JP2000164852A

JP2000164852A - 窒化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハ及びそれを用いた高電子移動度トランジスタ

Info

Publication number: JP2000164852A
Application number: JP10334121A
Authority: JP
Inventors: Tadaitsu Tsuchiya; 忠厳土屋
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2000-06-16

Abstract

(57)【要約】【課題】ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系ＨＥＭＴを
実現し、より低雑音増幅が可能な高性能のＨＥＭＴを得
ることにある。【解決手段】砒化ガリウム基板１上にバッファ層２、該
バッファ層２より電子親和力の大きなチャネル層３、該
チャネル層３より電子親和力の小さなキャリア供給層４
を順次積層し、該キャリア供給層４にドナー不純物をド
ーピングしている積層構造において、前記チャネル層３
が、アルミニウム、ガリウム、インジウムのいずれか、
又は全てと、砒素、リンのいずれか又は両方と、窒素と
からなる化合物半導体である構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒化砒化ガリウム
インジウム系エピタキシャルウェハ及びそれを用いた高
電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）、特に低雑音増幅
用として適した電界効果型高電子移動度トランジスタに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高電子移動度トランジスタＨＥＭＴは、
２次元電子ガス（２ＤＥＧ）を利用する素子であり、ヘ
テロ構造を有した化合物半導体素子である。従来のＨＥ
ＭＴの構造は、例えば図１１（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、半絶縁性ＧａＡｓ基板に歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層
をチャネル層とする歪格子（Pseudomorphic ）ＨＥＭＴ
（ＰＨＥＭＴ）構造である。図１１（ａ）はＡｌＧａＡ
ｓ系ＨＥＭＴのものであり、半絶縁性ＧａＡｓ基板４１
上に膜厚０．５μｍのアンドープＧａＡｓバッファ層４
２を設け、その上にスードモフィック（Pseudomorphic
）状態でアンドープＩｎＧａＡｓチャネル層４３を設
け、さらにその上に膜厚２nmのアンドープＡｌＧａＡｓ
スペーサ層４６を介して、膜厚５０nmのｎ型ＡｌＧａＡ
ｓキャリア供給層４４を設けている。また、図１１
（ｂ）はＧａＩｎＰ系ＨＥＭＴのものであり、アンドー
プＧａＡｓバッファ層４２の上にスードモフィック状態
でアンドープＩｎＧａＡｓチャネル層４３を設け、さら
にその上に膜厚２nmのアンドープＧａＩｎＰのスペーサ
層５６を介して、膜厚４０nmのｎ型ＡｌＧａＡｓのキャ
リア供給層５４を設けている。

【０００３】ＨＥＭＴを特徴づける２次元電子ガス（２
ＤＥＧ）は、アンドープＩｎＧａＡｓチャネル層２３中
に溜まり、このチャネル層２３に溜まる電子の濃度とそ
の移動度によって、ＨＥＭＴデバイスの増幅率や、雑音
特性といった主要な性能が大きく変わる。一般的には、
電子の濃度が高く、その移動度が高い程性能は向上す
る。スードモフィックは、チャネル層中の電子の移動度
を高める手法の１つであり、ＧａＡｓとＩｎＧａＡｓと
いうように、格子定数の異なる２種類の半導体が、その
界面において面内の格子定数が整合するように歪んで接
合した状態に対して使用される語である。成長膜厚が臨
界膜厚より薄い場合、格子定数が異なっていても格子が
歪むことによって、界面に転位が生じない接合が得られ
る。格子が歪んで界面で格子欠陥が生じないような状態
をスードモフィック状態と呼ぶ。

【０００４】なお、スペーサ層は電子がイオン化したド
ナーによる散乱を受けないようにして、２次元電子の移
動度を高めるために設けられている。一般に２次元電子
の移動度は、スペーサ層の厚さに伴い増大することが知
られている。

【０００５】上記のＰＨＥＭＴのように、チャネル層の
上にスペーサ層及びキャリア供給層が順次に設けられて
いる構造のＨＥＭＴは、通常、順構造型ＨＥＭＴと呼ば
れている。この他に、チャネル層の下にキャリア供給層
が設けられた構造の逆構造型ＨＥＭＴや、チャネル層の
上下にキャリア供給層が設けられた構造のダブルヘテロ
型ＨＥＭＴ（ＤＨＨＥＭＴ）等が知られている。一般に
逆構造型ＨＥＭＴはピンチオフ特性が優れており、ダブ
ルヘテロ型ＨＥＭＴはキャリアの密度が高いから高出力
用に向いている。

【０００６】デバイスの特性を向上させるためには、２
ＤＥＧの濃度を高くする。一般に２ＤＥＧの濃度を高く
することにより、デバイスの相互コンダクタンスｇm を
上げ、ＮF （雑音指数）を下げることができる。そのた
めの方法として、キャリア供給層のＡｌ組成比を上げて
ヘテロ接合界面に形成される量子井戸への電子の落ち込
みを多くする。

【０００７】従来、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）基板上に
形成されるＨＥＭＴでは、図１１に示す多層にエピタキ
シャル層を積層した構造のエピタキシャルウェハが用い
られる。このとき通常、半導体内のフェルミ準位を制御
するために設けられるキャリア供給層としては、砒化ア
ルミニウム（ＡｌＡｓ）混晶比が２０〜２８％の砒化ア
ルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＡｓ）が用いられ、２
次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されてキャリアが走行
するチャネル層には、砒化インジウム（ＩｎＡｓ）混晶
比が１５〜２５％の砒化インジウム・ガリウム（ＩｎＧ
ａＡｓ）が使用される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術には次のような問題点がある。

【０００９】従来では、チャネル層の２ＤＥＧの特性を
改善するために、本来はＧａＡｓとは格子が整合しない
ＩｎＧａＡｓを歪んだ状態であえて使用している。これ
は、ＩｎＧａＡｓの方がＧａＡｓよりも電子親和力が強
く、高濃度の２ＤＥＧが形成できるからである。しか
し、内在する歪みのため、ＩｎＧａＡｓの厚さが厚くな
ると歪みエネルギーが増加し、物質固有の強度を越える
と、結晶が歪み応力に耐えられなくなり、塑性変形す
る。この時の最大厚さは、臨界膜厚と呼ばれる。塑性変
形を起こすと、結晶格子の配列が乱れ、乱れた部分の電
子状態が変わる。電子の捕獲準位ができてフェルミ準位
の位置が深くなり、２ＤＥＧ濃度が低下したり、空間電
荷ができて走行する電子が散乱を受け、電子の移動度が
低下する。これにより作製したＨＥＭＴの利得が低下
し、実用上問題となる。従って、通常はＩｎＧａＡｓは
臨界膜厚以下の厚さで使用される。

【００１０】更に、ＨＥＭＴの特性を向上するため、Ｉ
ｎＧａＡｓ層のＩｎＡｓ混晶比を増し、ＩｎＧａＡｓ層
に形成される２次元電子ガス濃度を増したい。けれど
も、臨界膜厚が更に薄くなって、十分な２ＤＥＧを形成
する最低必要な膜厚を維持できない。結果的に、ＩｎＡ
ｓ混晶比を増す方法では、２ＤＥＧ濃度を増加させるこ
とができず、特性向上に結びつかない。

【００１１】また、高特性のＨＥＭＴとして、リン化イ
ンジウム（ＩｎＰ）上に形成したｎ型砒化インジウム・
アルミニウム（ｎ−ＩｎＡｌＡｓ）とＩｎＧａＡｓから
なるＨＥＭＴがある。こちらはＩｎＧａＡｓのＩｎＡｓ
混晶比が５０〜６０％と高く、優れた特性を実現してい
る。しかし、ＩｎＡｌＡｓに起因するデバイス製作上の
問題点が数多く残っており、ＩｎＰ基板の価格も高いた
めに、ＧａＡｓ基板上のＨＥＭＴの高性能化した代替品
として普及する目途は立っていない。

【００１２】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓ系ＨＥＭＴを実現
し、より低雑音増幅が可能な高性能のＨＥＭＴを得るこ
とができる窒化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャ
ルウェハ及びそれを用いた高電子移動度トランジス（Ｈ
ＥＭＴ）を提供することにある。

【００１３】低雑音増幅用電界効果型高電子移動度トラ
ンジスタ（ＨＥＭＴ）のうちでも、特に窒化砒化ガリウ
ム・インジウム（ＧａＩｎＮＡｓ）系エピタキシャルウ
ェハを用いたＨＥＭＴは、従来のＰＨＥＭＴやＤＨＨＥ
ＭＴの特性を大幅に向上できる可能性を秘めている。

【００１４】

【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。

【００１５】（１）請求項１記載の窒化砒化ガリウムイ
ンジウム系エピタキシャルウェハは、砒化ガリウム基板
（１）上に第１の化合物半導体層（２）、該半導体層
（２）より電子親和力の大きな第２の化合物半導体層
（３）、該第２の化合物半導体層（３）より電子親和力
の小さな第３の化合物半導体層（４）を順次積層し、該
第３の化合物半導体層（４）にドナー不純物をドーピン
グしている積層構造において、前記第２の化合物半導体
がアルミニウム、ガリウム、インジウムのいずれか、又
は全てと、砒素、リンのいずれか又は両方と、窒素とか
らなる化合物半導体であることを特徴とする。

【００１６】（２）請求項２記載の窒化砒化ガリウムイ
ンジウム系エピタキシャルウェハは、請求項１記載の窒
化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハにお
いて、前記第２の化合物半導体層（３）と前記第３の化
合物半導体層（４）との間に、該第３の半導体層（４）
より電子親和力が大きく、且つ高純度な第４の化合物半
導体層（５）を有する積層構造を特徴とする。

【００１７】（３）請求項３記載の窒化砒化ガリウムイ
ンジウム系エピタキシャルウェハは、請求項１記載の窒
化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハにお
いて、前記第２の化合物半導体層（３）と前記第３の化
合物半導体層（４）との間に、第２の半導体層（３）よ
り電子親和力が小さく、且つ高純度な第５の化合物半導
体層（６）を有する積層構造を特徴とする。

【００１８】（４）請求項４記載の窒化砒化ガリウムイ
ンジウム系エピタキシャルウェハは、請求項２記載の窒
化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハにお
いて、前記第４の化合物半導体層（５）と前記第３の化
合物半導体層（４）との間に、前記第２の化合物半導体
層（３）より電子親和力が小さく、且つ高純度な第５の
化合物半導体層（６）を有することを特徴とする。

【００１９】（５）請求項５記載の窒化砒化ガリウムイ
ンジウム系エピタキシャルウェハは、請求項１記載の窒
化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハにお
いて、前記第１の化合物半導体層（２）と第２の化合物
半導体層（３）との間に高純度の第６の化合物半導体層
（７）を有する積層構造を特徴とする。

【００２０】（６）請求項６記載の窒化砒化ガリウムイ
ンジウム系エピタキシャルウェハは、請求項１記載の窒
化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハにお
いて、前記第２の化合物半導体層（３）と前記第３の化
合物半導体層（４）との間に、前記第２の化合物半導体
層（３）より電子親和力が小さく、且つ高純度な第５の
化合物半導体層（６）を有し、また、前記第１の化合物
半導体層（２）と第２の化合物半導体層（３）との間に
高純度の第６の化合物半導体層（７）を有する積層構造
を特徴とする。

【００２１】（７）請求項７記載の窒化砒化ガリウムイ
ンジウム系エピタキシャルウェハは、請求項１、２、
３、４、５又は６記載の窒化砒化ガリウムインジウム系
エピタキシャルウェハにおいて、前記第２の化合物半導
体層（３）が砒化ガリウムに格子整合、もしくは圧縮歪
み、もしくは引張り歪みを導入してスードモフィック状
態で歪んでいる状態であることを特徴とする。

【００２２】（８）請求項８記載の窒化砒化ガリウムイ
ンジウム系エピタキシャルウェハは、請求項１、２、
３、４、５、６又は７記載の窒化砒化ガリウムインジウ
ム系エピタキシャルウェハにおいて、前記第３の化合物
半導体層（４）が砒化アルミニウムガリウムであること
を特徴とする。

【００２３】（９）請求項９記載の窒化砒化ガリウムイ
ンジウム系エピタキシャルウェハは、請求項１、２、
３、４、５、６又は７記載の窒化砒化ガリウムインジウ
ム系エピタキシャルウェハにおいて、前記第３の化合物
半導体層（４）がリン化インジウムガリウムであること
を特徴とする。

【００２４】（１０）請求項１０記載の窒化砒化ガリウ
ムインジウム系エピタキシャルウェハは、請求項１、
２、３、４、５、６又は７記載の窒化砒化ガリウムイン
ジウム系エピタキシャルウェハにおいて、前記第３の化
合物半導体層（４）及び前記第５の化合物半導体層
（６）が、アルミニウム、ガリウム、インジウムのいず
れか、又は全てと、砒素、リンのいずれか又は両方と、
窒素とからなり、第２の化合物半導体よりも電子親和力
が小さい化合物半導体であることを特徴とする。

【００２５】（１１）請求項１１記載の窒化砒化ガリウ
ムインジウム系エピタキシャルウェハは、請求項１、
３、４、５又は７記載の窒化砒化ガリウムインジウム系
エピタキシャルウェハにおいて、前記第３の化合物半導
体層（４）がリン化インジウムガリウムであり、前記第
２の化合物半導体層（３）がアルミニウム、ガリウム、
インジウムのいずれか、又は全てと、リン、窒素とから
なることを特徴とする。

【００２６】（１２）請求項１２記載の窒化砒化ガリウ
ムインジウム系エピタキシャルウェハは、請求項２記載
の窒化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハ
において、前記第４の化合物半導体層（５）が砒化イン
ジウム混晶比で２５％以上の砒化インジウム・ガリウム
であることを特徴とする。

【００２７】（１３）請求項１３記載の高電子移動度ト
ランジスタは、請求項１、２、３、４、５、６、７、
８、９、１０、１１又は１２記載の窒化砒化ガリウムイ
ンジウム系エピタキシャルウェハを用いて製造したこと
を特徴とする。

【００２８】＜発明の要点＞本発明では、ＨＥＭＴのチ
ャネル層に窒化砒化ガリウム・インジウム（ＧａＩｎＮ
Ａｓ）を使用する。ＧａＩｎＮＡｓは窒化ガリウム（Ｇ
ａＮ）と、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓの混晶である。ＧａＡｓ
よりも格子定数の大きなＩｎＡｓと小さなＧａＮを組み
合わせたことにより、混晶比を適切に選択することによ
ってＧａＡｓに格子整合させられることが大きな特徴で
ある。

【００２９】また、ＧａＡｓに格子整合するＧａＩｎＮ
Ａｓは、禁制帯幅が混晶比に対して非線形に変化し、そ
の非線形性が他の化合物半導体と比べても著しい。これ
に伴って、電子親和力も大きく変化する。電子親和力が
ＧａＡｓよりも大きくなる混晶比の範囲があることも大
きな特徴である。

【００３０】この特徴を生かすと、ＧａＩｎＮＡｓはＧ
ａＡｓ基板に格子整合させたまま、従来チャネル層に使
用していたＩｎＧａＡｓと同等、あるいはそれ以上に電
子親和力を増やせる。ＧａＡｓに格子整合しているの
で、膜厚も自由に設定可能となり、チャネル層の特性を
向上できる。

【００３１】また、ＧａＩｎＮＡｓにＡｌＡｓを加え、
ＡｌＧａＩｎＮＡｓとしたり、あるいはＧａＡｓの代わ
りにＧａＡｓと格子整合するリン化ガリウム・インジウ
ム（ＧａＩｎＰ）を使って、ＧａＩｎＮＰにすることに
よって、更に自在な電子親和力が実現できる。

【００３２】チャネル層のＧａＩｎＮＡｓやＩｎＧａＡ
ｓよりも電子親和力の小さなＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａ
ＩｎＮＡｓ、ＧａＩｎＮＰ等を、キャリア供給層である
ＡｌＧａＡｓ層やＧａＩｎＰ層との間に挟むことによっ
て、スペーサとしての機能を発揮できる。

【００３３】更に、チャネル層の高純度ＧａＩｎＮＡｓ
の上下に補助的なチャネル層として高純度ＩｎＧａＡｓ
層を設けることにより、ＩｎＧａＡｓの高電子移動度特
性と組み合わさり、更に特性が向上できる。

【００３４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を請求項ごとに図示
の実施形態に基づいて説明する。

【００３５】図１は、請求項１に対応した本発明のＧａ
ＩｎＮＡｓ系エピタキシャルウェハの基本的構成を示し
たものである。

【００３６】これは、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に第１
の化合物半導体層２、該半導体層２より電子親和力の大
きな第２の化合物半導体層３、該第２の化合物半導体層
３より電子親和力の小さな第３の化合物半導体層４を順
次積層し、該第３の化合物半導体層４にドナー不純物を
ドーピングしている積層構造を持つものであり、前記第
２の化合物半導体３は、アルミニウム、ガリウム、イン
ジウムのいずれか、又は全てと、砒素、リンのいずれか
又は両方と、窒素とからなる化合物半導体であることを
特徴とする。

【００３７】ここで、第１の化合物半導体２はバッファ
層である。通常はＧａＡｓあるいはＡｌＧａＡｓ層が使
用される。この第１の化合物半導体（バッファ層）２
は、本発明とは直接に関係しないので、材料も特には指
定しない。

【００３８】第２の化合物半導体層３はチャネル層であ
る。この第２の化合物半導体層（チャネル層）３は２次
元電子ガス（２ＤＥＧ）を形成するためにあるため、下
の層（バッファ層２）、上の層（キャリア供給層４）よ
りも電子親和力が大きくなければならない。本発明の核
心であり、第２の化合物半導体３として、ＧａＩｎＮＡ
ｓをベースにＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＩｎＮＡｓ、Ｉ
ｎＮＡｓが、ＧａＩｎＮＰをベースにＡｌＧａＩｎＮ
Ｐ、ＡｌＩｎＮＰ、ＩｎＮＰが、更に全てが入ったＡｌ
ＧａＩｎＮＰＡｓが該当する。

【００３９】第３の化合物半導体層４は、キャリア供給
層である。この第３の化合物半導体層（キャリア供給
層）４は、チャネル層３に２ＤＥＧを形成するために、
フェルミ準位を制御する働きをする。第３の化合物半導
体（キャリア供給層）４は、第２の化合物半導体（チャ
ネル層）３よりも電子親和力が弱ければ何でも良い。こ
の第３の化合物半導体（キャリア供給層）４では、伝導
電子帯にフェルミ準位を近づけるために、ドナー不純物
をドーピングしてある。第３の化合物半導体（キャリア
供給層）４として、ＡｌＧａＡｓ（請求項８）、ＧａＩ
ｎＰ（請求項９）、及び第２の化合物半導体３と同じＡ
ｌＧａＩｎＮＰＡｓ混晶系で混晶組成を変え、電子親和
力を小さくしたもの（請求項１０）がある。

【００４０】次に、図２は請求項２に対応した本発明の
ＧａＩｎＮＡｓ系エピタキシャルウェハを示したもので
ある。

【００４１】請求項２では、補助的なチャネル層を規定
している。即ち、図１の窒化砒化リウムインジウム系エ
ピタキシャルウェハにおける第２の化合物半導体層３と
第３の化合物半導体層４との間に、該第３の半導体層４
より電子親和力が大きく、且つ高純度な第４の化合物半
導体層５を有する積層構造である。

【００４２】第３の化合物半導体層（キャリア供給層）
４よりは電子親和力の大きな第４の化合物半導体層５
を、補助的なチャネル層として、第２の化合物半導体層
（チャネル層）との間に挿入し、この第４の化合物半導
体層５には不純物を入れない。即ち、高純度で用いる。

【００４３】この請求項２の窒化砒化ガリウムインジウ
ム系エピタキシャルウェハにおいて、上記第４の化合物
半導体層（補助的なチャネル層）５は、砒化インジウム
混晶比で２５％以上の砒化インジウム・ガリウムとする
のがよい（請求項１２）。

【００４４】２ＤＥＧの形成では電子親和力と同様に電
子移動度も重要であるが、残念ながらＧａＩｎＮＡｓで
高電子移動度を得るのは容易でない。これに対し、例え
ばチャネル層の一部に従来から実績があり、移動度も高
いＩｎＧａＡｓを、更にＩｎＡｓ混晶比を増した形で半
導体層５として補助的に挿入すれば、相乗り効果で優れ
た２ＤＥＧ特性が得られる（請求項１２）。

【００４５】図３、図４は、請求項３、４に対応した本
発明のＧａＩｎＮＡｓ系エピタキシャルウェハを示した
ものである。

【００４６】この請求項３、４では、スペーサ層を規定
している。即ち、図３の如く第２の化合物半導体層（チ
ャネル層）３と第３の化合物半導体層（キャリア供給
層）４との間に、又は、図４の如く第４の化合物半導体
層（補助的なチャネル層）５と第３の化合物半導体層
（キャリア供給層）４との間に、第２の半導体層（チャ
ネル層）３より電子親和力が小さく、且つ高純度な第５
の化合物半導体層６を設ける。

【００４７】半導体層（キャリア供給層）４と半導体層
（チャネル層）３又は５の間に、第５の化合物半導体を
スペーサ層として挿入する。これが第５の化合物半導体
層（スペーサ層）６である。スペーサ層には電子の散乱
を防ぐため、不純物を混入させない。スペーサ層である
第５の化合物半導体層６は、チャネル層である第２の化
合物半導体層３より電子親和力が小さくなければならな
いが、第２の半導体層３と同一の化合物半導体である必
要はない。

【００４８】図５は、請求項５に対応した本発明のＧａ
ＩｎＮＡｓ系エピタキシャルウェハを示したものであ
る。請求項５でも、請求項２と同様、補助的なチャネル
層を規定している。

【００４９】第１の化合物半導体（バッファ層）２と第
２の化合物半導体層（チャネル層）３との間に、不純物
を入れない高純度な第６の化合物半導体層７を挿入す
る。この第６の化合物半導体層（補助的なチャネル層）
７の電子親和力が、チャネル層である第２の化合物半導
体層３と同等か、もしくは、より大きい場合において
は、請求項２と同様に、第２の化合物半導体層（チャネ
ル層）３と一緒になって２ＤＥＧの形成に寄与し、電子
移動度を向上させる。一方、この第６の化合物半導体層
７の電子親和力が、チャネル層である第２の化合物半導
体層３より小さい場合においては、前述より効果は落ち
るが、第２の化合物半導体層（チャネル層）３からトン
ネル効果によって波動関数が漏れ出す分に相当する電子
の移動度は、この層７がない場合に比べて改善される。

【００５０】図６は請求項６に対応した本発明のＧａＩ
ｎＮＡｓ系エピタキシャルウェハを示したものである。
請求項６では、スペーサ層と補助的なチャネル層とを規
定している。即ち、第２の化合物半導体層３と第３の化
合物半導体層４との間に、第２の半導体層３より電子親
和力が小さく、且つ高純度な第５の化合物半導体層（ス
ペーサ層）６を有し、また、第１の化合物半導体層２と
第２の化合物半導体層３との間に高純度の第６の化合物
半導体層（補助的なチャネル層）７を有する積層構造で
ある。

【００５１】第５の化合物半導体層（スペーサ層）６の
作用効果は図３の場合と同じであり、電子がイオン化し
たドナーによる散乱を受けないようにして、２次元電子
の移動度を高めるために設けられている。また、第６の
化合物半導体層（補助的なチャネル層）７の作用効果は
上述した図５の場合と同じである。

【００５２】請求項７では、第２の化合物半導体層（チ
ャネル層）３が歪み緩和していない状態で使用されるこ
とを規定している。

【００５３】第２の化合物半導体層（チャネル層）３は
ある混晶組成でのみＧａＡｓに格子整合するから、一般
にはＧａＡｓとは格子整合しない。このとき、臨界膜厚
よりも厚く成長してしまうと、歪みは緩和し、従来から
よく知られているように２ＤＥＧ特性は低下する。従っ
て、第２の化合物半導体層（チャネル層）３はＧａＡｓ
に格子整合するか、しないまでも歪みを内在した状態、
即ち、スードモフィック状態で形成されなくてはならな
い。

【００５４】請求項１１は、第２の化合物半導体層（チ
ャネル層）３と第３の化合物半導体層（キャリア供給
層）４のへテロ接合が砒素系化合物とリン系化合物の接
合を避けるための規定である。砒素系とリン系のへテロ
接合は急峻な組成制御が難しく、更に第２の化合物半導
体層（チャネル層）３には窒素が含まれるため、その制
御が困難になる。制御ができないと特性も出ない。その
ため、両側をリン系とすれば、制御性が増し、特性を容
易に安定化させられる。

【００５５】請求項１３は、請求項１、２、３、４、
５、６、７、８、９、１０、１１又は１２記載の窒化砒
化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハを用いた
高電子移動度トランジスタＨＥＭＴを特定したものであ
る。このＨＥＭＴは、例えば図１０に示す如く、砒化ガ
リウム基板１上に第１の化合物半導体層（バッファ層）
２、該半導体層２より電子親和力の大きな第２の化合物
半導体層（チャネル層）３、該第２の化合物半導体層３
より電子親和力の小さな第３の化合物半導体層（キャリ
ア供給層）４を順次積層し、第２の化合物半導体層（チ
ャネル層）３と第３の化合物半導体層（キャリア供給
層）４との間に、第２の半導体層３より電子親和力が小
さく、且つ高純度な第５の化合物半導体層（スペーサ
層）６を有する積層構造ものとして構成される。８はソ
ース電極、９はドレイン電極、１０はゲート電極であ
る。

【００５６】

【実施例】図７、図８、図９（ａ）〜（ｆ）に、本発明
の実施例として窒化砒化ガリウムインジウム系エピタキ
シャルウェハの積層構造Ａ〜Ｆを示す。また図１０に
は、図７（ａ）の窒化砒化ガリウムインジウム系エピタ
キシャルウェハを用いた場合の窒化砒化ガリウム・イン
ジウム系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）の断面
構造の一例を示す。

【００５７】エピタキシャル膜の成長は有機金属気相エ
ピタキシー法を用いた。キャリアガスは水素、窒素の混
合ガス、原料はトリメチルガリウム、トリエチルガリウ
ム、トリメチルインジウム、トリメチルアルミニウム、
アルシン、フォスフィン、アンモニア、ジシランを使用
した。成長圧力は約０．１気圧、成長温度は７００℃と
した。基板には半絶縁性ＧａＡｓを使用し、その面方位
は（１００）とした。

【００５８】図７〜図８（ａ）〜（ｃ）に示すエピタキ
シャルウェハは、既に述べた図３の積層構造において、
スペーサ層６とキャリア供給層４の構成を変えたもので
ある。

【００５９】このうち、図７（ａ）の実施例Ａに係るエ
ピタキシャルウェハ（積層構造Ａ）は、半絶縁性ＧａＡ
ｓ基板１１上に０．５μｍのアンドープＧａＡｓバッフ
ァ層１２を設け、このバッファ層１２の上に、厚さ１５
nmのアンドープＧａＩｎＮＡｓチャネル層１３を形成し
た。その上に、膜厚２nmのアンドープＡｌＧａＡｓスペ
ーサ層１６を介してｎ型のＡｌＧａＡｓキャリア供給層
１４を厚さ５０nm設け、ＨＥＭＴ構造エピタキシャルウ
ェハを完成した。スペーサ層１６とキャリア供給層１４
のＡｌ組成は共に０．２８である。

【００６０】図７（ｂ）の実施例Ｂに係るエピタキシャ
ルウェハ（積層構造Ｂ）は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１
上に０．５μｍのアンドープＧａＡｓバッファ層１２
と、厚さ１５nmのアンドープＧａＩｎＮＡｓチャネル層
１３を順次形成し、その上に、膜厚２nmのアンドープＧ
ａ_0.5Ｉｎ_{0.4 8}Ｐスペーサ層２６を介してｎ型のＧａ
_0.5Ｉｎ_0.48Ｐキャリア供給層２４を厚さ４０nm設け、
ＨＥＭＴ構造エピタキシャルウェハを完成した。

【００６１】図８（ｃ）の実施例Ｃに係るエピタキシャ
ルウェハ（積層構造Ｃ）は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１
上に０．５μｍのアンドープＧａＡｓバッファ層１２
と、厚さ１５nmのアンドープＧａＩｎＮＡｓチャネル層
１３を順次形成し、その上に、膜厚２nmのアンドープＡ
ｌＧａＩｎＮＡｓスペーサ層３６を介してｎ型のＡｌＧ
ａＩｎＮＡｓキャリア供給層３４を厚さ４０nm設け、Ｈ
ＥＭＴ構造エピタキシャルウェハを完成した。

【００６２】図８（ｄ）に示す実施例Ｄに係るエピタキ
シャルウェハ（積層構造Ｄ）は、図７（ａ）に示した積
層構造において、アンドープＧａＩｎＮＡｓチャネル層
１３とその上側のアンドープＡｌＧａＡｓスペーサ層４
との間に、厚さ５nmのアンドープＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ層
１５を補助的なチャネル層として挿入したものであり、
図４に対応する実施例である。

【００６３】同様に、図９（ｅ）に示す実施例Ｅに係る
エピタキシャルウェハ（積層構造Ｅ）は、図７（ａ）に
示した積層構造において、アンドープＧａＩｎＮＡｓチ
ャネル層１３とその下側のアンドープＧａＡｓバッファ
層１２との間に、厚さ５nmのアンドープＩｎ_0.1Ｇａ
_0.9Ａｓ層１７を補助的なチャネル層として挿入したも
のであり、図６に対応する実施例である。

【００６４】図９（ｆ）に示す実施例Ｆに係るエピタキ
シャルウェハ（積層構造Ｆ）は、図７（ｂ）に示した積
層構造におけるアンドープＧａＩｎＮＡｓチャネル層１
３を、アンドープＧａＩｎＮＰチャネル層２３に代えた
ものである。

【００６５】これらのエピタキシャルウェハ（積層構造
Ａ〜Ｆ）の２ＤＥＧ特性を比較するため、室温において
Ｃ−Ｖ測定並びにＨａｌｌ測定を行った。１００ｋＨｚ
でのＣ−Ｖ測定により、ヘテロ界面に現れる２ＤＥＧピ
ークの最大キャリア濃度Ｎｐｅａｋを測定した。ここで
表記方法として、１×１０¹⁸cm^-3をＥ１８で、１×１０
¹⁹cm^-3をＥ１９で、１×１０¹²cm^-3をＥ１２で示した。
この２ＤＥＧのＮｐｅａｋは大きいほど優れていること
になる。また、ｖａｎｄｅｒＰａｕｗ法によるＨａ
ｌｌ測定により２ＤＥＧのシー卜キャリア濃度Ｎｓ、Ｈ
ａｌｌ移動度μを求め、図１１の従来構造Ａ、Ｂとの相
対評価を行った。こちらはＮｓとμの積が大きいほど特
性として優れている。

【００６６】表１に、ＧａＩｎＮＡｓ系ＨＥＭＴエピタ
キシャルウェハのＣ−Ｖ測定並びにＨａｌｌ測定の結果
を示す。表１、表２に実施例Ａ〜Ｆとして示すエピタキ
シャルウェハの積層構造は、図７〜図９に（ａ）〜
（ｆ）として示した積層構造Ａ〜Ｆと対応している。な
お、従来例Ａ、Ｂは、比較のため、図１１（ａ）、
（ｂ）に示す従来より用いられているエピタキシャルウ
ェハの積層構造を示す。

【００６７】本実施例の積層構造Ａ〜Ｆでは、ヘテロ界
面に現れる２ＤＥＧピークの最大キャリア濃度Ｎｐｅａ
ｋと、２ＤＥＧのシー卜キャリア濃度Ｎｓについて、い
ずれも従来構造（従来例Ａ、Ｂ）の場合を大きくしのぐ
結果を得た。本実施例では、必ずしも最適な条件まで積
層構造Ａ〜Ｆのエピタキシャル成長条件を改善できてい
ないので、その潜在能力は更に高いと思われる。Ｈａｌ
ｌ移動度μについても、成長条件の最適化により更に増
すことができると考えている。

【００６８】次に、図８（ｄ）に示す積層構造ＤのＧａ
ＩｎＮＡｓ系ＨＥＭＴエピタキシャルウェハにおいて、
その補助的なチャネル層であるＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ層１
５のＩｎＡｓ混晶比x について検討した。表２に、この
補助的なチャネル層であるＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ層１５の
ＩｎＡｓ混晶比ｘをｘ＝０．１５から０．０５ずつｘ＝
０．３５まで変えたときのＨａｌｌ測定の結果を示す。
その変化はそれほど大きくないが、ＩｎＡｓ混晶比２５
％より改善の効果が現れている。勿論、従来例Ａの積層
構造と比較すれば、本実施例Ｄの積層構造のエピタキシ
ャルウェハは全て大きく改善されている。

【００６９】

【表１】

【００７０】

【表２】

【００７１】上記のように、本実施例の積層構造Ａ〜Ｆ
により、２ＤＥＧ特性を大幅に改善できることが判っ
た。

【００７２】その最適条件は、ＩｎＧａＡｓのＩｎＡｓ
混晶比については前述の通りＩｎＡｓ混晶比２５％より
改善の効果が現れる。しかし、第２の半導体（ＡｌＧａ
ＩｎＮＰＡｓ）の混晶比については、直接的な混晶比決
定手段がなく、格子整合度についてはＸ線回折や表面状
態から判断した。スードモフィック状態についても、や
はり、Ｘ線回折や表面状態から判断した。

【００７３】本実施形態及び実施例のＧａＩｎＮＡｓ系
エピタキシャルウェハ及びこれを用いたＨＥＭＴは、従
来のＰＨＥＭＴやＤＨＨＥＭＴの特性を大幅に向上でき
る可能性を秘めている。即ち、ＧａＩｎＮＡｓ系ＨＥＭ
Ｔが実現し、マイクロ波領域での低雑音増幅が可能とな
ることで、特に高緯度地域での衛生放送・衛生通信受信
用のアンテナが小型化し、車載や船舶への搭載が進む。
また、ミリ波領域での低雑音化が可能になれば、レーダ
ーや自動料金徴収システムなどへのミリ波帯の利用促進
につながる。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、Ｇ
ａＩｎＮＡｓ系ＨＥＭＴが実現し、マイクロ波領域でよ
り低雑音増幅が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係るＧａＩｎＮＡｓ
系エピタキシャルウェハの断面図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係るＧａＩｎＮＡｓ
系エピタキシャルウェハの断面図である。

【図３】本発明の第３の実施形態に係るＧａＩｎＮＡｓ
系エピタキシャルウェハの断面図である。

【図４】本発明の第４の実施形態に係るＧａＩｎＮＡｓ
系エピタキシャルウェハの断面図である。

【図５】本発明の第５の実施形態に係るＧａＩｎＮＡｓ
系エピタキシャルウェハの断面図である。

【図６】本発明の第６の実施形態に係るＧａＩｎＮＡｓ
系エピタキシャルウェハの断面図である。

【図７】本発明のＧａＩｎＮＡｓ系エピタキシャルウェ
ハの実施例を示したもので、（ａ）は実施例Ａに係る積
層構造の断面図、（ｂ）は実施例Ｂに係る積層構造の断
面図である。

【図８】本発明のＧａＩｎＮＡｓ系エピタキシャルウェ
ハの実施例を示したもので、（ｃ）は実施例Ｃに係る積
層構造の断面図、（ｄ）は実施例Ｄに係る積層構造の断
面図である。

【図９】本発明のＧａＩｎＮＡｓ系エピタキシャルウェ
ハの実施例を示したもので、（ｅ）は実施例Ｅに係る積
層構造の断面図、（ｆ）は実施例Ｆに係る積層構造の断
面図である。

【図１０】図７（ａ）のエピタキシャルウェハを使用し
たＧａＩｎＮＡｓ系ＨＥＭＴの断面構造図である。

【図１１】従来のＨＥＭＴエピタキシャルウェハを示し
たもので、（ａ）は従来使用されているＡｌＧａＡｓ系
ＨＥＭＴエピタキシャルウェハの断面構造（従来例Ａの
構造）を示す図、（ｂ）は従来使用されているＧａＩｎ
Ｐ系ＨＥＭＴエピタキシャルウェハの断面構造（従来例
Ｂの構造）を示す図である。

【符号の説明】

１半絶縁性ＧａＡｓ基板２第１の化合物半導体（バッファ層）３第２の化合物半導体層（チャネル層）４第３の化合物半導体層（キャリア供給層）５第４の化合物半導体層（補助的なチャネル層）６第５の化合物半導体層（スペーサ層）７第６の化合物半導体層（補助的なチャネル層）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】砒化ガリウム基板（１）上に第１の化合物
半導体層（２）、該半導体層（２）より電子親和力の大
きな第２の化合物半導体層（３）、該第２の化合物半導
体層（３）より電子親和力の小さな第３の化合物半導体
層（４）を順次積層し、該第３の化合物半導体層（４）
にドナー不純物をドーピングしている積層構造におい
て、前記第２の化合物半導体がアルミニウム、ガリウ
ム、インジウムのいずれか、又は全てと、砒素、リンの
いずれか又は両方と、窒素とからなる化合物半導体であ
ることを特徴とする窒化砒化ガリウムインジウム系エピ
タキシャルウェハ。
【請求項２】請求項１記載の窒化砒化ガリウムインジウ
ム系エピタキシャルウェハにおいて、前記第２の化合物
半導体層（３）と前記第３の化合物半導体層（４）との
間に、該第３の半導体層（４）より電子親和力が大き
く、且つ高純度な第４の化合物半導体層（５）を有する
積層構造を特徴とする窒化砒化ガリウムインジウム系エ
ピタキシャルウェハ。
【請求項３】請求項１記載の窒化砒化ガリウムインジウ
ム系エピタキシャルウェハにおいて、前記第２の化合物
半導体層（３）と前記第３の化合物半導体層（４）との
間に、第２の半導体層（３）より電子親和力が小さく、
且つ高純度な第５の化合物半導体層（６）を有する積層
構造を特徴とする窒化砒化ガリウムインジウム系エピタ
キシャルウェハ。
【請求項４】請求項２記載の窒化砒化ガリウムインジウ
ム系エピタキシャルウェハにおいて、前記第４の化合物
半導体層（５）と前記第３の化合物半導体層（４）との
間に、前記第２の化合物半導体層（３）より電子親和力
が小さく、且つ高純度な第５の化合物半導体層（６）を
有することを特徴とする窒化砒化ガリウムインジウム系
エピタキシャルウェハ。
【請求項５】請求項１記載の窒化砒化ガリウムインジウ
ム系エピタキシャルウェハにおいて、前記第１の化合物
半導体層（２）と第２の化合物半導体層（３）との間に
高純度の第６の化合物半導体層（７）を有する積層構造
を特徴とする窒化砒化ガリウムインジウム系エピタキシ
ャルウェハ。
【請求項６】請求項１記載の窒化砒化ガリウムインジウ
ム系エピタキシャルウェハにおいて、前記第２の化合物
半導体層（３）と前記第３の化合物半導体層（４）との
間に、前記第２の化合物半導体層（３）より電子親和力
が小さく、且つ高純度な第５の化合物半導体層（６）を
有し、また、前記第１の化合物半導体層（２）と第２の
化合物半導体層（３）との間に高純度の第６の化合物半
導体層（７）を有する積層構造を特徴とする窒化砒化ガ
リウムインジウム系エピタキシャルウェハ。
【請求項７】請求項１、２、３、４、５又は６記載の窒
化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハにお
いて、前記第２の化合物半導体層（３）が砒化ガリウム
に格子整合、もしくは圧縮歪み、もしくは引張り歪みを
導入してスードモフィック状態で歪んでいる状態である
ことを特徴とする窒化砒化ガリウムインジウム系エピタ
キシャルウェハ。
【請求項８】請求項１、２、３、４、５、６又は７記載
の窒化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハ
において、前記第３の化合物半導体層（４）が砒化アル
ミニウムガリウムであることを特徴とする窒化砒化ガリ
ウムインジウム系エピタキシャルウェハ。
【請求項９】請求項１、２、３、４、５、６又は７記載
の窒化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハ
において、前記第３の化合物半導体層（４）がリン化イ
ンジウムガリウムであることを特徴とする窒化砒化ガリ
ウムインジウム系エピタキシャルウェハ。
【請求項１０】請求項１、２、３、４、５、６又は７記
載の窒化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェ
ハにおいて、前記第３の化合物半導体層（４）及び前記
第５の化合物半導体層（６）が、アルミニウム、ガリウ
ム、インジウムのいずれか、又は全てと、砒素、リンの
いずれか又は両方と、窒素とからなり、第２の化合物半
導体よりも電子親和力が小さい化合物半導体であること
を特徴とする窒化砒化ガリウムインジウム系エピタキシ
ャルウェハ。
【請求項１１】請求項１、３、４、５又は７記載の窒化
砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハにおい
て、前記第３の化合物半導体層（４）がリン化インジウ
ムガリウムであり、前記第２の化合物半導体層（３）が
アルミニウム、ガリウム、インジウムのいずれか、又は
全てと、リン、窒素とからなることを特徴とする窒化砒
化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハ。
【請求項１２】請求項２記載の窒化砒化ガリウムインジ
ウム系エピタキシャルウェハにおいて、前記第４の化合
物半導体層（５）が砒化インジウム混晶比で２５％以上
の砒化インジウム・ガリウムであることを特徴とする窒
化砒化ガリウムインジウム系エピタキシャルウェハ。
【請求項１３】請求項１、２、３、４、５、６、７、
８、９、１０、１１又は１２記載の窒化砒化ガリウムイ
ンジウム系エピタキシャルウェハを用いて製造したこと
を特徴とする高電子移動度トランジスタ。