次々世代のトランジスタを狙う非シリコン材料（3）〜III-V族半導体の「新たなる希望」：福田昭のデバイス通信（35）（2/3 ページ）

前回は、ゲルマニウム（Ge）をチャンネル材料とするMOSFETの研究開発の歴史と現状を紹介した。今回はもう1つの材料であるインジウム・ガリウム・ヒ素（InGaAs）である。InGaAsの歴史と背景にあるIII-V族化合物半導体とともに、研究開発の状況を解説する。

[福田昭，EE Times Japan]

異なる材料の薄膜が重なるヘテロ構造

　シリコン（Si）では、きわめて良質なゲート絶縁膜、具体的には二酸化シリコン（SiO2）膜を製造できたことが、MOSFETの進化とMOS ICの集積密度の急速な向上に大きく寄与した。しかし、III-V族化合物半導体ではシリコン（Si）と違い、良質なゲート絶縁膜を製造できなかった。

　III-V族化合物で早期に電子デバイスの開発が進められたのは、ガリウム・ヒ素（GaAs） FETである。GaAsでも当初はSiと同様のMOSFETを目指して研究開発の努力が継続された。1970年代のことである。しかし多大な努力もむなしく、GaAsでは良質な酸化膜を作れなかった。このためGaAsの表面に直接ゲート電極を載せた、「MES（MEtal Semiconductor）FET（メスフェット）」構造でGaAsトランジスタは1980年代に実用化された。

　良質な酸化膜は作れなかったものの、「ヘテロ構造」と呼ばれる独特の構造を有するトランジスタがGaAsをベースに開発された。これが「HEMT（High Electron Mobility Transistor）（へムト）」である。HEMTは、富士通研究所が考案した高速・低雑音トランジスタである。富士通研究所は1979年に最初のトランジスタを試作し、1980年に国際会議DRC（Device Research Conference）で技術の概要を発表した。

　HEMTには、ヘテロ構造と「変調ドーピング」の2つのアイデアが組み合わされている。ヘテロ構造とは、異なる材料の薄膜が重なる構造を意味する。具体的には、GaAs層とアルミニウム・ガリウム・ヒ素（AlGaAs）層が積層されている。変調ドーピングとは、不純物ドーピングの濃度を周期的に変える（変調する）技術である。最初のHEMTでは、ゲート電極下のAlGaAs層を高い濃度で不純物ドーピングし、その下のGaAs層は不純物ドーピングをしない層とした。

　不純物ドーピングは、半導体デバイスの導電率を局所的に変更するために使われる。Si のMOSFETでは、ソース領域とドレイン領域には高い濃度の不純物ドーピングを実施し、導電率を上げる。

　本シリーズの初回で説明したように、トランジスタの電流はキャリア密度に比例する。ドーピングする不純物の濃度を上げると、キャリア密度が高まり、トランジスタの電流が増大する。この意味では、不純物の濃度を高めることが望ましい。しかし、不純物の濃度を上げすぎると、不純物によってキャリアが散乱され（キャリアの走行が妨げられ）、実効的な移動度が低下する。

　HEMTの最大の特徴は、高濃度不純物ドーピングによる問題（不純物散乱）を解決した点にある。先述したようにHEMTでは、AlGaAs層を高い濃度で不純物ドーピングし、GaAs層はドーピングしない。AlGaAs層で発生した高密度のキャリア（電子）は、GaAs層に移動し、AlGaAs層との境界付近に貯まる。そして電極に電圧を加えると、キャリアはGaAs層内を移動する。つまり、不純物による散乱がなく、高い移動度を保持したGaAs層を、きわめて高い密度のキャリアが走行する。この結果、トランジスタの動作速度が高まるとともに、大きな電流を得られる。

主なIII-V族化合物半導体と基本物性 （クリックで拡大）

SiトランジスタとGaAsトランジスタ （クリックで拡大）