JPH0445976B2

JPH0445976B2 -

Info

Publication number: JPH0445976B2
Application number: JP56192593A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Nanbu; Shigeru Tatsuta
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1981-11-30
Filing date: 1981-11-30
Publication date: 1992-07-28
Also published as: JPS5893377A

Description

【発明の詳細な説明】

(1) 発明の技術分野本発明は半導体装置の製造方法に関する。詳し
くは、本特許出願の出願人のなした先の特許出願
（特願昭第55−82035号と特願昭第54−171026号）
に係る高電子移動度トランジスタの構造を改良し
た半導体装置の製造方法に関する。 (2) 技術の背景高電子移動度トランジスタとは電子親和力の相
異なる２種の半導体を接合することによる形成さ
れる一つのヘテロ接合面の近傍に蓄積される電子
群（二次元電子ガス）の電子濃度を制御電極によ
つて制御して、他に設けられた一対の入・出力電
極間に前記蓄積電子群によつて形成される導電路
のインピーダンスを制御する能動的半導体装置を
いう。高電子移動度トランジスタの大きな特徴は、上
記の蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子移動度
が、不純物散乱による効果が電子移動度を抑制す
る主因となるような低い温度例えば77〓以下の温
度において、極めて大きくなることである。すな
わち、上記の蓄積電子群（二次元電子ガス）は、
電子親和力の大きな半導体層（チヤンネル層）中
ではあるが、ヘテロ接合のごく近傍に、ごく薄く
100〓程度以内の範囲に蓄積されるので、電子親
和力の小さな半導体よりなる層（電子供給層）か
ら空間的に分離され、その電子移動度は不純物散
乱によつて影響されない。そこで、この不純物散
乱による効果が電子移動度の増大を阻むこととな
るような低温において、極めて大きな電子移動
度、すなわち、77〓において1.5×10⁵cm²／VS、
５〓において５×10⁵／VS程度となることが実験
的に確認されている。ところで、かかる蓄積電子群（二次元電子ガ
ス）の電子移動度は、ヘテロ接合近傍に存在する
イオン化された不純物にもとづく不純物散乱に多
かれ少なかれ影響される。この悪影響の原因とな
る不純物は電子供給奏すなわち電子源をなす電子
親和力の小さな半導体に含有されるものとチヤン
ネル層すなわち電子親和力の大きな半導体に含有
されるものとがある。従来技術の高電子移動度ト
ランジスタにおいては電子供給層はｎ型の不純物
を含有して電子源となされており、チヤンネル層
のみ不純物を含有しないものとされていた。そこ
で、電子親和力の小さな半導体に含有される不純
物による散乱の影響を低減して電子移動度を大き
くするには蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子
面濃度を増加すればよいことになる。電子面濃度
の上昇により電子の散乱ポテンシヤルのスクリー
ニング効果が大きくなるからである。蓄積電子群
（二次元電子ガス）の電子面濃度を大きくするに
は電子供給層のｎ型不純物濃度を大きくすればよ
く、これにより電子移動度も大きくなしうる。し
かし、一方、電子供給層のｎ型不純物濃度を大き
くすると高温工程においてチヤンネル層中に拡散
するｎ型不純物の濃度も増大するから、このチヤ
ンネル層中に存在する不純物にもとづく不純物散
乱の影響が大きくなり、結果として電子移動度は
低下する。したがつて、電子供給層中の不純物濃
度を無制限に大きくすることはできない。 (3) 従来技術と問題点従来技術における高電子移動度トランジスタに
おいては、蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子
面濃度は増大する効果は有するがチヤンネル層中
に拡散する不純物の量は増大させないという目的
をもつて、ｎ型の不純物を含有する電子供給層と
不純物を含有しないチヤンネル層との間に電子供
給層と同一の半導体よりなり不純物を含有しない
層（バツフア層）を介在させていた。ところで、
このバツフア層の厚さを大きくすればする程、電
子供給層中の不純物がチヤンネル層中に拡散する
悪影響は防止しうるが、一方、この厚さを大きく
すればする程、電子親和力の差に起因するポテン
シヤルギヤツプの効果は減殺されるから、蓄積電
子群（二次元電子ガス）の電子面農度は減少す
る。換言すれば、バツフア層の効果には、おのず
と限度がある。そこで、もし、蓄積電子群（二次
元電子ガス）の電子源を電子供給層に含有される
ｎ型不純物ではなく、他の要素に求めることがで
きれば、不純物散乱の影響を最小にして、しか
も、蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子面濃度
を十分に大きくなしうるので、電子移動度を従来
技術における高電子移動度トランジスタより更に
大きくなしうる筈である。 (4) 発明の目的本発明の目的はこの要請を満足するものであ
り、電子源を電子供給層に含有されるｎ型不純物
に依存するのではなく、他の要素にこれを求め、
しかも、蓄積電子群（二次元電子ガス）の電子面
濃度を十分に大きくして、不純物散乱の影響を増
大することなく蓄積電子群（二次元電子ガス）の
電子移動度が増加されている構造の高電子移動度
トランジスタを製造する方法を提供することにあ
る。 (5) 発明の構成本発明の構成は、(イ)実質的に不純物を含有して
いない１の半導体よりなる第１の層２と実質的に
不純物を含有しておらず前記の１の半導体の電子
親和力より小さな電子親和力を有する他の半導体
よりなる第２の層３とを、いづれかを上層として
積層して半導体積層体を製造し、(ロ)この半導体積
層体の上層をなす前記の第２の層３または前記の
第１の層２の上に、電磁波の透過を許す制御電極
６を形成し、(ハ)この制御電極６を挟んで、前記の
上層をなす前記の第２の層３または前記の第１の
層２の上に、入・出力電極４を形成して、半導体
構造体を製造し、(ニ)この半導体構造体を低温に保
持して、前記の制御電極６を透過して前記の半導
体構造体の前記第２の層３に電磁波を照射し、前
記の第１の層２と前記の第２の層３との界面近傍
の前記第１の層２中に電子群（二次元電子ガス）
を発生させる工程を有する半導体装置の製造方法
である（特許請求の範囲第１項）。また、上記の構成において、前記の第２の層３
と前記の制御電極６との間（第１の層２が下層で
あり、第２の層３が上層である場合）、または、
前記の第２の層３と基板との間（第２の層３が下
層であり、第１の層２が上層である場合）には、
ｎ型の不純物を含有し前記の第２の層３を構成す
る半導体と同一の半導体の層８を形成することゝ
すると、二次元電子ガス（電子群）の発生濃度が
向上し、制御も容易になる（特許請求の範囲第２
項）。さらに、上記いづれの構成においても、前記の
電磁波を照射する工程は、前記の半導体構造体を
低温容器中に収容してなし、前記の二次元電子ガ
ス（電子群）が発生している前記半導体装置は、
引き続き、前記低温容器中に収容しておくことゝ
することが現実的である（特許請求の範囲第３
項）。ところで、上記の製造方法を実施して製造した
高電子移動度トランジスタにおいては、第１層
（以下チヤンネル層と云う。）２のみならず、第２
層（以下電子供給層と云う。）３にも不純物は含
有されていないので、不純物散乱の影響は最小限
に限定されており、一方、低温において少なくと
も電子供給層３に対し光等の電磁波が照射されて
電子供給層３を構成する半導体またはこれに含ま
れる浅い不純物準位が励起されているので、電子
供給層３とチヤンネル層２とのヘテロ界面近傍に
は十分な量の電子群が蓄積されて二次元電子ガス
よりなる導電路７が構成されているので、電子移
動度が従来の高電子移動度のトランジスタにおけ
るよりも更に高くなる。なお、上記の製造方法を実施して製造した高電
子移動度トランジスタにおいて、電子供給層３と
チヤンネル層２とのヘテロ界面近傍に蓄積される
二次元電子ガス（導電路７）の面濃度は、電磁波
の照射によつて発生する自由電子の量によつて決
定されるから、電子供給層３は、上記の不純物散
乱の発生を防止する効果が十分期待しうる程度の
厚さを有し不純物を含有しないことが望ましく、
また、この不純物を含有しない電子供給層３に接
してこれを同一の半導体よりなりｎ型の不純物を
含有する層（ｎの不純物を含有し第２の層３を構
成する半導体と同一の半導体の層であり、以下追
加層と云う。）８が追加されることは、電子移動
度を増大するために有効である（特許請求の範囲
第２項）。この実施態様における、不純物を含有
しない電子供給層３の有するべき厚さの下限は上
記の不純物拡散を抑制しうる厚さであるが、半導
体の組み合せが砒化ガリユウム（GaAs）とアル
ミニウムガリユウム砒素（AlGas）の場合、150
Å程度である。なお、ｎ型の不純物を含有する追加層８が追加
されるべき位置は、第２図に示すように、電子供
給層３がチヤンネル層２の上層であるときは、電
子親和力の小さな半導体よりなる電子供給層３と
制御電極６との間となり、電子供給層３がチヤン
ネル層２の下層であるときは、電子供給層３の下
層となる。上記の製造方法を実施して製造した高電子移動
度トランジスタにおいて電子供給層３とチヤンネ
ル層２とのヘテロ界面近傍に蓄積される電子群の
量は、低温に保持されているかぎり、少なくとも
１年間程度の期間は顕著な減少は認められない
が、いずれにせよ、時間の経過とゝもに指数函数
的に減少することは避け難い。そこで、高電子移
動度トランジスタを低温容器（図示せず。）内に
保つことが現実的である（特許請求の範囲第３
項）。また、これだけでなく、これに間欠的に光等の
電磁波を照射する手段、例えば、制御電極６に対
接して配設された半導体発光素子（図示せず。）
とこれを所望の時間毎に動作させるべき駆動回路
（図示せず。）とを設けておくことは、産業上の利
用性を向上する見地から極めて有意義である。上
記の構成（特許請求の範囲第１項・第２項・第３
項）における高電子移動度トランジスタの寿命に
比し、この第４の実施態様における高電子移動度
トランジスタの寿命は非常に長いからである。高電子移動度トランジスタを構成する２種の半
導体の具備するべき条件は、(イ)両者の格子定数が
同一または近似していること、(ロ)電子親和力の差
が大きいこと、(ハ)バンドギヤツプが大きいことで
あり、非常に多数の組み合せが存在するが、本発
明はそのいずれの組み合せに対しても適用可能で
ある。又、高電子移動度トランジスタはチヤンネル層
が電子供給層の上層として構成される場合と下層
として構成される場合とがあるが、本発明はその
いずれに対しても適用しうる。一般に電子親和力
の大きな物質はバンドギヤツプが小さく基礎吸収
端波長は長いから、電子供給層が下層の場合は、
電子供給層に照射される電磁波はチヤンネル層中
で一部吸収され減水したものであるが、特にチヤ
ンネル層が上層とされる場合、チヤンネル層の厚
さは極めて薄く1000Å程度であるから、実質的に
十分使用に耐えるからである。照射に使用する電磁波の波長は電子供給層を構
成する半導体は基礎吸収端波長より短いことが望
ましいが、上記のとおり半導体中に不可避的に含
まれる不純物の浅い不純物準位も励起するから、
上記の基礎吸収端波長より短い波長であることは
必須の要件ではない。光等の電磁波の照射量の制御によりピンチオフ
電圧の制御が可能なことは言うまでもない。 (6) 実施例以下、図面を参照しつつ、本発明の二つの実施
例に係る高電子移動度トランジスタの製造方法に
ついて説明し、本発明の構成と特有の効果とを更
に明らかにする。半導体の組み合せは、一例として、砒化ガリユ
ウム（GaAs）とアルミニウムガリユウム砒素
（AlGaAs）との組み合せとする。第１実施例（特許請求の範囲第１項に対応）第
１図参照第１図は、本発明の一実施例に係る半導体装置
の製造方法を実施して製造した高電子移動度トラ
ンジスタの完成状態における断面図を示す。図に
おいて、１はクローム（Cr）等を含有する砒化
ガリユウム（GaAs）よりなる基板であり、２は
基板１上に格子整合の上形成された実質的に不純
物を含有しない砒化ガリユウム（GaAs）層より
なるチヤンネル層であり、およそ2000Åの厚さを
有する。３はチヤンネル層２上に格子整合を上形
成された実質的に不純物を含有しないアルミニユ
ウムガリユウム砒素（AlGaAs）層よりなる電子
供給層であり、およそ500Åの厚さを有する。以
上の半導体層２，３はモレキユラービームエピタ
キシヤル成長法を使用してつづけて形成する。４
は入・出力電極（ソース・ドレイン電極）形成領
域上に選択的に形成された金・ゲルマニユウム／
金（AuGe／Au）層よりなる入・出力電極ソー
ス・ドレイン電極）であり、450℃程度において
熱処理して電子供給層３を貫通してチヤンネル層
２の上部まで合金化して合金層５を形成しこれを
介して入・出力電極（ソース・ドレイン電極）４
とチヤンネル層２とを抵抗性に接続してある。６
は制御電極（ゲート電極）であり、本実施例にあ
つては100Å程度の厚さを有するアルミニユウム
（Al）幕である。この程度の厚さにおいては光等
の電磁波を透過するから光照射用の開口は不必要
である。以上の製造工程完了後の状態においては、チヤ
ンネル層２と電子供給層３との界面近傍の電子群
は蓄積していないが、矢印をもつてなすように、
光等の電磁波を照射すると、図において入・出力
電極（ソース・ドレイン電極）の下部領域を除
き、上記のヘテロ界面近傍に電子群７が蓄積して
ノーマリオン型の高電子移動度トランジスタとし
て機能することになる。なお、光等の電磁波を照射された後、電子供給
層３とチヤンネル層２とのヘテロ界面近傍に蓄積
されている電子群（二次元電子ガス）を保持する
ためには、低温に保持される必要があるので、低
温容器（図示せず。）に収納されている必要があ
る。ここで、電磁波照射後の状態における蓄積電子
群（二次元電子ガス）の電子面濃度とその電子移
動度とを77〓と５〓とにおいて測定せるところ、
次表に示すとおりであつた。本発明の一実施例における電子面濃度と電子移動度測定温度電子面濃度電子移動度 cm^-2 cm²／Vsec 77〓 4.5×10¹¹ 200000 ５〓 5.0×10¹¹ 1200000 この測定結果は、下表に示す従来技術における
値に比し大幅な改善を示す。従来技術の一例における電子面濃度と電子移動度測定温度電子面濃度電子移動度 cm^-2 cm²／Vsec 77〓 3.5×10¹¹ 160000 ５〓 3.4×10¹¹ 540000 第２実施例（特許請求の範囲第２項に対応）第２
図参照第２図は本発明の他の実施例に係る半導体装置
の製造方法を実施して製造した高電子移動度トラ
ンジスタの完成状態における断面図を示す。第１
図と異なるところは、電子供給層３の厚さが多少
薄く150Åであることと、電子供給層３上にｎ型
のアルミニユウムガリユウム砒素（AlGaAs）よ
りなり厚さ350Å程度の追加層８があることのみ
である。この場合は、光等の電磁波の照射を受ける前か
ら蓄積電子群は存在するが、光等の電磁波の照射
によりその値が下表に示すように向上する。

【表】なお、低温に保持される必要があるので、低温
容器（図示せず。）に収納されている必要がある。更に、興味あることは、光等の電磁波の照射量
を増加すると、第３図に示すとおり、電子面濃度
は、当然予想されたとおり、増大するが、電子移
動度と電子面濃度とは必ずしも比例せず、電子面
濃度と電子移動度との関係は第４図に示すとおり
極大値を有することである。図において、曲線Ａ
は77〓における測定結果を、曲線Ｂは５〓におけ
る測定結果を、それぞれ示す。上記のとおり、電子面濃度は時間に対し指数函
数的に減少するので、この第４図に示す特性を考
慮に入れて光等電磁波の照射量を決定すればよ
い。 (7) 発明の効果以上説明せるとおり、本発明によれば、電子源
を電子供給層に含有されるｎ型不純物に依存する
のではなく他の要素具体的には光等の電磁波にこ
れを求め、しかも、蓄積電子群（二次元電子ガ
ス）の電子面濃度を十分に大きくして、不純物散
乱の影響を増大することなく蓄積素子群（二次元
電子ガス）の電子移動度が増加されている高電子
移動度トランジスタの製造方法を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る半導体装置の
製造方法を実施して製造した高電子移動度トラン
ジスタの断面図であり、第２図は本発明の他の実
施例に係る半導体装置の製造方法を実施して製造
した高電子移動度トランジスタの断面図である。
第３図は本発明に係る半導体装置の製造方法を実
施して製造した高電子移動度トランジスタの電子
供給層に光等の電磁波を照射した場合の電子面濃
度対射量の関係を示すグラフであり、第４図は第
３図に対応する状態における電子移動度対電子面
濃度の関係を示すグラフである。１……半絶縁性の半導体（砒化ガリユウム）基
板、２……第１の層（チヤンネル層・ｉ型砒化ガ
ルユウム層）、３……第２の層（電子供給層・ｉ
型アルミニユウムガリユウム砒素層）、４……
入・出力電極（ソース・ドレイン電極）、５……
入・出力電極の合金化領域、６……制御電極（ゲ
ート電極）、７……蓄積電子群（二次元電子ガス）
よりなる導電路、８……ｎ型の不純物を含有し第
２の層３を構成する半導体と同一の半導体の層
（追加層・ｎ型アルミニユウムガリユウム砒素
層）、Ａ……77〓において測定した電子移動度対
電子面濃度を示す曲線、Ｂ……５〓において測定
した電子移動度対電子面濃度を示す曲線。

Claims

【特許請求の範囲】１実質的に不純物を含有していない１の半導体
よりなる第１の層２と実質的に不純物を含有して
おらず前記１の半導体の電子親和力より小さな電
子親和力を有する他の半導体よりなる第２の層３
とを、いづれかを上層として積層して半導体積層
体を製造し、該半導体積層体の上層をなす前記第
２の層３または前記第１の層２の上に、電磁波の
透過を許す制御電極６を形成し、該制御電極６を
挟んで、前記上層をなす前記第２の層３または前
記第１の層２の上に、入・出力電極４を形成し
て、半導体構造体を製造し、該半導体構造体を低温に保持して、前記制御電
極６を透過して前記半導体構造体の前記第２の層
３に電磁波を照射し、前記第１の層２と前記第２
の層３との界面近傍の前記第１の層２中に電子群
（二次元電子ガス）を発生させる工程を有することを特徴とする半導体装置の製造
方法。２前記第２の層３と前記制御電極６との間（第
１の層２が下層であり、第２の層３が上層である
場合）、または、前記第２の層３と基板との間
（第２の層３が下層であり、第１の層２が上層で
ある場合）には、ｎ型の不純物を含有し前記第２
の層３を構成する半導体と同一の半導体の層８を
形成する工程を有することを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の半導体装置の製造方法。３前記電磁波を照射する工程は、前記半導体構
造体を低温容器中に収容してなし、前記電子群
（二次元電子ガス）が発生している前記半導体装
置は、引き続き、前記低温容器中に収容すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項
記載の半導体装置の製造方法。