JP2005079267A

JP2005079267A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハ

Info

Publication number: JP2005079267A
Application number: JP2003306578A
Authority: JP
Inventors: Takashi Takeuchi; 隆竹内; Masaharu Higashiya; 雅春東谷
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-24

Abstract

【課題】ベース層自体を工夫することによって、ベース−エミッタ界面の伝導帯エネルギーの差△Ｅｃを小さくし、ターンＯＮ電圧を小さくしたヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハを提供すること。
【解決手段】半絶縁性のＧａＡｓ基板１上に、ｎ型伝導のＧａＡｓサブコレクタ層２と、ｎ型伝導のＧａＡｓコレクタ層３と、ｐ型伝導のベース層１４と、ｎ型伝導のＩｎＧａＰエミッタ層１５と、ｎ型伝導のＧａＡｓエミッタコンタクト層６と、ｎ型伝導のＩｎＧａＡｓノンアロイ層７を含む化合物半導体層を形成したヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、上記ベース層１４が、エミッタ層１５のＩｎＧａＰと格子整合する組成を持ったＧａＩｎＡｓＰから成る構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明はヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴという。）用エピタキシャルウェハに係り、特にターンオン電圧の小さい構造のＨＢＴ用エピタキシャルウェハに関するものである。

ＨＢＴは、電界効果トランジスタのように２種類の電源を必要とせずに単一電源での使用ができ、低歪みの信号増幅が可能である等の優れた特徴を持つことから、携帯電話、デジタル通信、ミリ波システムなど、小型化と高周波領域での高性能のパワー増幅が要求されるデバイスとして使用されている。

近年では、ＡｌＧａＡｓに代わってＩｎＧａＰをエミッタに用いるＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴが実用化されており、既に寿命試験の結果で、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴよりも長寿命であるとの報告もある。

図４は従来のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴ構造の一例である。この化合物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハは、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、順次、サブコレクタ層２としてｎ⁺型ＧａＡｓ、コレクタ層３としてアンドープＧａＡｓまたはｎ^-型ＧａＡｓ、ベース層４としてｐ⁺型ＧａＡｓ、エミッタ層５としてｎ型ＩｎＧａＰ、エミッタコンタクト層６としてのｎ⁺型ＧａＡｓ、ノンアロイ層７としてｎ⁺型ＩｎＧａＡｓを成長した構成を有する。

ＨＢＴ素子としては、ベース層４の上にベース電極９、ノンアロイ層７の上にエミッタ電極８を形成し、サブコレクタ層２の上にコレクタ電極１０を形成する。ベース電極４とエミッタ電極８の間に電圧を印加してこれを増加させたとき、コレクタ電極１０からの出力電流が、入力電流であるベース電流によって増幅される特質を有しており、この出力電流と入力電流の比、即ち、電流増幅率（出力電流／入力電流。以下、βという。）がこのトランジスタの重要な特性となる。つまりベース層・ノンアロイ層間に流れる電流（ベース電流Ｉｂ）によって、サブコレクタ層・ノンアロイ層間の大きな電流（コレクタ電流Ｉｃ）を制御する。

ＨＢＴでは、図５に示すように、ヘテロ接合を形成しているベース層、エミッタ層のバンド不連続のため、ベース層、エミッタ層の伝導帯のエネルギーＥｃにエネルギー差△Ｅｃが存在する。ＨＢＴが動作するには、この伝導帯におけるエネルギー差△Ｅｃを補償する電圧を印加したところから増幅動作が開始される。△Ｅｃを補償する電圧をターンオン電圧と呼ぶ。デバイスの低電圧駆動のためには、このターンオン電圧を小さくすることが必要である。

上記エネルギー差△Ｅｃを小さくでき、注入エネルギーを下げ、オフセット電圧を低減することのできる技術として、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴのエミッタ層とベース層の間にＩｎＧａＡｓＰ層からなる遷移層を挿入し、エッチングストッパーとしての役割も持たせる構造とすることが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、エミッタ層のベース層と接合する部分に、ベース層と反対の導電型であってベース層と同一の材質を用いたヘテロ接合エミッタバイポーラトランジスタ（ＨＥＢＴ）においては、ターンオン電圧が著しく低下し、消費電力も減少する。そこで、エミッタ層をＧａＡｓ層と、ＧａＡｓよりもバンドギャップが大きい半導体層から構成し、後者の半導体層として、ＧａＡｓに格子整合し、且つ、ＧａＡｓに対して△Ｅｃ＜△ＥｖとなるＩｎＧａＰまたはＩｎＧａＡｓＰを用いる。そうすると、ベース層からエミッタ層へ逆注入されたホールの量子力学的反射を大きく維持したまま、導電帯側のスパイクを抑制でき、高い電流利得を得ることができる、ということが知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらにまた、ベース層がＧａＡｓからなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、エミッタ層のベース層に接する部分を、ＧａＡｓに格子整合し、バンドギャップが１．７０ｅＶ以上（熱力学的に準安定な領域）であるＩｎＧａＡｓＰとすると、この部分は均一相になるので、接合面における再結合電流を低減化できることが知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開平７−２７３１２５号公報特開平７−６６２２０号公報特開平７−９４５２６号公報

上述したように、ベース−エミッタ界面付近の伝導帯にＧａＡｓベース層とＩｎＧａＰエミッタ層のエネルギーバンドの差から生じるエネルギー不連続部分（△Ｅｃ）ができてしまう。△Ｅｃがエミッタからベースへ電子が流れるのを阻害するため、ターンＯＮ電圧が大きくなる。この△Ｅｃを図２のように小さくする有効な解決手段が望まれている。

しかしながら、従来技術の特許文献１は、エミッタ層とベース層の間に遷移層としてＩｎＧａＡｓＰ層を挿入するものであり、また特許文献２は、エミッタ層をＧａＡｓ層と、ＩｎＧａＰ層またはＩｎＧａＡｓＰ層とで構成するものであり、そして特許文献３は、エミッタ層のベース層に接する部分をＩｎＧａＡｓＰとするものである。すなわち、いずれもベース層以外の構成を工夫することによって△Ｅｃを小さくするものである。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ベース層自体を工夫することによって、ベース−エミッタ界面の伝導帯エネルギーの差△Ｅｃを小さくし、ターンＯＮ電圧を小さくしたヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は次のように構成したものである。

請求項１の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハは、半絶縁性のＧａＡｓ基板上に、ｎ型伝導のＧａＡｓのサブコレクタ層と、ｎ型伝導のＧａＡｓのコレクタ層と、ｐ型伝導のベース層と、ｎ型伝導のＡｌＧａＡｓあるいはＩｎＧａＰから選択される材料より構成されるエミッタ層と、ｎ型伝導のＧａＡｓのエミッタコンタクト層と、ｎ型伝導のＩｎＧａＡｓノンアロイ層を含む化合物半導体層を形成したヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、上記ベース層がＧａＩｎＡｓＰから成ることを特徴とする。

請求項２の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハは、半絶縁性のＧａＡｓ基板上に、ｎ型伝導のＧａＡｓサブコレクタ層と、ｎ型伝導のＧａＡｓコレクタ層と、ｐ型伝導のベース層と、ｎ型伝導のＩｎＧａＰエミッタ層と、ｎ型伝導のＧａＡｓエミッタコンタクト層と、ｎ型伝導のＩｎＧａＡｓノンアロイ層を含む化合物半導体層を形成したヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、上記ベース層が、エミッタ層のＩｎＧａＰと格子整合する組成を持ったＧａＩｎＡｓＰから成ることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、ＩｎＧａＰとＧａＩｎＡｓＰがＧａＡｓと格子整合する組成を持ったＧａＩｎＡｓＰをベース層に用いたことを特徴とする。この請求項３には、上記ＩｎＧａＰエミッタ層と上記ＧａＩｎＡｓＰベース層がＧａＡｓと格子整合する組成を持つ形態が含まれる。

請求項４の発明は、請求項２又は３記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、ベース層に使用したＧａＩｎＡｓＰの格子定数とのズレが２％未満となる組成をもったＩｎＧａＰをエミッタ層に用いたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、上記ＩｎＧａＰエミッタ層と上記ＧａＩｎＡｓＰベース層がＧａＡｓと格子整合する組成を持つことを特徴とする。

請求項２〜５の具体的例としては、例えば上記エミッタ層がＩｎ_0.484Ｇａ_0.516Ｐから成り、上記ベース層がＧａ_0.667Ｉｎ_0.333Ａｓ_0.333Ｐ_0.667からなる組み合わせがある。

＜発明の要点＞
本発明等は、上記特許文献とは別のあらたな観点から、ベース−エミッタ界面の伝導帯エネルギーの差△Ｅｃを小さくし、ターンＯＮ電圧を小さくする手段として、ベース層自体を工夫することに想到し、鋭意研究努力した結果、ベース層にＧａＩｎＡｓＰを用いると、伝導帯エネルギーの差△Ｅｃ（ポテンシャルにおけるノッチ又はスパイク）を小さくし、良好な特性のＨＢＴが得られることを見い出した。

図２にエミッタ・ベース接合におけるバンド図を示す。図において、伝導帯のエネルギーＥｃと価電子帯のエネルギーＥｖとの差△Ｅがバンドギャップであるが、ベース層にＧａＩｎＡｓＰを用いるとバンドギャップ△Ｅが小さくなり、ベース層部分においてＥｃが下がることから、伝導帯エネルギーの差△Ｅｃ（スパイク）が小さくなる。

また、ベース層のＧａＩｎＡｓＰをＩｎＧａＰと格子整合する組成で適用すると、バンドギャップ△Ｅをより小さくなるように調整することができる。よって伝導帯エネルギーの差△Ｅｃ（スパイク）を小さくし、良好な特性のＨＢＴを得ることができる。

例えば、ベース層のＧａＩｎＡｓＰをＧａＰとＩｎＡｓの混晶と考えると、ＧａＰ：０．６６７のとき（ＩｎＡｓ：１−０．６６７）、つまりＧａ_0.667Ｉｎ_0.333Ａｓ_0.333Ｐ_0.667とＩｎ_0.484Ｇａ_0.516ＰがＧａＡｓと格子整合する（５．６５６オングストローム）。

そこで、エミッタ層をＩｎ_0.484Ｇａ_0.516Ｐとし、ベース層をＧａ_0.667Ｉｎ_0.333Ａｓ_0.333Ｐ_0.667とする組み合わせを考え、ベース層にエミッタ層のＩｎＧａＰと格子整合するＧａＩｎＡｓＰを適用したところ、ＨＢＴのターンＯＮ電圧を小さくすることができた。これはベース−エミッタ界面の伝導帯のエネルギー不連続値が緩和され、△Ｅｃを小さくすることができたと言える。

本発明は、半絶縁性のＧａＡｓ基板上に、ｎ型伝導のＧａＡｓサブコレクタ層と、ｎ型伝導のＧａＡｓコレクタ層と、ｐ型伝導のベース層と、ｎ型伝導のＩｎＧａＰ又はＡｌＧａＡｓから成るエミッタ層と、ｎ型伝導のＧａＡｓエミッタコンタクト層と、ｎ型伝導のＩｎＧａＡｓノンアロイ層を含む化合物半導体層を形成したヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、上記ベース層がＧａＩｎＡｓＰから成るという特異な構造をもつものであり、これにより伝導帯エネルギーの差△Ｅｃ（スパイク）を小さくし、良好な特性のＨＢＴを得ることができる。

特に上記ベース層が、エミッタ層のＩｎＧａＰと格子整合する組成又はＧａＩｎＡｓＰの格子定数とのズレが２％未満となる組成を持ったＧａＩｎＡｓＰから成るか、ＩｎＧａＰとＧａＩｎＡｓＰがＧａＡｓと格子整合する組成を持ったＧａＩｎＡｓＰから成るか、又は上記ＩｎＧａＰエミッタ層と上記ＧａＩｎＡｓＰベース層がＧａＡｓと格子整合する組成を持つか、いずれかの構成とすることにより、ベース−エミッタ界面の伝導帯エネルギー差△Ｅｃをより小さくし、良好な特性のＨＢＴを得ることができる。

よって、本発明によれば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのターンＯＮ電圧を減少させ、これにより優れた特性のヘテロ接合バイポーラトランジスタを作製することができ、これを用いて低電圧動作の電力増幅器を構成した場合には、良好な効率を実現することが可能である。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。

図１に本発明の実施形態に係るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造を示す。このＨＢＴ用エピタキシャルウェハは、図１に示すように半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、順次、サブコレクタ層２としてｎ⁺型ＧａＡｓ、コレクタ層３としてアンドープＧａＡｓまたはｎ^-型ＧａＡｓ、ベース層１４としてｐ⁺型ＧａＩｎＡｓＰ、エミッタ層１５としてｎ型ＩｎＧａＰ、エミッタコンタクト層６としてｎ⁺型ＧａＡｓ、ノンアロイ層７としてｎ⁺型ＩｎＧａＡｓを成長した構成を有する。

またＨＢＴの構造は基本的には図４と同様であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、ｎ⁺型ＧａＡｓサブコレクタ層２、ｎ^-型ＧａＡｓコレクタ層３、及びｐ⁺型ＧａＩｎＡｓＰベース層１４を順次形成し、ベース層１４の上にベース電極９とＩｎＧａＰエミッタ層１５とを独立して形成し、エミッタ層１５の上のＧａＡｓエミッタコンタクト層６及びＩｎＧａＡｓノンアロイ層７と、エミッタ電極８を形成し、サブコレクタ層２の上にコレクタ電極１０を形成したものである。

ここでｐ⁺型ＧａＩｎＡｓＰベース層１４は、エミッタ層１５のＩｎＧａＰと格子整合する組成を持ったＧａＩｎＡｓＰから成る。また、ＧａＩｎＡｓＰベース層１４はＧａＡｓと格子整合する組成を持つ。そして、ＩｎＧａＰエミッタ層１５は、ベース層に使用したＧａＩｎＡｓＰの格子定数とのズレが２％未満となる組成をもつ。またＩｎＧａＰエミッタ層１５はＧａＡｓと格子整合する組成を持つ。これらの条件を満たす組み合わせとして、ここではＧａ_0.667Ｉｎ_0.333Ａｓ_0.333Ｐ_0.667からなるベース層１４と、Ｉｎ_0.484Ｇａ_0.516Ｐから成るエミッタ層１５との組み合わせを用いる。

図２にエミッタ・ベース接合におけるバンド図を示す。伝導帯のエネルギーＥｃと価電子帯のエネルギーＥｖとの差△Ｅがバンドギャップであるが、ベース層１４にＧａＩｎＡｓＰを用いて、そのバンドギャップ△Ｅをできるだけ小さく抑えると、図２のベース層部分において、Ｅｃが下がることから、△Ｅｃは小さくなる。よって、ベース層１４とエミッタ層１５を上記組成にすることによって、ＧａＩｎＡｓＰの組成をＩｎＧａＰと格子整合させながら、バンドギャップがより小さくなるように調整することができる。

本発明の効果を確認するため、以下に述べる実施例のＨＢＴを試作した。

この化合物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハは、図１に示すように半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、順次、サブコレクタ層２として５００〜１０００nｍのｎ⁺型ＧａＡｓ（キャリア濃度３〜５×１０¹⁸cm^-3）、コレクタ層３として２００〜１２００nｍのアンドープＧａＡｓまたはｎ^-型ＧａＡｓ（キャリア濃度１〜３０×１０^l6cm^-3）、ベース層１４として５０〜１００nｍのｐ⁺型ＧａＩｎＡｓＰ（キャリア濃度２〜４×１０¹⁹cm^-3）を成長した。

ここでベース層１４のＧａＩｎＡｓＰはエミッタ層１５のＩｎＧａＰと格子整合する組成とした。具体的には、ベース層１４のＧａＩｎＡｓＰとエミッタ層１５のＩｎＧａＰがＧａＡｓと格子整合する組成であるＧａ_0.667Ｉｎ_0.333Ａｓ_0.333Ｐ_0.667とした。

そのベース層１４上に、エミッタ層１５として３０〜８０nｍのｎ型ＩｎＧａＰ（キャリア濃度３〜５×１０¹⁷cm^-3）を成長した。ここでエミッタ層１５のＩｎＧａＰの組成は、ベース層１４に使用したＧａＩｎＡｓＰの格子定数とのズレが２％未満となる組成とした。具体的には、エミッタ層１５のＩｎＧａＰはＧａＡｓと格子整合する組成であるＩｎ_0.484Ｇａ_0.516Ｐとした。

この上に、エミッタコンタクト層６として１００〜３００nｍのｎ⁺型ＧａＡｓ（キャリア濃度３〜５×１０¹⁸cm^-3）、ノンアロイ層７として１００〜１５０nｍのｎ⁺型ＩｎＧａＡｓ（キャリア濃度１〜５×１０¹⁹cm^-3）を成長した。

そして、ＨＢＴを構成すべく、ベース層１４の上にベース電極９、ノンアロイ層７上にエミッタ電極８を形成し、サブコレクタ層２の上にコレクタ電極１０を形成した。

本発明の効果を確認するため、上記実施例に係るＧａＩｎＡｓＰをベース層として適用したＨＢＴ（図１）と、従来のＧａＡｓをベース層として適用したＨＢＴ（図４）のターンＯＮ電圧を比較した。それぞれのベース抵抗は２２０±５Ω／□とし、βは１２０〜１３０である。ターンＯＮ電圧は測定温度に依存するため、測定温度は２３℃とした。

図３は両ＨＢＴの電流−電圧特性をベース電流Ｉｂ１、Ｉｂ２、…Ｉｂ４をパラメータとして示すもので、縦軸Ｉｃはコレクタ電流、横軸Ｖｃeはコレクタ・エミッタ電圧である。この電圧−電流特性図（図３）中に示すように、従来構造のＨＢＴにおけるターンＯＮ電圧が１．１０Ｖであったのに対し、本実施例（本発明構造）のＨＢＴにおけるターンＯＮ電圧は０．７４Ｖであり、従来より小さくすることが出来た。

＜他の実施例、変形例＞
上記実施例ではエミッタ層にＩｎＧａＰを用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハについて説明したが、本発明はエミッタ層としてＡｌＧａＡｓを用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいても適用することができる。

本発明のＨＢＴのエピタキシャルウェハ構造を示す図である。本発明のＨＢＴのエネルギーバンド図である。本発明のＨＢＴのＶｃｅ−Ｉｃ特性曲線である。従来のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴのエピタキシャルウェハ構造を示す図である。従来のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴのエネルギーバンド図である。

符号の説明

１半絶縁性ＧａＡｓ基板
２サブコレクタ層（ｎ⁺型ＧａＡｓ）
３コレクタ層（ｎ^-型ＧａＡｓ）
６エミッタコンタクト層（ｎ⁺型ＧａＡｓ）
７ノンアロイ層（ｎ⁺型ＩｎＧａＡｓ）
１４ベース層（ｐ⁺型ＧａＩｎＡｓＰ）
１５エミッタ層（ｎ型ＩｎＧａＰ）

Claims

半絶縁性のＧａＡｓ基板上に、ｎ型伝導のＧａＡｓのサブコレクタ層と、ｎ型伝導のＧａＡｓのコレクタ層と、ｐ型伝導のベース層と、ｎ型伝導のＡｌＧａＡｓあるいはＩｎＧａＰから選択される材料より構成されるエミッタ層と、ｎ型伝導のＧａＡｓのエミッタコンタクト層と、ｎ型伝導のＩｎＧａＡｓノンアロイ層を含む化合物半導体層を形成したヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、
上記ベース層がＧａＩｎＡｓＰから成ることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハ。
半絶縁性のＧａＡｓ基板上に、ｎ型伝導のＧａＡｓサブコレクタ層と、ｎ型伝導のＧａＡｓコレクタ層と、ｐ型伝導のベース層と、ｎ型伝導のＩｎＧａＰエミッタ層と、ｎ型伝導のＧａＡｓエミッタコンタクト層と、ｎ型伝導のＩｎＧａＡｓノンアロイ層を含む化合物半導体層を形成したヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、
上記ベース層が、エミッタ層のＩｎＧａＰと格子整合する組成を持ったＧａＩｎＡｓＰから成ることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハ。
請求項２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、
ＩｎＧａＰとＧａＩｎＡｓＰがＧａＡｓと格子整合する組成を持ったＧａＩｎＡｓＰをベース層に用いたことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハ。
請求項２又は３記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、
ベース層に使用したＧａＩｎＡｓＰの格子定数とのズレが２％未満となる組成をもったＩｎＧａＰをエミッタ層に用いたことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハ。
請求項２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、
上記ＩｎＧａＰエミッタ層と上記ＧａＩｎＡｓＰベース層がＧａＡｓと格子整合する組成を持つことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハ。