JP2004521492A - リン化インジウムヘテロ接合バイポーラトランジスタの調製方法 - Google Patents
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Abstract
ベース層のバンドギャップがコレクタ／ベース接合よりもエミッタ／ベース接合で大きくなるように設計するように組成的に傾斜されたInGaAsのベース層（40）を有するInPヘテロ接合バイポーラトランジスタ。この傾斜バンドギャップは、DC電流利得およびデバイスの速度を増加し得る。比較的高濃度の炭素ドーパントを有するベース層（40）を備えるInPヘテロ接合バイポーラトランジスタを調製する有機金属化学気相成長法。この高い炭素ドーパント濃度は、デバイスのベースシート抵抗率およびターンオン電圧を低下させる。
Description
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
本願は、米国仮出願番号60/260,236号（2001年１月８日出願、その全体が参考として本明細書中に援用される）の利益を主張する。
【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、種々の適用に対して、特にワイヤレス受話器、マイクロ波器具、および光ファイバー通信システム用高速（＞10Ｇビット／秒）回路のための電力増幅回路として重要な技術に進展している。将来的に必要なものは、より低電圧運転、より高周波能力、より高電力付加効率およびより低コスト生産を有するデバイスを必要とすることと予想される。
【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作製されるBJTとは異なり、HBTは、２つまたは３つの異なる半導体材料から作製される。ここで、エミッタ半導体材料は、ベースが作製される半導体材料より幅の広いバンドギャップを有する。これにより、BJTよりもベースからコレクタへのキャリアの優れた注入効率を生じる。なぜならば、ベース後部からエミッタへのキャリア注入を妨げるビルトインバリアがあるからである。より小さなバンドギャップを有するベースを選択することは、ターン−オン電圧を減少する。なぜならば、ベースからコレクタへのキャリアの注入効率における増加が、コレクタ電流密度を所定のベース−エミッタ電圧で増加するからである。しかし、デバイスの速度をさらに増加するために、および所定のベース−エミッタ電圧でコレクタ電流密度をさらに増加するために、ベースを横切るコレクタへのキャリアの走行時間を最小にすることが所望される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
InP系ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）は、40Gbps光ファイバー利用（lightwave）回路およびワイヤレス応用のために開発されている。GaAs系HBTと比較して、InP/InGaAs HBTは、運転の低いターン−オン電圧および高周波を有する。InP製品における優勢な成長技術は、分子線エピタキシャル成長（MBE）（InGaAsベースにドープするベリリウムまたは炭素のいずれかを典型的に使用する）である。炭素ドープInP/InGaAs HBTは、ベリリウムと比較して改善された信頼性を示す。なぜならば、炭素がInGaAs中で有意に低い拡散速度を有するからである。しかし、MBEはマルチウエハ（multiwafer）成長技術でないので、ウエハの大規模製造には実用的ではない。有機金属化学気相成長法（MOCVD）は、マルチウエハ成長に使用することができ、従って、HBTの大規模製造により適切である。しかし、MOCVDを用いて作製されたHBTのベース層における炭素ドープレベルは、比較的低いものであった。従って、ベース層において比較的高い炭素ドーパントレベルを有するInP系HBTを調製するより経済的な方法が、InP系HBTを信頼性があり、コスト効果的な商業用回路にするために必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、MOCVDエピタキシャル成長システムを使用して作製されたガリウム、インジウム、およびヒ素からなる炭素ドープベース層を有するHBT、ならびにHBTを作製する方法を提供する。この方法は、式InxGa1-xAs（式中、ｘは１未満である）で表される炭素ドープベース層を成長させる工程を含む。好ましい態様において、ｘは約0.4〜約0.6である。ベース層は、n-ドープコレクタ層の上にガリウム、インジウム、およびヒ素供給源から成長される。好ましくは、コレクタは、InPまたはInx'Ga1-x'As（式中、x'は１未満である）からなる。次いで、n-ドープエミッタ層はベース層の上に成長される。好ましくは、エミッタは、インジウムおよびリン供給源から成長させたInPまたはインジウム、アルミニウムおよびヒ素供給源から成長させたInyAl1-yAs（式中、ｙは１未満である）からなる。
【０００６】
１つの態様において、ベース層は、好ましくは、約1.5×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3の濃度の炭素でドープされる。ベース層が炭素でドープされる場合、炭素は、好ましくは、四臭化炭素または四塩化炭素などの外部炭素供給源の存在下でベース層を成長させることによってベース層に組み込まれる。
【０００７】
別の態様において、ベース層の組成は、ｘの値がエミッタに近いベースの面よりもコレクタに近いベースの面で大きくなるように傾斜される。好ましくは、ｘの値は、ベース層を横切って直線的に傾斜される。
【発明の効果】
【０００８】
MOCVDを利用してInP系HBTを作製する本発明の方法は、InP系HBTを製造する他の方法よりもコスト効果的である。さらに、比較的高い濃度の炭素ドーパントを有するベース層は、本発明の方法において外部炭素供給源を使用して調製され得る。ベース層における高いドーパント濃度が所望される。なぜならば、ベースのベースシート抵抗率（Rsb）を減少し、所定のエミッタ／ベース電圧でベースを横切る電子移動度の増加、およびコレクタ電流利得の増加を生じるからである。従って、MOCVDで成長させた炭素ドープInP/InGaAs HBTの開発は、信頼性のある、コスト効果的様式での商業用回路へのInP HBTの挿入を加速する。
【０００９】
本発明の方法に開示するようなベース層の組成を傾斜することは、ベース層を横切る傾斜バンドギャップを生じる。ここで、このバンドギャップはベース−エミッタ界面でより大きく、ベース−コレクタ界面で徐々により小さくなる。これが、ベースを横切る電子を加速する準電界（quasielectric field）を誘導し、それによりデバイスの速度を改善する。さらに、増加したベースを横切る電子の走行が、ベース中の正孔−電子消滅を減少し、従って電流利得を増加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（発明の詳細な説明）
本発明の前記ならびに他の目的、特性および利点は、添付の図面に例示されるように、以下の本発明の好ましい態様のより詳細な記載から明らかである。
【００１１】
１つの態様において、本発明は、n-ドープコレクタ、コレクタの上に形成され、かつIII〜V材料（ガリウム、インジウムおよびヒ素が上げられる）からなる炭素ドープベース、ならびにベースの上に形成されるn-ドープエミッタを有するHBTである。ベース層のIII〜V材料は、約1.5×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3の炭素ドーパント濃度を有する。
【００１２】
１つの態様において、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へテロ接合バイポーラトランジスタ（DHBT）である。DHBTの好ましい態様において、ベース層はInxGa1-xAs、コレクタはInP、Inx'Ga1-x'As、InyAl1-yAs、InzGatAl1-z-tAsまたはInwGa1-wAsuP1-u、エミッタはInPまたはInyAl1-yAs（式中、ｔ、ｕ、ｗ、ｘ’、ｙ、およびｚはそれぞれ独立して１未満である）から選択される。主題の邪魔をするのを避けるために、InxGa1-xAs、InyAl1-yAs、InzGatAl1-z-tAsまたはInwGa1-wAsuP1-uなどの三成分または四成分化合物は、本明細書において、それぞれInGaAs、InAlAs、InGaAlAsおよびInGaAsPとしていう。
【００１３】
好ましい態様において、ベースは、コレクタで狭い傾斜バンドギャップおよびエミッタでより広いバンドギャップを有するバンドギャップ層を生成するため組成的に傾斜され得る。例えば、DHBTのInxGa1-xAsベース層は、ｘがコレクタで0.55に等しく、エミッタで0.45と等しいように傾斜され得る。ベース層はまた、ドーパント濃度がコレクタ近くで高く、ベースの厚みを横切ってベース／エミッタヘテロ接合に徐々に減少するようにドーパント傾斜され得る。ベース層を横切るドーパントの直線的傾斜は、ベース層が成長する間にドーパント供給源を直線的に減少することにより達成される。傾斜ベース層を形成する方法は、当業者に公知であり、Ferryら、Gallium Arsenide Technology(1985)、Howard W. Sams & Co., Inc. Indianapolis, Indianaの303〜328ページに見出され得る。
【００１４】
本発明はまた、SHBTおよびDHBTを作製する方法を提供する。この方法は、ガリウム、インジウム、およびヒ素からなるベース層をn-ドープInP、InGaAs、InAlAs、InGaAlAsまたはInGaAsPコレクタの上に成長させる工程を含む。ベース層は、内部および外部炭素供給源を使用して成長されて、炭素ドープベース層を提供する。次いで、n-ドープエミッタ層は、ベース層の上に成長される。ベース層へ炭素ドーパントを提供するための内部および外部炭素供給源の使用は、比較的高い炭素ドーパント濃度を有する材料を生じる。先行技術であるMOCVDにより調製される炭素ドープInGaAsベース層を有するHBTは、比較的低い炭素ドーパント濃度を有する。なぜならば、炭素ドーパントはインジウム、ガリウムおよび／またはヒ素供給源の分解（すなわち、内部炭素供給源）に由来するからである。外部炭素供給源を利用する本発明の方法は、約1.5×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3の炭素ドーパント濃度を生じる。好ましい態様において、約2.0×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3のドーパントレベルが本発明の方法により利用される。さらに、成長プロセスへのインサイチュウアニーリング工程の組み込みは、より高度に効果的なベースドープレベルを生じる。材料中のより高いドーパント濃度は、材料のシート低効率およびバンドギャップを減少する。従って、SHBTおよびDHBTのベース層においてドーパント濃度が高ければ高いほど、デバイスのターン−オン電圧が低くなる。
【００１５】
本発明のSHBTおよびDHBTは、MOCVDエピタキシャル成長システムを使用して調製され得る。好ましいMOCVDエピタキシャル成長システムは、Aixtron 2400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調製されるSHBTおよびDHBTにおいて、典型的なアンドープInPバッファ層は、インサイチュウ酸化物脱着後に成長される。高濃度のn-ドーパント（例えば、約1×1018cm-3〜約2×1019cm-3のドーパント濃度）を含むサブコレクタ層は、約700℃の温度にて成長される。低濃度のn-ドーパント（例えば、約5×1015cm-3〜約5×1016cm-3のドーパント濃度）を有するコレクタ層は、約700℃の温度にてサブコレクタの上に成長される。好ましくは、サブコレクタおよびコレクタは、InPである。典型的には、サブコレクタを成長させるために使用されるインジウム供給源は、トリメチルインジウム（TMIn）またはトリエチルインジウム（TEIn）であり、リン供給源は、トリブチルフォスフィン（TBP）である。サブコレクタ層は、典型的に、約4000Å〜約6000Åの厚みを有し、コレクタは、典型的に、約1500Å〜約5000Åの厚みを有する。１つの態様において、サブコレクタおよび／またはコレクタにおけるドーパントはシリコンである。典型的に、シリコンドーパントは、シリコン供給源としてSi2H6を使用して導入される。任意に、格子整合InGaAs層は、典型的な成長条件下でコレクタとして使用され得る。InxGa1-xAs（式中、ｘは約0.53である）層は、InPと格子整合する。
【００１６】
炭素ドープInGaAsベース層は、コレクタの上に成長される。このベース層は、約650℃未満の温度にて成長され、典型的に、約400Å〜約1500Åの厚みである。好ましい態様において、このベース層は、約450℃〜約600℃の温度にて成長される。このベース層は、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供給源、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ヒ素供給源、およびトリメチルインジウムなどのインジウム供給源を使用して成長される。インジウム供給源およびガリウム供給源の合計に対するヒ素供給源の低いモル比が好ましい。典型的に、インジウム供給源およびガリウム供給源の合計に対するヒ素供給源のモル比は、約3.5未満である。さらに好ましくは、この比が約2.0〜約3.0である。低濃度の炭素ドーパント（約5.0×1018cm-3以下）を有するInGaAs層が、おそらく外部炭素供給源の使用なしに達成され得る。なぜならば、炭素は、ガリウム、インジウムおよび／またはヒ素供給源に内的に由来するからである。本発明において、約1.5×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3の高い炭素ドーパント濃度を有するInGaAs層が、ガリウム、インジウムおよびヒ素供給源に加えて外部炭素供給源を使用することにより達成され得る。使用される外部炭素供給源は、四臭化炭素であった。
【００１７】
１つの態様において、SHBTまたはDHBTのInxGa1-xAsベース層の組成は、エミッタ／ベース界面でのより低い値のｘからコレクタ／ベース界面でのより高い値のｘに傾斜される。これにより、コレクタ／ベース界面よりもエミッタ／ベース界面で高いバンドギャップを有するベースを提供する。好ましい態様において、ベースの組成は、成長チャンバに入るインジウムおよびガリウム供給源の比を変えることにより直線的に傾斜される。典型的に、コレクタの上にベース層を成長させる場合、ガリウム供給源に対するインジウム供給源の比は、成長プロセスの開始でより大きく、ベース層が成長するにつれ直線的に減少される。好ましい態様において、ｘはエミッタ／ベース界面で約0.4であり、コレクタ／ベース界面で約0.6に増加される。さらに好ましくは、ｘはエミッタ／ベース界面で0.5であり、コレクタ／ベース界面で約0.56に増加される。ベースの傾斜がない場合、少数のキャリア（npnHBT中の電子）が、拡散によりベースを横切ってコレクタへ移動する。ベースが傾斜されて、コレクタ／ベース界面でよりもエミッタ／ベース界面で高いバンドギャップを生じる場合、ベースを介してコレクタへ電子を加速する準電界がnpnHBT中に確立される。この準電界は、ベースを横切る電子移動時間を減少し、HBT中のDC電流利得（β）およびデバイスの速度を増加する。
【００１８】
別の態様において、ベース層は、キャリアガスのフローを維持およびある時間ある温度にてベース層を保持しながら成長ガスおよび、外部ドーパント供給源が使用される場合はドーパントガス（例えば、インジウム供給源、ガリウム供給源、ヒ素供給源および炭素供給源）のフローを止めることによりインサイチュウでアニールされる。好ましくは、インサイチュウアニーリングプロセスの温度は、約450℃〜約650℃であり、ベース層は、約５分〜約30分間アニールされる。インサイチュウアニーリングは、水素を追い払うことによりベース層中のp型キャリアを活性化すると考えられる。成長プロセスの間、有機金属化合物は分解して、炭素などのp型ドーパントに結合し、p型ドーパントがアクセプタとして作用することを妨げ得る原子水素原子（atomic hydrogen atom）を生じる。従って、ベース中のp-ドーパントの不動態化は、シート抵抗率を増加し、より高いターン−オン電圧を有するHBTを生じる。しかし、ベース層のインサイチュウアニーリングの間、水素とp-ドーパントとの間の結合は破壊され、水素が放出される。従って、アクセプタとして働くドーパント原子の数は増加する。これにより、ベースシート抵抗率およびターン−オン電圧が減少する。
【００１９】
InPまたはInAlAsのいずれかのエミッタ層は、ベースの上に成長される。好ましい態様において、エミッタ層はInPである。エミッタ層は、約1.0×1017cm-3〜約9.0×1017cm-3の濃度でn-ドープされ、典型的に、約400Å〜約1500Åの厚みを有する。エミッタがInPである場合、この層は、TMInまたはTEInなどのインジウム供給源およびトリブチルフォスフィン（TBP）などのリン供給源を使用して成長される。エミッタ層がInAlAsである場合、この層は、TMInまたはTEInなどのインジウム供給源、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供給源、およびトリブチルフォスフィン（TBP）などのリン供給源を使用して成長される。高濃度のn-ドーパント（例えば、約1.0×1018cm-3〜約2×1019cm-3）を含むInPからなるエミッタコンタクト層は、エミッタ層のうえに成長される。典型的に、エミッタコンタクト層は、約500Å〜約2000Åの厚みである。高濃度のn-ドーパント（例えば、約5×1018cm-3〜約5×1019cm-3）を有するInGaAs層は、エミッタコンタクト層の上に成長される。この層は、約400Å〜約1000Åの厚みである。
【実施例】
【００２０】
Ａ．SHBTおよびDHBTの調製
以下の考察に使用する全てのInPデバイスは、MOCVD成長、炭素ドープベース層を有する。ここで、ドーパント濃度は約1.5×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3に変化し、厚みは約300Å〜約1500Åに変化し、その結果、500Ω／スクエアおよび1500Ω／スクエアの間のベースシート抵抗率（Rsb）を生じる。大面積デバイス（L=75μm×75μm）を、単純ウエットエッチングプロセスを使用して作製し、ベース接地形態において試験した。この考察に使用するInP/InGaAs SHBTおよびDHBT構造を、図１に示す。以下の方法により調製したSHBTおよびDHBTにおけるベース層（40）はInGaAsからなり、エミッタ層（50）は、InPからなる。SHBTは、InGaAsのコレクタ層（30）を有し、一方、DHBTは、InPのコレクタ層（30）を有する。
【００２１】
全ての成長は、200mbarの反応容器圧力で起こる。リン供給源（PH3またはTBPのいずれか）を反応容器にフローしながら約５分間650℃にて成長チャンバを維持することにより酸化物を除去した。InPバッファ層を、供給源ガスとしてTMInおよびトリブチルフォスフィンを用いて２Å／秒の速度、および600℃の成長温度で成長させた。典型的なバッファ厚みは500Åであった。InPサブコレクタを、供給源ガスとしてTMInおよびトリブチルフォスフィンを用いて２Å／秒の速度、および600℃の成長温度で成長させた。典型的なサブコレクタは、4000Å〜7000Å（好ましくは5000Å）の厚みおよびシリコン供給源としてSi2H6を用いて導入した1×1019cm-3のシリコンドープレベルを有していた。InGaAsエッチストップ（etch stop）／コンタクト層を、TMIn、TMGa、およびAsH3を供給源ガスとして使用して３Å／秒の成長速度で調製した。InおよびGa比は、その層がInPに格子整合し、その層が500Åの厚みを有するようなものであった。成長温度は、600℃であった。
【００２２】
図２のデータを得るために使用したSHBTは、TMIn、TMGa、およびAsH3を供給源ガスとして使用して３Å／秒の成長速度で調製したInGaAsコレクタ層を有していた。成長温度は、600℃であった。コレクタ層は、2000Å〜約5000Åの厚みを有していた。
【００２３】
図３〜６のデータを得るために使用したDHBTは、InPコレクタ層を有していた。InPコレクタを、供給源ガスとしてTMInおよびトリブチルフォスフィンを用いて２Å／秒の速度、および600℃の成長温度で成長させた。コレクタは、約2000Å〜約5000Åの厚みおよび1×1016cm-3〜5×1016cm-3のシリコンドープレベルを有していた。
【００２４】
図３および４に示されたデータを得るために使用したDHBTは、傾斜InxGa1-xAsベース層を有していた。InGaAsベース層を、供給源ガスとしてTMIn、TMGa、およびTMAsならびに外部ドーパントとしてCBr4を使用して550℃の温度にて成長させた。CBr4に対するTMInのフロー比は、3×1019cm-3のドーパントレベルを得るために約１であった。TMGaおよびTMInの合計に対するTMAsのフロー比は、２であった。ｘがコレクタで0.55である組成からｘがエミッタで0.45である組成に直線的に傾斜したベース層を生成するために、TMGaに対するTMInのフロー比を、成長の始め（すなわちコレクタで）は16：1であり、成長の終わりは14：1の比に直線的に変更した。成長速度は、1.5Å／秒であり、ベースの厚みは400〜1000Åであった。
【００２５】
図５および６のデータを得るために使用したDHBTならびに図２のデータを得るために使用したSHBTは、In0.55Ga0.45Asの組成を有するベース層を有していた。InGaAsベース層を、供給源ガスとしてTMIn、IMGa、およびTMAsならびに外部ドーパントとしてCBr4を使用して550℃の温度にて成長させた。CBr4に対するTMInのフロー比は、3×1019cm-3のドーパントレベルを得るために約１であった。TMGaおよびTMInの合計に対するTMAsのフロー比は、２であった。16:1のTMGaに対するTMInのフロー比により、In0.55Ga0.45Asの組成を有するベース層を生じた。成長速度は、1.5Å／秒であり、ベースの厚みは400〜1000Åであった。
【００２６】
InPエミッタを、供給源ガスとしてTMInおよびトリブチルフォスフィンを用いて２Å／秒の速度、および600℃の成長温度で成長させた。エミッタは、400Å〜800Å（好ましくは500Å）の厚みおよびシリコン供給源としてSi2H6を用いて導入した3×1017cm-3〜約6×1017cm-3のシリコンドープレベルを有していた。
【００２７】
InPエミッタキャップを、供給源ガスとしてTMInおよびトリブチルフォスフィンを用いて２Å／秒の速度、および600℃の成長温度で成長させた。エミッタキャップは、500Å〜1500Å（好ましくは1000Å）の厚みおよびシリコン供給源としてSi2H6を用いて導入した5×1018cm-3〜約1×1019cm-3のシリコンドープレベルを有していた。500Å〜1500Å（好ましくは1000Å）の厚みおよび1×1019cm-3〜2×1019cm-3のテルルドープレベルを有するInGaAsコンタクト層を、エミッタキャップ層の上に成長させた。ジイソプロピルテルルを、ドーパント供給源として使用した。
【００２８】
Ｂ．結果および考察
図２は、3000Åコレクタおよびシート抵抗率Rsb=1930Ω/sq（Naが約2×1019cm-3）を有する600Åベースを備える典型的なSHBT小面積デバイス（2×4μm2）のガンメルプロットおよびエミッタ接地特性を示す。コレクタ電流およびベース電流のガンメルプロットは、ベースリーク（base leakage）が観察されず、ほぼ理想的である。SHBT構造は、予想通り、適度なバイアス条件下で降伏し始める。2000Åコレクタを備える類似のSHBT構造のRF特性を、1×10μm2のデバイス上で測定した。電流利得遮断周波数、ft、および電力利得遮断周波数（power gain cutoff frequency）、fmax、を、2×105Å/cm2の電流密度でそれぞれ150GHzおよび110GHzより大きい値で、測定した。
【００２９】
InGaAsベース組成を傾斜することは、InP DHBTベースにおいて電子速度を制御するさらなる手段を提供した。図３および４に示す結果を出すために使用したDHBTにおいて、エミッタおよびコレクタは、InPからなり、InxGa1-xAsベース層を、エミッタでｘが約0.5の低い値（すなわち、高いバンドギャップ）からコレクタでｘが約0.56のより高いｘ値まで組成的に傾斜した。このバンドギャップエンジニアリングは、ベースにおいて電子の加速を引き起こすnpn DHBTにおける準電界を確立した。この電界は、ベースを横切る電子移動時間を減少し、それによりベースにおける電子／正孔再結合を減少し、DHBTにおいてDC電流利得（β）を増加した。図３は、傾斜ベース層を有するDHBTの利得を非傾斜ベース層を有するDHBTの利得と比較する。このデバイスは、他の点では、75×75μm2デバイスにおいて約1000Ω／スクエアの類似のベースシート抵抗率（Rsb）値を有する構造と同一であった。傾斜ベース層を有するDHBTの利得は、非傾斜ベース層を有するDHBTの利得の約1.6倍であった。これら２つのデバイスについてのガンメルプロット（図４）は、傾斜ベースDHBTの増加した利得がn=1（中性ベース結合）ベース電流における減少に起因することを示した。減少したn=1ベース電流は、ベースにおける電子速度の電界誘導増加に起因する。
【００３０】
InPのコレクタおよびエミッタならびにInxGa1-xAsのベース層を有する小面積DHBTのRF特性は、図５および６で解析した。ベースライン小面積InP DHBTは、高い電流密度（Jc）で利得圧縮（gain compression）を示さず、エミッタ接地特性は、低いニー（knee）およびオフセット電圧ならびに低い出力コンダクタンスにより見られるようなベース−コレクタ界面で最小の伝導帯スパイクを示した（図５）。低いニー電圧は、ベース／コレクタ接合でのキャリアに対するバリアが低く、デバイス用の操作電流を生じるのに必要な最小の飽和電圧を減少することを示す。RF特性（図６）は、2×105Å/cm2のコレクタ電流密度の外側での周波数減少はないことを示した。
【００３１】
本発明は、その好ましい態様を参考にして詳細に示され、記載されているが、形態および詳細における種々の変更が、添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の範囲から逸脱することなくその範囲内においてなされ得ることを当業者は理解する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明の好ましい態様のInP/InGaAs SHBTおよびDHBT構造を示す。
【図２】図２は、InP/InGaAs SHBTについてのターン−オン電圧の関数としてベースおよびコレクタ電流をグラフ的に示したガンメルプロットである。
【図３】図３は、傾斜ベースを有するおよび有さないInP/InGaAs DHBT構造についての利得対コレクタ電流密度プロットである。
【図４】図４は、傾斜ベースを有するおよび有さないInP/InGaAs構造についてのベースおよびコレクタ電流を示したガンメルプロットである。
【図５】図５は、小面積デバイスについての利得対コレクタ電流である。挿入図は、同じ小面積デバイスについてのエミッタ接地特性を示す。
【図６】図６は、図５の小面積デバイスについての周波数対コレクタ電流密度を示す。挿入図は、RF電流利得対RF周波数を示す。
【０００１】
（関連出願）
本願は、米国仮出願番号60/260,236号（2001年１月８日出願、その全体が参考として本明細書中に援用される）の利益を主張する。
【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、種々の適用に対して、特にワイヤレス受話器、マイクロ波器具、および光ファイバー通信システム用高速（＞10Ｇビット／秒）回路のための電力増幅回路として重要な技術に進展している。将来的に必要なものは、より低電圧運転、より高周波能力、より高電力付加効率およびより低コスト生産を有するデバイスを必要とすることと予想される。
【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作製されるBJTとは異なり、HBTは、２つまたは３つの異なる半導体材料から作製される。ここで、エミッタ半導体材料は、ベースが作製される半導体材料より幅の広いバンドギャップを有する。これにより、BJTよりもベースからコレクタへのキャリアの優れた注入効率を生じる。なぜならば、ベース後部からエミッタへのキャリア注入を妨げるビルトインバリアがあるからである。より小さなバンドギャップを有するベースを選択することは、ターン−オン電圧を減少する。なぜならば、ベースからコレクタへのキャリアの注入効率における増加が、コレクタ電流密度を所定のベース−エミッタ電圧で増加するからである。しかし、デバイスの速度をさらに増加するために、および所定のベース−エミッタ電圧でコレクタ電流密度をさらに増加するために、ベースを横切るコレクタへのキャリアの走行時間を最小にすることが所望される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
InP系ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）は、40Gbps光ファイバー利用（lightwave）回路およびワイヤレス応用のために開発されている。GaAs系HBTと比較して、InP/InGaAs HBTは、運転の低いターン−オン電圧および高周波を有する。InP製品における優勢な成長技術は、分子線エピタキシャル成長（MBE）（InGaAsベースにドープするベリリウムまたは炭素のいずれかを典型的に使用する）である。炭素ドープInP/InGaAs HBTは、ベリリウムと比較して改善された信頼性を示す。なぜならば、炭素がInGaAs中で有意に低い拡散速度を有するからである。しかし、MBEはマルチウエハ（multiwafer）成長技術でないので、ウエハの大規模製造には実用的ではない。有機金属化学気相成長法（MOCVD）は、マルチウエハ成長に使用することができ、従って、HBTの大規模製造により適切である。しかし、MOCVDを用いて作製されたHBTのベース層における炭素ドープレベルは、比較的低いものであった。従って、ベース層において比較的高い炭素ドーパントレベルを有するInP系HBTを調製するより経済的な方法が、InP系HBTを信頼性があり、コスト効果的な商業用回路にするために必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、MOCVDエピタキシャル成長システムを使用して作製されたガリウム、インジウム、およびヒ素からなる炭素ドープベース層を有するHBT、ならびにHBTを作製する方法を提供する。この方法は、式InxGa1-xAs（式中、ｘは１未満である）で表される炭素ドープベース層を成長させる工程を含む。好ましい態様において、ｘは約0.4〜約0.6である。ベース層は、n-ドープコレクタ層の上にガリウム、インジウム、およびヒ素供給源から成長される。好ましくは、コレクタは、InPまたはInx'Ga1-x'As（式中、x'は１未満である）からなる。次いで、n-ドープエミッタ層はベース層の上に成長される。好ましくは、エミッタは、インジウムおよびリン供給源から成長させたInPまたはインジウム、アルミニウムおよびヒ素供給源から成長させたInyAl1-yAs（式中、ｙは１未満である）からなる。
【０００６】
１つの態様において、ベース層は、好ましくは、約1.5×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3の濃度の炭素でドープされる。ベース層が炭素でドープされる場合、炭素は、好ましくは、四臭化炭素または四塩化炭素などの外部炭素供給源の存在下でベース層を成長させることによってベース層に組み込まれる。
【０００７】
別の態様において、ベース層の組成は、ｘの値がエミッタに近いベースの面よりもコレクタに近いベースの面で大きくなるように傾斜される。好ましくは、ｘの値は、ベース層を横切って直線的に傾斜される。
【発明の効果】
【０００８】
MOCVDを利用してInP系HBTを作製する本発明の方法は、InP系HBTを製造する他の方法よりもコスト効果的である。さらに、比較的高い濃度の炭素ドーパントを有するベース層は、本発明の方法において外部炭素供給源を使用して調製され得る。ベース層における高いドーパント濃度が所望される。なぜならば、ベースのベースシート抵抗率（Rsb）を減少し、所定のエミッタ／ベース電圧でベースを横切る電子移動度の増加、およびコレクタ電流利得の増加を生じるからである。従って、MOCVDで成長させた炭素ドープInP/InGaAs HBTの開発は、信頼性のある、コスト効果的様式での商業用回路へのInP HBTの挿入を加速する。
【０００９】
本発明の方法に開示するようなベース層の組成を傾斜することは、ベース層を横切る傾斜バンドギャップを生じる。ここで、このバンドギャップはベース−エミッタ界面でより大きく、ベース−コレクタ界面で徐々により小さくなる。これが、ベースを横切る電子を加速する準電界（quasielectric field）を誘導し、それによりデバイスの速度を改善する。さらに、増加したベースを横切る電子の走行が、ベース中の正孔−電子消滅を減少し、従って電流利得を増加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（発明の詳細な説明）
本発明の前記ならびに他の目的、特性および利点は、添付の図面に例示されるように、以下の本発明の好ましい態様のより詳細な記載から明らかである。
【００１１】
１つの態様において、本発明は、n-ドープコレクタ、コレクタの上に形成され、かつIII〜V材料（ガリウム、インジウムおよびヒ素が上げられる）からなる炭素ドープベース、ならびにベースの上に形成されるn-ドープエミッタを有するHBTである。ベース層のIII〜V材料は、約1.5×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3の炭素ドーパント濃度を有する。
【００１２】
１つの態様において、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へテロ接合バイポーラトランジスタ（DHBT）である。DHBTの好ましい態様において、ベース層はInxGa1-xAs、コレクタはInP、Inx'Ga1-x'As、InyAl1-yAs、InzGatAl1-z-tAsまたはInwGa1-wAsuP1-u、エミッタはInPまたはInyAl1-yAs（式中、ｔ、ｕ、ｗ、ｘ’、ｙ、およびｚはそれぞれ独立して１未満である）から選択される。主題の邪魔をするのを避けるために、InxGa1-xAs、InyAl1-yAs、InzGatAl1-z-tAsまたはInwGa1-wAsuP1-uなどの三成分または四成分化合物は、本明細書において、それぞれInGaAs、InAlAs、InGaAlAsおよびInGaAsPとしていう。
【００１３】
好ましい態様において、ベースは、コレクタで狭い傾斜バンドギャップおよびエミッタでより広いバンドギャップを有するバンドギャップ層を生成するため組成的に傾斜され得る。例えば、DHBTのInxGa1-xAsベース層は、ｘがコレクタで0.55に等しく、エミッタで0.45と等しいように傾斜され得る。ベース層はまた、ドーパント濃度がコレクタ近くで高く、ベースの厚みを横切ってベース／エミッタヘテロ接合に徐々に減少するようにドーパント傾斜され得る。ベース層を横切るドーパントの直線的傾斜は、ベース層が成長する間にドーパント供給源を直線的に減少することにより達成される。傾斜ベース層を形成する方法は、当業者に公知であり、Ferryら、Gallium Arsenide Technology(1985)、Howard W. Sams & Co., Inc. Indianapolis, Indianaの303〜328ページに見出され得る。
【００１４】
本発明はまた、SHBTおよびDHBTを作製する方法を提供する。この方法は、ガリウム、インジウム、およびヒ素からなるベース層をn-ドープInP、InGaAs、InAlAs、InGaAlAsまたはInGaAsPコレクタの上に成長させる工程を含む。ベース層は、内部および外部炭素供給源を使用して成長されて、炭素ドープベース層を提供する。次いで、n-ドープエミッタ層は、ベース層の上に成長される。ベース層へ炭素ドーパントを提供するための内部および外部炭素供給源の使用は、比較的高い炭素ドーパント濃度を有する材料を生じる。先行技術であるMOCVDにより調製される炭素ドープInGaAsベース層を有するHBTは、比較的低い炭素ドーパント濃度を有する。なぜならば、炭素ドーパントはインジウム、ガリウムおよび／またはヒ素供給源の分解（すなわち、内部炭素供給源）に由来するからである。外部炭素供給源を利用する本発明の方法は、約1.5×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3の炭素ドーパント濃度を生じる。好ましい態様において、約2.0×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3のドーパントレベルが本発明の方法により利用される。さらに、成長プロセスへのインサイチュウアニーリング工程の組み込みは、より高度に効果的なベースドープレベルを生じる。材料中のより高いドーパント濃度は、材料のシート低効率およびバンドギャップを減少する。従って、SHBTおよびDHBTのベース層においてドーパント濃度が高ければ高いほど、デバイスのターン−オン電圧が低くなる。
【００１５】
本発明のSHBTおよびDHBTは、MOCVDエピタキシャル成長システムを使用して調製され得る。好ましいMOCVDエピタキシャル成長システムは、Aixtron 2400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調製されるSHBTおよびDHBTにおいて、典型的なアンドープInPバッファ層は、インサイチュウ酸化物脱着後に成長される。高濃度のn-ドーパント（例えば、約1×1018cm-3〜約2×1019cm-3のドーパント濃度）を含むサブコレクタ層は、約700℃の温度にて成長される。低濃度のn-ドーパント（例えば、約5×1015cm-3〜約5×1016cm-3のドーパント濃度）を有するコレクタ層は、約700℃の温度にてサブコレクタの上に成長される。好ましくは、サブコレクタおよびコレクタは、InPである。典型的には、サブコレクタを成長させるために使用されるインジウム供給源は、トリメチルインジウム（TMIn）またはトリエチルインジウム（TEIn）であり、リン供給源は、トリブチルフォスフィン（TBP）である。サブコレクタ層は、典型的に、約4000Å〜約6000Åの厚みを有し、コレクタは、典型的に、約1500Å〜約5000Åの厚みを有する。１つの態様において、サブコレクタおよび／またはコレクタにおけるドーパントはシリコンである。典型的に、シリコンドーパントは、シリコン供給源としてSi2H6を使用して導入される。任意に、格子整合InGaAs層は、典型的な成長条件下でコレクタとして使用され得る。InxGa1-xAs（式中、ｘは約0.53である）層は、InPと格子整合する。
【００１６】
炭素ドープInGaAsベース層は、コレクタの上に成長される。このベース層は、約650℃未満の温度にて成長され、典型的に、約400Å〜約1500Åの厚みである。好ましい態様において、このベース層は、約450℃〜約600℃の温度にて成長される。このベース層は、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供給源、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ヒ素供給源、およびトリメチルインジウムなどのインジウム供給源を使用して成長される。インジウム供給源およびガリウム供給源の合計に対するヒ素供給源の低いモル比が好ましい。典型的に、インジウム供給源およびガリウム供給源の合計に対するヒ素供給源のモル比は、約3.5未満である。さらに好ましくは、この比が約2.0〜約3.0である。低濃度の炭素ドーパント（約5.0×1018cm-3以下）を有するInGaAs層が、おそらく外部炭素供給源の使用なしに達成され得る。なぜならば、炭素は、ガリウム、インジウムおよび／またはヒ素供給源に内的に由来するからである。本発明において、約1.5×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3の高い炭素ドーパント濃度を有するInGaAs層が、ガリウム、インジウムおよびヒ素供給源に加えて外部炭素供給源を使用することにより達成され得る。使用される外部炭素供給源は、四臭化炭素であった。
【００１７】
１つの態様において、SHBTまたはDHBTのInxGa1-xAsベース層の組成は、エミッタ／ベース界面でのより低い値のｘからコレクタ／ベース界面でのより高い値のｘに傾斜される。これにより、コレクタ／ベース界面よりもエミッタ／ベース界面で高いバンドギャップを有するベースを提供する。好ましい態様において、ベースの組成は、成長チャンバに入るインジウムおよびガリウム供給源の比を変えることにより直線的に傾斜される。典型的に、コレクタの上にベース層を成長させる場合、ガリウム供給源に対するインジウム供給源の比は、成長プロセスの開始でより大きく、ベース層が成長するにつれ直線的に減少される。好ましい態様において、ｘはエミッタ／ベース界面で約0.4であり、コレクタ／ベース界面で約0.6に増加される。さらに好ましくは、ｘはエミッタ／ベース界面で0.5であり、コレクタ／ベース界面で約0.56に増加される。ベースの傾斜がない場合、少数のキャリア（npnHBT中の電子）が、拡散によりベースを横切ってコレクタへ移動する。ベースが傾斜されて、コレクタ／ベース界面でよりもエミッタ／ベース界面で高いバンドギャップを生じる場合、ベースを介してコレクタへ電子を加速する準電界がnpnHBT中に確立される。この準電界は、ベースを横切る電子移動時間を減少し、HBT中のDC電流利得（β）およびデバイスの速度を増加する。
【００１８】
別の態様において、ベース層は、キャリアガスのフローを維持およびある時間ある温度にてベース層を保持しながら成長ガスおよび、外部ドーパント供給源が使用される場合はドーパントガス（例えば、インジウム供給源、ガリウム供給源、ヒ素供給源および炭素供給源）のフローを止めることによりインサイチュウでアニールされる。好ましくは、インサイチュウアニーリングプロセスの温度は、約450℃〜約650℃であり、ベース層は、約５分〜約30分間アニールされる。インサイチュウアニーリングは、水素を追い払うことによりベース層中のp型キャリアを活性化すると考えられる。成長プロセスの間、有機金属化合物は分解して、炭素などのp型ドーパントに結合し、p型ドーパントがアクセプタとして作用することを妨げ得る原子水素原子（atomic hydrogen atom）を生じる。従って、ベース中のp-ドーパントの不動態化は、シート抵抗率を増加し、より高いターン−オン電圧を有するHBTを生じる。しかし、ベース層のインサイチュウアニーリングの間、水素とp-ドーパントとの間の結合は破壊され、水素が放出される。従って、アクセプタとして働くドーパント原子の数は増加する。これにより、ベースシート抵抗率およびターン−オン電圧が減少する。
【００１９】
InPまたはInAlAsのいずれかのエミッタ層は、ベースの上に成長される。好ましい態様において、エミッタ層はInPである。エミッタ層は、約1.0×1017cm-3〜約9.0×1017cm-3の濃度でn-ドープされ、典型的に、約400Å〜約1500Åの厚みを有する。エミッタがInPである場合、この層は、TMInまたはTEInなどのインジウム供給源およびトリブチルフォスフィン（TBP）などのリン供給源を使用して成長される。エミッタ層がInAlAsである場合、この層は、TMInまたはTEInなどのインジウム供給源、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供給源、およびトリブチルフォスフィン（TBP）などのリン供給源を使用して成長される。高濃度のn-ドーパント（例えば、約1.0×1018cm-3〜約2×1019cm-3）を含むInPからなるエミッタコンタクト層は、エミッタ層のうえに成長される。典型的に、エミッタコンタクト層は、約500Å〜約2000Åの厚みである。高濃度のn-ドーパント（例えば、約5×1018cm-3〜約5×1019cm-3）を有するInGaAs層は、エミッタコンタクト層の上に成長される。この層は、約400Å〜約1000Åの厚みである。
【実施例】
【００２０】
Ａ．SHBTおよびDHBTの調製
以下の考察に使用する全てのInPデバイスは、MOCVD成長、炭素ドープベース層を有する。ここで、ドーパント濃度は約1.5×1019cm-3〜約5.0×1019cm-3に変化し、厚みは約300Å〜約1500Åに変化し、その結果、500Ω／スクエアおよび1500Ω／スクエアの間のベースシート抵抗率（Rsb）を生じる。大面積デバイス（L=75μm×75μm）を、単純ウエットエッチングプロセスを使用して作製し、ベース接地形態において試験した。この考察に使用するInP/InGaAs SHBTおよびDHBT構造を、図１に示す。以下の方法により調製したSHBTおよびDHBTにおけるベース層（40）はInGaAsからなり、エミッタ層（50）は、InPからなる。SHBTは、InGaAsのコレクタ層（30）を有し、一方、DHBTは、InPのコレクタ層（30）を有する。
【００２１】
全ての成長は、200mbarの反応容器圧力で起こる。リン供給源（PH3またはTBPのいずれか）を反応容器にフローしながら約５分間650℃にて成長チャンバを維持することにより酸化物を除去した。InPバッファ層を、供給源ガスとしてTMInおよびトリブチルフォスフィンを用いて２Å／秒の速度、および600℃の成長温度で成長させた。典型的なバッファ厚みは500Åであった。InPサブコレクタを、供給源ガスとしてTMInおよびトリブチルフォスフィンを用いて２Å／秒の速度、および600℃の成長温度で成長させた。典型的なサブコレクタは、4000Å〜7000Å（好ましくは5000Å）の厚みおよびシリコン供給源としてSi2H6を用いて導入した1×1019cm-3のシリコンドープレベルを有していた。InGaAsエッチストップ（etch stop）／コンタクト層を、TMIn、TMGa、およびAsH3を供給源ガスとして使用して３Å／秒の成長速度で調製した。InおよびGa比は、その層がInPに格子整合し、その層が500Åの厚みを有するようなものであった。成長温度は、600℃であった。
【００２２】
図２のデータを得るために使用したSHBTは、TMIn、TMGa、およびAsH3を供給源ガスとして使用して３Å／秒の成長速度で調製したInGaAsコレクタ層を有していた。成長温度は、600℃であった。コレクタ層は、2000Å〜約5000Åの厚みを有していた。
【００２３】
図３〜６のデータを得るために使用したDHBTは、InPコレクタ層を有していた。InPコレクタを、供給源ガスとしてTMInおよびトリブチルフォスフィンを用いて２Å／秒の速度、および600℃の成長温度で成長させた。コレクタは、約2000Å〜約5000Åの厚みおよび1×1016cm-3〜5×1016cm-3のシリコンドープレベルを有していた。
【００２４】
図３および４に示されたデータを得るために使用したDHBTは、傾斜InxGa1-xAsベース層を有していた。InGaAsベース層を、供給源ガスとしてTMIn、TMGa、およびTMAsならびに外部ドーパントとしてCBr4を使用して550℃の温度にて成長させた。CBr4に対するTMInのフロー比は、3×1019cm-3のドーパントレベルを得るために約１であった。TMGaおよびTMInの合計に対するTMAsのフロー比は、２であった。ｘがコレクタで0.55である組成からｘがエミッタで0.45である組成に直線的に傾斜したベース層を生成するために、TMGaに対するTMInのフロー比を、成長の始め（すなわちコレクタで）は16：1であり、成長の終わりは14：1の比に直線的に変更した。成長速度は、1.5Å／秒であり、ベースの厚みは400〜1000Åであった。
【００２５】
図５および６のデータを得るために使用したDHBTならびに図２のデータを得るために使用したSHBTは、In0.55Ga0.45Asの組成を有するベース層を有していた。InGaAsベース層を、供給源ガスとしてTMIn、IMGa、およびTMAsならびに外部ドーパントとしてCBr4を使用して550℃の温度にて成長させた。CBr4に対するTMInのフロー比は、3×1019cm-3のドーパントレベルを得るために約１であった。TMGaおよびTMInの合計に対するTMAsのフロー比は、２であった。16:1のTMGaに対するTMInのフロー比により、In0.55Ga0.45Asの組成を有するベース層を生じた。成長速度は、1.5Å／秒であり、ベースの厚みは400〜1000Åであった。
【００２６】
InPエミッタを、供給源ガスとしてTMInおよびトリブチルフォスフィンを用いて２Å／秒の速度、および600℃の成長温度で成長させた。エミッタは、400Å〜800Å（好ましくは500Å）の厚みおよびシリコン供給源としてSi2H6を用いて導入した3×1017cm-3〜約6×1017cm-3のシリコンドープレベルを有していた。
【００２７】
InPエミッタキャップを、供給源ガスとしてTMInおよびトリブチルフォスフィンを用いて２Å／秒の速度、および600℃の成長温度で成長させた。エミッタキャップは、500Å〜1500Å（好ましくは1000Å）の厚みおよびシリコン供給源としてSi2H6を用いて導入した5×1018cm-3〜約1×1019cm-3のシリコンドープレベルを有していた。500Å〜1500Å（好ましくは1000Å）の厚みおよび1×1019cm-3〜2×1019cm-3のテルルドープレベルを有するInGaAsコンタクト層を、エミッタキャップ層の上に成長させた。ジイソプロピルテルルを、ドーパント供給源として使用した。
【００２８】
Ｂ．結果および考察
図２は、3000Åコレクタおよびシート抵抗率Rsb=1930Ω/sq（Naが約2×1019cm-3）を有する600Åベースを備える典型的なSHBT小面積デバイス（2×4μm2）のガンメルプロットおよびエミッタ接地特性を示す。コレクタ電流およびベース電流のガンメルプロットは、ベースリーク（base leakage）が観察されず、ほぼ理想的である。SHBT構造は、予想通り、適度なバイアス条件下で降伏し始める。2000Åコレクタを備える類似のSHBT構造のRF特性を、1×10μm2のデバイス上で測定した。電流利得遮断周波数、ft、および電力利得遮断周波数（power gain cutoff frequency）、fmax、を、2×105Å/cm2の電流密度でそれぞれ150GHzおよび110GHzより大きい値で、測定した。
【００２９】
InGaAsベース組成を傾斜することは、InP DHBTベースにおいて電子速度を制御するさらなる手段を提供した。図３および４に示す結果を出すために使用したDHBTにおいて、エミッタおよびコレクタは、InPからなり、InxGa1-xAsベース層を、エミッタでｘが約0.5の低い値（すなわち、高いバンドギャップ）からコレクタでｘが約0.56のより高いｘ値まで組成的に傾斜した。このバンドギャップエンジニアリングは、ベースにおいて電子の加速を引き起こすnpn DHBTにおける準電界を確立した。この電界は、ベースを横切る電子移動時間を減少し、それによりベースにおける電子／正孔再結合を減少し、DHBTにおいてDC電流利得（β）を増加した。図３は、傾斜ベース層を有するDHBTの利得を非傾斜ベース層を有するDHBTの利得と比較する。このデバイスは、他の点では、75×75μm2デバイスにおいて約1000Ω／スクエアの類似のベースシート抵抗率（Rsb）値を有する構造と同一であった。傾斜ベース層を有するDHBTの利得は、非傾斜ベース層を有するDHBTの利得の約1.6倍であった。これら２つのデバイスについてのガンメルプロット（図４）は、傾斜ベースDHBTの増加した利得がn=1（中性ベース結合）ベース電流における減少に起因することを示した。減少したn=1ベース電流は、ベースにおける電子速度の電界誘導増加に起因する。
【００３０】
InPのコレクタおよびエミッタならびにInxGa1-xAsのベース層を有する小面積DHBTのRF特性は、図５および６で解析した。ベースライン小面積InP DHBTは、高い電流密度（Jc）で利得圧縮（gain compression）を示さず、エミッタ接地特性は、低いニー（knee）およびオフセット電圧ならびに低い出力コンダクタンスにより見られるようなベース−コレクタ界面で最小の伝導帯スパイクを示した（図５）。低いニー電圧は、ベース／コレクタ接合でのキャリアに対するバリアが低く、デバイス用の操作電流を生じるのに必要な最小の飽和電圧を減少することを示す。RF特性（図６）は、2×105Å/cm2のコレクタ電流密度の外側での周波数減少はないことを示した。
【００３１】
本発明は、その好ましい態様を参考にして詳細に示され、記載されているが、形態および詳細における種々の変更が、添付の特許請求の範囲によって包含される本発明の範囲から逸脱することなくその範囲内においてなされ得ることを当業者は理解する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、本発明の好ましい態様のInP/InGaAs SHBTおよびDHBT構造を示す。
【図２】図２は、InP/InGaAs SHBTについてのターン−オン電圧の関数としてベースおよびコレクタ電流をグラフ的に示したガンメルプロットである。
【図３】図３は、傾斜ベースを有するおよび有さないInP/InGaAs DHBT構造についての利得対コレクタ電流密度プロットである。
【図４】図４は、傾斜ベースを有するおよび有さないInP/InGaAs構造についてのベースおよびコレクタ電流を示したガンメルプロットである。
【図５】図５は、小面積デバイスについての利得対コレクタ電流である。挿入図は、同じ小面積デバイスについてのエミッタ接地特性を示す。
【図６】図６は、図５の小面積デバイスについての周波数対コレクタ電流密度を示す。挿入図は、RF電流利得対RF周波数を示す。
Claims (18)
- ａ）有機金属化学気相成長法を使用してガリウム、インジウム、およびヒ素供給源から、ならびに外部炭素供給源からガリウム、インジウム、およびヒ素を含む炭素−ドープベース層をｎ−ドープコレクタ層の上に成長させる工程、ならびに
ｂ）該ベース層の上にｎ−ドープエミッタ層を成長させる工程
を含む、ヘテロ接合バイポーラトランジスタを作製する方法。 - インジウムおよびガリウム供給源の合計に対するヒ素供給源の比が約２．０〜約３．５である請求項１記載の方法。
- ベース層中の炭素ドーパントの濃度が約１．５×１０１９ｃｍ−３〜約５．０×１０１９ｃｍ−３である請求項１記載の方法。
- 外部炭素供給源が四臭化炭素または四塩化炭素である請求項３記載の方法。
- ベース層が式ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、式中ｘは約０．４〜約０．６である、で表される請求項２記載の方法。
- ベース層を約６５０℃未満の温度にて成長させる請求項５記載の方法。
- ベース層を約４５０℃〜約６００℃の間の温度にて成長させる請求項６記載の方法。
- ベース層がインサイチュウでアニールされる請求項６記載の方法。
- ａ）コレクタがＩｎＰ、Ｉｎｘ’Ｇａ１−ｘ’Ａｓ、ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ、ＩｎｚＧａｔＡｌ１−ｚ−ｔＡｓまたはＩｎｗＧａ１−ｗＡｓｕＰ１−ｕ、式中ｔ、ｕ、ｘ’、ｙ、およびｚはそれぞれ独立して１未満である、から選択され；ならびに
ｂ）エミッタがＩｎＰまたはＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ、式中ｙは１未満である、から選択される
請求項６記載の方法。 - コレクタおよびエミッタがＩｎＰである請求項９記載の方法。
- ベース層の組成が、エミッタにより近いベースの面よりもコレクタにより近いベースの面で大きいｘの値から直線的に傾斜される、請求項６記載の方法。
- ｘが約０．５６〜約０．５に直線的に傾斜する請求項１１記載の方法。
- ベース厚みが約４００Å〜約１５００Åである請求項３記載の方法。
- ａ）ＩｎＰまたはＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ、式中ｙは１未満である、から選択される材料からなるｎ−ドープエミッタ；
ｂ）ＩｎＰ、Ｉｎｘ’Ｇａ１−ｘ’Ａｓ、ＩｎｙＡｌ１−ｙＡｓ、ＩｎｚＧａｔＡｌ１ −ｚ−ｔＡｓまたはＩｎｗＧａ１−ｗＡｓｕＰ１−ｕ、式中ｔ、ｕ、ｗ、ｘ’、およびｚはそれぞれ独立して１未満である、から選択される材料からなるｎ−ドープコレクタ；ならびに
ｃ）エミッタと接触する第一の面およびコレクタと接触する第二の面を有し、かつ式ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ、式中ｘは第一の面よりも第二の面で大きい、で表される材料からなる組成的に傾斜するｐ−ドープベース層
を含んでなるヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 - ベースの組成的傾斜が直線的である請求項１４記載のトランジスタ。
- ｘが約０．５６〜約０．５に傾斜するものである請求項１５記載のトランジスタ。
- エミッタおよびコレクタがＩｎＰである請求項１６記載のトランジスタ。
- ベースが約１．５×１０１９ｃｍ−３〜約５．０×１０１９ｃｍ−３の濃度の炭素でドープされてなる請求項１５記載のトランジスタ。
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| JP2015099859A (ja) * | 2013-11-19 | 2015-05-28 | 日本電信電話株式会社 | 半導体薄膜の作製方法およびヘテロ接合バイポーラトランジスタ |
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