(57)【要約】【課題】移動度のシートキャリア濃度依存性を低減し、移動度を大幅に向上したＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハを得る。【解決手段】バンドギャップの狭いチャネル層５の両側にバンドギャップの大きいスペーサ層４、６及び電子供給層３、７をそれぞれ設けた構造のＨＥＭＴ用エピタキシャルにおいて、前記スペーサ層４、６に組成勾配をつけ、例えばＡｌ濃度がチャネル層に向かって漸次減少したＡｌＧａＡｓ層からなる構成とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、バンドギャップの狭いチャネル層の両側にバンドギャップの大きいスペーサ層及び電子供給層をそれぞれ設けた層構造を具備する高速電子移動度トランジスタ用エピタキシャルにおいて、
前記スペーサ層はその両側の層とのバンドギャップが小さくなるように組成範囲が変化した層からなることを特徴とする高速電子移動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記載の高速電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、
前記スペーサ層はＡｌ濃度がチャネル層に向かって漸次減少したＡｌＧａＡｓ層からなることを特徴とする高速電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の高速電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、
前記電子供給層の構造をアンドープのＡｌＧａＡｓ層内にデルタドープ層を形成したデルタドーピング構造としたことを特徴とする高速電子移動度エピタキシャルウェハ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、へテロ接合を有する高速電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＩｎＧａＡｓ層をチャネル層とし、チャネル層の両側、または片側に電子供給層を持つヘテロ接合ＨＥＭＴ（Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：高層電子移動度トランジスタ）は、電子の高速移動の利点を活かして高速動作が可能だけでなく、マイクロ波帯等の超高周波帯における高出力、且つ高効率動作が可能なので、携帯電話や衛星通信機器等に搭載されるトランジスタ等の用途に用いられる。
【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を電子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】
また電子供給層の総数に注目すると、電子供給層が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５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】
構造は図５に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１上にｕｎ−ＧａＡｓバッファ層１２を具え、この上側にｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ電子供給層１３、ｕｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓスペーサ層１４、ｕｎ−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓチャネル層１５、ｕｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓスペーサ層１６、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ電子供給層１７を積層させてダブルヘテロ構造型ＨＥＭＴを構成し、その上にｎ−ＧａＡｓギャップ層１８を形成している。すなわち、ｕｎ−ＩｎＧａＡｓチャネル層１５をはさんで上下にｎ−ＡｌＧａＡｓ電子供給層１３、１７を配し、ｕｎ−ＩｎＧａＡｓチャネル層１５と上下のｎ−ＡｌＧａＡｓ電子供給層１３、１７との間にアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層１４、１６が挿入された構造である。なお、エピタキシャル層名称中のｎ−、ｕｎ−はエピタキシャル層がそれぞれｎ型、アンドープであることを表している。
【０００９】
ここでｕｎ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層１４、１６は、キャリア（電子）が走行するｕｎ−ＩｎＧａＡｓチャネル層１５とｎ型不純物がドーピングされたｎ−ＡｌＧａＡｓ電子供給層１３、１７を空間的に確実に分離するために挿入されている。このｕｎ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層１４、１６の効果により、ｕｎ−ＩｎＧａＡｓチャネル層１５を走行するキャリア（電子）はｎ−ＡｌＧａＡｓ電子供給層１３、１７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】
このようなウェハ構造とすることにより、２次元電子ガスの濃度を高め、しかも電子の移動度を大きくできて、素子の高性能化を図ることができる。
【００１１】
これまで一般にＭＯＶＰＥ装置で作製されたＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの特性は、チャネル層のシートキャリア濃度２．６±０．２×１０１２ｃｍ−２で、移動度５０００〜６５００ｃｍ２／Ｖ・ｓである。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、移動度が上記の６５００ｃｍ２／Ｖ・ｓを超え、しかも移動度のシートキャリア濃度依存性が低減されるＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの構造が望まれる。
【００１３】
ＨＥＭＴにおいて、さらに素子の高性能化を図るためには、チャネル層の中央部近傍におけるバンドギャップに着目し、その部分のバンドギャップを狭くすることが有効であると考えられる。
【００１４】
しかし、ＩｎＧａＡｓチャネル層はＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ層に比べ格子定数が大きい。そのためＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓもしくはＡｌＧａＡｓとの間で格子不整合が生じ、転位が発生する。この転位の発生により２次元電子ガスの濃度の減少、電子移動度の低下を招くことになり、素子の高性能化を図ることができないという問題が起きる。
【００１５】
また、従来のＨＥＭＴ構造では、ヘテロ界面に生じるポテンシャル障壁によるキャリア閉じ込め効果を行うためにＡｌＧａＡｓ層３元化合物を用いるが、これはチャネル層に合金散乱の影響を及ぼし、移動度の低下を引き起こす。すなわち、スペーサ、チャネル層界面において、ＧａＡｓスペーサ層ではＧａ又はＡｓ終端であり、電子は図４（ａ）に示すように散乱なく流れる。しかし、ＡｌＧａＡｓスペーサ層では終端がＩＩＩ族終端であるとき、図４（ｂ）に示すようにＧａ、Ａｌの混晶であるために、電子はＧａ、Ａｌの原子の大きさ相違から生じる凹凸を感じ、電子は流れにくくなる。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、移動度のシートキャリア濃度依存性を低減し、移動度を大幅に向上した高速電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
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。
【００１８】
請求項１の発明に係る高速電子移動トランジスタ用エピタキシャルウェハは、基板上に、バンドギャップの狭いチャネル層の両側にバンドギャップの大きいスペーサ層及び電子供給層をそれぞれ設けた層構造を具備する高速電子移動度トランジスタ用エピタキシャルにおいて、前記スペーサ層はその両側の層とのバンドギャップが小さくなるように組成範囲が変化した層からなることを特徴とする。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１記載の高速電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、前記スペーサ層はＡｌ濃度がチャネル層に向かって漸次減少したＡｌＧａＡｓ層からなることを特徴とする。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の高速電子移動度トランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、前記電子供給層の構造をアンドープのＡｌＧａＡｓ層内にデルタドープ層（δドープ層）を形成したデルタドーピング構造としたことを特徴とする。
【００２１】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、チャネル層に近い側がバンドギャップの小さくなるように、スペーサ層に組成勾配をつけることにある。具体的には、例えばチャネル層をＩｎＧａＡｓ層とし、スペーサ層はＡｌ濃度がチャネル層に向かって漸次減少したＡｌＧａＡｓ層からなる構成とする（図２）。例えば図２に示すように、チャネル層近傍ではＧａＡｓかそれに近い組成であるＡｌＧａＡｓ層にする。これにより、３元化合物であるＡｌＧａＡｓの合金散乱が防止される。またＧａＡｓ層のみのスペーサではＡｌＧａＡｓ層に比べバンドギャップが狭いためキャリア閉じ込め効果が弱い、という欠点も除去される。
【００２２】
また電子供給層の構造をアンドープのＡｌＧａＡｓ層内にデルタドープ層を形成したデルタドーピング構造とした。すなわち、ドーパント原子は電子供給層の一部のデルタドープ層にのみ極めて高い濃度で分布している。  このデルタドーピング構造では、電子供給層内でのドーパント原子を含むデルタドープ層の位置の最適化や、デルタドープ層の形成方法の最適化によって、キャリア走行内に留まる電子の濃度をその移動度の大幅な低下なしにいくらか高めることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００２４】
本発明の一実施形態に係るＤ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの構造を図１に示す。
【００２５】
図示するように、ｕｎ−ＩｎＧａＡｓチャネル層５をはさんで上下にｎ−ＡｌＧａＡｓ電子供給層３、７を配し、ｕｎ−ＩｎＧａＡｓ／ｎ−ＡｌＧａＡｓ界面にｕｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓスペーサ層４、６を挿入した構成とする。
【００２６】
このｕｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓスペーサ層４、６には、その両側の層とのバンドギャップが小さくなるように組成勾配をつけ、図２に示すようにＡｌ組成比ｘを変えて、チャネル層近傍ではＧａＡｓ又はそれに近い組成であるＡｌＧａＡｓ層となるようにする。これは、一方では、３元化合物であるＡｌＧａＡｓの合金散乱を防ぐためであると同時に、他方では、ＧａＡｓ層のみのスペーサとしたのでは、ＡｌＧａＡｓ層に比べバンドギャップが狭くキャリア閉じ込め効果が弱いことから、その弱点を補うためである。
【００２７】
チャネル層５であるＩｎＧａＡｓ層の厚さを１５ｎｍ以下、スペーサ層４、６、電子供給層３、７の厚さを１０ｎｍ以下とする。これにより転位発生を抑える。これはＧａＡｓ層を基準としたとき、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ層が臨界膜厚を越えないことを狙いとした。この間の膜厚はＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ両者ともに、横方向の格子間距離はＧａＡｓと同じであるからである。しかし臨界膜厚を越えたとき、ＧａＡｓとＩｎＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓとの格子間距離のずれから生じる歪によるエネルギーをなくすために転位が発生することは以前から知られている。
【００２８】
本発明の効果を確認するため、次のようなＤ−ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの実施例について試作した。
【００２９】
すなわち、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＶＰＥ装置を用いて、順にエピタキシー成長させることにより、ｕｎ−ＧａＡｓバッファ層２を５００ｎｍ設け、その上に、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ電子供給層３（ｘ＝０．２４、ドーピング濃度３×１０１８ｃｍ−３）を５ｎｍ設けた。そして、その上にグレーデッド（ｇｒａｄｅｄ）スペーサ層４としてｕｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（ｘ＝０．３→０：Ａｌ組成を減らしていく）を５ｎｍ設け、その上に更に、ｕｎ−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓチャネル層５（ｘ＝０．２０）を１０ｎｍ設けた。
【００３０】
また、チャネル層５の上に、グレーデッド（ｇｒａｄｅｄ）スペーサ層６としてｕｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓスペーサ層６（ｘ＝０→０．３：Ａｌ組成を増やしていく）を５ｎｍ設け、その上にｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ電子供給層７（ｘ＝０．２４、ドーピング濃度３×１０１８ｃｍ−３）を５ｎｍ設け、その上に更に、ｎ−ＧａＡｓキャップ層８（ドーピング濃度３×１０１８ｃｍ−３）を８０ｎｍ設けた。
【００３１】
グレーデッドｕｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓスペーサ層４は、初め、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓで成長し、成長するにつれてＡｌ組成を減らして成長する。グレーデッドｕｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓスペーサ層６はグレーデッドｕｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓスペーサ層４の逆の成長を行う。
【００３２】
図３に従来の構造（図５）と本発明の構造（図１）におけるチャネル層シートキャリア濃度とキャリア移動度の関係を示す。本実施例に係るＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ（本発明品）では、従来構造のもの（従来品）とほぼ同じシートキャリア濃度であるにも関わらず、移動度が大幅に向上した。すなわち、従来品の場合は移動度が５０００〜６５００ｃｍ２／Ｖ・ｓであるのに対し、本実施例のＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハ（本発明品）では、従来の６５００ｃｍ２／Ｖ・ｓを大幅に上回る高い移動度が得られた。
【００３３】
上記電子供給層３、７は、アンドープのＡｌＧａＡｓ層内にデルタドープ層を形成したデルタドーピング構造とすることができる。すなわち、ドーパント原子が電子供給層３、７の一部のデルタドープ層にのみ極めて高い濃度で分布している構造である。このデルタドーピング構造では、電子供給層内でのドーパント原子を含むデルタドープ層の位置の最適化や、デルタドープ層の形成方法の最適化によって、キャリア走行内に留まる電子の濃度をその移動度の大幅な低下なしにいくらか高めることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハにおけるチャネル層に近い側がバンドギャップの小さくなるように、スペーサ層に組成勾配をつけ、例えばＡｌ濃度がチャネル層に向かって漸次減少したＡｌＧａＡｓ層からなるスペーサ層の構成としたので、３元化合物であるＡｌＧａＡｓの合金散乱が防止される。またＧａＡｓ層のみのスペーサではＡｌＧａＡｓ層に比べバンドギャップが狭いためキャリア閉じ込め効果が弱い、という欠点も除去される。
【００３５】
従って、本発明によれば、高いキャリア移動度により格段に性能向上が図られる高速電子移動度トランジスタが得られ、低雑音増幅等に適用したとき大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの構造断面図である。
【図２】本発明におけるスペーサ層のＡｌ組成の組成勾配とエピタキシャル層構造の関係を示す図である。
【図３】本発明におけるチャネル層シートキャリア濃度とキャリア移動度の関係を従来との比較において示す図である。
【図４】合金散乱の説明に供する図である。
【図５】従来のＨＥＭＴ用エピタキシャルウェハの構造断面図である。
【符号の説明】
１  ＧａＡｓ基板
２  ＧａＡｓバッファ層
３  ＡｌＧａＡｓ電子供給層
４  ＡｌＧａＡｓスペーサ層
５  ＩｎＧａＡｓチャネル層
６  ＡｌＧａＡｓスペーサ層
７  ＡｌＧａＡｓ電子供給層
８  ＧａＡｓキャップ層
【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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