(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に順に設けられたバッファ層、第１のキャリア供給層、第１のスペーサ層、チャネル層、第２のスペーサ層、第２のキャリア供給層、及びコンタクト層とを備え、
前記第１のキャリア供給層は、均一に不純物がドーピングされたユニフォームドープ層であり、
前記第２のキャリア供給層は、局所的に不純物がドーピングされたプレーナドープ層であり、
前記バッファ層と前記第１のスペーサ層の間、及び、前記第２のスペーサ層と前記コンタクト層の間において、前記第１及び第２のスペーサ層よりも抵抗値が高いＡｌ混晶層を設けないことを特徴とする化合物半導体装置。
【請求項２】
前記バッファ層と前記第１のスペーサ層の間において前記第１のキャリア供給層と積層した第３のキャリア供給層を更に備え、
前記第３のキャリア供給層は、局所的に不純物がドーピングされたプレーナドープ層であることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体装置。
【請求項３】
前記基板はＧａＡｓ基板であり、
前記第１のキャリア供給層、前記チャネル層、及び前記第２のキャリア供給層は前記ＧａＡｓ基板に格子整合又は擬似格子整合するＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体装置。
【請求項４】
前記基板はＩｎＰ基板であり、
前記第１のキャリア供給層、前記チャネル層、及び前記第２のキャリア供給層は前記ＩｎＰ基板に格子整合又は擬似格子整合するＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体装置。
【請求項５】
前記基板はＧａＡｓ基板であり、
前記第１のキャリア供給層、前記チャネル層、及び前記第２のキャリア供給層はＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓで構成され、
前記バッファ層は、前記ＧａＡｓ基板側から前記第１のキャリア供給層側に向かってＡｌＩｎＡｓ又はＡｌＧａＩｎＡｓのＩｎ組成をステップ状又はグレーデッドに増加させたメタモルフィックバッファ層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の化合物半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電子移動度トランジスタなどの化合物半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高電子移動度トランジスタ（HEMT: High Electron Mobility Transistor）は、その優れた高周波特性を生かし、衛星放送用受信アンテナや車載用ミリ波レーダ等の増幅器に用いられている。近年実用化されているＨＥＭＴのエピタキシャル構造は、キャリア走行層であるチャネル層へ高濃度、且つ、効率よくキャリアを供給するために、 チャネル層の上側だけでなく、下側にもキャリア供給層をもつダブルドープＨＥＭＴが主流となっている。
【０００３】
ダブルドープＨＥＭＴのキャリア供給層として、所望の厚さをもち、均一に不純物がドーピングされるユニフォームドープ供給層が用いられる。また、ＨＥＭＴの性能向上を図るために供給層の高濃度薄層化、つまり不純物を局所的にドーピングするプレーナドープ供給層も用いられる。しかし、局所的に高濃度ドーピングされるため、その不純物が拡散しやすく、下側のプレーナドープ供給層からチャネル層に不純物が混入し、ＨＥＭＴの性能向上を妨げることが知られている。
【０００４】
その不純物拡散抑制方法として、エピタキシャル成長の低温化及び時間短縮による熱履歴の低減が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＧａＡｓ系ＨＥＭＴにおける不純物拡散抑制構造として、拡散原因であるプレーナドープ層の格子歪みを緩和するためにプレーナドープ層近傍のＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ層にＩｎを添加する構造が提案されている（例えば、特許文献２参照）。また、Ａｌ混晶層をプレーナドープ層等に隣接して形成することで移動度の向上を図る構造も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−２４９７５７号公報
【特許文献２】特開平８−３２０５２号公報
【特許文献３】特開２００１−１２７２８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
エピタキシャル成長を低温化する技術では、特にＡｌを含む層に酸素などの不純物混入しやすくなるため、信頼性の悪化が懸念される。また、プレーナドープ層近傍の層にＩｎを添加する技術では、エピタキシャル構造や成長プロセスが複雑になるため、安定生産が困難である。また、Ａｌ混晶層を設けると、それが抵抗層となってソース直列抵抗が増加するため、高周波特性が悪化し、移動度が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は簡単な構造で不純物拡散を抑制して特性向上及び安定生産を図ることができる化合物半導体装置を得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る化合物半導体装置は、基板と、前記基板上に順に設けられたバッファ層、第１のキャリア供給層、第１のスペーサ層、チャネル層、第２のスペーサ層、第２のキャリア供給層、及びコンタクト層とを備え、前記第１のキャリア供給層は、均一に不純物がドーピングされたユニフォームドープ層であり、前記第２のキャリア供給層は、局所的に不純物がドーピングされたプレーナドープ層であり、前記バッファ層と前記第１のスペーサ層の間、及び、前記第２のスペーサ層と前記コンタクト層の間において、前記第１及び第２のスペーサ層よりも抵抗値が高いＡｌ混晶層を設けないことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明ではチャネル層の下側のキャリア供給層をユニフォームドープとすることで、チャネル層中の電子走行を妨げる不純物の拡散を抑制することができる。また、Ａｌ混晶層のような抵抗層を設けないことにより、ソース直列抵抗が増加しないため、高周波特性を悪化させず、移動度を向上することができる。この結果、簡単な構造で不純物拡散を抑制して特性向上及び安定生産を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る化合物半導体装置を示す断面図である。
【図２】比較例１に係る化合物半導体装置を示す断面図である。
【図３】比較例２に係る化合物半導体装置を示す断面図である。
【図４】ユニフォームドープとプレーナドープのＳｉの拡散比較を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る化合物半導体装置を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る化合物半導体装置を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る化合物半導体装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態に係る化合物半導体装置について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る化合物半導体装置を示す断面図である。この化合物半導体装置はＨＥＭＴエピタキシャル構造を有する。即ち、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、アンドープのＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓからなる絶縁層であるバッファ層２、ｎ型ＡｌＧａＡｓユニフォームドープキャリア供給層３、アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層４、アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層５、アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層６、ｎ型プレーナドープキャリア供給層７、アンドープＡｌＧａＡｓバリア層８、及びｎ型ＧａＡｓコンタクト層９が順に設けられている。
【００１３】
ｎ型ＡｌＧａＡｓユニフォームドープキャリア供給層３は、均一に不純物がドーピングされたユニフォームドープ層である。ｎ型プレーナドープキャリア供給層７は、局所的に不純物がドーピングされたプレーナドープ層である。また、バッファ層２とアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層４の間にはｎ型ＡｌＧａＡｓユニフォームドープキャリア供給層３のみ存在し、アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層６とｎ型ＧａＡｓコンタクト層９の間にはｎ型プレーナドープキャリア供給層７とアンドープＡｌＧａＡｓバリア層８のみ存在する。これらの領域にはアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層４，６よりも抵抗値が高いＡｌ混晶層を設けない。
【００１４】
続いて、本実施の形態に係る化合物半導体装置の製造方法を説明する。各半導体層の成長方法として、有機金属気相成長法（MOVPE: Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）又は分子線エピタキシャル成長法（MBE: Molecular Beam Epitaxy）などを用いる。ここでは、ＭＯＶＰＥ法を用い、Ａｌ原料としてトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、Ｇａ原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、Ａｓ原料としてアルシン（ＡｓＨ３）、Ｓｉ原料としてシラン（ＳｉＨ４）、キャリアガスとして水素を用いる。
【００１５】
まず、成長温度７００℃で半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを交互に複数積層してバッファ層２を形成する。次に、ドーパントガスを供給し、キャリア濃度が５×１０１８ｃｍ−３以下、好ましくは３×１０１８ｃｍ−３以下とした３〜１５ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓユニフォームドープキャリア供給層３を形成する。次に、ドーパントガスであるＳｉＨ４の供給を停止し、３〜５ｎｍのアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層４を形成する。成長温度を５００〜６００℃に降温し、アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層５を５〜３０ｎｍ成長させる。７００℃に昇温後、３〜５ｎｍのアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層６を形成する。次に、ＴＭＡｌ及びＴＭＧａの供給を停止し、ＳｉＨ４及びＡｓＨ３を供給し、シートキャリア濃度が１〜５×１０１２ｃｍ−２のｎ型プレーナドープキャリア供給層７を形成する。ＳｉＨ４供給を停止し、再び、ＴＭＡｌ及びＴＭＧａを供給し、５〜５０ｎｍのアンドープＡｌＧａＡｓバリア層８を形成する。最後に、キャリア濃度が２×１０１８ｃｍ−３以上とした５０〜３００ｎｍのｎ型ＧａＡｓコンタクト層９を形成する。
【００１６】
続いて、本実施の形態の効果を比較例１，２と比較して説明する。図２は、比較例１に係る化合物半導体装置を示す断面図である。図３は、比較例２に係る化合物半導体装置を示す断面図である。比較例１では上下のキャリア供給層がユニフォームドープキャリア供給層１０，１１である。比較例２では上下のキャリア供給層がプレーナドープキャリア供給層１２，１３である。ＨＥＭＴの性能向上を図るためには比較例１よりも比較例２のようなプレーナドープキャリア供給層を用いた方がよい。しかし、比較例２では下側のプレーナドープ供給層１２からアンドープＩｎＧａＡｓチャネル層５に不純物が混入し、ＨＥＭＴの性能向上を妨げるという問題がある。
【００１７】
本実施の形態では、アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層５の下側のキャリア供給層をユニフォームドープとすることで、アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層５中の電子走行を妨げるＳｉなどの不純物の拡散を抑制することができる。図４は、ユニフォームドープとプレーナドープのＳｉの拡散比較を示す図である。
【００１８】
アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層５中へのＳｉ拡散が抑制されることにより、表１に示すようにＨＥＭＴの性能指標である移動度が、実施の形態１では比較例２と比較して４５００→５９００ｃｍ２／Ｖｓと３１％向上する。
【表１】
0006287951.tif 000002
ここで、チャネルＩｎ組成は１１％、チャネルシートキャリア濃度は２．１×１０１２ｃｍ−２である。
【００１９】
また、本実施の形態では、バッファ層２とアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層４の間、及び、アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層６とｎ型ＧａＡｓコンタクト層９の間において、アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層４，６よりも抵抗値が高いＡｌ混晶層を設けない。これにより、ソース直列抵抗が増加しないため、高周波特性を悪化させず、移動度を向上することができる。この結果、簡単な構造で不純物拡散を抑制して特性向上及び安定生産を図ることができる。
【００２０】
実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る化合物半導体装置を示す断面図である。本実施の形態では、実施の形態１の構成に加えて、バッファ層２とアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層４の間においてｎ型ＡｌＧａＡｓユニフォームドープキャリア供給層３と積層したｎ型プレーナドープキャリア供給層１４を更に備える。ｎ型プレーナドープキャリア供給層１４は、局所的に不純物がドーピングされたプレーナドープ層である。
【００２１】
このようにアンドープＩｎＧａＡｓチャネル層５の下側のキャリア供給層をプレーナドープ層とユニフォームドープ層の積層としても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。その際、ユニフォームドープ層の厚さはプレーナドープ層からの拡散を考慮して１０〜２０ｎｍにすることが望ましい。
【００２２】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る化合物半導体装置を示す断面図である。本実施の形態では、半絶縁性ＩｎＰ基板１５上に、アンドープＡｌＩｎＡｓバッファ層１６、ｎ型ＡｌＩｎＡｓユニフォームドープキャリア供給層１７、アンドープＡｌＩｎＡｓスペーサ層１８、アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層１９、アンドープＡｌＩｎＡｓスペーサ層２０、ｎ型プレーナドープキャリア供給層２１、アンドープＡｌＩｎＡｓバリア層２２、及びｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層２３が順に設けられている。
【００２３】
このように基板の材料を実施の形態１のＧａＡｓからＩｎＰに変更し、ＡｌＧａＡｓをＡｌＩｎＡｓ又はＡｌＧａＩｎＡｓに変更し、コンタクト層の材料をＧａＡｓからＩｎＧａＡｓに変更しても実施の形態１と同様の効果を得ることができる。但し、アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層１９は半絶縁性ＩｎＰ基板１５と格子整合または擬似格子整合するＩｎ組成とする（Ｉｎ組成＝５３％）。
【００２４】
実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る化合物半導体装置を示す断面図である。本実施の形態では、実施の形態３の構成において、基板を半絶縁性ＧａＡｓ基板１に変更し、バッファ層をアンドープＡｌＩｎＡｓメタモルフィックバッファ層２４に変更している。アンドープＡｌＩｎＡｓメタモルフィックバッファ層２４は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１側からｎ型ＡｌＩｎＡｓユニフォームドープキャリア供給層１７側に向かってＩｎ組成をステップ状又はグレーデッドに増加させている。なお、バッファ層の材料としてＡｌＩｎＡｓの代わりにＡｌＧａＩｎＡｓを用い、そのＩｎ組成をステップ状又はグレーデッドに増加させてもよい。これにより、Ｉｎ組成が４０％以上のアンドープＩｎＧａＡｓチャネル層１９と半絶縁性ＧａＡｓ基板１との格子不整合を緩和することができ、高品質なＩｎＧａＡｓチャネル層を成長することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１  半絶縁性ＧａＡｓ基板（基板）、２  バッファ層、３  ｎ型ＡｌＧａＡｓユニフォームドープキャリア供給層（第１のキャリア供給層）、４  アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層（第１のスペーサ層）、５，１９  アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層（チャネル層）、６  アンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層（第２のスペーサ層）、７，２１  ｎ型プレーナドープキャリア供給層（第２のキャリア供給層）、９  ｎ型ＧａＡｓコンタクト層（コンタクト層）、１４  ｎ型プレーナドープキャリア供給層（第３のキャリア供給層）、１５  半絶縁性ＩｎＰ基板（基板）、１６  アンドープＡｌＩｎＡｓバッファ層（バッファ層）、１７  ｎ型ＡｌＩｎＡｓユニフォームドープキャリア供給層（第１のキャリア供給層）、１８  アンドープＡｌＩｎＡｓスペーサ層（第１のスペーサ層）、２０  アンドープＡｌＩｎＡｓスペーサ層（第２のスペーサ層）、２３  ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層（コンタクト層）、２４  アンドープＡｌＩｎＡｓメタモルフィックバッファ層（バッファ層）
【図１】
0006287951.tif 000003
【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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