JP2003504851A - ヘテロ接合ｉｉｉ−ｖ族トランジスタ、特にｈｅｍｔ電界効果トランジスタまたはヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ - Google Patents

ヘテロ接合ｉｉｉ−ｖ族トランジスタ、特にｈｅｍｔ電界効果トランジスタまたはヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ

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JP2003504851A JP2001508505A JP2001508505A JP2003504851A JP 2003504851 A JP2003504851 A JP 2003504851A JP 2001508505 A JP2001508505 A JP 2001508505A JP 2001508505 A JP2001508505 A JP 2001508505A JP 2003504851 A JP2003504851 A JP 2003504851A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、広い禁制帯の物質および狭い禁制帯の物質を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体物質を備えたヘテロ接合トランジスタに関する。狭い禁制帯の物質は、ＩＩＩ族元素の１つとしてガリウムを、Ｖ族元素としてヒ素および窒素の双方を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物であり、窒素の含有量は約５％未満であり、狭い禁制帯の物質は少なくとも１つの第４のＩＩＩまたはＶ族の元素を備える。前記第４の元素を追加することによって、へテロ接合の禁制帯の幅、伝導帯の不連続性ΔＥｃ、および価電子帯の不連続性ΔＥｖを調整することが可能となる。本発明は、低い禁制帯を有し、従って高ドレイン電流を有するＨＥＭＴ電界効果トランジスタを生成するのに有用である。また、本発明は、低いＶBEを有し、従って低供給電圧によって機能することができるヘテロ接合バイポーラ・トランジスタを生成するのに有用である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族半導体合金を用いた、電界効果トランジスタの部類ま
たはバイポーラ・トランジスタの部類のヘテロ接合トランジスタに関する。
【０００２】 ＩＩＩ−Ｖ族半導体は、その最も良く知られたものはガリウム砒素ＧａＡｓで
あり、周期表の列ＩＩＩからの１つ以上の元素および列Ｖからの１つ以上の元素
を利用した巨大な族を構成する。従って、 ＧａＡｓまたはＩｎＰ等の二元化合物、 ＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＰ等の三元化合物、および ＧａＩｎＡｓＰまたはＡｌＧａＳｂＡｓ等の四元化合物、 が存在する。
【０００３】 三元または四元合金においては、ＩＩＩ族の元素が互いに置換され、同様に、
Ｖ族の元素が互いに置換されるので、全体としてのＩＩＩ族の元素および全体と
してのＶ族の元素は、組成が等しい。例えば、ＡｌxＧａ1-xＡｓまたはＧａxＩ
ｎ1-xＡｓyＰ1-yである。以下では、この文書を過度に煩わしくするのを避ける
ために、より簡単なＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓＰという表記を採用する。
必要な場合はいつでも、様々な元素の濃度を特定する。更に、合金を形成する様
々な元素は、濃度の高いものからの順序ではなく、標準化された順序（最も電気
陽性度の高いものから最も電気陽性度の低いものへ）で示す。
【０００４】 電子部品を形成する場合の、かかる三元もしくは四元合金、更にまたは五元合
金の利点は、１つのＩＩＩ族の元素を別のものの代わりに、または１つのＶ族の
元素を別のものの代わりに置換することが、例えば電子もしくはホールの有効質
量あるいは実際には禁制帯の幅のようなその合金の電子的な特性を変化させると
いう事実に由来する。これらの変化は、ヘテロ接合、すなわち、例えばＡｌＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＡｓ等の異なる種類の２つの物質間
での接合を形成する場合に利用される。
【０００５】 ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓＰ／ＡｌＧａＩｎＰまたはＩｎＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰから形成された半導体レーザは、ヘテロ接合を用
いて、それぞれ以下の波長８７０ナノメータ（ｎｍ）、６７０ｎｍ、および９８
０ｎｍで放出するレーザを形成する周知の例である。
【０００６】 また、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ／ＧａＡｓ
ヘテロ接合を利用した、いわゆる高電子移動度電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ
）は、従来の非ヘテロ接合ＧａＡｓトランジスタのものよりも優れた性能でよく
知られている。
【０００７】 また、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＡｓタイプのヘテ
ロ接合バイポーラ・トランジスタ（ＨＢＴ）は、非ヘテロ接合ＧａＡｓバイポー
ラ・トランジスタのものよりも優れた性能でよく知られている。
【０００８】 ヘテロ接合の形態でＩＩＩ−Ｖ族の半導体合金を互いに組み合わせることがで
きる柔軟性にもかかわらず、それでもなお、かかる組み合わせには制限がある。
【０００９】 異なる物質を互いに組み合わせることができるのは、それらが同一の結晶格子
パラメータまたは極めて類似した格子パラメータを有する場合のみであり、これ
によって様々な物質間に大きな機械的応力が発生しないことを確実とする。応力
が大きいと、２つの物質間の界面に転位が生じる恐れがあり、この転位は２つの
物質の一方を通して伝播し、これによって、かかる物質の質が低下し、結果とし
て電子部品の質が低下する。２つのパラメータの格子パラメータ間の不一致が小
さい場合、発生する機械的応力は小さく、物質はその弾性変形の範囲内に収まる
ので、界面に転位を生じることなく、エピタキシによってヘテロ接合を成長させ
ることができる。弾性変形は、結晶格子パラメータ間の差および応力のかかった
層の厚さの双方の関数であることが知られている。「臨界」厚さとして知られる
ある厚さ未満では、層は弾性変形の状態にとどまる、すなわち転位が無い。臨界
厚さを超えると、転位の発生によって応力は緩和される。
【００１０】 多くの電子部品は、対象となる電子特性を有するヘテロ接合を提供するために
、弾性応力を達成するためのこの可能性を利用する。例えば、インジウム含有量
を２５％まで高くすることができるＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓヘテロ接合を形
成し、これによって２％に近いパラメータ不一致が生じ、このため約１０ｎｍの
臨界厚さが規定される。
【００１１】 ＨＥＭＴを形成する場合、この応力のかかったＧａＩｎＡｓ物質は、応力のか
かっていないＧａＡｓ物質よりも優れた利点を呈する。すなわち、電子移動度が
改善され、ヘテロ接合界面における伝導帯の不連続性が大きくなるという利点が
ある。弾性応力状態にある狭い禁制帯物質を用いたかかるＨＥＭＴは、「スード
モルフィック」ＨＥＭＴと呼ばれる。スードモルフィックＨＥＭＴは、低ノイズ
増幅および電力増幅のために、極めて広く用いられている。
【００１２】 ＨＢＴは、このスードモルフィック状態をほとんど利用しない。なぜなら、Ｈ
ＢＴのベースが一般的に約１００ｎｍの厚さであり、従って、対象となる電子特
性を呈する役割を果たす格子不一致物質の臨界厚さよりも厚いからである。この
ため、工業製品として知られているスードモルフィックＨＢＴは無い。
【００１３】 更に、ヘテロ接合は一般に基板上にエピタキシャル成長されるので、格子パラ
メータを決定するのは基板である。実用上の理由で、基板は二元化合物であり、
工業的に最も広く用いられている化合物はＧａＡｓである。この次はＩｎＰであ
るが、これは製造が難しく、従って高価であり、更に壊れやすく、もろい。この
不利な条件にもかかわらず、ＩｎＰはしばしば用いられる。なぜなら、これは、
最大６０％までとインジウム含有量が極めて多いＧａＩｎＡｓまたはＧａＩｎＡ
ｓＰ等の合金の実現を可能とするからである。かかる合金は、０．６電子ボルト
（ｅＶ）から１ｅＶまでに渡る狭い禁制帯等、対象となる電子特性を呈する。
【００１４】 このため、当技術分野の現状では、最も広く用いられるＨＥＭＴを２つの範疇
に分けることができる。第１の範疇は、ＧａＡｓ基板および、狭い禁制帯物質と
してヒ化物を用いる。すなわち、非スードモルフィックＨＥＭＴではＧａＡｓを
、約２５％までのインジウム含有量を有するスードモルフィックＨＥＭＴではＧ
ａＩｎＡｓを用いる。第２の範疇は、ＩｎＰ基板および、狭い禁制帯物質として
ヒ化物を用いる。すなわち、非スードモルフィックＨＥＭＴでは５２％、スード
モルフィックＨＥＭＴでは約６５％までのインジウムを含むＧａＩｎＡｓを用い
る。
【００１５】 同じように、当技術分野の現状では、ＨＢＴを２つの範疇に分けることができ
る。すなわち、ＧａＡｓ基板上に、狭い禁制帯物質としてＧａＡｓを有するもの
、および、ＩｎＰ基板上に、狭い禁制帯物質としてＧａＩｎＡｓ（５２％のイン
ジウム含有量）を有するものである。先に述べたように、スードモルフィックＨ
ＢＴは、工業的には開発されていない。
【００１６】 しかしながら、ＨＥＭＴおよびＨＢＴの双方において、狭い禁制帯物質として
のヒ化物の使用には制限がある。
【００１７】 ＨＥＭＴにおいては、制限は以下のように生じる。ＨＥＭＴの主な特徴は、広
い禁制帯を有する物質、一般にはＡｌＧａＡｓを、狭い禁制帯を有する物質すな
わちＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓに組み合わせ、これによって、広い禁制帯物質
にドーピングをする場合に狭い禁制帯物質に蓄積する２次元電子ガスを得ること
が可能なことである。広い禁制帯物質から狭い禁制帯物質への電子の伝達は、伝
導帯の不連続性ΔＥｃが増大するにつれて、より効果的となる。高密度の２次元
電子ガスを有することによって、トランジスタのドレイン電流を大きくすること
が可能となり、このため、電力増幅をより効果的とすることができる。しかしな
がら、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓの組み合わせ
を有するヒ化物系では、ΔＥｃ不連続性は制限される。第１に、ΔＥｃは、Ａｌ
ＧａＡｓにおけるアルミニウム含有量と共に増大するが、ある値を超えることは
不可能である。なぜなら、アルミニウムが２２％を超えると、ＡｌＧａＡｓにお
いて「ＤＸセンタ」として知られる厄介な欠陥が現れ、更に４０％を超えると、
ＡｌＧａＡｓ物質は、間接禁制帯を呈するからである。第２に、ＧａＡｓにイン
ジウムを加えるとΔＥｃを増大させることができるが、先に述べたように、実際
には２５％を超えることはほとんど不可能である。結果として、実際には、Ａｌ
ＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ系のΔＥｃ最大値は約４００ミリ電子ボルト（ｍｅＶ）
である。広い禁制帯物質がＡｌＩｎＡｓ（５３％のインジウム）であり、狭い禁
制帯物質がＧａＩｎＡｓ（最大６５％のインジウム）であるＩｎＰ基板上のＨＥ
ＭＴの範疇では、ΔＥｃは６００ｍｅＶを超えない。
【００１８】 ＨＢＴでは、以下のように制限が生じる。ＨＢＴの重要な特徴の１つは、コレ
クタが確実に電流を受け取るために、そのベースにエミッタに対するベース−エ
ミッタ電圧ＶBEを印加しなければならないことである。このＯＮ電圧ＶBEは、ベ
ースを形成する物質の禁制帯の幅に大きく依存する。例えば、ベース物質がＧａ
Ａｓである場合、ＯＮ電圧ＶBEは約１ボルトである。しかしながら、ＨＢＴの主
な用途の１つは、体積の点から、携帯電話における電力増幅である。この用途で
は、電源電圧はバッテリによって供給され、いくつかの理由で、とりわけ、バッ
テリの重量および、電源電圧と携帯電話に含まれる他の電子機能との間の互換性
のため、半導体技術が進歩するにつれて、電源電圧は低下していく。１９９９年
に、ポケット・サイズの電話において用いられる最低電圧は約３ボルトであり、
使用可能な２ボルトが残っているので、ＧａＡｓのベースおよび１ボルトのＶBE 電圧を有するＨＢＴは、完全に実行可能となっている。しかしながら、電圧が１
．５ボルト未満へと低下すると、１ボルトのＶBE電圧はもはや許容不可能である
。従って、ＶBE電圧を低下させること、換言すると、禁制帯ができる限り狭い物
質から成るＨＢＴを有することが必要である。１つの解決策は、第２の範疇のＨ
ＢＴをＩｎＰ上にエピタキシャル成長させて用いることであろう。なぜなら、Ｇ
ａＩｎＡｓ（５２％のインジウム含有量）から成るベースは約０．７５ｅＶの禁
制帯を有し、これは約０．３ボルトのＯＮ電圧ＶBEを可能とするからである。し
かしながら、上述のように、ＩｎＰ基板は高価であり、かつ壊れやすい。コスト
削減が大きなファクタである工業用途にとっては、この構成要素のコストは高す
ぎるであろう。
【００１９】 それらの欠点を軽減するため、本発明は、本質的に、少なくとも２つのＶ族の
元素すなわちヒ素および窒素を同時に利用した合金によって狭い禁制帯物質を構
成する、ヘテロ接合トランジスタの使用を提案する。
【００２０】 ヒ素および窒素の双方を含むＩＩＩ−Ｖ族の成分は、それらを含まないものよ
りも狭い禁制帯幅を呈するという特徴を有する。換言すると、少量のヒ素を同量
の窒素によって置換することで、禁制帯のサイズを著しく縮小させる。例えば、
４％の窒素を含む化合物ＧａＡｓＮは約１ｅＶのＧａＡｓの禁制帯幅を有し、こ
れに対して、ＧａＡｓの禁制帯幅は１．４２ｅＶである。この特性は、予想外の
ものである。なぜなら、ＧａＮが極めて広い禁制帯（３．４ｅＶ）を有する物質
であるとされるので、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物に当てはまることが多い経験則は、
ＧａＡｓＮ化合物がＧａＡｓのものよりも幅の広い禁制帯を有するという仮定に
至るからである。この例外的な特性は、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏ
ｌ．３１（１９９２年）、８５３における、Ｍ．Ｗｅｙｅｒｓ等によって初めて
言及され、理論的な計算によって、それらの実験結果が確認されている（Ｓ．Ｓ
ａｋａｉ等、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３２（１９９３年）、
４４１３）。
【００２１】 ＧａＡｓＮ化合物の格子パラメータは、ベガードの法則に従う。すなわち、こ
れは、窒素の含有量と共に線形に変化する。このため、ＧａＡｓ基板上にＧａＡ
ｓＮの薄い層をエピタキシャル成長させた場合、ＧａＮ（０．４５ｎｍ）の結晶
格子パラメータがＧａＡｓ（０．５６５ｎｍ）のものよりも小さいとすると、こ
の薄い層は応力のかかった状態にある。Ｙ．Ｑｕｉ等（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌ
ｅｔｔ．７０（２４）、３２４２（１９９７年））、および、Ｅ．Ｖ．Ｋ．Ｒａ
ｏ等（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７２（１２）、１４０９（１９９８年）
）による研究によって、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させたＧａＡｓＮ
の層の臨界厚さは大きく、数パーセントのオーダーの窒素含有量に対して１００
ｎｍにもなり得ることが示されている。かかる厚さは、ＨＥＭＴまたはＨＢＴを
形成するのに十分に適している。
【００２２】 ＧａＡｓＮの格子パラメータはＧａＡｓのものよりも小さいので、その格子パ
ラメータを増大させる目的で、この三元化合物に化学元素を加えることができる
。このため、Ｍ．Ｋｏｎｄｏｗ等（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．
３５（１９９６年）、１２７３）は、インジウムを追加して四元化合物ＧａＩｎ
ＡｓＮを形成することを提案している。それらの著者によると、四元化合物はＧ
ａＡｓと比べて大きな伝導帯不連続性ΔＥｃを呈し、これは、高温安定性を有す
るレーザを形成する際に用いるのに有利であることを示す。
【００２３】 更に明確には、本発明は、広い禁制帯を有する物質および狭い禁制帯を有する
物質を有するＩＩＩ−Ｖ族半導体物質を備えたヘテロ接合トランジスタを提供す
る。このトランジスタは、狭い禁制帯を有する物質が、そのＩＩＩ族元素の１つ
としてガリウムを、Ｖ族元素としてヒ素および窒素の双方を含むＩＩＩ−Ｖ族化
合物であり、窒素の含有量が約５％未満であり、狭い禁制帯の物質は少なくとも
１つの第４のＩＩＩまたはＶ族元素を有し、この第４の元素を追加することによ
って、へテロ接合の禁制帯の幅、伝導帯の不連続性ΔＥｃ、および価電子帯の不
連続性ΔＥｖを調整することが可能となることを特徴とする。
【００２４】 ＧａＩｎＡｓＮ化合物の大きなΔＥｃ値は、ＨＥＭＴを形成するのに有利に用
いることができる。
【００２５】 かかる状況のもとで、様々な有利な従属的特徴によれば、 第４の元素はインジウムであり、約１０％以下の量だけガリウムを置換して、
約０．８ｅＶの禁制帯、約５００ｍｅＶの伝導帯の不連続性、および約１００ｍ
ｅＶの伝導帯の不連続性を与えるようになっており、 広い禁制帯の物質は、約２５％のモル分率のアルミニウムを有するＡｌＧａＡ
ｓであり、約８００ｍｅＶのΔＥｃ不連続性および約３００ｍｅＶのΔＥｖ不連
続性を得るようになっており、すなわち、約５０％のインジウム・モル分率を有
するＧａＩｎＰであり、約５００ｍｅＶのΔＥｃ不連続性および約５００ｍｅＶ
のΔＥｖ不連続性を得るようになっており、 第４の元素は約４０％のモル分率のインジウムであり、これによってＧａＡｓ
基板に対して著しく不整合な格子を有する狭い禁制帯の物質を得るようになって
おり、この狭い禁制帯の物質はＧａＡｓ基板上に転位なくエピタキシャル成長さ
せ、広い禁制帯の物質は約４０％のインジウムを有するＡｌＩｎＡｓであり、約
１ｅＶに達するΔＥｃ不連続性を得るようになっており、 トランジスタはスードモルフィックＨＥＭＴタイプの電界効果トランジスタで
あり、狭い禁制帯の物質ＧａＩｎＡｓＮは、その格子パラメータがＧａＡｓ基板
のものよりも大きく、そのために弾性応力のかかった状態にあるようなインジウ
ムおよび窒素の含有量を有し、広い禁制帯の物質はＡｌＧａＡｓであり、約９０
０ｍｅＶのΔＥｃおよびΔＥｖ不連続性を得るようになっている。
【００２６】 また、本発明は、狭い禁制帯の物質がトランジスタのベースを形成し、広い禁
制帯の物質がトランジスタのエミッタを形成する、ヘテロ接合バイポーラ・トラ
ンジスタの形成にも適用される。
【００２７】 第４の実施形態はインジウムとすることができ、約１０％以下の量でガリウム
を置換して、約０．８ｅＶないし１ｅＶの禁制帯を得るようになっており、広い
禁制帯の物質は約５０％のインジウム含有量を有するＧａＩｎＰであり、約４５
０ｍｅＶのΔＥｖ不連続性を得るようになっている。
【００２８】 トランジスタのベースを形成する物質は、好ましくは、窒素含有量が、エミッ
タとベースのヘテロ接合界面においてゼロでありベースに向かうにつれて増大す
るように徐々に変化するか、または、窒素含有量がエミッタとベースの界面にお
いてゼロであるように段階的に変化する。
【００２９】 それにもかかわらず、ＧａＡｓに比べてＧａＩｎＡｓＮ物質の価電子帯の不連
続性ΔＥｖの値が低いことは、ＨＢＴを形成する際に不利な条件となる恐れがあ
る。このため、本発明は、第４の元素としてアンチモンを用い、約１０％以下の
量だけヒ素を置換し、約０．８ｅＶないし１ｅＶの禁制帯を与えるようにするこ
とを提案する。
【００３０】 この場合、広い禁制帯の物質をＧａＡｓとして、約５０ｍｅＶのΔＥｃ不連続
性および約４００ｍｅＶのΔＥｖ不連続性を得ることができる。または、これを
、約５０％のインジウム含有量を有するＧａＩｎＰとして、約１００ｍｅＶのΔ
Ｅｃ不連続性および約８００ｍｅＶのΔＥｖ不連続性を有するようにすることが
できる。
【００３１】 狭い禁制帯の物質は、５元化合物ＧａＩｎＳｂＡｓＮとすることができる。
【００３２】 本発明の実施について、添付図面を参照して、以下に説明する。
【００３３】 図１は、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＮヘテロ接合のバンド図である。
【００３４】 Ｍ．Ｋｏｎｄｏｗ等（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３５（１９
９６年）、１２７３）によって示されたように、ＧａＡｓと比較したＧａＡｓＮ
の禁制帯の幅は、主に伝導帯を低下させることによって小さくなる。この現象に
よって、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＮヘテロ接合界面において、大きい伝導帯不連続性
ΔＥｃおよび小さい価電子帯不連続性が生じる。
【００３５】 図１に示すように、ＧａＡｓＮの価電子帯は、ＧａＡｓのものよりも下にある
。ＧａＡｓ上にエピタキシャル成長させたＧａＡｓＮがそれに対して格子パラメ
ータの不一致を有すると仮定し、更に、この不一致が窒素含有量の増大と共に増
すと仮定すると、転位が生じないことを確実とするためには、窒素含有量を約５
％に抑える必要がある。このようにＧａＡｓにおける窒素の割合を制限すること
によって、ＧａＡｓＮの禁制帯の幅は約１ｅＶとなり、結果として、ＧａＡｓ／
ＧａＡｓＮヘテロ接合の伝導帯不連続性ΔＥｃは、最大で約１００ｍｅＶのオー
ダーとなる。
【００３６】 結果として、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＮヘテロ接合は、ＨＥＭＴを形成するには適
さない。更に、ＧａＡｓＮの価電子帯はＧａＡｓのものの下に位置するので、Ｇ
ａＡｓ／ＧａＡｓＮヘテロ接合は、高性能のＨＢＴを形成するためにも適さない
。
【００３７】 高性能のＨＥＭＴを形成するためには、ΔＥｃ不連続性を増大させる方法を見
出すことが必要である。これは、本発明の主題を構成し、狭い禁制帯物質として
ＧａＩｎＡｓＮ合金を用いることにある。（上述の）Ｍ．Ｋｏｎｄｏｗ等は、Ｇ
ａＡｓにインジウムを追加するとＧａＩｎＡｓの禁制帯の幅が狭くなるのと同じ
ように、ＧａＡｓＮにおいて小さい割合のインジウムを追加すると、ＧａＡｓＮ
の禁制帯の幅が狭くなる効果があることを示している。このＧａＩｎＡｓＮの禁
制帯幅の縮小は、価電子帯よりも伝導帯によって多く生じる。
【００３８】 これによって、ΔＥｃ不連続性に約５００ｍｅＶの値が得られる。これは、当
業者には周知のＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓヘテロ接合によって形成されたスー
ドモルフィックＨＥＭＴのものと同等である。
【００３９】 ΔＥｃ不連続性は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓＮヘテロ接合を用いると更に
増大させることができる。なぜなら、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合もΔＥ
ｃ不連続性を呈し、これがＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓＮのものに加わるからである
。このΔＥｃの移行の特徴はＩＩＩ−Ｖ族化合物に当てはまることが知られてお
り、結果として、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓＮヘテロ接合に対して８００ｍｅ
Ｖを超える不連続性を得ることができる。この値は、窒素を用いずにヘテロ接合
において達成することは困難である。ヒ化物に基づいた物質から成るヘテロ接合
では、最大のΔＥｃ不連続性は、インジウム含有量が約４０％であるＡｌＩｎＡ
ｓ／ＧａＩｎＡｓヘテロ接合で得られる。しかしながら、インジウムを多く含む
化合物は、ＧａＡｓのものよりも結晶格子パラメータが３％大きく、そのため、
転位を起こすことなくそれらをＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させること
は難しい。それにもかかわらず、当業者は、バッファ層内での転位の伝搬を抑制
することができ、このため、アクティブ層に転位を全く生じさせない（例えば、
ＷＯ−Ａ−９９／１４８０９（Ｐｉｃｏｇｉｇａ）またはＳ．Ｂｏｌａｅｒｔ等
、ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖ．Ｌｅｔｔ．２０、１２３（１９９９年
）を参照のこと）。これらの方法によって、約３０％ないし４０％とインジウム
含有量の多いＧａＩｎＡｓＮ物質を成長させるためにも使用可能なメタモルフィ
ックＨＥＭＴの形成が可能となる。このため、３０％ないし４０％のインジウム
を有するＡｌＩｎＡｓ／ＧａＩｎＡｓＮヘテロ接合のΔＥｃは、１ｅＶを超える
。
【００４０】 本発明の主題を続行し構成する別の方法は、ＧａＡｓ基板に対してＧａＩｎＡ
ｓＮエピタキシャル層が格子不整合を有するようにインジウム含有量を選択した
ＡｌＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓＮヘテロ接合を形成することである。従って、かか
るヘテロ接合を用いたＨＥＭＴは、スードモルフィックＨＥＭＴであり、このた
め、ΔＥｃ不連続性は９００ｍｅＶを超える。
【００４１】 上の説明において、本発明はＨＥＭＴに関するものである。
【００４２】 ＨＢＴに関して、当業者には、ＨＢＴのエミッタおよびベースを構成するヘテ
ロ接合は以下の特徴を呈しなければならないことが知られている。すなわち、 ベースの禁制帯はエミッタのものよりも狭くなければならない。
【００４３】 価電子帯の不連続性は大きくなければならない。
【００４４】 ベースの価電子帯はエミッタのものよりも上に位置しなければならない。
【００４５】 伝導帯の不連続性は小さく、トランジスタのオン電圧ＶBEの無意味な上昇を回
避するようにしなければならない。
【００４６】 上述のように、更に図１に見られるように、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＮヘテロ接合
は、これらの条件を満たさない。
【００４７】 しかしながら、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＮヘテロ接合は、ΔＥｖ不連続性が大き
い場合には（図３）それらを満たす。ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓヘテロ接合は、約４
００ｍｅＶのΔＥｖ不連続性を示し、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＮヘテロ接合は、５％
のインジウム含有量に対して約−２０ｍｅＶのΔＥｖ不連続性を示す。価電子帯
不連続性の移行によって、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＮでは約３８０ｍｅＶのΔＥｖ
不連続性が示され、これは高性能のＨＢＴを形成するには十分である。伝導帯側
では、ＧａＡｓとＧａＡｓＮとの間のΔＥｃ不連続性は約５０ｍｅＶであり、Ｇ
ａＩｎＰおよびＧａＡｓの不連続性は７０ｍｅＶであり、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ
Ｎヘテロ接合では合計１２０ｍｅＶである場合、これは高性能のＨＢＴを形成す
るのに十分に適している。しかしながら、５％のインジウム含有量を有するＧａ
ＡｓＮは、禁制帯がＧａＡｓのものに近い、すなわち約１．３５ｅＶである。オ
ン電圧ＶBEを著しく下げる必要がある用途では、狭い禁制帯物質の禁制帯の幅を
更に狭くすることが有利であり、すでに特性を述べたＧａＩｎＡｓＮ物質は十分
に適している。
【００４８】 図４は、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＮヘテロ接合のバンド図である。インジウ
ムおよび窒素の含有量が各々数パーセントである場合、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ
ＮとＧａＩｎＰ／ＧａＡｓとの間の帯不連続性の移行によって、ＧａＩｎＰ／Ｇ
ａＩｎＡｓＮヘテロ接合では、約４５０ｍｅＶのΔＥｖ不連続性および約５５０
ｍｅＶのΔＥｃ不連続性が示され、このため、１ｅＶ以下の禁制帯幅が与えられ
る。
【００４９】 この構成では、ΔＥｃの大きな値は、対照的に、好ましくない。第１に、Ｇａ
ＩｎＰエミッタから入って来てＧａＩｎＡｓＮベースへと出て行く電子が、あま
りに高いエネルギを有し、電子の有効質量が大きい物質のＬ帯へと注入される危
険があるからである。第２に、ΔＥｃの値が大きいと、（ｎ型の）ＧａＩｎＰ／
（ｐ型の）ＧａＩｎＡｓＮ界面においてエネルギのピークが生じ、これによって
、エミッタからベースに向けて注入される電子が横切らなければならないエネル
ギ障壁を形成するからである（図５）。この状況は、トランジスタのオン電圧Ｖ BE を上昇させる。
【００５０】 ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＮヘテロ接合界面においてΔＥｃ不連続性を低減さ
せるためには、図６に示すように、窒素の含有量が界面において小さく、ゼロに
さえなり、界面から離れるにつれてしだいに増えるという、徐々に変化する組成
を有するベースを形成することができる。
【００５１】 図７は、対応するバンド図を示す（組成を段階的に変動させることによって同
じ効果が得られる）。インジウム組成を変えることなく窒素組成のみを変化させ
た場合、エミッタ−ベース接合は、１０％のインジウム含有量に対して伝導帯不
連続性ΔＥｃが約１００ｍｅＶであるＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓヘテロ接合であ
り、高性能ＨＢＴには十分に適している。１０％のインジウム含有量では、禁制
帯は約１．３ｅＶである。２５％を超えるインジウム含有量を用いることによっ
て、ＧａＩｎＡｓの禁制帯幅を更に小さくして、約１ｅＶの禁制帯および約２０
０ｍｅＶのΔＥｃ不連続性に達するようにすることができる。かかる状況のもと
で、ＧａＩｎＡｓ層はスードモルフィックＨＥＭＴであるので、高い応力がかか
っている。このため、ＧａＩｎＡｓ層の厚さは約１０ｎｍないし１２ｎｍである
。
【００５２】 好都合なことに、ＧａＳｂＡｓまたはＧａＳｂＡｓＮ等、ベースにアンチモン
を含む物質を用いることによって、ΔＥｃ不連続性を低減させることができると
共に、ΔＥｖ不連続性を増大させることができる。化合物ＧａＳｂの価電子帯は
、ＩｎＡｓの伝導帯のエネルギ・レベルに正確に位置していることが知られてい
る（例えば、Ｌ．Ｅｓａｋｉ、Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ（分子ビーム
・エピタキシの技術および物理）、Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ、１９８５年、１
７１ページ、または（上述の）Ｓ．Ｓａｓａｋｉを参照のこと）。
【００５３】 ＩＩＩ−Ｖ族半導体に対して十分に機能する経験則を用い、これによって価電
子帯を伝導帯曲率の損失に整合させて、図８に示すような構成が得られる。
【００５４】 この図は、３つの物質ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、およびＩｎＡｓの、ならびに三元
合金ＧａＩｎＡｓおよびＧａＳｂＡｓの、価電子帯および伝導帯の位置を示す図
である。ＧａＳｂＡｓ合金は、それらの価電子帯が、ＧａＩｎＡｓ合金のものよ
りも上に位置していることがわかる。同じことが、それらの伝導帯にも当てはま
る。図８から、ＧａＡｓ／ＧａＳｂＡｓヘテロ接合は、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓ
ヘテロ接合のものよりも、ΔＥｃが小さく、ΔＥｖが大きいことが推定される。
従って、ＨＢＴを形成するためにＧａＡｓ／ＧａＳｂＡｓヘテロ接合を用いると
、より有利である。
【００５５】 しかしながら、ＧａＳｂＡｓは、ＧａＡｓに対して格子パラメータが異なり、
従って、トランジスタのベースを形成するために十分に多いインジウム含有量お
よび／または十分に大きな厚さを有することができない。低濃度の窒素を置換し
て四元ＧａＳｂＡｓＮを形成することで、ＧａＩｎＡｓＮのように格子パラメー
タを再調整することができ、ＧａＩｎＡｓＮのように、この四元合金における少
ない窒素含有量によって、禁制帯の幅を０．８ｅＶに近い値まで同時に低減させ
ることができ、これが電圧ＶBEの低下を推進する。
【００５６】 窒素の追加によって、ΔＥｃの不連続性は高い値へと移行するので、ＧａＡｓ
／ＧａＳｂＡｓＮヘテロ接合のバンド図は、図９に示すような形状を有する。こ
のヘテロ接合の帯不連続性は周知ではないが、２％ないし３％の窒素含有量およ
び約１０％のアンチモン含有量では、ΔＥｃは約５０ｍｅＶであり、ΔＥｖは約
３５０ｍｅＶないし４００ｍｅＶであると推定される。これらの値は、高性能Ｈ
ＢＴを形成するのに極めて適していることが知られているＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ
ヘテロ接合のものに十分に匹敵する。
【００５７】 帯移行によって、ＧａＩｎＰ／ＧａＳｂＡｓＮの組み合わせでは、約１００ｍ
ｅＶのΔＥｃ不連続性および８００ｍｅＶのΔＥｖ不連続性が示される（図１０
）。
【００５８】 先の説明において、ＧａＡｓＮにインジウムを追加することが大きな伝導帯不
連続性ΔＥｃを生じる効果があり、一方、アンチモンを追加することが小さいΔ
Ｅｃ不連続性を生じることを述べた。この反対の効果が、価電子帯不連続性ΔＥ
ｖに当てはまる。従って、五元化合物ＧａＩｎＳｂＡｓＮを用いることによって
、ΔＥｃおよびΔＥｖ不連続性を調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＧａＡｓ／ＧａＡｓＮヘテロ接合のバンド図（伝導体および価電子帯）である
。
【図２】 ＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓＮヘテロ接合のバンド図である。
【図３】 ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＮヘテロ接合のバンド図である。
【図４】 ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＮヘテロ接合のバンド図である。
【図５】 ＧａＩｎＰがＨＢＴのエミッタを構成し、ＧａＩｎＡｓＮがそのベースを構成
する構成における、ＧａＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＮヘテロ接合のバンド図である。
【図６】 ＧａＩｎＡｓＮベースにおいていかに窒素含有量が変化するかを示す。
【図７】 図６において説明したヘテロ接合に対応するバンド図を示す。
【図８】 化合物ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、およびＩｎＡｓ、ならびに三元合金ＧａＳｂＡｓ
およびＧａＩｎＡｓの伝導帯および価電子帯の位置を示す。
【図９】 ＧａＡｓ／ＧａＳｂＡｓＮヘテロ接合のバンド図である。
【図１０】 ＧａＩｎＰ／ＧａＳｂｓＮヘテロ接合のバンド図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 29/812

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 広い禁制帯を有する物質および狭い禁制帯を有する物質を有
    するＩＩＩ−Ｖ族半導体物質を備えたヘテロ接合トランジスタにおいて： 前記狭い禁制帯を有する物質は、そのＩＩＩ族元素の１つとしてガリウムを、
    Ｖ族元素としてヒ素および窒素の双方を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物であり、前記窒
    素の含有量は約５％未満であり； 前記狭い禁制帯の物質は少なくとも１つの第４のＩＩＩまたはＶ族元素を有し
    ； この第４の元素を追加することによって、前記へテロ接合の前記禁制帯の幅、
    伝導帯の不連続性ΔＥｃ、および価電子帯の不連続性ΔＥｖを調整することが可
    能となることを特徴とするヘテロ接合トランジスタ。
  2. 【請求項２】 前記トランジスタはＨＥＭＴタイプの電界効果トランジスタ
    であることを特徴とする、請求項１のトランジスタ。
  3. 【請求項３】 前記第４の元素はインジウムであり、約１０％以下の量だけ
    ガリウムを置換して、約０．８ｅＶの禁制帯、約５００ｍｅＶの伝導帯の不連続
    性、および約１００ｍｅＶの伝導帯の不連続性を与えるようになっていることを
    特徴とする、請求項２のトランジスタ。
  4. 【請求項４】 前記広い禁制帯の物質は、約２５％のモル分率のアルミニウ
    ムを有するＡｌＧａＡｓであり、約８００ｍｅＶのΔＥｃ不連続性および約３０
    ０ｍｅＶのΔＥｖ不連続性を得るようになっていることを特徴とする、請求項２
    のトランジスタ。
  5. 【請求項５】 前記広い禁制帯の物質は、約５０％のモル分率のインジウム
    を有するＧａＩｎＰであり、約５００ｍｅＶのΔＥｃ不連続性および約５００ｍ
    ｅＶのΔＥｖ不連続性を得るようになっていることを特徴とする、請求項２のト
    ランジスタ。
  6. 【請求項６】 前記第４の元素は約４０％のモル分率のインジウムであり、
    これによってＧａＡｓ基板に対して著しく不整合な格子を有する狭い禁制帯の物
    質を得るようになっており、この狭い禁制帯の物質は前記ＧａＡｓ基板上に転位
    なくエピタキシャル成長させ、前記広い禁制帯の物質は約４０％のインジウムを
    有するＡｌＩｎＡｓであり、約１ｅＶに達するΔＥｃ不連続性を得るようになっ
    ていることを特徴とする、請求項２のトランジスタ。
  7. 【請求項７】 前記トランジスタはスードモルフィックＨＥＭＴタイプの電
    界効果トランジスタであり、前記狭い禁制帯の物質ＧａＩｎＡｓＮは、その格子
    パラメータが前記ＧａＡｓ基板のものよりも大きく、そのために弾性応力のかか
    った状態にあるようなインジウムおよび窒素の含有量を有し、前記広い禁制帯の
    物質はＡｌＧａＡｓであり、約９００ｍｅＶのΔＥｃおよびΔＥｖ不連続性を得
    るようになっていることを特徴とする、請求項６のトランジスタ。
  8. 【請求項８】 前記トランジスタはヘテロ接合バイポーラ・トランジスタで
    あり、前記狭い禁制帯の物質は前記トランジスタのベースを形成し、前記広い禁
    制帯の物質は前記トランジスタのエミッタを形成することを特徴とする、請求項
    １のトランジスタ。
  9. 【請求項９】 前記第４の実施形態はインジウムであり、約１０％以下の量
    でガリウムを置換して、約０．８ｅＶないし１ｅＶの禁制帯を得るようになって
    おり、前記広い禁制帯の物質は約５０％のインジウム含有量を有するＧａＩｎＰ
    であり、約４５０ｍｅＶのΔＥｖ不連続性を得るようになっていることを特徴と
    する、請求項８のトランジスタ。
  10. 【請求項１０】 前記トランジスタの前記ベースを形成する前記物質は、徐
    々に変化する窒素含有量を有し、前記窒素含有量は、前記エミッタとベースのヘ
    テロ接合界面においてゼロであり、前記ベースに向かうにつれて増大することを
    特徴とする、請求項９のトランジスタ。
  11. 【請求項１１】 前記トランジスタの前記ベースを形成する前記物質は、段
    階的に増大する窒素含有量を有し、前記窒素含有量は、前記エミッタとベースの
    界面においてゼロであることを特徴とする、請求項９のトランジスタ。
  12. 【請求項１２】 前記第４の実施形態はアンチモンであり、約１０％以下の
    量だけ前記ヒ素を置換し、約０．８ｅＶないし１ｅＶの禁制帯を与えるようにな
    っていることを特徴とする、請求項８のトランジスタ。
  13. 【請求項１３】 前記広い禁制帯の物質はＧａＡｓであり、約５０ｍｅＶの
    ΔＥｃ不連続性および約４００ｍｅＶのΔＥｖ不連続性を得るようになっている
    ことを特徴とする、請求項１２のトランジスタ。
  14. 【請求項１４】 前記広い禁制帯の物質は約５０％のインジウム含有量を有
    するＧａＩｎＰであり、約１００ｍｅＶのΔＥｃ不連続性および約８００ｍｅＶ
    のΔＥｖ不連続性を有するようになっていることを特徴とする、請求項１２のト
    ランジスタ。
  15. 【請求項１５】 前記狭い禁制帯の物質は五元化合物ＧａＩｎＳｂＡｓＮで
    あることを特徴とする、請求項８のトランジスタ。
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