JPS5851574A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、半導体装置に関する。詳しくは、２種又Ｆｉ
３種のエネルギーギャップの異なる半導体よりなる組み
合わせ層構造を有する半導体装置−において、不純物含
有量の少ない半導体層間のヘテ口接合界面近傍に電子群
（二次元電子ガス）を誘発させてこの電子群を導電媒体
とすることとし、この電子群の電子移動度が不純物散乱
に影蕃されないという性質を利用して不純物散乱による
効果が電子移動度の増大を阻むこととなるような低温例
えば７７°Ｋにおいて、極めて大きな電子移動度を実現
することを特徴とする高電子移動度トランジスタの範鴫
に属する、新規なアイデアにもとづくエンハンスメント
型トランジスタに関する。

本発明の発明者は、電子親和力の相異なる２種の半導体
例えばフル建工具つムガリエウム砒素（ムｊＧａＡｓ　
）と砒化ガリ凰つム（ｏａＡｓ）とを接合することによ
り形成される一つのへテロ接合の近傍に発生する電子蓄
積層（二次元電子ガス）の電子面濃度を制御電極に印加
される電圧によって制御して、制御電極を挾んフ設けら
れた１対の入・出力電極間に上記の電子蓄積層（二次元
電子ガス）によっ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の発明を完成し特許出願（
特願昭５５−８２０３５号）を出願している。しかし、
この特許出願にかかる能動的半導体装置においては、電
子親和力の小さな半導体すなわちエネルギーギャップの
大きな半導体（上例においてはアル建二エウムガリ為つ
ム砒素ム／ＧａＡｓ）をＮ型としていたため、電子親和
力の大きな半導体すなわちエネルギーギャップの小さな
半導体（上例においては砒化ガリ孤つムＧａＡｓ）にＸ
型の不純物が拡散して、電子蓄積層（二次元電子ガス）
の電子移動度の向上にもおのずと限界があった。

本発明の第１の目的は、２種又Ｆｉ３棟のエネルギーギ
ャップの異なる半導体を組み合わせて形成されるヘテロ
界面近傍に、電子群（二次元電子ガス）を誘発させてこ
の電子群を導電媒体とする高電子移動度トランジスタに
おいて、導電媒体を形成する半導体層と直接隣接する半
導体層には不純物なＰ−プする必要がなく、従来に比し
更に電子移動度の向上した新規な層構造を有する高電子
移動度トランジスタを提供することにある。

本発明の第２の目的は、上記の構成を有する高電子移動
度トランジスタにおいて、その特性特ニ♂ンチオフ電圧
を正確に制御なしうる高電子移動度トランジスタを提供
することにある。

本発明の第３の目的は、上記の構成を有する高電子移動
度トランジスタにおいて、制御電極（ソース・ドレイン
電極）のコンタクト抵抗が低く、伝達コンダクタンスの
すぐれた高電子移動度トランジスタを提供することにあ
る。

本発明の第４の目的は、上記の構成を有する高電子移動
度トランジスタにおいて、すぐれた特性を実現すること
が容易″＋４あり、かつ、製造方法の容易な構造の高電
子移動度トランジスタを提供することにある。

上記第１の目的を達成するための要旨は、比較的エネル
ギーイヤツブの小さな半導体例えば砒化ガリ為つム（Ｇ
ａＡｓ）よりな抄不純物含有量の少ない単結晶層（電子
走行層）上に比較的エネルギーギャップの大きな半導体
例えばアルζニュウムガリ具つム砒素（ム＃ＧａＡｓ）
よシなり実質的に不純物を含有しない単結晶層（）９ツ
ファ層）を形成し、更に、電子走行層を形成する半導体
と同等以下のエネルギーギャップブを有する半導体例え
ば砒化ガリエウム（ＧａＡｓ）よりなるＮ型の単結晶層
（制御層）を形成し、との制御層の上に少なくとも１箇
の制御電極（ゲート電極）を設け、これを挾んフ１対の
入・出力電極（ソースパＰレイン電極）を設けることと
し、制御層の材料と制御層の不純物濃度と制御層の厚さ
とを最適条件に選択して熱平衡状態において電子走行層
と・ぐツ７ア層との間の表面ポテンシャルな０（零）■
と七、制御電極（ゲート電極）に正電圧を印加すること
により、電子走行層内のノ々ツファ層との間のへテロ界
面近傍に、電子群（二次元電子ガス）を誘発してこれを
導電媒体としてエンハンスメント型に機能する高電子移
動度トランジスタとしたことにある。なお、制御室＆（
ゲート電極）はシロットキパリャＭ１が望ましく、入・
出力電極（ソース・ドレイン電極）は金／金ゲルマニエ
ウム（Ａｕ／ＡｕＧｅ）等を蒸着の上、これを合金化′
して上記の電子群（二次元電子ガス）と抵抗性接触を確
保することが望ましい。

上記第２の目的を達成するための要旨は、電子走行層の
不純物濃度をいわゆるアンインテンシ璽ナルドープの状
態に放置するのではなく、低濃度のｙｍ又＃ｉＰ型に制
御して、上記の高電子移動度トランジスタを構成する半
導体積層体のビルトイン電圧を正確に制御して、電子走
行層と７９７７７層との間の表面ポテンシャルを正確に
０（零）Ｖになしうるようになしたことにある。

上記第３の目的を達成するための要旨は、入・出力型１
＃（ソース・ドレイン電極）形成予定領域の下部領域に
はイオン注入法を使用してＮ型不純物を導入し熱処理を
施した後、入・出力電極（ソース・ドレイン電極）を蒸
着し、更に熱処理を施こしてこれを合金化して、入・出
力電極（ソース・ドレイン電極）を形成し、入・出力電
極）ソース・ドレイン電極）と電子走行層特に二次元電
子ガスとの間のコンタクト抵抗を減少することにある。

なお、この熱処理温度は７００℃ｉ度を必要とするため
、制御電極（ゲート電極）には高融点金属を使用せざる
を得ない。ただ、イオン注入法の使用により、高電子移
動度トランジスタにおける本質的な欠点！ある入・出力
電極（ソース・ドレイン電極）の二次元電子ガス層との
オーミック接触確保の困難さが解消され、製造方法が容
易になるという大きな利益がある。

上記第４の目的を達成するための要旨は機能上は全く不
必要な入・出力電極（ソース・ドレイン電極）領域下部
の制御層とＡツ７ア層とを除去してメサ型とすることに
ある。これによって、伝達コンダクタンスを含み各種特
性を良好にすることが容易であり、かつ、製造方法も容
易となるから〒ある。

以下、図面を参照しつつ、本発明の動作原理を説明する
。

第１図は本発明の一実施例に係る高電子移動度トランジ
スタの概念的断面図１ある。図において、１はクローム
（Ｏｒ）等のＰ−プされた半絶縁性の砒化ガリエウム（
ＧａＡａ）基板であり、２はこの上に形成された実質的
に不純物を含有しない砒化ガリュウム（ＧａＡａ）の単
結晶層であ抄、電子走行層を構成する。３は実質的に不
純物を含有しないアルミニ為ウムガリエウム砒素（Ａｒ
ｅａａｓ）の単結晶層よりなる／々ツファ層であり、電
子走行層２との間は良好なヘテロ界面をもって接合され
る。４はＮ型の砒化ガリエウム（ＧａＡｓ）の単結晶層
″ｒ！あり、ノツ７ア層３との間は良好なヘテロ界面を
もって接合される。この層４の不純物濃度と厚さとを最
適状態に選択して、所望の高電子移動度トランジスタを
製作スる。５Ｆｉシロツトキノ々リヤ型制御電極（ゲー
ト電極）である。使用する金属はアルミニニウム（Ａ／
）を含み、全く自由である０６は、１対の入・出力電極
（ソース・ドレイン電極）−ｔ％あり、本実施例におい
ては金／金ゲルマニ凰つム（ムｕ／ＡｕＧ・）を蒸着の
上熱処理して、７をもって示す領域を合金化し、ノ々ソ
ファ層３と電子走行層２との界面に誘発される二次元電
子ガスとの導通な確立する。

＠２図は、その概念的断面図を第１図に示す高電子移動
度トランジスタの熱平衡状態におけるエネルイーノ々ン
Ｐ／イヤグラム１ある。Ａｑフェルミレベルを、Ｂは価
電子帯レベルを、０は・・１導帯レベルを夫々示す。ま
ず、砒化ガリ瓢つム（ｏａＡｓ）表面には高密度の表面
準位が存在し、表面７エルミレベルのピンニング効果が
発生することは周知である。そして、このピンニング効
果のエネルギーは、当該半導体又は半導体系に十分な電
子が含有されているかぎり、不純物濃度も含め種々な条
件（′−支配されず、はぼ一定の値１あり、その価は、
当該半導体又は半導体系のエネルギーギャップの２／３
に相当する値−Ｉ’Ｓることも周知である。その結果、
第１図に層構造を図示する半導体積層体のビルトインポ
テンシャルＶｂｉ　ｉｊ一定不賢でアル。

又、一方、この値は、Ｎ型の砒化ガリエウム（ＧａＡｓ
）層４の表面ポテンシャルｖ３と、実質的ニ不純物を含
有しないアル建二為つムガリ凰つム砒素（Ａ／ＧａＡｓ
）層３中のポテンシャルＰロッゾｖ、Ｉと不純物含有量
の少ない砒化ガリエウム（ＧａＡｓ）層２の表面ポテン
シャルＶ、との和と等しくなる。すなわち、 ｖｂｔ　＝　ｖｌ−１１−ｖ２＋　ｖ、’１ある。この
式の右辺を構成する各変数のうち、アルミ−瓢つムガリ
エウム砒素（ＡｔＧａＡｓ）層４と砒化ガリ瓢つム（Ｇ
ａＡｓ）層２の表面ポテンシャルｖ１とｖ３とは、夫々
の半導体の種類、不純物の濃度・厚さの函数であり、又
、アルオニ凰ウムガリ龜ウム砒ｆｉ　（ＡｔＧａＡｓ）
層３中のポテンシャルドロップＶ、は主として砒化ガリ
瓢りム（ＧａＡｓ）層２の厚さと砒化ガリ凰つム（Ｇａ
Ａｓ）層２の表面ポテンシャルＶｌとに支配されるから
、上記半導体積層体を構成する条件の選択によっては砒
化ガリ為つム（ｅａＡａ）層２の表面ポテンシャルｖ１
を０（零）ｖ１ニすることが可能１ある。この場合のエ
ネルギーノ々ンドダイ、ヤグラムは第３図に示す如くな
る。かくの如ｅエネルギーパンｒダイヤグラムを有する
高電子移動度トランジスタはピンチオフ電圧が０（零）
Ｖのエンハンスメント型トランジスタとして機能する。

すなわち、熱平衡状態では入・出力電極（ソース・Ｐレ
イン電極）６間に電気的導通は存在しないが、制御電極
（ゲート電極）６に正電圧を印加すると電子走行層２内
の／々ツ７ア層３との界面に電子群（二次元電子ガス）
が誘発されて導電媒体として機能する。このとき、７９
１７１層３の有するエネルザーギャップはポテンシャル
／々リヤとして機能し、上記の電子群が制御層４中に流
失することを有効に防止するからフある。

このような条件を実現する要件を求めた一例を、下記に
示す。厚さは駐００ス程度と十分に厚い砒化ガリ為つム
（ＧａＡｓ）層２のＮ型不純物濃度はＩＱ”７ｃｍ”ト
シ、アルミニ１ウムガリ具ウム砒素（Ａ／６ｇＧｍζ７
＾Ｓ）層３の不純物濃度はＯ（零）、厚さは２００Ｘと
し、Ｎ型の砒化ガＩＪ　＆ラム（ｅａＡａ）層４の不純
物濃度とその厚さとを変化する。上記のとおり、この半
導体積層体には系全体として十分な量の電子が存在して
いるから、半導体積層体全体としてのビルトイン電圧７
１）ｉは一定でア抄、この場合α９７−１’ある。そこ
−１’、　Ｎ型の砒化ガリ％ウム（ＧａＡｓ）層４の不
純物濃度な１０１８／Ｃ１１１”と１０”／６１１３の
二つの場合について、Ｎ型の砒化ガリ為つム（ＧａＡｓ
）層４の厚さを変化すると、上記の変数７１　＋　Ｍ　
＊　Ｖ３の分配がどのように変化するかを８４図。

第５図に示す。第４図は前者の場合を、第５図は後者の
場合を示す。図より明らかなように、前者の場合、ＮＴ
ｌ１の砒化ガＩＪ　ｚラム（ｅａＡａ）層４の厚さが２
２１０　Ｘ程度あるときは電子走行層２の表面ポテンシ
ャルは約０．４ｖ存在するが、Ｎ型の砒化ガリ為つム（
ＧａＡｓ）層４の厚さが３５０ス程度に増加すると電子
走行層２の表面ポテンシャルは０（零）■となり、上記
の要件を満足する０もっとも、このトキ、ノ奢ソファ７
１ａ中のポテンシャルドロップｖ２も同様に０（零）Ｖ
となる。後者の場合、Ｎ型の砒化ガリーウＡ（Ｇ＆Ａ＠
）層４の厚さが１，１゛ＯＯ′Ａ程度において上記の要
件を満足する。すなわち、これらの条件において、エン
／１ンスメント型電界効果トランジスタとして機能する
こと（、二なる０以下、図面を参照しつつ、本発明の一
実施例にかかるエンノ・ンスメント型高電子移動度トラ
ンジスタの製造工程を説明し、本発明の構成と特有の効
果とを更に明らかにする０ 第６図参照 モレキエラーーームエピタキシャル成長法を使用して、
下記に層パラメータを示す半導体積層体を形成する。尚
、図に示す番号は第１図に示すものと同一！ある。

１　砒化ガリュウム　　４　Ｘ　１０　　　　０ｒ　１
０”程縦ＧａＡｓ ２　伝１上　　５，０００　　　Ｓｉ　１０１４３　ア
ルミニ１ウムガリ具ウム砒素　２００　　　　　　　　
なしＡ／６，３Ｇａ（、，７Ａｓ ４砒化ガリエウム　　　１，１００　　　　’８１１０
１７もっとも、電子走行層たる砒化ガリエウム（Ｇａ、
Ａｓ）層２はノンドープ型でも、薄いＰ型ｆもさしつか
えない。ただ、薄いＰ型のときはビルトイン′峨圧Ｖｂ
ｉの最低値がフェルミレベルより若干下回ることになる
点が異なる○又、これを意識的、に制御するときは半導
体積層体のビルトインポテンシャルＶｂｉが正確に制御
しうるので、製品たる高電子移動度トランジスタのピン
チオフ電圧の制御が容易となり、正確なピンチオフ電圧
を有する高電子移動度トランジスタを創造することがで
きるＯしかしこの電子走行層２中に誘発される二次元！
子ガスの高電子移動度を阻害しないようにするため、そ
の不純物含有濃度は、少なくとも制御層４のそれよ＃）
１桁は低い程度に抑えるべきフある０第７図参照 高融点金属例えば二硅化タングステン（ＷＳｔり、をａ
、ｏｏｏ　Ｘ程度の厚さに蒸着したのちフォトリソグラ
フィー法を使用して制御電極（ゲート電極）５を形成す
る。ここ１、高融点金属を使用した理由は、次工程１人
・出力電極（ソニス・ドレイン電極）領域に実施される
イオン注入後の７００〜８００℃の熱処理に耐えるため
フある。したがって、このイオン注入工程と熱処理工程
とを使用しない場合は、制御電極（ゲート電極）５はア
ルミ−ＴＩＬウム（Ａ／）等フもさしつかえなく、本発
明に必須な事項ではない。

第８図参照 制御電極（ゲート電極）５をマスクとして、入出力電極
（ソース・ドレイン電極）形成領域８にシリコン（８１
）を１５３ＫｅＶのエネルギーとｉ、７　Ｘ　１０”／
Ｃ１ｌ”　のドース量とをもってイオン注入する。この
エネルギーによっては王として図に９ケもって示す領域
にシリコン（Ｓｌ）が注入されるＯこのイオン注入の目
的は入・出力電極と二次元電子ガスとのコンタクト抵抗
を減少するため１あり、本発明、に必須な事項！はない
０ 第９図参照 入・出力電極（ソース−ドレイン電極）形成領域°力゛
ら・ｆ″制御１“ｌ　Ａ　７７７層こと！“走行層２の
一部とを除去する０つづいて、フォトシソグラフィー法
を使用して入・出力電極（ソース・Ｐレイン電り形成領
域８に金／金ゲルマニエウム（Ａｕ／ＡｕＧｅ）層を蒸
着し、熱処理を施して合金化し、入・出力電極（ソース
・ドレイン電極、）領域８以外からり７トオ７法、を使
用してフォトリソグラフィー法に使用したマスクを除去
し１．１対の入・出力電極（ソース・ドレイン電極）６
を完成する。このようにメサ型にする目的は入・出力電
極（ソース・ドレイン電（資）６と二次元電子ガスとの
コンタクト抵抗を減少させることにあるから、本発明に
必須な事項でないばか抄でなく、多くのトランジスタを
単一のチップ上に形成する集積回路にあっては可及的に
プレーナ型が望ましいから、この工程はその採用が必ず
しも望ましくない工程〒ある０むしろ、イオン注入工程
メ合金化工程とを最適条件１実施してプレーナ型にする
ことが望ましい。

以上の如くして製造された、本発明の一実施例にカカる
エンハンスメント型高電子移動度トランジスタの熱平衡
状態におけるエネルギーノ々ンＰダイヤグラムは、第３
図に示す如くマする。ここで、制御電極（ゲート電極）
５に正電圧を印加すると、電子走行層２と７９２７７層
３とのへテロ界面近傍の電子走行層２中に電子群（二次
元電子ガス）が誘発される。この電子群の厚さは極めて
小さく、不純物を含有する制御層４からは空間的に分離
しており、不純物散乱の影響を受けず、不純物散乱が電
子移動度の増大を阻む低温例えば７７°Ｋにおいて、大
きな電子移動度を実現することは従来の高電子移動度ト
ランジスタの場合と同様フある。

ここで、注意しなければならないことは（イ）電子走行
層２とノ々ツ７ア層３との間にはポテンシャルノ々リヤ
が存在して、二次元電子ガスが制御層４に流入−するこ
とを有効に防止していることと、（ロ）パックァ層３は
ノンドープ層であるから制御層４中の不純物が電子走行
層２中に拡散されるおそれがなく、従来の高電子移動度
トランジスタよシ高い電子移動度が得られることと、（
ハ）全く同一の理由により、何の障害もなく入・出力電
極（ソース・ドレイン電極）形成領域にイオン注入法の
使用が許されることと、に）璽−Ｖ族化合物生導体（本
例〒は砒化ガリ＾ウムＧａＡｓ）よりなる電子走行層の
表面ポテンシャルを、その上部に格子整合の上形酸され
より大きなエネルギーイヤツブを有し実質的に不純物を
含まない半導体（本例ではアルミニ息ウムガリ為クム砒
索Ａｔ＠、３Ｇａ６．ｙムＢ）よりなる７９２７７層と
電子走行層と同等以下のエネルギーイヤツブを有するＮ
型の半導体（本例１は砒化ガリ凰つムＧａＡｓ）よりな
る制御層との存在により制御するという本発明の本質よ
りして、本発明にかかるエンハンスメント型高電子移動
度トランジスタのピンチオフ電圧を全く自由に制御する
ことが可能〒あり、これを完全に０（零）■にすること
が可能であることである０ 以上の説明にあっては、砒化ガリ＾ウム（ＧａＡａ）と
アルミニエウムガリ龜つム砒素（＾ｔＧａＡｓ）との組
み合わせを例として説明したが、本発明に係るエンハン
スメント型トランジスタを構成することの可能な牛導体
の組み合わせの数例を下表に示すＯｌ　　　　　　　　
工ｎＡｓ　　　　　　　　ＧａＡｓＳｂ　　　　　　工
ｎＡｓ２　　　　　　　　　ＧａＡｇ　　　　　　　　
Ａ／ＧａＡｓＰ　　　　　　ＧａＡｓ３　　　　　　　
　工ｎＰ　　　　　　　　工ｎＧａ５ｂ　　　　　　　
ＩｎＰ以上説明せるとおり、本発明によれば、２種又は
３種のエネルギーイヤツブの異なる牛導体を組み合わせ
て形成されるヘテロ界面近傍に、不純物を含有する半導
体層からは空間的に分離した電子群（二次元電子ガス）
を誘発させ′て、この電子群を導電媒体とする高電子移
動度トランジスタＷｂいて、導電媒体と直接隣接する半
導体層には不純物をドープする。必要がなく、従来に比
し更に電子移動度の向上した新規な層構造を有する高電
子移動度トランジスタを提供することが？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高電子移動度トランジ
スタの概念的断面図１あり、第２・３図はその熱平衡状
態におけるエネルギーノ饗ンドダイヤグラムであり、第
４・５図は、ぜンチオフ電圧七制御層の厚さとの関係を
示すグラフである（ピンチオフ電圧な０（零）■とする
ために必要な制御層の厚さを示すグラフ〒ある。）。 第６．７．８．９図は本発明の一実施例に係るエンハン
スメント型高電子移動度トランジスタの製造工程の主要
段階における基板断面図である。 ｌ・・・クロームドープされた半絶縁性砒化ガリ瓢つム
基板、２・・・電子走行層（不純物含有量の少ない砒化
ガリ凰つム単結晶層）、３・・・ノぐソファ層（実質的
に不純物を含有しないアルミニエウムガリュウム砒票単
結晶層）、４・・・制御層（Ｎ型の砒化ガリ瓢つム単結
晶層）、５・・・シ曹ットキ／＃リヤ型制御電極（ゲー
ト電ｆｉ）、６・・・１対の入・出力型１ｆ＃（ソース
・Ｐレイン電極）、７・・・合金化されル領竣、ム・・
・フェルミレベル、Ｂ　、　Ｂ’・・・価電子帯レベル
、０．０′・・・伝導偕レベル、Ｖｂｉ・・・牛導体積
層体のビルトインポテンシャル、ｖｌ・・・不純物含有
量の少ない砒化ガリ瓢つム層２の表面ポテンシャル、ｖ
２・・・実質的に不純物を含有しないアルミニ凰ウムガ
リ瓢ウム砒素層３中のポテンシャルドロップ、ｖ３・・
・Ｎ型の砒化ガリュウムＮ４の表面ポテンシャル、８・
・・入・出力電極（ソース・Ｐレイン電極）形成領域、
９・・・イオン注入される領域０Ｎ−Ｇ４ＡｓＪ厚

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）中絶縁性の基板と、駁基板上に形成され不純物含
   有量の少ない半導体の単結晶層よりなる電子走行層と、
   該電子走行層上に形成され前記電子走行層を形成する半
   導体が有するエネルギーギャップより大きなエネルギー
   ギャップを有し夾質的に不純物を含有しない半導体の単
   結晶層よりなるノ々ツファ層と、該ノ９ツフ７層上に形
   成され前記電子走行層を形成する半導体が有する゛エネ
   ルギーギャップより大きくないエネルギーギャップを有
   するＮ型の半導体の単結晶層よりなる制御層と、該制御
   層上の一部に設けられた少なくとも１箇の制御電極と、
   前記制御層の表面の他の一部または前記電子走行層の表
   面の一部に前記制御電極を挾ん１互に対向する領域に設
   けられた１対の入・出力電極とを有し、前記の層構造に
   おいて前記電子走行層と前記ノ９ツファ層との間の表面
   ポテンシャルなＯ（零）とするように前記制御層のエネ
   ルギーギャップの大きさと厚さと不純物濃度とが撰択さ
   れており、前記制御電極に印加される正電圧によりて前
   記電子走行層と前記／々ツファ層とのへテロ界面近傍に
   電子群が銹発されて、エンハンスメント型トランジスタ
   として機能する半導体装置。
2. （２）前記ｌ対の入・出力電極の下部領域は前記電子走
   行層に至るま１高濃度のＮ型不純物を含有しており、前
   記制御電極は高融点金属よりな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。
3. （３）前記１対の入・出力電極領域においては前記制御
   層と前記ノ々ツファ層とが除去されている、特許請求の
   範囲第１項、又は、第２項記賊の半導体装置。