変調ドープ層の超格子化によるキャリア濃度低下抑制

デンソーテクニカルレビュー Vol.５ No.１ 2000
論文 InAlAs/歪InGaAs HEMT
―変調ドープ層の超格子化によるキャリア濃度低下抑制― *
InAlAs/Pseudomorphic InGaAs/InP High Electron Mobility Transistor with
Doped InAs/AlAs Superlattice
小原輝昭
星野浩一
田口隆志
Teruaki KOHARA
Koichi HOSHINO
Takashi TAGUCHI
We have demonstrated a novel indium phosphide high electron mobility transistor (HEMT) which
has prevented sheet carrier density degradation. The fabricated structure replaces n-In0.52Al0.48As with
an n-InAs/n-AlAs superlattice (doped InAs/AlAs superlattice; DIAS), preventing carrier density
degradation of the n-type doped carrier supply layer on HEMT. DIAS requires a two-dimensionally
grown seven-period superlattice each period of which has two monolayers of InAs and two monolayers
of AlAs. The fabricated HEMT exhibits improved prevention of sheet carrier density degradation
compared with the conventional HEMT with an n-In0.52Al0.48As carrier supply layer in the case of 300450 ℃ annealing and a 125 ℃ bias temperature (BT) test.
Key Words ： Doped InAs/AlAs Superlattice(DIAS), High Electron Mobility Transistor(HEMT),
Reliability, Carrier Density Degradation, Two-dimensionally Grown Superlattice
1 . 序論
早藤らは，InP 基板上に形成した n 型 In 0 . 5 2 Al 0 . 4 8 As に
近年，InGaAs の優れた電気特性が注目され，InP 基
350-450 ℃の熱処理を行い，熱処理後にキャリア濃度
板上のInAlAs／ InGaAs HEMT
（high electron mobility
が減少することを見い出した．また 2 次イオン質量分
transistor）の高周波デバイスへの適用例が，何件か報
析（ S I M S ）により，キャリア濃度が減少した n 型
告されている
．これらの InAlAs ／ InGaAs HEMT
In0.52Al0.48As において，フッ素 F 濃度の増加が見られる
は，キャリアを供給する変調ドープ層にｎ型 InAlAs
ことも同時に報告している．以上の結果を基に早藤ら
を用い，キャリアが走行するチャネル層にアンドープ
は，熱処理により n 型 In0.52Al0.48As 層内に拡散した F が，
InGaAs を用いることにより優れた高周波特性を実現
n 型 In0.52Al0.48As のキャリア濃度低下を引き起こしたと
している．中でも，InP 基板との格子定数の差が臨界
結論した．しかし，n 型 In0.52Al0.48As 層内に拡散した F
膜厚以内に制限され，In 組成比 x が 0.53 より大きい
の拡散源や，キャリア濃度低下のメカニズムについて
InxGa1-XAs チャネル層は，電子有効質量 m* が極めて小
は，いまだ明らかにされていない．
1）-3）
早藤らの実験結果を考慮すると，我々が確認した
さく，かつ，伝導帯エネルギ不連続Δ Ec が大きいた
め，高周波特性をさらに向上することが期待できる．
InAlAs／歪 In0.8Ga0.2As HEMT の高温連続通電試験にお
この点に注目し，我々は In0.8Ga0.2As を用いた InAlAs／
ける ns の低下は，F 混入に起因する n 型 In0.52Al0.48As 変
歪 In0.8Ga0.2As HEMT 構造において，室温（300K）で電
調ドープ層のキャリア濃度低下によりもたらされたと
子移動度μが 14,000cm ／Vs，シートキャリア濃度 nS
考えられる．
2
が 3 × 10 cm という高い値を得た．さらに我々は，
12
-2
4）
この n 型 In0.52Al0.48As のキャリア濃度低下を抑制する
InAlAs／歪 In0.8Ga0.2As HEMT 構造の信頼性を調べるた
ために冨士原らは，n 型 In0.52Al0.48As 変調ドープ層直上
めに，ホール効果測定用パターンを用いて，μおよび
に，ノンドープ InAs とノンドープ AlAs を数分子層の
nS の変化を 80 ℃，電流 5 mA， 2 ,200 時間の高温連続
厚さで繰り返した超格子を挿入した HEMT を提案し，
通電試験により評価した．その結果，μは
SPRINT（superlattice inserted transistor）と命名した 7）．
14,000cm 2 ／Vs で変化がなかったものの，nS は試験開
SPRINT は，ノンドープの InAs ／ AlAs がキャリア濃
始前の1.5× 10 cm から1.2×10 cm に減少した．
度低下原因と考えられる F を吸収し，n 型 In0.52Al0.48As
12
-2
12
-2
5）
InAlAsのnS 低下現象に関し，早藤らの報告がある．
6）
＊物理系学術誌刊行協会の了解を得て，Japanese Journal
Applied Physics（JJAP）誌（2000.4）より和訳し，一部加筆
して転載
−81−
への F 拡散を妨げるため，キャリア濃度低下の抑制に
論
文
効果があるとした．しかし SPRINT では，n 型
Fig.1 に DIAS -HEMT の断面構造を示す．People ら
In0.52Al0.48As への F の拡散量が，ノンドープ InAs／AlAs
の理論計算を適用すれば 8），InP 基板に対し± 3 ％の
超格子が吸収できる許容量を超えたときに，キャリア
格子不整合を有する InAs と AlAs を，格子欠陥を生ず
濃度低下が生じる可能性を否めない．
ること無く形成できる臨界膜厚は各々 4 分子層以内で
そこで我々は，キャリア濃度低下の可能性が残る n
ある．したがって，DIAS を構成する InAs と AlAs の 1
型 In0.52Al0.48As 変調ドープ層を含まない，新しい InP 系
層あたりの膜厚を 4 分子層以内とし，分子線結晶成長
HEMT を提案した．新型 InP 系 HEMT は，変調ドー
装置（MBE）によるエピタキシャル成長条件を検討し
プ層に n 型 InAs ／n 型 AlAs 超格子を用いており，この
た．
Fig.2 は，DIAS を MBE によりエピタキシャル成長
超格子を DIAS（doped InAs／AlAs superlattice）と命名
した際の，基板表面の高エネルギー反射電子回折
した．
（RHEED）パターンである．InAs と AlAs の各膜厚が 2
2 . DIAS-HEMT 構造
分子層の場合[Fig.2（a）]，InAs ／ AlAs 超格子からの
RHEEDパターンはstreakyなパターンを示し，平坦な
我々は，シリコンドープされたn 型 InAs と，同じく
シリコンドープされた n 型 AlAs は，350 ℃の熱処理後
結晶表面が得られる 2 次元成長を示唆している．
一方，
でも，キャリア濃度低下は 3 ％にまで抑制できること
InAs と AlAs の各膜厚が 3 分子層の場合[Fig.2（b）]，
をホール測定により確認した．この結果は，n 型
RHEED パターンは arrow 型のパターンを示し，表面
InAs もしくは n 型 AlAs を HEMT の変調ドープ層に用
の凹凸を伴う 3 次元成長を示唆している．InAs と
いることにより，キャリア濃度低下を抑制できる可能
AlAs の各膜厚が 4 分子層の場合も， 3 分子層の場合
性を示唆している．しかし，InP 基板に対し InAs は
と同様に 3 次元成長の RHEED パターンが観察され
+ 3 ％の格子不整合を有し，また AlAs は− 3 ％の格子
た．このような，格子不整合系における 3 次元成長は，
不整合を有する．よって InP 基板上に InAs もしくは
転位および格子欠陥の発生原因となり得る．
5）
AlAs をエピタキシャル成長する場合，格子不整合に
起因する格子欠陥が問題となる．それに対し我々は，
キャリア濃度低下の抑制と格子欠陥の防止を両立する
構造として，n 型 InAs と n 型 AlAs を同じ膜厚ずつ繰り
返し形成した超格子を持つDIAS - HEMT を提案した．
Fig. 2 RHEED patterns during DIAS growth
（a）DIAS with two monolayers per period
（b）DIAS with three monolayers per period
Fig. 1 Cross-sectional diagram of InAlAs／
pseudomorphic InGaAs／ InP with DIAS
−82−
デンソーテクニカルレビュー Vol.５ No.１ 2000
Fig. 3 Cross-sectional TEM observation of DIAS
（a）DIAS with two monolayers per period
（b）DIAS with three monolayers per period
また Fig.3 は，DIAS-HEMT の膜構造を透過電子顕
微鏡観察（TEM）した像である．TEM 観察の結果から
も，RHEED の結果を裏付ける結果が得られた．InAs
と AlAs の各膜厚が 2 分子層の場合[Fig.3（a）]，平坦な
成長面が観察され 2 次元成長であることが分かる．一
方，InAsと AlAsの各膜厚が 3 分子層の場合[Fig.3
（b）
]，
成長面の凹凸が観察され 3 次元成長であることが分か
る．
Fig.4 は，DIAS-HEMT の膜構造をホール測定した
結果である．InAsと AlAsの各膜厚が 2 分子層のDIASFig. 4. Hall measurement results for DIASs of various
one-period thicknesses
HEMT 構造の電子移動度μは，室温で 11,200cm 2 ／Vs
を記録した．一方，InAs と AlAs の各膜厚が 3 分子層
以上の DIAS − HEMT 構造のμは，室温で 10,000cm 2 ／
3 . 実験方法
Vs であった．μの 11,200cm 2 ／Vs から 10,000cm 2 ／Vs
DIAS-HEMT 構造は，MBE（VG V90 型）によるエピ
への低下は，DIAS の 3 次元成長に起因する可能性が
タキシャル成長で形成した（Fig.1）．Fe ドープ半絶縁
否定できない．
以上，Fig.2- 4 の結果は，DIAS−HEMT において結
性 InP（100）基板上に，ノンドープIn0.52Al0.48As バッファ
晶欠陥による電気特性の低下を伴わない n 型 InAs と n
層 110nm，ノンドープ In 0.8Ga 0.2As チャネル層 16nm4），
型 AlAs の各膜厚は， 2 分子層以下であることを示し
ノンドープ In0.53Ga0.47As 電子分布制御層 4 nm10），ノン
ている．
ドープ In0.52Al0.48As スペーサ層 5 nm，1.2 × 1019cm- 3 Si
ド
ープn型 InAs／1.2×1019cm- 3 Siドープn 型AlAs 超格子
ドープ層 5 周期，ノンドープ In0.52Al0.48As ゲートコンタ
クト層 20nm，1.2 × 1019cm- 3 Si ドープ n 型 In0.53Ga0.47As
キャップ層が順に形成されている．ここで，DIAS の
InAsとAlAs の各膜厚は 2 分子層とした．
−83−
論
文
この基板を用いて，ゲート長 0.5μｍ，ゲート幅 50
μm の DIAS-HEMT を作製し，DC 特性を評価した．
DC 特性評価においては，ソース-ドレイン間電圧
Vd=2V，ゲート-ソース間電圧 Vg=−1.0−+0.6V のバイア
ス条件で，ソース-ドレイン間電流 I d ，ゲート-ソース
間電流 Ig，しきい値電圧 Vt，相互コンダクタンス gm を
測定した．
DIAS-HEMT 構造のシートキャリア濃度 nS 低下に対
する抑制効果を確認するために，300 − 450 ℃の熱処
理による DIAS-HEMT 構造のシート抵抗 RS 変化を評価
Fig. 5. DC characteristic of DIAS-HEMT
した．RS は，
（q ×μ× nS）であり，電子移動度μと nS
-1
300-450℃の熱処理による nS 低下量の評価
の積の逆数に比例する．μは，熱処理前後でほとんど
4.2
変化しないことがわかっているため 5），RS の増加量の
Fig.6 に，350 ℃の熱処理による R S の変化を評価し
測定は，nS の低下量の測定と等価であると考えられる．
た結果を示す．Fig.6 より，SPRINT の RS 低下量は，n
nS の低下抑制効果を評価するために，冨士原らにより
型 In0.52Al0.48As変調ドープ層を用いた従来構造の RS 低下
提案された SPRINT 構造と，n 型 In0.52Al0.48As 変調ド
量よりも小さい．この結果は，SPRINT が RS 低下の抑
ープ層を用いた従来構造の R（92
Ω／□）も同時に評価
S
制に効果があることを示している．しかし，DIAS の
した．今回の評価では，DIAS と SPRINT のシートキ
RS 低下量は，SPRINT のRS 低下量よりもさらに小さい．
ャリア濃度低下抑制効果を比較するために，DIAS と
つまり，DIAS は R S 低下の抑制において，SPRINT を
SPRINT の超格子の InAs と AlAs の各膜厚を 2 分子層
超える効果があることがわかった．また，300-450 ℃の
に，また周期数を 5 周期に統一した．R S が 10 ％増加
熱処理範囲で，R S が 10 ％低下する時間を測定し，ア
する時間をアレニウスプロットし，シート抵抗増加の
レニウスプロットから Ea を求めた．その結果，DIAS，
活性化エネルギ Ea を求めた．
S P R I N T ，従来構造の E a ，は，それぞれ 1 . 8 5 e V ，
7）
また高温連続通電試験により，DIAS-HEMT と n 型
1.81eV，1.68eVであった．
In0.52Al0.48As 変調ドープ層を用いた従来 HEMT の DC 特
性劣化の違いも評価した．高温連続通電試験条件は，
125 ℃，Vd ＝ 2.5V，Vg= 0 V，で，nS の低下により増加が
予測される Id，の変化を 2 ,000 時間まで評価した．ま
た，ショットキゲートの劣化により増加する可能性が
あるゲート電流 Ig についても，合わせて測定した．
4 . 結果および考察
4.1
DIAS-HEMTの DC特性
Fig.5 に，DIAS-HEMT の I d - V d 特性を示す．DIASHEMT は，バンドギャップが小さいInAs（Eg ＝0.356eV
（室温））を含むため，ゲート電極のショットキ特性の
低下によるピンチオフ特性不良が懸念される．しかし，
Fig. 6 RS variation in HEMT wafer at 350 ℃
annealing
DIAS-HEMT はピンチオフしており，InAs を含んだ層
を変調ドープ層に用いることが可能であると考えられ
ここで，DIAS と SPRINT の RS 低下を抑制するメカ
る．また，測定された gm は 750mS／mm であり，0.5 μ
ニズムは異なっている．DIAS の場合，キャリアを供
m のゲート長を持つ従来型 HEMT の gm とほぼ同じで
給する変調ドープ層，すなわち n 型 InAs ／n 型 AlAs 超
ある．よって DIAS は，HEMT の変調ドープ層に適用
格子が，n S の低下を抑制する．一方，SPRINT は，F
できると考えられる．
の保護層，すなわち n 型 In0.52Al0.48As 変調ドープ層直上
−84−
デンソーテクニカルレビュー Vol.５ No.１ 2000
5 . 結論
のノンドープ InAs／ノンドープ AlAs 超格子が，nS の低
下を抑制する．今回の実験での DIAS と SPRINT の RS
我々は，熱処理によるシートキャリア濃度 n S の低
低下抑制量の差は，SPRINT の超格子では 300-450 ℃
下を抑制できる DIAS-HEMT を開発した．350 ℃高温
の範囲において，F から n 型 In0.52Al0.48As 変調ドープ層
保存試験において，DIAS-HEMT 構造のシート抵抗 Rs
を十分に保護できないために生じたと考えられる．一
増加の活性化エネルギ Ea は 1.85eV で，SPRINT の Ea，
方，DIAS を構成するn 型 InAsと n 型 AlAs は，350 ℃の
1.81eV より大きいことを示した．また，高温連続通
熱処理後でも 3 ％の n S 低下しかないため，DIAS は
電試験における DIAS-HEMT のソース-ドレイン間電流
SPRINT より，nS 低下の抑制に対して効果が大きいと
Id の低下量は 5.2 ％で，n 型 In0.52Al0.48As 変調ドープ層を
考えられる．
用いた従来構造の Id の低下量 7.6 ％よりも小さいこと
4.3
125 ℃高温連続通電試験による Ig および
を明らかにした．以上のように，DIAS-HEMT は，
Id 変化量の評価
InAlAs ／歪 InGaAs 系の HEMT で問題となる，キャリ
Fig.7 に，DIAS-HEMT の 125 ℃， 2 ,000 時間の高温
ア濃度 nS 低下の抑制に有効であることを確認できた．
連続通電試験の結果を示す．ゲート-ソース間電流 I g
は± 5 μ A の範囲内での変化にとどまり，懸念された
＜参考文献＞
ゲート電極のショットキ特性の劣化は発生しなかった
ことを表している．一方，ソース-ドレイン間電流 I d
1） L.D.Nguyen, A.S.Brown, M.A.Thompson and L.M. Jelloian : IEEE Trans.Electron Devices 39（1992）P.2007.
は，高温連続通電試験により 5.2 ％の低下を生じた
2） T.Enoki, M.Tomizawa, Y.Umeda and Y.Ishii:Jpn.J.
Appl.Phys.33（1994）P.798.
（標準偏差σ =0.9 ％）．この Id の低下は DIAS-HEMT 構
3） M.Wojtowicz, R.Lai, D.C.Streit, G.I.Ng, T.R.lock,
造のnS 低下に起因するものと考えられる．
K.L.Tan, P.H.Liu, A.K.Freudenthal and R.M.Dia : IEEE
Electron Device Lett.15（1994）P.477.
これに対し，n 型 In0.52Al0.48As ドープ層を用いた従来
構造のソース-ドレイン間電流 I d は，高温連続通電試
4） Y.Sugiyama, Y.Takeuchi and M.Tacano : J. Cryst.
験により 7.6 ％の低下を生じた（標準偏差σ =1.0 ％）．
高温連続通電試験における DIAS-HEMT の Id の低下量
Growth 115
（1991）P.509.
5）田口隆志, 小原輝昭, 松ヶ谷和沖, 上野祥樹, 服部正 : 第
55 回応用物理学会学術講演会予稿集 , 19p-ME-15
は，従来構造の HEMT に比べて少なくなっており
（1994）.
DIAS の nS 低下の抑制効果を裏付けているが，Id の低
6） N.Hayafuji, Y.Yamamoto, N.Yoshida, T.Sonoda, S.
下を完全に防止するには至っていない．n 型 InAs およ
Takamiya and S.Mitsui : Appl.Phys.Lett.66（1995）P.863.
び n 型 AlAs でも 350 ℃の熱処理により， 3 ％の nS 低下
7） A.Fujihara, K.Onda, T.Nakayama, H.Miyamoto, Y. Ando,
A.Wakejima, E.Mizuki and M.Kuzuhara : Electron. Lett.
が生じており5 ），これが高温連続通電試験での I d の
5.2％低下の原因となっていると考えられる．
32（1996）P.1039.
8） R.People and J.C.Bean : Appl.Phys.Lett.47（1985）
P.322
9）恩田和彦, 冨士原明, 分島彰男, 水木恵美子, 中山達峰,
宮本広信, 金森幹夫 : 1997 年電子情報通信学会総合大
会予稿集, SA- 8 -4（1997）.
10）松ヶ谷和沖, 田口隆志, 上野祥樹, 服部正 : 第 53 回応用
物理学会学術講演会予稿集, 7a-ZL-8（1992）
.
Fig. 7 BT test results for DIAS-HEMT at 125 ℃
for 2,000 h
−85−
論
文
6666666666666666666666666666666666666
＜著者＞
小原輝昭
田口隆志
（こはらてるあき）
（たぐちたかし）
基礎研究所第 2 研究
基礎研究所研究企画室
高周波デバイスの開発に従事．
ミリ波通信システムの開発に従事．
星野浩一
（ほしのこういち）
基礎研究所第 2 研究
高周波デバイスとその応用システ
ムの開発に従事．
−86−

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