とチャネル層６とがスペーサー層５により空間的に分離されたトランジスタにおいて、スペーサー層は、第３族元素と第５族元素とを有する化合物半導体で構成すると共に、化合物半導体は、電子供給層側からチャネル層側に段階的に電子親和力が大きく、かつ、バンドギャップが小さくなる様な組成で構成する。【選択図】　　図２
2004140042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子供給層とチャネル層とがスペーサー層により空間的に分離されたトランジスタにおいて、
前記スペーサー層は、第３族元素と第５族元素とを有する化合物半導体で構成すると共に、
該化合物半導体は、前記電子供給層側から前記チャネル層側に段階的に電子親和力が大きく、かつ、バンドギャップが小さくなる様な組成で構成されている
ことを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
【請求項２】
前記化合物半導体はＧａとＡｓとＡｌから構成され、該化合物半導体は前記チャネル層側から前記電子供給層側へ段階的にＧａの組成比を下げＡｌの組成比を上げた
ことを特徴とする請求項１に記載の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】
本発明は、高電子移動度トランジスタに関する。詳しくは、電子を供給するイオン化されたドナーが存在する電子供給層と電子供給層から供給された電子がキャリアとして走行するチャネル層とがスペーサー層により空間的に分離された高電子移動度トランジスタに係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
音声や画像データの伝送量の増加に伴って、携帯電話等の移動体通信や衛星通信システムでは多量の情報伝達が可能であるマイクロ波、ミリ波に対応したデバイスが求められており、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎといった周期表の３族元素とＮ、Ｐ、Ａｓ及びＳｂといった周期表の５族元素を用いた３−５族化合物半導体が高周波域帯における応答に優れたデバイス材料として注目されており、電界効果トランジスタ、高電子移動度トランジスタ（Ｈｉｇｈ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｏｂｉｌｉｔｙ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ（以下、ＨＥＭＴと言う））及びヘテロ接合バイポーラトランジスタといった様々な構造のデバイスに用いられている。
【０００３】
以下、図面を用いて従来のＨＥＭＴについて説明する。
図３は従来のＨＥＭＴの一例であるダブルへテロ構造のＰｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ−ＨＥＭＴ（以下、Ｐ−ＨＥＭＴと言う）を説明するための模式図であり、ここで示すＰ−ＨＥＭＴ１０１は、ＧａＡｓを用いた基板１０２上にＧａＡｓ基板の転位の影響を抑えるためにＡｌＧａＡｓを用いたバッファー層１０３が形成され、バッファー層の上に電子を供給するイオン化されたドナーが存在するＡｌＧａＡｓを用いた電子供給層１０４が形成され、電子供給層の上に電子の散乱による影響を低減すると共に電子供給層のドナーの高密度化を可能とするＡｌＧａＡｓを用いたスペーサー層１０５が形成され、スペーサー層の上には電子供給層から供給された電子が走行するＩｎＧａＡｓを用いたチャネル層１０６が形成されている。
また、チャネル層の上にはＡｌＧａＡｓを用いたスペーサー層が形成され、スペーサー層の上にはＡｌＧａＡｓを用いた電子供給層が形成されている。
【０００４】
上記の様に構成されたダブルへテロ構造のＰ−ＨＥＭＴは、チャネル層にＧａＡｓよりも電子移動度の高いＩｎＧａＡｓを用いると共に、電子供給層からチャネル層により多くの電子を供給し、チャネル層に供給された電子を高電子移動度で走行させるべく、電子供給層をチャネル層の上下面に設けたものであり、チャネル層にＧａＡｓと比較して電子親和力が大きく、電子移動度も大きなＩｎＧａＡｓを用いているために、基板及びチャネル層にＧａＡｓ、電子供給層及びスペーサー層にＡｌＧａＡｓを用いたＧａＡｓ−ＨＥＭＴを上回る高電子移動度を示すと共に、これまでに確立されてきたＧａＡｓ基板系デバイスの諸プロセス技術を応用できることから高周波デバイスとして認知されている。
【０００５】
ここで、更にデバイスとしての性能を有効に向上させるためには、デバイス動作時に電子供給層からチャネル層へ供給される電子密度を高めると共に、原子・イオンによる電子の散乱を抑えることが必要であり、スペーサー層はイオン化されたドナーが存在する電子供給層とキャリアが走行するチャネル層とを空間的に分離することによって、電子の移動の妨げとなるクーロン散乱を抑制し、チャネル表面において高い電子移動度を保つことを可能とするものである。
即ち、スペーサー層によりクーロン散乱を抑制するためには、スペーサー層膜厚が大きい方が好ましいといえる。
【０００６】
しかしながら、スペーサー層に用いられているＡｌＧａＡｓとチャネル層に用いられているＩｎＧａＡｓとはバンドギャップの差が大きいために、上記した電子の移動の妨げとなるクーロン散乱を抑制するというスペーサー層の役割を充分に果たすようなスペーサー層の膜厚の場合には、ＡｌＧａＡｓを用いてスペーサー層を形成した場合のエネルギーバンド及び電子密度分布を表す図４（ａ）中符号Ａで示すスペーサー層の領域において、図４中符号ａで示すエネルギー準位に関してＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＡｓのヘテロ界面におけるエネルギー障壁が高くなり、図４中符号ｂで示す電子密度分布に関してチャネル層表面で高い電子密度を得ることができないという不具合があった。
【０００７】
即ち、スペーサー層の膜厚を大きくすると、ＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＡｓのバンドギャップの差が大きいことに起因して、電子供給層からの電子がチャネル層に供給され難く、電子供給層からチャネル層への電子の供給が充分に行われず、図４（ａ）で示す様に、チャネル層表面で高い電子密度を得ることができないという不具合があった。なお、図４中符号ｃはフェルミ準位を示している。
【０００８】
さて、かかる不具合に対応して、電子供給層からチャネル層への電子の供給を高めるべく、スペーサー層にＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの２層を用いたダブルへテロ構造のＰ−ＨＥＭＴが提案されている。
【０００９】
即ち、図５に示す様に、スペーサー層にＡｌＧａＡｓとＧａＡｓとを用いて電子供給層側にＧａＡｓと比較すると電子親和力が小さくバンドギャップが大きいＡｌＧａＡｓの層１０７を形成し、チャネル層側にＧａＡｓの層１０８を形成するという２層構造にすることにより、スペーサー層とチャネル層の界面をＧａＡｓとＩｎＧａＡｓのヘテロ接合とし、上記したＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＡｓのヘテロ接合と比較してエネルギー障壁を低くすることによって、電子供給層からチャネル層への電子の供給が円滑に行われることを期待したものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、スペーサー層をＡｌＧａＡｓとＧａＡｓの２層構造とした場合には、スペーサー層とチャネル層の界面がＧａＡｓとＩｎＧａＡｓのヘテロ接合となるため、ＡｌＧａＡｓ及びＧａＡｓを用いてスペーサー層を形成した場合のエネルギーバンド及び電子密度分布を表す図４（ｂ）で示す様に、ＡｌＧａＡｓとＩｎＧａＡｓのヘテロ界面におけるエネルギー障壁を示す図４（ａ）と比較すると、ヘテロ界面のエネルギー障壁は低くなるものの、図４（ｂ）中符号Ｂで示すＡｌＧａＡｓを用いたスペーサー層の領域と図４（ｂ）中符号Ｃで示すＧａＡｓを用いたスペーサー層の領域との界面に図４（ｂ）中符号Ｄで示す電子の溜まり場であるノッチが生じ、このノッチが電子供給層からスペーサー層に供給された電子の移動の障害となり、未だチャネル層表面で高い電子密度を得ることができないという不具合およびノッチに溜まった電子の干渉によりチャネル表面の電子移動度が低下するという不具合があった。
【００１１】
本発明は、以上の点に鑑みて創案されたものであって、電子供給層からチャネル層への電子の供給を高い電子密度で行うと共に高い電子移動度を保つことが可能である高電子移動度トランジスタを提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る高電子移動度トランジスタは、電子供給層とチャネル層とがスペーサー層により空間的に分離されたトランジスタにおいて、前記スペーサー層は、第３族元素と第５族元素とを有する化合物半導体で構成すると共に、該化合物半導体は、前記電子供給層側から前記チャネル層側に段階的に電子親和力が大きく、かつ、バンドギャップが小さくなる様な組成で構成されている。
【００１３】
ここで、第３族元素と第５族元素とを有する化合物半導体で構成するスペーサー層が、電子供給層側からチャネル層側に段階的に電子親和力が大きく、かつ、バンドギャップが小さくなる様な組成で構成されていることによって、ヘテロ界面におけるエネルギー障壁の高さが低くなると共にノッチの発生を抑制することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明し、本発明の理解に供する。
【００１５】
図１は本発明を適用した高電子移動度トランジスタの一例であるダブルへテロ構造のＰ−ＨＥＭＴを説明するための模式図であり、ここで示すＰ−ＨＥＭＴ１は、ＧａＡｓを用いた基板２上にＡｌＧａＡｓを用いたバッファー層３が形成され、バッファー層の上にＡｌＧａＡｓを用いた電子供給層４が形成され、電子供給層の上にスペーサー層５が形成され、スペーサー層の上にＩｎＧａＡｓを用いたチャネル層６が形成されている。
また、チャネル層の上にはスペーサー層が形成され、スペーサー層の上にはＡｌＧａＡｓを用いた電子供給層が形成されている。
【００１６】
ここで、スペーサー層５は、図２で示す様に、段階的に組成が変化するＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを用いて、このＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを用いたスペーサー層はＩｎＧａＡｓを用いたチャネル層側でｘ＝０のＡｌ組成としてスペーサー層とチャネル層の界面がＧａＡｓとＩｎＧａＡｓのヘテロ接合を形成し、チャネル層側から電子供給層側にかけてｘの値を段階的に大きくし、即ち、チャネル層側から電子供給層側にかけてスペーサー層中のＡｌの割合を段階的に大きくし、ＡｌＧａＡｓを用いた電子供給層側でｘ＝０．２のＡｌ組成として、ＡｌＧａＡｓを用いた電子供給層からＩｎＧａＡｓを用いたチャネル層にかけて段階的に電子親和力が大きく、バンドギャップが小さくなる様に形成されている。
なお、スペーサー層は、ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｖａｐｏｒ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａｘｙ）やＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ）などの結晶成長法を用いて原子層レベルで組成の制御を行う。
【００１７】
ここで、スペーサー層は電子供給層側からチャネル層側に段階的に電子親和力が大きく、バンドギャップが小さくなる様な組成で構成することにより、電子供給層から放出された電子を円滑にチャネル層に供給することができれば良いのであって、必ずしもＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを用いてスペーサー層を形成する必要は無く、第３族元素と第５族元素とを用いた３−５族化合物半導体であれば良い。
【００１８】
同様に、スペーサー層は電子供給層から放出された電子を円滑にチャネル層に供給することができれば良く、ＡｌＧａＡｓを用いた電子供給層側で必ずしもｘ＝０．２のＡｌ組成である必要は無い。
【００１９】
上記した本発明を適用した高電子移動度トランジスタでは、スペーサー層がチャネル層との界面においてＧａＡｓとＩｎＧａＡｓのヘテロ接合となるために、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓを用いてスペーサー層を形成した場合のエネルギーバンド及び電子密度分布を表す図４（ｃ）中符号Ｅで示すスペーサー層の領域において、スペーサー層をＡｌＧａＡｓのみで構成する従来のＨＥＭＴと比較すると、スペーサー層とチャネル層の界面におけるエネルギー障壁の高さが低くなり、より低いバイアスで電子供給層からチャネル層への電子の供給を行うことができる。また、Ａｌの組成変化を段階的に行ったことに伴い、エネルギーバンドが連続的に変化し、図４（ｂ）で示す様なノッチが発生することなく、電子供給層からチャネル層に円滑に電子が供給され、図４（ｃ）で示す様にチャネル層表面で高い電子密度を得ることができる。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べてきた如く、本発明の高電子移動度トランジスタでは、電子供給層からチャネル層への電子の供給を高い電子密度で行うと共に高電子移動度を保つことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した高電子移動度トランジスタの一例であるダブルへテロ構造のＰ−ＨＥＭＴを説明するための模式的な図である。
【図２】段階的に組成が変化するスペーサー層を説明するための模式的な図である。
【図３】従来のＨＥＭＴの一例であるダブルへテロ構造のＰ−ＨＥＭＴを説明するための模式的な図である。
【図４】各スペーサー構造におけるエネルギーバンド及び電子密度分布を説明するための模式的な図である。
【図５】２層構造にしたスペーサー層を説明するための模式的な図である。
【符号の説明】
１　　Ｐ−ＨＥＭＴ
２　　基板
３　　バッファー層
４　　電子供給層
５　　スペーサー層
６　　チャネル層
【図１】
2004140042.tif 000003
【図２】
2004140042.tif 000004
【図３】
2004140042.tif 000005
【図４】
2004140042.tif 000006
【図５】
2004140042.tif 000007