JP4545907B2 - 化合物半導体装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体装置に関し、より詳しくは、MESFET(Metal-Semiconductor FET) を有する化合物半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話基地局用パワーアンプは、近年、電源電圧の向上とパワー特性の向上の要求が高くなり、パワーアンプに使用されるトランジスタは高耐圧化が必須となる。
しかし、GaAsチャネル層を有するMESFETは、電界集中によりGaAsチャネル層が破壊され易いために電源電圧の向上に対応することが難しく、パワーアンプには不向きとなってきている。
【0003】
そこで、MESFETの高耐圧化が望まれることになる。
MESFETの破壊耐圧を向上するために、図1に示すように、チャネル層をGaAsからInGaP に変えた構造のものがある。
図1において、半絶縁性のGaAs基板101 上にはAlGaAsよりなるバッファ層102 が形成され、さらにバッファ層102 の上にはn型In0.52Ga0.48P よりなるチャネル層103 とアンドープAlGaAsよりなる障壁層104 が順に形成されている。
【0004】
また、障壁層104 の上には、アンドープのGaAs層よりなるコンタクト層105 が形成されている。そのコンタクト層105 には障壁層104 を露出する開口105aが形成され、その開口105aを通して障壁層104 にゲート電極106 が接続されている。
ゲート電極106 と障壁層104 はショットキー接合される。
さらに、ゲート電極106 の両側では、コンタクト層105 にソース電極107 とドレイン電極108 が接続されている。コンタクト層105 のうちのソース電極107 とドレイン電極108 の下には高濃度でn型不純物がイオン注入されており、これによりソース電極107 とドレイン電極108 はそれぞれキャップ層105 と抵抗(オーミック)接触している。
【0005】
以上のようなInGaP チャネル層を有するMESFETは、GaAsチャネル層を有するMESFETに比べて破壊耐圧が2〜3倍程度高くなる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、チャネル層がInGaP から構成されたMESFETは、従来に比べて、破壊耐圧が高いが、チャネル層103 中の移動度は低いので、抵抗が高く、相互コンダクタンス(gm )が低い。これにより、利得が従来よりも低くなってしまい、破壊耐圧の向上という利点が生かせない。
【0007】
本発明の目的は、従来よりも利得が高くなるトランジスタを有する化合物半導体装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、MESFETのチャネル層をInGaPSb から構成することによって解決される。
InGaPSb から構成されたチャネル層を有するMESFETは、従来のMESFETに比べ、浅い閾値電圧で低いシート抵抗とすることができるために、破壊耐圧を下げることなく相互コンダクタンスや利得を大きくすることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図2は、本発明の実施形態に係るMESFETを示す断面図である。
図2において、半絶縁性のGaAs基板1上にはアンドープAl0.3Ga0.7Asよりなるバッファ層2が例えば300nmの厚さに形成され、さらにバッファ層2の上にはn型のInx Ga1-x P y Sb1-y (但し、0.3<x<0.7、0.9<y<0.999999)よりなるチャネル層3が例えば150nmの厚さに形成されている。このチャネル層3の中には、濃度1.5×1017cm-3のシリコンが含有されている。
【0010】
チャネル層3上には、アンドープAl0.3Ga0.7Asよりなるショットキー障壁層4が例えば20nmの厚さに形成されている。さらに、ショットキー障壁層4の上には、アンドープGaAs又はn型GaAsよりなるコンタクト層5が形成されている。そのコンタクト層5には、ショットキー障壁層4を露出する開口5aが形成され、その開口5aを通してショットキー障壁層4にゲート電極6が接続されている。ゲート電極6とショットキー障壁層4は、ショットキー接合される。ゲート電極6は、タングステン膜、タングステンシリサイド膜、アルミニウム膜等から形成される。
【0011】
さらに、ゲート電極6の両側においては、コンタクト層5にシリコンをイオン注入することによりオーミックコンタクト領域が形成され、その上にソース電極7とドレイン電極8がそれぞれオーミック接合されている。ソース電極7,ドレイン電極8は、例えば金膜から形成される。
上記したバッファ層2からコンタクト層5までの各層は、例えばMOCVD法によって形成される。そして、III 族元素のガリウム(Ga)、インジウム(In)、アルミニウム(Al)、アンチモン(Sb)と、V族元素の砒素(As)、リン(P)のそれぞれのソースガスとして例えば次のようなものが使用される。
【0012】
例えば、ガリウムのソースガスとしてトリメチルガリウム(TMG)又はトリエチルガリウム(TEG)があり、アルミニウムのソースガスとしてトリメチルアルミニウム(TMAl)があり、インジウムのソースガスとしてトリメチルインジウム(TMI)があり、アンチモンのソースガスとしてトリメチルアンチモン(TMSb)がある。また、砒素のソースガスとしてアルシン(AsH3)があり、リンのガスとしてホスフィン(PH3)がある。また、n型ドーパント用のガスとしてジシラン(Si2H6 )が使用される。
【0013】
各III-V族半導体層2〜5までを成長する成長炉として、減圧横型CVD炉を使用する。そして、その減圧横型CVD炉を使用してIII-V族半導体層2〜5を形成するためには、成長温度を例えば600〜750℃に設定し、成長雰囲気を減圧して76Torr程度の圧力となるように調整する。
なお、GaAs基板1は、(100)から2度オフした面を有し、その面の上にバッファ層2等が形成される。
【0014】
次に、図2に示した本実施形態のMESFETの構造において、GaAs基板1上にInGaPSb チャネル層3までを成長して、チャネル層3のキャリア濃度プロファイルを評価したところ、図3の実線に示す結果が得られた。この実験で使用したチャネル層3を構成するInx Ga1-x P y Sb1-y の組成比x、yは、それぞれx=0.52、y=0.999999である。図3のInGaPSb チャネル層3のキャリア濃度プロファイルは、破線で示した従来のInGaP チャネルの構造のキャリア濃度プロファイルと比較して示されている。従来のInGaP チャネル層の場合は、Al0.3Ga0.7Asバッファ層との界面にキャリアの蓄積が見られる。これに対して、InGaPSb チャネル層3の場合は、キャリアの蓄積が見られない。
【0015】
それらのキャリア濃度プロファイルの差は、得られるデバイスの閾値電圧の差として現れる。チャネル層としてInGaPSb を用いた場合は閾値電圧が−2.5Vであるが、チャネル層としてInGaP を用いた場合は−5.7Vと深くなる。
図4は、図1、図2の構造におけるシート抵抗とデバイスの閾値電圧の関係を示す。同じシート抵抗では、InGaPSb チャネル層3の方がInGaP チャネル層103 よりも閾値電圧が1V浅い。この結果、同じ電流駆動能力を有するMESFETにおいて、相互コンダクタンスgm が異なることになる。それらの相互コンダクタンスの差を表1に示す。
【0016】
【表1】
【0017】
表1によれば、InGaP チャネル層103 と比較して、InGaPSb チャネル層3を採用することにより同じ耐圧を維持しながら相互コンダクタンスgm を40%向上することができた。
なお、上記した実施形態における障壁層4上にコンタクト層5を形成せずに、障壁層4上にソース電極7とドレイン電極8を形成してもよい。また、上記実施形態では、n型不純物としてシリコンを用いたがセレンを用いてもよい。
(付記1)基板の上に不純物がドープされて形成されたInx Ga1-x P y Sb1-y (但し0.3<x<0.7、0.9<y<0.999999)よりなるチャネル層と、 前記チャネル層上に形成された障壁層と、
前記障壁層上に形成されたゲート電極と、
前記障壁層の上であってゲート電極の両側に離れて形成されたソース電極とドレイン電極と
を有するMESFETを備えたことを特徴とする化合物半導体装置。
(付記2)前記基板はGaAs基板であることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記3)前記基板と前記チャネル層の間にはAlGaAsからなるバッファ層が形成されていることを特徴とする付記1、付記2のいずれかに記載の化合物半導体装置。
(付記4)前記障壁層はアンドープAlGaAs層であることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記5)前記AlGaAs層において、Gaの組成はAlの組成より多いことを特徴とする付記4に記載の化合物半導体装置。
(付記6)前記ソース電極と前記障壁層の間と、前記ドレイン電極と前記障壁層の間には、コンタクト層が形成されていることを特徴とする付記1に記載の化合物半導体装置。
(付記7)前記コンタクト層は、不純物がドープされたGaAsから構成されていることを特徴とする付記6に記載の化合物半導体装置。
(付記8)前記不純物は、シリコン、セレンのいずれかであることを特徴とする付記1又は付記7に記載の化合物半導体装置。
【0018】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、MESFETのチャネル層をInGaPSb から形成したので、相互コンダクタンスを従来よりも高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のMESFETを示す断面図である。
【図2】本発明の第1実施形態のMESFETを示す断面図である。
【図3】本発明の第1実施形態のMESFETと従来のMESFETのそれぞれのチャネル層のキャリア濃度プロファイルを示す図である。
【図4】本発明の第1実施形態のMESFETと従来のMESFETのそれぞれのシート抵抗と閾値電圧(Vth)の関係を示す図である。
【符号の説明】
1…GaAs基板、2…バッファ層、3…InGaPSb チャネル層、4…障壁層、5…コンタクト層、6…ゲート電極、7…ソース電極、8…ドレイン電極、101…がh基板、102…バッファ層、103…InGaP チャネル層、104…障壁層、105…コンタクト層、106…ゲート電極、107…ソース電極、108…ドレイン電極。
Claims (3)
- 基板の上に不純物がドープされて形成されたInx Ga1-x P y Sb1-y (但し、0.3<x<0.7、0.9<y<0.999999)よりなるチャネル層と、
前記チャネル層上に形成された障壁層と、
前記障壁層上に形成されたゲート電極と、
前記障壁層の上であってゲート電極の両側に離れて形成されたソース電極とドレイン電極と
を有するMESFETを備えたことを特徴とする化合物半導体装置。 - 前記基板はGaAs基板であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体装置。
- 前記基板と前記チャネル層の間にはAlGaAsからなるアンドープバッファ層が形成されていることを特徴とする請求項1、請求項2のいずれかに記載の化合物半導体装置。
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