JP3625954B2

JP3625954B2 - High electron mobility transistor

Info

Publication number: JP3625954B2
Application number: JP09263996A
Authority: JP
Inventors: 雅克佐藤; 高明川口; 清次西
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1996-04-15
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2016-04-15
Also published as: JPH09283745A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、化合物半導体素子、特に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高電子移動度トランジスタ（以下、ＨＥＭＴと称する。）は、２次元電子ガス（２ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｎｇａｓ；以下、２ＤＥＧと称する場合がある。）を利用する素子であり、ヘテロ構造を有した化合物半導体素子である。従来のＨＥＭＴの構造は、例えば文献「ＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＬａｔｔｉｃｅ−ＭａｔｃｈｅｄａｎｄＳｔｒａｉｎｅｄＩｎｄｉｕｍＧａｌｌｉｕｍＡｒｓｅｎｉｄｅ，ｐ２９０，ＩＮＳＰＥＣ（１９９３）」に開示されている通りである。この文献の構成例は、半絶縁性ＧａＡｓ基板に歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層をチャネルとする歪格子（Ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ）ＨＥＭＴ構造である。ＩｎＧａＡｓチャネル層の上にはノンドープＡｌＧａＡｓ（ｉ−ＡｌＧａＡｓ）スペーサ層およびＳｉドープＡｌＧａＡｓ（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）キャリア供給層が順次に設けられており、通常、このような構造のＨＥＭＴは順構造型ＨＥＭＴと呼ばれている。この他に、チャネル層の下にキャリア供給層が設けられた構造の逆構造型ＨＥＭＴや、チャネル層の上下にキャリア供給層が設けられた構造のダブルヘテロ型ＨＥＭＴ（ダブルドープ型ＨＥＭＴとも呼ばれる。）等が知られている。一般に逆構造型ＨＥＭＴはピンチオフ特性が優れており、ダブルヘテロ型ＨＥＭＴはキャリアの密度が高いから高出力用に向いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＨＥＭＴを構成するキャリア供給層とチャネル層との間には、２次元電子の移動度を高めるためにスペーサ層が挿入されて設けられていることが多い。例えば、キャリア供給層をｎ−ＡｌＧａＡｓ層とし、チャネル層をｉ−ＩｎＧａＡｓ層とする文献の構成例の場合には、キャリア供給層とチャネル層とのＳｉ不純物のドーピングの選択性をより効果的にするために、スペーサ層としてｉ−ＡｌＧａＡｓ層が設けられる。このように、スペーサ層を設けることにより、キャリア供給層の不純物に伴うクーロン散乱の影響をさらに低減させることができるから、チャネル層を移動する２次元電子の移動度を高めることになる。一般に２次元電子の移動度は、スペーサ層の厚さに伴い増大することが知られている。
【０００４】
しかしながら、２次元電子の移動度を高める目的でスペーサ層を厚くすると２ＤＥＧ密度が減少してしまうといった問題があった。このことは、理論的にも実験的にも判明している。これは障壁となるキャリア供給層の伝導帯（およびこれに付随するドナー準位）が、スペーサ層中のフェルミ準位に近づく（または交差する）ために生じるものである。よって、高い移動度を利用しようとしても２ＤＥＧ密度が低ければ、オーミックコンタクトを形成するのも難しく、デバイスに応用することが困難である。
【０００５】
従って、従来より、２ＤＥＧ密度が高く、かつ、高い移動度を示すＨＥＭＴの出現が望まれていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の高電子移動度トランジスタによれば、スペーサ層、第１キャリア供給層、第２キャリア供給層、第１チャネル層および第２チャネル層を具える高電子移動度トランジスタにおいて、前記第１キャリア供給層と前記第１チャネル層との間に第２チャネル層を具え、前記第２キャリア供給層をｎ−ＡｌＧａＡｓ層とし、前記第２キャリア供給層上に前記スペーサ層であるｉ−ＡｌＧａＡｓ層が積層され、前記スペーサ層上に前記第１チャネル層であるｉ−ＩｎＧａＡｓ層が積層され、前記第１チャネル層上に前記第２チャネル層であるｉ−ＧａＡｓ層が積層され、前記第２チャネル層上に前記第１キャリア供給層であるｎ−ＡｌＧａＡｓ層が積層されており、前記第２チャネル層の膜厚が１０〜１００Åであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。尚、図は、この発明の構成の形状、大きさおよび配置関係が理解できる程度に概略的に示しているに過ぎず、また、以下に記載する数値条件等は単なる一例であり、従って、この発明は、この実施の形態に何ら限定されることはない。
【００１２】
図１は、この実施の形態の構成を示す断面図である。この実施の形態の構成例はダブルヘテロ構造のＨＥＭＴであり、二層のキャリア供給層を具えている。下地１０として、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２、ｉ−ＧａＡｓバッファ層１４およびｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層１６が順次に積層された構造を具えており、この下地１０の上側にＨＥＭＴ構造が形成されている。先ず、ｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層１６の上にはｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層１８が積層されており、以下、ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層２０、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４およびｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６が順次に積層されている。このように、この実施の形態の構成例は、第１チャネル層としてｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２を、第２チャネル層としてｉ−ＧａＡｓチャネル層２４を、およびキャリア供給層としてｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６を具えた構成である。尚、第１および第２チャネル層２２および２４は、歪量子井戸構造としてある。
【００１３】
上述の各層は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の上側に分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法によって形成される。また、各層の膜厚は下記の通りに設定されている。
【００１４】
ｉ−ＧａＡｓバッファ層１４１０００Å
ｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層１６１０００Å
ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層１８１００Å
ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層２０４０Å
ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２１００Å
ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４５０Å
ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６５００Å
尚、ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層１８およびｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６の不純物ドープ量は３×１０^１８ｃｍ^−３としてある。また、上述の各ＡｌＧａＡｓ層１６、１８、２０および２６のＡｌ組成はＤＸセンターの制限によりＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓと表したときにｘ＝０．２８であり、ＩｎＧａＡｓ層２２のＩｎ組成は格子整合の関係からＩｎ_ｘＧａ_１−ｘＡｓと表したときにｘ＝０．２としてある。
【００１５】
ここで、ＤＸセンターとはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＡｓにＳｉなどの不純物をドーピングしてｎ型半導体を作るとき、ｘ＝０．３より大きいｘの範囲では、ｘの増大とともにドナーレベルが次第に伝導帯底のエネルギレベルから見て、深くなってゆく現象をいう。
【００１６】
このように組成を設定したときに、ミスフィット転移を生じさせずにＩｎＧａＡｓ層２２を良好な結晶状態で成長させるために、ＩｎＧａＡｓ層２２の膜厚は上述の通りに１００Åとしている（１５０Åが限界である。）。さらに、ｉ−ＧａＡｓバッファ層１４には２ＤＥＧが発生しないようにするために、ｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層１６の膜厚は１０００Åと十分に厚く形成しており、ｉ−ＧａＡｓ層１４とｎ−ＡｌＧａＡｓ層１８との距離を十分に取っている。
【００１７】
また、ソース電極２８およびドレイン電極３０をオーミックコンタクトとなるように形成するため、これら電極２８および３０とｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６との間に１０００Åのｎ^＋ −ＧａＡｓキャップ層３２を挿入してある。このｎ^＋ −ＧａＡｓキャップ層３２には、４×１０^１８ｃｍ^−３の不純物をドープしてある。電極２８および３０は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ層（ＡｕＧｅ、ＮｉおよびＡｕがこの順に積層された層）を用いている。また、所望のしきい値で動作するＨＥＭＴを構成するために、ソース電極２８およびドレイン電極３０間の領域に、ｎ^＋ −ＧａＡｓキャップ層３２からｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６の中途にかけてリセス構造を形成しており、そこにゲート電極３４としてＴｉ／Ａｌ層（ＴｉおよびＡｌがこの順に積層された層）が設けられている。
【００１８】
図２は、この実施の形態の構成例のエネルギ状態を示す図である。図は、図中の縦方向にエネルギの高さを取ってあり、図中の横方向にＨＥＭＴを構成する各層１２〜２６の領域を取ってある。実線ａは、各層１２〜２６のコンダクションバンド端Ｅ_Ｃを表しており、破線ｂはフェルミレベルＥ_Ｆを表している。特に、ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６のコンダクションバンド端をＥ_Ｃ１で表し、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２のコンダクションバンド端をＥ_Ｃ２で表し、およびｉ−ＧａＡｓチャネル層２４のコンダクションバンド端をＥ_Ｃ３で表している。破線ｃは第１チャネル層２２において発生した２ＤＥＧの密度を図中の縦方向の高さで表しており、破線ｄは第２チャネル層２４において発生した２ＤＥＧの密度を図中の縦方向の高さで表している。
【００１９】
このように、第２チャネル層２４のコンダクションバンド端Ｅ_Ｃ３を、Ｅ_Ｃ１＞Ｅ_Ｃ３＞Ｅ_Ｃ２となるように設定してあることにより、第２チャネル層であるｉ−ＧａＡｓチャネル層２４にも２ＤＥＧが形成されるようになる。２ＤＥＧが形成されやすくするためには、Ｅ_Ｃ１およびＥ_Ｃ３（およびＥ_Ｃ２）間のエネルギ差を大きく設定しておきたいが、このためには、ｉ−ＩｎＧａＡｓ層のＩｎの組成比ｘを高く取ればよい。しかし、前述したようにミスフィット転移の問題があるためにｘ＝０．２〜０．３の範囲に設定しておくのがよい。
【００２０】
図３は、この実施の形態において発生した２ＤＥＧの移動度および密度のｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚依存性を示すグラフである。図の横軸にはｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚をÅ単位で０〜１００の範囲で取ってあり、図の左側の縦軸には移動度を１０^３ｃｍ^２・Ｖ^−１・ｓ^−１単位で０〜１０の範囲で取ってあり、図の右側の縦軸には密度を１０^１２ｃｍ^−２単位で０〜４の範囲で取ってある。実施の形態の構成例の各データは、移動度を記号○で、および密度を記号□でグラフ上にプロットしている。尚、図中には比較のために、従来の構成例（すなわち、実施の形態の構成例においてｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の代わりにｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層を設けた構成例）における２ＤＥＧの移動度および密度のｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の膜厚依存性を示してある。従来の構成例の各データは、移動度を記号△で、および密度を記号▽でグラフ上にプロットしている。これらの測定は、室温（２５℃）で行われた。また、測定値を、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４またはｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の膜厚と移動度および密度との関係として表１に示してある。尚、測定は、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚を５０Åおよび１００Åに設定して行い、また、ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の膜厚を１０Å、２０Åおよび４０Åに設定して行った。また、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４またはｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層を設けていない場合についても移動度および密度の測定を行い、その結果を膜厚が０Åの場合の測定結果として表１および図３に示している。
【００２１】
【表１】

【００２２】
図３および表１から明らかなように、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚が０〜５０Åのときには２ＤＥＧの移動度が５．６６×１０^３ｃｍ^２・Ｖ^−１・ｓ^−１から６．９３×１０^３ｃｍ^２・Ｖ^−１・ｓ^−１にまで増加しており、従来の構成におけるｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の膜厚依存性と同様の傾向が現れていることが理解される。一方、２ＤＥＧの密度について実施の形態例（記号□）と従来（記号▽）とを比較した場合に、例えば、ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の膜厚が４０Åのときには密度が３．０１×１０^１２ｃｍ^−２であるのに対し、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚が５０Åのときには３．３１×１０^１２ｃｍ^−２となっており、実施の形態例の方が密度の減少が小さいことが分かる。
【００２３】
図３（および表１）の測定結果は、定性的に以下のように説明される。この実施の形態では、ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６とｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２との間に、両者の伝導帯のバンド不連続間に伝導帯があるようなｉ−ＧａＡｓチャネル層２４を従来のｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層の代わりに設けた。このｉ−ＧａＡｓチャネル層２４は、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２にとっては従来のスペーサ層のように働く。従って、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚の増加に伴って２ＤＥＧの移動度は高くなる。しかしながら、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４にも２ＤＥＧが形成されるため、この層の膜厚を大きくし過ぎると（この実施の形態では５０Å以上にすると）、ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４に形成された比較的低い移動度の２ＤＥＧが全体の移動度に反映して、全２ＤＥＧの移動度が低くなってしまう。
【００２４】
一方、従来のｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層には２ＤＥＧが形成されないが、この実施の形態の構成例のｉ−ＧａＡｓチャネル層２４には２ＤＥＧが形成されているため、従来の構成例に比べて２ＤＥＧの密度が高くなっている。このように、キャリアとしての２ＤＥＧの密度が増大するため、ＨＥＭＴ素子の高周波特性が増大し、高出力用としての使用に供することが可能になる。前述の移動度との兼ね合いから、この実施の形態の構成例においてはｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚を１０〜１００Åの範囲に設定したときが好適であり、例えば、膜厚が５０Åのときには移動度が６．９３×１０^３ｃｍ^２・Ｖ^−１・ｓ^−１であり、密度が３．３１×１０^１２ｃｍ^−２である。
【００２５】
この実施の形態では、ＨＥＭＴの構成例として、ダブルヘテロ構造を用いて説明したが、これに限られることなく、順構造型や逆構造型であっても同様の効果を奏する。
【００２６】
図４は、順構造型のＨＥＭＴの構成を示す断面図である。この構成例は、キャリア供給層がｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６の一層だけであり、このキャリア供給層２６の下側にｉ−ＧａＡｓチャネル層２４があり、その下にｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２が設けられている構成となっている。また、ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２は、ｉ−ＧａＡｓバッファ層１４の上に形成されている。さらに、ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６の上にはｎ^＋ −ＧａＡｓキャップ層３２を介してソース電極２８およびドレイン電極３０が設けられており、これらの電極２８および３０間のリセス構造が形成されている領域にゲート電極３４がｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６の一部に接して設けられている。以上説明した構造は、半絶縁性ＧａＡｓ基板１２の上側に形成されている。
【００２７】
先に説明したダブルヘテロ構造型のＨＥＭＴの構成例に比べれば、キャリア供給層が一層少ないのでその分だけ２ＤＥＧの密度が小さくなることが予測される。しかしながら、従来の順構造型のＨＥＭＴ（ｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の代わりにｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層が設けられた構成のＨＥＭＴ。）と比べてみれば、この構成例の場合にはｉ−ＧａＡｓチャネル層２４にも２ＤＥＧが形成されるから、その分だけ全体の２ＤＥＧの密度は高くなっている。
【００２８】
また、図５は、逆構造型のＨＥＭＴの構成を示す断面図である。この構成例は、下地１０（半絶縁性ＧａＡｓ基板１２、ｉ−ＧａＡｓバッファ層１４およびｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層１６）の上にｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層２６を形成しており、その上にｉ−ＧａＡｓチャネル層２４およびｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層２２およびｎ−ＧａＡｓショットキーコンタクト層２１を、この順に設けた構成である。そして、ｎ−ＧａＡｓショットキーコンタクト層２１の上にはｎ^＋ −ＧａＡｓキャップ層３２を介して、ソース電極２８およびドレイン電極３０が設けられており、また、これらの電極２８および３０間のリセス構造が形成されている領域にゲート電極３４がｎ−ＧａＡｓショットキーコンタクト層２１の一部に接して設けられている。
【００２９】
このように、逆構造型にした場合には、一般にピンチオフ特性が優れていることが知られている。逆構造型にした場合にも、従来ではｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層が設けられるべき箇所にｉ−ＧａＡｓチャネル層２４を設けることによって、このｉ−ＧａＡｓチャネル層２４に２ＤＥＧを発生することができるから全体の２ＤＥＧの密度を増大させることが可能である。
【００３０】
【発明の効果】
この発明のＨＥＭＴによれば、従来のスペーサ層の代わりに第２チャネル層を設けることにより、この層にも２ＤＥＧが形成される結果、全体の２ＤＥＧの密度を従来に比べて高めることが可能になる。また、第２チャネル層の膜厚の範囲を適当に設定することにより、高移動度でかつ密度の低下が少ない２ＤＥＧが得られる。従って、ＨＥＭＴの素子特性（例えば高周波特性）が向上するといった顕著な効果を奏するようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の構成を示す図である。
【図２】実施の形態のエネルギ状態を示す図である。
【図３】２ＤＥＧの移動度および密度のｉ−ＧａＡｓチャネル層２４の膜厚依存性を示す図である。
【図４】実施の形態の構成を示す図である。
【図５】実施の形態の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０：下地
１２：半絶縁性ＧａＡｓ基板
１４：ｉ−ＧａＡｓバッファ層
１６：ｉ−ＡｌＧａＡｓバッファ層
１８：ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層
２０：ｉ−ＡｌＧａＡｓスペーサ層
２１：ｎ−ＧａＡｓショットキーコンタクト層
２２：ｉ−ＩｎＧａＡｓチャネル層
２４：ｉ−ＧａＡｓチャネル層
２６：ｎ−ＡｌＧａＡｓキャリア供給層
２８：ソース電極
３０：ドレイン電極
３２：ｎ^＋ −ＧａＡｓキャップ層
３４：ゲート電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compound semiconductor device, particularly a high electron mobility transistor (HEMT).
[0002]
[Prior art]
A high electron mobility transistor (hereinafter referred to as HEMT) is an element that uses a two-dimensional electron gas (hereinafter sometimes referred to as 2DEG), and is a compound semiconductor element having a heterostructure It is. The structure of a conventional HEMT is as disclosed in, for example, the document “Properties of lattice-matched and strained Indium Gallium Arsenide, p290, INSPEC (1993)”. The configuration example of this document is a strained grating (Pseudomorphic) HEMT structure using a strained InGaAs quantum well layer as a channel in a semi-insulating GaAs substrate. On the InGaAs channel layer, a non-doped AlGaAs (i-AlGaAs) spacer layer and an Si-doped AlGaAs (n-AlGaAs) carrier supply layer are sequentially provided. being called. In addition to this, an inverted structure type HEMT having a structure in which a carrier supply layer is provided below a channel layer, and a double hetero type HEMT having a structure in which a carrier supply layer is provided above and below the channel layer (also referred to as a double-doped HEMT). ) Etc. are known. In general, the inverted structure type HEMT has excellent pinch-off characteristics, and the double hetero type HEMT is suitable for high output because of the high carrier density.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In many cases, a spacer layer is inserted between the carrier supply layer and the channel layer constituting the HEMT in order to increase the mobility of two-dimensional electrons. For example, in the case of a literature configuration example in which the carrier supply layer is an n-AlGaAs layer and the channel layer is an i-InGaAs layer, the Si impurity doping selectivity between the carrier supply layer and the channel layer is more effectively achieved. Therefore, an i-AlGaAs layer is provided as a spacer layer. In this manner, by providing the spacer layer, the influence of Coulomb scattering accompanying impurities in the carrier supply layer can be further reduced, so that the mobility of two-dimensional electrons moving through the channel layer is increased. In general, it is known that the mobility of two-dimensional electrons increases with the thickness of the spacer layer.
[0004]
However, when the spacer layer is made thicker for the purpose of increasing the mobility of two-dimensional electrons, there is a problem that the 2DEG density decreases. This has been found both theoretically and experimentally. This occurs because the conduction band (and the associated donor level) of the carrier supply layer serving as a barrier approaches (or crosses) the Fermi level in the spacer layer. Therefore, even if high mobility is used, if the 2DEG density is low, it is difficult to form an ohmic contact and it is difficult to apply it to a device.
[0005]
Therefore, conventionally, the appearance of HEMT having a high 2DEG density and high mobility has been desired.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the high electron mobility transistor of the present invention, in the high electron mobility transistor comprising a spacer layer, a first carrier supply layer, a second carrier supply layer, a first channel layer, and a second channel layer, the first carrier A second channel layer is provided between the supply layer and the first channel layer, the second carrier supply layer is an n-AlGaAs layer, and an i-AlGaAs layer serving as the spacer layer is formed on the second carrier supply layer. The i-InGaAs layer that is the first channel layer is stacked on the spacer layer, the i-GaAs layer that is the second channel layer is stacked on the first channel layer, and the second channel layer is stacked. An n-AlGaAs layer which is the first carrier supply layer is laminated thereon, and the thickness of the second channel layer is 10 to 100 mm.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings only schematically show the shape, size, and arrangement relationship of the configuration of the present invention, and the numerical conditions described below are merely examples, and therefore The invention is not limited to this embodiment.
[0012]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of this embodiment. The configuration example of this embodiment is a double heterostructure HEMT, which includes two carrier supply layers. The base 10 has a structure in which a semi-insulating GaAs substrate 12, an i-GaAs buffer layer 14, and an i-AlGaAs buffer layer 16 are sequentially stacked. A HEMT structure is formed on the base 10. First, an n-AlGaAs carrier supply layer 18 is stacked on the i-AlGaAs buffer layer 16, and hereinafter, an i-AlGaAs spacer layer 20, an i-InGaAs channel layer 22, an i-GaAs channel layer 24, and an n- AlGaAs carrier supply layers 26 are sequentially stacked. As described above, the configuration example of this embodiment includes the i-InGaAs channel layer 22 as the first channel layer, the i-GaAs channel layer 24 as the second channel layer, and the n-AlGaAs carrier supply layer as the carrier supply layer. 26 is provided. The first and

second channel layers

22 and 24 have a strained quantum well structure.
[0013]
Each of the above layers is formed on the upper side of the semi-insulating GaAs substrate 12 by molecular beam epitaxy (MBE). Moreover, the film thickness of each layer is set as follows.
[0014]
i-GaAs buffer layer 14 1000 Å
i-AlGaAs buffer layer 16 1000 Å
n-AlGaAs carrier supply layer 18 100 Å
i-AlGaAs spacer layer 20 40 mm
i-InGaAs channel layer 22 100Å
i-GaAs channel layer 24 50Å
n-AlGaAs carrier supply layer 26 500Å
The impurity doping amount of the n-AlGaAs carrier supply layer 18 and the n-AlGaAs carrier supply layer 26 is 3 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . The Al composition of each of the

AlGaAs layers

16, 18, 20, and 26 is x = 0.28 when expressed as Al _x Ga _1-x As due to the limitation of the DX center, and the In composition of the InGaAs layer 22 is From the relationship of lattice matching, x = 0.2 when expressed as In _x Ga _1-x As.
[0015]
Here, the DX center refers to Al _x Ga _1-x As doped with impurities such as Si to make an n-type semiconductor. In the range of x greater than x = 0.3, the donor level gradually increases with increasing x. A phenomenon that deepens as seen from the energy level at the bottom of the conduction band.
[0016]
When the composition is set as described above, the thickness of the InGaAs layer 22 is set to 100 mm as described above in order to grow the InGaAs layer 22 in a good crystal state without causing misfit transition (150 mm is the limit). .) Further, in order to prevent 2DEG from being generated in the i-GaAs buffer layer 14, the i-AlGaAs buffer layer 16 is sufficiently thick as 1000 mm, and the i-GaAs layer 14 and the n-AlGaAs layer are formed. A sufficient distance from 18 is secured.
[0017]
Further, in order to form the source electrode 28 and the drain electrode 30 so as to be ohmic contacts, a 1000 ｎ n ⁺ -GaAs cap layer 32 is inserted between the

electrodes

28 and 30 and the n-AlGaAs carrier supply layer 26. is there. The n ⁺ -GaAs cap layer 32 is doped with an impurity of 4 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . The

electrodes

28 and 30 use AuGe / Ni / Au layers (layers in which AuGe, Ni and Au are laminated in this order). In order to configure a HEMT that operates at a desired threshold value, a recess structure is formed in the region between the source electrode 28 and the drain electrode 30 from the n ⁺ -GaAs cap layer 32 to the middle of the n-AlGaAs carrier supply layer 26. A Ti / Al layer (a layer in which Ti and Al are laminated in this order) is provided as a gate electrode 34 there.
[0018]
FIG. 2 is a diagram showing an energy state of the configuration example of this embodiment. In the figure, the height of energy is taken in the vertical direction in the figure, and the regions of the respective layers 12 to 26 constituting the HEMT are taken in the horizontal direction in the figure. Solid line a represents the conduction band edge _{E C} of the layers 12 to 26, the broken line b represents the Fermi level _{E F.} In particular, the conduction band edge of the n-AlGaAs carrier supply layer 26 is denoted by E _C1 , the conduction band edge of the i-InGaAs channel layer 22 is denoted by E _C2 , and the conduction band edge of the i-GaAs channel layer 24 is denoted by E _C2. It is represented by E _C3 . The broken line c represents the density of 2DEG generated in the first channel layer 22 in the vertical direction in the figure, and the broken line d represents the density of 2DEG generated in the second channel layer 24 in the vertical direction in the figure. It is represented by
[0019]
As described above, the conduction band edge E _C3 of the second channel layer 24 is set to satisfy E _C1 > E _C3 > E _C2 , so that the i-GaAs channel layer 24 which is the second channel layer is formed. 2DEG is formed. In order to facilitate the formation of 2DEG, it is desirable to set a large energy difference between E _C1 and E _C3 (and E _C2 ). For this purpose, the In composition ratio x of the i-InGaAs layer is increased. Take it. However, since there is a problem of misfit transition as described above, it is preferable to set x = 0.2 to 0.3.
[0020]
FIG. 3 is a graph showing the dependence of the mobility and density of 2DEG generated in this embodiment on the film thickness of the i-GaAs channel layer 24. The horizontal axis of the figure shows the film thickness of the i-GaAs channel layer 24 in the range of 0 to 100, and the vertical axis on the left side of the figure shows the mobility of 10 ³ cm ² · V ⁻¹ · s. It is taken in the range of 0 to 10 in ^-1 unit, and the density is taken in the range of 0 to 4 in 10 ¹² cm ^-2 unit on the vertical axis on the right side of the figure. Each data of the configuration example of the embodiment is plotted on the graph with the mobility as a symbol ◯ and the density as a symbol □. For comparison, in the drawing, the mobility of 2DEG in a conventional configuration example (that is, a configuration example in which an i-AlGaAs spacer layer is provided in place of the i-GaAs channel layer 24 in the configuration example of the embodiment). And the dependence of density on the film thickness of the i-AlGaAs spacer layer. Each data of the conventional configuration example is plotted on the graph with the mobility as a symbol Δ and the density as a symbol ▽. These measurements were performed at room temperature (25 ° C.). The measured values are shown in Table 1 as the relationship between the film thickness, mobility and density of the i-GaAs channel layer 24 or i-AlGaAs spacer layer. The measurement was performed by setting the film thickness of the i-GaAs channel layer 24 to 50 mm and 100 mm, and the film thickness of the i-AlGaAs spacer layer to 10 mm, 20 mm and 40 mm. Further, the mobility and density are measured even when the i-GaAs channel layer 24 or the i-AlGaAs spacer layer is not provided, and the results are shown in Table 1 and FIG. 3 as the measurement results when the film thickness is 0 mm. ing.
[0021]
[Table 1]

[0022]
As apparent from FIG. 3 and Table 1, when the film thickness of the i-GaAs channel layer 24 is 0 to 50 mm, the mobility of 2DEG is 5.66 × 10 ³ cm ² · V ⁻¹ · s ⁻¹ to 6. It has been increased to 93 × 10 ³ cm ² · V ⁻¹ · s ⁻¹ , and it is understood that the same tendency as the film thickness dependence of the i-AlGaAs spacer layer in the conventional configuration appears. On the other hand, when comparing the density of 2DEG with the embodiment (symbol □) and the conventional (symbol ▽), for example, when the film thickness of the i-AlGaAs spacer layer is 40 mm, the density is 3.01 × 10 ¹² cm. ^-2 is 3.31 × 10 ¹² cm ^-2 when the film thickness of the i-GaAs channel layer 24 is 50 mm, and it can be seen that the decrease in density is smaller in the embodiment. .
[0023]
The measurement results in FIG. 3 (and Table 1) are qualitatively explained as follows. In this embodiment, an i-GaAs channel layer 24 having a conduction band between the n-AlGaAs carrier supply layer 26 and the i-InGaAs channel layer 22 and having a conduction band between the band discontinuities of both is used. It provided instead of the i-AlGaAs spacer layer. The i-GaAs channel layer 24 functions like a conventional spacer layer for the i-InGaAs channel layer 22. Therefore, the mobility of 2DEG increases as the thickness of the i-GaAs channel layer 24 increases. However, since 2DEG is also formed in the i-GaAs channel layer 24, if the film thickness of this layer is excessively increased (in this embodiment, 50 mm or more), the comparison formed in the i-GaAs channel layer 24 is performed. The 2DEG having a low mobility is reflected in the overall mobility, and the mobility of all 2DEGs becomes low.
[0024]
On the other hand, although 2DEG is not formed in the conventional i-AlGaAs spacer layer, since 2DEG is formed in the i-GaAs channel layer 24 of the configuration example of this embodiment, the 2DEG is smaller than that of the conventional configuration example. The density is high. Thus, since the density of 2DEG as a carrier increases, the high frequency characteristic of a HEMT element increases, and it can be used for high output. In view of the above-described mobility, in the configuration example of this embodiment, it is preferable that the film thickness of the i-GaAs channel layer 24 is set in a range of 10 to 100 mm, for example, when the film thickness is 50 mm. The mobility is 6.93 × 10 ³ cm ² · V ⁻¹ · s ⁻¹ and the density is 3.31 × 10 ¹² cm ⁻² .
[0025]
In this embodiment, the double heterostructure has been described as an example of the configuration of the HEMT. However, the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained even with a forward structure type or a reverse structure type.
[0026]
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a configuration of a forward structure type HEMT. In this configuration example, the carrier supply layer is only one layer of the n-AlGaAs carrier supply layer 26, the i-GaAs channel layer 24 is provided below the carrier supply layer 26, and the i-InGaAs channel layer 22 is provided therebelow. It is the provided configuration. The i-InGaAs channel layer 22 is formed on the i-GaAs buffer layer 14. Further, a source electrode 28 and a drain electrode 30 are provided on the n-AlGaAs carrier supply layer 26 via an n ⁺ -GaAs cap layer 32, and a recess structure between these

electrodes

28 and 30 is formed. The gate electrode 34 is provided in contact with a part of the n-AlGaAs carrier supply layer 26 in the region. The structure described above is formed on the upper side of the semi-insulating GaAs substrate 12.
[0027]
Compared to the configuration example of the double heterostructure type HEMT described above, since the number of carrier supply layers is smaller, it is expected that the density of 2DEG is reduced accordingly. However, when compared with a conventional forward structure type HEMT (a HEMT having a configuration in which an i-AlGaAs spacer layer is provided instead of the i-GaAs channel layer 24), in this configuration example, an i-GaAs channel is used. Since 2DEG is also formed in the layer 24, the density of the entire 2DEG is increased accordingly.
[0028]
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of an inverted structure type HEMT. In this configuration example, an n-AlGaAs carrier supply layer 26 is formed on a base 10 (semi-insulating GaAs substrate 12, i-GaAs buffer layer 14 and i-AlGaAs buffer layer 16), and i- The GaAs channel layer 24, the i-InGaAs channel layer 22, and the n-GaAs Schottky contact layer 21 are provided in this order. A source electrode 28 and a drain electrode 30 are provided on the n-GaAs Schottky contact layer 21 via an n ⁺ -GaAs cap layer 32, and a recess structure between these

electrodes

28 and 30 is provided. A gate electrode 34 is provided in contact with a part of the n-GaAs Schottky contact layer 21 in the region where is formed.
[0029]
As described above, it is generally known that the pinch-off characteristic is excellent when the inverted structure type is used. Even in the case of the inverted structure type, conventionally, 2DEG can be generated in the i-GaAs channel layer 24 by providing the i-GaAs channel layer 24 where the i-AlGaAs spacer layer is to be provided. It is possible to increase the density of 2DEG.
[0030]
【The invention's effect】
According to the HEMT of the present invention, by providing the second channel layer in place of the conventional spacer layer, 2DEG is also formed in this layer. As a result, the density of the entire 2DEG can be increased compared to the conventional case. Become. In addition, by appropriately setting the thickness range of the second channel layer, 2DEG having high mobility and little decrease in density can be obtained. Therefore, the remarkable effect that the element characteristics (for example, high frequency characteristics) of the HEMT is improved can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing an energy state of the embodiment.
FIG. 3 is a graph showing the dependence of 2DEG mobility and density on the film thickness of an i-GaAs channel layer 24;
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of an embodiment.
[Explanation of symbols]
10: Base 12: Semi-insulating GaAs substrate 14: i-GaAs buffer layer 16: i-AlGaAs buffer layer 18: n-AlGaAs carrier supply layer 20: i-AlGaAs spacer layer 21: n-GaAs Schottky contact layer 22: i-InGaAs channel layer 24: i-GaAs channel layer 26: n-AlGaAs carrier supply layer 28: source electrode 30: drain electrode 32: n ⁺ -GaAs cap layer 34: gate electrode

Claims

In a high electron mobility transistor comprising a spacer layer, a first carrier supply layer, a second carrier supply layer, a first channel layer and a second channel layer ,
The second carrier supply layer is an n-AlGaAs layer, an i-AlGaAs layer that is the spacer layer is stacked on the second carrier supply layer, and an i-InGaAs layer that is the first channel layer on the spacer layer The i-GaAs layer as the second channel layer is laminated on the first channel layer, and the n-AlGaAs layer as the first carrier supply layer is laminated on the second channel layer. ,
The high electron mobility transistor, wherein the second channel layer has a thickness of 10 to 100 mm .