JPS5850409B2 - 砒化ガリウムエピタキシヤル薄層の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、バラクタダイオード用砒化ガリウム薄層の製
造方法に関するものである。

バラククダイオードは、第１図に示す様に、低比抵抗基
板１の上に例えば気相成長法によりうすいエピタキシャ
ル薄層２を成長させ、このエピタキシャル薄層２上に金
属層３を蒸着することによリショットキー接合４を形威
し、この接合にかける逆方向電圧による空乏層の厚さ即
ち接合容量の変化を、利用している。

素子の動作層となるエピタキシャル薄層の電子濃度は、
それが大きい程ショットキー接合に直列な抵抗値が減少
し、素子の熱雑音の原因が減少することになるので好都
合ではあるが、その一方では接合の逆耐圧を設計値に維
持するためにはむしろ不都合な方向であり、むやみに増
大させることは出来ない。

現状では、薄膜の電子濃度が一定で０．６Ｘ ＩＸ １
０”ｃｒｃ３の範囲内にあり、エピタキシャル薄層厚と
して０．４〜０．３μｍのものが使用されている。

バラククダイオードが接合容量の逆バイアスによる変化
を利用することから、この容量の変化幅が犬なる程、素
子の性能を表わすパラメータとしてよく知られている動
的性能指数が増大し、従って例えばこの素子を用いてつ
くられるパランｌ−ＩＪラック幅器の特性が向上する。

この容量の変化幅を大きくするためには、エピタキシャ
ル薄層の電子濃度を深さ方向に対して一定ではなく、表
面から基板との界面に近づくに従がい減少する様にすれ
ばよい。

この電子濃度の傾斜の程度は、それがあまり大きすぎる
とエピタキシャル薄層と基板との界面の電子濃度が減少
し、従ってシリーズ抵抗の増大をもたらすから、ゆるや
かな傾斜を持つことが必要である。

このように電子濃度分布に傾斜をつけるためには、ドー
ピングガスの流量を少しずつ増加させながらエピタキシ
ャル薄層を気相成長させればよい訳であるが、この制御
はかなり難かしく再現性にも問題があり、良い結果を得
るのを知りつつも産業規模で実施するのは困難であった
。

従って今もなお、制御が簡単で再現性のよい方法が模索
されているのが現状である。

本発明は、この点に鑑み、簡単な制御で再現性よく傾斜
した電子濃度分布を持つバラクタダイオード用砒化ガリ
ウム薄層の製増方法を提供するものである。

即ち、本発明の方法は、低比抵抗砒化ガリウム基板上に
成長したエピタキシャル薄層に、イオン注入法を用いて
ドナー不純物である硫黄イオンを打込み、アニールする
ことにより、この、硫黄不純物に特徴的な増速拡散効果
を積極的に利用して、このエピタキシャル薄層の電子濃
度をエピタキシャル薄層から基板との界面に向けて傾斜
しつつ減少するようにすることを特長とする、エピタキ
シャル薄層の製造方法である。

以下、本発明の詳細を実施の一例を交えて、説明する。

２ｘ １０１６／−の電子濃度を有するアンドープ砒化
ガリウム基板を用意し、これに硫黄イオンを１５０ ｋ
ｅＶで１０１３／澹打込み、打込み後試料両面をＳ ｉ
ｏ ２膜で覆い、７００．８００．９００ 。

１０００℃の各温度下でそれぞれ１０分のアニルを行な
い、Ｃｖ測定法により電子濃度分布を測定したところ第
２図に曲線６，７，８．９で示した結果が得られた。

６，７．８および９がそれぞれ７００．８００．９００
および１０００℃でのアニール結果である。

各分布は各アニール温度に特有な分布を示しており、理
論的に予想される注入直後の硫黄不純物の分布５とは大
幅に異なっている。

これはアニール中での硫黄不純物の増速拡散効果を物語
っており、他のドナー不純物たとえばシリコン、セレン
、テルル等の注入で同様の分布を得ることは困難である
。

次に本発明の実施の一例として、２×１０１８／／−の
電子濃度を持つ低比抵抗基板上に０．３５μｍの層厚で
Ｉ Ｘ １０１６／−の電子濃度を有するエピタキシャ
ル薄層を形威し、第２図の結果を得たときと同じ条件で
注入及びアニールを行ない、Ｃ■測定法により電子濃度
分布を測定した。

第３図はこの結果を例示したものであり、確かにバラク
タダイオード用として最適な電子濃度の傾斜した分布を
持つエピタキシャル薄層が得られている。

図中、曲線１０，１１．１２および１３は、それぞれア
ニール温度を７００．８００．９００および１０００℃
とした結果である。

一次に本発明による電子濃度に傾斜分布をもつエピタキ
シャル薄層の効果について述べる。

第４図ａに示す様な低比抵抗基板上の１×１０１７／ｃ
ｒｉＬの一定な電子濃度を有する試料１４と、本方法を
実施し表面での電子濃度がほぼ１×１０１７／−で深く
なるに従かい電子濃度が減少する試料１５とを用意し、
直径５００μｍのパラジウム蒸着によって得られたショ
ットキー接合の接合容量の逆バイアス依存を測定した。

第４図すに示したのがその結果である。

本発明を実施して得た試料１５では、第４図すの１７で
示される様に、試料１４での結果１６、に比して容量の
変化分が明らかに増大しており、優秀な動的性能指数が
実現できることが判る。

本発明の方法によれば、以下に述べる様に、従来法に比
ベバラクタダイオード用エピタキシャル薄層製造の歩留
まりが向上する。

即ち、前述した様にバラクタダイオードの拙能向上のた
めには、接合容量に直列なシリーズ抵抗の値を出来るだ
け小さくすることが必要であり、従って低比抵抗基板上
に形成するエピタキシャル薄層全体が素子の動作領域と
なる様に薄膜の膜厚を調整することが必要である。

従来法では、例えば〜１０１７／−の電子濃度を有する
エピタキシャル薄層を設計値〜０．３μｍより多少厚め
の０．５μｍ程度に成長させ、この試料の一部を用いて
このエピタキシャル薄層の電子濃度分布をＣＶ測測定よ
り測定し、電子濃度が基板の電子濃度へと変化する深さ
を知ることにより、このエピタキシャル薄層の層厚を知
り残りの試料を設計された層厚にまで化学エツチングに
よって薄くして調整している。

この際Ｃ■測測定より測定可能な深さは、ショットキー
接合が有する逆方向破壊電圧によって制限され、〜ｉｏ
’／ｉの電子濃度では高さ０．３μｍ程度の厚さまでし
か測定し得ない。

ところが、従来法ではこれより厚く成長させているので
、測定すべきエピタキシャル薄層の成長したままの表面
上に形成したショットキー接合のみでエピタキシャル薄
層の全厚にわたる電子濃度分布を測ることは出来ない。

従って、逆方向破壊電圧以下の逆バイアスで空乏層の端
が基板に到達する様な試料をもとの試料の一部に、表面
をエツチングして層厚を減少させて形成し、これから得
られた電子濃度分布とエツチングした深さとから、当初
のエピタキシャル薄層の厚さを測定している。

しかしながら、本発明の方法によれば、硫黄イオン注入
前のエピタキシャル薄層の電子濃度としてはＩ Ｘ １
０１６／−程度のものを用いて、充分実施し得るので、
逆方向破壊電圧は大きく、従ってエピタキシャル薄層を
成長したままの表面に形成したショットキー接合のみで
、このエピタキシャル薄層の全厚にわたる電子濃度分布
をその層厚と共に一工程で知ることが可能である。

従って、こうして測定した層厚をもとに、設計された層
厚にまで化学エツチングで薄くして調整し、次にイオン
注入を行なうわけであるが、ここに至るまでの工程が大
いに省略される。

本方法においても、層厚調整のためのエツチング工程は
必要ではあるが、従来法の様にエピタキシャル薄層の層
厚を知るためのエツチング工程は省くことが出来、それ
だけこのエツチング工程によって生ずるバラツキの影響
をさけることが出来、ひいては、バラクタダイオード用
エピタキシャル薄層製造の全工程を見たときの歩留まり
が向上する。

本発明方法においては、硫黄イオン注入前のエピタキシ
ャル薄層の電子濃度とイオン注入された硫黄がつくるド
ナー準位から放出された電子の濃度との和が、最終的に
得られる電子濃度である。

従って、この硫黄イオン注入前のエピタキシャル薄層の
電子濃度は、注入された硫黄がつくる電子濃度に比べ充
分小さいことが望ましいが、その一方では、前述した様
に硫黄イオン注入前にその層厚を測定し調整する必要か
ら、エピタキシャル成長した。

ままの表面に形成したショットキー接合で、全厚にわた
る電子濃度分布を測定可能な程度の電子濃度が必要であ
り、この双方の制約から１〜２Ｘ １０１６／−程度と
するのが適当である。

硫黄不純物のイオン注入量としては、それにより結果的
に得られるエピタキシャル薄層表面での電子濃度が６Ｘ
１０１６〜３ ｘ １０１７／ｃｙｙｔ、の範囲になる
ように選ぶのがよく、典型的には０．５〜１．５×１０
１３／ｃ１１ｔが適当である。

イオンエネルギーとしては、それがあまり高いと所望の
電子濃度分布傾斜が得に＜＜、逆に小さすぎると電子濃
度分布傾斜が急になり過ぎシリーズ抵抗の影響が無視出
来なくなる。

これらの理由から、イオンエネルギーとしてはｌＯＯ〜
１５０ ｋｅＶが最適である。

また電子濃度分布の傾斜としては、エピタキシャル薄層
表面およびこの表面から〜０．３μｍの深さにおける電
子濃度を、それぞれＮｓおよびＮとして、１．５≦Ｎ／
Ｎ８≦４とするのが最適であり、この電子濃度の傾斜は
アニール温度を７００°Ｃ〜１０００℃の範囲で選ぶこ
とにより容易に達成出来る。

本発明の効果は、従来法により製造されたエピタキシャ
ル薄層と本発明の方法によって製造されたエピタキシャ
ル薄層とを用いて、バラクタダイオードを試作し、その
特性を比較することにより明白となる。

第４図ａに電子濃度分布を示したそれぞれのエピタキシ
ャル薄層を用いてバラクタダイオードを試作し、１８．
６ ＧＨｚにおいてこれらのバラクタダイオードの動的
性能指数を測定したところ、従来法によるエピタキシャ
ル薄層９を用いて製作したものの平均値が５．５である
のに対し、本発明によるエピタキシャル薄層１０を用い
て製作したものの平均値は６．５と高い値が得られ、本
発明の方法によって得たエピタキシャル薄層の効果が確
認された。

以上、本発明の方法を硫黄イオン注入後、改めてアニー
ルする工程順で説明してきたが、アニールしつつイオン
注入する、いわゆるホットインプランテーションの技術
を応用しても同様の効果を得ることは明白である。

本発明の他の効果は、硫黄イオンを注入する際、エピタ
キシャル薄層を適当なマスク例えば金属マスクや誘電体
マスク等で部分的に覆うことにより、容易に任意の位置
に選択的に望みのバラクタダイオード等を形成すること
が可能であることである。

このことは、今後開発がすすめられる砒化ガリウム集積
回路を考えた場合、従来法では選択気相成長が難かしい
ことと併せて考えると、大きな長所となると思われる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ショットキ一接合形バラクタダイオードの断
面図で、１が低比抵抗基板、２がエピタキシャル薄層、
３が蒸着金属層、４がショットキー接合を示す。 第２図は、硫黄イオン注入による増速拡散効果を説明す
るための電子濃度分布図であり、アンドープの砒化ガリ
ウム基板にイオン注入し、７００．８００．９００．１
０００℃で１０分間アニールした結果をそれぞれ６，７
，８゜９が示す。 第３図は、本発明を実施して製造したエピタキシャル薄
層の電子濃度分布の一例を示すもので、１０．ｌＬ１２
，１３はそれぞれ７００゜８００．９００．１０００℃
で１０分間アニールしたものである。 第４図は、従来法と本発明の方法とによって製造された
エピタキシャル薄層の電子濃度分布（同図ａ）を、それ
を用いて製造したバラクタダイオードの接合容量のバイ
アス依存性（同図ｂ）と対応させて示したもので、曲線
１４および１６は従来法によるものの結果を、また曲線
１５および１７は本発明によるものの結果を、それぞれ
示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 砒化ガリウム低比抵抗基板上に、気相成長法を用い
   て、１〜２×１０１６ｃｒＩＬ−３の電子濃度を有する
   エピタキシャル薄層を形成せしめ、このエピタキシャル
   薄層に硫黄イオンを１００〜１５０ ｋｅＶで０．５〜
   １，５×１０１３ＣｒｒＬ−２の注入量で打込み、さら
   にこの基板の両表面を保護膜でおおった後７００〜１ｏ
   ｏｏ℃の範囲で高温アニールを施こすことによって、硫
   黄イオンを電気的に活性化せしめる、と同時に、打込ん
   だ硫黄イオン分布をこのアニル温度で決まる硫黄不純物
   特有の増速拡散効果によりエピタキシャル薄層表面から
   基板との界面に向って電子濃度が単調に減少しかつエピ
   タキシャル薄層表面での電子濃度とその表面から０．３
   μｍの深さでの電子濃度との比が１．５から４の間で変
   化する如くした、傾斜した電子濃度分布を持つ砒化ガリ
   ウムエピタキシャル薄層の製造方法。