JP2005229074A - バイポーラ型トランジスタ - Google Patents
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Abstract
【課題】 動作電圧が低いＧａＡｓ系のバイポーラ型トランジスタを提供する。
【解決手段】 ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型コレクタ領域と、前記ｎ型コレクタ領域上に形成され前記ＧａＡｓ基板と格子整合する組成のｐ型のＳｉＧｅからなるベース層を有するｐ型ベース領域と、前記ｐ型ベース領域上に形成されたｎ型エミッタ領域と、を備えることを特徴とするバイポーラ型トランジスタを提供する。またＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成され、前記ＧａＡｓ基板と格子整合する組成の第１導電型のＳｉＧｅからなるコレクタコンタクト層を有する第１導電型コレクト領域と、前記第１導電型コレクタ領域上に形成された第２導電型ベース領域と、前記第２導電型ベース領域上に形成された第１導電型エミッタ領域と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】 ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型コレクタ領域と、前記ｎ型コレクタ領域上に形成され前記ＧａＡｓ基板と格子整合する組成のｐ型のＳｉＧｅからなるベース層を有するｐ型ベース領域と、前記ｐ型ベース領域上に形成されたｎ型エミッタ領域と、を備えることを特徴とするバイポーラ型トランジスタを提供する。またＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成され、前記ＧａＡｓ基板と格子整合する組成の第１導電型のＳｉＧｅからなるコレクタコンタクト層を有する第１導電型コレクト領域と、前記第１導電型コレクタ領域上に形成された第２導電型ベース領域と、前記第２導電型ベース領域上に形成された第１導電型エミッタ領域と、を備えることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
本発明は、バイポーラ型トランジスタに関し、特に高周波動作に用いるバイポーラ型トランジスタに関する。
３−５族化合物半導体であるＧａＡｓ系のトランジスタは、Ｓｉトランジスタに比べて、高動作周波数、低雑音、高出力、高利得、低動作電圧、高動作効率、及び低消費電力など、さまざまな優れた特徴を有している。これらの特徴のために、ＧａＡｓ系電界効果型トランジスタ(Field Effect Transistor、以下ＦＥＴ)やヘテロ接合バイポーラ型トランジスタ(Heterojunction Bipolar Transistor、以下ＨＢＴ)は、移動体通信用のデバイスなどとしてすでに実用化されている。このＧａＡｓ系トランジスタの中でも、ＨＢＴは、ＦＥＴと比べて、高利得、高耐圧、等の利点を有しており、増幅器や発振器として優れている。
図５は、従来のＧａＡｓ系ＨＢＴを示す図である。半絶縁性のＳＩ−ＧａＡｓ基板４０１上にはＧａＡｓバッファ層４０２、ｎ型ＧａＡｓコレクタコンタクト層４０３、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層４０４、ｐ型ＧａＡｓベース層４０５、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層４０６、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ抵抗層４０７、ｎ型ＧａＡｓ層４０８、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層４０９、が順次形成されている。そして、ｎ型ＧａＡｓコレクタコンタクト層４０３、ｐ型ＧａＡｓベース層４０５、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層４０９、にはそれぞれコレクタ電極４２１、ベース電極４２２、エミッタ電極４２３、が形成されている。
この図５のＧａＡｓ系ＨＢＴは、ＧａＡｓ基板４０１上およびＧａＡｓ層４０２〜４０５、４０８に、これと格子整合するＩｎＧａＰ層４０６〜４０７を組み合わせた構造である。このように、２つ以上の異なった大きさのバンドギャップの半導体を接合させ、エミッタ材料にバンドギャップの大きい半導体を用いたバイポーラ型トランジスタは、ＨＢＴと呼ばれる。このＨＢＴでは、最上層のエミッタコンタクト層４０９にエネルギーギャップの小さいＩｎＧａＡｓ層を用いて、エミッタコンタクト層４０９の接触抵抗を下げている。このように、ＧａＡｓ系ＨＢＴでは、バンドギャップが異なる半導体ＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓを組み合わせることによって、優れた特性が得られるようにしている。
さらに、最近では、ＧａＡｓ系ＨＢＴに、ＧｅやＩｎＧａＡｓＮ等の材料を組み合わせる新たなトランジスタも提案されている（非特許文献１参照）。
「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィズィックス（Japanese Journal of Applied Physics）」、１９９１年、３０巻、ｐｐ．１６５９−１６６３
「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィズィックス（Japanese Journal of Applied Physics）」、１９９１年、３０巻、ｐｐ．１６５９−１６６３
従来のＧａＡｓ系ＨＢＴには、動作電圧が高いという問題があった。
すなわち、ＧａＡｓ系のＨＢＴを用いた増幅回路においては、通常エミッタフォロー型の構成をとっており、制御電圧として、ベース−エミッタ間電圧ＶＢＥの２倍以上の電圧が必要となる。このベース−エミッタ間電圧ＶＢＥは、ベース層材料のバンドギャップエネルギーに大きく関係する。ところが、図５のＨＢＴのようにベース層４０５がＧａＡｓの場合、このＧａＡｓのバンドギャップエネルギーはＳｉよりも大きく、ＶＢＥは１．２〜１．３Ｖ程度となる。このため、制御電圧が２．８Ｖ程度必要となり、動作電圧が高くなってしまった。
上記の制御電圧を低下させることができれば、低消費電力化等に有利であることは明らかである。このように制御電圧を低下させる方法としては、ベース層にＧａＡｓよりもバンドギャップエネルギーが低い材料を用いる方法が提案されている。しかし、いずれ材料を用いる方法にも問題があった。
具体的には、上記の非特許文献１には、ベース層の材料として、Ｇｅを用いるトランジスタが記載されている。このＧｅのバンドギャップ（約０．７ｅＶ）は、ＧａＡｓのバンドギャップ（約１．４ｅＶ）よりも小さい。また、このＧｅは、ＧａＡｓとの格子不整合も小さい。このため、この非特許文献１では、ＧａＡｓ系ＨＢＴにＧｅベース層を組み合わせることで、制御電圧が低いトランジスタを提供しようとしている。しかし、Ｇｅには、拡散が大きいという問題があった。この拡散のため、ＧａＡｓ系ＨＢＴにＧｅベース層を組み合わせても、実際には、実用化できるような特性のトランジスタは得られていなかった。また、ベース層の材料として、ＩｎＧａＡｓＮ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓを用いるトランジスタも提案されている。しかし、ＩｎＧａＡｓＮは、ＧａＡｓ基板に格子整合するが、結晶成長が難しく、エッチングも困難であり、理論上の理想的な電圧低減効果も０．２５ｅＶにとどまる。また、ＧａＡｓＳｂは、タイプII型のヘテロ界面を形成するという利点もあるが、格子不整合が大きく、結晶成長が困難である。また、ＩｎＧａＡｓは、エミッタコンタクト層等には汎用されているが、格子不整合が大きく、ベース層に用いるのは困難である。
このように、従来のＧａＡｓ系ＨＢＴでは、ベース層の材料としてＧａＡｓ以外の材料を用いても、良好な特性のトランジスタは得られなかった。このため、図５のような従来のＧａＡｓ系ＨＢＴでは、ベース層４０５にＧａＡｓを用いていたが、このトランジスタには制御電圧が高いという問題があった。
また、従来のＧａＡｓ系ＨＢＴは、図５に示すように、ベース層４０５と同様に、コレクタコンタクト層４０３にも、ＧａＡｓを用いていた。このため、コレクタ電圧が高いという問題もあった。
以上のように、従来のＧａＡｓ系ＨＢＴには、ベース−エミッタ間電圧ＶＢＥ、制御電圧、コレクタ電圧、等の動作電圧が高いという問題があった。
本発明はかかる課題の認識に基づくもので、その目的は、動作電圧が低いＧａＡｓ系のバイポーラ型トランジスタを提供することである。
本発明の実施の形態のバイポーラ型トランジスタは、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型コレクタ領域と、前記ｎ型コレクタ領域上に形成され前記ＧａＡｓ基板と格子整合する組成のｐ型のＳｉＧｅからなるベース層を有するｐ型ベース領域と、前記ｐ型ベース領域上に形成されたｎ型エミッタ領域と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の実施の形態のバイポーラ型トランジスタは、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に形成され、前記ＧａＡｓ基板と格子整合する組成の第１導電型のＳｉＧｅからなるコレクタコンタクト層を有する第１導電型コレクタ領域と、前記第１導電型コレクタ領域上に形成された第２導電型ベース領域と、前記第２導電型ベース領域上に形成された第１導電型エミッタ領域と、を備えることを特徴とする。
本発明では、格子整合するとは、格子不整合が１％以内であることを意味するものとする。このように格子不整合が１％以内であれば、ＭＯＣＶＤ法等の汎用されている結晶成長方法により結晶成長が可能である。
なお、Ｓｉ系のデバイスで用いられるＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）はシリコンに対して少量のゲルマニウムが添加された材料を意味するが、本発明では、ゲルマニウムに対して少量のシリコンが添加された材料もＳｉＧｅに含まれるものとする。
本発明によれば、ＧａＡｓ系ＨＢＴにおいて、ベース層またはコレクタコンタクト層にＧａＡｓ基板と格子整合する組成のＳｉＧｅを用いたので、動作電圧を低くすることができる。
以下、図面を参照にしつつ、本発明の実施の形態について説明する。本実施形態の特徴の１つは、例えば図１に示すように、ＧａＡｓ系ＨＢＴにおいて、ベース層１０５にＳｉＧｅ（Ｓｉ組成２．２％）を用いた点である。また、例えば図４に示すように、ＧａＡｓ系ＨＢＴにおいて、コレクタコンタクト層２０３にＳｉＧｅ（Ｓｉ組成２．２％）を用いた点である。これらにより、動作電圧を低くすることができる。以下では、ベース層１０５にＳｉＧｅを用いた第１の実施の形態と、コレクタコンタクト層２０３にＳｉＧｅを用いた第２の実施の形態と、の２つの実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態のバイポーラ型トランジスタを示す断面図である。このバイポーラ型トランジスタは、半絶縁性のＳＩ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ型ＧａＡｓコレクタコンタクト層１０３、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層１０４、ｐ型ＳｉＧｅ（Ｓｉ組成２．２％）ベース層１０５、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層１０６、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ抵抗層１０７、ｎ型ＧａＡｓ層１０８、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層１０９、を備えている。そして、ｎ型ＧａＡｓコレクタコンタクト層１０３、ｐ型ＧａＡｓベース層１０５、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層１０９、にはそれぞれコレクタ電極１２１、ベース電極１２２、エミッタ電極１２３、が形成されている。
図１は、本発明の第１の実施の形態のバイポーラ型トランジスタを示す断面図である。このバイポーラ型トランジスタは、半絶縁性のＳＩ−ＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＡｓバッファ層１０２、ｎ型ＧａＡｓコレクタコンタクト層１０３、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層１０４、ｐ型ＳｉＧｅ（Ｓｉ組成２．２％）ベース層１０５、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層１０６、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ抵抗層１０７、ｎ型ＧａＡｓ層１０８、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層１０９、を備えている。そして、ｎ型ＧａＡｓコレクタコンタクト層１０３、ｐ型ＧａＡｓベース層１０５、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層１０９、にはそれぞれコレクタ電極１２１、ベース電極１２２、エミッタ電極１２３、が形成されている。
上記の層のうち、ｎ型ＧａＡｓコレクタコンタクト層１０３およびｎ型ＧａＡｓコレクタ層１０４は、ｎ型コレクタ領域として把握することができる。また、ｐ型ＳｉＧｅベース層は、ｐ型ベース領域として把握することができる。また、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層１０６〜ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層１０９は、ｎ型エミッタ領域として把握することができる。これらのｎ型コレクタ領域１０３〜１０４、ｐ型ベース領域１０５、およびｎ型エミッタ領域のうちの１０６〜１０８は、ＧａＡｓ基板１０１と格子整合する材料で形成されている。ここで、格子整合するとは、格子不整合が１％以内であることを意味する。このように格子不整合が１％以内であれば、後述のＭＯＣＶＤ法等により、良質な結晶の成長が可能である。
この図１のトランジスタの特徴の１つは、ベース層１０５の材料に、ＳｉＧｅを用いている点である。このＳｉＧｅベース層１０５は、従来のＧａＡｓベース層４０５（図５）に比べ、図１に示すように、薄い膜厚で形成されている。このように膜厚を薄くすることができるのは、ＳｉＧｅの比抵抗がＧａＡｓよりも小さいからである。
上記の図１のトランジスタは、ｎ型コレクタ領域１０３〜１０４と、ｐ型ベース領域１０５と、ｎ型エミッタ領域１０６〜１０９と、を有するｎｐｎ接合のバイポーラ型トランジスタである。このバイポーラ型トランジスタは、バンドギャップが異なる複数の半導体ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ、ＩｎＧａＰを用い、エミッタ層１０６のバンドギャップがベース層１０５のバンドギャップよりも大きくなっている。このようなバイポーラ型トランジスタは、ヘテロ接合バイポーラ型トランジスタ（ＨＢＴ）と呼ばれる。また、このＨＢＴは、ＧａＡｓ基板１０１を用いたＧａＡｓ系ＨＢＴである。このＧａＡｓ系ＨＢＴは、通常のｎｐｎ接合のＧａＡｓ系ＨＢＴと同様に、コレクタ電極１２１、ベース電極１２２、エミッタ電極１２３、に電圧を印加して使用される。
次に、図１のＧａＡｓ系ＨＢＴの製造方法について説明する。
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０１をＭＯＣＶＤ装置内の加熱可能なサセプタ上に配置する。その後、この基板１０１を６５０℃程度の温度にまで加熱し、ＡｓＨ３ガス雰囲気下で約10分間放置し、表面の自然酸化膜等を除去する。
次に、ＡｓＨ３ガスに追加して、水素ガスをキャリアガスとするＴＭＧ（トリメチルガリウム）を供給し、ＧａＡｓバッファ層１０２を成長する。
次に、これらの原料にＳｉＨ４ガスを追加供給することによって、ｎ型ＧａＡｓコレクタコンタクト層１０３およびn型ＧａＡｓコレクタ層１０４を成長する。ここで、これら２つの層１０３、１０４は、キャリア濃度が異なっている。このキャリア濃度は、ＳｉＨ４ガスの供給量を調整するか、または、濃度の異なる２本のＳｉＨ４ガスボンベを用意して供給流量を一定にした状態で２本のガスの供給を切り換えることによって調整する。
次に、ＡｓＨ３ガス雰囲気下で基板１０１の温度を４５０℃まで下げ、この温度でＳｉＨ４、ＧｅＨ４、ＴＭＧを供給することによって、ｐ型ＳｉＧｅベース層１０５を成長する。この時、成長温度によって界面での障壁の高さが変化するので注意が必要である。具体的には、伝導帯におけるバンドラインアップで言うと、成長温度が高い場合にはＧａＡｓ層１０４に対してＳｉＧｅ層１０５が井戸となり、成長温度が低い場合にはＧａＡｓ層１０４に対してＳｉＧｅ層１０５が障壁となる。本実施形態では、タイプII型のへテロ界面を形成する方が正孔の逆注入が起こりにくくＨＢＴデバイスとしては有利であるので、ベース層１０５は低温で成長している。また、後述のように、このｐ型ＳｉＧｅベース層１０５は高濃度にドーピングすることが可能であるので、層厚を薄くすることができる。
次に、ＡｓＨ３ガス雰囲気下で基板１０１の温度を６００℃まで上げ、その温度でＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＰＨ３ガスおよびＳｉＨ４ガスを供給し、ｎ型ＩｎＧａＰ層１０６、１０７を成長する。
次に、供給する原料ガスをＴＭＧ、ＡｓＨ３ガスおよびＳｉＨ４ガスに切り換え、ｎ型ＧａＡｓ層１０８を成長する。
次に、ＡｓＨ３ガス雰囲気下で基板１０１の温度を４５０℃まで下げ、原料ガスとしてＴＥＧ、ＴＭＩ、ＡｓＨ３ガスおよびＤＥＴｅを供給し、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層１０９を成長する。この層１０９は、ＧａＡｓ層１０８やＩｎＧａＰ１０６、１０７層などとは格子整合しないので、傾斜接合部(Ｉｎ組成を連続的に変化させたＩｎＧａＡｓ層)を設けることが望ましい。
次に、この成長したウエハーを成長装置より取り出し、ＩｎＧａＡｓ１０９層およびＧａＡｓ層１０８、１０４には燐酸と過酸化水素水と純水との混合溶液、ＩｎＧａＰ層１０７、１０６には塩酸、ＳｉＧｅ層１０５には過酸化水素水系の混酸を用いることにより選択的にエッチング除去し、ベース層１０５およびコレクタコンタクト層１０３を露出させる。その後、リフトオフプロセスを用いて適宜オーミック電極１２１〜１２３を形成する。電極に用いる金属材料としては、例えば、コレクタ電極１２１およびエミッタ電極１２３については、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉの積層構造、ベース電極１２２についてはＡｕ−Ｇｅの合金をあげることができる。
次に、上記の素子構造を分離・分割し、別に用意したＡｌＮマウント用支持基板上に配置し、他の素子と組み合わせ・結合し、モールドなどの処理を施し、図１のトランジスタが製造される。
以上説明した方法によって製造される図１のＧａＡｓ系ＨＢＴの特徴の１つは、ベース層１０５にＳｉＧｅ（Ｓｉ組成２．２％）を用いた点である。このＳｉＧｅのバンドギャップは約０．７ｅＶであり、ＧａＡｓのバンドギャップ約１．４ｅＶやＳｉのバンドギャップ約１．１ｅＶよりも小さい。またＧｅは、ｐ型キャリア濃度を非常に高くすることができる。このため、図１のトランジスタでは、動作電圧を低減することができる。具体的には、動作電流値にもよるがベース−エミッタ間電圧ＶＢＥを約０．６〜０．７Ｖにすることができる。その結果、エミッタフォロー構造の回路においても、制御電圧を２Ｖ以下程度にまで低減することができる。
また、ＳｉＧｅは、ＩｎＧａＡｓＮやＧａＡｓＳｂなどと異なり、水素によるアクセプタ不純物の不活性化が生じない。このため、ＳｉＧｅを用いたことにより余分な熱処理が増えることはなく、プロセスにおける素子劣化が生じることもない。
もっとも、従来、当業者では、ＧａＡｓ系ＨＢＴにＳｉＧｅベース層１０５を用いる方法は行われていなかった。これは、ＧａＡｓ系ＨＢＴにＧｅ層を設けてもＧｅの拡散により良好な素子特性が得られなかったこと、および、拡散理論によればＧｅに数パーセントのＳｉを加えてもＧｅの拡散はほとんど減らないこと、からである。しかしながら、本発明者は、実験により、ＧａＡｓ系ＨＢＴでは、Ｇｅ層に少量のＳｉを混ぜることで、急激にＧｅの拡散が少なくなることを独自に知得した。このことを、図２を用いて説明する。
図２は、図１と同様の構造のトランジスタにおいて、ｐ型のＳｉＧｅまたはＧｅからなるベース層１０５のＳｉ組成を変化させた場合の、ベース層１０５からＧａＡｓコレクタ層１０４へのＧｅの拡散距離を示す図である。横軸はベース層１０５のＳｉ組成（％）を、縦軸はＧｅの拡散距離（μｍ）を、それぞれ示している。図２に示すようにベース層１０５をＧｅにした場合（Ｓｉ組成０％の場合）、拡散距離は１０μｍ以上になってしまう。この場合は、Ｇｅの拡散により、素子特性が劣化する。しかし、ベース層１０５に０．５％程度の少量のシリコンを添加すると、拡散は１／１０程度に急激に減少する。そして、シリコン添加量を２．５％程度まで増やすにつれて、拡散はさらに減少する。このような急激な拡散の減少は、従来の拡散の理論だけでは説明できない。このような急激な拡散の減少の理由について、本発明者は、次のように考えている。
すなわち、Ｇｅに少量（０より大きく２．５％程度以下）のＳｉを添加したＳｉＧｅからなるベース層１０５は、Ｇｅからなるベース層に比べ、ＧａＡｓ基板１０１およびＧａＡｓコレクタ層１０４との格子定数が近くなる。このように格子定数が近くなると、ベース層１０５およびコレクタ層１０４の結晶欠陥や転移が減少する。このように結晶欠陥や転移が減少すると、ベース層１０５からコレクタ層１０４へのＧｅの拡散が減少する。また、Ｇｅに少量のＳｉを添加した材料は、Ｇｅに比べ、何らかの理由により、結晶欠陥や転位が発生しにくくなると思われる。これらにより、少量のＳｉの添加でも、ベース層１０５からコレクタ層１０４へのＧｅの拡散が急激に減少すると考えている。
このように、図１のトランジスタでは、Ｇｅの拡散による素子特性の劣化がほとんど起こらないので、良好な特性が得られる（図２）。
また、図１のトランジスタでは、正孔移動度を非常に高くし、優れた高周波特性を得ることができる。これを、図３を用いて説明する。
図３は、図１と同様の構造のトランジスタにおいて、ｐ型のＳｉＧｅまたはＧｅからなるベース層１０５のＳｉ組成を変化させた場合の、ベース層１０５のホール移動度を示す図である。横軸はベース層１０５のＳｉ組成（％）を、縦軸はホール移動度（ｃｍ２／Ｖｓ）を、それぞれ示している。測定温度は、３００Ｋである。ここで、参考として、図１のトランジスタに用いられている材料の３００Ｋでの物性的なホール移動度を示すと、Ｓｉが４８０ｃｍ２／Ｖｓ、Ｇｅが１５００ｃｍ２／Ｖｓ、ＧａＡｓが４２０ｃｍ２／Ｖｓである。
図３に示すように、ベース層１０５がＧｅの場合（Ｓｉ組成０％の場合）、ホール移動度は１１８０ｃｍ２／Ｖｓである。その後Ｓｉ組成を高くしていると、Ｓｉ組成が２．２％に近づくにつれて、ホール移動度が上昇する。そして、Ｓｉ組成が２．２％で、ホール移動度は最大値約１３００ｃｍ２／Ｖｓとなる。その後、Ｓｉ組成を２．２％よりも高くすると、ホール移動度は減少する。
この図３のような結果は、従来の技術常識には反することである。なぜなら、上述のＧｅとＳｉのホール移動度からすれば、ＳｉＧｅをベース層１０５に用いると、Ｇｅをベース層１０５に用いるよりも、ベース層１０５のホール移動度が減少するはずだからである。しかしながら、本発明者の実験によれば、ＧａＡｓ系ＨＢＴのベース層１０５では、図３に示すように、ＧｅにＳｉを２．２％添加した場合に高いホール移動度が得られた。この理由について、本発明者は、ＳｉＧｅのＳｉ組成を２．２％とすると、ＳｉＧｅとＧａＡｓとの格子定数がほぼ一致し、ＳｉＧｅからなるベース層１０５の転位や欠陥が極めて少なくなるからであると考えている。
このように、図１のトランジスタでは、ベース層１０５の移動度を極めて高くすることができる（図３）。このため、図１のトランジスタでは、高周波特性に優れたトランジスタを提供することができる。
また、図１のトランジスタでは、ベース層１０５に高濃度のドーピングをし、ベース層１０５を薄膜化することができる。これにより、トランジスタを高速化し、さらに優れた高周波特性を得ることができる。
以上説明した図１のＧａＡｓ系ＨＢＴでは、ｐ型ＳｉＧｅベース層１０５のＳｉ組成を２．２％とした。しかし、このＳｉＧｅベース層１０５は、ＧａＡｓ基板１０１と格子整合する組成（Ｓｉ組成ゼロは含まない）、好ましくはＳｉ組成を２％以上２．５％以下、さらに好ましくはＳｉ組成を２．２％、とすることができる。ベース層１０５とＧａＡｓ基板１０１とが格子整合すれば（格子不整合が１％以下であれば）、前述のように、ＭＯＣＶＤ法等の一般的な結晶成長方法による成長が可能である。また、Ｓｉ組成を２％以上２．５％以下とすることで、Ｇｅの拡散を減らし（図２）、かつ、ベース層１０５のホール移動度を高くすることができる（図３）。また、Ｓｉ濃度を２．２％とすれば、ホール移動度を極めて高くし、優れた高周波特性を得ることができる。
また、図１のＧａＡｓ系ＨＢＴでは、成長方法としてMOCVD法を用いたが、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法)を用いることも可能である。
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態のＧａＡｓ系ＨＢＴの特徴の１つは、図４に示すように、コレクタコンタクト層２０３の材料に、ＳｉＧｅを用いた点である。
第２の実施の形態のＧａＡｓ系ＨＢＴの特徴の１つは、図４に示すように、コレクタコンタクト層２０３の材料に、ＳｉＧｅを用いた点である。
図４は、本発明の第２の実施の形態のバイポーラ型トランジスタを示す断面図である。このバイポーラ型トランジスタは、半絶縁性のＳＩ−ＧａＡｓ基板２０１上に、ＧａＡｓバッファ層２０２、ｎ型ＳｉＧｅ（Ｓｉ組成２．２％）コレクタコンタクト層２０３、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層２０４、ｐ型ＧａＡｓベース層２０５、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２０６、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ抵抗層２０７、ｎ型ＧａＡｓ層２０８、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層２０９、を備えている。そして、ｎ型ＳｉＧｅコレクタコンタクト層２０３、ｐ型ＧａＡｓベース層２０５、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層２０９、にはそれぞれコレクタ電極２２１、ベース電極２２２、エミッタ電極２２３、が形成されている。
上記の層のうち、ｎ型ＧａＡｓコレクタコンタクト層２０３およびｎ型ＳｉＧｅコレクタ層２０４は、ｎ型コレクタ領域として把握することができる。また、ｐ型ＧａＡｓベース層は、ｐ型ベース領域として把握することができる。また、ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層１０６〜ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層１０９は、ｎ型エミッタ領域として把握することができる。これらのｎ型コレクタ領域２０３〜２０４、ｐ型ベース領域２０５、およびｎ型エミッタ領域２０６〜２０９は、ＧａＡｓ基板２０１と格子整合する材料で形成されている。
図４のトランジスタの特徴の１つは、コレクタコンタクト層２０３の材料に、ＳｉＧｅを用いている点である。このＳｉＧｅコレクタコンタクト層２０３は、従来のＧａＡｓコレクタコンタクト層４０３（図５）に比べ、図４に示すように、薄い膜厚で形成されている。具体的には、従来のＧａＡｓコレクタコンタクト層４０３（図５）の厚さが５００ｎｍ程度であるのに対し、図４のＳｉＧｅコレクタコンタクト層２０３の膜厚は２００ｎｍ以下である。このように膜厚を薄くすることができるのは、ＳｉＧｅの抵抗がＧａＡｓよりも小さいからである。
次に、図４のＧａＡｓ系ＨＢＴの製造方法について説明する。
まず、半絶縁性ＧａＡｓ基板２０１をＭＯＣＶＤ装置内の加熱可能なサセプタ上に配置する。この基板２０１を６５０℃程度の温度にまで加熱し、ＡｓＨ３ガス雰囲気下で約１０分間放置し、表面の自然酸化膜等を除去する。
次に、ＡｓＨ３ガスに追加して、水素をキャリアガスとしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）を供給し、ＧａＡｓバッファ層２０２を成長する。
次に、ＳｉＨ４ガス、ＧｅＨ４ガスおよびＡｓＨ３ガスを供給することによって、n型ＳｉＧｅコレクタコンタクト層２０３を成長する。
次に、ＡｓＨ３ガス、ＴＭＧ、ＳｉＨ４ガスを供給し、n型ＧａＡｓコレクタ層２０４を成長する。
次に、ＡｓＨ３ガス雰囲気下で基板２０１の温度を５２０℃まで下げ、その状態で低流量のＡｓＨ３ガスとＴＭＧとを供給することによってｐ型ＧａＡｓベース層２０５を成長する。この場合、ＣＢｒ４などの炭素含有原料を供給することでも成長は可能である。
次に、ＡｓＨ３ガス雰囲気下で基板２０１の温度を６００℃まで上げ、その温度でＴＭＧ、ＴＭＩ(トリメチルインジウム)、ＰＨ３ガスおよびＳｉＨ４ガスを用い、ｎ型ＩｎＧａＰ層２０６および２０７を成長する。ここで、これら２つの層２０６、２０７は、キャリア濃度が異なっている。このキャリア濃度は、ＳｉＨ４ガスの供給量を調整するか、または、濃度の異なる２本のＳｉＨ４ガスボンベを用意して供給流量を一定にした状態で２本のガスの供給を切り換えることによって調整する。
次に、供給する原料ガスをＴＭＧ、ＡｓＨ３ガスおよびＳｉＨ４ガスに切り換え、ｎ型ＧａＡｓ層２０８を成長する。
次に、ＡｓＨ３ガス雰囲気下で基板２０１の温度を４５０℃まで下げ、原料ガスとしてＴＥＧ(トリエチルガリウム)、ＴＭＩ、ＡｓＨ３ガスおよびＤＥＴｅ(ジエチルテルル)を供給し、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層２０９を成長する。
次に、この成長したウエハーを成長装置より取り出し、ＩｎＧａＡｓ２０９層およびＧａＡｓ層２０８、２０５、２０４には燐酸と過酸化水素水と純水との混合溶液、ＩｎＧａＰ層２０７、２０６には塩酸、を用いることにより選択的にエッチング除去し、ベース層２０５およびコレクタコンタクト層２０３を露出させる。このエッチングでは、コレクタコンタクト層２０３が異種材料ＳｉＧｅで構成されているので、コレクタコンタクト層２０３のオーバーエッチングが防止される。その後、リフトオフプロセスを用いて適宜オーミック電極２２１〜２２３を形成する。電極に用いる金属材料としては、例えば、コレクタ電極２２１およびエミッタ電極２２３については、Ａｕ／Ｇｅ／Ｎｉの積層構造、ベース電極２２２についてはＡｕ−Ｇｅの合金をあげることができる。
次に、上記の素子構造を分離・分割し、別に用意したＡｌＮマウント用支持基板上に配置し、他の素子と組み合わせ・結合し、モールドなどの処理を施し、図４のトランジスタが製造される。
以上説明した方法によって製造される図４のＧａＡｓ系ＨＢＴでは、コレクタコンタクト層２０３にＳｉＧｅ（Ｓｉ組成２．２％）を用いている。このＳｉＧｅは、前述のように、ＧａＡｓよりもバンドギャップが大幅に小さい。また、このＳｉＧｅは、ＧａＡｓに比べ、キャリア濃度を非常に高くすることができる。このような高キャリア濃度、低エネルギーギャップ層をコレクタコンタクト層２０３に用いることにより、動作電圧を低減することができる。
また、図４のＧａＡｓ系ＨＢＴでは、高キャリア濃度、低エネルギーギャップ層をコレクタコンタクト層２０３に用いたので、コレクタコンタクト層２０３を薄膜化することができる。
また、図４のＧａＡｓ系ＨＢＴでは、高電力注入時においてもコレクタコンタクト層２０３における電極接触抵抗を低減することが可能であるため、この電極接触部での発熱を抑制することができる。このため、熱的な暴走を起こすことなく、安定した動作を実現することができる。また、素子の長寿命化を図ることができる。
また、プロセス的にも素子間分離において、メサエッチング厚の低減やイオン注入の際のドーズ量、加速電圧を低減することができる。このため、素子全体に与えるダメージの低減を図り、素子形成プロセスの歩留まりを向上させるこができる。
また、図４のＧａＡｓ系ＨＢＴでは、第１の実施の形態（図１）と同様に、ｎ型ＳｉＧｅコレクタコンタクト層２０３からのＧｅの拡散によりトランジスタの特性が劣化することはほとんどない（図２）。
以上説明した図４のＧａＡｓ系ＨＢＴでは、ｎ型ＳｉＧｅコレクタコンタクト層２０３は、ＧａＡｓ基板１０１と格子整合する組成（Ｓｉ組成ゼロは含まない）とすることができる。
また、図４のＧａＡｓ系ＨＢＴでは、ｎ型とｐ型を逆にすることもできる。
１０１ ＳＩ−ＧａＡｓ基板
１０２ ＧａＡｓバッファ層
１０３ ｎ型ＧａＡｓコレクタコンタクト層（コレクタ領域）
１０４ ｎ型ＧａＡｓコレクタ層（コレクタ領域）
１０５ ｐ型ＳｉＧｅベース層（ベース領域）
１０６ ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層（エミッタ領域）
１０７ ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ抵抗層（エミッタ領域）
１０８ ｎ型ＧａＡｓ層（エミッタ領域）
１０９ ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層（エミッタ領域）
１２１ コレクタ電極
１２２ ベース電極
１２３ エミッタ電極
２０１ ＳＩ−ＧａＡｓ基板
２０２ ＧａＡｓバッファ層
２０３ ｎ型ＳｉＧｅコレクタコンタクト層（コレクタ領域）
２０４ ｎ型ＧａＡｓコレクタ層（コレクタ領域）
２０５ ｐ型ＧａＡｓベース層（ベース領域）
２０６ ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層（エミッタ領域）
２０７ ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ抵抗層（エミッタ領域）
２０８ ｎ型ＧａＡｓ層（エミッタ領域）
２０９ ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層（エミッタ領域）
２２１ コレクタ電極
２２２ ベース電極
２２３ エミッタ電極
１０２ ＧａＡｓバッファ層
１０３ ｎ型ＧａＡｓコレクタコンタクト層（コレクタ領域）
１０４ ｎ型ＧａＡｓコレクタ層（コレクタ領域）
１０５ ｐ型ＳｉＧｅベース層（ベース領域）
１０６ ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層（エミッタ領域）
１０７ ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ抵抗層（エミッタ領域）
１０８ ｎ型ＧａＡｓ層（エミッタ領域）
１０９ ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層（エミッタ領域）
１２１ コレクタ電極
１２２ ベース電極
１２３ エミッタ電極
２０１ ＳＩ−ＧａＡｓ基板
２０２ ＧａＡｓバッファ層
２０３ ｎ型ＳｉＧｅコレクタコンタクト層（コレクタ領域）
２０４ ｎ型ＧａＡｓコレクタ層（コレクタ領域）
２０５ ｐ型ＧａＡｓベース層（ベース領域）
２０６ ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層（エミッタ領域）
２０７ ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ抵抗層（エミッタ領域）
２０８ ｎ型ＧａＡｓ層（エミッタ領域）
２０９ ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層（エミッタ領域）
２２１ コレクタ電極
２２２ ベース電極
２２３ エミッタ電極
Claims (4)
- ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に形成されたｎ型コレクタ領域と、
前記ｎ型コレクタ領域上に形成され前記ＧａＡｓ基板と格子整合する組成のｐ型のＳｉＧｅからなるベース層を有するｐ型ベース領域と、
前記ｐ型ベース領域上に形成されたｎ型エミッタ領域と、
を備えることを特徴とするバイポーラ型トランジスタ。 - 前記ＳｉＧｅのＳｉ組成が、２．０％以上２．５％以下であることを特徴とする請求項１記載のバイポーラ型トランジスタ。
- ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に形成され、前記ＧａＡｓ基板と格子整合する組成の第１導電型のＳｉＧｅからなるコレクタコンタクト層を有する第１導電型コレクタ領域と、
前記第１導電型コレクタ領域上に形成された第２導電型ベース領域と、
前記第２導電型ベース領域上に形成された第１導電型エミッタ領域と、
を備えることを特徴とするバイポーラ型トランジスタ。 - 前記コレクタコンタクト層に接して形成されたコレクタ電極をさらに備えることを特徴とする請求項３記載のバイポーラ型トランジスタ。
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