JP2006303474A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】 キャリア注入（移動）効率が良く、耐圧と高速性を両立させたＨＢＴを安価にかつ再現性良く提供すること。
【解決手段】 Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ及びＳｂからなる群より選ばれた元素からなるIII−Ｖ族化合物半導体材料が、ＧａＡｓ基板１上にメタモルフィック成長して少なくともエミッタ層６、ベース層５及びコレクタ層４を形成してなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
ベース層５がＧａＡｓ_1-xＳｂ_xからなり
（但し、ｘは、前記ＧａＡｓ基板に格子整合する組成（ｘ＝０）とＩｎＰ基板に格 子整合する組成（ｘ＝０．５２）を含まない０＜ｘ＜０．５２である。）、
エミッタ層６及び前記コレクタ層４がそれぞれ、（ＡｌＧａ）_1-yＩｎ_yＰからなる
（但し、０．５＜ｙ＜１である。）
ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）１０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高速通信用素子として好適なヘテロ接合バイポーラトランジスタに関するものである。

ＩｎＰ基板に格子整合するＧａＡｓＳｂによってベース層を形成してなるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴと称する。）は、ＩｎＧａＡｓをベース層に用いるＨＢＴに置き換わる次世代の高速通信用素子として期待されている。

ＩｎＧａＡｓをベース層に、ＩｎＰをコレクタ層に用いるダブルへテロ接合バイポーラトランジスタ（ＤＨＢＴ）の場合、ベース層とコレクタ層との間に生じる伝導帯のエネルギー障壁により、デバイス特性の悪化が問題となる。この問題を回避するために、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＡｌＧａＡｓを用いた組成傾斜構造や、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓによるチャープド超格子を用いて、実効的な伝導帯位置を徐々に変化させることにより、ベース層からコレクタ層へ注入される電子に対する伝導帯のエネルギー障壁を下げ、素子特性悪化（電子の移動度の低下）を回避する技術が導入されている。

しかしながら、いずれの構造も大変複雑であり、素子再現性に問題があった。

ＧａＡｓＳｂをベース層に用いた場合、ＩｎＧａＡｓベース層の場合とは逆にＩｎＰコレクタ層の伝導帯よりも約０．１８ｅＶ高い位置に伝導帯が存在することが報告されている（後記の非特許文献１）。従って、この場合、コレクタ層とベース層との間において上記の如き複雑な構造を採用しなくても、単純なＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰヘテロ接合により伝導帯のエネルギー障壁に起因する特性悪化を回避し、再現性良くコレクタ層及びベース層を形成できる。これと同様の構造は、後記の特許文献１にも示されている。

また、ＩｎＰエミッタ層とＧａＡｓＳｂベース層の伝導帯位置に対し、両者の間に位置する伝導帯を有するＩｎＡｌＰ等をエミッタ層とベース層との間に導入することにより、特性悪化を回避する技術も報告されている（後記の非特許文献２）。

一方、Ｆｒａｎｋらは、後記の特許文献２において、Ｉｎ又はＡｌ或いはこれらの両者を含む材料をエミッタ層及びコレクタ層に用い、かつベース層にＧａを含む材料を用いることにより、伝導帯間に障壁のない構造を実現することを示している。図５には、各種材料のエネルギーギャップと格子定数の関係を示すが、報告例（例えば、後記の非特許文献１）を参考にして、ＧａＡｓＳｂベース層の伝導帯位置について修正を加え、図示の通りとしている。
IEEE Transactions on Electron Devices, vol.48,No.11 (2001) ,pp.2631-2639 2004年 秋季 第65回応用物理学会学術講演会 講演予稿集 3a-ZS-9小田ら 特開２００３−３４７３０７（第５欄７〜２８行目、図１） 米国特許第４，８２１，０８２号（第４欄５９行目〜第６欄２行目、ＦＩＧ．６）

上記した非特許文献１や特許文献１に示された構造のエネルギーバンドを図７について説明すると、ベース層とコレクタ層との接合面（界面）において、ＧａＡｓＳｂベース層の伝導帯は、ＩｎＰコレクタ層の伝導帯よりも約０．１８ｅＶ高い位置に存在することになるので、この差分（オフセット）によって、ベース層からコレクタ層へは電子の流れが生じる。

しかしながら、エミッタ層とベース層との界面に着目した場合、ＩｎＰエミッタ層からＧａＡｓＳｂベース層へ注入される電子に対してオフセットによるエネルギー障壁が存在し、キャリアの注入効率が悪化する。

この問題を回避するために、上記した非特許文献２に示されるように、ＩｎＰエミッタ層とＧａＡｓＳｂベース層の伝導帯位置に対し、両者の間に位置する伝導帯を有するＩｎＡｌＰ等をエミッタ層とベース層との間に導入した場合には、ＩｎＧａＡｓをベース層に、ＩｎＰをコレクタ層に用いた上記したＤＨＢＴのように、ベース層とコレクタ層との界面に中間層を形成する場合と同様に、素子再現性を悪化させることが懸念される。

また、ＩｎＧａＡｓをベース層とする上記したＨＢＴ、ＧａＡｓＳｂをベース層とする上記したＨＢＴともに、ＩｎＰ基板上に形成されるが、その基板コストはＧａＡｓ基板に対して５倍以上である上に、基板が非常に脆く、素子歩留り悪化の原因となっていた。

一方、上記した特許文献２において、ベース層にＧａＡｓＳｂを用いた場合、エミッタ層及びコレクタ層にはＩｎＡｌＰ又はＩｎＡｌＡｓ層が選択的に用いられる。しかしながら、この系では、図６（Ａ）に示すように、各層を成長させる際にIII族原料の供給を切り替える上で、シャッターシーケンスが複雑になるとともに、ＧａＡｓ基板からの格子不整合量が大きく、高密度に発生してしまうという問題を抱えていた。

以上から、本発明の目的は、キャリア注入（移動）効率が良く、耐圧と高速性を両立させたＨＢＴを安価にかつ再現性良く提供することにある。

即ち、本発明は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ及びＳｂからなる群より選ばれた元素からなるIII−Ｖ族化合物半導体材料が、ＧａＡｓ基板上にメタモルフィック成長して少なくともエミッタ層、ベース層及びコレクタ層を形成してなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記ベース層がＧａＡｓ_1-xＳｂ_xからなり
（但し、ｘは、前記ＧａＡｓ基板に格子整合する組成（ｘ＝０）とＩｎＰ基板に格 子整合する組成（ｘ＝０．５２）を含まない０＜ｘ＜０．５２である。）、
前記エミッタ層及び前記コレクタ層がそれぞれ、（ＡｌＧａ）_1-yＩｎ_yＰからなる
（但し、０．５＜ｙ＜１である。）
ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）（以下、本発明の第１のＨＢＴと称する。）に係るものである。

また、本発明は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ及びＳｂからなる群より選ばれた元素からなるIII−Ｖ族化合物半導体材料が、ＧａＡｓ基板上にメタモルフィック成長して少なくともエミッタ層、ベース層及びコレクタ層を形成してなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記ベース層がＧａＡｓ_1-xＳｂ_xからなり
〔但し、ｘは、前記ＧａＡｓ基板に格子整合する組成（ｘ＝０）とＩｎ_yＧａ_1-yＰ （但し、０＜ｙ＜１）に格子整合する組成ｘ₀に対し、０＜ｘ≦ｘ₀である。〕、
前記エミッタ層及び前記コレクタ層がそれぞれ、Ｉｎ_yＧａ_1-yＰ_zＡｓ_1-zからなる
（但し、０．５＜ｙ≦ｙ₀、０≦ｚ≦１であり、ｙ₀は、ｚ＝１においてＧａＡｓＳ ｂに格子整合するＩｎ組成である。）
ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）（以下、本発明の第２のＨＢＴと称する。）も提供するものである。

本発明の第１のＨＢＴによれば、ＧａＡｓ基板上に、メタモルフィック成長によって、ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（０＜ｘ＜０．５２）材料でベース層が、（ＡｌＧａ）_1-yＩｎ_yＰ（０．５＜ｙ＜１）材料によってエミッタ層及びコレクタ層が形成されているので、デバイスに必要とされる特性に応じてベース層のＳｂ組成を任意に選択でき、エミッタ層とベース層との間、ベース層とコレクタ層との間の伝導帯位置を複雑な構造の採用（中間層の介在）なしに任意に制御できると共に、各層の伝導帯間にエネルギー障壁がなく、耐圧と高速性に優れたＨＢＴ構造を実現することができる。

これによって、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓベース層、ＧａＡｓＳｂベース層を用いたＤＨＢＴと比較して、次の（１）〜（５）の効果が期待できる。
（１）特殊な構造を採用しないで、各層間での伝導帯に不連続（オフセット）のない構 造を実現することが可能であり、キャリア注入効率を高め、高特性で再現性良く作製可 能な素子を提供できる。

（２）ベース層自体のＳｂ組成がｘ＜０．５２、更にはｘ≦０．５であるため、ＩｎＰ 基板に格子整合するＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（ｘ＝０．５２）に比べて熱抵抗が小さくなる。

（３）コレクタ層に（ＡｌＧａ）_1-yＩｎ_yＰ（０．５＜ｙ＜１）を用いるので、ＩｎＰ コレクタ層と比較して、禁制帯幅が大きく、ベース層とコレクタ層との間の耐圧に優れ る。この場合、ＩｎＰコレクタ層と同じ耐圧を得るときには、コレクタ層厚を薄くする ことが可能となり、素子高速性を維持することができる。

（４）ベース層の禁制帯幅が、ＩｎＰ基板に格子整合するＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（ｘ＝０． ５２、禁制帯幅：０．７３ｅＶ）よりも大きくとれるので、ベース層の耐圧を大きくと ることが可能となる。

（５）安価で機械的強度に優れたＧａＡｓ基板を用いることにより、素子価格を低く抑 えることができ、素子歩留りも向上する。

また、本発明の第２のＨＢＴによれば、ＧａＡｓ基板上に、メタモルフィック成長によって、ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（０＜ｘ≦ｘ₀）材料でベース層が、Ｉｎ_yＧａ_1-yＰ_zＡｓ_1-z（０．５＜ｙ≦ｙ₀、０≦ｚ≦１）材料でエミッタ層及びコレクタ層が形成されているので、デバイスに必要とされる特性に応じてベース層のＳｂ組成を任意に選択でき、エミッタ層とベース層との間、ベース層とコレクタ層との間の伝導帯位置を複雑な構造の採用（中間層の介在）なしに任意に制御できると共に、各層の伝導帯間にエネルギー障壁がなく、耐圧と高速性に優れたＨＢＴ構造を実現することができる。

これによって、ＩｎＰ基板に格子整合するＩｎＧａＡｓベース層、ＧａＡｓＳｂベース層を用いたＤＨＢＴと比較して、次の（１）〜（７）の効果が期待できる。
（１）特殊な構造を採用しないで、各層間での伝導帯に不連続（オフセット）のない構 造を実現することが可能であり、キャリア注入効率を高め、高特性で再現性良く作製可 能な素子を提供できる。

（２）ベース層自体のＳｂ組成が０＜ｘ≦ｘ₀であるため、ＩｎＰ基板に格子整合する ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（ｘ＝０．５２）に比べて熱抵抗が小さくなる。

（３）コレクタ層にＩｎ_yＧａ_1-yＰ_zＡｓ_1-z（０．５＜ｙ≦ｙ₀、０≦ｚ≦１）を用い るので、ＩｎＰコレクタ層と比較して、禁制帯幅が大きく、ベース層とコレクタ層との 間の耐圧に優れる。この場合、ＩｎＰコレクタ層と同じ耐圧を得るときには、コレクタ 層厚を薄くすることが可能となり、素子高速性を維持することができる。

（４）ベース層の禁制帯幅が、ＩｎＰ基板に格子整合するＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（ｘ＝０． ５２、禁制帯幅：０．７３ｅＶ）よりも大きくとれるので、ベース層の耐圧を大きくと ることが可能となる。

（５）安価で機械的強度に優れたＧａＡｓ基板を用いることにより、素子価格を低く抑 えることができ、素子歩留りも向上する。

（６）ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ構造に対してＩｎＧａＰＡｓ系／ＧａＡｓＳｂ系 ／ＩｎＧａＰＡｓ系構造の組み合せであるため、全層に亘ってＧａが存在することによ り、前者の組み合せに比べた場合、各層を成長させる際の成長シーケンスが簡便になる と共に、Ｇａの拡散が起こりにくくなる。特に、Ｇａを含むIII族原料の供給時のシャ ッターシーケンスが簡単となる。これらのことは、本発明の第１のＨＢＴにおいても同 様である。

（７）ＩｎＡｌ(Ｐ)Ａｓ／ＧａＡｓＳｂの組み合せに比べ、ベース層、エミッタ層及び コレクタ層の格子定数はＧａＡｓ基板に近い。ＧａＡｓ基板上のメタモルフィック成長 技術においては、ＧａＡｓ基板から格子定数が離れるに従って、バッファ層中の欠陥密 度を抑制することが困難となる。しかし、デバイスの作製において、Ｉｎ組成が低くて ＧａＡｓ基板との格子不整合差が小さいＩｎＧａＰ(Ａｓ)系／ＧａＡｓＳｂ系からなる 組み合せとしたので、欠陥密度の抑制の上で望ましい構造であり、また、結晶成長の再 現性が高くなる。このことは、本発明の第１のＨＢＴにおいても同様である。

本発明の第１及び第２のＨＢＴにおいては、上記の効果を顕著に得るためには、前記エミッタ層と前記ベース層との接合域における各伝導帯間、及び前記ベース層と前記コレクタ層との接合域における各伝導帯間にそれぞれ、エネルギー障壁が存在しないことが望ましい。

この場合、前記エミッタ層と前記ベース層との接合域における各伝導帯のエネルギーレベル、及び前記ベース層と前記コレクタ層との接合域における各伝導帯のエネルギーレベルがそれぞれ、互いに一致している（或いは、各伝導帯のエネルギーレベル間にオフセットがない）のがよい。

また、前記ＧａＡｓ基板上に成長したメタモルフィックバッファ層上に、ＩｎＧａＡｓ系のサブコレクタ層、前記コレクタ層、前記ベース層、前記エミッタ層及びＩｎＧａＡｓ系のエミッタキャップ層をこの順に成長させることによって、前記メタモルフィックバッファ層が、前記ＧａＡｓ基板と成長層との格子不整合によって生じる転位（結晶欠陥）を基板／成長層界面付近に閉じ込める作用があり、これによって結晶欠陥が成長層の厚み方向へ伝搬しない（表面に出ない）ように制御することができる。この結果、ＧａＡｓ基板の格子定数に依存しない層を結晶欠陥なしにエピタキシャル成長させることが可能となる。

こうしたメタモルフィックバッファ層はＩｎＡｌＡｓ系、ＩｎＧａＰ系、ＡｌＧａＡｓＳｂ系又はＩｎＰ系で形成してよい。

次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に説明する。

実施の形態１
＜メタモルフィックＨＢＴの構造例＞
図１は、本発明の第１のＨＢＴに基づく本実施の形態によるメタモルフィックＨＢＴの構造例１０を概略的に示すものである。

半絶縁性のＧａＡｓ基板１上にＩｎＡｌＡｓ系メタモルフィックバッファ層２を成長させる。このメタモルフィックバッファ層２により、格子不整合によって生じる転位を蓄積し、上部のデバイス形成層へ伝搬する貫通転位密度及び積層欠陥密度を抑制することと、所望の格子定数を得ることとが可能になる。

このためには、メタモルフィックバッファ層２の厚さ方向において、ＧａＡｓ基板１との界面ではＩｎ組成比をＩｎ＝０とし、サブコレクタ層３との界面ではＩｎ組成比をＩｎ＝０．３（ベース層とエミッタ層の伝導帯が一致するためのＩｎ組成）とし、Ｉｎ組成を変化させることにより、メタモルフィックバッファ層２の上下の両界面での隣接層間の格子定数を合せるのが望ましい。

そして、メタモルフィックバッファ層２により所望の格子定数となった基板表面上に、以下の層を順次エピタキシャル成長によって形成していく。
n⁺InGaAs系サブコレクタ層３→nAlGaInP系コレクタ層４→p⁺GaAsSb系ベース層５→
nAlGaInP系エミッタ層６→nInGaAs系エミッタキャップ層７

この場合、本発明に基づいて、ベース層５の組成をＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（０＜ｘ＜０．５２、例えばｘ＝０．３）とし、エミッタ層６及びコレクタ層４の組成を（ＡｌＧａ）_1-yＩｎ_yＰ（０．５＜ｙ＜１、例えばｙ＝０．８）とし、またエミッタキャップ層７及びサブコレクタ層３のＩｎ組成比をＩｎ＝０．３、Ｇａ＝０．７とする。また、ｎ型不純物としてはＳｉやＴｅを、ｐ型不純物にはＣやＺｎ、Ｂｅを用いる。

こうして、メタモルフィックバッファ層２の存在によって、メタモルフィックバッファ層２上の各層３、４、５、６及び７は、面内方向の格子定数が全層に亘って揃っており、また厚み方向の格子定数も通常は全層に亘って揃っている。但し、ベース層５の組成によっては、コレクタ層との界面位置に向ってＡｓ又はＳｂ濃度を傾斜した分布とし、キャリア注入効率を高めることもあるので、この場合には、ベース層以外の各層については厚み方向でも格子定数が揃うことになる。

＜メタモルフィックＨＢＴのエネルギーバンド＞
図２について、本実施の形態によるメタモルフィックＨＢＴ１０のエネルギーバンドを説明する。

このメタモルフィックＨＢＴ１０は、上記した層構成を有しているため、エミッタ層６とベース層５との接合域における各伝導帯間、及びベース層５とコレクタ層４との接合域における各伝導帯間にそれぞれ、エネルギー障壁が存在しない。即ち、エミッタ層６とベース層５との接合域における各伝導帯のエネルギーレベル、及びベース層５とコレクタ層４との接合域における各伝導帯のエネルギーレベルがそれぞれ、互いに一致しており、各伝導帯のエネルギーレベル間にオフセットがない。

従って、エミッタ層６から注入されるキャリアは効率的にエミッタ層６からベース層５、更にはコレクタ層４へとスムーズに移動するので、キャリアの注入効率を向上させることができる。しかも、これを特殊な構造の採用なしに実現でき、高特性で再現性良く作製可能な素子を提供できる。

＜その他の特性＞
また、ベース層５とコレクタ層４との界面に熱抵抗の高い４元系構造を有しないため、発熱による素子特性悪化が小さい。また、ベース層５自体も、Ｓｂ組成がｘ＜０．５２、更にはｘ≦０．５であるため、熱抵抗が小さくなる。

また、コレクタ層４に（ＡｌＧａ）_1-yＩｎ_yＰを用いるので、図７に示したＩｎＰコレクタ層の禁制帯幅ΔＥ’と比較して、禁制帯幅ΔＥが大きく、トンネル電流によるリークやアバランシエ現象も生じにくいため、ベース層５とコレクタ層４との間の耐圧に優れる。この場合、ＩｎＰコレクタ層と同じ耐圧を得るときには、コレクタ層厚を薄くすることが可能となる。

また、ベース層５の禁制帯幅が、ＩｎＰ基板に格子整合するＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（ｘ＝０．５２、禁制帯幅：０．７３ｅＶ）よりも大きくとれるので、ベース層５の耐圧を大きくとることが可能となる。

更に、安価で機械的強度に優れたＧａＡｓ基板１を用いることにより、素子価格を低く抑えることができ、また基板の機械的強度が十分なために、素子歩留りも向上する。

以上のように、本実施の形態によるメタモルフィックＨＢＴ１０は、ベース層５のＳｂ組成を基板１の格子定数に依存せずに任意に選択でき、エミッタ層６とベース層５との間、ベース層５とコレクタ層４との間の伝導帯位置を複雑な構造の採用（中間層の介在）なしに任意に制御できると共に、各層の伝導帯間にエネルギー障壁がなく、耐圧と高速性に優れたＨＢＴ構造を実現することができる。

＜メタモルフィックＨＢＴ構造の具体例＞
図３には、図１に概略的に示したメタモルフィックＨＢＴ１０の具体的な構造例（これは、後記の図４に示す例も同様）を示す。

このＨＢＴ構造においては、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、次の各層を公知の方法によってエピタキシャル成長させる（但し、各層の組成比や不純物濃度、層厚などは下記のものに限定されることなく、種々に変更してよい）。まず、ＩｎＡｌＡｓ系メタモルフィックバッファ層２を１５００ｎｍの厚さに形成した後、この上に１×１０¹⁹／ｃｍ³のｎ型不純物濃度を有するＳｉドープのｎ⁺ＩｎＧａＡｓ系（Ｉｎ＝０．３、Ｇａ＝０．７）サブコレクタ層３を５０ｎｍの厚さに積層し、更に２×１０¹⁶／ｃｍ³のｎ型不純物濃度を有するＳｉドープのｎ型（ＡｌＧａ）_1-yＩｎ_yＰ（上記したｙ＝０．８）コレクタ層４を２００ｎｍの厚さに、５×１０¹⁹／ｃｍ³のｐ型不純物濃度を有するＣドープのｐ⁺ＧａＡｓ_1-XＳｂ_X（上記したｘ＝０．３）ベース層５を５０ｎｍの厚さに、５×１０¹⁷／ｃｍ³のｎ型不純物濃度を有するＳｉドープのｎ（ＡｌＧａ）_1-yＩｎ_yＰ（上記したｙ＝０．８）エミッタ層６を７０ｎｍの厚さに、１×１０¹⁹／ｃｍ³の不純物濃度を有するＳｉドープのｎ⁺ＩｎＧａＡｓ系（Ｉｎ＝０．３、Ｇａ＝０．７）エミッタキャップ層７を１００ｎｍの厚さに、順次エピタキシャル成長法（分子線エピタキシーＭＢＥ又は有機金属気相エピタキシー法ＭＯＣＶＤ）によってそれぞれ堆積させる。

そして、これらの堆積層に対し上部から対応する各メサエッチングを施し、メサ形状のエミッタキャップ層７及びエミッタ層５、ベース層５及びコレクタ層４、サブコレクタ層３及びメタモルフィックバッファ層２をそれぞれ形成し、エミッタ電極８、ベース電極９及びコレクタ電極１１をＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層体で所定パターンにそれぞれ形成する。図示省略したが、これらの電極は、Ｓｉ₃Ｎ₄パッシベーション膜のコンタクト開口部に被着され、各配線に接続されている。

実施の形態２
＜メタモルフィックＨＢＴの構造例＞
図４は、本発明の第２のＨＢＴに基づく本実施の形態によるメタモルフィックＨＢＴの構造例２０を概略的に示すものである。

半絶縁性のＧａＡｓ基板１１上にＩｎＡｌＡｓ系メタモルフィックバッファ層１２を成長させる。このメタモルフィックバッファ層１２により、格子不整合によって生じる転位を蓄積し、上部のデバイス形成層へ伝搬する貫通転位密度及び積層欠陥密度を抑制することと、所望の格子定数を得ることとが可能になる。

このためには、メタモルフィックバッファ層１２の厚さ方向において、ＧａＡｓ基板１１との界面ではＩｎ組成比をＩｎ＝０とし、サブコレクタ層１３との界面ではＩｎ組成比をＩｎ＝０．３（ベース層とエミッタ層の伝導帯が一致するためのＩｎ組成）とし、Ｉｎ組成を変化させることにより、メタモルフィックバッファ層１２の上下の両界面での隣接層間の格子定数を合せるのが望ましい。

そして、メタモルフィックバッファ層１２により所望の格子定数となった基板表面上に、以下の層を順次エピタキシャル成長によって形成していく。
n⁺InGaAs系サブコレクタ層１３→nInGaP系コレクタ層１４→p⁺GaAsSb系ベース層１５ →nInGaP系エミッタ層１６→nInGaAs系エミッタキャップ層１７

この場合、本発明に基づいて、ベース層１５の組成をＧａＡｓ_1-xＳｂ_x〔ｘは、前記ＧａＡｓ基板に格子整合する組成（ｘ＝０）とＩｎ_yＧａ_1-yＰ（但し、０＜ｙ＜１）に格子整合する組成ｘ₀に対し、０＜ｘ≦ｘ₀であり、例えばｘ＝０．３〕とし、エミッタ層１６及びコレクタ層１４の組成をそれぞれ、Ｉｎ_yＧａ_1-yＰ_zＡｓ_1-z（但し、０．５＜ｙ≦ｙ₀、０≦ｚ≦１であり、ｙ₀は、ｚ＝１においてＧａＡｓＳｂに格子整合するＩｎ組成であり、例えばｙ＝０．８、ｚ＝１）とし、またエミッタキャップ層１７及びサブコレクタ層１３のＩｎ組成比をＩｎ＝０．３、Ｇａ＝０．７とする。また、ｎ型不純物としてはＳｉやＴｅを、ｐ型不純物にはＣやＺｎ、Ｂｅを用いる。

こうして、メタモルフィックバッファ層１２の存在によって、メタモルフィックバッファ層１２上の各層１３、１４、１５、１６及び１７は、面内方向の格子定数が全層に亘って揃っており、また厚み方向の格子定数も通常は全層に亘って揃っている。但し、ベース層１５の組成によっては、コレクタ層との界面位置に向ってＡｓ又はＳｂ濃度を傾斜した分布とし、キャリア注入効率を高めることもあるので、この場合には、ベース層以外の各層については厚み方向でも格子定数が揃うことになる。

図５には、各種材料からなるＨＢＴのバンドギャップエネルギーと格子定数の関係を示す。

これによれば、本実施の形態によるＩｎＧａＰ／ＧａＡｓＳｂの組み合せにおいては、ＧａＡｓＳｂの組成変化による伝導帯Ｅｃのエネルギー変化曲線と、ＩｎＧａＰの組成変化による伝導帯Ｅｃのエネルギー変化曲線との交点は、両層の格子定数が一致し、これに基づいて組成を選択すればよく、またその交点に至るまでＧａＡｓＳｂの組成をＧａＡｓ（ｘ＝０）からＩｎＧａＰの格子定数と一致するｘ₀までＳｂ比を増やすことができる。この変化範囲（０＜ｘ≦ｘ₀）は、本発明に基づくベース層のＳｂ組成範囲に相当する。

このように、Ｉｎ組成が低くてＧａＡｓ基板との格子不整合差が小さいＩｎＧａＰ(Ａｓ)系／ＧａＡｓＳｂ系からなる組み合せとしたので、欠陥密度の抑制の上で望ましい構造であり、また、結晶成長の再現性が高くなる。

＜メタモルフィックＨＢＴのエネルギーバンド＞
本実施の形態によるメタモルフィックＨＢＴ２０のエネルギーバンドは、図２で説明したものと同様である。

即ち、このメタモルフィックＨＢＴ２０は、図５に示したように、エミッタ層１６とベース層１５との接合域における各伝導帯間、及びベース層１５とコレクタ層１４との接合域における各伝導帯間にそれぞれ、エネルギー障壁が存在しない。即ち、エミッタ層１６とベース層１５との接合域における各伝導帯Ｅｃのエネルギーレベル、及びベース層１５とコレクタ層１４との接合域における各伝導帯Ｅｃのエネルギーレベルがそれぞれ、互いに一致しており、各伝導帯のエネルギーレベル間にオフセットがない（しかも、上述したように、各層間での格子定数も一致する）。

従って、エミッタ層１６から注入されるキャリアは効率的にエミッタ層１６からベース層１５、更にはコレクタ層１４へとスムーズに移動するので、キャリアの注入効率を向上させることができる。しかも、これを特殊な構造の採用なしに実現でき、高特性で再現性良く作製可能な素子を提供できる。

＜メタモルフィック成長のシーケンス＞
本実施の形態では、ＩｎＧａＰ(Ａｓ)系エミッタ層１６／ＧａＡｓＳｂ系ベース層１５／ＩｎＧａＰ(Ａｓ)系コレクタ層１４構造の組み合せであるため、全層に亘ってＧａが存在することにより、図６（Ｂ）に示すように、各層を成長させる際の成長シーケンスが簡便になる（Ｇａを常に供給できる）とともに、Ｇａの拡散が起こりにくくなる。特に、Ｇａを含むIII族原料がＩｎのみであり、その供給時のシャッターシーケンスが一層簡単となる。

＜その他の特性＞
ベース層１５自体のＳｂ組成が０＜ｘ≦ｘ₀であるため、熱抵抗が小さくなる。

また、コレクタ層１４にＩｎ_yＧａ_1-yＰ_zＡｓ_1-zを用いるので、図７に示したＩｎＰコレクタ層の禁制帯幅ΔＥ’と比較して、禁制帯幅ΔＥが大きく、トンネル電流によるリークやアバランシエ現象も生じにくいため、ベース層１５とコレクタ層１４との間の耐圧に優れる。この場合、ＩｎＰコレクタ層と同じ耐圧を得るときには、コレクタ層厚を薄くすることが可能となる。

また、ベース層１５の禁制帯幅が、ＩｎＰ基板に格子整合するＧａＡｓ_1-xＳｂ_x（ｘ＝０．５２、禁制帯幅：０．７３ｅＶ）よりも大きくとれる（図５参照）ので、ベース層１５の耐圧を大きくとることが可能となる。

更に、安価で機械的強度に優れたＧａＡｓ基板１１を用いることにより、素子価格を低く抑えることができ、また基板の機械的強度が十分なために、素子歩留りも向上する。

以上のように、本実施の形態によるメタモルフィックＨＢＴ２０は、ベース層１５のＳｂ組成を基板１１の格子定数に依存せずに任意に選択でき、エミッタ層１６とベース層１５との間、ベース層１５とコレクタ層１４との間の伝導帯位置を複雑な構造の採用（中間層の介在）なしに任意に制御できると共に、各層の伝導帯間にエネルギー障壁がなく、耐圧と高速性に優れたＨＢＴ構造を再現性良く容易に実現することができる。

以上に述べた本発明の実施の形態は、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。

例えば、上述の実施の形態１及び実施の形態２において、ベース層、エミッタ層及びコレクタ層等、各層の組成比（特にｘ、ｙ又はｚ）は上述した範囲内で種々に変化させてよい。こうした組成変化によっても、ＧａＡｓ基板の格子定数に依存しないでエピタキシャル成長が可能である、また、各層の不純物濃度も変えてよく、例えば上述したことであるが、ベース層のＡｓ又はＳｂ濃度をその厚さ方向に傾斜した分布としてキャリア注入効率を高めてよい。また、メタモルフィックバッファ層のＩｎ濃度をＧａＡｓ基板側で少なく（特にＩｎ＝０）、サブコレクタ層側で多く（特にＩｎ＝０．３）すれば、格子整合を十分に図れる。

また、上述の実施の形態２において、ＩｎＧａＰＡｓ／ＧａＡｓＳｂの組み合せとする場合には、図５中に斜線で示す領域内にて各元素の組成比を選択することができるが、上述したＧａＡｓＳｂの組成変化曲線（０＜ｘ≦ｘ₀）上に乗るように各元素の組成比を選択することが、両層の格子定数及び伝導帯レベルが一致するので望ましい。

本発明は、次世代の高速通信用素子として有用なメタモルフィック成長のＨＢＴを提供することができる。

本発明の実施の形態１によるＨＢＴの概略断面図である。 同、エネルギーバンド図である。 同、ＨＢＴの具体例の断面図である。 本発明の実施の形態２によるＨＢＴの概略断面図である。 同、バンドギャップエネルギーと格子定数の関係を示すグラフである。 同、ＨＢＴの各層成長時のシーケンスである。 従来のＨＢＴのエネルギーバンド図である。

符号の説明

１、１１…半絶縁性ＧａＡｓ基板、
２、１２…ＩｎＡｌＡｓ系メタモルフィックバッファ層、
３、１３…ｎ⁺ＩｎＧａＡｓ系サブコレクタ層、
４…ｎＡｌＧａＩｎＰ系（（ＡｌＧａ）_1-yＩｎ_yＰ，０．５＜ｙ＜１）コレクタ層、
５…ｐ⁺ＧａＡｓＳｂ系（ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x，０＜ｘ＜０．５２）ベース層、
６…ｎＡｌＧａＩｎＰ系（（ＡｌＧａ）_1-yＩｎ_yＰ，０．５＜ｙ＜１）エミッタ層、
７、１７…ｎ⁺ＩｎＧａＡｓ系エミッタキャップ層、８…エミッタ電極、
９…ベース電極、１０、２０…ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、
１１…コレクタ電極、
１４…ｎＩｎＧａＰ系（Ｉｎ_yＧａ_1-yＰ_zＡｓ_1-z，０．５＜ｙ≦ｙ₀，０≦ｚ≦１）コレクタ層、
１５…ｐ⁺ＧａＡｓＳｂ系（ＧａＡｓ_1-xＳｂ_x，０＜ｘ≦ｘ₀）ベース層、
１６…ｎＩｎＧａＰ系（Ｉｎ_yＧａ_1-yＰ_zＡｓ_1-z，０．５＜ｙ≦ｙ₀，０≦ｚ≦１）エミッタ層

Claims (6)

1. Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ及びＳｂからなる群より選ばれた元素からなるIII−Ｖ族化合物半導体材料が、ＧａＡｓ基板上にメタモルフィック成長して少なくともエミッタ層、ベース層及びコレクタ層を形成してなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
   前記ベース層がＧａＡｓ_1-xＳｂ_xからなり
   （但し、０＜ｘ＜０．５２）、
   前記エミッタ層及び前記コレクタ層がそれぞれ、（ＡｌＧａ）_1-yＩｎ_yＰからなる
   （但し、０．５＜ｙ＜１）
   ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
2. Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐ及びＳｂからなる群より選ばれた元素からなるIII−Ｖ族化合物半導体材料が、ＧａＡｓ基板上にメタモルフィック成長して少なくともエミッタ層、ベース層及びコレクタ層を形成してなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
   前記ベース層がＧａＡｓ_1-xＳｂ_xからなり
   〔但し、ｘは、Ｉｎ_yＧａ_1-yＰ（但し、０＜ｙ＜１）に格子整合する組成ｘ₀に対 し、０＜ｘ≦ｘ₀〕、
   前記エミッタ層及び前記コレクタ層がそれぞれ、Ｉｎ_yＧａ_1-yＰ_zＡｓ_1-zからなる
   （但し、０．５＜ｙ≦ｙ₀、０≦ｚ≦１であり、ｙ₀は、ｚ＝１においてＧａＡｓＳ ｂに格子整合するＩｎ組成である。）
   ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
3. 前記エミッタ層と前記ベース層との接合域における各伝導帯間、及び前記ベース層と前記コレクタ層との接合域における各伝導帯間にそれぞれ、エネルギー障壁が存在しない、請求項１又は２に記載したヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
4. 前記エミッタ層と前記ベース層との接合域における各伝導帯のエネルギーレベル、及び前記ベース層と前記コレクタ層との接合域における各伝導帯のエネルギーレベルがそれぞれ、互いに一致している（或いは、各伝導帯のエネルギーレベル間にオフセットがない）、請求項３に記載したヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
5. 前記ＧａＡｓ基板上に成長したメタモルフィックバッファ層上に、ＩｎＧａＡｓ系のサブコレクタ層、前記コレクタ層、前記ベース層、前記エミッタ層及びＩｎＧａＡｓ系のエミッタキャップ層がこの順に成長してなる、請求項１又は２に記載したヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
6. 前記メタモルフィックバッファ層がＩｎＡｌＡｓ系、ＩｎＧａＰ系、ＡｌＧａＡｓＳｂ系又はＩｎＰ系からなる、請求項５に記載したヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
   

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