JP2000256099A

JP2000256099A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2000256099A
Application number: JP11057893A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Nakajima; 成中島; Nobuchika Kuwata; 展周桑田; Ryoji Sakamoto; 良二坂本; Takeshi Nakada; 健中田
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-03-05
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2000-09-19

Abstract

(57)【要約】【目的】半絶縁性基板上に作製されたエピタキシャル
層をベースとするＦＥＴにおいて、ゲート−ドレイン間
の耐圧を高め、基板リーク電流を減少させる。【構成】ＬＥＣ法、あるいはＶＢ法による成長したエ
ピタキシャル成長用の半絶縁性ＧａＡｓ基板において、
炭素を０．４〜１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3、Ｃｒを０．０１
〜０．２ｗｔｐｐｍ含み、比抵抗が４．０×１０⁸ Ωｃ
ｍ以上の特性を有する。この基板上に成長したＦＥＴに
おいては、ドレイン耐圧が２０Ｖ確保され、かつ基板の
リーク電流が５μＡ以下となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はエピタキシャル用のＧａ
Ａｓ基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＡｓの半絶縁性を確保するメカニズ
ムとしては、以下のものが知られている。すなわち、Ｇ
ａＡｓ中にＣｒを添加することにより得られる。Ｃｒは
ＧａＡｓ中では深いアクセプタとして働き、基板中に残
留する浅いドナー準位からの電子を、こと深いＣｒ準位
で補償する機構がある。

【０００３】第２番目としては、Ａｓ原子がＧａ原子位
置に置換型で入り込んだ状態と考えられるＥＬ２準位に
起因するもの。このＥＬ２は深いドナー準位として働
き、伝導帯の自由電子を捕獲するが、捕獲しきれずに残
った伝導電子を浅いアクセプタ準位で補償する。浅いア
クセプタ準位としてはＣ（炭素）が知られている。この
為Ｃのドープ量が多いと基板の抵抗は高くなり半絶縁性
は向上する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
でのエピタキシャル用半絶縁性ＧａＡｓ基板においては
次のような問題があった。

【０００５】まず、Ｃｒを添加する場合には、Ｃｒ濃度
を１０¹⁶ｃｍ^-3以上添加しないと、残留ドナーを補償し
て半絶縁性を確保することが難しいのであるが、Ｃｒの
ＧａＡｓ中での溶解度が極めて小さく、基板全面に渡っ
て均一なＣｒ濃度を有する基板を得ることが困難であっ
た。さらに、ＬＥＣ法やＶＣＺ法で大量のＣｒ添加基板
を作製しようとすると、引き上げインゴットの最初に固
化した部分と、最後に固化した部分とでＣｒ濃度が桁違
いに異なったり、極端な場合にはＣｒ原子が析出したり
した。

【０００６】また、Ｃを多く添加した基板においては、
ＥＬ２という深いドナー準位を介在とする半絶縁性機構
のため、この深いドナー準位から励起される寿命の長い
伝導電子が基板のリーク電流を増加させてしまう。すな
わち、ＥＬ２準位は伝導帯の底から０．７５ｅＶだけ低
下した、ほぼＧａＡｓ禁制帯の中央付近にエネルギー準
位がある。Ｃ濃度を増加していくと、フェルミ準位がこ
のＥＬ２準位にピンニングされるようになり、容易に電
子を吐き出すことが可能となる。吐き出された電子がＣ
による浅いアクセプタで補償されることで、抵抗値は高
くなるが、ＥＬ２準位から電子が励起される確率が上昇
してしまい、リーク電流は増加する。

【０００７】このような絶縁性を確保するメカニズムが
異なるので、前述のＣｒを添加した基板では、基板への
リーク電流は抑制されるが、この基板上に作製したＦＥ
Ｔのゲート−ドレイン間の逆耐圧を向上させることがで
きない。一方、Ｃを添加した基板では全く逆の現象が発
生し、基板へのリーク電流が増加してしまうのに、作製
したＦＥＴのゲート−ドレイン間の耐圧を向上させるこ
とができる、という課題があった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によるＧａＡｓ半
絶縁性基板においては、ＣｒとＣの両者がドープされて
いることを特徴とする。好ましくは、Ｃ濃度は４．０×
１０¹⁵ｃｍ^-3乃至１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3の範囲にあり、
Ｃｒ濃度が０．０２ｐｐｍａ乃至０．１ｐｐｍａの範囲
にあることを特徴とする。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明を説明
する。

【００１０】図１は本発明によるＣ、Ｃｒ共ドープの状
態を説明するバンド図である。深いアクセプタ準位はＣ
ｒに起因するもので、価電子帯より上０．７９ｅＶに位
置する。深いドナー準位はＥＬ２によるもので、伝導帯
底より０．７５ｅＶ浅い準位を、いずれも禁制帯中に形
成する。そして残留する浅いドナー、浅いアクセプタの
両準位が存在する。浅い残留ドナー準位は主にＳｉに起
因し、浅いアクセプタは主にＣに起因する。

【００１１】第２図はＬＥＣ（Liquid Encapsulate Czo
chralski）法と呼ばれる結晶成長法を示す成長炉の断面
図である。ドーナッツ状のヒータ１１、１２の中央部の
るつぼ６に入れられたＧａＡｓ溶液５があり、その溶液
の液面には種結晶２を介して回転棒１に支えられたＧａ
Ａｓ単結晶３が接している。１１ａ〜１２ｂはそれぞれ
ヒータ１１、１２の一断面を表す。ＧａＡｓ溶液５の表
面全体は表面封止材４に覆われている。

【００１２】この装置でＧａＡｓ単結晶の成長は次の方
法で行われる。まず、成長しようとするＧａＡｓ全てを
溶かした溶液を、１２５０℃以上の十分に高温に保持
し、完全に溶液とする。この時、封止材である例えばＢ
₂Ｏ₃は４００℃以上では液体であり、ＧａＡｓとの比重
の関係でＧａＡｓ上に浮き、ＧａＡｓ溶液表面から蒸気
圧の高い砒素（Ａｓ）が解離するのを防ぐ機能をもって
いる。

【００１３】次に、ヒータの温度をＧａＡｓ溶液表面が
融点の１２４０℃程度になるように調整する。その後、
上方よりＧａＡｓ種結晶を徐々に降下させ、封止材のＢ
₂Ｏ₃を突き抜けその先端を液面に接触させる。この時、
種結晶２は回転棒の動きにより自転動作を行っている。
回転動作は種結晶の先端部での温度の均一性を高めるた
めに行い、その速度としては１０〜４０ｒｐｍ程度であ
る。回転が速すぎると液面を乱し、固化時の温度不均一
を招いてしまうため、その上限は４０ｒｐｍ程度に押さ
えられる。その後、種結晶を徐々に引き上げることで、
その先端にはＧａＡｓ溶液が固化して単結晶が成長す
る。得られる単結晶の直径は引上げ速度に依存するが、
２０〜４０ｍｍ／時程度で直径３インチのＧａＡｓ単結
晶を得ることができる。単結晶の径は引き上げ速度と、
液面１０の温度勾配で決定され、引上げ速度が遅いほ
ど、また温度勾配が小さいほどに径は大きくなる。単結
晶が成長するにつれＧａＡｓ液面は下降し、液面での温
度も変化してしまうが、液面位置とその温度を監視する
ことで、これを補償する必要がる。またこの装置全体は
窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性ガスあるいは、Ａ
ｓを含む雰囲気化におかれ、成長した単結晶表面を汚染
やひ素の離脱から保護する。

【００１４】ＧａＡｓ原材料は、ＧａとＡｓとそれぞれ
同じ封管内に封止し、これを昇温させＡｓを気化しＧａ
と反応させることにより作製する。ＥＬ２濃度を確保す
るために、最初の溶液においてはストイキオメトリ値か
らＧａリッチ側にその組成を変更する。ＥＬ２の原因は
Ｇａサイトに進入したＡｓ原（アンチサイトＡｓ）に起
因するため、Ｇａ空孔を減らす目的でＧａリッチの組成
を原材料とする。さらに、ＥＬ２から吐き出される伝導
電子を補償するために、浅いアクセプタを形成する元素
としてのＣをこの原材料中に混和させる必要がある。

【００１５】ここで、浅いアクセプタを形成する元素と
しては、Ｃに代えてアルカリ金属である、リチウム（Ｌ
ｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウ
ム（Ｃｄ）などが適用可能である。この場合これら元素
のＧａＡｓ中での溶解度、および偏析係数（ＧａＡｓ固
体と液体とでの溶解度の差）に留意しなければならな
い。この係数が小さい場合には、結晶を引上げる際の初
期部分では元素の含有量が少なく、進行するに従い含有
量が増加してしまう。Ｃについてはこの値が０．８と比
較的大きく、得られた単結晶中でほぼ均一な分布を示
す。

【００１６】Ｃは装置を構成する材料中に多少なりとも
含有されている元素であり、意図的に添加せずとも通常
の結晶中には１０¹⁴〜１×１０¹⁵ｃｍ^-3程度は必ず含ま
れている。このＧａＡｓ原溶液を作成する際に、上記Ｇ
ａとＡｓの反応を経た後の溶液中にＣを加えることで、
この不純物添加を行った。Ｃの量はＧａＡｓ溶液の量と
の関係で決定されるが、ＣのＧａＡｓ中への偏析係数は
比較的大きく、十分均一に溶解し、かつ得られた結晶中
の分布もほぼ均一となる。

【００１７】ＧａＡｓ原材料中へＣを添加することに加
え、本発明においてはＣｒを添加することを特徴とす
る。Ｃｒの濃度としては０．０１ｗｔｐｐｍ（４．４×
１０¹⁴ｃｍ^-3）乃至０．２ｗｔｐｐｍ（８．８×１０¹⁵
ｃｍ^-3）が必要であり、このＣｒ濃度を確保するために
は、０．５乃至３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3程度のＣｒ添加が
必要である。また、ＣｒのＧａＡｓへの偏析係数は６×
１０^-4と非常に小さいために、成長した結晶中でＣｒの
偏析が問題となるが、このような少量添加の場合には、
顕著な不均一性を示すことがない。

【００１８】このＬＥＣ法および本発明によるＣｒとＣ
の共添加法を用いた、半絶縁性ＧａＡｓ基板において
は、比抵抗が１．０×１０⁸ Ωｃｍと十分な絶縁性を示
し、また転移密度も５〜８×１０⁴ 個／ｃｍ² と、エピ
タキシャル成長用の絶縁性基板として十分な性能を示し
た。

【００１９】図３は本発明の半絶縁性基板を得る他の方
法を示す図である。ＶＢ（VerticalBridgeman）法と呼
ばれる方法であり、ＧａＡｓ原材料を封管６内に封入
し、これをヒータ１１、１２を備える炉内に導入する。
封管の材質としては石英、ＢＮ（窒化ボロン）等が用い
られる。封管内にはＧａＡｓ種結晶３を設けておき、こ
の種結晶の上部付近の温度が１２５０℃以上の高温にな
るようにヒータ温度を設定する。十分原材料を溶融した
後、封管全体を回転させながらこれを徐々に降下させる
と、原材料の種結晶寄りの部分から徐々に結晶化が進
む。

【００２０】この時の単結晶の口径は封管の径で制限さ
れるので、封管の降下速度、回転速度には異存しない。
両方の条件はいずれも、原材料の固体／液体界面１０で
の温度の均一性、温度勾配を左右し、成長した単結晶の
結晶性を決定する。種々の環境条件にもよるが、降下速
度としては数分／ｍｍ〜数十分／ｍｍであり、数ｒｐｍ
〜数十ｒｐｍの範囲が一般的である。

【００２１】このＶＢ法による成長の場合においても、
ドーパントであるＣ、ＣｒはＧａＡｓ原材料と同時の封
管ないに導入され、またその時の量もＬＥＣ法の場合と
同様である。また残留Ｃ濃度もＬＥＣ法の場合とほぼ同
様な値を示し、０．８乃至２．０×１０¹⁵ｃｍ^-3となっ
た。さらに、ＧａＡｓ原材料についても、予めＧａとＡ
ｓを気相反応でＧａＡｓとした上で封管に導入する。Ｌ
ＥＣ法で用いた封止材であるＢ₂Ｏ₃は、このＶＢ法では
用いる必要はない。石英、ＢＮなどの封管に機密封止さ
れることで、管内はＡｓの蒸気圧が高くなり単結晶表面
からのＡｓの解離を防止することができる。

【００２２】本ＶＢ法により得られた半絶縁性ＧａＡｓ
基板は、比抵抗が１．０×１０⁸ Ωｃｍの値を示し、ま
た、転移密度が３〜８×１０³ 個／ｃｍ^-2と、ＬＥＣ法
により作製された基板以上の特性を示した。

【００２３】次に本発明による半絶縁性基板を用いた電
界効果トランジスタ（ＦＥＴ）について説明する。

【００２４】図４はＦＥＴの断面構造を示し、上で説明
した半絶縁性ＧａＡｓ基板２１上に厚さ１μｍのアンド
ープＧａＡｓ層２２、厚さ１０ｎｍでキャリア密度２．
０×１０¹⁸ｃｍ^-3のＳｉドープＧａＡｓ層２３、厚さ４
０ｎｍのアンドープＧａＡｓ層２４を、それぞれＯＭＶ
ＰＥ法により気相成長した。全層を成長した後、ｎ+層
２５のＳｉイオンをバッファー層２２まで達する深さで
選択イオン注入し、この注入イオンを熱処理してドナー
とした。ゲート２６、オーミック２７の各電極を形成し
た後、不要部をエッチング除去してＦＥＴを完成する。

【００２５】ここで、半絶縁性基板２１としては、Ｃｒ
濃度が０．１ｗｔｐｐｍ、Ｃ濃度が４．０×１０¹⁵ｃｍ
^-3のもの用いた。この時の基板の比抵抗は１．０×１０
⁸ Ωｃｍである。この基板上およびＣ濃度の異なる基盤
上に作製されたＦＥＴのゲート−ドレイン耐圧を比較検
討した。ここで耐圧は、ゲート−ドレイン間に逆バイア
ス電圧を印加してゆき、ゲート幅１μｍあたりに電流と
して１μＡの逆方向リーク電流が流れる時の印加電圧を
耐圧とした。

【００２６】図５は、種々の比抵抗の基板（Ｃ濃度を変
えた基板）についての、上記ゲート耐圧の関係を示すも
のである。この時Ｃｒは添加していない。ＬＥＣ法ある
いはＶＢ法により成長した基板では、残留のＣ濃度は最
高でも２．０×１０¹⁵ｃｍ^-3程度あり、この場合にはド
レイン耐圧としては１８Ｖ程度しか確保されない。この
時の基板比抵抗は３．５×１０⁷ Ωｃｍ程度は確保され
る故、半絶縁性基板として用いることは可能である。

【００２７】Ｃ濃度を高めてゆき、４．０×１０¹⁵ｃｍ
^-3ドープした基板では、比抵抗が１．０×１０⁸ Ωｃｍ
まで高めることができ、その時のＦＥＴドレイン耐圧も
２３Ｖ以上確保される。しかしながら、このＣのみをド
ープした基板においては、Ｃによる絶縁性確保の機構が
深いドナー準位に起因するものである故、このＣ準位に
捕獲された電子が、伝導帯に励起されることによる基板
のリーク電流が顕著となってくる。

【００２８】基板リーク電流は次の方法で測定された。
厚さ６５０μｍの基板裏面全面に金属電極を設け、基板
の表面側に作製した一辺８０μｍの正方形の電極との間
に、バイアス電圧２０Ｖを印加した特に流れる電流を測
定した。Ｃｒを共添加しないＣドープ基板（Ｃ濃度４．
０×１０¹⁵ｃｍ^-3）では、リーク電流が１７μＡであっ
たものが、Ｃｒを添加するに従い減少し、Ｃｒ濃度０．
１ｗｔｐｐｍにおいては、この値が５．０μＡにまで低
減した。この時基板の比抵抗はＣｒ濃度には大きくは異
存せず、ほぼ１．０×１０⁸ Ωｃｍと一定であった。

【００２９】このことは、Ｃドープ基板の絶縁性補償機
構が、ＥＬ２の深いドナー準位と、Ｃの浅いアクセプタ
との間の相互の補償機構によるために、ＥＬ２から伝導
帯に励起された電子が、基板リーク電流となって現れる
ことに起因している。Ｃｒを共添加することで、Ｃｒに
よる深いアクセプタにこの励起電子が捕獲される結果、
基板リーク電流が減少する。

【００３０】上記説明においては、ＦＥＴの活性層とし
てドナー不純物のＳｉが高濃度でドープされた薄い層
（いわゆるパルスドープ層）が単一のものを例として挙
げた。本発明はこの単一のパルスドープ層に制限される
ものではなく、例えば図６に示されるような、パルスド
ープ層が２層（ダブルパルスドープ層）のもの、あるい
は図７の単一のパルスドープ層の上に積層されるノンド
ープ層２４に対し、パルスドープ層側から漸次Ｓｉの添
加濃度を低めた、グレーディッドパルスドープ層に対し
ても、同様に適用可能である。

【００３１】ダブルパルスドープ層においては、基板深
い側のパルスドープ層が、ゲート電極によって変調され
る変調電流が主に流れる層となり、表面側のパルスドー
プ層は、表面空乏層がこの主チャンネル層に及ぶのを抑
制する働きがある。この構造においては、表面側の空乏
層の影響が現象するため、ゲートバイアスを浅くしても
（正のゲート−ソース間電圧を与えても）、表面空乏層
の影響による電流の飽和効果を避けることができる。後
者の構造においては、Ｓｉ濃度がグレーディッドに変化
する表面層が、上記ダブルパルスドープ層における表面
側のドープ層と同じ作用をもたらし、表面空乏層が主チ
ャネル層たるパルスドープ層にまで広がるのを防いでい
る。

【００３２】また上記のいずれのＦＥＴにおいても、最
表面層２４としてノンドープのＧａＡｓを用いている
が、本発明によるＦＥＴはこの材料に限定されることは
ない。例えば、ノンドープのＡｌＧａＡｓを用いること
も可能である。ＡｌＧａＡｓは、Ａｌ対Ｇａの全ての組
成範囲に渡って、ほぼＧａＡｓに整合する格子定数を有
するため、ＧａＡｓパルスドープ層上に積層する厚さを
制限されることはない。さらに、ＡｌＧａＡｓは常にＧ
ａＡｓよりも禁制帯幅が大となるため、ゲート金属との
間の接触ポテンシャルを大きくすることができる。

【００３３】さらに、本発明の効果はパルスドープ型Ｆ
ＥＴに制限されるものではなく、エピタキシャル成長に
より作製される、例えば高移動度電界効果トランジスタ
（ＨＥＭＴ）にも同様に適用できるものである。

【００３４】

【発明の効果】本発明による半絶縁性ＧａＡｓ基板を用
いることにより、Ｃが比較的高い濃度でドープされてい
るために、この基板上に成長されたエピタキシャル層を
用いたＦＥＴのゲート−ドレイン耐圧を向上させること
が可能となることに加え、Ｃｒを共添加しているため
に、基板リーク電流を減少させることが可能となる。そ
の結果、ＦＥＴの相互コンダクタンスＧｍの周波数特性
を補償することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体基板の絶縁メカニズムを説
明する図である。

【図２】ＬＥＣ法による結晶成長を説明する図である。

【図３】ＶＢ法による結晶成長を説明する図である。

【図４】本発明によるＦＥＴの断面構造を示す図であ
る。

【図５】Ｃ濃度と基板の比抵抗、ＦＥＴのドレイン耐圧
の関係を説明する図である。

【図６】第２の実施の形態を説明する図である。

【図７】第３の実施の形態を説明する図である。

【符号の説明】

１：回転棒２：ＧａＡｓ溶液３：種結晶４：Ｂ₂Ｏ₃キャップ材５：ＧａＡｓ単結晶１０：固液界面１１、１２：ヒータ２１：半絶縁性ＧａＡｓ基板２２：アンドープＧａＡｓ層２３：Ｓｉドープパルスドープ層２４：アンドープＧａＡｓ層２５：ｎ⁺ 層２６：ゲート電極２７：オーミック電極２８：アンドープＧａＡｓ層２９：第２のパルスドープ層３０：グレーディッドなドープ層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂本良二神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者中田健神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内Ｆターム(参考） 4G077 AA02 AB01 BE46 CD02 CF10 EB05 EC01 EC08 ED06 HA06 HA12 5F102 FA01 GB01 GC01 GD01 GJ05 GK05 GL05 GL20 GM05 GM06 GM07 HC01 HC07 HC21

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化合物半導体材料のエピタキシャル成長
に用いられるＧａＡｓ基板であって、クロム（Ｃｒ）と炭素（Ｃ）の両方の元素がドープさ
れ、４．０×１０⁷ Ωｃｍ以上の比抵抗を有する半絶縁
性基板。
【請求項２】前記添加されたクロムの濃度が０．０１
ｗｔｐｐｍ〜０．２ｗｔｐｐｍであり、前記添加された
炭素の濃度が２．０×１０¹⁵ｃｍ^-3以上である請求項１
のＧａＡｓ基板。
【請求項３】クロム及び炭素がドープされ比抵抗４．
０×１０⁷ Ωｃｍ以上の半絶縁性ＧａＡｓ基板と、該ＧａＡｓ基板上のドナー不純物となる元素が１．０×
１０¹⁸ｃｍ^-3以上ドープされ厚さが５ｎｍ乃至２０ｎｍ
のパルスドープ層と、該パルスドープ活性層上のアンドープＧａＡｓ層と、該アンドープＧａＡｓ層に接するゲート電極と、該ゲート電極を挟み該パルスドープ層に達する深さを有
する高濃度Ｓｉ注入層と、該高濃度Ｓｉ注入層上の該ゲ
ート電極を挟んで設けられたオーミック電極、とを含んで構成される電界効果トランジスタ。
【請求項４】前記パルスドープ層にかえ、該ＧａＡｓ基板上のドナー不純物となる元素が１．０×
１０¹⁸ｃｍ^-3以上ドープされ厚さが５ｎｍ乃至２０ｎｍ
の第１のパルスドープ層と、該パルスドープ層上の厚さ１０ｎｍ乃至２０ｎｍのアン
ドープＧａＡｓ層と、該アンドープＧａＡｓ層上の厚さ５ｎｍ乃至２０ｎｍの
第２のパルスドープ層、とを有する、請求項３に記載の
電界効果トランジスタ。
【請求項５】前記アンドープＧａＡｓ層は、前記パル
スドープ層と接する界面において所定の不純物濃度を有
し、前記界面から前記ゲート電極側に離れるにつれて不
純物濃度が減少するグレーディッドなドープ層である、
請求項３に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】前記アンドープＧａＡｓ層にかえ、アン
ドープＡｌＧａＡｓ層を備える請求項３に記載の電界効
果トランジスタ。
【請求項７】該ＧａＡｓ基板の前記トランジスタが形
成される面と対向する面に接地電極を備えている、請求
項３に記載の電界効果トランジスタ。