JP2004521485A - 格子整合されたベース層を有するバイポーラトランジスタ - Google Patents

Abstract

高濃度の炭素ドーパントを有し、ガリウム、インジウム、砒素および窒素からなる半導体材料が開示される。前記材料は、インジウムおよび窒素の濃度を制御することにより、ガリウム砒素に格子整合させることができるため、ガリウム砒素ベースのヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース層の形成に有効である。開示された半導体材料は、高濃度の炭素ドーパントが得られることから、低いシート抵抗を有する。
【選択図】図１

Description

【関連出願】
【０００１】
本出願は、2000年11月27日に出願された米国仮出願第60/253,159号の利益を主張するものであり、前記出願の全文は本明細書の一部をなすものとしてここに引用する。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）およびヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）集積回路（ＩＣ）は、さまざまな用途、特に携帯電話機、マイクロ波計測器、および光ファイバー通信システムの高速（＞10Gbit/s）回路用のパワーアンプにとって、重要な技術に発展してきている。低電圧動作、高周波数性能、高い電力付加効率および低コスト生産を伴うデバイスを必要とすることが、将来的に予測される。ＢＪＴまたはＨＢＴのターンオン電圧は、ある一定のコレクタ電流密度（Ｊ_ｃ）を得るのに必要なベース−エミッタ間電圧（Ｖ_ｂｅ）として定義される。ターンオン電圧は、供給電圧がバッテリー技術および他の構成要素の電力必要量によって制約される低電力用途のデバイスの有用性を制限する可能性がある。
【０００３】
エミッタ、ベースおよびコレクタが１つの半導体材料から製造されるＢＪＴと異なり、ＨＢＴは、ベースが製造される半導体材料に比べてエミッタ半導体材料が広いバンドギャップを有する２つの異なる半導体材料から製造される。これは、ベースからエミッタへのキャリアの注入を妨げる内部バリアがあるために、結果として、ＢＪＴよりもベースからコレクタへのキャリアの注入効率が良くなる。より小さいバンドギャップを有するベースを選択すると、ベースからコレクタへのキャリア注入効率の向上によって、所定のベース−エミッタ間電圧でのコレクタ電流密度が増加するために、ターンオン電圧が低下する。
【０００４】
ただし、ＨＢＴは、ヘテロ接合での半導体材料のバンド列における階段状の不連続性を有することが、ＨＢＴのエミッタ−ベース界面での伝導帯スパイク（conduction band spike）を生じるという欠点を持つ可能性がある。この伝導帯スパイクの作用により、ベースからコレクタへの電子の移動を阻止する。したがって、電子がベース中に長く留まり、その結果再結合レベルが増加し、コレクタ電流利得が減少する。上述のように、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのターンオン電圧は、ある一定のコレクタ電流密度を得るのに必要なベース−エミッタ間電圧として定義されるため、コレクタ電流利得の減少は、ＨＢＴのターンオン電圧を実質的に上昇させる。したがって、ＨＢＴの半導体材料の製造において、ターンオン電圧を低くするための改良がさらに必要となり、そのために、低電圧作動デバイスを改良する必要がある。
【発明の開示】
【０００５】
本発明は、ｎ型にドープされたコレクタと、前記コレクタ上に形成され、かつインジウムおよび窒素を含むＩＩＩ−Ｖ族材料からなるベースと、前記ベース上に形成されたｎ型にドープされたエミッタとを有するＨＢＴを提供する。ベース層のＩＩＩ−Ｖ族材料は、約１．５×１０^１９ｃｍ^−３〜約７．０×１０^１９ｃｍ^−３の炭素ドーパント濃度を有する。好ましい実施形態では、ベース層は、ガリウム元素、インジウム元素、砒素元素および窒素元素を含む。前記材料中での窒素の存在および本発明の材料の高いドーパント濃度は、バンドギャップおよび材料のシート抵抗（Ｒ_ｓｂ）を低減させ、その結果、ターンオン電圧を低下させる。本発明のＨＢＴは、従来技術のＧａＡｓベースのＨＢＴに比べて低いターンオン電圧を有する。
【０００６】
好ましい実施形態では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物材料系は、化学式Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙで表わすことができる。少量の窒素が前記材料中に含有されると、Ｇａ_{１− ｘ}Ｉｎ_ｘＡｓのエネルギーギャプが大幅に低下することが知られている。さらに、窒素は、インジウムとは反対方向に格子定数を押すので、前記材料に窒素に対して適切な比率のインジウムを添加することにより、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙ合金を、ＧａＡｓに格子整合するように成長させることができる。このようにして、増加したバンドギャップを発生させる過度の歪みおよび材料の不整合な転位は取り除くことができる。このようにして、インジウムの窒素に対する比率を選択して、歪みを低減または取り除く。本発明の好ましい実施形態では、ＨＢＴのＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙのベース層において、ｘ＝３ｙである。
【０００７】
一実施形態では、トランジスタは、エミッタおよびコレクタが製造される半導体材料とは異なる半導体材料からなるベースを有するダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＤＨＢＴ）である。ＤＨＢＴの好ましい実施形態では、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙのベース層は、化学式Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙによって表すことができ、コレクタはＧａＡｓであり、エミッタはＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰまたはＡｌＧａＡｓから選択される。
【０００８】
本発明の別の好ましい実施形態は、伝導帯スパイクの高さが、ベース層のエネルギーギャップ（Ｅ_ｇｂ）の低下と共に低下するＨＢＴまたはＤＨＢＴに関する。伝導帯スパイクは、ベース／エミッタヘテロ接合またはベース／コレクタヘテロ接合での伝導帯の不連続性によって発生する。ベース層をエミッタおよび／またはコレクタ層に格子整合させて格子歪を減少させると、伝導帯スパイクは低減する。これは一般に、ベース層内の窒素およびインジウム濃度を制御することによりなされる。好ましくは、前記ベース層は、式Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙ（ｘは３ｙにほぼ等しい）を有する。
【０００９】
一実施形態では、ベースの構造に傾斜を設けて、コレクタ側では狭いバンドギャップを有し、エミッタ側では広いバンドギャップを有する傾斜したバンドギャップ層を製造することができる。例えば、ＤＨＢＴのＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙのベース層を傾斜させて、コレクタ側ではｘおよび３ｙが０．０１にほぼ等しく、エミッタ側ではほぼ０の傾斜にすることができる。またベース層のドーパント濃度を傾斜させて、ドーパント濃度をコレクタ付近では高くし、ベースエミッタヘテロ接合に向かってベースの厚み方向に徐々に減少するようにできる。傾斜ベース層を形成する方法は当業者には公知であり、非特許文献１に見ることができ、前記文献１の全文は、本明細書の一部をなすものとしてここに引用する。
【非特許文献１】Ferry等の、Gallium Arsenide technology（1985）のページ303-328（Howard W.Sams＆Co.,Inc.Indianapolis,Indiana）
【００１０】
伝導帯スパイクを最小にする別の方法は、ヘテロ接合間に１つまたは複数の遷移層を含むことである。遷移層は、低いバンドギャップのセットバック（set back）層、傾斜バンドギャップ層、ドーピングスパイクまたはそれらの組み合わせを有しており、この遷移層を利用して伝導帯スパイクを最小にすることができる。さらに、１つまたは複数の格子整合された層をベースとエミッタとの間またはベースとコレクタとの間に設けて、ヘテロ接合での材料の格子歪を低減することができる。
【００１１】
本発明はまた、ＨＢＴおよびＤＨＢＴを製造する方法を提供する。この方法は、ガリウム、インジウム、砒素および窒素からなるベース層をｎ型にドープされたＧａＡｓコレクタ上に成長させることを含む。ベース層を内部または外部の炭素源を使用して成長させて、炭素がドープされたベース層を実現する。次いで、ｎ型にドープされたエミッタ層をベース層上で成長させる。ベース層に対して炭素ドーパントを提供する内部または外部の炭素源を使用することにより、従来技術において得られている濃度に比べて高い炭素ドーパント濃度を有する材料が得られる。一般に、約１．５×１０^１９ｃｍ^−３〜約７．０×１０^１９ｃｍ^−３のドーパント濃度が、本発明の方法を利用して得られる。好ましい実施形態では、約３．０×１０^１９ｃｍ^−３〜約７．０×１０^１９ｃｍ^−３のドーパント濃度が、本発明の方法で得られる。材料中のドーパント濃度が高いほど、材料のシート抵抗およびバンドギャップは低減する。したがって、ＨＢＴおよびＤＨＢＴのベース層中のドーパント濃度が高くなれば、デバイスのターンオン電圧は低くなる。
【００１２】
本発明はまた、化学式Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙ（ｘおよびｙは、それぞれ独立に、約１．０×１０^−４〜約２．０×１０^−１である。）によって表される材料を提供する。好ましくは、ｘは３ｙにほぼ等しい。より好ましくは、ｘおよび３ｙは０．０１にほぼ等しい。前記材料は、約１．５×１０^１９ｃｍ^−３〜約７．０×１０^１９ｃｍ^−３の濃度で炭素がドープされている。好ましくは、前記炭素ドーパント濃度は、約３．０×１０^１９ｃｍ^−３〜約７．０×１０^１９ｃｍ^−３である。
【００１３】
ターンオン電圧の減少は、有線および無線ＧａＡｓベースのＲＦ回路の両方において、標準固定電圧源またはバッテリー出力によって制限される電圧値の管理を容易にする。ターンオン電圧の低下はまた、ＧａＡｓベースのＨＢＴにおけるさまざまなベース電流構成要素の相対的な大きさを変化させる。ベース電流構成要素の相対的な大きさに大きく依存するために、接合温度と加える応力の両方の関数としてのＤＣ電流利得の安定性が予め示されている。低いターンオン電圧によって可能となる逆ホール注入の減少は、デバイスの温度安定性と長期間信頼性の両方に有利である。このように、高いドーパント濃度を有し、歪みのないＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙベース材料は、ＧａＡｓベースのＨＢＴおよびＤＨＢＴにおけるＲＦ性能を向上させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の前述およびその他の目的、特徴、および利点は、添付図面に示す本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明で明らかになるであろう。図面では、同一参照符号は異なる図面においても同一部品を指す。図面は必ずしも縮尺通りではなく、本発明の原理を示すことに重点が置かれている。
【００１５】
ＩＩＩ−Ｖ族材料は、周期表のＩＩＩ（Ａ）列の少なくとも１つの元素および周期表のＶ（Ａ）列の少なくとも１つの元素を含む格子を有する半導体である。一実施形態では、前記ＩＩＩ−Ｖ族材料は、ガリウム、インジウム、砒素および窒素から構成される格子である。好ましくは、前記ＩＩＩ−Ｖ族材料は、化学式Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙで表すことができ、ｘおよびｙは、それぞれ独立で、約１．０×１０^−４から約２．０×１０^−１である。より好ましくは、ｘは３ｙにほぼ等しい。最も好ましい実施形態では、ｘおよび３ｙは約０．０１である。
【００１６】
本明細書で使用される「遷移層」の用語は、ベース／エミッタのヘテロ接合間またはベース／コレクタのヘテロ接合間にある層を指し、ヘテロ接合の伝導帯スパイクを最小にする機能を有する。伝導帯スパイクを最小にする１つの方法は、ベース／コレクタヘテロ接合において、遷移層のバンドギャップがコレクタに最も近接する遷移層からベースに最も近接する遷移層に徐々に減少する、連続の遷移層を利用することである。同様に、エミッタ／コレクタヘテロ接合において、遷移層のバンドギャップは、前記エミッタに最も近接する前記遷移層から前記ベースに最も近接する前記遷移層に徐々に減少する。伝導帯スパイクを最小にする別の方法は、傾斜したバンドギャップを有する遷移層を利用することである。遷移層のバンドギャップは、その遷移層のドーパント濃度を傾斜させることによって傾斜させることができる。例えば、遷移層のドーパント濃度は、ベースの近くでより高くすることができ、コレクタまたはエミッタの近くで徐々に低下させることができる。代わりに、格子歪を利用して、傾斜したバンドギャップを有する遷移層を実現できる。例えば、遷移層を構造的に傾斜させ、ベースと接触する層の表面での格子歪を最小にし、かつコレクタまたはエミッタと接触する表面での格子歪を増加させることができる。伝導帯スパイクを最小にする別の方法は、ドーパント濃度にスパイクを有する遷移層を使用することである。伝導帯スパイクを最小にするための前述の方法を、本発明のＨＢＴにおいて使用することができる。本発明のＨＢＴの適切な遷移層は、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮを含む。
【００１７】
格子整合される層は、別の格子定数を有する材料上で成長する層である。格子整合された層は、一般に、約５００Å以下の厚みを有し、その下にある層の格子定数に一致する。これにより、バンドギャップ変形を引き起こす格子歪を発生し、歪みが無い場合は、下にある層のバンドギャップと格子整合された材料のバンドギャップとの間にバンドギャップ中間体を生成する。格子整合される層を形成する方法は、当業者には公知であり、Ferry等の、Gallium Arsenide technology（1985）のページ303-328（Howard W.Sams&Co.,Inc.Indianapolis,Indiana）に見ることができる。この発明のＨＢＴの格子整合される層の好ましい材料は、ＩｎＧａＰである。
【００１８】
本発明のＨＢＴおよびＤＨＢＴは、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）エピタキシャル成長法を使用することにより、製造できる。好ましいＭＯＣＶＤのエピタキシャル成長装置は、Aixtron 2400プラットフォームおよびAixtron 2600プラットフォームである。本発明の方法により製造されたＨＢＴおよびＤＨＢＴでは一般に、ドープされないＧａＡｓバッファ層を、表面の酸化物除去後に成長させた。ｎ型ドーパントの高濃度（例えば、ドーパント濃度約１×１０^１８ｃｍ^−３〜約９×１０^１８ｃｍ^−３）を含むサブコレクタ層は、約７００℃の温度で成長させた。ｎ型ドーパントの低濃度（例えば、ドーパント濃度約５×１０^１５ｃｍ^−３〜約５×１０^１６ｃｍ^−３）を有するコレクタ層は、約７００℃の温度で、サブコレクタ上で成長させた。サブコレクタおよびコレクタは、ＧａＡｓであるのが好ましい。サブコレクタ層は一般に、約４０００Å〜約６０００Åの厚みを有し、コレクタ層は一般に、約３０００Å〜約５０００Åの厚みを有する。一実施形態では、サブコレクタおよび／またはコレクタ中のドーパントはシリコンである。
【００１９】
選択的に、格子整合されたＩｎＧａＰトンネル層を、一般的な成長条件下でコレクタ上に成長させることができる。一般的に、格子整合された層は、約５００Å以下の厚み、好ましくは約２００Å以下の厚みを有し、約１×１０^１６ｃｍ^−３〜約１×１０^１８ｃｍ^−３のドーパント濃度を有する。格子整合された層を使用しない場合は、１つまたは複数の遷移層を、任意に、格子整合された層上またはコレクタ上に一般的な成長条件下で成長させることができる。遷移層は、ｎ型にドープされたＧａＡｓ、ｎ型にドープされたＩｎＧａＡｓまたはｎ型にドープされたＩｎＧａＡｓＮから製造することができる。遷移層は任意に、構造的なものもしくはドーパントを傾斜させることができるか、またはドーパントスパイクを含むことができる。遷移層は一般に、約７５Å〜約２５Åの厚みを有する。格子整合される層も遷移層も使用しなかった場合は、炭素をドープされたＧａＩｎＡｓＮベース層は、コレクタ上で成長させた。遷移層を使用しなかった場合、選択的に、前記炭素がドープされたＧａＩｎＡｓＮベース層は、前記遷移層上または前記格子整合層上に成長させることができる。
【００２０】
ベース層は、約７５０℃よりも低い温度で成長させ、典型的には、約４００Å〜約１５００Åの厚みであった。好ましい実施形態では、ベース層は、約５００℃〜約６００℃の温度で成長させた。ベース層は、トリメチルガリウムまたはトリエチルガリウムなどのガリウムソース、アルシン、トリブチルアルシンまたはトリメチルアルシンなどの砒素ソース、トリメチルインジウムのようなインジウムソース、およびアンモニアまたはジメチルヒドラジンなどの窒素ソースを使用することにより成長させた。ガリウムソースに対する砒素ソースのモル比は小さいのが好ましい。一般的に、ガリウムソースに対する砒素ソースのモル比は、約３．５未満であった。さらに好ましくは、モル比は約２．０〜約３．０である。窒素およびインジウムソースの濃度を調整して、約０．０１％〜約２０％のインジウムおよび０．０１％〜２０％の窒素から構成される材料を得た。好ましい実施形態では、ベース層のインジウム含有量は、窒素含有量の約３倍であった。より好ましい実施形態では、インジウム含有量は約１％であり、窒素含有量は約０．３％であった。炭素ドーパント濃度が低い（例えば、約１×１０^１９ｃｍ^−３以下の）ＧａＩｎＡｓＮ層は外部炭素ソースを使用せずに得られたが、その理由は、炭素がガリウムソースから内部的に得られると推定できるためである。
【００２１】
本発明では、約１．５×１０^１９ｃｍ^−３〜約７．０×１０^１９ｃｍ^−３の高い炭素ドーパント濃度を有するＧａＩｎＡｓＮ層が、ガリウムソースに加えて外部炭素ソースを使用することにより得られた。使用した外部炭素ソースは四臭化炭素であった。四塩化炭素もまた、有効な外部炭素ソースである。ｎ型にドープされたＧａＡｓ、ｎ型にドープされたＩｎＧａＡｓまたはｎ型にドープされたＩｎＧａＡｓＮから構成される１つまたは複数の遷移層を、選択的に、ベースと前エミッタとの間で成長させることができた。ベースとエミッタの間の遷移層は、少量でドープされており（例えば、約５．０×１０^１５ｃｍ^−３〜約５．０×１０^１６ｃｍ^−３）、選択的に、ドーパントスパイクを含む。好ましくは、遷移層は、約２５Å〜約７５Åの厚みである。エミッタ層は、約７００℃の温度で、ベース上にまたは任意に遷移層上に成長され、典型的には、約４００Å〜約１５００Åの厚みである。エミッタ層は、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰまたはＡｌＧａＡｓであった。好ましい実施形態では、エミッタ層は、ＩｎＧａＰであった。エミッタ層は、約１．０×１０^１７ｃｍ^−３〜約９．０×１０^１７ｃｍ^−３の濃度でｎ型にドープされた。高濃度のｎ型ドーパント（例えば、約１．０×１０^１８ｃｍ^−３〜約９×１０^１８ｃｍ^−３）を含むエミッタコンタクト層ＧａＡｓは、約７００℃の温度でエミッタ上に成長させた。一般に、エミッタコンタクト層は、約１０００Å〜約２０００Åの厚みである。傾斜したインジウム成分および高濃度のｎ型ドーパント（例えば、約５×１０^１８ｃｍ^−３〜約５×１０^１９ｃｍ^−３）を有するＩｎＧａＡｓ層は、エミッタコンタクト層上に成長させた。この層は、約４００Å〜約１０００Åの厚みであった。
【００２２】
ベース層のバンドギャップを低減および／またはエミッタ／ベースヘテロ接合での伝導帯スパイクを最小化する効果を明らかにするために、３つの異なるタイプのＧａＡｓベースのバイポーラトランジスタ構造が比較された。それら３タイプは、ＧａＡｓエミッタ／ＧａＡｓベースのＢＪＴ、従来技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴ、本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴであった。以下の実験で用いられたＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ構造は、図１に示されている。従来技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴは、インジウムまたは窒素がベースに添加されていない（ｘ＝ｙ＝０）こと以外は、図１のＤＨＢＴと同様である。これより、ＨＢＴは、ベースとコレクタとの両方はＧａＡｓから形成されているので、エミッタ／ベース界面に１つだけヘテロ接合がある。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴのＧａＡｓベース層は、ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴのベースよりも広いバンドギャップを有している。ＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴは、エミッタ、コレクタおよびベースのすべてがＧａＡｓから形成されているため、ヘテロ接合を有していない。したがって、ＧａＡｓのＢＪＴ構造は、ベース−エミッタ界面での伝導帯スパイク（存在する場合は）がＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴのコレクタ電流特性に与える影響を決定する基準として使用される。ＩｎＧａＰは広いバンドギャップを有し、その伝導帯がＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙベースの伝導帯と並ぶことから、図１のＤＨＢＴでは、ＩｎＧａＰがＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙベースのエミッタ材料として選択される。図１のＤＨＢＴと従来技術のＨＢＴとの比較を使用して、狭いバンドギャップのベース層を有するコレクタ電流密度への影響を決定することができる。
【００２３】
以下の説明で使用する全てのＧａＡｓデバイスは、ＭＯＣＶＤで成長させた炭素がドープされたベース層を有しており、そのドーパント濃度は、約１．５×１０^１９ｃｍ^−３〜約６．５×１０^１９ｃｍ^−３に変化し、厚みは約５００Å〜約１５００Åに変化しており、その結果、１００Ω／□〜４００Ω／□のベースシート抵抗（Ｒ_ｓｂ）となる。大きい面積のデバイス（Ｌ＝７５μｍ×７５μｍ）は簡単なウエットエッチングプロセスを用いて製造され、共通の基本設定でテストされた。相対的に少量のインジウム（ｘ〜１％）および窒素（ｙ〜０．３％）を徐々に加えて、ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴの２つの別個のセットを形成した。各セットに対し、成長を最適化して、高くて均一なドーパント濃度（＞２．５×１０^１９ｃｍ^−３）、良好な移動度（〜８５ｃｍ^２／Ｖ−ｓ）および高いｄｃ電流利得（Ｒ_ｓｂの〜３００Ω／□で、＞６０）を維持した。
【００２４】
図２には、同等なベースシート抵抗を有する、一般的なＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴからのガンメルプロットを表示し、重ね合わせたものを示す。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴのコレクタ電流は、効果的な直列抵抗が電流電圧特性に影響を与えるまで、５デケード(decade)にわたり、区別できなかった。他方、ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴのコレクタ電流は、広いバイアス範囲（１．７８Ａ／ｃｍ^２のコレクタ電流密度（Ｊ_ｃ）でのターンオン電圧の２５．０ｍＶの減少に相当する）に渡って、ＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴおよびＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴのコレクタ電流の２倍以上の値であった。ＢＪＴでの観察された小さいバイアスベース電流（ｎ＝２成分）の増加は、空間電荷再結合におけるエネルギーギャップ駆動の増加と一致する。少数のキャリアの生存時間の減少またはキャリア速度の増加（Ｉ_ｎｂｒ＝Ｉ_ｃＷ_ｂ／ｖｒ）に加えて、コレクタ電流の増加のために、ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴにおけるベース電流の中性ベース再結合成分は、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴに比べて大きい値に駆動される。
【００２５】
これまでに製造されたＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴデバイスは、２３４Ω／□のベースシート抵抗（１１．５ｍＶのターンオン電圧の減少に対応する）を有するデバイスに対してピークｄｃ電流利得６８を達成し、３０３Ω／□のベースシート抵抗（２５．０ｍＶのターンオン電圧の減少に対応する）を有するデバイスに対してピークｄｃ電流利得６６を達成した。これは、これらのタイプの構造に対する、公知の最高の利得対ベースシート抵抗比（β／Ｒ_ｓｂ〜０．２−０．３）を表している。Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙベースにおけるエネルギーギャップの減少は、低温（７７°Ｋ）光ルミネセンスによって示されるように、観察されたターンオン電圧の減少に起因している。ＤＣＸＲＤ（複結晶Ｘ線回折）測定値は、ベース層の格子不整合が最小であることを示す（＜２５０ arcsec）。
【００２６】
拡散限界内において、ベース−エミッタ間電圧（Ｖ_ｂｅ）の関数としてのバイポーラトランジスタの理論的なコレクタ電流密度は以下の式で近似できる。
Ｊ_ｃ＝（ｑＤ_ｎｎ^２ _ｉｂ／ｐ_ｂｗ_ｂ）ｅｘｐ（ｑＶ_ｂｅ／ｋＴ） （１）
ここで、
ｐ_ｂおよびｗ_ｂ ベースドーピングおよびベース幅
Ｄ_ｎ 拡散係数
ｎ_ｉｂ ベース中の真性キャリア濃度
ｎ_ｉｂをベース層エネルギーギャップ（Ｅ_ｇｂ）の関数として表し、ベースドーピングの生成物および厚さをベースシート抵抗（Ｒ_ｓｂ）に関して書き換えることにより、ターンオン電圧は、ベースシート抵抗の対数関数で表すことができる。
Ｖ_ｂｅ＝−Ａ Ｉｎ［Ｒ_ｓｂ］＋Ｖ_０ （２）
ここで、Ａ＝（ｋＴ／ｑ） （３）
Ｖ_０＝Ｅ_ｇｂ／ｑ−（ｋＴ／ｑ）Ｉｎ［ｑ^２μＮ_ｃＮ_ｖＤ_ｎ／Ｊ_ｃ］ （４）
ただし、Ｎ_ｃおよびＮ_ｖは、伝導状態および価電子帯の実効密度であり、μは、ベース層中の多数キャリアの移動度である。
【００２７】
図３は、複数のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴおよびＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴのベースシート抵抗の関数として、Ｊ_ｃ＝１．７８Ａ／ｃｍ^２におけるターンオン電圧をプロットしている。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴとＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴの両方のターンオン電圧は、伝導帯スパイクを有しておらず、式（２）から求められるベースシート抵抗に関して、定性的に同一の対数依存関係を示す。定量的には、ベースシート抵抗に対するベース−エミッタ電圧（Ｖ_ｂｅ）の変化は、式（３）によって表される変化に比べて小さい（０．０２５２ｍＶの代わりにＡ＝０．０１７４ｍＶ）。しかし、Ａで観察される減少は、薄いＧａＡｓバイポーラデバイスを通る準弾道輸送と一致している。
【００２８】
ＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴの特性との比較の結果から、コレクタ電流が理想的（ｎ＝１）な反応を示す状態で、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴの伝導帯スパイクの実効高さがゼロになるという結論が得られる。このように、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴは、伝導帯スパイクを有さないように設計することができる。同様の結果が、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのＨＢＴへの以前の研究によって発見されていた。固定のベースシート抵抗に対するこれらデバイスのターンオン電圧をさらに低減させるには、小さいエネルギーギャップを有するが、伝導帯の連続性を維持する、ベース材料を使用する必要がある。Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙは、伝導帯の連続性を維持する一方で、Ｅ_ｇｂを減少するのに使用できる。図３のように、ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴの２つのセットのターンオン電圧は、伝導帯スパイクがほぼゼロであることを示すベースシート抵抗に関して対数依存関係に従う。さらに、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴの観察結果から、ターンオン電圧は、１つのセットでは１１．５ｍＶ、他のセット（破線）では２５．０ｍＶだけ、下方にシフトされている。
【００２９】
前記実験は、ＧａＡｓベースのＨＢＴのターンオン電圧は、ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ構造を使用することにより、ＧａＡｓのＢＪＴのターンオン電圧よりもさらに低減できることを示している。低いターンオン電圧は、２つの重要なステップを介して達成される。伝導帯がほぼ同一エネルギーレベルであるベースおよびエミッタ半導体材料を選択することにより、ベース−エミッタ界面を最初に最適化して、伝導帯スパイクを抑制する。これは、エミッタ材料としてＩｎＧａＰまたはＡｌＧａＡｓ、およびベースとしてＧａＡｓを用いて連続的になされる。次に、ベース層のバンドギャップを小さくすることにより、ターンオン電圧をさらに低減できた。これは、全体のＨＢＴ構造を通して格子整合を維持する一方で、インジウムおよび窒素の両方をベース層へ添加することにより達成された。適切な成長パラメータを用いて、ベースドーピングまたは少数キャリアの存続期間（Ｒ_ｓｂ＝２３４Ω／□でβ＝６８）を犠牲にすることなく、コレクタ電流密度の２倍の増加が達成された。これらの結果は、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙ材料を使用することにより、ＧａＡｓベースのＨＢＴおよびＤＨＢＴにおけるターンオン電圧を低下する方法を提供できることを示す。ＧａＡｓへのインジウムおよび窒素の混合が材料のバンドギャップを低減するため、高いｐ型ドーピング濃度が維持される場合には、インジウムおよび窒素の大きい含有比率がベースに混合されるときは、ＧａＡｓベースのＨＢＴおよびＤＨＢＴでのターンオン電圧の大幅な低下が期待される。
【００３０】
ターンオン電圧の観察される減少の原因であると仮定される、ＧａＩｎＡｓＮベースにおけるエネルギーギャップの低減は、低温（７７°Ｋ）光ルミネセンスによって確認された。図４は、ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴおよび従来のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴからの光ルミネセンス・スペクトルを比較している。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴからのベース層の信号は、高いドーピング濃度に関連するバンドギャップが狭くなっている影響の理由から、コレクタよりも低いエネルギーである（１．４５５ｅＶに対して１．５０７ｅＶ）。１．４０８ｅＶで現れるＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴからのベース層の信号は、バンドギャップが狭くなっている影響と、ベース層へのインジウムおよび窒素の混合により引き起こされるベース層のエネルギーギャップの減少とのために減少する。この比較では、ドーピング濃度は、ＧａＡｓベースのエネルギーギャップと比較して、ベース層信号の位置の４７ｍｅＶの減少がＧａＩｎＡｓＮベースのベース層エネルギーギャップの減少と同一と考えることと同等である。光ルミネセンス信号におけるこの変化は、ターンオン電圧における測定された４５ｍＶの減少と相互に密接に関連している。伝導帯スパイクの無い場合には、ターンオン電圧の減少は、直接的に、ベース層のエネルギーギャップの減少と関連する。
【００３１】
図５に示されるＤＣＲＸＤスペクトルは、ＧａＡｓ半導体への炭素ドーパントおよびインジウム添加の効果を示す。図５は、同等のベース厚みのＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴと標準ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴとの両方からのＤＣＲＸＤスペクトルを示す。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴでは、ベース層はＧａＡｓ基板のピークの右側にショルダーとして見られ、このショルダーは、４×１０^１９ｃｍ^−３の高炭素ドーパント濃度から発生する引張歪により発生する、＋９０ arcsecの位置にほぼ対応する。インジウムの添加で、ベース層のピークは、この特定のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ構造において、−４２５arcsecである。一般に、ＧａＩｎＡｓＮベースと関連するピークの位置は、インジウム、窒素および炭素濃度の関数である。ＧａＡｓへのインジウムの添加は圧縮歪を増加させ、一方、炭素および窒素は引張歪を補償する。
【００３２】
インジウム（および窒素）を炭素がドープされたＧａＡｓに添加するときに、高いｐ型ドーピング濃度を維持することは、成長の厳密な最適化を必要とする。実際のドーピング濃度の概略推定値は、測定されたベースシート抵抗とベース厚みの値の組み合わせから得ることができる。ベースドーピングは、ベース層の表面を最初に選択的にエッチングし、次いで、ポラロンＣ−Ｖプロファイルを得ることによって確立できる。図６は、ＧａＡｓベース層からのそのようなポラロンＣ−ＶドーピングプロファイルとＧａＩｎＡｓＮベース層を比較している。両方の場合、ドーピング濃度は、３×１０^１９ｃｍ^−３を超える。
【均等物】
【００３３】
本発明を、その好ましい実施形態を参照して詳細に図示して説明してきたが、当業者には、添付のクレームに包含される本発明の範囲を逸脱することなく、形態および細部のさまざまな変更が可能なことは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の好ましい実施形態のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ構造を示しており、ここではｘが３ｙにほぼ等しい。
【図２】ベースおよびコレクタ電流を図的に示すガンメルプロットであり、両方の電流を、本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴと、従来技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴとのターンオン電圧の関数として示している。
【図３】ベースシート抵抗の関数としてのターンオン電圧（Ｊ_ｃ＝１．７８Ａ／ｃｍ^２における）を図的に示しており、本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴと、従来技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴに関して図示している。
【図４】本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴおよび従来技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴの７７°Ｋで測定された光ルミネセンス・スペクトルを示しており、両方は公称ベース厚み１０００Åである。光ルミネセンスの測定は、ＧａＩｎＡｓおよびＧａＡｓキャップ層をエッチングし、ＩｎＧａＰエミッタの上面で選択的に停止した後に行われた。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴの両方のｎ型ＧａＡｓコレクタのバンドギャップは、１．５０７ｅＶであった。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴのｐ型ＧａＡｓベース層のバンドギャプは１．４５５ｅＶであり、ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのｐ型ＧａＩｎＡｓＮベース層のバンドギャップは１．４０８ｅＶであった。
【図５】本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴおよび従来技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴの複結晶Ｘ線回折（ＤＣＸＲＤ）スペクトルを示しており、両方は公称ベース厚み１５００Åである。ベース層ピークの位置がマークされている。
【図６】本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴおよび従来技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴにおけるベース層の厚み方向に渡るキャリア濃度を示すポラロンＣ−Ｖプロファイルである。ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴおよびＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴの両方は、公称ベース厚み１０００Åを有している。両方のポラロンプロファイルは、ベース層の上面まで選択的にエッチングした後に得られる。
【図７】エミッタとベースの間の遷移層と、コレクタとベースの間の遷移層と格子整合された層とを有する、好ましいＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ構造を示す。

Claims (38)

1. ａ）ｎ型にドープされたコレクタと、
   ｂ）前記コレクタ上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族材料を含むベースであって、前記ＩＩＩ−Ｖ族材料はインジムおよび窒素を含み、約１．５×１０^１９ｃｍ^−３〜約７．０×１０^１９ｃｍ^−３の濃度で炭素がドープされたベースと、
   ｃ）前記ベース上に形成され、ｎ型にドープされたエミッタとを備えた、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
2. 請求項１において、前記ベースがガリウム元素、インジウム元素、砒素元素および窒素元素を含む、トランジスタ。
3. 請求項２において、前記コレクタはＧａＡｓであり、前記エミッタはＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰまたはＡｌＧａＡｓであり、ダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタである、トランジスタ。
4. 請求項３において、前記ベース層が化学式Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙの層を備え、ｘおよびｙは、それぞれ独立で、約１．０×１０^−４〜約２．０×１０^−１である、トランジスタ。
5. 請求項４において、ｘが３ｙにほぼ等しい、トランジスタ。
6. 請求項５において、ｘおよび３ｙは、コレクタ側では約０．０１でエミッタ側ではほぼ０に傾斜している、トランジスタ。
7. 請求項５において、前記ベース層は、約４００Å〜約１５００Åの厚みであり、１００Ω／□〜４００Ω／□のシート抵抗を有する、トランジスタ。
8. 請求項７において、前記エミッタ中のｎ型ドーパントは約３．５×１０^１７ｃｍ^−３〜約４．５×１０^１７ｃｍ^−３の濃度で存在し、前記コレクタ中のｎ型ドーパントは、約９×１０^１５ｃｍ^−３〜約２×１０^１６ｃｍ^−３の濃度で存在する、トランジスタ。
9. 請求項８において、前記エミッタおよび前記コレクタはシリコンがドープされている、トランジスタ。
10. 請求項９において、前記エミッタが約５００Å〜約７５０Åの厚みであり、前記コレクタが約３５００Å〜約４５００Åの厚みである、トランジスタ。
11. 請求項１０において、さらに、前記ベースと前記コレクタの間に配置され、前記ベースの第１表面と接触する第１表面を有する第１の遷移層を備え、
    前記第１の遷移層が、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮから選択されたｎ型にドープされた材料からなる、トランジスタ。
12. 請求項１１において、さらに、前記エミッタの第１表面に接触する第１表面と、前記ベースの第２表面に接触する第２表面とを有する第２の遷移層を備え、
    前記第２の遷移層が、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮから選択されたｎ型にドープされた材料からなる、トランジスタ。
13. 請求項１２において、さらに、前記コレクタの第１表面に接触する第１表面と、前記第１の遷移層の第２表面と接触する第２表面とを有する格子整合された層を備え、
    前記格子整合された層が広いバンドキャップ材料である、トランジスタ。
14. 請求項１３において、前記格子整合された層は、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰまたはＡｌＧａＡｓである、トランジスタ。
15. 請求項１２において、前記第１および第２の遷移層が約４０Å〜約６０Åの厚みである、トランジスタ。
16. 請求項１３において、前記第１および第２の遷移層が約４０Å〜約６０Åの厚みであり、前記格子整合された層が約１５０Å〜約２５０Åである、トランジスタ。
17. ｎ型にドープされたＧａＡｓコレクタ上に、ガリウム、インジウム、砒素および窒素ソースから、ガリウム、インジウム、砒素および窒素を含むベース層を成長させる工程であって、前記ベース層は外部炭素ソースからｐ型に炭素がドープされているベース層成長工程と、
    前記ベース層上に、ｎ型にドープされたエミッタ層を成長させるエミッタ層成長工程とを備えた、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
18. 請求項１７において、前記外部炭素ソースが四臭化炭素または四塩化炭素である、製造方法。
19. 請求項１８において、前記ガリウムソースがトリメチルガリウムおよびトリエチルガリウムから選択される、製造方法。
20. 請求項１９において、前記窒素ソースがアンモニアまたはジメチルヒドラジンである、製造方法。
21. 請求項２０において、前記ガリウムソースに対する前記砒素ソースの比率が約２．０〜約３．５である、製造方法。
22. 請求項２１において、前記ベースを７５０℃未満の温度で成長させる、製造方法。
23. 請求項２２において、前記ベースを約５００℃〜約６００℃の温度で成長させる、製造方法。
24. 請求項２２において、前記ベース層が化学式Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙの層を備え、ｘおよびｙは、それぞれ独立で、約１．０×１０^−４〜約２．０×１０^−１である、製造方法。
25. 請求項２４において、ｘが３ｙにほぼ等しい、製造方法。
26. 請求項２４において、コレクタがＧａＡｓであり、エミッタがＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰまたはＡｌＧａＡｓであり、トランジスタがダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタである、製造方法。
27. 請求項２４において、さらに、前記コレクタ上に、前記ベースと前記コレクタの間に配置される、ｎ型にドープされた第１の遷移層を成長させる工程を備え、
    前記第１の遷移層が、傾斜したバンドギャップまたは前記コレクタのバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有する、製造方法。
28. 請求項２７において、前記第１の遷移層が、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮからなるグループから選択される、製造方法。
29. 請求項２８において、さらに、前記ベース上に第２の遷移層を成長させる工程を備え、
    前記第２の遷移層が、前記ベースの第１表面に接触する第１表面と、前記エミッタの表面に接触する第２表面とを有し、
    前記第２の遷移層が、少なくとも、前記エミッタのドーピング濃度よりも１桁小さいドーピング濃度を有する、製造方法。
30. 請求項２９において、前記第２の遷移層が、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮからなるグループから選択される、製造方法。
31. 請求項３０において、前記第１の遷移層、前記第２の遷移層、または前記第１の遷移層および前記第２の遷移層の両方が、ドーピングスパイクを有する、製造方法。
32. 請求項３０において、さらに、前記コレクタ上に格子整合される層を成長させる工程を備え、
    前記格子整合された層が、前記コレクタの第１表面に接触する第１表面と、前記第１の遷移層の第２表面に接触する第２表面とを有する、製造方法。
33. 請求項３２において、前記格子整合された層がＩｎＧａＰである、製造方法。
34. ガリウム、インジウム、砒素および窒素を含む材料であって、
    約１．５×１０^１９ｃｍ^−３〜約７．０×１０^１９ｃｍ^−３の濃度で炭素がドープされている、材料。
35. 請求項３４において、前記材料の組成は化学式Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＡｓ_１−ｙＮ_ｙで表され、ｘおよびｙは、それぞれ独立で、約１．０×１０^−４〜約２．０×１０^−１である、材料。
36. 請求項３５において、ｘが３ｙにほぼ等しい、材料。
37. 請求項３６において、ｘおよび３ｙが約０．０１である、材料。
38. 請求項３７において、前記炭素濃度が少なくとも約３．０×１０^１９ｃｍ^−３である、材料。

Images