JP2015233089A - 化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ及び化合物半導体素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】高電子移動度トランジスタ部の電子移動度を少なくとも単体品の高電子移動度トランジスタと同程度とすることが可能な化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ及び化合物半導体素子を提供する。
【解決手段】基板２００上に高電子移動度トランジスタ構造３００とヘテロバイポーラトランジスタ構造４００とを積層してなる化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ１００において、高電子移動度トランジスタ構造３００は、ｎ型不純物の濃度が１．０×１０18ｃｍ-3以上３．０×１０18ｃｍ-3以下であるサブコレクタ層４０１を有しているものである。
【選択図】図１
【解決手段】基板２００上に高電子移動度トランジスタ構造３００とヘテロバイポーラトランジスタ構造４００とを積層してなる化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ１００において、高電子移動度トランジスタ構造３００は、ｎ型不純物の濃度が１．０×１０18ｃｍ-3以上３．０×１０18ｃｍ-3以下であるサブコレクタ層４０１を有しているものである。
【選択図】図１
Description
本発明は、基板上に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ；High Electron Mobility Transistor）構造とヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ；Heterojunction Bipolar Transistor）構造とを積層してなる化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ及び化合物半導体素子に関する。
ヘテロバイポーラトランジスタは、低歪で超高速動作が可能であり、主に携帯電話や無線ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ；Local Area Network）等の送信部におけるパワーアンプ（ＰＡ；Power Amplifier）として使用されている。
このヘテロバイポーラトランジスタと高電子移動度トランジスタとを併せ持つものがＢｉＨＥＭＴ（又はＢｉＦＥＴ）であり（例えば、特許文献１を参照）、これにより、ヘテロバイポーラトランジスタからなるパワーアンプの周辺回路の一部を集積化してワンチップ化することが可能となり、モジュールの小型化や伝送経路の短縮化（伝送損失の低減）を実現することができることから、モジュール特性の向上等の優位性を確保することが可能となる。
ＢｉＨＥＭＴは、基本的には、化合物半導体からなる基板上に高電子移動度トランジスタ構造を形成し、高電子移動度トランジスタ構造上にヘテロバイポーラトランジスタ構造を形成した多層構造となっている。
高電子移動度トランジスタ構造をヘテロバイポーラトランジスタ構造よりも下層側、即ち基板側に形成する理由は、高電子移動度トランジスタには、高性能な高抵抗バッファ層が必須であり、これを実現するためには、高電子移動度トランジスタ構造をヘテロバイポーラトランジスタ構造よりも基板側に形成する方が有利だからである。
なお、ヘテロバイポーラトランジスタ構造を高電子移動度トランジスタ構造よりも下層側に形成する場合も少なからず存在するが、この場合、高電子移動度トランジスタに必須となる高抵抗バッファ層を相当に厚くエピタキシャル成長させる必要があるため、前者の構造と比較して価格面で不利になる。
ＢｉＨＥＭＴ中の高電子移動度トランジスタ構造やヘテロバイポーラトランジスタ構造の構造や材質は、基本的には、従来から存在する高電子移動度トランジスタやヘテロバイポーラトランジスタの単体品と同一であり、単にこれらの単体品が積層されているに過ぎない。
高電子移動度トランジスタ構造とヘテロバイポーラトランジスタ構造とを分離するために、専ら選択エッチングし易いＩｎＧａＰや、これよりもやや選択性に劣るが容易にエピタキシャル成長させることができるＡｌＡｓからなる分離層が使用されている。
同一の基板上に積層された高電子移動度トランジスタ構造とヘテロバイポーラトランジスタ構造は、高電子移動度トランジスタ部やヘテロバイポーラトランジスタ部として同一の場所で同時に使用することができず、配線パターンや電極部等を除くと、何れか一方のみが使用されるような排他的な使い方をされることになる。
高電子移動度トランジスタ構造は、少なくとも、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と、電子を供給するための第１の電子供給層と、電子が走行するためのチャネル層と、電子を供給するための第２の電子供給層と、ショットキー電極と接触すると共に耐圧を確保するためのショットキー層と、ｎ型キャリアが高濃度に添加（ドーピング）されると共に電極となる金属との接触抵抗を小さくするためのコンタクト層と、を基板上に順に積層してなる。
そして、コンタクト層上に高電子移動度トランジスタ構造とヘテロバイポーラトランジスタ構造とを分離すると共にＩｎＧａＰやＡｌＡｓからなる分離層が形成されている。
また、ヘテロバイポーラトランジスタ構造は、少なくとも、外部に電流を取り出すためのサブコレクタ層と、電子を集めるためのコレクタ層と、電子の流れを制御するためのベース層と、電子を放射するためのエミッタ層と、外部から電流を注入するためのエミッタコンタクト層と、を分離層上に順に積層してなる。
これらの薄膜多層構造は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ；Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、又はＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や分子線成長（ＭＢＥ；Molecular Beam Epitaxy）法等の方法により形成することができる。
有機金属気相成長法は、固体又は液体の有機金属原料をガス化して供給し、昇温させた基板上で熱分解乃至化学反応させることにより、基板上に薄膜結晶をエピタキシャル成長させる方法であり、分子線成長法は、超真空中で薄膜結晶の構成元素のそれぞれを別々のルツボから蒸発させて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。
但し、分子線成長法は、超真空が要求されることから、蒸気圧の高い燐系のエピタキシャル成長が苦手であり、ＢｉＨＥＭＴの場合、専ら有機金属気相成長法が採用されている。
これらの方法により、基板上に薄膜多層構造がエピタキシャル成長されてなる化合物半導体素子用エピタキシャルウェハが完成し、その後のパターン形成、エッチング、電極（エミッタ電極、ベース電極、コレクタ電極、ソース電極、ゲート電極、及びドレイン電極）形成、保護膜形成、及びパッケージング等の加工工程を経てＢｉＨＥＭＴを使用した化合物半導体素子が完成する。
前述の通り、一般的なＢｉＨＥＭＴであれば、化合物半導体素子用エピタキシャルウェハの下半分が高電子移動度トランジスタ構造となり、上半分がヘテロバイポーラトランジスタ構造となるが、これらを高電子移動度トランジスタ部やヘテロバイポーラトランジスタ部として同一の場所に作製することはできないので排他的に使用されることになる。
また、これも一般的であるが、パワーアンプとなるヘテロバイポーラトランジスタ部の面積が大きく、バイアス回路等の周辺回路に使用される高電子移動度トランジスタ部の面積は小さい。
なお、絶縁領域が必要に応じて形成されるが、その方法としては、イオンを打ち込んで高抵抗化したり、エッチングによりトレンチを掘り込んだりする方法がある。
前述の通り、ＢｉＨＥＭＴは、従来の高電子移動度トランジスタやヘテロバイポーラトランジスタの単体品を組み合わせて作製したモジュールに対して、モジュールの小型化や伝送経路の短縮化による電気特性の向上が期待される。
しかしながら、ＢｉＨＥＭＴの高電子移動度トランジスタ部は、単体品の高電子移動度トランジスタよりも電子移動度が劣化（低下）する問題があり、例えば、バンドによりフィルタの切り替えが必要となるマルチバンド型のパワーアンプにおいて、出力先を切り替える高性能なパワースイッチとして使用することができず、専ら制御回路としての使用に限定されていた。
そこで、本発明の目的は、高電子移動度トランジスタ部の電子移動度を少なくとも単体品の高電子移動度トランジスタと同程度とすることが可能な化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ及び化合物半導体素子を提供することにある。
この目的を達成するために創案された本発明は、基板上に高電子移動度トランジスタ構造とヘテロバイポーラトランジスタ構造とを積層してなる化合物半導体素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記高電子移動度トランジスタ構造は、ｎ型不純物の濃度が１．０×１０18ｃｍ-3以上３．０×１０18ｃｍ-3以下であるサブコレクタ層を有している化合物半導体素子用エピタキシャルウェハである。
前記ｎ型不純物は、Ｓｉ、Ｓ、又はＧｅの何れか一つであると良い。
また、本発明は、前記化合物半導体素子用エピタキシャルウェハを使用して作製されている化合物半導体素子である。
本発明によれば、高電子移動度トランジスタ部の電子移動度を少なくとも単体品の高電子移動度トランジスタと同程度とすることが可能な化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ及び化合物半導体素子を提供することができる。
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。
図１に示すように、本発明の好適な実施の形態に係る化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ１００は、基板２００上に高電子移動度トランジスタ構造３００とヘテロバイポーラトランジスタ構造４００とを積層してなる。
高電子移動度トランジスタ構造３００は、半絶縁性ＧａＡｓからなる基板２００上に形成されると共にアンドープ型ＧａＡｓからなる厚さが５００ｎｍのバッファ層３０１と、バッファ層３０１上に形成されると共にｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３）からなる厚さが３０ｎｍの第１の電子供給層３０２と、第１の電子供給層３０２上に形成されると共にアンドープ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３）からなる厚さが１０ｎｍの第１のスペーサ層３０３と、第１のスペーサ層３０３上に形成されると共にアンドープ型ＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．１８）からなる厚さが１５ｎｍのチャネル層３０４と、チャネル層３０４上に形成されると共にアンドープ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３）からなる厚さが１０ｎｍの第２のスペーサ層３０５と、第２のスペーサ層３０５上に形成されると共にｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．４８）からなる厚さが３０ｎｍの第２の電子供給層３０６と、第２の電子供給層３０６上に形成されると共にアンドープ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３）からなる厚さが３０ｎｍのショットキー層３０７と、ショットキー層３０７上に形成されると共にｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＧａＡｓからなる厚さが６００ｎｍのコンタクト層３０８と、を有している。
高電子移動度トランジスタ構造３００を構成する各層をエピタキシャル成長させる際には、基板２００上にキャリアガスと共にＩＩＩ族原料ガス、Ｖ族原料ガス、及びドーパント原料ガスを供給し、成長温度を５８０℃以上７５０℃以下、成長圧力を６６６６Ｐａ、Ｖ／ＩＩＩ比を１０以上３００以下とし、有機金属気相成長法により順にエピタキシャル成長させることが好ましい。
ヘテロバイポーラトランジスタ構造４００は、高電子移動度トランジスタ構造３００上に形成されると共にアンドープ型ＩｎxＧａx-1Ｐ（ｘ＝０．４８）からなる厚さが１０ｎｍの分離層５００を挟み、分離層５００上に形成されると共にｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＧａＡｓからなる厚さが５００ｎｍのサブコレクタ層４０１と、サブコレクタ層４０１上に形成されると共にｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＧａＡｓからなる厚さが７００ｎｍのコレクタ層４０２と、コレクタ層４０２上に形成されると共にｐ型不純物としてＣを含むｐ型ＧａＡｓからなる厚さが１２０ｎｍのベース層４０３と、ベース層４０３上に形成されると共にｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＩｎxＧａx-1Ｐ（ｘ＝０．４８）からなる厚さが４０ｎｍのエミッタ層４０４と、エミッタ層４０４上に形成されると共にｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＧａＡｓからなる厚さが１００ｎｍのエミッタコンタクト層４０５と、エミッタコンタクト層４０５上に形成されると共にｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＩｎxＧａx-1Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなる厚さが１００ｎｍのノンアロイコンタクト層４０６と、を有している。
分離層５００は、その下層のコンタクト層３０８よりも低い温度でエピタキシャル成長させる必要があるため、コンタクト層３０８をエピタキシャル成長させた後に温度インターバルを設けて分離層５００をエピタキシャル成長させることが好ましい。
具体的には、コンタクト層３０８をエピタキシャル成長させた後にキャリアガスとアルシン（ＡｓＨ3）を供給しながら降温させた後、Ｖ族原料ガスをアルシンからホスフィン（ＰＨ3）に切り替え、成長温度を５５０℃以下、成長圧力を６６６６Ｐａ、Ｖ／ＩＩＩ比を１０以上３００以下とし、有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長させることが好ましい。
ヘテロバイポーラトランジスタ構造４００を構成する各層をエピタキシャル成長させる際には、キャリアガスとホスフィンを供給しながら昇温させた後、ホスフィンをアルシンに切り替え、高電子移動度トランジスタ構造３００における電子移動度の低下を招かないように成長温度を高電子移動度トランジスタ構造３００の成長温度よりも低い４００℃以上５８０℃以下、成長圧力を６６６６Ｐａ、Ｖ／ＩＩＩ比を１以上７５以下とし、有機金属気相成長法により順にエピタキシャル成長させることが好ましい。
これらの成膜工程を経て得られた化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ１００にいくつかの加工工程を施し、図２に示すように、エミッタ電極６０１、ベース電極６０２、コレクタ電極６０３、ソース電極６０４、ゲート電極６０５、及びドレイン電極６０６を形成することにより、高電子移動度トランジスタ部７００とヘテロバイポーラトランジスタ部８００とを有している化合物半導体素子６００を作製することができる。
なお、高電子移動度トランジスタ部７００とヘテロバイポーラトランジスタ部８００との間には、絶縁領域９００が形成されている。
さて、本実施の形態に係る化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ１００では、高電子移動度トランジスタ構造３００は、ｎ型不純物の濃度が１．０×１０18ｃｍ-3以上３．０×１０18ｃｍ-3以下であるサブコレクタ層４０１を有している。
これにより、化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ１００を使用して化合物半導体素子６００を作製したときに、高電子移動度トランジスタ部７００の電子移動度を少なくとも単体品の高電子移動度トランジスタと同程度とすることが可能となる。
これに対して、サブコレクタ層４０１におけるｎ型不純物の濃度を１．０×１０18ｃｍ-3未満とすると、サブコレクタ層４０１におけるキャリア濃度の低下に伴う抵抗の増加により、ヘテロバイポーラトランジスタ部８００のオン抵抗が上昇し、これが実用的な範囲を超えてしまう。また、サブコレクタ層４０１におけるｎ型不純物の濃度を３．０×１０18ｃｍ-3超とすると、高電子移動度トランジスタ部７００における電子移動度の低下が生じてしまう。
つまり、サブコレクタ層４０１におけるｎ型不純物の濃度を１．０×１０18ｃｍ-3以上３．０×１０18ｃｍ-3以下とすることにより、従来と同じ性能であれば、特性向上分を化合物半導体素子６００の小型化に充てられるため、スマートフォンなど、多機能であるが故に非常に多くのデバイスを収納しなければならない高機能な携帯端末において有利になる。
これまで説明してきた実施の形態においては、サブコレクタ層のｎ型不純物がＳｉである例を説明したが、その他のＩＶ族元素、即ちＳ又はＧｅ等の何れか一つであっても構わない。
これらのｎ型不純物は、３．０×１０18ｃｍ-3以上の高濃度に添加することが困難であり、アンチサイトや格子間に入り込むようなオーバードープをしなければ、必然的に濃度が１．０×１０18ｃｍ-3以上３．０×１０18ｃｍ-3以下の範囲に収まり、先の効果を奏することができる。
これらに対して、ＳｅやＴｅ等のＶＩ族元素は、温度に対して負のドーピング特性を持つため、低温でしか濃度を高くすることができず、他の層をエピタキシャル成長させる際の高温下で拡散が生じてしまうので実用的ではない。
以下、本発明に係る数値限定の理由を説明する。
先ず、有機金属気相成長法により、半絶縁性ＧａＡｓからなる基板上に、アンドープ型ＧａＡｓからなる厚さが５００ｎｍのバッファ層と、ｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３）からなる厚さが３０ｎｍの第１の電子供給層と、アンドープ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３）からなる厚さが１０ｎｍの第１のスペーサ層と、アンドープ型ＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．１８）からなる厚さが１５ｎｍのチャネル層と、アンドープ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３）からなる厚さが１０ｎｍの第２のスペーサ層と、ｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．４８）からなる厚さが３０ｎｍの第２の電子供給層と、アンドープ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３）からなる厚さが３０ｎｍのショットキー層と、ｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＧａＡｓからなる厚さが６００ｎｍのコンタクト層と、を順に積層して高電子移動度トランジスタ構造を形成した。
次に、有機金属気相成長法により、高電子移動度トランジスタ構造上に、アンドープ型ＩｎxＧａx-1Ｐ（ｘ＝０．４８）からなる厚さが１０ｎｍの分離層を挟み、ｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＧａＡｓからなる厚さが５００ｎｍのサブコレクタ層と、ｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＧａＡｓからなる厚さが７００ｎｍのコレクタ層と、ｐ型不純物として炭素を含むｐ型ＧａＡｓからなる厚さが１２０ｎｍのベース層と、ｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＩｎxＧａx-1Ｐ（ｘ＝０．４８）からなる厚さが４０ｎｍのエミッタ層と、ｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＧａＡｓからなる厚さが１００ｎｍのエミッタコンタクト層と、ｎ型不純物としてＳｉを含むｎ型ＩｎxＧａx-1Ａｓ（０＜ｘ＜１）からなる厚さが１００ｎｍのノンアロイコンタクト層と、を順に積層してヘテロバイポーラトランジスタ構造を形成した。
この際、サブコレクタ層におけるｎ型不純物の濃度を、サブコレクタ層におけるキャリア濃度の低下に伴う抵抗の増加により、ヘテロバイポーラトランジスタ部のオン抵抗が上昇することのない下限値である１．０×１０18ｃｍ-3から、２．０×１０18ｃｍ-3、３．０×１０18ｃｍ-3、４．０×１０18ｃｍ-3、５．０×１０18ｃｍ-3と変化させることにより、複数枚の化合物半導体素子用エピタキシャルウェハを作製し、いくつかの加工工程を経てそれぞれの化合物半導体素子用エピタキシャルウェハを化合物半導体素子に加工した。
これらの化合物半導体素子について、高電子移動度トランジスタ部の電子移動度を測定した。その結果を図３に示す。
図３から分かるように、サブコレクタ層におけるｎ型不純物の濃度が３．０×１０18ｃｍ-3を超えると、高電子移動度トランジスタ部における電子移動度の低下が顕著になる。
以上の結果から、本発明では、サブコレクタ層におけるｎ型不純物の濃度を１．０×１０18ｃｍ-3以上３．０×１０18ｃｍ-3以下に規定した。
１００ 化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ
２００ 基板
３００ 高電子移動度トランジスタ構造
３０１ バッファ層
３０２ 第１の電子供給層
３０３ 第１のスペーサ層
３０４ チャネル層
３０５ 第２のスペーサ層
３０６ 第２の電子供給層
３０７ ショットキー層
３０８ コンタクト層
４００ ヘテロバイポーラトランジスタ構造
４０１ サブコレクタ層
４０２ コレクタ層
４０３ ベース層
４０４ エミッタ層
４０５ エミッタコンタクト層
４０６ ノンアロイコンタクト層
５００ 分離層
６００ 化合物半導体素子
６０１ エミッタ電極
６０２ ベース電極
６０３ コレクタ電極
６０４ ソース電極
６０５ ゲート電極
６０６ ドレイン電極
７００ 高電子移動度トランジスタ部
８００ ヘテロバイポーラトランジスタ部
９００ 絶縁領域
２００ 基板
３００ 高電子移動度トランジスタ構造
３０１ バッファ層
３０２ 第１の電子供給層
３０３ 第１のスペーサ層
３０４ チャネル層
３０５ 第２のスペーサ層
３０６ 第２の電子供給層
３０７ ショットキー層
３０８ コンタクト層
４００ ヘテロバイポーラトランジスタ構造
４０１ サブコレクタ層
４０２ コレクタ層
４０３ ベース層
４０４ エミッタ層
４０５ エミッタコンタクト層
４０６ ノンアロイコンタクト層
５００ 分離層
６００ 化合物半導体素子
６０１ エミッタ電極
６０２ ベース電極
６０３ コレクタ電極
６０４ ソース電極
６０５ ゲート電極
６０６ ドレイン電極
７００ 高電子移動度トランジスタ部
８００ ヘテロバイポーラトランジスタ部
９００ 絶縁領域
Claims (3)
- 基板上に高電子移動度トランジスタ構造とヘテロバイポーラトランジスタ構造とを積層してなる化合物半導体素子用エピタキシャルウェハにおいて、
前記高電子移動度トランジスタ構造は、ｎ型不純物の濃度が１．０×１０18ｃｍ-3以上３．０×１０18ｃｍ-3以下であるサブコレクタ層を有していることを特徴とする化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ。 - 前記ｎ型不純物は、Ｓｉ、Ｓ、又はＧｅの何れか一つである請求項１に記載の化合物半導体素子用エピタキシャルウェハ。
- 請求項１又は２に記載の化合物半導体素子用エピタキシャルウェハを使用して作製されていることを特徴とする化合物半導体素子。
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