JP4717318B2 - 化合物半導体エピタキシャル基板 - Google Patents
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Description
【０００１】
【特許文献１】
第３２２４４３７号特許公報
【特許文献２】
第２９９４８６３号特許公報
【非特許文献１】
J. Crystal Growth, 27(1974)p.118
【非特許文献２】
J. Crystal Growth, 32(1974)p.265
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３−５族化合物半導体よりなる、高電子移動度トランジスタ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ものである。
【０００３】
【従来の技術】
近年、ＧａＡｓを中心とする３−５族化合物半導体を用いた電子素子は、超高速、高周波動作が可能であるという特長を生かして、飛躍的な発達を遂げ、その後も着実な進展を見せている。化合物半導体を用いた電子素子を作製する場合には、従来、単結晶基板上に、イオン注入法、拡散法、あるいはエピタキシャル成長法などの各種手法を用いて、必要な特性を有する薄膜結晶層を作製することを行なっている。上記の各種手法の中でも、エピタキシャル成長法は、不純物量の制御のみならず結晶の組成や膜厚などをきわめて広い範囲でかつ精密に制御可能であるため、広く用いられるようになっている。
【０００４】
このような目的で用いられるエピタキシャル成長法としては、液相法、気相法、および真空蒸着法の一種である分子線エピタキシャル成長法（以下ＭＢＥ法という）などが知られているが、気相法は大量の基板を制御性よく処理可能なため、工業的に広く用いられている方法である。特に、エピタキシャル層を構成する原子種の有機金属化合物または水素化物を原料として用い、基板上で熱分解させて結晶成長を行なう有機金属熱分解法（以下ＭＯＣＶＤ法という）は、適用可能な物質の範囲が広く、また結晶の組成、膜厚の精密な制御に適しているために、近年、広く用いられるようになっている。
【０００５】
このような製造技術の発展により、最近、高周波通信機器の重要な構成部品として注目されている高電子移動度電界効果型トランジスタ（以下ＨＥＭＴという）の特性の改善が種々試みられている。ＨＥＭＴは、ＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor) 、ＭＯＤＦＥＴ(Modulation Doped Transistor) 、またはＨＪＦＥＴ（Hetero-Junction Field Effect Transistor)などとも呼ばれており、ＨＥＭＴに用いられているエピタキシャル構造にあっては、電子を供給する電子供給層と電子が走行するチャネル層とが分離されてそれぞれの役割を担っており、チャネル層に蓄積された二次元電子ガスが高い電子移動度を持っている点に大きな特徴を有している。ＨＥＭＴを製造するために用いられるエピタキシャル基板は、ＭＯＣＶＤ法により、必要な電子特性を有するＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓの各結晶層を必要な構造でＧａＡｓ基板上に積層成長させることにより作製することができる。
【０００６】
これらの素子作製に用いる材料としては、任意の組成で格子定数を一致させることができ良好な結晶性を保ちつつ各種ヘテロ接合が可能であるとの理由で、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ系の材料も広く用いられてきているが、格子定数をＧａＡｓに一致させるようにＩｎ組成を選択することにより、ＩｎＧａＰの結晶層を成長させることも可能である。ここで、ＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＰは、Ｉｎの組成が０．４８２〜０．４８３、Ｇａの組成が０．５１８〜０．５１７であることが知られている。
【０００７】
また、３−５族化合物半導体材料としては、Ｉｎx Ｇａ(1-x) Ａｓ（ただし０＜ｘ＜１）が電子輸送特性に優れている上にＩｎ組成に応じてエネルギーギャップを大幅に変えることが可能であるため、ＨＥＭＴを製造する場合のヘテロ接合材料としては非常に好適である。しかしながら、Ｉｎx Ｇａ(1-x) Ａｓは、ＧａＡｓに対して格子整合が不可能であるため、従来は、Ｉｎx Ｇａ(1-x) Ａｓ層を用いて十分な物性を有するＨＥＭＴ用のエピタキシャル基板を得ることができなかった。
【０００８】
その後、技術の進展により、格子不整合の系であっても弾性変形の限界内であれば転位の発生など不都合な結晶性の低下を招くことなく、信頼性のあるヘテロ接合が形成可能であることがわかり、Ｉｎx Ｇａ(1-x) Ａｓをヘテロ接合材料として用いたエピタキシャル基板の実用化が図られてきている。このような格子不整合系での限界値は、組成及び膜厚の関数として与えられ、例えばＧａＡｓ層に対するＩｎＧａＡｓ層の系では、非特許文献１及び２に示される式が理論的に知られており、実験的にも概ね正しいことがわかっている。
【０００９】
このように特定の組成、膜厚の範囲内の歪み層を利用することにより、ＧａＡｓ基板を用いるＨＥＭＴ構造のエピタキシャル基板においても、ＩｎＧａＡｓ層をその一部に有するエピタキシャル基板の製造が可能となっている。例えば、通常の結晶成長条件下では、ｘ＝０．２０、膜厚１３ｎｍ程度のＩｎx Ｇａ(1-x) Ａｓ層を、結晶性の低下をきたすことなくエピタキシャル成長させることが可能であり、このようなＩｎx Ｇａ(1-x) Ａｓ層を、従来のＨＥＭＴの二次元電子の流れるチャネル層部分に用いた構造のエピタキシャル基板を利用して、従来にくらべ移動度が高く、雑音特性に優れた電子素子が作製されている。
【００１０】
Ｉｎx Ｇａ(1-x) Ａｓを歪み層として二次元電子の流れるチャネル層部分に用いたＨＥＭＴは、歪みチャネル高電子移動度電界効果型トランジスター（pseudomorphic-HEMT）と呼ばれている（以下、シュードモフィックＨＥＭＴという）。
【００１１】
また、上述のように、ＩｎＧａＰは、Ｉｎの組成を選択すれば、ＧａＡｓに格子整合が可能であるため、シュードモフィックＨＥＭＴにおいて、ＡｌＧａＡｓ層の替わりに、ＩｎＧａＰ層をその電子供給層、スペーサ層としてエピタキシャル成長することが可能である。ＩｎＧａＰは、ＡｌＧａＡｓに比べて、エピタキシャル成長時に不純物を取り込みにくく結晶純度を良好に保つことができ、また、ＡｌＧａＡｓのように、ｎ型層を形成する際にシリコンをドーピングしてもＤＸセンターと呼ばれる深い準位を形成しないという利点があるので、高性能のＨＥＭＴを得ることができる。また、ＩｎＧａＰは、ＡｌＧａＡｓにくらべて、エネルギーギャップが大きく、表面準位値が小さいため、電子素子作製時に有利であるという報告もある。
【００１２】
ＧａＡｓ基板上に、ＩｎＧａＰ層、ＩｎＧａＡｓ歪み層を含むシュードモフィックＨＥＭＴ構造を形成するために各種のエピタキシャル成長を行なう際には、形成すべき薄膜結晶層の膜厚を数ｎｍオーダーで精密に制御するための結晶成長制御が要求されるが、近年の技術改良の結果、膜厚制御性に優れるＭＢＥ法だけでなく、量産性に優れるＭＯＣＶＤ法でも膜厚制御を精度よく行うことができるので、十分、良好な特性のＨＥＭＴ用エピタキシャル基板が得られている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ＩｎＧａＰ層をシュードモフィックＨＥＭＴ構造の電子供給層あるいは電子供給層とスペーサ層に用いる場合、温度特性の向上等、電子素子の特性向上を図ることはできるものの、電子供給層から発生する二次元電子をＩｎＧａＡｓチャンネル層に効率良く閉じ込めることは困難であることがわかっている。そのため、二次元電子ガス濃度を増やして電子素子の電流値の向上を図ることや、電子移動度を上げて電子素子の立ち上がり抵抗を低減させる事が困難であった。
【００１４】
その理由は、ＩｎＧａＰのエネルギーバンドプロファイルが、Ａ１ＧａＡｓと異なること、すなわちＧａＡｓとＩｎＧａＰとには、エネルギーバンドの伝導帯の位置に差がないからであると考えられている。伝導帯の位置に差がなければ、電子供給層で発生した電子が効率よくＩｎＧａＡｓチャネル層に閉じ込められず、二次元電子ガス濃度及び電子移動度の低下を引き起こすことになるからである。この対策として、特許文献１には、チャネル層とＩｎＧａＰ電子供給層との間に、歪みＩｎＧａＰスペース層を挿入して、伝導帯の位置に差を付けることにより、二次元電子ガス濃度と電子移動度とを改善するようにした構成が開示されている。また、特許文献２には、チャネル層とＩｎＧａＰ電子供給層との間にＡｌＧａＡｓスペーサ層を挿入することにより、二次元電子ガス濃度と電子移動度とを改善するようにした構成が開示されている。
【００１５】
しかしながら、チャネル層にＩｎＧａＡｓ層を用い、電子供給層にｎ−ＡｌＧａＡｓ層を用い、チャネル層と電子供給層の間のスペーサ層としてｉ−ＡｌＧａＡｓ層を用いた、従来のＡｌＧａＡｓ系のシュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板で報告されている結果にくらべて、上述した特許文献１、２において開示されている構成のものは、いずれも、シュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、二次元電子ガス濃度と電子移動度との各値を高くすることにより、電子素子の特性を良好にできるという観点から考えると、電子移動度はまだ満足できる値に達していない。
【００１６】
例えば、電子移動度をさらに改善することによりオン抵抗を低下させ、これにより消費電力の低減を図ることができるので、携帯電話等の各種携帯機器に用いる場合には、より一層の改善が望まれるからである。また、低消費電力化により発熱量が削減できるので、さらなる高集積化により装置の小型化を図ることが可能になるので、この観点からも電子移動度のより一層の改善が望まれている。このように、ＩｎＧａＰを電子供給層、または電子供給層とスペーサ層とに用いたシュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、現在、報告されている値よりも、さらに改善された、高い二次元電子ガス濃度と高い電子移動度をあわせもつエピタキシャル基板が強く望まれている。
【００１７】
本発明の目的は、従って、上述の各種要求を満たすことができる、高電子移動度特性を有するシュードモフィックＨＥＭＴ構造を有する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。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行なってきた結果、ＩｎＧａＡｓチャネル層のＩｎ組成を大きくしてシュードモフィックＨＥＭＴ構造のエピタキシャル基板を成長すれば、ＩｎＧａＡｓ層及びＩｎＧａＰ層の各エネルギーバンドの伝導帯の位置に差を付けることができ、これまでに報告されたこのとのない高い電子移動度と高い二次元電子ガス濃度をあわせもつエピタキシャル基板を形成できることを見いだし、この知見に基づいて本発明をなすに至ったものである。
【００２０】
請求項１の発明によれば、ＧａＡｓ単結晶基板の上に形成され、ＩｎＧａＡｓ層をチャネル層とし、ｎ型不純物を含有するＩｎＧａＰ層をフロント側電子供給層とし、ｎ型不純物を含有するＡｌＧａＡｓ層をバック側電子供給層とし、前記チャネル層と前記フロント側電子供給層との間にアンドープＩｎＧａＰ層をフロント側スペーサ層として設けた歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスタ構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板において、夫々が前記チャネル層の対応する面に接するように前記チャネル層を挟んで積層されている膜厚が４ｎｍ以上の一対のアンドープＧａＡｓ層と、前記一対のアンドープＧａＡｓ層のうちバック側のアンドープＧａＡｓ層と接するように設けられたアンドープＡｌＧａＡｓ層とを備えており、前記一対のアンドープＧａＡｓ層のうちフロント側のアンドープＧａＡｓ層が前記フロント側スペーサ層に接しており、前記チャネル層を構成するＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が０．２５以上であり、前記チャネル層の室温（３００Ｋ）での電子移動度が８０００cm2 /V・s 以上であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板が提案される。
【００２１】
請求項２の発明によれば、ＧａＡｓ単結晶基板の上に形成され、ＩｎＧａＡｓ層をチャネル層、ｎ型不純物を含有するＩｎＧａＰ層をフロント側及びバック側電子供給層、アンドープＩｎＧａＰ層を前記チャネル層と前記フロント側電子供給層との間のフロント側スペーサ層、アンドープＩｎＧａＰ層を前記チャネル層と前記バック側電子供給層との間のバック側スペーサ層とする歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスタ構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板において、夫々が前記チャネル層の対応する面に接するように前記チャネル層を挟んで積層されている膜厚が４ｎｍ以上の一対のアンドープＧａＡｓ層を備えており、前記一対のアンドープＧａＡｓ層の夫々が前記スペーサ層のうちの対応している層に接しており、前記チャネル層を構成するＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が０．２５以上であり、前記チャネル層の室温（３００Ｋ）での電子移動度が８０００cm2 /V・s 以上であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板が提案される。
【００２５】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の一実施例につき詳細に説明する。ここで、実施例として示されているエピタキシャル基板の層構造は、エピタキシャル基板特性を測定するための構造であるが、実際のシュードモフィックＨＥＭＴ用エピタキシャル基板の層構造では、ｎ−ＧａＡｓ層、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層などの層がさらに積層された構造となる。しかし、そのような実際のシュードモフィックＨＥＭＴ用エピタキシャル基板の場合であっても、以下に説明する実施例についての特性と同じ特性を有することとなるのは明かである。
【００２６】
（応用例１）
図１は、本発明によるＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板の応用例１の断面構造を説明するための図である。図１において、１は結晶基板であるＧａＡｓ層、２〜５はいずれもＧａＡｓ層１上に形成されたバッファ層である。ここでは、バッファ層２〜５は、それぞれ２００ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層、２５０ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ層、２５０ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層、２００ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層として形成されている。
【００２７】
６は、４ｎｍ厚のｎ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層として形成され、ｎ型不純物を３×１０18／cm3 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６の上には、バック側スペーサ層７、８がこの順序で形成されている。ここでは、バック側スペーサ層７は３ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層、バック側スペーサ層８は５．５ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層となっている。９は二次元電子を流すため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−Ｉｎ0.30Ｇａ0.70Ａｓ層と成っている。
【００２８】
１０、１１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１０は５．５ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層として形成されており、フロント側スペーサ層１１は３ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層として形成されている。
【００２９】
１２はフロント側電子供給層で、６ｎｍ厚のｎ−Ｉｎ0.483 Ｇａ0.517 Ｐ層として形成され、ｎ型不純物が４×１０18／cm3 の濃度にドープされている。１３はアンドープ層で、３９．５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層として形成されている。
【００３０】
次に、図１に示した層構造のエピタキシャル基板の製造方法について説明する。初めに、高抵抗の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板の表面を、脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥した後、この単結晶基板を結晶成長炉の加熱台上にＧａＡｓ基板１として載置する。
【００３１】
ＧａＡｓ基板１上に形成すべきＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＰ層等は、次のようにしてＭＯＣＶＤ気相成長させる。炉内を十分、高純度水素で置換した後、加熱を開始し、適度な温度に安定したところで炉内に砒素原料を導入し、続いてガリウム原料を導入し、ＧａＡｓ層を成長する。また、ＡｌＧａＡｓ層を成長する際にはアルミニウム原料、ＩｎＧａＡｓ層を成長する際にはインジウム原料も導入する。また、ＩｎＧａＰ層を成長する際には燐原料に切り替えて成長を行なう。所定の時間と、各原料の供給を制御することにより、所望の積層構造を成長していく。最後に、各原料の供給を停止して結晶成長を停止し、冷却後、以上のように積層したエピタキシャル基板を炉内から取り出して結晶成長を完了する。結晶成長時の基板温度は、通常、およそ５００℃から８００℃である。
【００３２】
本発明おける高抵抗の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板は、ＬＥＣ（Liquid Encapsulated Czochralski ）法、ＶＢ（Vertical Bridgeman）法、ＶＧＦ（Vertical Gradient Freezing)法等で製造されたＧａＡｓ基板を用いることができ、１つの結晶学的面方位から、０．０５°乃至１０°程度の傾きをもった基板を用いることができる。
【００３３】
さらに、エピタキシャル成長時の原料として、有機金属および／または水素化物を用いることが好ましい。砒素原料としては、一般に三水素化砒素（アルシン）が用いられるが、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も使用することができる。燐原料としては、一般に三水素化燐（ホスフィン）が用いられるが、ホスフィ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ホスフィンも使用することができる。ガリウム、アルミニウム、およびインジウムの原料としては、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を、一般に用いることができる。
【００３４】
ｎ型ドーパントとしては、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。
【００３５】
以下、図１に示したエピタキシャル基板は、具体的には、以下に述べるようにして製造された。しかし、本発明をこれの一例に限定する趣旨ではない。
【００３６】
減圧バレル型ＭＯＣＶＤ炉を用い、図１に示した積層構造を、ＶＧＦ法半絶縁性ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長した。３族の原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およ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 ）およびホスフィン（ＰＨ3 ）を用いた。ｎ型ドーパントとしては、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）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、成長温度６５０℃、成長速度３〜１μm/hrの成長条件でエピタキシャル成長を行なった。
【００３７】
積層構造中のＩｎＧａＰ層は、ＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層に格子整合する条件で、Ｉｎ組成を調整し、エピタキシャル成長した。応用例１においては、ＩｎＧａＰ層のＩｎ組成は、０．４８３とした。また、応用例１の構造では、ＩｎＧａＰ層を、フロント側の電子供給層のみに用いてエピタキシャル成長した。
【００３８】
電子の走行するチャネル層９は、Ｉｎ組成０．３０、ＩｎＧａＡｓ層膜厚７．５ｎｍの歪みＩｎＧａＡｓ層を用いて、エピタキシャル成長した。
【００３９】
チャネル層９に用いたＩｎＧａＡｓ層の上下に接して、フロント側スペーサー層１０、及びバック側スペーサ層８として働くｉ−ＧａＡｓ層をそれぞれ５．５ｎｍ厚にしてエピタキシャル成長した。
【００４０】
上記のようにエピタキシャル成長した図１の応用例１の積層構造において、Van der Pauw法によるホール測定を行なった結果、チャネル層９において、室温（300K）での二次元電子ガス濃度が１．８１×１０12／ｃｍ2 、室温（300K）での電子移動度が８３６０ｃｍ2 ／Ｖ・ｓ、７７Kでの二次元電子ガス濃度が２．１３×１０12／ｃｍ2 、７７Ｋでの電子移動度が３３９００ｃｍ2 ／Ｖ・ｓと、これまでにない良好な値を得た。また、このときの構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１×１０15／ｃｍ3 となるときのピンチオフ電圧は−１．７４Ｖであった。
【００４１】
図１に示したエピタキシャル基板は以上のように形成されているので、バック側電子供給層６からバック側スペーサ層７、８を介してチャネル層９へ電子が供給されると共に、フロント側電子供給層１２からもフロント側スペーサ層１０、１１を介してチャネル層９へ電子が供給される。この結果チャネル層９には、高移動度の二次元電子ガスがフロント側とバック側とにそれぞれ形成される。ここで、チャネル層９は、Ｉｎ組成を０．２５以上の０．３として成長させたので、チャネル層９とフロント側電子供給層１２との各エネルギーバンドの伝導体の位置に差を付けることができ、チャネル層９内における二次元電子ガス濃度を高めることができる上に、二次元電子ガスの電子の二次元移動度を従来に比べて格段に向上させることができる。これまでの実験検討の結果、Ｉｎ組成を０．２５以上とすることにより、これまで報告されているｎ−ＩｎＧａＰ電子供給層ＨＥＭＴ構造の二次電子移動度を上回る値が得られることがわかった。
【００４２】
実際、図１に示したエピタキシャル基板は、チャネル層９におけるＩｎの組成０．２５以上とすることにより、二次元電子ガスの濃度を高めると共にチャネル層９内での電子の移動度を８０００cm2 /V・s 以上とすることができた。
【００４３】
また、種々の実験の結果、図１に示した構成で、チャネル層の上下に接するバック側スペーサ層８及びフロント側スペーサ層１０のＧａＡｓ層の膜厚は、４ｎｍ以上であれば、チャネル層９における電子の移動度を室温（３００Ｋ）で８０００cm2 /V・s とすることができることを確認した。
【００４４】
このように、チャネル層９での電子移動度を改善するための主要因はチャネル層９におけるＩｎ組成とその膜厚であると考えられるが、基板をＶＧＦ基板又はＶＢ基板とすることにより電子移動度をより改善することができることも見出した。
【００４５】
（実施例１）
図２に示した層構造のエピタキシャル基板を応用例１の場合と同様に、ＭＯＣＶＤ法により作製した。図２に示したエピタキシャル基板において、２１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、２２〜２５はバッファ層、２６はバック側電子供給層、２７〜２８はバック側スペーサ層、２９はチャネル層、３０〜３１はフロント側スペーサ層、３２はフロント側電子供給層、３３はアンドープＡｌＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図２中に示した通りである。
【００４６】
図１と図２とを比較して判るように、実施例１では、フロント側スペーサ層３１をＩｎ組成０．４８３、膜厚３ｎｍのｉ−ＩｎＧａＰ層として形成した点で応用例１と異なっている。その他の各層の形成については応用例１の場合と同様である。
【００４７】
このようにして得られたエピタキシャル基板について、Van der Pauw法によるホール測定を行なった結果、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が１．８９×１０12／cm2 、チャネル層２９において、室温（３００Ｋ）での電子移動度が８６３０cm2 /V・s 、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．１６×１０12／cm2 、７７Ｋでの電子移動度が３２０００cm2 /V・s と、これまでにない良好な値を得た。また、上述の構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１×１０15／cm3 となるときのピンチオフ電圧は、−１．８０Ｖであった。
【００４８】
（実施例２）
図３に示した層構造のエピタキシャル基板を応用例１の場合と同様に、ＭＯＣＶＤ法により作製した。図３に示したエピタキシャル基板において、４１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、４２〜４５はバッファ層、４６はバック側電子供給層、４７〜４８はバック側スペーサ層、４９はチャネル層、５０〜５１はフロント側スペーサ層、５２はフロント側電子供給層、５３はアンドープＡｌＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図２中に示した通りである。
【００４９】
図１と図３とを比較して判るように、実施例２では、フロント側スペーサ層５１及びバック側スペーサ層４７及びバック側電子供給層４６を、それぞれＩｎ組成０．４８３、膜厚３ｎｍのＩｎＧａＰ層として形成した点で応用例１と異なっている。その他の各層の形成については応用例１の場合と同様である。
【００５０】
このようにして得られたエピタキシャル基板について、Van der Pauw法によるホール測定を行なった結果、チャネル層４９において、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が１．８９×１０12／cm2 、室温（３００Ｋ）での電子移動度が８０１０cm2 /V・s 、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．１２×１０12／cm2 、７７Ｋでの電子移動度が３４２００cm2 /V・s と、これまでにない良好な値を得た。また、上述の構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１×１０15／cm3 となるときのピンチオフ電圧は、−２．２０Ｖであった。
【００５１】
（比較例１）
図１に示した応用例１のシュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、チャネル層９に用いられるＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成及びその膜厚と、チャネル層９の上下に積層されるｉ−ＧａＡｓ層１０、８の膜厚だけを変えた図４に示す構造のエピタキシャル基板を、比較例１として、応用例１と同様にＭＯＣＶＤ法を用いて作製した。図４に示したエピタキシャル基板において、６１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、６２〜６５はバッファ層、６６はバック側電子供給層、６７〜６８はバック側スペーサ層、６９はチャネル層、７０、７１はフロント側スペーサ層、７２はフロント側電子供給層、７３はアンドープＡｌＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図４中に示した通りである。
【００５２】
図４の比較例１では、チャネル層６９のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を０．１９、膜厚を１４．０ｎｍとし、チャネル層６９の上下には、バック側スペーサ層６８、フロント側スペーサ層７０をｉ−ＧａＡｓ層として各２．０ｎｍずつ、エピタキシャル成長した。この比較例１の構造は、従来からよく知られたシュードモフィックＨＥＭＴ構造である。この比較例１は、応用例１の成長条件と同様の条件で各層をエピタキシャル成長させて作製した。
【００５３】
比較例１のエピタキシャル基板について、Ｖａｎ Ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定を行なった結果、チャネル層６９において、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度１．７７Ｅ１２／ｃｍ2 、室温（３００Ｋ）での電子移動度７１００ｃｍ2 ／Ｖ・ｓ、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度２．０６Ｅ１２／ｃｍ2 、７７Ｋでの電子移動度２２５００ｃｍ2 ／Ｖ・ｓと、従来から報告されている程度の値しか得られなかった。また、このときの構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１Ｅ１５ｃｍ3 となるときのピンチオフ電圧は、−１．７２Ｖであった。
【００５４】
（比較例２）
図２に示した実施例１のシュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、チャネル層２９に用いられるＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成及びその膜厚と、チャネル層２９の上下に積層されるｉ−ＧａＡｓ層２８、３０の膜厚だけを変えた図５に示す構造のエピタキシャル基板を、比較例２として、実施例１と同様にＭＯＣＶＤ法を用いて作製した。図５に示したエピタキシャル基板において、８１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、８２〜８５はバッファ層、８６はバック側電子供給層、８７〜８８はバック側スペーサ層、８９はチャネル層、９０、９１はフロント側スペーサ層、９２はフロント側電子供給層、９３はアンドープＡｌＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図５中に示した通りである。
【００５５】
図５の比較例２では、チャネル層８９のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を０．１９、膜厚を１４．０ｎｍとし、チャネル層６９の上下には、バック側スペーサ層８８、フロント側スペーサ層９０をｉ−ＧａＡｓ層として各２．０ｎｍずつ、エピタキシャル成長した。この比較例２は、実施例１の成長条件と同様の条件で各層をエピタキシャル成長させて作製した。
【００５６】
比較例１のエピタキシャル基板について、Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定を行なった結果、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度１．８５Ｅ１２／ｃｍ2 、室温（３００Ｋ）での電子移動度７０３０ｃｍ2 ／Ｖ・ｓ、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度２．１９Ｅ１２／ｃｍ2 、７７Ｋでの電子移動度２０８００ｃｍ2 ／Ｖ・ｓと、従来から報告されている程度の値しか得られなかった。また、このときの構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１Ｅ１５ｃｍ3 となるときのピンチオフ電圧は、−１．８０Ｖであった。
【００５７】
（比較例３）
図３に示した実施例２のシュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、チャネル層４９に用いられるＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成及びその膜厚と、チャネル層４９の上下に積層されるｉ−ＧａＡｓ層４８、５０の膜厚だけを変えた図６に示す構造のエピタキシャル基板を、比較例３として、実施例２と同様にＭＯＣＶＤ法を用いて作製した。図６に示したエピタキシャル基板において、１０１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、１０２〜１０５はバッファ層、１０６はバック側電子供給層、１０７〜１０８はバック側スペーサ層、１０９はチャネル層、１１０、１０１はフロント側スペーサ層、１０２はフロント側電子供給層、１０３はアンドープＡｌＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図６中に示した通りである。
【００５８】
図６の比較例３では、チャネル層１０９のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を０．１９、膜厚を１４．０ｎｍとし、チャネル層１０９の上下には、バック側スペーサ層１０８、フロント側スペーサ層１１０をｉ−ＧａＡｓ層として各２．０ｎｍずつ、エピタキシャル成長した。この比較例３は、実施例２の成長条件と同様の条件で各層をエピタキシャル成長させて作製した。
【００５９】
比較例３のエピタキシャル基板について、Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定を行なった結果、チャネル層１０９において、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が１．９９Ｅ１２／ｃｍ2 、室温（３００Ｋ）での電子移動度が５６２０ｃｍ2 ／Ｖ・ｓ、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．１６Ｅ１２／ｃｍ2 、７７Ｋでの電子移動度が１３９００ｃｍ2 ／Ｖ・ｓと、低い値しか得られなかった。また、このときの構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１Ｅ１５ｃｍ3 となるときのピンチオフ電圧は、−２．１９Ｖであった。
【００６０】
このように、応用上においても、電子移動度と密接に相関する電子速度に支配される、数＋ＧＨｚ以上の超高周波帯の各種高速デバイスにも、電子素子作製時に有利なＩｎＧａＰ電子供給層、ＩｎＧａＰスペーサ層を用いたＧａＡｓ基板上Ｐ−ＨＥＭＴを用いる可能性を拓いたという点で、多大なるメリットをもたらすものである。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、電子素子作製時にも有利となるような、これまでに報告されたことのない良好な特性を有するシュードモフィック（歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスター）構造エピタキシャル基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の応用例１に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図２】本発明の実施例１に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図３】本発明の実施例２に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図４】本発明の比較例１に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図５】本発明の比較例２に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図６】本発明の比較例３に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【符号の説明】
１、２１、４１、６１、８１、１０１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
２〜５、２２〜２５、４２〜４５、６２〜６５、８２〜８５、１０２〜１０５ バッファ層
６、２６、４６、６６、８６、１０６ バック側電子供給層
７〜８、２７〜２８、４７〜４８、６７〜６８、８７〜８８、１０７〜１０８ バック側スペーサ層
９、２９、４９、６９、８９、１０９ チャネル層
１０〜１１、３０〜３１、５０〜５１、７０〜７１、９０〜９１、１１０〜１１１ フロント側スペーサ層
１２、３２、５２、７２、９２、１１２ フロント側電子供給層
１３、３３、５３、７３、９３、１１３ アンドープＡｌＧａＡｓ層
【特許文献１】
第３２２４４３７号特許公報
【特許文献２】
第２９９４８６３号特許公報
【非特許文献１】
J. Crystal Growth, 27(1974)p.118
【非特許文献２】
J. Crystal Growth, 32(1974)p.265
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３−５族化合物半導体よりなる、高電子移動度トランジスタ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ものである。
【０００３】
【従来の技術】
近年、ＧａＡｓを中心とする３−５族化合物半導体を用いた電子素子は、超高速、高周波動作が可能であるという特長を生かして、飛躍的な発達を遂げ、その後も着実な進展を見せている。化合物半導体を用いた電子素子を作製する場合には、従来、単結晶基板上に、イオン注入法、拡散法、あるいはエピタキシャル成長法などの各種手法を用いて、必要な特性を有する薄膜結晶層を作製することを行なっている。上記の各種手法の中でも、エピタキシャル成長法は、不純物量の制御のみならず結晶の組成や膜厚などをきわめて広い範囲でかつ精密に制御可能であるため、広く用いられるようになっている。
【０００４】
このような目的で用いられるエピタキシャル成長法としては、液相法、気相法、および真空蒸着法の一種である分子線エピタキシャル成長法（以下ＭＢＥ法という）などが知られているが、気相法は大量の基板を制御性よく処理可能なため、工業的に広く用いられている方法である。特に、エピタキシャル層を構成する原子種の有機金属化合物または水素化物を原料として用い、基板上で熱分解させて結晶成長を行なう有機金属熱分解法（以下ＭＯＣＶＤ法という）は、適用可能な物質の範囲が広く、また結晶の組成、膜厚の精密な制御に適しているために、近年、広く用いられるようになっている。
【０００５】
このような製造技術の発展により、最近、高周波通信機器の重要な構成部品として注目されている高電子移動度電界効果型トランジスタ（以下ＨＥＭＴという）の特性の改善が種々試みられている。ＨＥＭＴは、ＨＥＭＴ(High Electron Mobility Transistor) 、ＭＯＤＦＥＴ(Modulation Doped Transistor) 、またはＨＪＦＥＴ（Hetero-Junction Field Effect Transistor)などとも呼ばれており、ＨＥＭＴに用いられているエピタキシャル構造にあっては、電子を供給する電子供給層と電子が走行するチャネル層とが分離されてそれぞれの役割を担っており、チャネル層に蓄積された二次元電子ガスが高い電子移動度を持っている点に大きな特徴を有している。ＨＥＭＴを製造するために用いられるエピタキシャル基板は、ＭＯＣＶＤ法により、必要な電子特性を有するＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓの各結晶層を必要な構造でＧａＡｓ基板上に積層成長させることにより作製することができる。
【０００６】
これらの素子作製に用いる材料としては、任意の組成で格子定数を一致させることができ良好な結晶性を保ちつつ各種ヘテロ接合が可能であるとの理由で、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ系の材料も広く用いられてきているが、格子定数をＧａＡｓに一致させるようにＩｎ組成を選択することにより、ＩｎＧａＰの結晶層を成長させることも可能である。ここで、ＧａＡｓに格子整合するＩｎＧａＰは、Ｉｎの組成が０．４８２〜０．４８３、Ｇａの組成が０．５１８〜０．５１７であることが知られている。
【０００７】
また、３−５族化合物半導体材料としては、Ｉｎx Ｇａ(1-x) Ａｓ（ただし０＜ｘ＜１）が電子輸送特性に優れている上にＩｎ組成に応じてエネルギーギャップを大幅に変えることが可能であるため、ＨＥＭＴを製造する場合のヘテロ接合材料としては非常に好適である。しかしながら、Ｉｎx Ｇａ(1-x) Ａｓは、ＧａＡｓに対して格子整合が不可能であるため、従来は、Ｉｎx Ｇａ(1-x) Ａｓ層を用いて十分な物性を有するＨＥＭＴ用のエピタキシャル基板を得ることができなかった。
【０００８】
その後、技術の進展により、格子不整合の系であっても弾性変形の限界内であれば転位の発生など不都合な結晶性の低下を招くことなく、信頼性のあるヘテロ接合が形成可能であることがわかり、Ｉｎx Ｇａ(1-x) Ａｓをヘテロ接合材料として用いたエピタキシャル基板の実用化が図られてきている。このような格子不整合系での限界値は、組成及び膜厚の関数として与えられ、例えばＧａＡｓ層に対するＩｎＧａＡｓ層の系では、非特許文献１及び２に示される式が理論的に知られており、実験的にも概ね正しいことがわかっている。
【０００９】
このように特定の組成、膜厚の範囲内の歪み層を利用することにより、ＧａＡｓ基板を用いるＨＥＭＴ構造のエピタキシャル基板においても、ＩｎＧａＡｓ層をその一部に有するエピタキシャル基板の製造が可能となっている。例えば、通常の結晶成長条件下では、ｘ＝０．２０、膜厚１３ｎｍ程度のＩｎx Ｇａ(1-x) Ａｓ層を、結晶性の低下をきたすことなくエピタキシャル成長させることが可能であり、このようなＩｎx Ｇａ(1-x) Ａｓ層を、従来のＨＥＭＴの二次元電子の流れるチャネル層部分に用いた構造のエピタキシャル基板を利用して、従来にくらべ移動度が高く、雑音特性に優れた電子素子が作製されている。
【００１０】
Ｉｎx Ｇａ(1-x) Ａｓを歪み層として二次元電子の流れるチャネル層部分に用いたＨＥＭＴは、歪みチャネル高電子移動度電界効果型トランジスター（pseudomorphic-HEMT）と呼ばれている（以下、シュードモフィックＨＥＭＴという）。
【００１１】
また、上述のように、ＩｎＧａＰは、Ｉｎの組成を選択すれば、ＧａＡｓに格子整合が可能であるため、シュードモフィックＨＥＭＴにおいて、ＡｌＧａＡｓ層の替わりに、ＩｎＧａＰ層をその電子供給層、スペーサ層としてエピタキシャル成長することが可能である。ＩｎＧａＰは、ＡｌＧａＡｓに比べて、エピタキシャル成長時に不純物を取り込みにくく結晶純度を良好に保つことができ、また、ＡｌＧａＡｓのように、ｎ型層を形成する際にシリコンをドーピングしてもＤＸセンターと呼ばれる深い準位を形成しないという利点があるので、高性能のＨＥＭＴを得ることができる。また、ＩｎＧａＰは、ＡｌＧａＡｓにくらべて、エネルギーギャップが大きく、表面準位値が小さいため、電子素子作製時に有利であるという報告もある。
【００１２】
ＧａＡｓ基板上に、ＩｎＧａＰ層、ＩｎＧａＡｓ歪み層を含むシュードモフィックＨＥＭＴ構造を形成するために各種のエピタキシャル成長を行なう際には、形成すべき薄膜結晶層の膜厚を数ｎｍオーダーで精密に制御するための結晶成長制御が要求されるが、近年の技術改良の結果、膜厚制御性に優れるＭＢＥ法だけでなく、量産性に優れるＭＯＣＶＤ法でも膜厚制御を精度よく行うことができるので、十分、良好な特性のＨＥＭＴ用エピタキシャル基板が得られている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ＩｎＧａＰ層をシュードモフィックＨＥＭＴ構造の電子供給層あるいは電子供給層とスペーサ層に用いる場合、温度特性の向上等、電子素子の特性向上を図ることはできるものの、電子供給層から発生する二次元電子をＩｎＧａＡｓチャンネル層に効率良く閉じ込めることは困難であることがわかっている。そのため、二次元電子ガス濃度を増やして電子素子の電流値の向上を図ることや、電子移動度を上げて電子素子の立ち上がり抵抗を低減させる事が困難であった。
【００１４】
その理由は、ＩｎＧａＰのエネルギーバンドプロファイルが、Ａ１ＧａＡｓと異なること、すなわちＧａＡｓとＩｎＧａＰとには、エネルギーバンドの伝導帯の位置に差がないからであると考えられている。伝導帯の位置に差がなければ、電子供給層で発生した電子が効率よくＩｎＧａＡｓチャネル層に閉じ込められず、二次元電子ガス濃度及び電子移動度の低下を引き起こすことになるからである。この対策として、特許文献１には、チャネル層とＩｎＧａＰ電子供給層との間に、歪みＩｎＧａＰスペース層を挿入して、伝導帯の位置に差を付けることにより、二次元電子ガス濃度と電子移動度とを改善するようにした構成が開示されている。また、特許文献２には、チャネル層とＩｎＧａＰ電子供給層との間にＡｌＧａＡｓスペーサ層を挿入することにより、二次元電子ガス濃度と電子移動度とを改善するようにした構成が開示されている。
【００１５】
しかしながら、チャネル層にＩｎＧａＡｓ層を用い、電子供給層にｎ−ＡｌＧａＡｓ層を用い、チャネル層と電子供給層の間のスペーサ層としてｉ−ＡｌＧａＡｓ層を用いた、従来のＡｌＧａＡｓ系のシュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板で報告されている結果にくらべて、上述した特許文献１、２において開示されている構成のものは、いずれも、シュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、二次元電子ガス濃度と電子移動度との各値を高くすることにより、電子素子の特性を良好にできるという観点から考えると、電子移動度はまだ満足できる値に達していない。
【００１６】
例えば、電子移動度をさらに改善することによりオン抵抗を低下させ、これにより消費電力の低減を図ることができるので、携帯電話等の各種携帯機器に用いる場合には、より一層の改善が望まれるからである。また、低消費電力化により発熱量が削減できるので、さらなる高集積化により装置の小型化を図ることが可能になるので、この観点からも電子移動度のより一層の改善が望まれている。このように、ＩｎＧａＰを電子供給層、または電子供給層とスペーサ層とに用いたシュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、現在、報告されている値よりも、さらに改善された、高い二次元電子ガス濃度と高い電子移動度をあわせもつエピタキシャル基板が強く望まれている。
【００１７】
本発明の目的は、従って、上述の各種要求を満たすことができる、高電子移動度特性を有するシュードモフィックＨＥＭＴ構造を有する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。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行なってきた結果、ＩｎＧａＡｓチャネル層のＩｎ組成を大きくしてシュードモフィックＨＥＭＴ構造のエピタキシャル基板を成長すれば、ＩｎＧａＡｓ層及びＩｎＧａＰ層の各エネルギーバンドの伝導帯の位置に差を付けることができ、これまでに報告されたこのとのない高い電子移動度と高い二次元電子ガス濃度をあわせもつエピタキシャル基板を形成できることを見いだし、この知見に基づいて本発明をなすに至ったものである。
【００２０】
請求項１の発明によれば、ＧａＡｓ単結晶基板の上に形成され、ＩｎＧａＡｓ層をチャネル層とし、ｎ型不純物を含有するＩｎＧａＰ層をフロント側電子供給層とし、ｎ型不純物を含有するＡｌＧａＡｓ層をバック側電子供給層とし、前記チャネル層と前記フロント側電子供給層との間にアンドープＩｎＧａＰ層をフロント側スペーサ層として設けた歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスタ構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板において、夫々が前記チャネル層の対応する面に接するように前記チャネル層を挟んで積層されている膜厚が４ｎｍ以上の一対のアンドープＧａＡｓ層と、前記一対のアンドープＧａＡｓ層のうちバック側のアンドープＧａＡｓ層と接するように設けられたアンドープＡｌＧａＡｓ層とを備えており、前記一対のアンドープＧａＡｓ層のうちフロント側のアンドープＧａＡｓ層が前記フロント側スペーサ層に接しており、前記チャネル層を構成するＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が０．２５以上であり、前記チャネル層の室温（３００Ｋ）での電子移動度が８０００cm2 /V・s 以上であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板が提案される。
【００２１】
請求項２の発明によれば、ＧａＡｓ単結晶基板の上に形成され、ＩｎＧａＡｓ層をチャネル層、ｎ型不純物を含有するＩｎＧａＰ層をフロント側及びバック側電子供給層、アンドープＩｎＧａＰ層を前記チャネル層と前記フロント側電子供給層との間のフロント側スペーサ層、アンドープＩｎＧａＰ層を前記チャネル層と前記バック側電子供給層との間のバック側スペーサ層とする歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスタ構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板において、夫々が前記チャネル層の対応する面に接するように前記チャネル層を挟んで積層されている膜厚が４ｎｍ以上の一対のアンドープＧａＡｓ層を備えており、前記一対のアンドープＧａＡｓ層の夫々が前記スペーサ層のうちの対応している層に接しており、前記チャネル層を構成するＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が０．２５以上であり、前記チャネル層の室温（３００Ｋ）での電子移動度が８０００cm2 /V・s 以上であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板が提案される。
【００２５】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の一実施例につき詳細に説明する。ここで、実施例として示されているエピタキシャル基板の層構造は、エピタキシャル基板特性を測定するための構造であるが、実際のシュードモフィックＨＥＭＴ用エピタキシャル基板の層構造では、ｎ−ＧａＡｓ層、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層などの層がさらに積層された構造となる。しかし、そのような実際のシュードモフィックＨＥＭＴ用エピタキシャル基板の場合であっても、以下に説明する実施例についての特性と同じ特性を有することとなるのは明かである。
【００２６】
（応用例１）
図１は、本発明によるＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板の応用例１の断面構造を説明するための図である。図１において、１は結晶基板であるＧａＡｓ層、２〜５はいずれもＧａＡｓ層１上に形成されたバッファ層である。ここでは、バッファ層２〜５は、それぞれ２００ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層、２５０ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ層、２５０ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層、２００ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層として形成されている。
【００２７】
６は、４ｎｍ厚のｎ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層として形成され、ｎ型不純物を３×１０18／cm3 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６の上には、バック側スペーサ層７、８がこの順序で形成されている。ここでは、バック側スペーサ層７は３ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層、バック側スペーサ層８は５．５ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層となっている。９は二次元電子を流すため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−Ｉｎ0.30Ｇａ0.70Ａｓ層と成っている。
【００２８】
１０、１１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１０は５．５ｎｍ厚のｉ−ＧａＡｓ層として形成されており、フロント側スペーサ層１１は３ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層として形成されている。
【００２９】
１２はフロント側電子供給層で、６ｎｍ厚のｎ−Ｉｎ0.483 Ｇａ0.517 Ｐ層として形成され、ｎ型不純物が４×１０18／cm3 の濃度にドープされている。１３はアンドープ層で、３９．５ｎｍ厚のｉ−Ａｌ0.20Ｇａ0.80Ａｓ層として形成されている。
【００３０】
次に、図１に示した層構造のエピタキシャル基板の製造方法について説明する。初めに、高抵抗の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板の表面を、脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥した後、この単結晶基板を結晶成長炉の加熱台上にＧａＡｓ基板１として載置する。
【００３１】
ＧａＡｓ基板１上に形成すべきＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓ層、ＩｎＧａＰ層等は、次のようにしてＭＯＣＶＤ気相成長させる。炉内を十分、高純度水素で置換した後、加熱を開始し、適度な温度に安定したところで炉内に砒素原料を導入し、続いてガリウム原料を導入し、ＧａＡｓ層を成長する。また、ＡｌＧａＡｓ層を成長する際にはアルミニウム原料、ＩｎＧａＡｓ層を成長する際にはインジウム原料も導入する。また、ＩｎＧａＰ層を成長する際には燐原料に切り替えて成長を行なう。所定の時間と、各原料の供給を制御することにより、所望の積層構造を成長していく。最後に、各原料の供給を停止して結晶成長を停止し、冷却後、以上のように積層したエピタキシャル基板を炉内から取り出して結晶成長を完了する。結晶成長時の基板温度は、通常、およそ５００℃から８００℃である。
【００３２】
本発明おける高抵抗の半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板は、ＬＥＣ（Liquid Encapsulated Czochralski ）法、ＶＢ（Vertical Bridgeman）法、ＶＧＦ（Vertical Gradient Freezing)法等で製造されたＧａＡｓ基板を用いることができ、１つの結晶学的面方位から、０．０５°乃至１０°程度の傾きをもった基板を用いることができる。
【００３３】
さらに、エピタキシャル成長時の原料として、有機金属および／または水素化物を用いることが好ましい。砒素原料としては、一般に三水素化砒素（アルシン）が用いられるが、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も使用することができる。燐原料としては、一般に三水素化燐（ホスフィン）が用いられるが、ホスフィ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ホスフィンも使用することができる。ガリウム、アルミニウム、およびインジウムの原料としては、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を、一般に用いることができる。
【００３４】
ｎ型ドーパントとしては、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。
【００３５】
以下、図１に示したエピタキシャル基板は、具体的には、以下に述べるようにして製造された。しかし、本発明をこれの一例に限定する趣旨ではない。
【００３６】
減圧バレル型ＭＯＣＶＤ炉を用い、図１に示した積層構造を、ＶＧＦ法半絶縁性ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長した。３族の原料としては、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）およ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 ）およびホスフィン（ＰＨ3 ）を用いた。ｎ型ドーパントとしては、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）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、成長温度６５０℃、成長速度３〜１μm/hrの成長条件でエピタキシャル成長を行なった。
【００３７】
積層構造中のＩｎＧａＰ層は、ＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層に格子整合する条件で、Ｉｎ組成を調整し、エピタキシャル成長した。応用例１においては、ＩｎＧａＰ層のＩｎ組成は、０．４８３とした。また、応用例１の構造では、ＩｎＧａＰ層を、フロント側の電子供給層のみに用いてエピタキシャル成長した。
【００３８】
電子の走行するチャネル層９は、Ｉｎ組成０．３０、ＩｎＧａＡｓ層膜厚７．５ｎｍの歪みＩｎＧａＡｓ層を用いて、エピタキシャル成長した。
【００３９】
チャネル層９に用いたＩｎＧａＡｓ層の上下に接して、フロント側スペーサー層１０、及びバック側スペーサ層８として働くｉ−ＧａＡｓ層をそれぞれ５．５ｎｍ厚にしてエピタキシャル成長した。
【００４０】
上記のようにエピタキシャル成長した図１の応用例１の積層構造において、Van der Pauw法によるホール測定を行なった結果、チャネル層９において、室温（300K）での二次元電子ガス濃度が１．８１×１０12／ｃｍ2 、室温（300K）での電子移動度が８３６０ｃｍ2 ／Ｖ・ｓ、７７Kでの二次元電子ガス濃度が２．１３×１０12／ｃｍ2 、７７Ｋでの電子移動度が３３９００ｃｍ2 ／Ｖ・ｓと、これまでにない良好な値を得た。また、このときの構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１×１０15／ｃｍ3 となるときのピンチオフ電圧は−１．７４Ｖであった。
【００４１】
図１に示したエピタキシャル基板は以上のように形成されているので、バック側電子供給層６からバック側スペーサ層７、８を介してチャネル層９へ電子が供給されると共に、フロント側電子供給層１２からもフロント側スペーサ層１０、１１を介してチャネル層９へ電子が供給される。この結果チャネル層９には、高移動度の二次元電子ガスがフロント側とバック側とにそれぞれ形成される。ここで、チャネル層９は、Ｉｎ組成を０．２５以上の０．３として成長させたので、チャネル層９とフロント側電子供給層１２との各エネルギーバンドの伝導体の位置に差を付けることができ、チャネル層９内における二次元電子ガス濃度を高めることができる上に、二次元電子ガスの電子の二次元移動度を従来に比べて格段に向上させることができる。これまでの実験検討の結果、Ｉｎ組成を０．２５以上とすることにより、これまで報告されているｎ−ＩｎＧａＰ電子供給層ＨＥＭＴ構造の二次電子移動度を上回る値が得られることがわかった。
【００４２】
実際、図１に示したエピタキシャル基板は、チャネル層９におけるＩｎの組成０．２５以上とすることにより、二次元電子ガスの濃度を高めると共にチャネル層９内での電子の移動度を８０００cm2 /V・s 以上とすることができた。
【００４３】
また、種々の実験の結果、図１に示した構成で、チャネル層の上下に接するバック側スペーサ層８及びフロント側スペーサ層１０のＧａＡｓ層の膜厚は、４ｎｍ以上であれば、チャネル層９における電子の移動度を室温（３００Ｋ）で８０００cm2 /V・s とすることができることを確認した。
【００４４】
このように、チャネル層９での電子移動度を改善するための主要因はチャネル層９におけるＩｎ組成とその膜厚であると考えられるが、基板をＶＧＦ基板又はＶＢ基板とすることにより電子移動度をより改善することができることも見出した。
【００４５】
（実施例１）
図２に示した層構造のエピタキシャル基板を応用例１の場合と同様に、ＭＯＣＶＤ法により作製した。図２に示したエピタキシャル基板において、２１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、２２〜２５はバッファ層、２６はバック側電子供給層、２７〜２８はバック側スペーサ層、２９はチャネル層、３０〜３１はフロント側スペーサ層、３２はフロント側電子供給層、３３はアンドープＡｌＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図２中に示した通りである。
【００４６】
図１と図２とを比較して判るように、実施例１では、フロント側スペーサ層３１をＩｎ組成０．４８３、膜厚３ｎｍのｉ−ＩｎＧａＰ層として形成した点で応用例１と異なっている。その他の各層の形成については応用例１の場合と同様である。
【００４７】
このようにして得られたエピタキシャル基板について、Van der Pauw法によるホール測定を行なった結果、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が１．８９×１０12／cm2 、チャネル層２９において、室温（３００Ｋ）での電子移動度が８６３０cm2 /V・s 、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．１６×１０12／cm2 、７７Ｋでの電子移動度が３２０００cm2 /V・s と、これまでにない良好な値を得た。また、上述の構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１×１０15／cm3 となるときのピンチオフ電圧は、−１．８０Ｖであった。
【００４８】
（実施例２）
図３に示した層構造のエピタキシャル基板を応用例１の場合と同様に、ＭＯＣＶＤ法により作製した。図３に示したエピタキシャル基板において、４１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、４２〜４５はバッファ層、４６はバック側電子供給層、４７〜４８はバック側スペーサ層、４９はチャネル層、５０〜５１はフロント側スペーサ層、５２はフロント側電子供給層、５３はアンドープＡｌＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図２中に示した通りである。
【００４９】
図１と図３とを比較して判るように、実施例２では、フロント側スペーサ層５１及びバック側スペーサ層４７及びバック側電子供給層４６を、それぞれＩｎ組成０．４８３、膜厚３ｎｍのＩｎＧａＰ層として形成した点で応用例１と異なっている。その他の各層の形成については応用例１の場合と同様である。
【００５０】
このようにして得られたエピタキシャル基板について、Van der Pauw法によるホール測定を行なった結果、チャネル層４９において、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が１．８９×１０12／cm2 、室温（３００Ｋ）での電子移動度が８０１０cm2 /V・s 、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．１２×１０12／cm2 、７７Ｋでの電子移動度が３４２００cm2 /V・s と、これまでにない良好な値を得た。また、上述の構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１×１０15／cm3 となるときのピンチオフ電圧は、−２．２０Ｖであった。
【００５１】
（比較例１）
図１に示した応用例１のシュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、チャネル層９に用いられるＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成及びその膜厚と、チャネル層９の上下に積層されるｉ−ＧａＡｓ層１０、８の膜厚だけを変えた図４に示す構造のエピタキシャル基板を、比較例１として、応用例１と同様にＭＯＣＶＤ法を用いて作製した。図４に示したエピタキシャル基板において、６１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、６２〜６５はバッファ層、６６はバック側電子供給層、６７〜６８はバック側スペーサ層、６９はチャネル層、７０、７１はフロント側スペーサ層、７２はフロント側電子供給層、７３はアンドープＡｌＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図４中に示した通りである。
【００５２】
図４の比較例１では、チャネル層６９のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を０．１９、膜厚を１４．０ｎｍとし、チャネル層６９の上下には、バック側スペーサ層６８、フロント側スペーサ層７０をｉ−ＧａＡｓ層として各２．０ｎｍずつ、エピタキシャル成長した。この比較例１の構造は、従来からよく知られたシュードモフィックＨＥＭＴ構造である。この比較例１は、応用例１の成長条件と同様の条件で各層をエピタキシャル成長させて作製した。
【００５３】
比較例１のエピタキシャル基板について、Ｖａｎ Ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定を行なった結果、チャネル層６９において、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度１．７７Ｅ１２／ｃｍ2 、室温（３００Ｋ）での電子移動度７１００ｃｍ2 ／Ｖ・ｓ、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度２．０６Ｅ１２／ｃｍ2 、７７Ｋでの電子移動度２２５００ｃｍ2 ／Ｖ・ｓと、従来から報告されている程度の値しか得られなかった。また、このときの構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１Ｅ１５ｃｍ3 となるときのピンチオフ電圧は、−１．７２Ｖであった。
【００５４】
（比較例２）
図２に示した実施例１のシュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、チャネル層２９に用いられるＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成及びその膜厚と、チャネル層２９の上下に積層されるｉ−ＧａＡｓ層２８、３０の膜厚だけを変えた図５に示す構造のエピタキシャル基板を、比較例２として、実施例１と同様にＭＯＣＶＤ法を用いて作製した。図５に示したエピタキシャル基板において、８１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、８２〜８５はバッファ層、８６はバック側電子供給層、８７〜８８はバック側スペーサ層、８９はチャネル層、９０、９１はフロント側スペーサ層、９２はフロント側電子供給層、９３はアンドープＡｌＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図５中に示した通りである。
【００５５】
図５の比較例２では、チャネル層８９のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を０．１９、膜厚を１４．０ｎｍとし、チャネル層６９の上下には、バック側スペーサ層８８、フロント側スペーサ層９０をｉ−ＧａＡｓ層として各２．０ｎｍずつ、エピタキシャル成長した。この比較例２は、実施例１の成長条件と同様の条件で各層をエピタキシャル成長させて作製した。
【００５６】
比較例１のエピタキシャル基板について、Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定を行なった結果、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度１．８５Ｅ１２／ｃｍ2 、室温（３００Ｋ）での電子移動度７０３０ｃｍ2 ／Ｖ・ｓ、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度２．１９Ｅ１２／ｃｍ2 、７７Ｋでの電子移動度２０８００ｃｍ2 ／Ｖ・ｓと、従来から報告されている程度の値しか得られなかった。また、このときの構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１Ｅ１５ｃｍ3 となるときのピンチオフ電圧は、−１．８０Ｖであった。
【００５７】
（比較例３）
図３に示した実施例２のシュードモフィックＨＥＭＴ構造エピタキシャル基板において、チャネル層４９に用いられるＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成及びその膜厚と、チャネル層４９の上下に積層されるｉ−ＧａＡｓ層４８、５０の膜厚だけを変えた図６に示す構造のエピタキシャル基板を、比較例３として、実施例２と同様にＭＯＣＶＤ法を用いて作製した。図６に示したエピタキシャル基板において、１０１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、１０２〜１０５はバッファ層、１０６はバック側電子供給層、１０７〜１０８はバック側スペーサ層、１０９はチャネル層、１１０、１０１はフロント側スペーサ層、１０２はフロント側電子供給層、１０３はアンドープＡｌＧａＡｓ層である。なお、各層の組成及び膜厚は図６中に示した通りである。
【００５８】
図６の比較例３では、チャネル層１０９のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成を０．１９、膜厚を１４．０ｎｍとし、チャネル層１０９の上下には、バック側スペーサ層１０８、フロント側スペーサ層１１０をｉ−ＧａＡｓ層として各２．０ｎｍずつ、エピタキシャル成長した。この比較例３は、実施例２の成長条件と同様の条件で各層をエピタキシャル成長させて作製した。
【００５９】
比較例３のエピタキシャル基板について、Ｖａｎ ｄｅｒ Ｐａｕｗ法によるホール測定を行なった結果、チャネル層１０９において、室温（３００Ｋ）での二次元電子ガス濃度が１．９９Ｅ１２／ｃｍ2 、室温（３００Ｋ）での電子移動度が５６２０ｃｍ2 ／Ｖ・ｓ、７７Ｋでの二次元電子ガス濃度が２．１６Ｅ１２／ｃｍ2 、７７Ｋでの電子移動度が１３９００ｃｍ2 ／Ｖ・ｓと、低い値しか得られなかった。また、このときの構造において、Ａｌショットキー電極を用いたＣＶ測定を行なった結果、残留キャリア濃度が１Ｅ１５ｃｍ3 となるときのピンチオフ電圧は、−２．１９Ｖであった。
【００６０】
このように、応用上においても、電子移動度と密接に相関する電子速度に支配される、数＋ＧＨｚ以上の超高周波帯の各種高速デバイスにも、電子素子作製時に有利なＩｎＧａＰ電子供給層、ＩｎＧａＰスペーサ層を用いたＧａＡｓ基板上Ｐ−ＨＥＭＴを用いる可能性を拓いたという点で、多大なるメリットをもたらすものである。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、電子素子作製時にも有利となるような、これまでに報告されたことのない良好な特性を有するシュードモフィック（歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスター）構造エピタキシャル基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の応用例１に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図２】本発明の実施例１に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図３】本発明の実施例２に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図４】本発明の比較例１に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図５】本発明の比較例２に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【図６】本発明の比較例３に係るエピタキシャル基板の層構造図。
【符号の説明】
１、２１、４１、６１、８１、１０１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
２〜５、２２〜２５、４２〜４５、６２〜６５、８２〜８５、１０２〜１０５ バッファ層
６、２６、４６、６６、８６、１０６ バック側電子供給層
７〜８、２７〜２８、４７〜４８、６７〜６８、８７〜８８、１０７〜１０８ バック側スペーサ層
９、２９、４９、６９、８９、１０９ チャネル層
１０〜１１、３０〜３１、５０〜５１、７０〜７１、９０〜９１、１１０〜１１１ フロント側スペーサ層
１２、３２、５２、７２、９２、１１２ フロント側電子供給層
１３、３３、５３、７３、９３、１１３ アンドープＡｌＧａＡｓ層
Claims (2)
- ＧａＡｓ単結晶基板の上に形成され、ＩｎＧａＡｓ層をチャネル層とし、ｎ型不純物を含有するＩｎＧａＰ層をフロント側電子供給層とし、ｎ型不純物を含有するＡｌＧａＡｓ層をバック側電子供給層とし、前記チャネル層と前記フロント側電子供給層との間にアンドープＩｎＧａＰ層をフロント側スペーサ層として設けた歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスタ構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板において、
夫々が前記チャネル層の対応する面に接するように前記チャネル層を挟んで積層されている膜厚が４ｎｍ以上の一対のアンドープＧａＡｓ層と、
前記一対のアンドープＧａＡｓ層のうちバック側のアンドープＧａＡｓ層と接するように設けられたアンドープＡｌＧａＡｓ層とを備えており、
前記一対のアンドープＧａＡｓ層のうちフロント側のアンドープＧａＡｓ層が前記フロント側スペーサ層に接しており、
前記チャネル層を構成するＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が０．２５以上であり、
前記チャネル層の室温（３００Ｋ）での電子移動度が８０００cm2 /V・s 以上であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板。 - ＧａＡｓ単結晶基板の上に形成され、ＩｎＧａＡｓ層をチャネル層、ｎ型不純物を含有するＩｎＧａＰ層をフロント側及びバック側電子供給層、アンドープＩｎＧａＰ層を前記チャネル層と前記フロント側電子供給層との間のフロント側スペーサ層、アンドープＩｎＧａＰ層を前記チャネル層と前記バック側電子供給層との間のバック側スペーサ層とする歪チャネル高電子移動度電界効果型トランジスタ構造を有する化合物半導体エピタキシャル基板において、
夫々が前記チャネル層の対応する面に接するように前記チャネル層を挟んで積層されている膜厚が４ｎｍ以上の一対のアンドープＧａＡｓ層を備えており、
前記一対のアンドープＧａＡｓ層の夫々が前記スペーサ層のうちの対応している層に接しており、
前記チャネル層を構成するＩｎＧａＡｓ層のＩｎ組成が０．２５以上であり、
前記チャネル層の室温（３００Ｋ）での電子移動度が８０００cm2 /V・s 以上であることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板。
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