JPH07111348A

JPH07111348A - ガンダイオード

Info

Publication number: JPH07111348A
Application number: JP5254500A
Authority: JP
Inventors: Takashi Udagawa; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1993-10-12
Filing date: 1993-10-12
Publication date: 1995-04-25

Abstract

(57)【要約】【目的】応答性に優れるＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰヘテロ
接合ガンダイオードを得る。【構成】電極を金、アルミニウム、白金、チタニウ
ム、モリブデンから選ばれたノンアロイ型のオーミック
単体金属で構成する。【効果】オーミックアロイに伴うヘテロ界面の乱れを
回避でき、高電子移動度特性が保持される。これによ
り、ガンダイオードの高速応答性が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガンダイオードに係わ
り、特に電極材料の新たな構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の持つ重要な特性の一つであるガ
ン効果（電子遷移効果）を利用したデバイスとして、い
わゆるガンダイオードが知られている。現状ではヒ化ガ
リウム（ＧａＡｓ）やリン化インジウム（ＩｎＰ）化合
物半導体を母体材料としたガンダイオードなどが実用化
されており、マイクロ波発振デバイスやドップラーセン
サーなどに利用されている。

【０００３】ガンダイオードは半導体結晶にある「しき
い値」を越えた電界を印加した場合に生ずる、半導体内
の電子の伝導帯間の電子遷移による負性抵抗の発生を利
用した電子デバイスである。このガンダイオードの動作
原理とも言うべき負性抵抗を発生する半導体には物性面
からの制約がある。例えば、伝導帯間のエネルギー差が
０．２６ｅＶ以上必要とされることなどである（例え
ば、R.J. Chaffin, "Microwave Semiconductor Device
s"( John Wiley & Sons, Inc), p.243 参照）。

【０００４】近年、ガンダイオードに於いても低消費電
力化や動作の高速化の要望が高まって来ている。これら
の要望を満たすには負性抵抗を出来るだけ低い電界で発
生する低い「しきい値」電圧を有し、且つ高い電子移動
度を有する半導体材料の選択が必要である。このため、
近年では「低しきい値電圧」が期待されるＧａＩｎＳｂ
やＧａＩｎＡｓが高性能ガンダイオード用の半導体材料
として注目されている（例えば、水島宣彦編著『機能
デバイス』（昭和５７年、７３頁）。しかし、良質のＧ
ａＩｎＳｂはエピタキシャル成長させるのに困難さが伴
っているのが現状である。

【０００５】一方、ガンダイオードはオーミック性の入
力、出力用電極を備えている。この入・出力電極はメサ
型ガンダイオードにあっては、母体材料の表裏面に形成
される。プレーナ型では動作層の表面に入・出力電極が
在る。電極の材料としては、従来から入・出力電極共に
Ａｕ・Ｇｅ合金が一般的に使用されている。この様な合
金はウエハに被着された後、アロイングされオーミック
性が付与される。アロイングはノンアロイコンタクト層
等の特別な結晶層を備えていない限り、オーミック性電
極を得るのには割愛できない熱処理工程である。

【０００６】入力電極はメサ型やプレーナ型を問わず、
動作層上に設けたオーミックコンタクト層上に設けるの
が従来からの通例である。例えばメサ型ＧａＡｓガンダ
イオードでは、ＧａＡｓ動作層上のＧａＡｓオーミック
コンタクト層上に入力電極を設けている。この従来から
の構造例を図３に示す。オーミックコンタクト層とはア
ロイングによりオーミック性を得られ易くするためのｎ
形の高キャリア濃度層である。従来例では１０¹⁸ｃｍ^-3
近傍に設定されている。この様なコンタクト層を設ける
とアロイングによりオーミック性は得易くなる。しか
し、良好なオーミック特性を得るにはアロイング工程を
必要とする。また、従来例では図３に示す如く、Ａｕ・
Ｇｅ合金からなる電極がオーミックコンタクト層或いは
動作層直上に直接接触して設けられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ
ヘテロ接合を利用するガンダイオードにあっては、入力
電極はヘテロ接合の上部に形成される。ヘテロ接合を用
いる場合にあっても、Ａｕ・Ｇｅ合金の電極材料が利用
される。電極材料の被着後、従来と同様にアロイングを
施し、電極にオーミック性を付与する。しかし、ヘテロ
接合材料を用いる場合にあってはアロイングによる熱応
力がヘテロ接合部にもおよび、このためヘテロ接合によ
り発現される電子移動度が低下するなどの事態を招く。
母体材料の電子移動度が低下すれば、ガンダイオードの
高速応答性は得られない。

【０００８】ヘテロ界面を乱すことなく、良好なガンダ
イオード特性を得るにはアロイングを要せずにオーミッ
ク性電極を形成する方法があれば良い。特に、メサ型ガ
ンダイオードでは入力電極がヘテロ界面に近く設けられ
るため、アロイング熱処理なしにオーミック性を付与で
きれば都合が良い。メサ型ダイオードの裏面側の出力電
極は数１００μｍ程度の厚さの基板結晶上に形成される
ため、熱応力が掛かっても基板結晶に緩和される。しか
し、アロイング工程を省いてオーミック性を入力電極に
付与する従来技術はない。また、それを可能にするＧａ
ＩｎＡｓ／ＩｎＰヘテロ接合材料の構成も未だ提示され
ていない。

【０００９】入力電極の材料も合金ではなく、単体の金
属で構成できると便利である。合金電極では合金を例え
ば真空蒸着法により然るべき領域に被着させるに際し、
合金組成の「ずれ」が生ずる場合がある。この「ずれ」
が常に一定であれば問題は無いが、「ずれ」を一定の管
理するには困難である。「ずれ」の不安定性は電極の入
力抵抗の増大等を招き、結果としてオーミック特性の不
安定性をもたらしている。単体の金属で電極を形成でき
れば、組成変動の問題は解消する。しかし、ＧａＩｎＡ
ｓ／ＩｎＰヘテロ接合ガンダイオードでは、単体金属の
入力電極を備えたものはいまだ見当たらない。

【００１０】本発明ではアロイングを施さずともオーミ
ック性入力電極を形成できる新たな方法を見出す。これ
により、アロイング熱処理に因るＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ
ヘテロ接合界面の乱れを防止する。また、単体金属で入
力電極を形成することによって、従来の合金電極被着時
に起こる合金組成の「ずれ」を回避する。即ち、本発明
は単体の金属からなる入力電極を備えてなるＧａＩｎＡ
ｓ／ＩｎＰヘテロ接合ガンダイオードを提供する。

【００１１】

【課題を解決するための手段】ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰヘ
テロ接合はＩｎＰ単結晶基板上に形成するのが一般的で
ある。メサ型ガンダイオードであれば、半絶縁性の高抵
抗ＩｎＰ基板を使用する。Ｆｅを添加した比抵抗が１０
⁷ Ω・ｃｍ前後の半絶縁性ＩｎＰ単結晶が実用的であ
る。プレーナ型であればＳ、Ｓｎ等を添加した低抵抗の
ＩｎＰ結晶を基板として用れば良い。

【００１２】これらＩｎＰ単結晶基板上に、一般的には
先ず緩衝層（バッファ層）となすＩｎＰ層を堆積させ
る。ＩｎＰバッファ層をＩｎＰ結晶基板上に設けるの
は、結晶基板に含まれる不純物のＧａＩｎＡｓ動作層へ
の拡散を抑制できるなどの効果が得られるからである。
また、結晶基板に存在する結晶欠陥等の動作層への伝幡
を抑制するなどの効果を生じるため電子移動度の向上を
もたらすからである。

【００１３】緩衝層の上に高い電子移動度を有するＧａ
_x Ｉｎ_1-x Ａｓ動作層を堆積させる。Ｇａ_x Ｉｎ_1-x Ａ
ｓ動作層のＧａ混晶比（ｘ）は０．３７≦ｘ≦０．５７
とするのが望ましい。ｘがＩｎＰに格子整合する混晶比
である０．４７からずれるに伴いＧａ_x Ｉｎ_1-x Ａｓと
ＩｎＰとの格子定数の差、即ち格子不整合も顕著となり
多量の結晶欠陥等を誘発し結晶性の低下を招くからであ
る。電子移動度等の電気的特性をも悪化させ、ガンダイ
オードの特性上多大な悪影響を来すからである。

【００１４】動作層の膜厚（ｄｃｍ）はダイオードの発
振周波数（ｆＨｚ）とは式（１）で示される近似関係に
ある（例えば、鈴木清著「マイクロ波回路の基礎」
（１９７９年啓学出版）、１０４頁）。ｆ（Ｈｚ）＝１０⁷ ／ｄ・・・（１）従ってＧａＩｎＡｓ動作層の膜厚は所望の周波数から上
記の関係式（１）により求めた値の近傍に適宣設定すれ
ば良い。

【００１５】ｎ形ＧａＩｎＡｓ動作層の上に、更に低抵
抗のｎ形ＧａＩｎＡｓ層をノンアロイオーミックコンタ
クト層として設ける。キャリア濃度は１０¹⁹ｃｍ^-3〜１
０²⁰ｃｍ^-3程度であることが望ましい。このノンアロイ
オーミックコンタクト層は上記の従来のオーミックコン
タクト層と比較しキャリア濃度は１〜２桁高い。従っ
て、従来のオーミックコンタクト層では得られなかった
ノンアロイオーミックコンタクトが形成できる。ノンア
ロイは熱処理を要せずにオーミック性を付与できる。よ
って、ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰヘテロ界面へのアロイング
に因る熱歪の影響を回避でき、電子移動度の低下が防止
される。

【００１６】ノンアロイオーミックコンタクト層はＧａ
ＩｎＡｓに限らず、高キャリア濃度のＩｎＰ層で構成し
ても良い。しかし、１０¹⁹〜１０²⁰ｃｍ^-3のキャリア濃
度のＩｎＰ層を得るのはＧａＩｎＡｓに比較して難し
い。高いキャリア濃度層を得るにはＳｉ、Ｓ、Ｓｎ、Ｔ
ｅ等をドーピングすれば良いが、ＩｎＰはＧａＩｎＡｓ
に比べドーピング効率が低いからである。また、ＩｎＰ
の禁止帯幅はＧａＩｎＡｓより大きく、オーミック特性
が得にくい。従って、ＧａＩｎＡｓからなるノンアロイ
コンタクト層を設けるのが良い。ノンアロイコンタクト
層の層厚は、数千オングストロームあれば充分である。

【００１７】ヘテロ接合を構成するＩｎＰ層並びにＧａ
ＩｎＡｓ層の成長方法には特に制限はない。現状では蒸
気圧が比較的高いＰを含むＩｎＰ等の半導体薄膜の成長
にはＭＯＣＶＤ法が多用されている。しかし、ヘテロ接
合を形成する各層毎に成長方法を異にしても差し支えは
ない。

【００１８】ノンアロイコンタクト層上に単体金属の入
力電極を設ける。従来の合金電極としないのは前述の理
由に依る。単体金属としては、Ａｌ、Ａｕが好適であ
る。Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｔなどの高融点金属も利用できる。
また、これらの単体金属を積層させて入力電極を構成し
ても良い。

【００１９】出力電極側は単体金属か又は従来通りの合
金で形成すれば良い。但し、プレーナ型ガンダイオード
の場合、出力電極も単体金属で構成すると良い。同一の
材料で電極を構成すれことにより工程が簡略化されるか
らである。出力電極にも、上記の単体金属が利用でき
る。メサ型でも動作層が存在する表面側に設ける入力電
極は単体金属から構成する。メサ型の場合、基板結晶
側、即ちウエハ裏面に出力電極を設ける。出力電極は例
えばＡｕで構成すれば良い。Ａｕは公知の真空蒸着法、
メッキ法などで被着できる。出力電極側も多層構造とし
ても差し支えはないが、通常は唯一の金属材料を数μｍ
被着させて形成する。主に、多層構造の電極形成に伴う
工程の冗長を避けるためである。

【００２０】本発明により製作された単体金属電極を備
えたＧａＩｎＡｓヘテロ接合ガンダイオードの電気的特
性を評価した。その結果、従来のＡｕ・Ｇｅ合金を入力
電極とした際のアロイングに伴う電子移動度の低下は認
められなかった。これは、アロイングを要しないために
ヘテロ界面が熱的な損傷を被らないためと解釈された。

【００２１】

【作用】電極アロイング工程を省略でき、ＧａＩｎＡｓ
／ＩｎＰヘテロ接合によって発現される高電子移動度特
性を維持できる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を実施例を基に具体的に説明す
る。図１に本発明に係わるメサ型ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ
ヘテロ構造ガンダイオードの平面模式図を示す。図２は
図１に示す平面模式図の破線Ａ−Ａ’に沿う断面概略図
である。（１０１）は基板として使用したＳドープの面
方位が（１００）の低抵抗ＩｎＰ単結晶である。（１０
２）は結晶基板（１０１）上に常圧のＭＯＣＶＤ法で成
長させた、膜厚が約１００ｎｍ、Ｓｉドープのキャリア
濃度が２×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ形のＩｎＰバッファ層であ
る。ＩｎＰ層（１０２）上にはＧａ混晶比が０．４７
で、約１２００ｎｍの膜厚のｎ形のＧａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａ
ｓ動作層（１０３）を常圧ＭＯＣＶＤ成長法で設けた。
Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓ動作層（１０３）のキャリア濃度
は２×１０¹⁶ｃｍ^-3であった。また、この構成からなる
エピタキシャルウエハの室温での電子移動度は約１０，
０００ｃｍ² ／Ｖ・ｓであった。

【００２３】更に、ｎ形Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓ動作層
（１０３）にＳｉドーピングによるキャリアが３×１¹⁹
ｃｍ^-3のｎ形Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓ結晶層（１０４）を
ノンアロイオーミックコンタクト用の低抵抗層として設
けた。ノンアロイコンタクト層（１０４）も常圧ＭＯＣ
ＶＤ法で成長させた。

【００２４】出力用電極（１０５）はＡｕをＩｎＰ単結
晶（１０１）の裏面の全面に真空蒸着させ形成した。蒸
着したＡｕ膜の厚さは約６０００Åであった。その後、
無電解メッキ法によりＡｕをメッキした。Ａｕ膜の合計
膜厚は約２μｍとなった。

【００２５】ノンアロイコンタクト層（１０４）が在る
ウエハ表面側には、公知のフォトリソグラフィー法、エ
ッチング法を駆使して加工を施し、水平方向の断面が円
形であるメサ形成した。メサを形成するにあたっては無
機酸を使用し、ＩｎＰ層（１０２）及びＧａ_0.47Ｉｎ
_0.53Ａｓ層（１０３及び１０４）の不要部分をエッチン
グ除去した。更に、ＩｎＰ単結晶基板（１０１）の表層
部に至る迄、エッチングを進行させた。これにより天板
の直径が１２０μｍの円形メサを形成した。

【００２６】Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓノンアロイコンタク
ト層（１０４）の表面上に入力電極（１０６）を形成し
た。入力電極（１０６）は高純度のＡｌを真空蒸着し形
成した。電極は通常のフォトリソグラフィー技術とリフ
トオフ技術により直径が１２０μｍの円形に加工した。
従来の如く、成長層の直上にＡｕ・Ｇｅ等からなる合金
電極は被着されてはいない。図２に示した様に、コンタ
クト層（１０４）に接しているのはＡｌ単体からなる電
極である。入力用Ａｌ単体電極（１０６）にはオーミッ
ク性を付与するためのアロイング熱処理を施してはいな
い。これは熱処理により、入力電極の直下に存在するＧ
ａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓ層（１０３）とＩｎＰ（１０２）と
のヘテロ接合部に熱応力が係るのを防止し、このヘテロ
接合により顕現される高い電子移動度特性を維持するた
めである。

【００２７】次に、素子化されたウエハの表面を通常の
プラズマＣＶＤ法によるＳｉＯ₂ 絶縁膜（１０７）で電
極部以外の領域を被覆し、電極部にあっては電極の表面
を円形に露出させた。このＳｉＯ₂ 膜（１０７）の厚さ
は約３００ｎｍとした。

【００２８】作成したガンダイオードの電気的な特性を
評価した。また、本発明に係わる場合と従来例とで特性
を対比させた。従来例とは母体材料の構成は同じなが
ら、従来のＡｕ・Ｇｅ合金からなる入力電極とＡｕ出力
電極を備えているガンダイオードである。Ａｕ・Ｇｅ入
力電極はアロイングされている。この特性の比較による
と、本発明と従来例とではガン発振の周波数にさしたる
差異は認められなかったた。しかし、入力抵抗は本発明
の場合の方が低く、且つ均一性に優れていた。応答性に
ついても数〜数１０ｐｓの差が認められ、本発明に依る
ダイオードがより応答性に優れていた。

【００２９】

【発明の効果】単純な電極構成に依り、高速動作をもた
らすＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰヘテロ接合ガンダイオードが
もたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるガンダイオードの平面概略図で
ある。

【図２】図１に掲げるガンダイオードの破線Ａ−Ａ’に
沿った断面の模式図である。

【図３】従来のガンダイオードの断面模式図である。

【符号の説明】

（１０１）ＩｎＰ単結晶基板（１０２）ＩｎＰバッファ層（１０３）Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓ動作層（１０４）Ｇａ_0.47Ｉｎ_0.53Ａｓコンタクト層（１０５）Ａｕ出力電極（１０６）Ａｌ入力電極（１０７）ＳｉＯ₂ 絶縁膜（１０８）ダイシングライン（１０９）Ａｕ−Ｇｅ合金入力電極（１１０）Ａｕ−Ｇｅ合金出力電極（１１３）ＧａＡｓ動作層（１１４）ＧａＡｓコンタクト層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】 III−Ｖ族化合物半導体ヘテロ接合を使
用したガンダイオードにおいて、少なくとも入力電極が
キャリア濃度１０¹⁹〜１０²⁰ｃｍ^-3の半導体結晶上に
金、アルミニウム、白金、チタニウム、モリブデンのう
ちから選ばれた１種の単体金属をもって構成されてなる
ことを特徴とするガンダイオード。