JP2006216876A - 化合物半導体エピタキシャル基板及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高電子移動度ｐ−ＨＥＭＴ構造のエピタキシャル基板及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】 ＩｎＧａＡｓ層をチャネル層６、ｎ型不純物を含有するＡｌＧａＡｓ層を電子供給層３、９とする高電子移動度電界効果型トランジスタに用いられる化合物半導体エピタキシャル基板をＭＯＶＰＥ法によって製造する場合、ガリウム原料としてトリエチルガリウムを用い基板温度が４５０℃から４９０℃の範囲の成長温度条件でＩｎＧａＡｓ層を結晶成長させてチャネル層６を形成する。これにより、電子移動度が極めて高いＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板を製造することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高電子移動度電界効果型トランジスタ（以下、ＨＥＭＴという）製造用の化合物半導体エピタキシャル基板及びその製造方法に関する。

ＧａＡｓ系３−５族化合物半導体を用いた素子であるＨＥＭＴは、携帯電話等の高周波通信機器の部品として用いられている。

このＨＥＭＴ製造用の化合物半導体エピタキシャル基板は、半絶縁性ＧａＡｓ成長基板の温度を５５０〜７００℃程度の温度で保持し、この成長基板上にＧａＡｓ及びＡｌＧａＡｓからなる多層のバッファ層、ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層（その上及び下にｉ−ＧａＡｓからなるスペーサ層を成長させることがある）、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる電子供給層（キャリア層）、ｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層を有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法により、順次成長させて製造されている。

上述の如くして製造されるＨＥＭＴ製造用の化合物半導体エピタキシャル基板には、高い電子移動度を示すことが求められている。従来より高い電子移動度を示す前記化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法として、成長基板の温度を従来より低い５５０℃で保持する製造方法が提案されており、３２００ｃｍ² ／Ｖ・ｓの高い電子移動度を示す化合物半導体エピタキシャル基板が得られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この値は十分ではなく、ＨＥＭＴ製造用のさらに高い電子移動度を示す化合物半導体エピタキシャル基板及びその製造方法が求められていた。
特開２００１−４４１２７号公報

本発明の目的は、ＨＥＭＴ製造用の、従来より高い電子電動度を示す化合物半導体エピタキシャル基板及びその製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために、ＨＥＭＴ製造用の化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法について鋭意検討を行った結果、ＩｎＧａＡｓ層をチャネル層とするＨＥＭＴ製造用の化合物半導体エピタキシャル基板をＭＯＶＰＥ法により製造する方法において、該ＩｎＧａＡｓ層の結晶成長時における出発原料として特定の化合物を用い、且つ成長温度を所定範囲内とすることにより、従来より高い電子電動度を示すＨＥＭＴ製造用の化合物半導体エピタキシャル基板を製造することができることを見出し、本発明を完成させるに到った。

請求項１の発明によれば、有機金属気相成長法により、成長基板上に、バッファ層、ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる電子供給層、コンタクト層を順次成長させるＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、前記ＩｎＧａＡｓ層を、ガリウム原料としてトリエチルガリウムを用い、成長基板の温度を４５０℃以上４９０℃以下の範囲として成長させることを特徴とするＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法が提案される。

請求項２の発明によれば、請求項１の方法により製造されたＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板が提案される。

請求項３の発明によれば、請求項２において、電子移動度が８５００ｃｍ² ／Ｖ・ｓ以上であるＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板が提案される。

本発明により製造される化合物半導体エピタキシャル基板を用いれば、電子移動度が大きく、良好な電気的特性を有するＨＥＭＴを製造することができる。

本発明によるＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法は、有機金属気相成長法により、半絶縁性ＧａＡｓ成長基板上に、バッファ層、ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる電子供給層、コンタクト層を順次成長させる製造方法において、前記ＩｎＧａＡｓ層を、ガリウム原料としてトリエチルガリウムを用い、成長基板の温度を４５０℃以上４９０℃以下の範囲として成長させるようにしたものである。

本発明の製造方法においては、先ず、高抵抗の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶などからなる成長基板を用意する。成長基板としては、ＬＥＣ（Liquid Encapsulated Czochralski ）法、ＶＢ（Vertical Bridgman）法、ＶＧＦ（Vertical Gradient Freezing）法等で製造されたＧａＡｓ基板が好適であるが、これらに限定されない。そして、いずれの方法で製造された成長基板であっても、１つの結晶学的面方位から０．０５°〜１０°程度の傾きを有した基板を用意する。

この成長基板の表面の異物を除去するために、脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥処理を行ってもよい。そして成長基板を公知の結晶成長炉の加熱台上に載置して加熱を開始する。加熱開始前に炉内を高純度水素等で置換してもよい。適度な温度に安定したところで、通常は成長炉内に砒素原料ガスを導入する。バッファ層として例えばＧａＡｓ層を成長する際には、続いてガリウム原料ガスを導入する。また、ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層を成長する際には、砒素原料ガスの導入に加えて、トリエチルガリウム及びインジウム原料ガスを導入する。また、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる電子供給層を成長する際には、砒素原料ガスの導入に加えて、前記ガリウム原料ガス、アルミニウム原料ガス及びｎ型ドーパント原料ガスを導入する。バッファ層の場合も同様にして成長することができる。各原料の供給量と時間を制御することにより、成長基板上に、少なくともバッファ層、ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる電子供給層、コンタクト層等の所望の化合物半導体層を順次成長させていく。

ここで、本発明の製造方法においては、チャネル層を形成する際に、ガリウム原料ガスとしてトリエチルガリウムを用い、成長基板であるＧａＡｓ単結晶基板の温度を４５０℃以上４９０℃以下の範囲とし、ＩｎＧａＡｓ層を形成する。このＩｎＧａＡｓ層の厚さは、通常は１〜２０ｎｍ程度であればよい。従来は、成長基板の温度は６００℃程度であり、トリメチルガリウムをガリウム原料ガスとして用いている。この従来の場合は、成長基板温度を４５０℃以上４９０℃以下という低い温度とすると、ガリウム原料ガスの熱分解が充分でなく、ＩｎＧａＡｓ層の結晶性が低下するためＨＥＭＴ用化合物半導体基板として用いることができないほど電子移動度は低下してしまう。しかし、ガリウム原料ガスとしてトリエチルガリウムを用い、４５０℃以上４９０℃以下の温度範囲でＩｎＧａＡｓ層を成長させることにより、理由は明らかではないが、電子移動度が極めて高いＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板が得られるのである。

なお、ＩｎＧａＡｓ層（チャネル層）以外の層を成長させる場合は、従来同様５５０℃〜７００℃の範囲に成長基板を保持して成長させてもよい。

また、砒素原料ガスとして、一般に三水素化砒素（アルシン）を用いることが多いが、アルシンの水素を炭素数が１から４のアルキル基で置換したアルキルアルシンを用いることもできる。アルミニウム、及びインジウムの原料ガスとしては、各金属原子に炭素数が１から３のアルキル基もしくは水素が結合したトリアルキル化物もしくは三水素化物が一般に用いられる。

ｎ型ドーパント原料ガスとしては、シリコン、ゲルマニウム、スズ、硫黄、セレン等の水素化物または炭素数が１から３のアルキル基を有するアルキル化物を用いることができる。

このようにして成長基板上に全ての層を成長させた後、各原料の供給を停止して結晶成長を停止し、冷却後、積層したエピタキシャル基板を成長炉内から取り出して結晶成長を完了する。

こうして得られたＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板は、従来のものより高い電子移動度を示す。さらに、ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層のＩｎの含有量を多くしたり、チャネル層の厚さを厚くすることにより電子移動度をさらに高めることができる場合がある。上述の如くに製造した本発明によるＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板の示す電子移動度は、８５００ｃｍ² ／Ｖ・ｓ以上とすることができる。

上述した方法を用いて得られた本発明によるＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板の構造の例が図１に層構造図として示されている。

図１において、１は単結晶基板であるＧａＡｓ単結晶からなる成長基板、２は成長基板１上に積層されたバッファ層である。

３は、４ｎｍ厚のｎ−Ａｌ_0.24Ｇａ_0.76Ａｓ層として形成され、ｎ型不純物を３×１０¹⁸／cm³ をドープしたバック側電子供給層であり、バック側電子供給層３の上には、バック側スペーサ層４、５がこの順序で積層されている。ここでは、バック側スペーサ層４は３ｎｍ厚のｉ−Ａｌ_0.24Ｇａ_0.76Ａｓ層、バック側スペーサ層５は４ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層となっている。６は二次元電子を流すための二次元電子ガスが形成されるチャネル層であり、７．５ｎｍ厚のｉ−Ｉｎ_0.30Ｇａ_0.70Ａｓ層からなっている。

７、８はそれぞれがフロント側スペーサ層であり、フロント側スペーサ層７は４ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層、フロント側スペーサ層８は３ｎｍ厚のｉ−Ａｌ_0.24Ｇａ_0.76Ａｓ層である。

９はフロント側電子供給層で、１０ｎｍ厚のｎ−Ａｌ_0.24Ｇａ_0.76Ａｓ層として形成され、ｎ型不純物が３×１０¹⁸／cm³ の濃度にドープされている。１０、１１はいずれもアンドープ層で、それぞれ、５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ_0.22Ｇａ_0.78Ａｓ層、２０ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層として積層されている。

以下、本発明について、実施例と比較例とを基に、より詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示した層構造のＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板を、減圧バレル型ＭＯＶＰＥ法用反応炉を用い、以下に示すようにして作製した。ＶＧＦ法で製造された半絶縁性ＧａＡｓ単結晶板を用意し、それを成長基板１として、その上に各層をエピタキシャル成長させた。３族の原料としては、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用い、５族の原料としては、アルシン（ＡｓＨ₃ ）を用いた。ｎ型ドーパントとしては、シリコン（Ｓｉ）を用いた。原料のキャリアガスとしては、高純度水素を用い、反応炉内圧力０．１ａｔｍ、成長速度３〜１μｍ／ｈｒの成長条件でエピタキシャル成長を行った。ここで、成長温度条件は、チャネル層６の成長の場合には成長基板温度を４９０℃とし、チャネル層６以外の層を成長させる場合には６５０℃とした。

図１に示した通り、電子を走行させるチャネル層６のＩｎ組成は０．３０、その膜厚は７．５ｎｍとした。チャネル層６に用いたｉ−ＩｎＧａＡｓ層の上下には、スペーサ層６、８としてｉ−ＧａＡｓ層を上下各４．０ｎｍずつ、エピタキシャル成長させた。

上記のようにして製造して得られたエピタキシャル基板において、Van der Pauw法によるホール測定を行った結果、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が２．４０×１０¹²／ｃｍ² 、室温（３００Ｋ）での電子移動度が８８４０ｃｍ² ／Ｖ・ｓ、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．６５×１０¹²／ｃｍ² 、７７Ｋでの電子移動度が３９３００ｃｍ² ／Ｖ・ｓと高い値を得た。

（比較例１）
チャネル層６の形成温度を５２０℃とした以外は実施例１と同様にして図１に示す層構造のエピタキシャル基板を作製した。実施例１と同様にしてホール測定を行った結果、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が２．４０×１０¹²／ｃｍ² 、室温（３００Ｋ）での電子移動度が８２４０ｃｍ² ／Ｖ・ｓ、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．６５×１０¹²／ｃｍ² 、７７Ｋでの電子移動度が２８０００ｃｍ² ／Ｖ・ｓであった。

（比較例２）
チャネル層６の形成温度を５５０℃とした以外は実施例１と同様にして図１に示す層構造のエピタキシャル基板を作製した。実施例１と同様にしてホール測定を行った結果、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が２．３２×１０¹²／ｃｍ² 、室温（３００Ｋ）での電子移動度が８０７０ｃｍ² ／Ｖ・ｓ、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．５４×１０¹²／ｃｍ² 、７７Ｋでの電子移動度が２７２００ｃｍ² ／Ｖ・ｓであった。

（比較例３）
チャネル層６の形成温度を５８０℃とした以外は実施例１と同様にして図１に示す層構造のエピタキシャル基板を作製した。実施例１と同様にしてホール測定を行った結果、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が２．４０×１０¹²／ｃｍ² 、室温（３００Ｋ）での電子移動度が７９８０ｃｍ² ／Ｖ・ｓ、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．６２×１０¹²／ｃｍ² 、７７Ｋでの電子移動度が２５０００ｃｍ² ／Ｖ・ｓであった。

図２は上記実施例１及び比較例１〜３におけるチャネル層６の成長時の基板温度と室温（３００Ｋ）及び７７Ｋにおける電子移動度との間の関係を示すグラフである。

本発明による化合物半導体エピタキシャル基板の一実施形態の層構造図。 本発明の実施例と比較例との各測定結果に基づく成長基板温度とチャネル層の電子移動度との間の関係を示すグラフ。

符号の説明

１ 成長基板
２ バッファ層
３ バック側電子供給層
４、５ バック側スペーサ層
６ チャネル層
７、８ フロント側スペーサ層
９ フロント側電子供給層
１０、１１ アンドープ層

Claims (3)

1. 有機金属気相成長法により、成長基板上に、バッファ層、ＩｎＧａＡｓからなるチャネル層、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる電子供給層、コンタクト層を順次成長させるＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法において、前記ＩｎＧａＡｓ層を、ガリウム原料としてトリエチルガリウムを用い、成長基板の温度を４５０℃以上４９０℃以下の範囲として成長させることを特徴とするＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
2. 請求項１の方法により製造されたＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板。
3. 請求項２において、電子移動度が８５００ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上であるＨＥＭＴ製造用化合物半導体エピタキシャル基板。

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