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技術 化合物半導体ウェハの製造方法

出願人 日立電線株式会社
発明者 土屋忠厳永井久隆
出願日 1992年7月2日 (27年5ヶ月経過) 出願番号 1992-175530
公開日 1994年1月28日 (25年10ヶ月経過) 公開番号 1994-020966
状態 特許登録済
技術分野 気相成長(金属層を除く) 接合型電界効果トランジスタ
主要キーワード 半絶縁性GaAs基板 電子移動度μ AlGaAsキャリア供給層 ショットキ キャリア層 HEMT 速度毎 クーロン散乱
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(1994年1月28日)のものです。
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図面 (4)

目的

成長温度、V/III 比、成長速度といった成長条件を最適化して、雑音指数NFが0.6dBを下回るHEMTを実現する。

構成

アンドープInGaAsキャリア走行層有機金属気相エピタキシーで成長させるに際して、次の成長条件を満足させる。成長温度500〜550℃でV/III 比100以上、550〜625℃でV/III 比20以下、625〜650℃でV/III 比50、650〜700℃でV/III 比100以上、700℃以上でV/III 比150以上とする。また、成長速度5Å/s以下および10Å/s以上ではV/III 比は共に20以下、5〜10Å/sではV/III 比50以上とする。これらの成長条件により凡そシートキャリア濃度ns 2.0cm-2、電子移動度μ7000cm2 /V・sを得る。

概要

背景

基板に設けたバッファ層上に、不純物を含まないキャリア走行層と、n型不純物キャリア走行障害となる)を含むキャリア供給層と、ショットキゲートを積んだ構造はHEMT高電子移動度トランジスタ)として広く知られている。これはキャリア走行層とキャリア供給層とをヘテロ接合によって空間的に切り離すことで、雑音特性高周波特性を上げることに成功しているものである。これには、雑音特性を向上したシュードモフィックHEMT(Pseudo morphic 高電子移動度トランジスタ)と呼ばれるものがある。

図3に従来のn型AlGaAs/InGaAs/GaAs系シュードモフィックHEMTエピタキシャルウェハ基本構造を示す。半絶縁性GaAs基板1上にアンドープGaAsバッファ層2(0.5μm厚)、その上にシュードモフィックとするために臨界膜厚以下で制御された膜厚の薄いアンドープIn0.2 Ga0.8 Asキャリア走行層3(10nm)を、原子レベル微細成長制御が可能な有機金属気相エピタキシー(以下、MOVPEと略する)で成長させる。この場合、キャリア走行層3を構成するInGaAsはバッファ層2を構成するGaAsと格子定数が異なるため、GaAs上への成長では大きく歪んだ結晶となるが、臨界膜厚と呼ばれるある一定の膜厚を超えない限り界面に転位が生じないきれいな接合が得られる。このように格子不整合であっても格子が歪むことによって界面で格子欠陥が生じないような状態をシュードモフィック状態という。シュードモフィック状態が崩れて転位が発生するとHEMTとして必要なキャリア濃度が得られない。

このようなシュードモフィック状態でバッファ層2と接合されたキャリア供給層3上に、さらにアンドープAl0.3 Ga0.7 Asスペーサ層4(2nm厚)を介してn型Al0.3 Ga0.7 Asキャリア供給層5(40nm厚)を成長させるようにしたものである。なお、スペーサ層4は、キャリア供給層5からのクーロン散乱を抑え、電子移動度を向上するために必要に応じて挿入するものであり、HEMTとして動作上必須のものではない。

キャリア供給層5とキャリア走行層3とのヘテロ界面のキャリア走行層3側にたまる2次元電子ガスチャネルとして使用するが、この2次元電子ガスのシートキャリア濃度、電子移動度が高い程、雑音特性の良好な高性能HEMTが作製できる。従来は、常温でシートキャリア濃度として1.6×1012cm-2、電子移動度として6500cm2 /V・sというのが通常の水準であった。しかし、これにより作製できるHEMTの雑音指数NFは0.7dB止まりであった。

概要

成長温度、V/III 比、成長速度といった成長条件を最適化して、雑音指数NFが0.6dBを下回るHEMTを実現する。

アンドープInGaAsキャリア走行層を有機金属気相エピタキシーで成長させるに際して、次の成長条件を満足させる。成長温度500〜550℃でV/III 比100以上、550〜625℃でV/III 比20以下、625〜650℃でV/III 比50、650〜700℃でV/III 比100以上、700℃以上でV/III 比150以上とする。また、成長速度5Å/s以下および10Å/s以上ではV/III 比は共に20以下、5〜10Å/sではV/III 比50以上とする。これらの成長条件により凡そシートキャリア濃度ns 2.0cm-2、電子移動度μ7000cm2 /V・sを得る。

目的

本発明の目的は、シュードモフィックHEMT構造の化合物半導体ウェハの特性を決定するInGaAsキャリア走行層の成長条件を最適化することによって、前述の欠点を解消し、十分高いシートキャリア濃度と電子移動度をもち、製造の容易な化合物半導体ウェハの製造方法を提供することにある。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
4件

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請求項1

半絶縁性GaAs基板上に、シュードモフィック接合を得るために臨界膜厚以下で制御されたアンドープInGaAsキャリア走行層有機金属気相エピタキシー成長させ、その上にn型InAlAsキャリア供給層を成長させたn型AlGaAs/InAGaAs/GaAsシュードモフィックHEMT構造の化合物半導体ウェハの製造方法において、上記アンドープInGaAsキャリア走行層を成長させるに際して、As原料モル分率をGa原料とIn原料とのモル分率の和で割った値(以下、V/III 比と称す)を20以下とし、かつ、成長温度を550℃〜625℃としたことを特徴とする化合物半導体ウェハの製造方法。

請求項2

請求項1に記載の化合物半導体ウェハの製造方法において、上記V/III 比を50とし、成長温度を625〜650℃とした化合物半導体ウェハの製造方法。

請求項3

請求項1に記載の化合物半導体ウェハの製造方法において、上記V/III 比を100以上とし、かつ成長温度を650〜700℃とした化合物半導体ウェハの製造方法。

請求項4

請求項1に記載の化合物半導体ウェハの製造方法において、上記V/III 比を150以上とし、かつ、成長温度を700℃以上とした化合物半導体ウェハの製造方法。

請求項5

請求項1に記載の化合物半導体ウェハの製造方法において、上記V/III 比を100以上とし、かつ成長温度を550℃以下とした化合物半導体ウェハの製造方法。

請求項6

請求項1に記載の化合物半導体ウェハの製造方法において、成長速度を5Å/s以下とし、かつ上記V/III 比を20以下とした化合物半導体ウェハの製造方法。

請求項7

請求項1に記載の化合物半導体ウェハの製造方法において、成長速度を10Å/s以上とし、かつ上記V/III 比を20以下とした化合物半導体ウェハの製造方法。

請求項8

請求項1に記載の化合物半導体ウェハの製造方法において、成長速度を5〜10Å/sとし、かつ上記V/III 比を50以上とした化合物半導体ウェハの製造方法。

技術分野

0001

本発明は、HEMT構造をもつ化合物半導体ウェハの製造方法、特に、有機金属気相エピタキシーによりInGaAsキャリア層臨界膜厚以下で成長させてシュードモフィックHEMT構造とした化合物半導体ウェハに関するものである。

背景技術

0002

基板に設けたバッファ層上に、不純物を含まないキャリア走行層と、n型不純物キャリア走行障害となる)を含むキャリア供給層と、ショットキゲートを積んだ構造はHEMT(高電子移動度トランジスタ)として広く知られている。これはキャリア走行層とキャリア供給層とをヘテロ接合によって空間的に切り離すことで、雑音特性高周波特性を上げることに成功しているものである。これには、雑音特性を向上したシュードモフィックHEMT(Pseudo morphic 高電子移動度トランジスタ)と呼ばれるものがある。

0003

図3に従来のn型AlGaAs/InGaAs/GaAs系シュードモフィックHEMTエピタキシャルウェハ基本構造を示す。半絶縁性GaAs基板1上にアンドープGaAsバッファ層2(0.5μm厚)、その上にシュードモフィックとするために臨界膜厚以下で制御された膜厚の薄いアンドープIn0.2 Ga0.8 Asキャリア走行層3(10nm)を、原子レベル微細な成長制御が可能な有機金属気相エピタキシー(以下、MOVPEと略する)で成長させる。この場合、キャリア走行層3を構成するInGaAsはバッファ層2を構成するGaAsと格子定数が異なるため、GaAs上への成長では大きく歪んだ結晶となるが、臨界膜厚と呼ばれるある一定の膜厚を超えない限り界面に転位が生じないきれいな接合が得られる。このように格子不整合であっても格子が歪むことによって界面で格子欠陥が生じないような状態をシュードモフィック状態という。シュードモフィック状態が崩れて転位が発生するとHEMTとして必要なキャリア濃度が得られない。

0004

このようなシュードモフィック状態でバッファ層2と接合されたキャリア供給層3上に、さらにアンドープAl0.3 Ga0.7 Asスペーサ層4(2nm厚)を介してn型Al0.3 Ga0.7 Asキャリア供給層5(40nm厚)を成長させるようにしたものである。なお、スペーサ層4は、キャリア供給層5からのクーロン散乱を抑え、電子移動度を向上するために必要に応じて挿入するものであり、HEMTとして動作上必須のものではない。

0005

キャリア供給層5とキャリア走行層3とのヘテロ界面のキャリア走行層3側にたまる2次元電子ガスチャネルとして使用するが、この2次元電子ガスのシートキャリア濃度、電子移動度が高い程、雑音特性の良好な高性能HEMTが作製できる。従来は、常温でシートキャリア濃度として1.6×1012cm-2、電子移動度として6500cm2 /V・sというのが通常の水準であった。しかし、これにより作製できるHEMTの雑音指数NFは0.7dB止まりであった。

発明が解決しようとする課題

0006

上述した従来技術で雑音指数NFが0.6dBを下回るHEMTを実現しようとすると、シートキャリア濃度、電子移動度をさらに増やす必要がある。このためには、In組成が高いほどInGaAsにたまる電子の濃度が増すため増幅率の高く雑音特性のよいHEMTデバイス製作できることから、従来0.15が主であったInGaAsのIn組成を、0.2とする一方、成長温度、V/III比、成長速度といった成長条件を最適化する必要がある。しかしながら、In組成を高くすることは、それだけInGaAsに内在する歪が大きくなり、結晶が壊れ始める臨界膜厚が薄くなるため製作が難しくなる。また従来、成長温度、V/III 比、成長速度といった成長条件の最適化の検討は全く行われていなかった。

0007

本発明の目的は、シュードモフィックHEMT構造の化合物半導体ウェハの特性を決定するInGaAsキャリア走行層の成長条件を最適化することによって、前述の欠点を解消し、十分高いシートキャリア濃度と電子移動度をもち、製造の容易な化合物半導体ウェハの製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

本発明の化合物半導体ウェハの製造方法は、半絶縁性GaAs基板上に、シュードモフィック接合を得るために臨界膜厚以下で制御されたアンドープInGaAsキャリア走行層を少なくとも有機金属気相エピタキシーで成長させ、その上にn型InAlAsキャリア供給層を成長させたn型AlGaAs/InGaAs/GaAsシュードモフィックHEMT構造の化合物半導体ウェハの製造方法において、アンドープInGaAsキャリア走行層を成長させるに際して、V/III 比を20以下とし、かつ、成長温度を550℃〜625℃としたものである。

0009

また、上記化合物半導体ウェハの製造方法において、成長温度を625〜650℃とした場合にはV/III 比を50、成長温度を650〜700℃とした場合にはV/III 比を100以上、成長温度を700℃以上とした場合にはV/III比を150以上、そして成長温度を550℃以下とした場合にはV/III 比を100以上としたものである。

0010

さらに、上記化合物半導体ウェハの製造方法において、成長速度を5Å/s以下とし、かつV/III 比を20以下としたものである。成長速度を10Å/s以上とした場合には、V/III 比を20以下、成長速度を5〜10Å/sとした場合には、V/III 比を50以上としたものである。

0011

なお、InGaAsキャリア走行層のIn組成は、組成0のときを除いて(GaAsは不可)任意である。In組成が任意である理由は次の2点にある。

0012

シュードモフィックHEMTは、AlGaAs(またはGaAs)とInGaAsとのヘテロ接合を利用したものであれば、InGaAsのIn組成にかかわらず作製できる。Al組成を特定しないのもこの理由による。どのような組成であってもシュードモフィックHEMTを作製できる。ただし、AlGaAs/GaAsの組合せはできない。

0013

成長方法は、InGaAs混晶を成長する際に重要となるものである。これは、従来のGaAsに新たにIn原子を加える際に重要となるもので、加えるIn原子の多少によるものではない。従って、InGaAs(GaAsは除く)であれば全て成立する。

0014

また、既述した理由で、AlGaAsキャリア供給層のAl組成は、組成0のときも含め(GaAsでも可)任意である。

0015

InGaAsキャリア走行層の成長温度に関わらずV/III 比を一定にしてしまうと、成長温度に応じてシートキャリア濃度、電子移動度が大きく変動するため、シートキャリア濃度、電子移動度を常に高くすることはできない。これらを高くするためには、成長温度に応じてV/III 比を変えてやる必要がある。また、成長速度に関しても同様で、シートキャリア濃度、電子移動度を高くするためには、成長速度に応じてV/III 比を変えてやる必要がある。

0016

本発明では、上述した各成長温度及び成長速度毎にV/III 比を変えて、シートキャリア濃度、電子移動度が常に高くなるように、V/III 比条件を最適化したので、InGaAsキャリア走行層のIn組成を0.2またはそれ以上としなくとも、HEMT構造の合物半導体ウェハ電気的特性が向上する。このことは、In組成を0.2またはそれ以上に上げると、InGaAsに内在する歪のため、結晶が壊れ始める臨界膜厚が薄くなり製作が不可能となるという問題をも回避でき、製造の容易化が図れる。

0017

以下、本発明の実施例を説明する。既に説明した図3のシュードモフィックHEMTエピタキシャルウェハと同じ構造のウェハを用い、そのInGaAsキャリア走行層3の成長条件を種々変えて成長させた。この場合もエピタキシャル成長は有機金属気相エピタキシーを用いた。成長後、ホール測定法により常温(300K)でシートキャリア濃度と電子移動度を調べた。その結果、次のことが分った。

0018

(1)InGaAsキャリア走行層のMOVPE成長温度を500〜750℃と変化させたところ、図1(A)、(B)の結果が得られた。V/III 比が次の条件をとるとき、凡そシートキャリア濃度ns が2.0cm-2、電子移動度μが7000cm2 /V・sを示す。すなわち、成長温度500〜550℃ではV/III 比100以上、550〜625℃ではV/III 比20以下、625〜650℃ではV/III 比50、650〜700℃ではV/III 比100以上、そして700℃以上ではV/III 比は150以上でないと良好な特性が得られない。なお、500〜550℃ではシートキャリア濃度ns のみについてみれば、V/III比20以下であっても良いのであるが、その場合、電子移動度μが悪くなるため採用できない。なお、この時の成長速度による影響は無視した。

0019

(2)MOVPEの成長速度を4〜12Å/sと変化させたところ、図2(A)、(B)の結果が得られた。V/III 比が次の値をとるとき、凡そシートキャリア濃度ns が1.6〜2.0cm-2、電子移動度μが6500〜7000cm2 /V・sを示す。成長速度7.5Å/sのときは、V/III 比50以上が良好だが、それ以外は20以下で良好な結果が得られた。従って、成長速度5Å/s以下および10Å/s以上ではV/III 比は共に20以下、5〜10Å/sではV/III 比50以上でないと良好な特性が得られない。なお、このときの成長は、図1から、それぞれで最適と考えられる成長温度で行った。

0020

以上述べたように本実施例によれば、シートキャリア濃度として常温で1.6×1012cm-2、電子移動度として常温で6500cm2 /V・sという従来の通常水準を上回り、シートキャリア濃度2.5×1012cm-2、電子移動度7000cm2 /V・sという高い値を得ることができる。

発明の効果

0021

本発明によれば、InGaAsキャリア走行層の成長条件を最適化することによって、十分高いシートキャリア濃度と電子移動度をもつ化合物半導体ウェハを得ることができ、その結果、化合物半導体ウェハの電気特性が大幅に向上し、雑音指数NFが0.6dB以下のHEMTデバイスを実現することが可能とり、しかも、製造条件の最適化がなされるので製造も容易になった。

図面の簡単な説明

0022

図1本発明の実施例によるシュードモフィックHEMT化合物半導体ウェハのInGaAsキャリア走行層の成長温度およびV/III 比を変えた時のシートキャリア濃度と電子移動度の変化を示した特性図。
図2本実施例によるシュードモフィックHEMT構造の化合物半導体ウェハのInGaAsキャリア走行層の成長速度およびV/III 比を変えた時のシートキャリア濃度と電子移動度の変化を示した特性図。
図3従来例と本実施例とに共通したシュードモフィックHEMTエピタキシャルウェハの構造を示す断面図。

--

0023

1半絶縁性GaAs基板
2アンドープGaAsバッファ層
3 アンドープInGaAsキャリア走行層
4 アンドープAlGaAsスペーサ層
5 n型AlGaAsキャリア供給層

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