JPH0815212B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH0815212B2
JPH0815212B2 JP60191717A JP19171785A JPH0815212B2 JP H0815212 B2 JPH0815212 B2 JP H0815212B2 JP 60191717 A JP60191717 A JP 60191717A JP 19171785 A JP19171785 A JP 19171785A JP H0815212 B2 JPH0815212 B2 JP H0815212B2
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phonon
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昌夫 板橋
晃 石橋
芳文 森
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/17Semiconductor regions connected to electrodes not carrying current to be rectified, amplified or switched, e.g. channel regions
    • H10D62/351Substrate regions of field-effect devices
    • H10D62/357Substrate regions of field-effect devices of FETs
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D30/00Field-effect transistors [FET]
    • H10D30/40FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels
    • H10D30/47FETs having zero-dimensional [0D], one-dimensional [1D] or two-dimensional [2D] charge carrier gas channels having two-dimensional [2D] charge carrier gas channels, e.g. nanoribbon FETs or high electron mobility transistors [HEMT]
    • H10D30/471High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT]
    • H10D30/473High electron mobility transistors [HEMT] or high hole mobility transistors [HHMT] having confinement of carriers by multiple heterojunctions, e.g. quantum well HEMT

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  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Recrystallisation Techniques (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体装置、特にGaAs基板上に化合物半導体
層をエピタキシャル成長して動作領域を形成する種々の
化合物半導体装置例えば2次元電子ガスチャンネルによ
るFET、いわゆるHEMT等の化合物半導体装置に係わる。
〔発明の概要〕 本発明はGaAs基板上に(AlAs)(GaAs)の超格子
構造のバッファを形成し、これの上に化合物半導体例え
ばAlGaAs系化合物半導体をエピタキシャル成長させるこ
とによって高品位の化合物半導体層を形成する。
〔従来の技術〕
HEMT等の化合物半導体装置においては、例えばCrがド
ープされた半絶縁性GaAs基板上にAlGaAs系の各半導体
層、例えばアンドープのGaAs半導体層、n型のAlGaAs半
導体層、さらにその上にGaAs半導体層が順次例えばMOCV
D(Metalorganic Chemical Vapor Deposition)法或い
はMBE(Molecular Beam Epitaxy)法等によって、順次
エピタキシャル成長してその動作領域、即ちHEMTにおい
ては、2次元電子ガスチャンネルを形成する領域を含む
各領域の形成を行う。この場合、高品質のエピタキシャ
ル層を得るためには、その動作領域を形成する部分例え
ば前述したHEMTにおけるアンドープのGaAs層は数十μm
程度の厚さまで成長させる必要があった。これはGaAs基
板からのCr等の不純物の拡散や結晶欠陥の伝播がGaAs基
板の界面側から生ずることがないようにバッファ層とし
ての機能をもたらしめるために厚い成長膜を形成すると
か或いは実質的にバッファ層の介在を行わしめるもので
ある。
近年このエピタキシャル成長層を薄くしても高品質な
エピタキシャル層を得る対策して超格子の構造のバッフ
ァ層を介してエピタキシャル成長をさせる試みがなされ
ている。例えば超格子構造のバッファ層上に連続して成
長させた量子井戸層の光学的特性が改善されるという報
告がある(藤井他;昭和59年春応用物理学会予稿集29P
N−1,アーノルド(D.Arnold)他;アイ・イー・イー・
イー・エレクトロンデバイスレターズ(IEEE Electron
Device Letters)Vol.EDL−5,No.3,82(1984)参照)。
しかしながらこれらの報告においても、その超格子バッ
ファ層の、バッファ層として作用する機構や最適構造に
関する究明、知見等の報告は未だなされていない。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明においては、特にGaAs基板上に化合物半導体層
のエピタキシャル成長を形成する場合における化合物半
導体の超格子バッファ層としての機能の究明に基づいて
その有効な構造を提供するものであり、これに基づいて
各種半導体装置、例えばHEMT等の化合物半導体において
その高純度、高品質のエピタキシャル層の形成を可能に
し各種半導体装置例えばHEMTにおける特性改善を図るも
のである。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明においては第1図に示すように例えばCrがドー
プされた半絶縁性のGaAs基板(1)上に特定された構造
による超格子バッファ層(2)を介して目的とする動作
領域を形成する半導体層例えばAlGaAs系或いはAlGaInP
系等の半導体層(5)を連続的にMOCVD或いはMBE法等に
よる一連のエピタキシャル工程で形成する。
超格子バッファ層(2)は(AlAs)(GaAs)で、
6≦m≦12,6≦n≦12とする1周期以上の超格子構造と
する。すなわち、不純物は選択的にAlAs層にゲッタさ
れ、そのゲッタリングのためには、AlAs層厚が6原子層
以上(m≧6)必要である事がわかった。この様にする
と、はさまれたGaAsの純度は向上し、従って超格子上の
GaAsの純度も向上する事になる。AlAsのm原子層(3)
とGaAsのn原子層(4)の繰り返し積層した構成とす
る。AlAs層とGaAsとはn=mに選定し得る。
〔作用〕
上述したように半絶縁性のGaAs基板上に(AlAs)
び(GaAs)の各原子層の1周期以上の積層による超格
子バッファ層(2)を形成し、これの上に半導体層
(5)をエピタキシャル成長させる場合、この半導体層
(5)としては、高品質で高純度の即ち基板からの例え
ばCr不純物の拡散による侵入が抑えられる。従って電子
移動度の高い半導体層を構成することができる。
これは(AlAs)(GaAs)の超格子バッファ層
(2)によってGaAs基板からのエピタキシャル成長に際
して混入する不純物例えばCrがAlAs層によってゲットリ
ングされることによる。このAlAsのゲッタリングは、第
3図に示すような混晶と超格子のラマン散乱の結果から
示唆される。即ち、AlGaAs3元混晶でも、(AlAs)(G
aAs)超格子でもGaAs的LOフォノンとAlAs的LOフォノ
ンの2つのピークがラマン散乱で見えるが、その後者の
前者に対する強度比IAl/IGaは混晶の場合には、存在比
できまっていることがわかる。すなわち同図において△
印と○印とは夫々AlxGa1-xAs混晶と、(AlAs)(GaA
s)超格子との、夫々のx/(1−x)(但しxはAlの
分率、(x−1)はGaの分率)を変化させたときのIAl/
IGaを示したものであるが、混晶の場合は、x/(1−
x)の直線に良くのっているに比し超格子にするとこの
比がx/(1−x)よりずっと小さくなっている。一般に
フォノンピーク強度は結晶の質に比例するのでこのこと
は、AlAs層の質が落ち、反面GaAs層の質は向上したこと
を示すものとみられる。つまり、AlAsによるゲッタリン
グがおこっていると思われる。
第4図,第5図,第6図及び第7図は夫々(AlAs)
(GaAs)超格子構造のm=nとし、夫々n=6,8,12,2
としたときのラマンスペクトルを示し、第8図はAl0.5G
a0.5Asの混晶の同様のラマンスペクトルを示す。また第
9図中曲線(31)及び(32)は夫々(AlAs)(GaAs)
超格子構造のm=nとしたときのラマンスペクトルに
おけるAlAs的LOフォノン及びGaAs的LOフォノンの各ピー
ク強度のnの値に対する依存性を示したものであり、同
図中×印及び○印は夫々そのAlAs的フォノン及びGaAs的
フォノンの各nの値を変化させたときの各ピーク強度の
測定値をプロットしたものである。これによれば、AlAs
的LOフォノンのピーク強度は、n=6以上でほぼ一定と
なりまたGaAs的LOフォノンの強度は、nの増加と共に増
大し、m=n=6〜12でAlAs的LOフォノンピーク強度が
GaAs的LOフォノンピーク強度に比し充分小さくなること
が分かる。すなわち、フォノンのピーク強度はLOフォノ
ンの寿命に比例するものであるので、nの増加と共にフ
ォノンの寿命が増加していること、つまりGaAsの純度が
向上していることが分かる。また第10図は同様のn値に
対するLOフォノンピークの半値幅の依存性を示すもの
で、第10図において○印はGaAs的LOフォノンの半値幅、
△印はAlAs的LOフォノンのそれを示す。これによれば両
者共nの増大と共に半値幅が減少しn=6以上でほぼ一
定になることが分かる。即ちフォノンのピークの反値幅
はLOフォノンの寿命の逆数に比例するのでn(=m)が
増大するにつれてLOフォノンのダンピングが小さくなり
エピタキシャル層の結晶性が良くなっていることが分か
る。つまり(AlAs)(GaAs)超格子構造では、エピ
タキシャル成長の際に混入する不純物がAlAs層によって
ゲッタリングされ、n=m=6〜12GaAs層及びAlAs層の
純度が向上しており、このような構造がバッファ層とし
て有効であることを示している。
〔実施例〕
第2図はHEMTに本発明を適用した場合の一例で、この
例ではCrがドープされた半絶縁性のGaAs基板(1)上に
(AlAs)(GaAs)の2〜3周期の超格子バッファ層
(2)を形成し、これの上に不純物がドープされない厚
さ2μmのGaAs層より成る第1の半導体層(13)、さら
にこれの上にノーンドープのAlGaAs層より成る第2の半
導体層(14)、さらにこれの上に例えばn型のAl0.3Ga
0.7As層より成る第3の半導体層(15)を形成した。こ
れら層(2),(13)〜(15)は、連続的にMOCVD法或
いはMBE法によって供給する原料ガスを切換ることによ
って一連のエピタキシャル工程で形成できる。そして、
層(15)に対してショットキゲート電極(16)を被着
し、これの両側にソース及びドレインの各電極(17)及
び(18)を夫々オーミックに被着した。この場合、GaAs
の第1の半導体層(13)のAlGaAsの第2の半導体層(1
4)との界面に2次元電子ガスチャンネルが形成される
ものであるが、これら層(13)及び(14)の界面部分は
すぐれた純度及び結晶性を有するので、より高い電子移
動度が得られ、高速性にすぐれたHEMTが構成できる。
また本発明は、上述した例に限らず、種々の化合物半
導体装置においてGaAs基板上にその動作層ないしは活性
層をエピタキシャル成長させる場合に基板上にバッファ
層(2)を形成し、これの上に目的とする動作層ないし
は活性層を形成することができる。
〔発明の効果〕
上述したように本発明においては(AlAs)(GaAs)
のm=n=6〜12で2〜3周期の超格子構造の極めて
薄いバッファ層(2)を設けるのみで基板(1)側から
のCr等の不純物をゲッタリングする効果を得ることがで
き、これの上に形成するエピタキシャル半導体層の純度
を向上しキャリア移動度の高い高品質の半導体層を形成
できるので、各種化合物半導体装置の動作領域をエピタ
キシャルする場合に用いて特性の向上をはかることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明装置の一例の要部の略線的拡大断面図、
第2図は本発明をHEMTに適用した場合の一例の略線的拡
大断面図、第3図〜第7図は夫々(AlAs)(GaAs)
のラマンスペクトル図、第8図はAlGaAs混晶のラマンス
ペクトル図、第9図及び第10図は夫々(AlAs)(GaA
s)(m=n)のラマンスペクトルのフォノンピーク
強度及び半値幅のnの値に対する依存性を示す図であ
る。 (1)はGaAs基板、(2)は超格子バッファ層である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01L 29/812

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】GaAs基板上に(AlAs)(GaAs)で6≦
    m≦12,6≦n≦12の1周期以上の超格子構造によるバッ
    ファ層を介して動作領域となる半導体層をエピタキシャ
    ル成長させて成り、GaAs的LOフォノンピークに比し、Al
    As的LOフォノンピークの強度が小とされ、GaAs基板から
    の不純物がAlAsにゲッタリングされてなることを特徴と
    する半導体装置。
JP60191717A 1985-08-30 1985-08-30 半導体装置 Expired - Lifetime JPH0815212B2 (ja)

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DE3885436T2 (de) * 1987-12-29 1994-05-19 Nippon Electric Co Halbleiterkristallstruktur und deren Herstellungsverfahren.

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JPS5929462A (ja) * 1982-08-10 1984-02-16 Mitsubishi Electric Corp ヘテロ接合素子
JPS61216317A (ja) * 1985-03-20 1986-09-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 単結晶GaAs基板上への単結晶GaAs層の形成法

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