(57)【要約】      （修正有）【課題】プレーナドープの高性能性を保持したまま特性変動を抑制できる化合物半導体装置を提供する。【解決手段】化合物半導体からなるＨＥＭＴ構造の化合物半導体装置において、チャネル層へ電子を供給する電子供給層１４，１６，１８が、ｎ型不純物のプレーナドープ層で形成されており、同一の電子供給層におけるプレーナドープ層１５，１７が２分割以上に分割されている。【選択図】図４
2012104738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体からなるＨＥＭＴ構造の化合物半導体装置において、
チャネル層へ電子を供給する電子供給層が、ｎ型不純物のプレーナドープ層で形成されており、同一の電子供給層におけるプレーナドープ層が２分割以上に分割されていることを特徴とする化合物半導体装置。
【請求項２】
前記ｎ型不純物がＳｉである請求項１に記載の化合物半導体装置。
【請求項３】
分割されたプレーナドープ層１層あたりのドナー濃度が１．５Ｅ＋１２ｃｍ-2以下である請求項１又は２に記載の化合物半導体装置。
【請求項４】
分割されたプレーナドープ層１層あたりのドナー濃度が１Ｅ＋１２ｃｍ-2以下である請求項１又は２に記載の化合物半導体装置。
【請求項５】
同一の電子供給層におけるプレーナドープ層が４分割以下に分割されている請求項１〜４のいずれかに記載の化合物半導体装置。
【請求項６】
同一の電子供給層におけるプレーナドープ層が２分割に分割されている請求項１〜４のいずれかに記載の化合物半導体装置。
【請求項７】
分割されたプレーナドープ層のうち最も離れたプレーナドープ層間の距離が５分子層以下である請求項１〜６のいずれかに記載の化合物半導体装置。
【請求項８】
分割されたプレーナドープ層間の距離が２分子層以下である請求項６に記載の化合物半導体装置。
【請求項９】
分割されたプレーナドープ層間の距離が１分子層以下である請求項６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、化合物半導体からなる化合物半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ  Ｅｌｅｃｔｏｒｏｎ  Ｍｏｂｉｌｉｔｙ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）は、低歪で超高速動作が可能であり、主に携帯電話、無線ＬＡＮなどの受信部のローノイズアンプや送信部のパワーアンプ、送受信を切り替えたり通信方式を切り替えたりするアンテナスイッチに用いられている。
【０００３】
ＨＥＭＴの構造上の特徴として、従来から使用されている電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に対しより高速動作ができるように電子を供給する領域（電子供給層）と電子が走行する領域（チャネル層又は電子走行層）を分離した構造となっている。更に、チャネル層と電子供給層は、材料が異なるためバンドギャップ、電子親和力が異なり、これらヘテロ接合界面には伝導帯不連続が生じ、一種の量子井戸が形成される。ここに電子が有効的に閉じこめられ、いわゆる二次元原子ガスが形成される。二次元原子ガスが存在するチャネル側にはイオン化不純物が存在しないため、低温から室温にわたって、より高い移動度を示すことができる。
【０００４】
ＨＥＭＴの基本構造は、図６に示すように、半絶縁基板１上に、電流リークを防止すると共に歪を緩衝するためのバッファ層２、電子が走行するチャネル層（電子走行層）３、電子を供給する電子供給層４、ショットキー電極と接し耐圧をとるためのショットキー層５、更にその上に電極となる金属との接触抵抗を小さくするためにｎ型のキャリアを高濃度にドープしたコンタクト層６を順に積層したものである。
【０００５】
もう少し具体的に記すと、以下の構造を主な例としてあげることができる。
【０００６】
バッファ層２は、ノンドープのＧａＡｓ層とＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ層（但し０＜ｘ＜１）を交互にそれぞれ数ｎｍ〜数十ｎｍ積層してなる。チャネル層３は、ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ層（但し０＜ｘ＜１）からなる。但し、ＩｎＧａＡｓ層はＧａＡｓに格子整合が不可であるため格子緩和が発生しない程度の組成、膜厚が用いられる。電子供給層４は、高濃度のｎ型ＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ層（但し０＜ｘ＜１）を数十ｎｍ、若しくはＳｉプレーナドープ層が積層されてなり、ショットキー層５は、ノンドープ若しくは低濃度のｎ型ＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ層（但し０＜ｘ＜１）を数十ｎｍ積層してなる。コンタクト層６としては、高濃度にＳｉをドーパントしたｎ型ＧａＡｓ層若しくは、近年ではより接触抵抗を下げるためにＴｅ又はＳｅをドーパントしたｎ型ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ層（但し０＜ｘ＜１）を用いることもある。
【０００７】
このような薄膜多層構造は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ、ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や分子線成長法（ＭＢＥ：Ｍｅｔａｌ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）などの方法により形成することができる。
【０００８】
有機金属気相成長法は、固体或いは液状の有機金属原料をガス化して供給し、昇温した基板上で熱分解、化学反応させて、その上に薄膜結晶をエピタキシャル成長させる方法である。分子線成長法は、超真空中で結晶の構成元素をそれぞれ別々のルツボから蒸発させ、分子線の形で昇温させた基板上に供給し、その上に薄膜結晶をエピタキシャル成長させる方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−３１６４６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述の電子供給層として、均一ドープ構造に替えてプレーナ構造を用いると、均一ドープ構造と同じスレッショルド電圧（Ｖｔｈ）に揃えても、実効的にショットキー層（ゲート電極から電子供給層までの距離）を厚くすることができ、デバイス特性として重要なゲート耐圧が向上し、またゲートソース間のキャパシタンスを下げられることから最大遮断周波数（Ｆｔ）、最大発振周波数（Ｆｍａｘ）や最小雑音指数（ＮＦｍｉｎ）が改善される。
【００１１】
しかしながら、たゆまない特性向上を日々要求されており、更なる改善を果たすためには、飽和電流（Ｉｄｓｓ）の増大やオン抵抗の低減が重要になってきた。この改善には、電子移動度の向上やプレーナドープ量の増加が必要になる。
【００１２】
電子移動度の向上は、主にオン抵抗の低減につながるが、現時点ではアンドープバルク結晶中の移動度に近づいてきており、物理的な限界が見えてきている。
【００１３】
一方、プレーナドープ量の増大は、比較的簡単に行うことができるが、問題点としては、ドープ量を上げすぎると、デバイス動作中の電界や熱によりドーパントの拡散が起こり、特性変動や信頼性低下などの問題を引き起こしていた。
【００１４】
そこで、本発明の目的は、プレーナドープの高性能性を保持したまま特性変動を抑制できる化合物半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この目的を達成するために創案された本発明は、化合物半導体からなるＨＥＭＴ構造の化合物半導体装置において、チャネル層へ電子を供給する電子供給層が、ｎ型不純物のプレーナドープ層で形成されており、同一の電子供給層におけるプレーナドープ層が２分割以上に分割されている化合物半導体装置である。
【００１６】
前記ｎ型不純物がＳｉであると良い。
【００１７】
分割されたプレーナドープ層１層あたりのドナー濃度が１．５Ｅ＋１２ｃｍ-2以下であると良い。
【００１８】
分割されたプレーナドープ層１層あたりのドナー濃度が１Ｅ＋１２ｃｍ-2以下であっても良い。
【００１９】
同一の電子供給層におけるプレーナドープ層が４分割以下に分割されていると良い。
【００２０】
同一の電子供給層におけるプレーナドープ層が２分割に分割されていても良い。
【００２１】
２分割以上に分割されたプレーナドープ層のうち最も離れたプレーナドープ層間の距離が５分子層以下であると良い。
【００２２】
２分割に分割されたプレーナドープ層間の距離が２分子層以下であると良い。
【００２３】
２分割に分割されたプレーナドープ層間の距離が１分子層以下であっても良い。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、プレーナドープの高性能性を保持したまま特性変動を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】プレーナドープ量と移動度の規格化値との関係を示す図である。
【図２】プレーナドープ層の分割数と周波数の関係を示す図である。
【図３】プレーナドープ層間の距離と周波数の関係を示す図である。
【図４】本発明を適用した化合物半導体装置の一例を示す図である。
【図５】本発明を適用した化合物半導体装置の一例を示す図である。
【図６】ＨＥＭＴの基本構造を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２７】
前述の高濃度にプレーナドープすると起こる問題は、図１に示すように、ドープ量が１Ｅ＋１２ｃｍ-2を超えたところから現象が現れ始め、１．５Ｅ＋１２ｃｍ-2を超えたあたりから顕著になる。なお、図１では、デバイス動作後の移動度値を動作前の移動度値で割った値を規格値として用いている。
【００２８】
本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、ＳＩＭＳ（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）などの分析から、どうやら同一面にある密度以上のドナーが集まると、ちょっとしたエネルギーを与えるだけで異常拡散が起こることが分かった。
【００２９】
解決の方法としては、プレーナドープ量を異常拡散が起こらない濃度にまで下げることが考えられるが、それだと十分に電子を供給できなくなる。そこで本発明者らは、この問題を解決すべく、更に検討を重ね、プレーナドープ層を同一の電子供給層内で複数に分割してやり、各層の濃度を異常拡散が起こらない濃度に抑えてやることで、電子の供給と異常拡散の抑止とを両立したプレーナドープ層を持つ電子供給層を提供することが可能になることを突き止めた。
【００３０】
即ち、本発明者らが提案する化合物半導体装置は、化合物半導体からなるＨＥＭＴ構造の化合物半導体装置において、チャネル層へ電子を供給する電子供給層が、ｎ型不純物のプレーナドープ層で形成されており、同一の電子供給層におけるプレーナドープ層が２分割以上に分割されているものである。これにより、特性向上に必要なプレーナドープ量の増量をドナーの異常拡散することなしに達成することができる。
【００３１】
ここで、化合物半導体としては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）、インジウムアルミニウム砒素リン（ＩｎＡｌＡｓＰ）、インジウムアルミニウムガリウム砒素リン（ＩｎＡｌＧａＡｓＰ）のいずれか複数若しくは全てを含むものを用いることができ、一般的にＧａＡｓ系と呼ばれるＧａＡｓ基板に格子整合若しくは擬似的に格子整合した材質を用いたＨＥＭＴにおいて本発明の効果が得られる。
【００３２】
また、化合物半導体としては、インジウムリン（ＩｎＰ）、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）、インジウムアルミニウム砒素（ＩｎＡｌＡｓ）、インジウムアルミニウムガリウム砒素（ＩｎＡｌＧａＡｓ）、インジウムガリウム砒素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）、インジウムアルミニウム砒素リン（ＩｎＡｌＡｓＰ）、インジウムアルミニウムガリウム砒素リン（ＩｎＡｌＧａＡｓＰ）のいずれか複数若しくは全てを含むものを用いることができ、一般的にＩｎＰ系と呼ばれるＩｎＰ基板に格子整合若しくは擬似的に格子整合した材質を用いたＨＥＭＴにおいて本発明の効果が得られる。
【００３３】
プレーナドープ層のｎ型不純物としては、シリコン（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、イオウ（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）のいずれか若しくは複数を用いることができるが、特に通常拡散しにくいＳｉを用いた場合は、その効果が大きい。逆にＳｎ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅでは、元々拡散しやすいので、Ｓｉに比べれば、効果が大きく劣る。
【００３４】
図１に示したように、プレーナドープ量が増えるに従い、動作後の移動度が低下するので、同一の電子供給層内で分割したプレーナドープ層１層あたりのドナー濃度が１．５Ｅ＋１２ｃｍ-2以下であることが好ましい。このドナー濃度であれば効果を見出すことができるが、理想としては、デバイス動作を行っても移動度が変化しないことが望ましいので、分割されたプレーナドープ層１層あたりのドナー濃度が１Ｅ＋１２ｃｍ-2以下であることがより好ましい。ここまでドナー濃度を下げると、評価条件によるが、ほとんど特性変動が見られなくなる。
【００３５】
また、同一の電子供給層におけるプレーナドープ層の分割数を限定することにより、より大きな効果を得ることができる。実際には、図２に示すように、プレーナドープ層の分割数が増えるにつれて均一ドープ構造の特性に近づくと共に最大遮断周波数（Ｆｔ）が低くなり、分割数を４より多くすると均一ドープ層との差が見えなくなり効果がない。また、好ましくは、よほど多くの電子供給を要求されなければ、通常の使用範囲においては、プレーナドープ層の分割数を２にすると、大きな効果が得られる。
【００３６】
さらに、図３に示すように、同一の電子供給層内の分割されて両端にある（分割されたプレーナドープ層のうち最も離れた）プレーナドープ層間の距離が広がるにつれて均一ドープ構造の特性に近づくと共に最大遮断周波数（Ｆｔ）が低くなり、プレーナドープ層間の距離を５分子層（ＭＬ）以下にしないと、十分に電子を供給できなくなり、均一ドープ構造と特性差がなくなる。当然ながら更に広げすぎると、均一ドープ構造より特性が悪化してしまう。なお、プレーナドープ層の分割数を２とした場合には、同一の電子供給層内の分割されて両端にあるプレーナドープ層間の距離を５分子層以下から更に２分子層以下、より好ましくは１分子層以下（分割を前提にするので最小分割の単位は１分子層まで）に限定すると、より大きい効果を得られる。
【００３７】
以下に、本発明を適用した化合物半導体装置の具体例を説明する。
【００３８】
図４は、ＧａＡｓ基板上に成長させた化合物半導体装置の断面構造を示す図である。
【００３９】
この化合物半導体装置は、半絶縁性のＧａＡｓ基板１１上に、アンドープＧａＡｓからなるバッファ層１２、アンドープＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなるチャネル層１３、アンドープＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなるスペーサ層１４、ｎ型不純物のプレーナドープ層１５、アンドープＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなるスペーサ層１６、ｎ型不純物のプレーナドープ層１７、アンドープＡｌxＧａ(1-x)Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなるショットキー層１８、ｎ型の高濃度ＧａＡｓからなるコンタクト層１９を順次積層してなる。
【００４０】
プレーナドープ層は、ｎ型不純物のプレーナドープ層１５と１７の間にスペーサ層１６を挿入した２分割構成とする。ｎ型不純物のプレーナドープ層１５、１７は、Ｓｉを適用し、ドナー濃度を１Ｅ＋１２ｃｍ-2とする。コンタクト層１９の不純物ドーパントにもＳｉ不純物を適用する。スペーサ層１６の膜厚は１分子層とする。
【００４１】
図５は、ＩｎＰ基板上に成長させた化合物半導体装置の断面構造を示す図である。
【００４２】
この化合物半導体装置は、半絶縁性のＩｎＰ基板２１上に、アンドープＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなるバッファ層２２、アンドープＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなるチャネル層２３、アンドープＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなるスペーサ層２４、ｎ型不純物のプレーナドープ層２５、アンドープＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなるスペーサ層２６、ｎ型不純物のプレーナドープ層２７、アンドープＩｎxＡｌ(1-x)Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなるバリア層２８、ｎ型ＩｎxＧａ(1-x)Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなるコンタクト層２９を順次積層してなる。
【００４３】
プレーナドープ層は、ｎ型不純物のプレーナドープ層２５と２７の間にスペーサ層２６を挿入した２分割構成とする。ｎ型不純物のプレーナドープ層２５、２７は、Ｓｉを適用し、ドナー濃度を１Ｅ＋１２ｃｍ-2とする。コンタクト層２９の不純物ドーパントにもＳｉ不純物を適用する。スペーサ層２６の膜厚は１分子層とする。
【００４４】
このような構成の化合物半導体装置によれば、化合物半導体からなるＨＥＭＴ構造において、電子供給層にプレーナドープ層を用い、特性向上のためにプレーナドープ量をある量以上に増量したときに起こる特性変動の問題を、非常に微小な領域でプレーナドープ層を分割することにより、プレーナドープの高性能性を保持したまま特性変動を抑制できる。
【００４５】
また、本発明の化合物半導体装置によれば、従来と同じ性能でよければ、特性向上分で素子を小型化することができる。そのため、スマートフォンなど、多機能でありながら容積が限定されてしまうような高性能な携帯端末において、非常に有利となる。
【符号の説明】
【００４６】
１１  ＧａＡｓ基板
１２  バッファ層
１３  チャネル層
１４  スペーサ層
１５  プレーナドープ層
１６  スペーサ層
１７  プレーナドープ層
１８  ショットキー層
１９  コンタクト層
【図１】
2012104738.tif 000003
【図２】
2012104738.tif 000004
【図３】
2012104738.tif 000005
【図４】
2012104738.tif 000006
【図５】
2012104738.tif 000007
【図６】
2012104738.tif 000008