JP2008288365A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】歪み特性を改善することができる半導体装置を得る。
【解決手段】本発明に係る半導体装置は、化合物半導体基板と、化合物半導体基板上に順次積層された化合物半導体からなるバッファ層、チャネル層及びショットキー接合形成層と、ショットキー接合形成層上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、ソース電極及びドレイン電極の間に設けられ、ショットキー接合形成層にショットキー接合されたゲート電極とを備え、チャネル層のキャリア濃度は、表面側から深さ方向に深さの3乗分の1の濃度勾配を有し、チャネル層のシートキャリア濃度は一定であり、チャネル層の最表部のドーピング濃度は、5.0×1017cm−3以上、2.0×1018cm−3以下である。
【選択図】図1
【解決手段】本発明に係る半導体装置は、化合物半導体基板と、化合物半導体基板上に順次積層された化合物半導体からなるバッファ層、チャネル層及びショットキー接合形成層と、ショットキー接合形成層上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、ソース電極及びドレイン電極の間に設けられ、ショットキー接合形成層にショットキー接合されたゲート電極とを備え、チャネル層のキャリア濃度は、表面側から深さ方向に深さの3乗分の1の濃度勾配を有し、チャネル層のシートキャリア濃度は一定であり、チャネル層の最表部のドーピング濃度は、5.0×1017cm−3以上、2.0×1018cm−3以下である。
【選択図】図1
Description
本発明は、歪み特性を改善することができる半導体装置に関するものである。
通信方式のデジタル化に伴い、通信機の出力段用途として用いられる半導体装置に対して、小型化、高出力化、高効率化だけでなく、良好な歪み特性が強く求められている。
一般に、2つの周波数f1,f2の信号(基本波)を半導体装置に入力した場合、周波数f1×2,f2×2の2次高調波が発生する。この高調波と基本波とによって、基本波の周波数に非常に近い周波数2f1−f2,2f2−f1にひずみ成分が発生する。これは3次の相互変調歪み(IMD3)と呼ばれ、入出力間での半導体装置等の非線形性に起因して生じ、隣接する回線に対して雑音となる。このような隣接回線に対する雑音を低減するために、複数回線の通信(周波数多重通信)においては、特に歪み特性の良い半導体装置が求められている。
半導体装置の電気特性と歪み特性の関係の関係についてはVolterra Series法による解析が報告されている(例えば、非特許文献1参照)。このVolterra Series法によるIMD3の展開式より、低歪み化の対策として、相互コンダクタンスgmの向上、又は相互コンダクタンスの2次微分項gm’’の低減が有効と考えられる。
相互コンダクタンスの2次微分項gm’’を低減させる理論的な手段として、半導体装置のチャネル層のキャリア濃度プロファイルとして、表面側から深さ方向に深さ(x)の3乗分の1の濃度勾配(1/x3)を持たせることが有効である(例えば、非特許文献2参照)。このような半導体装置の歪み特性評価結果について以下に説明する。
図9は、従来の半導体装置を示す断面図である。半絶縁性GaAs基板11上に、アンドープAlGaAs/アンドープGaAs超格子バッファ層12、アンドープGaAsバッファ層13、n型GaAsチャネル層14、n型AlGaAsショットキー接合形成層15、n型GaAs下部コンタクト層16、n型AlGaAsエッチングストッパ層17、n+型GaAs上部コンタクト層18が順次積層されている。
n+型GaAs上部コンタクト層18上にソース電極19及びドレイン電極20が形成されている。n型AlGaAsエッチングストッパ層17及びn+型GaAs上部コンタクト層18には、リセス構造が形成されている。ソース電極19及びドレイン電極20の間に設けられたゲート電極21が、リセス構造内においてn型AlGaAsショットキー接合形成層15にショットキー接合されている。
n型GaAsチャネル層14のキャリア濃度プロファイルは、表面側から深さ方向に深さ(x)の3乗分の1の濃度勾配(1/x3)を有する。また、n型GaAsチャネル層14は、最表部のキャリア濃度が2.3×1017cm−3、膜厚が1800Åである。
図10は、従来の半導体装置の歪み特性を測定した結果を示す図である。歪特性として隣接チャネル漏洩電力(ACP)を測定した。また、比較のために、広く用いられているチャネル層のキャリア濃度を一定にした半導体装置の歪み特性も示す。このキャリア濃度を一定にしたn型GaAsチャネル層は、キャリア濃度を1.5×1017cm−3、膜厚を1300Åとした。これはキャリア濃度に勾配を設けたn型GaAsチャネル層のシートキャリア濃度及びピンチオフ電圧とほぼ等しくなるように調整したものである。
また、ゲート長をLg=1.1μm、ゲート幅をWg=12.6mmとし、半導体装置を表面実装型のディスクリートパッケージに実装した。そして、半導体装置にドレイン電圧Vd=10V、ドレイン電流Id=300mAを印加し、周波数f=2.14GHzのW−CDMA変調波(3GPP TEST MODEL1, 64code Single Signal, Channel Bandwidth = 3.84MHz)を入力して歪み特性を測定した。
この測定結果から、チャネル層のキャリア濃度に上記勾配を持たせた場合は、キャリア濃度を一定にした場合と比べて、歪特性が明らかに改善していることが分かる。
図11は、従来の半導体装置のドレイン電流Idに対する相互コンダクタンスgm及び相互コンダクタンスの2次微分項gm’’を測定した結果を示す図である。比較のために、チャネル層のキャリア濃度を一定にした半導体装置について同様の測定をした結果も示す。
この測定結果から、両者のgmはほぼ同等であることが分かる。一方、チャネル層のキャリア濃度に上記勾配を持たせた半導体装置のgm’’は、キャリア濃度を一定にした半導体装置のgm’’よりも低減している。このことから、チャネル層のキャリア濃度に上記勾配を持たせた半導体装置における歪み特性の改善は、gm’’を低減させる効果に起因したものと考えられる。
R. A. Minasian, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol.28, No.1, pp.1-8, 1980
R. A. Pucel, Electronics Lett. Vol.14, No.6, pp.204-206, 1978
しかし、電界効果型の半導体装置は、一般に表面準位等の影響を受け易く、バッファ層側からも影響を受ける。従って、チャネル層に上記キャリア濃度プロファイルを持たせただけでは理想的なgm特性を得ることは困難であり、gm’’を完全にゼロに抑制することは困難である。
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、歪み特性を改善することができる半導体装置を得るものである。
本発明に係る半導体装置は、化合物半導体基板と、化合物半導体基板上に順次積層された化合物半導体からなるバッファ層、チャネル層及びショットキー接合形成層と、ショットキー接合形成層上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、ソース電極及びドレイン電極の間に設けられ、ショットキー接合形成層にショットキー接合されたゲート電極とを備え、チャネル層のキャリア濃度は、表面側から深さ方向に深さの3乗分の1の濃度勾配を有し、チャネル層のシートキャリア濃度は一定であり、チャネル層の最表部のドーピング濃度は、5.0×1017cm−3以上、2.0×1018cm−3以下である。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明により、歪み特性を改善することができる。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。半絶縁性GaAs基板11(化合物半導体基板)上に、アンドープAlGaAs/アンドープGaAs超格子バッファ層12、アンドープGaAsバッファ層13(バッファ層)、n型GaAsチャネル層14(チャネル層)、n型AlGaAsショットキー接合形成層15(ショットキー接合形成層)、n型GaAs下部コンタクト層16、n型AlGaAsエッチングストッパ層17、n+型GaAs上部コンタクト層18が順次積層されている。
図1は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置を示す断面図である。半絶縁性GaAs基板11(化合物半導体基板)上に、アンドープAlGaAs/アンドープGaAs超格子バッファ層12、アンドープGaAsバッファ層13(バッファ層)、n型GaAsチャネル層14(チャネル層)、n型AlGaAsショットキー接合形成層15(ショットキー接合形成層)、n型GaAs下部コンタクト層16、n型AlGaAsエッチングストッパ層17、n+型GaAs上部コンタクト層18が順次積層されている。
n+型GaAs上部コンタクト層18上、即ちn型AlGaAsショットキー接合形成層15上にソース電極19及びドレイン電極20が形成されている。n型AlGaAsエッチングストッパ層17及びn+型GaAs上部コンタクト層18には、リセス構造が形成されている。ソース電極19及びドレイン電極20の間に設けられたゲート電極21が、リセス構造内においてn型AlGaAsショットキー接合形成層15にショットキー接合されている。ゲート電極21のゲート長Lgは、0.5μm〜1.1μmである。
図2は、チャネル層の深さとキャリア濃度との関係を示す図である。n型GaAsチャネル層14のキャリア濃度プロファイルは、表面側から深さ方向に深さ(x)の3乗分の1の濃度勾配(1/x3)を有する。また、n型GaAsチャネル層14のシートキャリア濃度は一定である。具体的には、ホール測定より得たシートキャリア濃度が1.24±0.1×1012cm−2となるように調整してある。
本実施の形態では、n型GaAsチャネル層14の最表部のドーピング濃度を、5.0×1017cm−3以上、2.0×1018cm−3以下とする。具体的には、n型GaAsチャネル層14の最表部のドーピング濃度を5.0×1017cm−3とした場合はチャンネル層の膜厚を700Åとし、ドーピング濃度を2.0×1018cm−3とした場合はチャンネル層の膜厚を180Åとする。
以下、本実施の形態1に係る半導体装置の製造方法について簡単に説明する。まず、半絶縁性GaAs基板11上に、アンドープAlGaAs/アンドープGaAs超格子バッファ層12、アンドープGaAsバッファ層13、n型GaAsチャネル層14、n型AlGaAsショットキー接合形成層15、n型GaAs下部コンタクト層16、n型AlGaAsエッチングストッパ層17、n+型GaAs上部コンタクト層18を、MBE法やMOCVD法などの結晶成長法を用いて順次積層する。ただし、n型GaAsチャネル層14に、上記キャリア濃度プロファイルを有するようにSiをドーピングする。また、n型GaAsチャネル層14の最表部のドーピング濃度を5.0×1017cm−3以上、2.0×1018cm−3以下とする。
次に、適切なプロセスに従って、リセス構造、ソース電極19、ドレイン電極20、ゲート電極21を順次形成する。以上の工程により、本実施の形態1に係る半導体装置が製造される。
以下、本実施の形態1に係る半導体装置の作用及び効果について説明する。図3は、本発明の実施の形態1に係る半導体装置の歪み特性とチャネル層の最表部のドーピング濃度との関係を測定した結果を示す図である。歪特性として隣接チャネル漏洩電力(ACP)を測定した。また、測定に用いた半導体装置はゲート長がLg=1.1μm、ゲート幅がWg=12.6mmである。この半導体装置を表面実装型のディスクリートパッケージに実装した。そして、半導体装置にドレイン電圧Vd=10V、ドレイン電流Id=300mAを印加し、周波数f=2.14GHzのW−CDMA変調波(3GPP TEST MODEL1, 64code Single Signal, Channel Bandwidth = 3.84MHz)を入力して歪み特性を測定した。出力はPout=24dBmである。
この測定結果から、上記キャリア濃度プロファイルを維持しつつチャネル層の高濃度薄層化を図ることによって歪特性は改善していき、チャネル層の最表部のドーピング濃度が5.0×1017cm−3以上ではほとんど変化しないことがわかる。従って、チャネル層の最表部のドーピング濃度が5.0×1017cm−3以上であれば、良好な歪み特性を得ることができる。また、チャネル層の最表部のドーピング濃度が2.0×1018cm−3以下であれば、キャリアが十分に活性となり、かつ上記キャリア濃度プロファイルを問題なく形成できる膜厚となる。
図4は、チャネル層の最表部のドーピング濃度を変えた場合のドレイン電流Idと相互コンダクタンスgm及び|gm’’/gm3|との関係を示す図である。測定に用いた半導体装置はゲート長がLg=1.1μm、ゲート幅がWg=100μmである。図4を参照しながら、図3のような測定結果に至った原因について説明する。
上記キャリア濃度プロファイルを維持しつつチャネル層の高濃度薄層化を図った場合、図4に示されるようにドレイン電流Idに対する相互コンダクタンスgmは一様に向上している。一方、上記キャリア濃度プロファイルを採用したことで相互コンダクタンスの2次微分項gm’’は低減するため、gm向上に伴うgm’’の増加を抑えることができる。このため、ドレイン電流Idに対する|gm’’/gm3|は、一様に低減する。
|gm’’/gm3|は、Volterra Series法により導かれるIMD3の展開式に含まれる成分であり、|gm’’/gm3|を低減させることが歪み特性の低減に繋がると考えられる。従って、上記キャリア濃度プロファイルを維持しつつチャネル層の高濃度薄層化を図ったことによる歪み特性の改善は、|gm’’/gm3|の低減によるものである。
なお、n型GaAsチャネル層14のキャリア濃度プロファイルが、表面側から深さ方向に、深さ(x)の3乗分の1の濃度勾配(1/x3)を模した階段状の濃度勾配を有するようにしても、同様の歪改善効果を得ることができる。
実施の形態2.
本発明の実施の形態2に係る半導体装置において、実施の形態1と同様に、チャネル層のキャリア濃度は、表面側から深さ方向に深さの3乗分の1の濃度勾配を有する。そして、本実施の形態2では、ゲート電極21のゲート長Lgは0.2μm以上、0.6μm以下である。また、実施の形態1のようなチャネル層の最表部のドーピング濃度についての限定は、実施の形態2では必要としない。ここでは、チャネル層の最表部のドーピング濃度を5.0×1017cm−3とし、チャネル層の膜厚を700Åとする。その他の構成は実施の形態1と同様である。また、製造工程も実施の形態1と同様である。
本発明の実施の形態2に係る半導体装置において、実施の形態1と同様に、チャネル層のキャリア濃度は、表面側から深さ方向に深さの3乗分の1の濃度勾配を有する。そして、本実施の形態2では、ゲート電極21のゲート長Lgは0.2μm以上、0.6μm以下である。また、実施の形態1のようなチャネル層の最表部のドーピング濃度についての限定は、実施の形態2では必要としない。ここでは、チャネル層の最表部のドーピング濃度を5.0×1017cm−3とし、チャネル層の膜厚を700Åとする。その他の構成は実施の形態1と同様である。また、製造工程も実施の形態1と同様である。
以下、本実施の形態2に係る半導体装置の作用及び効果について説明する。図5は、本発明の実施の形態2に係る半導体装置の歪み特性とゲート長との関係を測定した結果を示す図である。歪特性として隣接チャネル漏洩電力(ACP)を測定した。
また、測定に用いた半導体装置はゲート長がLg=0.5〜1.1μm、ゲート幅がWg=12.6mmである。この半導体装置を表面実装型のディスクリートパッケージに実装した。そして、半導体装置にドレイン電圧Vd=10V、ドレイン電流Id=300mAを印加し、周波数f=2.14GHzのW−CDMA変調波(3GPP TEST MODEL1, 64code Single Signal, Channel Bandwidth = 3.84MHz)を入力して歪み特性を測定した。出力はPout=24dBmである。
この測定結果から、ゲート長Lgが短くなるに従って歪み特性は一様に改善していき、Lg=0.6μm以下ではほとんど変化しないことが分かる。従って、ゲート電極21のゲート長Lgが0.6μm以下であれば、良好な歪み特性を得ることができる。また、ゲート電極21のゲート長Lgが0.2μm以上であれば、特異なプロセスを用いることなくゲート電極21を形成することができる。
図6は、ゲート長Lgを変えた場合のドレイン電流Idと相互コンダクタンスの2次微分項gm’’及び|gm’’/gm3|との関係を示す図である。測定に用いた半導体装置はゲート長Lgが0.5〜1.1μm、ゲート幅Wgが300μmである。図6を参照しながら、図5のような測定結果に至った原因について説明する。
ゲート長Lgが短くなるにしたがって、図6に示されるようにドレイン電流Idに対する相互コンダクタンスの2次微分項gm’’は一様に低減する。これにより|gm’’/gm3|は一様に低減する。
先述したように|gm’’/gm3|は、Volterra Series法により導かれるIMD3の展開式に含まれる成分であり、|gm’’/gm3|を低減させることが歪み特性の低減に繋がると考えられる。従って、ゲート長Lgを短くしたことによる歪み特性の改善は、gm’’が低減したことによる|gm’’/gm3|の低減効果によるものである。
また、ゲート長Lgを短くしたことによってgm’’が低減した理由は、ゲート長Lgを短くしたことで短チャネル効果によるピンチオフ電圧のマイナス側へのシフトが顕著になってgm特性が変化し、gm’’の低減に有利となるgm特性が得られたからであると考えられる。
実施の形態3.
図7は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す断面図である。この半導体装置は、図1に示す半導体装置のアンドープGaAsバッファ層13(バッファ層)をアンドープAl0.20Ga0.80Asバッファ層22(バッファ層)で置き換えたものである。即ち、バッファ層は、n型GaAsチャネル層14(チャネル層)を構成するGaAsよりも小さな電子親和力を有するアンドープAl0.20Ga0.80Asからなる。また、実施の形態1のようなチャネル層の最表部のドーピング濃度についての限定は、実施の形態3では必要としない。その他の構成は実施の形態1と同様である。また、製造工程も実施の形態1と同様である。
図7は、本発明の実施の形態3に係る半導体装置を示す断面図である。この半導体装置は、図1に示す半導体装置のアンドープGaAsバッファ層13(バッファ層)をアンドープAl0.20Ga0.80Asバッファ層22(バッファ層)で置き換えたものである。即ち、バッファ層は、n型GaAsチャネル層14(チャネル層)を構成するGaAsよりも小さな電子親和力を有するアンドープAl0.20Ga0.80Asからなる。また、実施の形態1のようなチャネル層の最表部のドーピング濃度についての限定は、実施の形態3では必要としない。その他の構成は実施の形態1と同様である。また、製造工程も実施の形態1と同様である。
以下、本実施の形態3に係る半導体装置の作用及び効果について説明する。図8は、ドレイン電流Idと|gm’’/gm3|との関係を示す図である。測定に用いた半導体装置はゲート長がLg=0.5μm、ゲート幅がWg=300μmである。バッファ層がアンドープAl0.20Ga0.80Asからなる場合、バッファ層がアンドープGaAsからなる場合と比べて、Id≦40mA/mmにおいて|gm’’/gm3|を明らかに低減できている。これはId≦40mA/mmにおいてgm’’が低減されるからである。
そして、gm’’が低減した理由は、バッファ層がGaAsよりも小さな電子親和力を有するアンドープAl0.20Ga0.80Asからなることで、ヘテロバリアによる電子の閉じ込め効果によって、表面側から深さ方向に深さ(x)の3乗分の1の濃度勾配(1/x3)を有するn型GaAsチャネル層14のキャリア濃度プロファイルが、アンドープGaAsバッファ層13を用いた場合よりも理想的となるからである。
11 半絶縁性GaAs基板(化合物半導体基板)
13 アンドープGaAsバッファ層(バッファ層)
14 n型GaAsチャネル層(チャネル層)
15 n型AlGaAsショットキー接合形成層(ショットキー接合形成層)
19 ソース電極
20 ドレイン電極
21 ゲート電極
22 アンドープAl0.20Ga0.80Asバッファ層(バッファ層)
13 アンドープGaAsバッファ層(バッファ層)
14 n型GaAsチャネル層(チャネル層)
15 n型AlGaAsショットキー接合形成層(ショットキー接合形成層)
19 ソース電極
20 ドレイン電極
21 ゲート電極
22 アンドープAl0.20Ga0.80Asバッファ層(バッファ層)
Claims (3)
- 化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板上に順次積層された化合物半導体からなるバッファ層、チャネル層及びショットキー接合形成層と、
前記ショットキー接合形成層上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の間に設けられ、前記ショットキー接合形成層にショットキー接合されたゲート電極とを備え、
前記チャネル層のキャリア濃度は、表面側から深さ方向に深さの3乗分の1の濃度勾配を有し、
前記チャネル層のシートキャリア濃度は一定であり、
前記チャネル層の最表部のドーピング濃度は、5.0×1017cm−3以上、2.0×1018cm−3以下であることを特徴とする半導体装置。 - 化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板上に順次積層された化合物半導体からなるバッファ層、チャネル層及びショットキー接合形成層と、
前記ショットキー接合形成層上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の間に設けられ、前記ショットキー接合形成層にショットキー接合されたゲート電極とを備え、
前記チャネル層のキャリア濃度は、表面側から深さ方向に深さの3乗分の1の濃度勾配を有し、
前記ゲート電極のゲート長は0.2μm以上、0.6μm以下であることを特徴とする半導体装置。 - 化合物半導体基板と、
前記化合物半導体基板上に順次積層された化合物半導体からなるバッファ層、チャネル層及びショットキー接合形成層と、
前記ショットキー接合形成層上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、
前記ソース電極及び前記ドレイン電極の間に設けられ、前記ショットキー接合形成層にショットキー接合されたゲート電極とを備え、
前記チャネル層のキャリア濃度は、表面側から深さ方向に深さの3乗分の1の濃度勾配を有し、
前記バッファ層は、前記チャネル層よりも小さな電子親和力を有し、前記チャネル層とは異なる化合物半導体からなることを特徴とする半導体装置。
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