氮化砷化鎵銦系異質場效應晶體管及其制造方法和使用它的發送接收裝置的制作方法

專利名稱：氮化砷化鎵銦系異質場效應晶體管及其制造方法和使用它的發送接收裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用氮化砷化鎵銦系外延片的異質場效應晶體管、它的制造方法和用它的發送接收裝置。
背景技術：
高電子遷移率晶體管(HEMT)等的異質場效應晶體管是形成有異質構造的利用2維電子氣的化合物半導體元件。
作為這種HEMT的第一已有例，如圖13所示具有在InP基板上形成InAlAs載流子供給層/InGaAs溝道層/InAlAs緩沖層的HEMT。在圖13中，標號1表示電極金屬，標號2表示n+-InGaAs蓋層，標號3表示n-InAlAs載流子供給層，標號4表示i-InAlAs間隔層，標號5表示i-InGaAs溝道層，標號6表示i-InAlAs緩沖層，標號7表示半絕緣性InP基板(S.I.-InP基板)。該HEMT，因為用InGaAs作為溝道層5，所以與用GaAs作為溝道層的HEMT比較，由于它的高電子傳輸特性而表示出優異的高頻特性。特別是，該已有例的特征是在InGaAs溝道層5中將具有1～7nm厚度的InAs層8插入到從InAlAs間隔層4離開0～6nm的位置上(例如，請參照日本特開平5-36726號專利公報(專利文獻1))。
又，作為第二已有例，具有在GaAs基板上形成的GaInNAs溝道層的HEMT如圖14所示。在該HEMT，在半絕緣性GaAs基板11上設置0.5μm的未摻雜GaAs緩沖層12，在該緩沖層12上，形成厚度15nm的未摻雜GaInNAs溝道層13。進一步，在它上面經過膜厚2nm的未摻雜AlGaAs間隔層16形成厚度為50nm的n型AlGaAs載流子供給層14，在該AlGaAs載流子供給層14上通過蒸鍍形成電極18。間隔層16和載流子供給層14的Al組成都為0.28(例如，請參照日本特開2002-164852號專利公報(專利文獻2))。
但是，在第一已有例中，如上所述在插入InAs層8的情形中，產生晶格不匹配，在臨界膜厚以上發生缺陷。從而，因為不能夠使溝道層的厚度在臨界膜厚以上，不能夠實現足夠的載流子密度，所以特性的改善是不充分的。
另一方面，第二已有例，在GaAs基板11上形成InGaAs層的情形中，為了解決由難以實現InGaAs層與GaAs基板的晶格匹配引起的特性上的課題，在構成溝道層的InGaAs中導入N。在這種第二已有例中，通過由GaInNAs構成的溝道層13與GaAs基板11實現晶格匹配，與在GaAs基板11上形成InGaAs溝道層的情形比較，能夠確實地改善特性。但是，不能夠實現超過在InP基板上形成的InGaAs溝道層的第一已有例的特性。

發明內容
本發明的目的是提供提高電子遷移率，因此可以高速動作的異質場效應晶體管、它的制造方法和用它的發送接收裝置。
而且，為了達到這些目的，與本發明有關的異質場效應晶體管具有基板、經過緩沖層在上述基板上形成的溝道層、由具有比上述溝道層大的能帶間隙(bandgap)的半導體構成且與該溝道層異質接合形成的間隔層、和與上述間隔層鄰接地形成的載流子供給層；上述基板由InP構成；上述溝道層具有由化學式GaxIn1-xNyA1-y表示，上述A是As或Sb，上述組成x在0≤x≤0.2的范圍內，并且上述組成y在0.03≤y≤0.10的范圍內的化合物半導體層。
上述組成y也可以在0.03≤y≤0.07的范圍內。
上述A也可以是As。
上述A也可以是Sb。
上述溝道層也可以只由上述化合物半導體層構成。
上述溝道層也可以具有第一溝道層和與該第一溝道層鄰接并與上述間隔層異質接合的第二溝道層，上述第一溝道層由上述化合物半導體層構成，上述第二溝道層由InAs層構成。
也可以x＝0。
上述第一溝道層的N濃度也可以隨著接近上述第二溝道層而關聯降低。
也可以以與上述第一溝道層的上面和下面鄰接的方式形成一對上述第二溝道層，以與上述一對第二溝道層異質接合的方式形成一對上述間隔層，以與上述一對間隔層鄰接的方式形成一對上述載流子供給層。
也可以0＜x。
也可以進一步滿足3y≤x≤0.2。
也可以滿足0.1≤x≤0.2。
上述第一溝道層也可以由作為0＜x的上述化合物半導體的GaInNAs層和InAs層交互疊層形成的多重量子阱構造的GaInNAs/InAsMQW層構成。
上述第一溝道層也可以由作為x＝0的化合物半導體的InNAs層和InAs層交互疊層形成的多重量子阱構造的InNAs/InAsMQW層構成。
也可以上述緩沖層和上述間隔層由InAlAs層構成，上述載流子供給層由n-InAlAs層構成。
又，與本發明有關的異質場效應晶體管的制造方法，具有經過緩沖層在上述基板上形成溝道層的溝道層形成工序；以與該溝道層異質接合的方式形成由具有比上述溝道層大的能帶間隙的半導體構成的間隔層的間隔層形成工序；和與上述間隔層鄰接地形成載流子供給層的載流子層形成工序，上述基板由InP構成，上述溝道層具有由化學式GaxIn1-xNyA1-y表示，上述A是As或Sb，上述組成x在0≤x≤0.2的范圍內，并且上述組成y在0.03≤y≤0.10的范圍內的化合物半導體層。
在形成上述溝道層的工序中，也可以導入離子化的N原子。
也可以具有在上述InP基板上形成由InAlAs構成的上述緩沖層的緩沖層形成工序，上述溝道層形成工序具有在上述緩沖層上形成由InNAs構成的第一溝道層的第一溝道層形成工序、和在上述第一溝道層上形成由InAs構成的第二溝道層的第二溝道層形成工序，在上述間隔層形成工序中，可在上述第二溝道層上形成由InAlAs構成的上述間隔層。如形成這種構成，在形成溝道層與間隔層的界面時，因為N原子和Al原子不同時存在，所以能夠形成良好的界面。
又，與本發明有關的發送接收裝置，為了對發送信號或接收信號進行處理具有根據權利要求1所述的異質場效應晶體管。
本發明的上述目的、其它目的、特征和優點將從下面參照附圖對適當的實施方式進行的詳細說明看得很清楚。


圖1是表示與本發明的實施方式1有關的異質場效應晶體管的構成的截面圖。
圖2是表示能帶構造的圖，圖2(a)是表示InGaAs的能帶構造的圖，圖2(b)是表示GaInNAs的能帶構造的圖。
圖3是表示圖2的能帶構造中的能量狀態的圖，圖3(a)是放大表示圖2(a)的Γ點的能量狀態的圖，圖3(b)是放大表示圖2(b)的Γ點的能量狀態的圖。
圖4是表示各種化合物半導體的晶體中的物性值的表。
圖5是表示各種化合物半導體的晶體中的電子速度和電場的關系的圖。
圖6是表示構成本發明的溝道層的GaInNAs4元系化合物中的Ga和N的組成比的優選范圍的圖。
圖7是表示與本發明的實施方式2有關的異質場效應晶體管的構成的截面圖。
圖8(a)、(b)是表示圖7的異質場效應晶體管的溝道層近旁的能量狀態的圖。
圖9是表示與本發明的實施方式2的變形例有關的異質場效應晶體管的構成的截面圖。
圖10是表示與本發明的實施方式3有關的異質場效應晶體管的構成的圖，圖10(a)是截面圖，圖10(b)是表示圖10(a)的溝道層近旁的能量狀態的圖。
圖11是表示與本發明的實施方式2的第二變形例有關的異質場效應晶體管的構成的截面圖。
圖12是表示與本發明的實施方式4有關的發送接收裝置的構成的方框圖。
圖13是表示第一已有例的異質場效應晶體管的構成的截面圖。
圖14是表示第二已有例的異質場效應晶體管的構成的截面圖。
具體實施例方式
下面，我們一面參照附圖一面說明本發明的實施方式。
{本發明的概念}最初我們說明本發明的概念。
本發明的異質場效應晶體管的特征是在InP基板上形成Ga和N具有規定范圍的組成比的GaInNAs作為溝道層。在本發明中，在該GaInNAs中，作為Ga的組成比為0時的樣態，包含InNAs。換句話說，在第一已有例中，具有將InGaAs溝道層的Ga的組成比設定在規定值并且以成為規定組成比的方式在InGaAs溝道層中添加氮(N)的構成。
首先，我們用圖2(a)、(b)、圖3(a)、(b)簡單地說明由在InGaAs晶體中添加氮原子產生的效果。
圖2(a)是表示InGaAs的能帶構造的圖，圖2(b)是表示GaInNAs的能帶構造的圖。又，圖3(a)是放大表示圖2(a)的Γ點的能量狀態的圖，圖3(b)是放大表示圖2(b)的Γ點的能量狀態的圖。在圖2(a)、(b)中，橫軸表示K空間上的位置，縱軸表示能量。在圖3(a)、(b)中，橫軸表示動量，縱軸表示能量。
又，圖2(a)、(b)是通過模擬求得的，假定在已有例中，在InP基板上形成In0.5Ga0.5As晶體層，在本發明中，在InP基板上形成Ga0.5In0.5N0.125As0.875晶體層。
在圖2(a)中，在In0.5Ga0.5As晶體的傳導帶34的能帶構造中，Γ點的能級最低，電子經過該Γ點行進。在圖3(a)中，整體InGaAs的情形具有如虛線41所示的能量與動量的2次方成比例的關系。在將InGaAs層作為勢阱層的量子阱構造的情形中，如粗實線42所示能量量子化形成階段狀的能帶構造，通過與電子的費米分布46的加權積分得到如細實線43所示的電子密度。
另一方面，如圖2(b)所示，在Ga0.5In0.5N0.125As0.875晶體的情形中，W點附近的能量狀態變成平坦的，顯現出添加氮的效果。這是由于存在氮的能級，Γ點的能量降低，但是L點的能量幾乎不降低。從而，我們看到通過添加氮使Γ點和L點的能量差ΔΓL增加。我們將在后面進行說明，但是我們看到該ΔΓL越大電子的漂移速度的最大值越增加，添加氮存在著優點。但是，如圖3(b)所示，當放大Γ點附近進行表示時，整體GaInNAs的能量分布48偏離對動量的2次方關系，能量的增加量減少。這是因為通過添加氮原子形成由氮原子產生的能帶47，結果，發生與InGaAs固有的能帶41(請參照圖3(a))的混合的緣故。在產生能帶混合的情形中，當如圖3(b)所示，因為由氮原子產生的能帶47和InGaAs固有的能帶41排斥，所以隨著InGaAs固有的能帶接近由氮原子產生的能帶47，在同一動量中的能量減少。又，即便在動量為0的情形中，因為存在著由氮原子產生的能帶47和InGaAs固有的能帶41的混合，所以GaInNAs的能量分布48的曲率即便在動量為0也變大。
作為別的觀點，我們從電子的有效質量說明添加氮原子的效果。因為能帶的曲率大，意味著電子的有效質量大，由氮原子產生的能帶47的能量的動量依賴性是直線的，所以曲率大，有效質量增大。另一方面，InGaAs固有的能帶，因為曲率小，所以有效質量也小。從而，當添加氮原子時，因為在InGaAs中有效質量大的的氮原子的能帶引起混合，所以GaInNAs的有效質量當然要比InGaAs大，這與GaInNAs的能量分布48的曲率大等效。
下面，我們說明通過添加氮原子使能帶的曲率變大對電子器件的影響。當作為具有異質構造的電子器件使用時，因為一般地電子局限在間隔層和溝道層的異質界面上，所以通過使能量狀態量子化，具有階段狀的能量分布。結果，因為成為階段狀，能量發生急劇變化，所以在該部分電子能夠存在的狀態(狀態密度)增大。間隔層和溝道層的能量差越大，有效質量越小，階段的段數就越少。另一方面，當室溫時，費米分布46表示電子能夠存在到何種程度的高能量。當取得作為電子能夠存在的狀態的狀態密度與電子的費米分布的乘積時，能夠求得特定能量中的電子密度。為了增大電子密度，存在(1)通過使溝道層的能帶間隙小，接近費米能級，從而使與費米分布的乘積增大、(2)通過使階段部的能量差小，使高階的量子能級接近費米能級，從而使與費米分布的乘積增大、(3)通過使有效質量增大，使狀態密度自身增大這樣3種方法。從通過在溝道層中添加氮原子而產生的(1)減少能帶間隙(因為為了在添加氮原子后使晶格匹配而增加In的添加量，所以進一步減少能帶間隙)、(2)因為有效質量增大，所以段差減少、(3)因為有效質量增大，所以狀態密度增大這樣3個效果，我們看到通過添加氮原子使電子密度增加，具有即便當加上大電場時，電子也難以從Γ點到L點溢出那樣的優點。這在縮短溝道長度的情況下動作速度不容易飽和，不產生耿氏振蕩，是極其有效的。
如上所述，通過添加氮原子，具有增加有效質量，減少遷移率，但是增加ΔΓL，增加狀態密度的優點。因此，我們定量地評價能夠期待這些影響到何種程度。結果如圖4的表所示。在該表中，表示了在研究中得到的物性值。通過使這些物性值明確化，可以實現并評價本發明的異質場效應晶體管。圖5表示從電子在弱電場中的遷移率(霍爾遷移率)μl和ΔΓL，計算加上電場時的電子速度的結果。從圖5可見，電子速度隨著所加電場的增加而增加，但是即便加上電子速度成為最大的點vd以上的電場，相反地電子速度下降。這，如圖5左端部所示，因為當電場低時電子存在于其有效質量小遷移率大的Γ點，所以電子速度隨著所加電場的增加而增加，但是當加上在此以上的電場時電子溢出到L點。因為在L點有效質量m*大，遷移率小，所以總的遷移率降低，電子速度也降低。令該電子速度最大值為vd，表示在圖4中。如從圖4可以看到的那樣，電子速度最大值vd以GaInNAs＜GaAs＜InP＜InGaAs＜InNAs＜InAs的順序增大，但是這是因為InP的ΔΓL比GaAs大，進一步InGaAs和InAs的μl也大的緣故。這里，在GaInNAs的情形中，因為ΔΓL大而μl極端地小，所以電子速度最大值vd降低到GaAs以下。另一方面，在InNAs的情形中，因為盡管與InGaAs比較μl降低但是ΔΓL大，所以結果能夠得到比InGaAs(vd＝3.96×105m/s)大的vd(＝4.47×105m/s)。結果，我們判明通過代替InGaAs層將InNAs層作為溝道層，電子速度增大，動作速度改善20％左右。
即，當代替InGaAs層將GaInNAs層作為溝道層時，電子速度降低，動作速度降低，但是當代替InGaAs層將InNAs層作為溝道層，電子速度增大，動作速度提高20％左右。因此，我們判明通過代替InGaAs層將具有某個范圍的Ga組成比的GaInNAs層作為溝道層，電子速度增大，動作速度提高。
下面，我們說明在該GaInNAs層中的Ga和N的組成比的優選的范圍。
圖6是表示構成本發明的溝道層的GaInNAs4元系化合物中的Ga和N的組成比(以下也稱為濃度(正確的是原子濃度))的所謂優選范圍的圖。
如圖6所示，根據本專利發明者的研究結果，已經判明Ga濃度在0％以上20％以下的范圍內并且N濃度在3％以上10％以下的范圍內的區域(以下稱為本發明的區域)63中，能夠在InP基板上生長出不產生缺陷的GaInNAs層。在圖6中，標號61是表示與InP晶格匹配的Ga組成和N組成的關系的直線。當將GaInNAs的組成表示為GaxIn1-xNyAs1-y時，該直線成為x＝0.47-6.7y。至今說x＝0.47-3y左右。N濃度需要15％左右，但是通過根據質譜分析原理用磁場過濾器從氮離子選出不形成聚集(cluster)的離子，可以將它們均勻地供給基板表面，并且使晶體生長溫度為作為最佳溫度的550℃，將N原子均勻地分散在GaInAs中，我們看到在更低的N原子濃度，也能夠與InP進行晶格匹配。結果，沒有N濃度局部地增加使能帶間隙變小的現象，用更少的N濃度，也可以實現晶格匹配和能帶的穩定的改變。特別是，當N濃度在3％以上7％以下時，在溝道層中產生壓縮畸變，能夠穩定地得到15000cm2/Vs前后的霍爾遷移率。這是考慮到因為當Ga濃度在20％以下時電子的有效質量急劇減少霍爾遷移率增大的緣故。在后述的實施方式1中，由具有與InP基板晶格匹配的組成的InN0.07As0.93(圖6的①的組成)構成溝道層，但是如果是在上述本發明的區域63范圍內的組成，則能夠穩定地得到15000cm2/Vs以上的高霍爾遷移率。本發明的區域63，因為使溝道層的膜厚在10nm以上所以設定晶格畸變在±1.5％以內。
匯總以上的說明，構成本發明的溝道層的GaInNAs的Ga和N的組成比，優選Ga濃度在0％以上20％以下的范圍內并且N濃度在3％以上10％以下的范圍內。這是因為當Ga濃度在20％以下時電子的有效質量急劇減少，霍爾遷移率增大的緣故。又，這是因為當N濃度不到3％時，由電子速度增大帶來的動作速度提高是不充分的，當N濃度超過10％時，產生對InP基板的晶格不匹配的緣故。又，更優選是N濃度在3％以上7％以下的范圍內。這是因為當在該范圍內時，在溝道層中產生壓縮畸變，能夠穩定地得到高的(這里15000cm2/Vs前后)的霍爾遷移率的緣故。
下面，我們順次說明使本發明的概念具體化的實施方式。
(實施方式1)圖1是表示與本發明的實施方式1有關的異質場效應晶體管的構成的截面圖。
如圖1所示，該異質場效應晶體管具有InP基板21。在InP基板21上順次地疊層InAlAs緩沖層22、InNAs溝道層23、InAlAs第一間隔層25a、n-InAlAs載流子供給層26、InAlAs第二間隔層25b。在InAlAs第二間隔層25b上形成構成柵極的電極29a，在電極29a兩側設置間隔，形成構成源極和漏極的一對電極29b、29c。經過n-InGaAs接觸層28在InAlAs第二間隔層25b上形成電極29b、29c。
下面，我們說明這樣構成的異質場效應晶體管的制造方法。
在該制造方法中，用氣體源MBE(Molecular Beam Epitaxy(分子束外延)法。原料氣體為PH3、AsH3、N2、In、Ga、Si。N2是通過在等離子體源中分解成N原子供給的。PH3和AsH3是通過熱分解供給的。一面供給PH3一面升溫到550℃，在半絕緣性InP基板21上，生長i-InAlAs緩沖層(膜厚500nm)22、InNAs溝道層(20nm)23、i-InAlAs間隔層(5nm)25a、n+-InAlAs載流子供給層(10nm，n型雜質濃度n＝1019cm-3)26、i-InAlAs間隔層(20nm)25b、n+-InGaAs接觸層(100nm)28。此后，通過刻蝕除去柵極區域的接觸層28，在規定區域中通過蒸鍍分別形成構成柵極、源極、漏極的電極金屬29a、29b、29c。令柵極長度為0.2μm，柵極寬度為200μm。結果，與在InP基板上形成InGaAs層時的霍爾遷移率為10000cm2/Vs相對，與此相對，在本實施方式中，霍爾遷移率成為從12000cm2/Vs到15000cm2/Vs的范圍內的值，并且異質場效應晶體管的動作速度fT，與在InP基板上形成InGaAs層時的200GHz相對，在本實施方式中，增加到從250GHz到300GHz的范圍內的值。
(實施方式2)
圖7是表示與本發明的實施方式2有關的異質場效應晶體管的構成的截面圖。在圖7中與圖1相同的標號表示相同或相當的部分。
如圖7所示，在本實施方式中，溝道層由作為第一溝道層的InNAs層23(膜厚10nm)和在InNAs層23上形成的作為第二溝道層的InAs層24(膜厚4nm)這樣2類層構成。其它方面與實施方式1相同。
這樣構成的理由是如開頭用圖4和圖5說明的那樣，因為InAs層的電子速度最大值vd比InNAs層大，所以為了活用這種InAs層的優點。當進行詳細說明時，因為InAs溝道層24對于InP基板21具有約3％的晶格不匹配，所以不能夠疊層4nm以上的厚度。這樣一來如第一已有例那樣當在InGaAs層內形成薄的InAs層時，存在著在載流子溢出到InGaAs層前發生從Γ點到L點的遷移，動作速度降低那樣的問題。可是，如本實施方式那樣，已經確認當與InAs溝道層24鄰接地形成能量比InAs溝道層24稍低的InN0.03As0.97溝道層23(圖6②的組成)時，因為在局限在InAs溝道層24中的載流子從Γ點到L點遷移前，載流子從InAs溝道層24溢出到InNAs溝道層23，所以動作速度不降低。這里，因為InNAs溝道層23在能量上比InAs溝道層24約低0.1eV，所以可以考慮載流子優先通過InNAs溝道層23行進，但是因為實際上InAs溝道層24與能帶間隙大的InAlAs間隔層25接合所以在InAs溝道層24和InAlAs間隔層25的界面上如圖8(a)所示地能帶發生彎曲，所以電子被封閉在InAs溝道層24和InAlAs間隔層25的界面內。
又進一步，可以在InAlAs間隔層25和InNAs溝道層23之間夾入InAs溝道層24，當晶體生長時停止供給N原子后一會兒再開始供給Al原子即可，如實施方式1那樣，因為當形成InAlAs間隔層25和InNAs溝道層23的界面時沒有同時供給Al原子和N原子的狀況所以能夠形成良好的界面。其理由是因為當Al和N同時存在時形成作為高電阻絕緣體的AlN，所以在界面上形成許多雜質能級，但是在本實施方式的情形中，因為Al和N不同時存在，所以不形成AlN。
可是，在實施方式1和2中，使InNAs的N濃度一定，但是在無論那個實施方式中，通過在InNAs溝道層中從基板側向著表面側降低N濃度(隨著在厚度方向接近表面N濃度降低)，形成如圖8(b)所示的能帶構造，特別是在實施方式2中，能夠抑制載流子從InAs溝道層24到InNAs溝道層23的不需要的流出。
又，在本實施方式中，利用將Si以相當于1個原子層5×1012cm-2添加到InAlAs而得到的δ摻雜區域26形成載流子供給層。結果，我們看到霍爾遷移率增加到20000cm2/Vs，并且異質場效應晶體管的動作速度fT增加到400～450GHz。
此外，作為本實施方式的變形例，如圖9所示，也可以采用分別經過由InAlAs構成的第一、第二間隔層25a、25b，在由InNAs溝道層23和第一、第二InAs溝道層24a、24b構成的溝道層兩側形成由δ摻雜區域構成的第一、第二載流子供給層26a、26b，進一步在InNAs溝道層23的兩側形成第一、第二InAs溝道層24a、24b的雙溝道構造。此外，第一載流子供給層26a和InAlAs緩沖層22之間形成InAlAs第三間隔層25c，在第二載流子供給層26b上形成InAlAs第四間隔層25d。在這種構造的情形中，因為通過增加溝道數增加流過的電流量，所以用單一柵極可以實現直到約500mA的電流范圍約500GHz左右的高速動作。又，我們看到通過以這樣夾著InNAs溝道層23的方式形成一對第一、第二InAs溝道層24a、24b，從第一、第二InAs溝道層24a、24b溢出的載流子流入InNAs層23，實質上在InNAs層23內也形成溝道，由此產生的電流也對該電流量的增大作出貢獻。
(實施方式3)圖10(a)是表示與本發明的實施方式3有關的異質場效應晶體管的構成的截面圖，圖10(b)是表示圖10(a)的溝道層近旁的能量狀態的圖。在圖10(a)中與圖7相同的標號表示相同或相當的部分。
如圖10(a)所示，在本實施方式中，作為第一溝道層，代替實施方式2的InNAs溝道層23，形成GaInNAs溝道層23。其它方面與實施方式2相同。
在實施方式2中，因為為了容易生長晶體將InNAs層23作為第一溝道層，所以存在著如圖8(a)所示載流子從InAs層24溢出的擔心。因此，在本實施方式中，我們試著代替InNAs溝道層23，形成在InNAs中添加Ga的GaInNAs溝道層23，使能帶間隙增大。
在圖6中與InAs同樣畫出了成為能級間距(energy gap)的能量等高線64，但是我們看到在本發明的區域63中在能量處于能量等高線64以上的區域，即在Ga濃度為N濃度3倍以上(x≥3y)的區域中，GaInNAs層的能量比InAs層的能量大。結果，如圖10(b)所示的能量狀態那樣，我們看到能夠抑制載流子從InAs溝道層24(以下簡單地稱為“InAs層”)到GaInNAs層23的溢出。又，我們看到通過使GaInNAs層23的組成例如為Ga0.1In0.9N0.03As0.97(圖6的③的組成)，使Ga濃度在0.1以上，用單一柵極可以實現直到約600mA的大電流范圍約500GHz的高速動作。此外，分別使GaInNAs層形成10nm的厚度，InAs層形成4nm的厚度。
下面，我們說明本實施形態的變形例。作為第一變形例，代替GaInNAs溝道層23，交互地各3層地疊層厚度2nm的InAs層和厚度3nm的GaInNAs層形成GaInNAs/InAsMQW溝道層23。通過這種構成可以得到比上述構成稍好的結果。從而，可以疊層多層的InAs層，擴大了設計條件的范圍。
這時，當使GaInNAs形成Ga0.1In0.9N0.03As0.97的組成(圖6的③的組成)時導入1％的壓縮畸變，但是在當形成Ga0.16In0.84N0.05As0.95的組成(圖6的④的組成)時在與InP晶格匹配的條件下，能夠形成與InAs相同的能帶間隙。
這里，我們看到GaInNAs與InAs比較，傳導帶的能帶變化量大。GaInNAs和InAs的傳導帶的能帶間隙應該相同，形成Ga0.2In0.8N0.045As0.955的組成(圖6的⑤的組成)。結果，我們看到能夠抑制載流子滲入到GaInNAs層，動作速度可以提高10％左右。
又，在該MQW溝道層23中，也可以代替GaInNAs層，形成下述組成的InNAs層。即，因為在InAs層中導入壓縮畸變，所以通過在InNAs層中導入擴張畸變，可以穩定地疊層多個InAs溝道層。我們看到作為InNAs層，直到導入1％的壓縮畸變的InN0.1As0.9的組成(圖6的⑥的組成)都能夠生長出穩定的疊層構造。
如上所述，我們看到即便在疊層InAs層和GaInNAs層加以使用的情形中，如果Ga濃度在從0到20％的范圍內，N濃度在從3％到10％的范圍內，則也能夠達到提高動作速度的目的。
在以上的實施方式，即，圖6所示的溝道層的組成中，通過在InAsN中添加Ga可以實現增大能帶間隙的目的，但是通過在InAsN中添加P形成InAs1-y-xNyPz也可以增大能帶間隙。我們看到在P的情形中，為了持有與Ga同樣的依賴性需要使P組成為N濃度的約3倍(z＝3y)。因為N濃度的上限即便在InAs1-y-zNyPz中也在10％以下，所以得到0.03＜y＜0.1、0＜z＜0.3。這時，在進行晶體生長的情形中，因為需要在生長第一溝道層后完全除去P，所以存在著生長時間加長那樣的問題，但是因為在能帶間隙的變化中傳導帶側的變化大，所以可以使動作電流稍微增大。
又，在圖6所示的GaInNAs溝道層的組成中，也可以將As置換成Sb。因為InSb的遷移率比InAs大，所以能夠實現HEMT的高速化。我們認為GaInNSb溝道層比GaInNAs溝道層更有效果。
又，作為本實施方式的第二變形例，如圖11所示能夠采用分別經過由InAlAs構成的第一、第二間隔層25a、25b，在GaInAs溝道層23和第一、第二InAs溝道層24a、24b的兩側形成由δ摻雜區域構成的第一、第二載流子供給層26a、26b，在GaInNAs溝道層23的兩側形成第一、第二InAs溝道層24a、24b的雙溝道構造(即，在圖9的雙溝道構造中，用GaInNAs溝道層23置換InNAs溝道層23的構造)。
在這種情形中，我們看到可以通過增加溝道數增加流過電流量。
(實施方式4)圖12是表示與本發明的實施方式4有關的發送接收裝置的構成的方框圖。
本實施方式例示用實施方式1到3的異質場效應晶體管的發送接收裝置。
在圖12中，發送接收裝置302是無線終端。該發送接收裝置302具有天線321、放大來自天線321的接收電波信號的接收放大部312、放大發送電波信號將它傳送到天線321的發送放大部313、和從來自接收放大部312的接收電波信號取出接收信號并且將發送信號重疊在載波上生成發送電波信號將它傳送到發送放大部313的控制部325。
而且，在接收放大部312和發送放大部313的放大器等中使用實施方式1到3的異質場效應晶體管。因為該異質場效應晶體管如上所述，與已有例比較可以高速動作，所以本實施方式的發送接收裝置302也能夠適合地用于比已有例高的頻率(例如兆兆赫的頻帶)。
作為本領域的普通技術人員，從上述說明，可以知道本發明的許多改良和其它實施方式。從而，上述說明只是作為例示用于解釋的，是為了向本領域的普通技術人員演示實施本發明的最佳樣態而提供的。在不脫離本發明的精神的范圍內，能夠實質上變更本發明的構造和/或功能的詳細內容。
工業上的應用可能性與本發明有關的異質場效應晶體管作為用于高頻發送接收裝置的半導體元件等是有用的。
又，與本發明有關的異質場效應晶體管的制造方法作為用于高頻發送接收裝置的半導體元件等的制造方法是有用的。
又，與本發明有關的發送接收裝置作為無線終端等是有用的。
權利要求
1.一種異質場效應晶體管，其特征在于，具有基板、經過緩沖層在所述基板上形成的溝道層、由具有比所述溝道層大的能帶間隙的半導體構成且與該溝道層異質接合地形成的間隔層、和與所述間隔層鄰接地形成的載流子供給層，所述基板由InP構成，所述溝道層具有由化學式GaxIn1-xNyA1-y表示，所述A是As或Sb，所述組成x在0≤x≤0.2的范圍內，并且所述組成y在0.03≤y≤0.10的化合物半導體層。
2.根據權利要求1所述的異質場效應晶體管，其特征在于所述組成y在0.03≤y≤0.07的范圍內。
3.根據權利要求1所述的異質場效應晶體管，其特征在于所述A是As。
4.根據權利要求1所述的異質場效應晶體管，其特征在于所述A是Sb。
5.根據權利要求1所述的異質場效應晶體管，其特征在于所述溝道層只由所述化合物半導體層構成。
6.根據權利要求3所述的異質場效應晶體管，其特征在于所述溝道層具有第一溝道層和與該第一溝道層鄰接并與所述間隔層異質接合的第二溝道層，所述第一溝道層由所述化合物半導體層構成，所述第二溝道層由InAs層構成。
7.根據權利要求6所述的異質場效應晶體管，其特征在于x＝0。
8.根據權利要求6所述的異質場效應晶體管，其特征在于所述第一溝道層的N濃度隨著接近所述第二溝道層而降低。
9.根據權利要求6所述的異質場效應晶體管，其特征在于以與所述第一溝道層的上面和下面鄰接的方式形成一對所述第二溝道層，以與所述一對第二溝道層異質接合的方式形成一對所述間隔層，以與所述一對間隔層鄰接的方式形成一對所述載流子供給層。
10.根據權利要求6所述的異質場效應晶體管，其特征在于0＜x。
11.根據權利要求10所述的異質場效應晶體管，其特征在于進一步滿足3y≤x≤0.2。
12.根據權利要求10所述的異質場效應晶體管，其特征在于滿足0.1≤x≤0.2。
13.根據權利要求6所述的異質場效應晶體管，其特征在于所述第一溝道層是由作為0＜x的所述化合物半導體層的GaInNAs層和InAs層交互疊層形成的多重量子阱構造的GaInNAs/InAsMQW層構成的。
14.根據權利要求6所述的異質場效應晶體管，其特征在于所述第一溝道層是由作為x＝0的所述化合物半導體層的InNAs層和InAs層交互疊層形成的多重量子阱構造的InNAs/InAsMQW層構成的。
15.根據權利要求1所述的異質場效應晶體管，其特征在于所述緩沖層和所述間隔層由InAlAs層構成，所述載流子供給層由n-InAlAs層構成。
16.一種異質場效應晶體管的制造方法，其特征在于，具有，經過緩沖層在所述基板上形成溝道層的溝道層形成工序；以與所述溝道層異質接合的方式形成由具有比所述溝道層大的能帶間隙的半導體構成的間隔層的間隔層形成工序；和與所述間隔層鄰接地形成載流子供給層的載流子層形成工序，所述基板由InP構成，所述溝道層具有由化學式GaxIn1-xNyA1-y表示，所述A是As或Sb，所述組成x在0≤x≤0.2的范圍內，并且所述組成y在0.03≤y≤0.10的范圍內的化合物半導體層。
17.根據權利要求16所述的異質場效應晶體管的制造方法，其特征在于在形成所述溝道層的工序中，導入離子化的N原子。
18.根據權利要求16所述的異質場效應晶體管的制造方法，其特征在于，具有在所述InP基板上形成由InAlAs構成的所述緩沖層的緩沖層形成工序，所述溝道層形成工序具有在所述緩沖層上形成由InNAs構成的第一溝道層的第一溝道層形成工序、和在所述第一溝道層上形成由InAs構成的第二溝道層的第二溝道層形成工序，在所述間隔層形成工序中，在所述第二溝道層上形成由InAlAs構成的所述間隔層。
19.一種發送接收裝置，其特征在于為了對發送信號或接收信號進行處理具有權利要求1所述的異質場效應晶體管。
全文摘要
本發明的異質場效應晶體管具有InP基板(21)、經過緩沖層(22)在所述InP基板上形成的溝道層(23)、由具有比所述溝道層大的能帶間隙的半導體構成并與該溝道層異質接合地形成的間隔層(25a)、和與所述間隔層鄰接地形成的載流子供給層(26)，所述溝道層具有由化學式Ga
文檔編號H01L21/02GK1692483SQ20038010068
公開日2005年11月2日 申請日期2003年10月28日 優先權日2002年10月29日
發明者大塚信之, 水野纮一, 吉井重雄, 鈴木朝實良 申請人:松下電器產業株式會社