(57)【要約】【課題】従来のＨＥＭＴ（高電子移動度トランジスタ）よりも高電子移動度を達成することができる、電界効果トランジスタを提供する。【解決手段】ＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓから成る電子走行層、ＡｌＩｎＡｓから成るスペーサー層、及びＡｌＩｎＡｓから成る電子供給層を有する電界効果トランジスタにおいて、スペーサー層に炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）などのアクセプターが含まれていることを特徴とする電界効果トランジスタである。このような電界効果トランジスタは、ＭＯＣＶＤ法によるスペーサー層の成長時に、炭素（Ｃ）鉄（Ｆｅ）、亜鉛（Ｚｎ）などのアクセプターを混入させることより得ることができる。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓから成る電子走行層、ＡｌＩｎＡｓから成るスペーサー層、及びＡｌＩｎＡｓから成る電子供給層を有する電界効果トランジスタにおいて、スペーサー層にアクセプターが含まれていることを特徴とする、電界効果トランジスタ。
【請求項２】
請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、スペーサー層に含まれるアクセプターが炭素（Ｃ）であり、スペーサー層の残留キャリヤー濃度が１×１０１５ｃｍ−３未満であることを特徴とする、電界効果トランジスタ。
【請求項３】
請求項１記載の電界効果トランジスタにおいて、スペーサー層に含まれるアクセプターが鉄（Ｆｅ）または亜鉛（Ｚｎ）であり、スペーサー層の残留キャリヤー濃度が１×１０１５ｃｍ−３未満であることを特徴とする、電界効果トランジスタ。
【請求項４】
ＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓから成る電子走行層、ＡｌＩｎＡｓから成るスペーサー層、及びＡｌＩｎＡｓから成る電子供給層を有する電界効果トランジスタの製造方法において、５７５℃以下のＭＯＣＶＤ法により、スペーサー層の成長時に炭素（Ｃ）を混入させることを特徴とする方法。
【請求項５】
ＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓから成る電子走行層、ＡｌＩｎＡｓから成るスペーサー層、及びＡｌＩｎＡｓから成る電子供給層を有する電界効果トランジスタの製造方法において、ＭＯＣＶＤ法により、スペーサー層の成長時に鉄（Ｆｅ）または亜鉛（Ｚｎ）を混入させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速、高周波特性に優れた化合物半導体の電界効果トランジスタに関し、特にＡｌＩｎＡｓ層をスペーサーに有する電界効果トランジスタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体のうち、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＩｎＡｓは、光通信もしくは高速半導体デバイス（例えばＨＥＭＴ：高電子移動度トランジスタ）に応用されている。ＨＥＭＴは超高速素子の１つであり、高い電子移動度と信号の低ノイズが特徴である。このＨＥＭＴは一般的に、不純物濃度が低くバンドギャップが狭い電子走行層（通常ＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓなどから成る）と、不純物濃度が高くバンドギャップが広い電子供給層（ドープ層ともいう：通常ＡｌＩｎＡｓなどから成る）と、電子供給層と電子走行層の間に挟まれるスペーサー層（通常ＡｌＩｎＡｓなどから成る）の積層構造から形成されている。
【０００３】
図１は、前記ＨＥＭＴの積層構造を模式的に示したものである。スペーサー層（３）の役割は、電子供給層（４）と電子走行層（２）の間に伝導帯不連続（ΔＥｃ）を形成し、電子走行層（２）内に高濃度な２次元電子ガスを生じさせるような特性が必要である。よってスペーサー層（３）は、電子供給層（４）からの電子走行層（２）への不純物拡散の防止と電子供給層（４）での電子伝導防止を目的に、通常不純物濃度の低い高純度なＡｌＩｎＡｓ層が用いられている。しかし、スペーサー層（３）に使用されるＡｌＩｎＡｓは、一般的な製造方法であるＭＯＣＶＤ法で積層される場合、ＡｌＩｎＡｓの形成材料であるトリメチルアルミニウム、トリメチルインジウム、アルシンからの不純物混入や、反応容器からの不純物混入により高純度なものが得られにくい。
【０００４】
高純度ＡｌＩｎＡｓとしては、残留キャリヤー濃度１×１０１５〜２×１０１５ｃｍ−３のｎ型の伝導を示すものが報告されている（例えば非特許文献１参照）が、１×１０１５ｃｍ−３未満の残留キャリヤー濃度を示すものは難しい。残留キャリヤー濃度を低減する方法には、ＭＯＣＶＤ法によるＡｌＩｎＡｓの低温成長がある。これは、ＡｌＩｎＡｓ中でアクセプターとして作用する炭素の混入量を増加させ、キャリヤー補償する方法として報告されている（例えば特許文献１参照）。これを電界効果トランジスタに使用する報告には、ドナーが添加された電子供給層よりもより表面で低温成長させトランジスタの熱安定性を向上させる方法（例えば特許文献２参照）、ＡｌＩｎＡｓバッファー層を低温成長させ基板へのキャリヤーの漏れに起因した問題を解消させる方法（例えば特許文献３参照）等がある。また低温成長以外にＡｌＩｎＡｓ層のキャリヤーを低減させる方法に、鉄をアクセプターとしてドープし高抵抗化されたバッファー層としての使用が報告されている（例えば特許文献４参照）。よって、ＡｌＩｎＡｓ層の残留キャリヤー濃度を下げる方法としては、ＭＯＣＶＤ法による低温成長か鉄などのアクセプターとなる不純物をドーピングする方法がある。
【０００５】
しかし、前記の方法には、電子供給層と電子走行層の界面に発生する２次元電子ガス層付近の低温成長は記載しておらず、スペーサー層には高純度ＡｌＩｎＡｓ層を使用しており、ＨＥＭＴにおいて最も重要な２次元電子ガス電子走行層付近は高純度材料に保つ従来の考え方である。よって、通常のＩｎＰ系ＨＥＭＴは、出来るだけ不純物の少ないＡｌＩｎＡｓ高純度材料をスペーサー層を使用することで、ＨＥＭＴの移動度の向上を計ってきた。また過去に報告されているものとしては、６７５℃で成長させたＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系ＨＥＭＴにおいて、７７Ｋのホール測定値４５０００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃのものがある（例えば非特許文献２参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−２６３３６５号公報
【特許文献２】
特開平１１−２６７５０号公報
【特許文献３】
特開平４−３４０２３２号公報
【特許文献４】
特許第２７１２２５２号公報
【非特許文献１】
Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．３１（１９９２）ｐ．Ｌ３７６−Ｌ３７８　Ｐａｒｔ２
【非特許文献２】
Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒ　５９（１９９１）ｐ．１６０６−１６０７
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の対策、つまり高純度ＡｌＩｎＡｓの残留キャリヤー濃度を低減する課題は、材料や装置内の厳重な管理を必要とするものであり、製品歩留まりの悪化、品質の低下、コストの増加に繋がりやすい。更に、ＨＥＭＴの高電子移動度に必要な高純度ＡｌＩｎＡｓスペーサー層も、酸素（Ｏ）、シリコン（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）などの不純物が混入しやすく、現状の技術では残留キャリヤー濃度を真性半導体に近い１０１４ｃｍ−３台を再現性良く維持することは難しい。
【０００８】
高純度ＡｌＩｎＡｓの残留キャリヤー濃度が増加すると、ＡｌＩｎＡｓのエネルギーバンド構造は図２のような形態を示す。図２において、Ｅｃ、Ｅｖ、ＥＳＤ、ＥＡ、ＥＤＤはそれぞれ伝導帯、価電子帯、浅いドナー、浅いアクセプター、深いドナーの各エネルギーレベルを示す。ＡｌＩｎＡｓ層内では、不純物として含まれる酸素が深いドナー、シリコンが浅いドナー、炭素が浅いアクセプターに相当することが特許文献１に記載されている。この状態ではＡｌＩｎＡｓ内のフェルミ準位も伝導帯付近になるため、ＡｌＩｎＡｓスペーサー層と電子走行層を結合した際のヘテロ界面のバンド構造は、図３に示すように急激な伝導帯準位の落ち込みを招き、結果として、電子走行層と電子供給層の両方を電子走行するいわゆるＰａｒａｌｌｅｌ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎが発生し、ＨＥＭＴの電子移動度の低下を招いていた。
【０００９】
本発明の電界効果トランジスタおよびその製造方法は、前記課題を解決されるためになされたものであり、従来のＨＥＭＴよりも高電子移動度を達成することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前述した従来のスペーサー層の特徴、すなわち不純物が少なく高純度であるという常識をくつがえした新たな電界効果トランジスタについて鋭意検討した結果、２次元電子ガス層付近に存在するＡｌＩｎＡｓスペーサー層に積極的に不純物を混入させることにより、電子移動度特性を向上させうる全く新しい電界効果トランジスタに到達した。
【００１１】
即ち本発明は、ＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓから成る電子走行層、ＡｌＩｎＡｓから成るスペーサー層、及びＡｌＩｎＡｓから成る電子供給層を有する電界効果トランジスタにおいて、スペーサー層にアクセプターが含まれていることを特徴とする、電界効果トランジスタである。
【００１２】
また本発明は、上述の電界効果トランジスタの製造方法において、５７５℃以下のＭＯＣＶＤ法により、スペーサー層の成長時に炭素（Ｃ）を混入させることを特徴とする方法である。
【００１３】
さらに本発明は、上述の電界効果トランジスタの製造方法において、ＭＯＣＶＤ法により、スペーサー層の成長時に鉄（Ｆｅ）または亜鉛（Ｚｎ）を混入させることを特徴とする方法である。
【００１４】
以下、本発明を更に詳細に説明する。
【００１５】
本発明の電界効果トランジスタを構成する電子走行層は、ＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓから成るものであれば特に限定はない。この電子走行層は、例えば電子デバイスに使用される半絶縁性ＩｎＰ基板などの上にＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓを成長させることにより得ることができる。この時の成長温度は、ＩｎＰ又はＧａＩｎＡｓの結晶性が良好となる５００〜７００℃が好ましく、６００〜６５０℃が更に好ましい。
【００１６】
本発明の電界効果トランジスタを構成するスペーサー層は、ＡｌＩｎＡｓから成り、かつアクセプターを含むものである。アクセプターとしては特に限定はないが、炭素（Ｃ）、鉄（Ｆｅ）、または亜鉛（Ｚｎ）が好ましい。またスペーサー層の残留キャリヤー濃度は特に限定されるものではないが、１×１０１５ｃｍ−３未満であることが好ましく、７×１０１４ｃｍ−３以下であることが更に好ましく、５×１０１４ｃｍ−３以下であることがもっとも好ましい。
【００１７】
本発明のスペーサー層は、例えばアクセプタとして炭素（Ｃ）が含まれる場合は、５７５℃以下のＭＯＣＶＤ法によりスペーサー層の成長時に炭素（Ｃ）を混入させることにより得ることができる。炭素（Ｃ）源としては、ＡｌＩｎＡｓの形成材料に含まれる炭素（Ｃ）を利用することができる。この時の温度は、炭素のドーピング量とＡｌＩｎＡｓ層の結晶性を考慮して５２０〜５５０℃であることが更に好ましい。一方、アクセプタとして鉄（Ｆｅ）又は亜鉛（Ｚｎ）が含まれる場合は、ＭＯＣＶＤ法によりスペーサー層の成長時に鉄（Ｆｅ）又は亜鉛（Ｚｎ）を混入させることにより得ることができる。これらのアクセプターを供給する材料としては鉄のドープにはフェロセン等が亜鉛のドープにはジメチルジンク等が使用可能である。成長時の温度は、ＡｌＩｎＡｓ層の結晶性を考慮して５００〜７００℃が好ましく、６００〜６７５℃が更に好ましい。
【００１８】
本発明の電界効果トランジスタを構成する電子供給層は、ＡｌＩｎＡｓから成るものであれば特に限定はなく、例えば上述のスペーサー層の上に成長させればよい。この電子供給層の成長温度は、ＡｌＩｎＡｓ層の結晶性を考慮すると５００〜７００℃が好ましく、６００〜６７５℃が更に好ましい。
【００１９】
また、前述のスペーサー層の成長温度と電子供給層の成長温度が大きく異なると、その界面に荒れが生じる恐れがあるので、成長温度差は７５℃以下が好ましい。なお、スペーサー層を５７５℃以下、好ましくは５２０〜５５０℃で成長させ、電子走行層を６００〜６７５℃で成長させたほうが結晶性が良好になるため、更に好ましい。
【００２０】
本発明によれば、過去に報告されているＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系ＨＥＭＴの７７Ｋでのホール測定値４５０００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃを越える電界効果トランジスタを得ることができる。
【００２１】
本発明は、従来のＨＥＭＴ成長のように２次元電子ガス付近の電子走行層、スペーサー層を高温成長で平坦性を向上させ、かつ高純度なＡｌＩｎＡｓをスペーサー層として使用する方法とは異なるものである。更に、従来の高温成長で得られたＨＥＭＴ以上に移動度を向上できることが判明した。
【００２２】
スペーサー層に炭素（Ｃ）が含まれる場合、スペーサー層の成長温度が高温側でＨＥＭＴの電子移動度が予想以上に低下した原因としては、成長雰囲気からの不純物の混入が多かったためと考えられる。また低温成長によって得られたスペーサー層は不純物混入量が増えたにも関わらず、ＨＥＭＴの移動度が向上した原因は、以下のように考察できる。即ち、ＭＯＣＶＤ法によって成長させたスペーサー層は低温成長によって炭素のキャリヤー補償効果が増大し、エネルギーバンド構造は、高温成長させた図２から、図４（図中の記号は前記と同様）のように変化してフェルミ準位も禁制帯の中心付近に存在していると予想される。よって、図４のようなエネルギーバンド構造を有するスペーサー層と電子走行層が結合したときは、図５のヘテロ界面を形成すると考えられる。これによりスペーサー層のキャリヤー濃度が減少し、急激な伝導帯準位の落ち込みを防ぎ、Ｐａｒａｌｌｅｌ　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎを防止できたものと考える。その結果として、スペーサー層の低温成長において移動度が向上したものと推察できる。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２４】
（実施例１）
図１で表されるＨＥＭＴを作製した。なお本実施例では、基板（１）として半絶縁性ＩｎＰ基板、電子走行層（２）として高純度ＩｎＰ層、スペーサー層（３）としてキャリヤー補償型ＡｌＩｎＡｓ層を使用した。半絶縁性ＩｎＰ基板は、２インチサイズの市販の基板を１ｃｍ×２ｃｍ程度にへき開して使用した。その基板をメタノールの超音波洗浄１０分と、硫酸：過酸化水素水：水＝３：１：１の混合液で静置洗浄２分後、純水洗浄を行ったものを使用した。洗浄した基板に、日本酸素株式会社製横型減圧ＭＯＣＶＤ装置ＭＯＤＥＬ　ＨＲ−３２４６にて以下の材料を成長させた。即ち、キャリヤーガスにはパラジウム合金膜を通過させて精製した高純度水素を使用し、ＩＩＩ族材料にはトリメチルアルミニウム及びトリメチルインジウムを、Ｖ族材料にはアルシン及びフォスフィンを、また電子供与ＡｌＩｎＡｓ層にキャリヤーを発生させるキャリヤー発生材料にはジシランをそれぞれ使用した。
【００２５】
ＨＥＭＴ構造の成長は５５０℃の成長温度で半絶縁性ＩｎＰ基板（１）の上に高純度ＩｎＰ層から成る電子走行層（２）を６００ｎｍ、ＡｌＩｎＡｓから成るスペーサー層（３）を５ｎｍ、シリコンをドープしたＡｌＩｎＡｓから成る電子供与層（４）を５０ｎｍそれぞれ順に成長させた。またＨＥＭＴとは別に、前記洗浄方法と同様に洗浄したＩｎＰ基板上に２．５μｍのＡｌＩｎＡｓ単層膜を成長させ、ＡｌＩｎＡｓのキャリヤー濃度測定に用いた。
【００２６】
得られたＨＥＭＴの評価は、Ｖａｎ　Ｄｅｒ　Ｐａｕｗのホール測定でキャリヤー濃度及び電子移動度を測定し、ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析計）でＡｌＩｎＡｓ単層膜の不純物濃度（酸素、炭素、シリコン）を測定した。図６はＡｌＩｎＡｓ単層膜の成長温度とキャリヤー濃度との関係を示したものである。成長温度が６５０℃、６００℃、５５０℃と低下するに伴い、キャリヤー濃度が下がっており、５５０℃では、１×１０１３ｃｍ−３未満にまで低減されている。また、図７はＡｌＩｎＡｓ単層膜のＳＩＭＳ分析値を示している。５５０℃と６５０℃の成長温度でシリコン混入量は殆ど変わらなかったものの、酸素量と炭素量は５５０℃で増加しており、成長温度が低くなると不純物混入量が増えることが確認された。図６と図７の結果から、５５０℃の低温成長でキャリヤー濃度が低減しているのは、浅いアクセプターである炭素量が増加してドナーと考えられる酸素とシリコンのキャリヤーを相殺する、すなわちキャリヤー補償効果のためと考えられる。
【００２７】
また、図８，９に前記ＨＥＭＴ構造の成長温度と電子移動度との関係を示している。図８がホール測定温度３００Ｋの電子移動度を示しており、図９が７７Ｋの電子移動度を示している。３００Ｋ、７７Ｋの両測定温度とも、通常の成長温度（６００℃以上）よりも、よりの低温の成長温度（５５０℃、５７５℃）の方が高移動度を達成していることが判明した。成長温度５５０℃で７７Ｋのホール測定結果は、これまでに報告されている６７５℃で成長されたＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ系ＨＥＭＴの値４５０００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃ（非特許文献２参照）を超える、５８０００ｃｍ２／Ｖ・ｓｅｃであった。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電界効果トランジスタは、スペーサー層のキャリヤー補償効果を利用することで、従来のＨＥＭＴよりも高い電子移動度を達成することができた。また、本発明の電界効果トランジスタは、スペーサー層のキャリヤー補償効果を利用することで、成長に使用する材料に多少の純度ばらつきがあっても安定した高移動度を達成できるＨＥＭＴを作成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＨＥＭＴ構造を示す断面図である。
【図２】ＡｌＩｎＡｓ層のエネルギーバンド図である。
【図３】従来のＡｌＩｎＡｓ層と電子走行層とのヘテロ接合エネルギーバンド図である。
【図４】ＡｌＩｎＡｓ層のエネルギーバンド図である。
【図５】本発明のスペーサー層と電子走行層とのヘテロ接合エネルギーバンド図である。
【図６】ＡｌＩｎＡｓ層の成長温度とキャリヤー濃度との関係を示す図である。
【図７】ＡｌＩｎＡｓ層の成長温度と不純物混入量との関係を示す図である。
【図８】本発明のＨＥＭＴの成長温度と３００Ｋの電子移動度との関係を示す図である。
【図９】本発明のＨＥＭＴの成長温度と７７Ｋの電子移動度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１　基板
２　電子走行層
３　スペーサー層
４　電子供給層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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