JP4635444B2 - Epitaxial wafer for field effect transistor - Google Patents
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Description
本発明は、FET(Field Effect Transistor:電界効果トランジスタ)やHEMT(High Electron Mobility Transistor:高電子移動度トランジスタ)などの電子デバイスに用いられる電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハに関し、特にソース−ドレイン電極間のリーク電流を低減した電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハに関する。 The present invention relates to an epitaxial wafer for a field effect transistor used in an electronic device such as a field effect transistor (FET) or a high electron mobility transistor (HEMT), and more particularly between a source and a drain electrode. The present invention relates to an epitaxial wafer for a field effect transistor with reduced leakage current.
化合物半導体結晶を用いたFETやHEMT等の電界効果トランジスタは、シリコン半導体に比べて電子移動度が高いため、携帯電話や衛星放送受信機などの高速動作や高効率が要求される高周波機器の増幅器などに幅広く使用されている(例えば、特許文献1参照。)。 Field effect transistors such as FETs and HEMTs that use compound semiconductor crystals have higher electron mobility than silicon semiconductors, and therefore high-frequency equipment amplifiers that require high-speed operation and high efficiency such as mobile phones and satellite broadcast receivers. (See, for example, Patent Document 1).
このような電界効果トランジスタは、半絶縁性GaAs基板の上に、有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy、以下「MOVPE法」という。)により金属薄膜を成長させて製作される。 Such a field effect transistor is manufactured by growing a metal thin film on a semi-insulating GaAs substrate by a metal organic vapor phase epitaxy (hereinafter referred to as “MOVPE method”).
MOVPE法は、III族有機金属原料ガスとV族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解され、基板上に化合物半導体結晶がエピタキシャル成長する。 In the MOVPE method, a group III organometallic source gas and a group V source gas are introduced into a reaction furnace as a mixed gas with a high-purity hydrogen carrier gas, and the source material is pyrolyzed near the substrate heated in the reaction furnace. A compound semiconductor crystal grows epitaxially on the substrate.
図5は、従来のチャネル層の上下にキャリア供給層を有したダブルへテロ型高電子移動度トランジスタ(D−HEMT)の構造を示す。このダブルへテロ型高電子移動度トランジスタ1は、半絶縁性GaAs基板2、半絶縁性GaAs基板2上に形成された高抵抗のp型導電性を示す膜からなる第1〜第3のバッファ層30a〜30cからなり、半絶縁性GaAs基板2上の残留不純物によるデバイス特性の劣化を抑えるバッファ層30と、自由電子を発生しチャネル層6に電子を供給する第1および第2のキャリア供給層4,8と、チャネル層6を流れる自由電子が第1および第2のキャリア供給層4,8のn型不純物によって散乱されるのを防ぐ第1および第2のスペーサ層5,7と、自由電子が流れるチャネル層6と、ショットキー接合をするショットキー層9と、図示しないソース電極およびドレイン電極とのオーミック接合を行うコンタクト層10をそれぞれエピタキシャル成長させたものである。
FIG. 5 shows a structure of a double hetero type high electron mobility transistor (D-HEMT) having carrier supply layers above and below a conventional channel layer. This double hetero type high
表3は、これらエピタキシャル層の詳細を示す。 Table 3 shows details of these epitaxial layers.
ここで、HEMTは、第1および第2のキャリア供給層4,8に隣接したチャネル層6に二次元電子ガス(2Dimension Electron Gas:2DEG)を形成することによりイオン化不純物散乱を受けにくい高移動度の電子を利用するものである。
Here, the HEMT has high mobility that is less susceptible to ionized impurity scattering by forming a two-dimensional electron gas (2DEG) in the
しかし、従来のMOVPE法で作成された電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハの場合、半絶縁性GaAs基板とその上に形成されるエピタキシャル層との界面、正確には半絶縁性GaAs基板とバッファ層との界面に、低抵抗の導電層が形成される。このような低抵抗層が形成される原因は、半絶縁性GaAs基板の表面にもともとSiが付着しており、このSiがエピタキシャル結晶の成長中に結晶内に取り込まれ、n型キャリアとなってしまうためである。 However, in the case of an epitaxial wafer for a field effect transistor prepared by a conventional MOVPE method, the interface between the semi-insulating GaAs substrate and the epitaxial layer formed thereon, more precisely, the semi-insulating GaAs substrate and the buffer layer A low resistance conductive layer is formed at the interface. The reason why such a low resistance layer is formed is that Si is originally attached to the surface of the semi-insulating GaAs substrate, and this Si is taken into the crystal during the growth of the epitaxial crystal and becomes an n-type carrier. It is because it ends.
上記のような低抵抗層の存在するエピタキシャルウエハを用いて電界効果トランジスタを作成すると、エピタキシャル層と成長基板(鏡面ウエハ)との界面に存在する導電層を通じて、ソース電極とドレイン電極間にリーク電流が流れ、トランジスタの電気特性を悪化させるという問題がある。 When a field effect transistor is formed using an epitaxial wafer having a low resistance layer as described above, a leakage current is generated between the source electrode and the drain electrode through the conductive layer present at the interface between the epitaxial layer and the growth substrate (mirror wafer). There is a problem that the electrical characteristics of the transistor deteriorate.
従って、本発明の目的は、ソース−ドレイン電極間のリーク電流を低減した電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハを提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an epitaxial wafer for a field effect transistor with reduced leakage current between the source and drain electrodes.
本発明は、上記目的を達成するため、半絶縁性GaAs基板上に前記半絶縁性GaAs基板上の残留不純物によるデバイス特性劣化を抑えるバッファ層と、自由電子が流れるチャネル層を有する電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハにおいて、前記バッファ層は、キャリア濃度と層厚さとの積がソース−ドレイン電極間のリーク電流を低減する所定の値の結晶層(リーク電流低減層)を備えることを特徴とする電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides a field effect transistor having a buffer layer on a semi-insulating GaAs substrate for suppressing deterioration of device characteristics due to residual impurities on the semi-insulating GaAs substrate and a channel layer through which free electrons flow. In the epitaxial wafer, the buffer layer includes a crystal layer (leakage current reducing layer) having a predetermined value in which the product of the carrier concentration and the layer thickness reduces the leakage current between the source and drain electrodes. An epitaxial wafer for a transistor is provided.
前記結晶層の前記所定の値は、1.5×10 11 〜2.5×1011cm-2であることが好ましい。
The predetermined value of the crystal layer is preferably 1.5 × 10 11 to 2.5 × 10 11 cm −2 .
前記バッファ層は、前記p−AlGaAs結晶層上に、前記p−AlGaAs結晶層よりもAl組成比の小さいp−AlGaAs層を備えることが好ましい。
The buffer layer preferably includes a p-AlGaAs layer having an Al composition ratio smaller than that of the p-AlGaAs crystal layer on the p-AlGaAs crystal layer .
前記チャネル層の上層及び下層にキャリア供給層を備えることが好ましい。
It is preferable to provide a carrier supply layer in the upper layer and the lower layer of the channel layer .
前記結晶層は、AlxGa1−xAs(0.35<x<1.0)であることが好ましい。 The crystal layer is preferably Al x Ga 1-x As (0.35 <x <1.0).
前記結晶層は、Al元素,Ga元素およびIn元素のうちのいずれか2つの元素と、As元素またはP元素のうちいずれか1つの元素の計3つの元素を含むことが好ましい。 The crystal layer preferably includes a total of three elements including any two elements of Al element, Ga element, and In element and any one element of As element or P element.
前記結晶層は、Al元素,Ga元素およびIn元素と、As元素またはP元素のうちいずれか1つの元素の計4つの元素を含むことが好ましい。 The crystal layer preferably includes a total of four elements including an Al element, a Ga element, an In element, and an As element or a P element.
本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、キャリア濃度と層厚さとの積がソース−ドレイン電極間のリーク電流を低減する所定の範囲の結晶層をバッファ層に備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。 According to the epitaxial wafer for a field effect transistor of the present invention, since the product of the carrier concentration and the layer thickness includes a crystal layer in a predetermined range in which the leakage current between the source and drain electrodes is reduced, the buffer layer includes the crystal layer. Since the leakage path can be canceled, the leakage current between the source and the drain can be reduced.
本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、キャリア濃度とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さとの積が6.0×1010〜4.0×1011cm−2である結晶層を備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。 According to the epitaxial wafer for a field effect transistor of the present invention, the crystal layer in which the product of the carrier concentration and the thickness of the crystal having the carrier concentration is 6.0 × 10 10 to 4.0 × 10 11 cm −2 is provided. Therefore, since the crystal layer can cancel the leak path, the leak current between the source and the drain can be reduced.
本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、結晶層は、他の層を介して前記バッファ層中に形成されるため、その結晶層がリークパスを効果的に打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。 According to the epitaxial wafer for a field effect transistor of the present invention, since the crystal layer is formed in the buffer layer via another layer, the crystal layer can effectively cancel the leak path. The leakage current between the drains could be reduced.
本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、結晶層は、半絶縁性GaAs基板に接して形成されるため、キャリア濃度とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さとの積が所定範囲の結晶層を備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。 According to the epitaxial wafer for field effect transistor of the present invention, since the crystal layer is formed in contact with the semi-insulating GaAs substrate, the product of the carrier concentration and the thickness of the crystal having the carrier concentration is within a predetermined range. Since the crystal layer can cancel the leak path, the leak current between the source and the drain can be reduced.
本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、結晶層は、AlxGa1−xAs(0.35<x<1.0)であるため、キャリア濃度とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さとの積が所定範囲の結晶層を備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。 According to the epitaxial wafer for field effect transistors of the present invention, since the crystal layer is Al x Ga 1-x As (0.35 <x <1.0), the carrier concentration and the thickness of the crystal having the carrier concentration are Since the crystal layer has a crystal layer in a predetermined range, the crystal layer can cancel the leak path, so that the leak current between the source and the drain can be reduced.
本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、結晶層は、Al元素,Ga元素およびIn元素のうちのいずれか2つの元素と、As元素またはP元素のうちいずれか1つの元素の計3つの元素を含むため、キャリア濃度とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さとの積が所定範囲の結晶層を備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。 According to the epitaxial wafer for a field effect transistor of the present invention, the crystal layer is composed of any two elements of Al element, Ga element, and In element and any one element of As element or P element. Since it includes two elements, the product of the carrier concentration and the thickness of the crystal having the carrier concentration has a crystal layer having a predetermined range, so that the crystal layer can cancel the leak path, so that the leakage current between the source and drain is reduced. I was able to make it smaller.
本発明の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、結晶層は、Al元素,Ga元素およびIn元素と、As元素またはP元素のうちいずれか1つの元素の計4つの元素を含むため、キャリア濃度とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さとの積が所定範囲の結晶層を備えるため、その結晶層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を小さくすることができた。 According to the epitaxial wafer for a field effect transistor of the present invention, the crystal layer contains a total of four elements of Al element, Ga element and In element, and any one element of As element or P element. And the thickness of the crystal having the carrier concentration have a crystal layer in a predetermined range, so that the crystal layer can cancel the leak path, so that the leak current between the source and the drain can be reduced.
図1は、本発明の実施の形態に係るダブルへテロ型高電子移動度トランジスタ(D−HEMT)の構造を示す。このダブルへテロ型高電子移動度トランジスタ1は、半絶縁性GaAs基板2と、半絶縁性GaAs基板2上に形成された高抵抗のp型導電性を示す膜からなる第1〜第4のバッファ層3a〜3dからなり、半絶縁GaAs基板2上の残留不純物によるデバイス特性の劣化を抑えるバッファ層3と、自由電子を発生しチャネル層6に電子を供給する第1および第2のキャリア供給層4,8と、チャネル層6を流れる自由電子が第1および第2のキャリア供給層4,8のn型不純物によって散乱されるのを防ぐ第1および第2のスペーサ層5,7と、自由電子が流れるチャネル層6と、ショットキー接合をするショットキー層9と、図示しないソース電極およびドレイン電極とのオーミック接合を行うコンタクト層10とをそれぞれエピタキシャル成長させたものである。
FIG. 1 shows a structure of a double hetero type high electron mobility transistor (D-HEMT) according to an embodiment of the present invention. The double hetero type high
従来例と異なる点は、バッファ層3中にp型導電性を示すキャリア濃度(Np、単位はcm−3)とそのキャリア濃度を有する結晶の厚さ(単位はnm=10−7cm)との積(Nd積)が6.0×1010〜4.0×1011cm−2である第2のバッファ層3bを形成したことである。なお、第1のバッファ層3aと従来例の第1のバッファ層30aと、第3のバッファ層3cと従来例の第2のバッファ層30bと、および第4のバッファ層3dと従来例の第3のバッファ層30cとが対応し、同一の組成、同一のキャリア濃度および同一の層の厚さ(層厚さ)で形成されている。
The difference from the conventional example is that the
ここで、D−HEMTは、第1および第2のキャリア供給層4,8に隣接したチャネル層6に二次元電子ガス(2Dimension Electron Gas:2DEG)を形成することによりイオン化不純物散乱を受けにくい高移動度の電子を利用するものである。
Here, the D-HEMT is less susceptible to ionized impurity scattering by forming a two-dimensional electron gas (2 DEG) in the
この実施の形態によれば、Nd積がある一定の範囲を持つ層をバッファ層3に含めることによって、この層がリークパスを打ち消すことができるので、ソース−ドレイン間のリーク電流を低減することができた。
According to this embodiment, by including a layer having a certain range of Nd product in the
図2は、MOVPE装置を示す。このMOVPE装置20は、真空ポンプおよび排気装置(図示せず)を備えた排気部26が接続された反応炉21と、基板27を載置するサセプタ22と、サセプタ22を加熱するヒータ23と、サセプタ22を回転、上下移動させる制御軸24と、基板27に向って斜めまたは水平に原料ガスを供給する石英ノズル25と、Gaを発生するTMG(トリメチルガリウム)ガス発生装置31と、Alを発生するTMA(トリメチルアルミニウム)ガス発生装置32と、Asを発生するAsH3ガス発生装置33と、Inを発生するTMI(トリメチルインジウム)ガス発生装置34と、SiをドープするためのSiを発生するジシラン(Si2H6)ガス発生装置35等を備える。なお、必要に応じてガス発生装置の数を増減してもよい。窒素源としてNH3が用いられ、キャリアガスとしてH2が用いられる。成長させる金属によって原料ガスの組合せを変える。
FIG. 2 shows a MOVPE apparatus. The
MOVPE装置20により薄膜を形成するには、例えば、以下のように行う。まず、基板27は、薄膜が形成される面を上にしてサセプタ22に保持され、反応炉21内に設置される。基板27をヒータ23により所定温度に保ち、III族有機金属原料ガスとV族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉21内に導入する。導入された混合ガスは、加熱された基板27付近で原料ガスが熱分解され、基板27上に種々の組成からなる結晶をエピタキシャル成長させた。
In order to form a thin film by the
表1は、本実施例において作製したD−HEMTの半絶縁性GaAs基板2上に形成したエピタキシャル層の詳細を示す。「No.」は、半絶縁性GaAs基板2上にエピタキシャル成長させた順序を示す。n−,p−およびun−は、その結晶がそれぞれn型導電性、p型導電性および半絶縁性であることを示している。
Table 1 shows details of the epitaxial layer formed on the
実施例では、No.1の層としてp−GaAsからなる第1のバッファ層3aを250nm成長させ、その上にNo.2の層としてp−Al0.38Ga0.62Asからなる第2のバッファ層3bがリーク電流低減層として形成されている。リーク電流低減層は、p型導電性を示し、キャリア濃度2.5×1017cm−3、厚さ10nm、(Nd積:2.5×1011cm−2)である。以後、表1に示される層を成長させた。従来例とは、この第2のバッファ層3bの有無以外は、使用基板、成長条件、反応炉内の状態に至るまですべて同一である。 In the examples, no. As a first layer, a first buffer layer 3a made of p-GaAs is grown by 250 nm. A second buffer layer 3b made of p-Al 0.38 Ga 0.62 As is formed as a leakage current reducing layer. The leakage current reducing layer exhibits p-type conductivity, and has a carrier concentration of 2.5 × 10 17 cm −3 , a thickness of 10 nm, (Nd product: 2.5 × 10 11 cm −2 ). Thereafter, the layers shown in Table 1 were grown. The conventional example is the same except for the presence or absence of the second buffer layer 3b until the substrate used, the growth conditions, and the state in the reactor are reached.
成長後、2つのエピタキシャルウエハを同時に簡易プロセスにかけ、リーク電流測定用のサンプルを作成し、ソース−ドレイン間のリーク電流の測定を行った。
図3は、その測定結果を示す。
After the growth, the two epitaxial wafers were simultaneously subjected to a simple process, a sample for leak current measurement was prepared, and the leak current between the source and drain was measured.
FIG. 3 shows the measurement results.
表1の構造において、Nd積を変えてソース−ドレイン間のリーク電流を測定した。
図4は、Nd積を変えて15V印加した時のソース−ドレイン間のリーク電流値を比較したグラフである。ここで、Nd積=0の時の値は、本発明の実施例におけるリーク電流低減層を成長していないとき(従来例)の値である。
In the structure of Table 1, the Nd product was changed and the leakage current between the source and the drain was measured.
FIG. 4 is a graph comparing the leak current values between the source and the drain when 15 V is applied while changing the Nd product. Here, the value when the Nd product = 0 is a value when the leakage current reducing layer in the embodiment of the present invention is not grown (conventional example).
また,Nd積を一定にしてリーク電流低減層の位置を、バッファ層の途中に挿入した場合、バッファ層の最下部(半絶縁性GaAs基板の直上)に挿入した場合およびバッファ層の最上部に挿入した場合を比較した。 Further, when the Nd product is made constant and the position of the leakage current reducing layer is inserted in the middle of the buffer layer, it is inserted in the lowermost part of the buffer layer (immediately above the semi-insulating GaAs substrate) and in the uppermost part of the buffer layer. The case of insertion was compared.
表2は、電圧を15V印可した時のソース−ドレイン間のリーク電流値を比較した結果を示す。 Table 2 shows the result of comparing the leak current values between the source and drain when a voltage of 15 V is applied.
本実施例の電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハによれば、従来品と比べて一桁以上リーク電流が小さくなった。また、電圧をかけていったときの急激な立ち上がりがなくなった。このためリーク電流値が低いほど、本発明のリーク電流低減層の効果があるといえる。これによりNd積は6.0×1010〜4.0×1011cm−2の範囲で効果があることがわかる。リーク電流低減層をバッファ層の途中に挿入した場合と、最下部に挿入した場合の効果はほぼ同じであったが、バッファ層の最上部に挿入した場合では、効果があまり期待できない。したがって、バッファ層のどこに挿入しても効果は得られるが、より大きな効果を得るためには、バッファ層の最下部またはバッファ層の途中に挿入するのが良いことがわかる。 According to the epitaxial wafer for field effect transistors of this example, the leakage current was reduced by an order of magnitude or more compared to the conventional product. In addition, there was no sudden rise when applying voltage. For this reason, it can be said that the lower the leakage current value, the more effective the leakage current reducing layer of the present invention. Thereby, it can be seen that the Nd product is effective in the range of 6.0 × 10 10 to 4.0 × 10 11 cm −2 . The effect when the leakage current reducing layer is inserted in the middle of the buffer layer and the case where it is inserted at the bottom are almost the same, but when it is inserted at the top of the buffer layer, the effect cannot be expected so much. Therefore, the effect can be obtained regardless of where it is inserted in the buffer layer, but in order to obtain a greater effect, it can be seen that it is better to insert it in the lowermost part of the buffer layer or in the middle of the buffer layer.
なお、本発明は、バッファ層を有する各種電界効果トランジスタのすべてに適用することができる。 Note that the present invention can be applied to all field effect transistors having a buffer layer.
1 ダブルへテロ型高電子移動度トランジスタ
2 半絶縁性GaAs基板
3 バッファ層
3a 第1のバッファ層
3b 第2のバッファ層
3c 第3のバッファ層
3d 第4のバッファ層
4 第1のキャリア供給層
5 第1のスペーサ層
6 チャネル層
7 第2のスペーサ層
8 第2のキャリア供給層
9 ショットキー層
10 コンタクト層
20 MOVPE装置
21 反応炉
22 サセプタ
23 ヒータ
24 制御軸
25 石英ノズル
26 排気部
27 基板
30 バッファ層
30a 第1のバッファ層
30b 第2のバッファ層
30c 第3のバッファ層
31 TMGガス発生装置
32 TMAガス発生装置
33 AsH3ガス発生装置
34 TMIガス発生装置
35 ジシランガス発生装置
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記バッファ層は、半絶縁性GaAs基板側からp−GaAs層と、p−AlGaAs結晶層とを備え、前記p−AlGaAs結晶層は、キャリア濃度と層厚さとの積が1.5×10 11 〜2.5×10 11 cm -2 であることを特徴とする電界効果トランジスタ用エピタキシャルウエハ。 In an epitaxial wafer for a field effect transistor having a semi-insulating GaAs substrate, a buffer layer formed on the semi-insulating GaAs substrate, and a channel layer formed on the buffer layer and through which free electrons flow .
The buffer layer includes a p-GaAs layer and a p-AlGaAs crystal layer from the semi-insulating GaAs substrate side. The p-AlGaAs crystal layer has a product of carrier concentration and layer thickness of 1.5 × 10 11. An epitaxial wafer for a field effect transistor, characterized in that it is ˜2.5 × 10 11 cm −2 .
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