(57)【要約】      （修正有）【課題】高い電子移動度を有するために消費電力が低く、高性能のパワーアンプや高周波スイッチを形成しえる半導体装置の提供。【解決手段】チャネル層５の上下にスペーサ層４，６を有するヘテロ接合型の半導体装置において、チャネル層５が一対のＩｎＧａＡｓ５１，５２と、両ＩｎＧａＡｓ層５１、５２に挟まれた化合物半導体層ＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓから挿入チャネル層を有する構造にする。電子供給層３，７はｎ型ドープのＡｌＧａＡｓ層又はＩｎＧａＰ層とする。ｎ型ドープはプレーナドープでも良い。【選択図】  図１
2004281702.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャネル層の上下に電子供給層を有するヘテロ接合型の半導体装置において、前記チャネル層が一対のＩｎＧａＡｓ層と、両ＩｎＧａＡｓ層に挟まれた化合物半導体からなる挿入チャネル層とからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、前記挿入チャネル層がＧａＡｓ及び／又はＩｎＧａＡｓからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置において、前記挿入チャネル層がＧａＡｓからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体装置において、前記電子供給層がｎ型ドープのＡｌＧａＡｓからなることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置において、前記ＩｎＧａＡｓチャネル層と前記電子供給層との間にアンドープのＡｌＧａＡｓ層を有することを特徴とする半導体装置。
【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（ＨＥＭＴ）等の半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＡｓ基板上での化合物半導体のエピタキシャル成長により作製したＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系のウエハや、ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系のウエハは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）等の電子デバイスに利用されている。
【０００３】
図３は、ダブルヘテロ型ＨＥＭＴに用いられる従来のエピタキシャルウエハの構成例を示す。このエピタキシャルウエハは、ＧａＡｓ基板１上に、アンドープＧａＡｓ等からなるバッファ層２と、ｎ型ドープのＡｌＧａＡｓ（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）からなる下側電子供給層３と、アンドープＡｌＧａＡｓからなる下側スペーサ層４と、アンドープＩｎＧａＡｓからなるチャネル層５と、アンドープＡｌＧａＡｓからなる上側スペーサ層６と、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる電子供給層７と、アンドープＡｌＧａＡｓからなるショットキー層８とをこの順に有している。このような構成のエピタキシャルウエハを使用するＨＥＭＴは電子移動度が大きいため、半導体デバイスに用いると動作時の抵抗を小さくすることができる。このため携帯電話のパワーアンプ、高周波スイッチ等に使用されているが、ウエハの電子移動度を向上することによりパワーアンプの効率や高周波スイッチの性能の大幅な向上、及び消費電力の低減が期待できるため、さらなる電子移動度の向上が望まれている。
【０００４】
特開２００１−２４４４５５号（特許文献１）は、基板表面に形成された下側電子供給層と、下側電子供給層の表面に形成されたチャネル層と、チャネル層上に形成された上側電子供給層とを具備し、下側電子供給層はＡｌＧａＡｓからなり、上側電子供給層はＩｎＧａＰからなる半導体ウエハを開示している。この半導体ウエハでは、結晶欠陥の少ないＩｎＧａＰによりチャネル層の上側の電子供給層が構成されているので、チャネル層中に高移動度の電子ガスが発生し、電子移動度が向上している。しかしながらパワーアンプの効率や高周波スイッチの性能要求が高まるにつれ、更なる電子移動度の向上が要求されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−２４４４５５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、高い電子移動度を有するために消費電力が低く、高性能のパワーアンプや高周波スイッチを形成し得る半導体装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、半導体装置のＩｎＧａＡｓチャネル層の間に、ＧａＡｓ等の化合物半導体からなる挿入チャネル層を設けることにより、半導体装置の電子移動度が向上することを発見し、本発明に想到した。
【０００８】
すなわち本発明の半導体装置は、チャネル層の上下に電子供給層を有するヘテロ接合型の構成を有し、前記チャネル層が一対のＩｎＧａＡｓ層と、両ＩｎＧａＡｓ層に挟まれた化合物半導体からなる挿入チャネル層とからなることを特徴とする。
【０００９】
本発明の好ましい実施態様として、以下のものが挙げられる。
（１）  前記挿入チャネル層がＧａＡｓ及び／又はＩｎＧａＡｓからなる半導体装置。
（２）  前記挿入チャネル層がＧａＡｓからなる半導体装置。
（３）  前記挿入チャネル層の不純物濃度が１×１０１５  ｃｍ−３以下である半導体装置。
（４）  前記ＩｎＧａＡｓチャネル層の不純物濃度が１×１０１５  ｃｍ−３以下である半導体装置。
（５）  前記電子供給層がｎ型ドープのＡｌＧａＡｓ（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）からなる半導体装置。
（６）  前記電子供給層がｎ型不純物のプレーナドープ層を有するアンドープＡｌＧａＡｓ層からなる半導体装置。
（７）  （６）に記載の半導体装置において、アンドープＡｌＧａＡｓ電子供給層の不純物濃度が１×１０１５  ｃｍ−３以下である半導体装置。
（８）  （５）〜（７）のいずれかに記載の半導体装置において、前記ＩｎＧａＡｓチャネル層と前記電子供給層との間にアンドープのＡｌＧａＡｓ層を有する半導体装置。
（９）  前記電子供給層がｎ型ドープのＡｌＧａＰ（ｎ−ＡｌＧａＰ）からなる半導体装置。
（１０）  前記電子供給層がｎ型不純物のプレーナドープ層を有するアンドープＡｌＧａＰ層からなる半導体装置。
（１１）  （１０）に記載の半導体装置において、アンドープＡｌＧａＰ電子供給層の不純物濃度が１×１０１５  ｃｍ−３以下である半導体装置。
（１２）  （１１）に記載の半導体装置において、前記ＩｎＧａＡｓチャネル層と前記電子供給層との間にアンドープのＡｌＧａＰ層を有する半導体装置。
（１３）  （１）〜（１２）のいずれかに記載の半導体装置に使用するエピタキシャルウエハ。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の半導体装置に用いるエピタキシャルウエハの構成の一例を示す。このエピタキシャルウエハは、ＧａＡｓ基板１上にバッファ層２を有しており、バッファ層２上にｎ型ドープのＡｌＧａＡｓ（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）からなる下側電子供給層３、アンドープＡｌＧａＡｓからなる下側スペーサ層４、三層構造を有するチャネル層５、アンドープＡｌＧａＡｓからなる上側スペーサ層６、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる上側電子供給層７、アンドープＡｌＧａＡｓからなるショットキー層８をこの順に有している。
【００１１】
チャネル層５は、アンドープＩｎＧａＡｓからなる一対のチャネル層５１，５２の間に、アンドープＧａＡｓからなる挿入チャネル層５３が挟まれた構成となっている。ＩｎＧａＡｓチャネル層５１，５２の不純物濃度は、１×１０１５  ｃｍ−３以下であるのが好ましい。ＧａＡｓ挿入チャネル層５３の不純物濃度は、１×１０１５  ｃｍ−３以下であるのが好ましい。ＧａＡｓ挿入チャネル層５３の不純物濃度が１×１０１５  ｃｍ−３より大きいと、十分な電子移動度の向上が得られない。
【００１２】
ＧａＡｓ挿入チャネル層５３の膜厚は１〜５ｎｍであるのが好ましい。ＧａＡｓ挿入チャネル層５３の膜厚が５ｎｍより大きいとチャネル全体が厚くなり過ぎるために、電子密度が低下し過ぎ、電子移動度が低下し過ぎる。また１ｎｍより小さいと電子移動度の向上効果が不十分である。各ＩｎＧａＡｓチャネル層５１，５２の膜厚は、ＧａＡｓ挿入チャネル層５３の膜厚以上であるのが好ましい。各ＩｎＧａＡｓチャネル層５１，５２がＧａＡｓ挿入チャネル層５３より薄いと、量子準位が上がり過ぎるために電子が散乱を受け易くなり、電子移動度が低下し過ぎるという問題が生じる。なおＩｎＧａＡｓチャネル層５１，５２とＧａＡｓ挿入チャネル層５３の膜厚の総和は１０〜１５  ｎｍであるのが好ましい。
【００１３】
ＩｎＧａＡｓチャネル層５１，５２の間にＧａＡｓ挿入チャネル層５３を設けることにより、半導体装置の電子移動度が増大する。これはＩｎＧａＡｓ層中に挿入したＧａＡｓ層が、（１）  ＩｎＧａＡｓ結晶の格子不整合による崩壊を防止するためであるか、（２）  二次元ポテンシャルに蓄積する電子の密度を向上し、不純物による電子の散乱を防止するためである、と考えられる。
【００１４】
なお図１に示す例では、挿入チャネル層５３はＧａＡｓからなっているが、本発明はこれに限定されず、その他の化合物半導体からなる挿入チャネル層５３を使用しても良い。例えば下側スペーサ層４とＩｎＧａＡｓチャネル層５１とのエネルギー不連続量、及び上側スペーサ層６とＩｎＧａＡｓチャネル層５２とのエネルギー不連続量より、ＩｎＧａＡｓチャネル層５１，５２とのエネルギー不連続量が小さくなるような化合物半導体を使用することができる。このような化合物半導体の具体例としては、インジウムの混晶比がＩｎＧａＡｓチャネル層５１，５２より小さいＩｎＧａＡｓ等が挙げられる。例えばＩｎＧａＡｓチャネル層５１，５２中のＩｎの含有量が０．１５〜０．２５であれば、ＩｎＧａＡｓ挿入チャネル層５３中のＩｎの含有量は０．１以下であるのが好ましい。
【００１５】
スペーサ層４，６を構成するアンドープＡｌＧａＡｓの不純物濃度は、１×１０１５  ｃｍ−３以下であるのが好ましい。
【００１６】
電子供給層３，７はｎ−ＡｌＧａＡｓからなる単一の層に限定されず、複数の層からなっていても良い。例えばアンドープＡｌＧａＡｓ層中にｎ型不純物のプレーナドープ層を有するものが好適である。プレーナドープ層を有する電子供給層３，７を作製するには、バッファ層２又はスペーサ層６表面にＡｌ、Ｇａ等を供給してＡｌＧａＡｓ層を成長させた後で、これらの供給を一時停止して、Ｓｉ等の不純物のみを供給すればよい。プレーナドープ法により、ＡｌＧａＡｓ層の中に一般的なドープ法より高濃度に不純物を入れることができる。
【００１７】
バッファ層２としては特に限定されず、一般的な高抵抗バッファ層及び／又はＰ−型ドープバッファ層を使用することができる。バッファ層２は単層からなっていても良いし、複数の層からなっていても良い。高抵抗バッファ層を使用する場合、特開２００１−０４４４１８号等に記載のもの等が好適である。Ｐ−型ドープバッファ層としては、Ｐ＜１×１０１６  ｃｍ−３のＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層等が好ましい。
【００１８】
各層の形成方法は特に限定されず、固相成長法、液相成長法、気相成長法等の一般的な方法を用いることができる。なかでも各層の品質及び均一性の観点から気相成長法がより好ましい。具体的には有機金属を使用した気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）、分子線成長法（ＭＢＥ法）等が好ましい。
【００１９】
図２は、本発明の第二の態様における半導体装置に用いるエピタキシャルウエハの構成の一例を示す。図２に示す例は、チャネル層５の上部にアンドープＩｎＧａＰからなるスペーサ層９を介してｎ−ＩｎＧａＰからなる電子供給層１０が形成されている以外、図１に示す例と同じであるので、相違点のみ説明する。
【００２０】
アンドープＩｎＧａＰスペーサ層９の不純物濃度は１×１０１５  ｃｍ−３以下であるのが好ましい。またｎ−ＩｎＧａＰ電子供給層１０のドーパント（キャリア）濃度は１×１０１８  ｃｍ−３以上、特に１×１０１９  ｃｍ−３以上が好ましい。ｎ−ＩｎＧａＰ電子供給層１０のドーパントとしてはＳｉ、Ｓｅ、Ｔｅ等が挙げられる。なお図２に示す例では電子供給層１０はｎ−ＩｎＧａＰからなっているが、本発明はこれに限定されず、例えばｎ型不純物のプレーナドープ層を有するアンドープＩｎＧａＰ層でも良い。
【００２１】
ｎ−ＡｌＧａＡｓはＤＸセンタと呼ばれる電気的な結晶欠陥を内在しているため、キャリアの活性化率が低く、キャリアの高濃度化が難しいという問題を有しているのに対し、ｎ−ＩｎＧａＰにはこのような欠陥が少ない。このため、ＩｎＧａＡｓチャネル層５１，５２の間にＧａＡｓ挿入チャネル層５３を設けた上で、ｎ−ＩｎＧａＰを電子供給層１０に適用することにより、高移動度かつ高密度の二次元電子ガスの発生が可能となり、エピタキシャルウエハの電子移動度はさらに向上する。
【００２２】
【実施例】
本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００２３】
本発明の半導体装置を評価するため、半導体装置に使用するエピタキシャルウエハを作製し、シートキャリア濃度及び電子移動度を測定した。
【００２４】
実施例１
図１に示すエピタキシャルウエハを以下のとおり作製した。各層の形成にはＭＯＶＰＥ法を用いた。ＧａＡｓ基板（厚さ６００  ｎｍ）１の表面に、アンドープＧａＡｓからなる膜厚５００  ｎｍのバッファ層２を形成し、次に下側電子供給層３として膜厚３ｎｍのｎ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ（２×１０１８  ｃｍ−３Ｓｉドープ）を成膜した。さらにアンドープのＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓを膜厚２ｎｍとなるように成膜して下側スペーサ層４とした。
【００２５】
下側スペーサ層４の表面に、チャネル層５１としてアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓを膜厚５．５  ｎｍとなるように成膜した後で、挿入チャネル層５３としてアンドープＧａＡｓを膜厚５ｎｍとなるように成膜し、さらに膜厚５．５  ｎｍのアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓチャネル層５２を成膜した。さらに膜厚２ｎｍのアンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓからなる上側スペーサ層６、及び膜厚６ｎｍのｎ型Ａｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓ（２×１０１８  ｃｍ−３Ｓｉドープ）からなる上側電子供給層７を順に形成した後で、上側電子供給層７の表面に膜厚３０
ｎｍのアンドープＡｌ０．２５Ｇａ０．７５Ａｓを成膜し、ショットキー層８とした。
【００２６】
このエピタキシャルウエハのシートキャリア濃度及び電子移動度を、それぞれシート法及びパウ法により測定した。結果を表１に示す。
【００２７】
比較例１
下側スペーサ層４と上側スペーサ層６の間に、膜厚１６  ｎｍのアンドープＩｎ０．２Ｇａ０．８Ａｓからなる単層のチャネル層５を成膜した以外、実施例１と同様にして、図３に示す構成のエピタキシャルウエハを作製した。
【００２８】
このエピタキシャルウエハのシートキャリア濃度及び電子移動度を、それぞれシート法及びパウ法により測定した。結果を表１に示す。
【００２９】
【表１】
2004281702.tif 000003
【００３０】
表１から明らかなように、実施例１のエピタキシャルウエハは比較例１のものと比較して、電子移動度が大幅に向上している。
【００３１】
【発明の効果】
以上詳述したように、エピタキシャルウエハのチャネル層を一対のＩｎＧａＡｓチャネル層と、その間のＧａＡｓ等の化合物半導体からなる挿入チャネル層により形成することにより、電子移動度が向上する。このため、このような構成を有するエピタキシャルウエハを用いることにより、デバイス特性が向上し、かつ消費電力が低下した半導体装置を作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体装置に用いるエピタキシャルウエハの構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の半導体装置に用いるエピタキシャルウエハの構成の別の例を示す図である。
【図３】従来の半導体装置に用いるエピタキシャルウエハの構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１・・・半絶縁性ＧａＡｓ基板
２・・・バッファ層
３・・・下側電子供給層
４・・・下側スペーサ層
５・・・チャネル層
５１、５２・・・ＩｎＧａＡｓチャネル層
５３・・・ＧａＡｓ挿入チャネル層
６、９・・・上側スペーサ層
７、１０・・・上側電子供給層
８・・・ショットキー層
【図１】
2004281702.tif 000004
【図２】
2004281702.tif 000005
【図３】
2004281702.tif 000006