JP3338911B2 - 半導体装置とその製造方法 - Google Patents
半導体装置とその製造方法Info
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Description
−V族化合物半導体を用いた電界効果半導体装置、さら
には高電子移動度トランジスタおよびその製造方法に関
する。近年のコンピュータシステムの高速化の要求等に
伴い、高電子移動度トランジスタ(HEMT)等、高速
素子の開発が進んでいる。
子走行層(能動層)にキャリアを供給して二次元電子ガ
スを形成し、高速度のキャリア輸送を用いる能動素子で
ある高電子移動度トランジスタ(HEMT)は、AlG
aAs/GaAs,InAlAs/InGaAs,In
AlAs/InP等の材料の組合せのヘテロ構造で実現
されてきた。
たIn0.52Al0.48As/InP系ヘテロ構造を利用し
たHEMTは電子走行層のInPがGaAsに比べて遜
色のない優れた電気伝導性を示すだけでなく、InPの
エネルギーギャップがInGaAsに対して大きく、高
電界においてよりブレイクダウンを起こしにくい。この
ように、高速素子としてだけでなく、その特徴を利用し
てパワーFETとして応用が見込まれている。
晶を成長する際、InPの成長後にInAlAsの成長
を連続的に行うと、構成元素が互いに混じり合い界面の
急峻性が著しく損なわれるという問題があった。
rasil,BahtらはガスソースMBE法を用いて
InAlAsとInPの界面にAlPを挿入することで
界面の品質が向上することを報告している(Appl.
Phys.Lett.60,p.1981(1992)
参照)。この工程においては、AlPを成長した後、引
き続いて成長するInAlAsのV族原料のAsH3 を
流して成長中断を行っている。
nP HEMTの説明図であり、(A)はその断面構造
を示し、(B)は結晶成長の際の原料供給切り替えシー
ケンスを示している。この図において、21は半絶縁性
InP基板、22はInP層、23はノンドープAlP
層、24はノンドープInAlAs層、25はSi−I
nAlAs層、26はノンドープInAlAs層、27
1 ,272 はSi−InGaAs層、281 ,282 は
Au/AuGe層、29はAl層である。
EMTは、図4(A)に示されているように、半絶縁性
InP基板21の上に、バッファ層兼能動層となるノン
ドープのInP層22と、ノンドープAlP層23と、
スペーサ層となるノンドープInAlAs層24と、電
子供給層となるSiをドープしたSi−InAlAs層
25と、ショットキ電極層となるノンドープInAlA
s層26と、オーミック層となるSiをドープしたSi
−InGaAs層271 ,272 が順次積層して形成さ
れ、Si−InGaAs層271 ,272 の上にソース
電極とドレイン電極となるAu/AuGe層281 ,2
82 が形成され、ノンドープInAlAs層26の上に
ゲート電極となるAl層29が形成されている。
P HEMTを製造するための結晶成長の際の原料供給
切り替えシーケンスは図4(B)に示されているよう
に、はじめにInとPの原料を供給してInP層を成長
し、次いでInの供給を停止してAlの原料を供給して
AlP層を成長し、その後瞬時に原料の両方の供給を停
止してAsの原料だけを供給して成長を中断する(成長
中断)。一定時間成長を中断した後、Asの原料の供給
を継続したまま、Inの原料とAlの原料の供給を開始
してInAlAs層を成長する。
金属気相成長(MOCVD)法によるInAlAs/A
lP/InP HEMT用結晶成長に適用すると、MO
CVDでは高い基板温度で成長する必要があるため、ま
た、AlP層を成長した後にAsH3 供給下で待機する
間にAlP層の最表面のP原子が基板前面に到達したA
sの水素化物と反応あるいは脱離するため、原子がきれ
いに揃った成長面から凹凸のある成長面に変化してしま
う。そして、その面の上にInAlAsを成長するた
め、InAlAs層とP化合物の界面が急峻でなくなり
界面の質が劣化してしまうという問題があった。
MBE法による場合は、AsH3 を供給するが、基板前
面ではAsH3 が分解してAs2 となっているために、
上記の反応が起こらず、また、AsH3 とPH3 では、
AsH3 が結晶中に取り込まれる割合が高いと推定され
る。
純度が要求される電子走行層と電子供給層の界面に結晶
欠陥が多数発生し、HEMT用結晶の特性を劣化させ
る。具体的には、電子はこの2種の半導体層によって形
成される界面の近傍(20〜100Å)付近を主に走行
するため、この領域の結晶に不純物の混入や格子の乱れ
がある場合には電子の移動度が著しく低下し、相互コン
ダクタンス等のFETの特性の低下を引き起こす。
体基板の上にAsを含む化合物半導体層またはその混晶
層を減圧式有機金属気相成長法によって成長する場合、
その間に介挿したAlP層の表面の結晶構造が劣化する
のを防ぎ、AlP層とAsを含む化合物半導体層の界面
の結晶欠陥を低減して、HEMT等の半導体装置の特性
を改善する手段を提供することを目的とする。
に於いては、 (1) InP基板上にPH 3 雰囲気中で待機すること
によって表面を安定化したAlP層とAsを含む化合物
半導体層とをこの順で減圧式有機金属気相成長法によっ
て成長した半導体積層構造を有することを特徴とする
か、或いは、 (2) InP基板上にInP層とPH 3 雰囲気中で待
機することによって表面を安定化したAlP層とAsを
含む化合物半導体層とをこの順で減圧式有機金属気相成
長法によって成長した半導体積層構造を有することを特
徴とするか、或いは、 (3) 前記(1)或いは(2)に於いて、AlP層の
厚さが5〜10Åであることを特徴とするか、或いは、 (4) 前記(1)乃至(3)の何れか1に於いて、A
sを含む化合物半導体層がInGaAs層またはInA
lAs層またはInGaAs/InAlAsからなるヘ
テロ結晶層であることを特徴とするか、或いは、 (5) 前記(4)に於いて、InP層が変調ドープさ
れた電子走行層であり、InGaAs、InAlAs等
のAsを含み不純物ドープされた化合物半導体層が電子
供給層であることを特徴とする。 また、本発明に依る半
導体装置の製造方法に於いて、 (6) InP基板上にAlP層を減圧式有機金属気相
成長法によって成長する工程と、前記AlP層をPH 3
雰囲気中で待機することによって表面を安定化する工程
と、前記AlP層の上にAsを含む化合物半導体層を減
圧式有機金属気相成長法によって成長する工程とを含ん
でなることを特徴とするか、或いは、 (7) InP基板上にInP層を減圧式有機金属気相
成長法によって成長する工程と、前記InP層上にAl
P層を減圧式有機金属気相成長法によって成長する工程
と、前記AlP層をPH 3 雰囲気中で待機することによ
って表面を安定化する工程と、前記AlP層上にAsを
含む化合物半導体層を減圧式有機金属気相成長法によっ
て成長する工程とを含んでなることを特徴とするか、或
いは、 (8) 前記(6)又は(7)に於いて、AlP層の厚
さが5〜10Åであ ることを特徴とする。
P HEMTの原理説明図であり、(A)はその断面構
造を示し、(B)は結晶成長の際の原料供給切り替えシ
ーケンスを示している。この図において、1は半絶縁性
InP基板、2はInP層、3はノンドープAlP層、
4はノンドープInAlAs層、5はSi−InAlA
s層、6はノンドープInAlAs層、71 ,72 はS
i−InGaAs層、81 ,82 はAu/AuGe層、
9はAl層である。
HEMTは、図1(A)に示されているように、半絶縁
性InP基板1の上に、バッファ層兼能動層となるノン
ドープのInP層2と、ノンドープAlP層3と、スペ
ーサ層となるノンドープInAlAs層4と、電子供給
層となるSiをドープしたSi−InAlAs層5と、
ショットキ電極層となるノンドープInAlAs層6
と、オーミック層となるSiをドープしたSi−InG
aAs層71 ,72 が順次減圧式有機金属気相成長(M
OCVD)法によるエピタキシャル成長法を用いて積層
して形成され、Si−InGaAs層71 ,72 の上に
ソース電極とドレイン電極となるAu/AuGe層
81 ,82 が形成され、ノンドープInAlAs層6の
上にゲート電極となるAl層9が形成されている。
nP HEMTを製造するための結晶成長の際の原料供
給切り替えシーケンスは図1(B)に示されているよう
に、はじめにInとPの原料を供給してInP層を成長
し、次いでInの供給を停止してAlの原料を供給して
AlP層を成長し、その後Alの原料の供給を停止して
Pの原料のみを供給し続ける(成長中断)。一定時間成
長を中断した後、Pの原料の供給を停止し、Inの原料
とAlの原料とAsの原料の供給を開始してInAlA
s層を成長する。
法によってInP基板上にInAlAs層を成長する際
の高品質化の検討実験を行った。InP基板上にInA
lAs層を成長するにあたって、その界面において以下
の手順の3種の試料を作成した。
その後InAlAs層を成長する(試料1)。 InP基板を昇温し、AlP層を2原子程度成長
し、AsH3 を流して1秒間待ち、その後InAlAs
層を成長する(試料2)。 InP基板を昇温し、AlP層を2原子程度成長
し、PH3 を流して1秒間待ち、その後InAlAs層
を成長する(試料3)。
フォトルミネセンス(PL)強度を測定する方法を用い
た。
スペクトル説明図である。この材料系ではInAlAs
のバンド端近傍の1.5eV付近とInPのバンド端近
傍の1.4eV付近に発光が観測されるはずである。し
かしながら、図2に示されるように、試料1と試料2の
発光スペクトルは、その他に1.25eV付近に強度の
強い半値幅の広い発光が観測された。この発光はPとA
sの界面の乱れによって生じることが経験的にも知られ
ている。
層を挿入した試料のPLの1.25eV付近の発光は著
しく減少した。この事実は、PH3 で安定化したAlP
層を、InP層とInAlAs層の間に挿入することに
よってPとAsの混合が抑制できたことを示している。
/AlP/InP HEMTの説明図であり、(A)は
その断面構造を示し、(B)は結晶成長の際の原料供給
切り替えシーケンスを示している。この図において、1
1は半絶縁性InP基板、12はInP層、13はノン
ドープAlP層、14はノンドープInAlAs層、1
5はSi−InAlAs層、16はノンドープInAl
As層、171 ,172 はSi−InGaAs層、18
1 ,182 はAu/AuGe層、19はAl層である。
P HEMTは、図3(A)に示されているように、6
50℃に加熱した半絶縁性InP基板11の上に、減圧
式有機金属気相成長(MOCVD)法によって、まずII
I 族原料のトリメチルインジウム(TMIn)とV族原
料のフォスフィン(PH3 )を用いてバッファ層兼電子
走行層となるノンドープのInP層12を約0.5μm
成長する。
らトリメチルアルミニウム(TMAl)に瞬時に切り換
えて、ノンドープAlP層13をおよそ2原子層(約6
Å)成長し、III 族原料のTMAlのみ供給を停止し、
PH3 だけ流した状態で1秒間待つ。
のアルシン(AsH3 )を同時に供給開始し、スペーサ
層となるノンドープInAlAs層14を例えば20Å
成長し、その上にジシラン(Si2 H6 )を用いてn型
ドーピングした(例えば2×1018cm-3程度のSi濃
度)電子供給層となるSi−InAlAs層15を例え
ば400Å成長する。
ノンドープInAlAs層16を150Å、オーミック
層となるSi−InGaAs層171 ,172 を100
Å成長する。成長した結晶の表面は鏡面であり、断面T
EM像でも平坦な界面が観測され、ノンドープAlP層
13は極めて薄いため、InPとの臨界膜厚内に入って
いるものと考えられる。
ッチングして除去した後、オーミック層となるSi−I
nGaAs層171 ,172 の上に、ソース電極とドレ
イン電極をAu/AuGe層181 ,182 を用いて形
成し、ショットキ電極層となるノンドープInAlAs
層16の上にゲート電極となるAl層19を用いて形成
してInAlAs/AlP/InP HEMTを完成す
る。
HEMTと比較対照するため、上記の本発明の製造工程
において、ノンドープのInP層12を成長した後、ノ
ンドープAlP層13を成長し、AsH3 雰囲気中で待
機した後、ノンドープInAlAs層14を成長した構
造で他の構造は同一のものを用いた。
der Pauw法で電子移動度と二次元電子密度を
測定した。この測定のための電極は、窒素雰囲気中で4
50℃に3分間保持してInSnをアロイすることによ
って形成した。
電子密度は下記の通りであった。 (1)PH3 雰囲気中で待機したAlP層をInP層と
InAlAs層の間に挿入した試料 電子移動度 室温 3400(cm2 /Vs) 液体窒素温度 40000(cm2 /Vs) 電子密度 室温 3.4×1012(cm-2) 液体窒素温度 1.6×1012(cm-2)
層をInP層とInAlAs層の間に挿入した試料 電子移動度 室温 1700(cm2 /Vs) 液体窒素温度 8500(cm2 /Vs) 電子密度 室温 4.0×1012(cm-2) 液体窒素温度 2.1×1012(cm-2)
中で待機したAlP層を、InP層とInAlAs層の
間に挿入した試料では電子移動度が、特に液体窒素温度
で顕著に増大している。
いるが、電子移動度の増加の割合が大きく補って余りあ
る効果がみられる。
電子走行層と電子供給層の界面に乱れの少ない電子移動
度の高いInAlAs/AlP/InP系HEMTを実
現することができ、この技術分野において寄与するとこ
ろが大きい。
MTの原理説明図であり、(A)はその断面構造を示
し、(B)は結晶成長の際の原料供給切り替えシーケン
スを示している。
明図である。
nP HEMTの説明図であり、(A)はその断面構造
を示し、(B)は結晶成長の際の原料供給切り替えシー
ケンスを示している。
Tの説明図であり、(A)はその断面構造を示し、
(B)は結晶成長の際の原料供給切り替えシーケンスを
示している。
InGaAs層 81 ,82 ,181 ,182 ,281 ,282 Au/
AuGe層 9,19,29 Al層
Claims (8)
- 【請求項1】 InP基板上にPH3 雰囲気中で待機す
ることによって表面を安定化したAlP層とAsを含む
化合物半導体層とをこの順で減圧式有機金属気相成長法
によって成長した半導体積層構造を有することを特徴と
する半導体装置。 - 【請求項2】 InP基板上にInP層とPH3 雰囲気
中で待機することによって表面を安定化したAlP層と
Asを含む化合物半導体層とをこの順で減圧式有機金属
気相成長法によって成長した半導体積層構造を有するこ
とを特徴とする半導体装置。 - 【請求項3】 AlP層の厚さが5〜10Åであること
を特徴とする請求項1または請求項2記載の半導体装
置。 - 【請求項4】 Asを含む化合物半導体層がInGaA
s層またはInAlAs層またはInGaAs/InA
lAsからなるヘテロ結晶層であることを特徴とする請
求項1乃至請求項3の何れか1記載の半導体装置。 - 【請求項5】 InP層が変調ドープされた電子走行層
であり、InGaAs、InAlAs等のAsを含み不
純物ドープされた化合物半導体層が電子供給層であるこ
とを特徴とする請求項4記載の半導体装置。 - 【請求項6】 InP基板上にAlP層を減圧式有機金
属気相成長法によって成長する工程と、前記 AlP層をPH3 雰囲気中で待機することによって
表面を安定化する工程と、前記 AlP層の上にAsを含む化合物半導体層を減圧式
有機金属気相成長法によって成長する工程とを含んでな
ることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】 InP基板上にInP層を減圧式有機金
属気相成長法によって成長する工程と、前記 InP層上にAlP層を減圧式有機金属気相成長法
によって成長する工程と、前記 AlP層をPH3 雰囲気中で待機することによって
表面を安定化する工程と、前記 AlP層上にAsを含む化合物半導体層を減圧式有
機金属気相成長法によって成長する工程とを含んでなる
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項8】 AlP層の厚さが5〜10Åであること
を特徴とする請求項6または請求項7記載の半導体装置
の製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04218194A JP3338911B2 (ja) | 1994-03-14 | 1994-03-14 | 半導体装置とその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP04218194A JP3338911B2 (ja) | 1994-03-14 | 1994-03-14 | 半導体装置とその製造方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH07249759A JPH07249759A (ja) | 1995-09-26 |
JP3338911B2 true JP3338911B2 (ja) | 2002-10-28 |
Family
ID=12628829
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP04218194A Expired - Lifetime JP3338911B2 (ja) | 1994-03-14 | 1994-03-14 | 半導体装置とその製造方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3338911B2 (ja) |
-
1994
- 1994-03-14 JP JP04218194A patent/JP3338911B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
Applied Physics Letters,米国,1992年4月20日,Vol.60,No.16,p.1981−1983 |
Fourth International Indium Phosphide and Related Materials,1992,米国,1992年4月,p.286−289 |
Indium Phosphide and Related Materials,1994.Conference Proceeding International Conference on,米国,1994年,p.575−578 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH07249759A (ja) | 1995-09-26 |
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Date | Code | Title | Description |
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