JP2007188991A - バイポーラトランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】臨界膜厚を厚くすることができるバイポーラトランジスタを提供することにある。
【解決手段】基板１上に核形成層２を形成し、核形成層２上にコレクタ電極層１１を形成し、コレクタ電極層１１上にノンドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなるコレクタ層１２を形成し、コレクタ層１２上にＭｇドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎからなるベース層１３を形成し、ベース層１３上にＳｉドープＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎからなるエミッタ層１４を形成し、エミッタ層１４上にエミッタ電極層１５を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、窒化物半導体から形成されたヘテロ接合を有するバイポーラトランジスタに関する。

エミッタ層にベース層よりもエネルギーギャップの大きい半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴとする。）は、高速・高周波素子として優れた特性を有しており、さまざまな応用が期待されている。ＧａＡｓ基板上にＨＢＴを形成する場合、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの組み合わせやＩｎＧａＰとＧａＡｓの組み合わせを基本とする半導体材料の形成が、実用上最も重要度が高くかつ広範に用いられている。また、ＩｎＰ基板上にＨＢＴを形成する場合には、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓの組み合わせを基本とする半導体材料の形成が、実用上最も重要度が高くかつ広範に用いられている。

一方、ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有しており、高周波のハイパワーデバイス向けの材料として優れている。したがって、窒化物半導体でＨＢＴを形成した場合、デバイス面および材料面から、高周波領域で極めて高い出力を発揮するデバイスを作製することが期待できる。窒化物半導体でＨＢＴを形成する場合、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されたＨＢＴと同様にエミッタ層およびコレクタ層をｎ型、ベース層をｐ型とするのが一般的である。窒化物半導体系ＨＢＴにおいては、コレクタ層をｎ型ＧａＮ、ベース層をｐ型ＩｎＧａＮ、そしてエミッタ層をｎ型ＡｌＧａＮで形成することが多い。広く用いられている窒化物半導体系ＨＢＴの形成においては、ベース層であるＩｎＧａＮのＩｎ組成は０．１前後であり、また、エミッタ層であるＡｌＧａＮのＡｌ組成は０．２前後である（非特許文献１参照）。
T.Makimoto et al. Phys. Stat. Sol.(c), vol.Opp.95-98,(2002)

コレクタ層をｎ型ＧａＮ、ベース層をｐ型ＩｎＧａＮ、そしてエミッタ層をｎ型ＡｌＧａＮで形成した窒化物半導体系ＨＢＴでは、基板表面に平行な方向に対するコレクタ層、ベース層およびエミッタ層の各格子定数（通常用いられる窒化物は六方晶であり、かつ、基板表面はいわゆるＣ面であるから、ここでいう格子定数はａ軸方向の格子定数である）は、０．３１８９ｎｍ、０．３２２４ｎｍ、０．３１７４ｎｍである。すなわち、ベース層とエミッタ層の格子定数差は−１．５％である。このため、ＩｎＧａＮベース層上にＡｌＧａＮエミッタ層を形成する場合、上記の格子定数差に起因して、ある一定の厚さ（臨界膜厚）以上のＡｌＧａＮエミッタ層を形成すると、ＡｌＧａＮ層にヒビ（クラック）が入り、電気特性が劣化する。

一方、コレクタ層とベース層の格子定数差は＋１％であることから、コレクタ層であるＧａＮ層上にＩｎ組成０．１であるＩｎＧａＮベース層を形成する場合、上記の格子定数差に起因して、ある一定の厚さ（臨界膜厚）以上のＩｎＧａＮベース層を形成すると、ＩｎＧａＮベース層が２次元的に堆積せず、局所的に凝集して島状の構造を形成する。または、ピット状の陥没領域を形成する。よって、ＩｎＧａＮベース層の厚さが基板面内において不均一になる。また、ｎ型ＧａＮコレクタ層およびｐ型ＩｎＧａＮベース層の各格子定数が０．３１８９ｎｍ、０．３２２４ｎｍである場合、ｐ型ＩｎＧａＮベース層の臨界膜厚の厚さは１００ｎｍ程度と薄く、ベース抵抗を充分に下げることができないという問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、臨界膜厚を厚くすることができるバイポーラトランジスタを提供することを目的とする。

上記目的達成のため、本発明に係るバイポーラトランジスタでは、基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、前記基板の表面と平行な方向に対する前記コレクタ層の格子定数と前記ベース層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴としている。

また、請求項２に記載のように、前記コレクタ層は、基板上に形成された第１のコレクタ層と、前記第１のコレクタ層上に形成され、前記ベース層と接合する第２のコレクタ層を備え、前記第２のコレクタ層は、組成傾斜構造を有することを特徴としている。

また、本発明に係るバイポーラトランジスタでは、基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、前記基板の表面と平行な方向に対する前記コレクタ層の格子定数と前記ベース層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下で、かつ、前記基板の表面と平行な方向に対する前記ベース層の格子定数と前記エミッタ層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴としている。

また、本発明に係るバイポーラトランジスタでは、基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、前記基板の表面と平行な方向に対する前記ベース層の格子定数と前記エミッタ層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴としている。

また、請求項５に記載のように、前記エミッタ層は、前記ベース層上に形成された第１のエミッタ層と、前記第１のエミッタ層上に形成された第２のエミッタ層を備え、前記第１のエミッタ層は、組成傾斜構造を有することを特徴としている。

また、請求項６に記載のように、前記コレクタ層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎ_ｘｃ（Ａｌ_ｙｃＧａ_１−ｙｃ）_１−ｘｃＮ（ただし、０≦ｘｃ≦１かつ０≦ｙｃ≦１）を含むことを特徴としている。

また、請求項７に記載のように、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎ_ｘｂ（Ａｌ_ｙｂＧａ_１−ｙｂ）_１−ｘｂＮ（ただし、０≦ｘｂ≦１かつ０≦ｙｂ≦１）を含むことを特徴としている。

また、請求項８に記載のように、前記エミッタ層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎ_ｘｅ（Ａｌ_ｙｅＧａ_１−ｙｅ）_１−ｘｅＮ（ただし、０≦ｘｅ≦１および０≦ｙｅ≦１）を含むことを特徴としている。

また、請求項９に記載のように、前記エミッタ層を形成する窒化物半導体材料が、Ｉｎ_ｚｅＡｌ_１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）であり、前記コレクタ層および前記ベース層を形成する窒化物半導体材料が、Ｉｎ_ｚｂＧａ_１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）であることを特徴としている。

また、請求項１０に記載のように、前記エミッタ層および前記コレクタ層を形成する窒化物半導体材料が、Ｉｎ_ｚｅＡｌ_１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）であり、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料が、Ｉｎ_ｚｂＧａ_１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）であることを特徴としている。

本発明により、コレクタ層の格子定数とベース層の格子定数との差を±０．３％以内にすることで、ベース層の臨界膜厚を厚くすることができる。そのため、ベース層の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。同様に、ベース層の格子定数とエミッタ層の格子定数との差を±０．３％以内にすることで、エミッタ層の臨界膜厚を厚くすることができる。そのため、エミッタ層の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。

また、コレクタ層において、第２のコレクタ層を組成傾斜構造とすることにより、コレクタ層とベース層の接合部分に存在するエネルギー禁制帯幅の不連続部分、すなわち、走行する電子にとってのエネルギー障壁を除去することができ、電子ブロッキング効果の発生を抑制することができる。

また、エミッタ層において、第１のエミッタ層を組成傾斜構造とすることにより、ベース層とエミッタ層の接合部分に存在するエネルギー禁制帯幅の不連続部分を除去することができる。よって、エミッタ層からベース層に電子を注入するのに必要な電圧（オン電圧）を低減することができ、低電力動作が可能となる。

また、エミッタ層を形成する窒化物半導体材料とコレクタ層を形成する窒化物半導体材料を同一の材料とし、ベース層を形成する窒化物半導体材料をエミッタ層およびコレクタ層を形成する窒化物半導体材料と相違させることで、ベース層を中心としてコレクタ層とエミッタ層が対称に形成されるので、コレクタ層とエミッタ層の非対称性に起因する、トランジスタ動作がオンになるコレクタ層−エミッタ層間の印加電圧（オフセット電圧）を低減させることができる。

以下に、本発明の第１乃至第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０乃至５０について、図１乃至図６を参照して説明する。まず、窒化物半導体材料の３元混晶および４元混晶の格子定数について説明する。図１は、ＧａＮ、ＡｌＮおよびＩｎＮとそれらを組み合わせて形成される３元混晶および４元混晶の格子定数とエネルギー禁制帯幅の関係を示す図である。図１の境界の実線上は３元混晶、内部は４元混晶の値を示す。例えば、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＮから形成されるベース層１３（図２参照）上に、図１中の破線で示した領域（格子定数０．３２１４〜０．３２３４ｎｍの範囲）にある組成を持った３元混晶もしくは４元混晶の窒化物半導体材料から形成されるエミッタ層１４（図２参照）を形成する場合、ベース層１３とエミッタ層１４の接合部分のａ軸方向、すなわち、基板１（図２参照）の表面と平行な方向の格子定数の差が±０．３％以内となる。これから、ベース層１３およびエミッタ層１４の臨界膜厚を厚くすることができる。同様に、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＮから形成されるコレクタ層１２（図２参照）上に、図１中の破線で示した領域（格子定数０．３２１４〜０．３２３４ｎｍの範囲）にある組成を持った３元混晶もしくは４元混晶の窒化物半導体材料から形成されるベース層１３を形成する場合、コレクタ層１２とベース層１３の接合部分のａ軸方向の格子定数の差が±０．３％以内となる。これから、コレクタ層１２およびベース層１３の臨界膜厚を厚くすることができる。

（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０について図２を参照して説明する。図２は、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０の積層構造を示す構造図である。第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０は、基板１、基板１上に形成された核形成層２、核形成層２上に形成されたコレクタ電極層１１、コレクタ電極層１１上に形成されたコレクタ層１２、コレクタ層１２上に形成されたベース層１３、ベース層１３上に形成されたエミッタ層１４およびエミッタ層１４上に形成されたエミッタ電極層１５から形成されている。ここで、コレクタ電極層１１は窒化物半導体材料であるＳｉドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎから形成され、コレクタ層１２は窒化物半導体材料であるノンドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎから形成され、ベース層１３は窒化物半導体材料であるＭｇドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎから形成されている。また、エミッタ層１４は、ベース層１３を形成するＭｇドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料であるＳｉドープＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎから形成され、エミッタ電極層１５は窒化物半導体材料であるＳｉドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎから形成されている。これより、バイポーラトランジスタ１０はベース層１３とエミッタ層１４間にヘテロ接合を含んでいる。

ここで、図１に示したように、ＡｌＮ−ＩｎＮ間曲線（境界の実線）が、ＧａＮ−ＩｎＮ間曲線より、全体的に上方にあり、エネルギー禁制帯幅が大きいことから、Ｉｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎのエネルギー禁制帯幅が、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎのエネルギー禁制帯幅より大きいことがわかる。また、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎのａ軸方向（基板１の表面と平行な方向）の格子定数は、０．３２２４ｎｍであり、Ｉｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数は、０．３２２４ｎｍである。すなわち、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎのａ軸方向の格子定数とＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数との差は０であり、いわゆる格子整合条件を満たしている。従って、ベース層１３のａ軸方向の格子定数とエミッタ層１４のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、エミッタ層１４の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、エミッタ層１４の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。

また、コレクタ層１２とベース層１３は同じ窒化物半導体材料、すなわち、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎから形成されているので、いわゆる格子整合条件を満たしている。よって、コレクタ層１２のａ軸方向の格子定数とベース層１３のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、ベース層１３の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、ベース層１３の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。更に、通常１００ｎｍ程度までしか形成できないベース層１３の厚さを２００ｎｍ程度まで厚くすることができ、バイポーラトランジスタ１０のベース抵抗を充分下げることも可能となる。また、コレクタ層１２、ベース層１３およびエミッタ層１４を窒化物半導体材料で形成することで、上記の効果を備えつつ、更に、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有するバイポーラトランジスタ１０を提供することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０ついて、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０と異なる点を中心に図３を参照して説明する。また、第２に実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０について、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。

図３は、第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０の積層構造を示す構造図である。第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０は、基板１、基板１上に形成された核形成層２、核形成層２上に形成されたコレクタ電極層１１、コレクタ電極層１１上に形成されたコレクタ層２１、コレクタ層２１上に形成されたベース層１３、ベース層１３上に形成されたエミッタ層１４およびエミッタ層１４上に形成されたエミッタ電極層１５から形成されている。第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０が、第１の実施形態と異なる点は、コレクタ層２１を形成する窒化物半導体材料が、ノンドープＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎであることだけである。よって、第１の実施形態と同様に、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎのａ軸方向の格子定数は、０．３２２４ｎｍであり、Ｉｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数も０．３２２４ｎｍであるので、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎのａ軸方向の格子定数とＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数との差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。

これから、コレクタ層２１のａ軸方向の格子定数とベース層１３のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、ベース層１３の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、ベース層１３の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。更に、通常１００ｎｍ程度までしか形成できないベース層１３の厚さを２００ｎｍ程度まで厚くすることができ、バイポーラトランジスタ２０のベース抵抗を充分下げることも可能となる。また、ベース層１３のａ軸方向の格子定数とエミッタ層１４のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、エミッタ層１４の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、エミッタ層１４の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。また、コレクタ層２１、ベース層１３およびエミッタ層１４を窒化物半導体材料で形成することで、上記の効果を備えつつ、更に、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有するバイポーラトランジスタ２０を提供することができる。

更に、第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０においては、コレクタ層２１を、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりエネルギー禁制帯幅の大きい材料であるＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎで形成することにより、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０よりも、高い破壊耐圧を備えている。また、第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０においては、ベース層１３を中心としてコレクタ層２１とエミッタ層１４が対称に形成されている。そのため、コレクタ層２１とエミッタ層１４の非対称性に起因する、バイポーラトランジスタ２０の動作がオンになるコレクタ層２１−エミッタ層１４間の印加電圧（オフセット電圧）を低減させることができる。このことにより、バイポーラトランジスタ２０は、バイポーラトランジスタ１０と比較して、低電力での動作が可能となる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０ついて、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０および第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０と異なる点を中心に図４を参照して説明する。また、第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０について、第１および第２の実施形態と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。

図４は第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０の積層構造を示す構造図である。第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０は、基板１、基板１上に形成された核形成層２、核形成層２上に形成されたコレクタ電極層１１、コレクタ電極層１１上に形成された第１のコレクタ層３１、第１のコレクタ層３１上に形成された第２のコレクタ層３２、第２のコレクタ層３２上に形成されたベース層１３、ベース層１３上に形成されたエミッタ層１４およびエミッタ層１４上に形成されたエミッタ電極層１５から形成されている。第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０が、第２の実施形態と異なる点は、コレクタ層が２層構造となっていることだけである。

ここで、第１のコレクタ層３１は、第２の実施形態におけるコレクタ層２１と同じ窒化物半導体材料、すなわち、ノンドープＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎで形成されている。一方、第１のコレクタ層３１とベース層１３の接合部分である第２のコレクタ層３２は、ノンドープＩｎ_{０．２６−０．１６ｙ}Ｇａ_０．９ｙＡｌ_{０．７４−０．７４ｙ}Ｎ（ｙは第１のコレクタ層３１からベース層１３に向かって０→１と変化する。）から形成されている。すなわち、第２のコレクタ層３２とベース層１３の接合面（ｙ＝１）では、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料はＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとなり、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料と同じである。これから、ａ軸方向の格子定数の差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。よって、第２のコレクタ層３２のベース層１３との接合面におけるａ軸方向の格子定数とベース層１３のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、ベース層１３の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、ベース層１３の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。更に、通常１００ｎｍ程度までしか形成できないベース層１３の厚さを２００ｎｍ程度まで厚くすることができ、バイポーラトランジスタ３０のベース抵抗を充分下げることも可能となる。一方、第１のコレクタ層３１と第２のコレクタ層３２の接合面（ｙ＝０）では、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料はＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎとなり、第１のコレクタ層３１を形成する窒化物半導体材料と同じである。

また、第１および第２の実施形態と同様に、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎのａ軸方向の格子定数は、０．３２２４ｎｍであり、Ｉｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数も０．３２２４ｎｍであるので、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎのａ軸方向の格子定数とＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数との差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。これから、ベース層１３のａ軸方向の格子定数とエミッタ層１４のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、エミッタ層１４の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、エミッタ層１４の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。また、第１のコレクタ層３１、第２のコレクタ層３２、ベース層１３およびエミッタ層１４を窒化物半導体材料で形成することで、上記の効果を備えつつ、更に、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有するバイポーラトランジスタ３０を提供することができる。

また、第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０では、第１のコレクタ層３１とベース層１３の接合部分である第２のコレクタ層３２を組成傾斜構造としている。これにより、第２のコレクタ層３２とベース層１３の接合面（ｙ＝１）では、第２のコレクタ層３２はＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとなり、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料と同じである。よって、第２のコレクタ層３２とベース層１３の接合面にエネルギー禁制帯幅の不連続部分が発生せず、エネルギー障壁（△Ｅｃ）を除去している。これにより、電子ブロッキング効果によるデバイス特性の劣化を抑制することが可能である。また、第２の実施形態と同様に、第１のコレクタ層３１を、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりエネルギー禁制帯幅の大きい材料であるＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎで形成することにより、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０よりも、高い破壊耐圧を備えている。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ４０ついて、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０および第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０と異なる点を中心に図５を参照して説明する。また、第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ４０について、第１乃至第３の実施形態と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。

図５は、第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ４０の積層構造を示す構造図である。第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ４０は、基板１、基板１上に形成された核形成層２、核形成層２上に形成されたコレクタ電極層１１、コレクタ電極層１１上に形成された第１のコレクタ層３１、第１のコレクタ層３１上に形成された第２のコレクタ層３２、第２のコレクタ層３２上に形成されたベース層１３、ベース層１３上に形成された第１のエミッタ層４１、第１のエミッタ層４１上に形成された第２のエミッタ層４２および第２のエミッタ層４２上に形成されたエミッタ電極層１５から形成されている。第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ４０が、第３の実施形態と異なる点は、エミッタ層が２層構造となっていることだけである。

ここで、第２のエミッタ層４２は、第１乃至第３の実施形態におけるエミッタ層１４と同じ窒化物半導体材料、すなわち、ＳｉドープＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎで形成されている。一方、第２のエミッタ層４２とベース層１３の接合部分である第１のエミッタ層４１は、ＳｉドープＩｎ_{０．２６−０．１６ｚ}Ｇａ_０．９ｚＡｌ_{０．７４−０．７４ｚ}Ｎ（ｚはベース層１３から第２のエミッタ層４２に向かって１→０と変化する。）から形成されている。すなわち、第１のエミッタ層４１とベース層１３の接合面（ｚ＝１）では、第１のエミッタ層４１を形成する窒化物半導体材料はＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとなり、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料と同じである。これから、ａ軸方向の格子定数の差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。よって、第１のエミッタ層４１のベース層１３との接合面におけるａ軸方向の格子定数とベース層１３のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、第１のエミッタ層４１の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、第１のエミッタ層４１の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。一方、第１のエミッタ層４１と第２のエミッタ層４２の接合面（ｚ＝０）では、第１のエミッタ層４１を形成する窒化物半導体材料はＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎとなり、第２のエミッタ層４２を形成する窒化物半導体材料と同じである。

更に、第４の実施形態のバイポーラトランジスタ４０においては、エミッタ層を２層構造とし、ベース層に近い側のエミッタ層である第１のエミッタ層４１を組成傾斜構造としている。これによって、第１のエミッタ層４１とベース層１３の接合面（ｚ＝１）では、第１のエミッタ層４１を形成する窒化物半導体材料はＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとなり、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料と同じとなる。よって、ベース層１３と第１のエミッタ層４１間に存在するエネルギー禁制帯幅の不連続部分（△Ｅｃ）が発生せず、第１のエミッタ層４１からベース層１３に電子を注入するのに必要な電圧（オン電圧）を低減させることができ、低電力動作が可能となる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ５０ついて、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０および第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０と異なる点を中心に図６を参照して説明する。また、第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ５０について、第１乃至第４の実施形態と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。

図６は、第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ５０の積層構造を示す構造図である。第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ５０は、基板１、基板１上に形成された核形成層２、核形成層２上に形成されたコレクタ電極層１１、コレクタ電極層１１上に形成された第１のコレクタ層３１、第１のコレクタ層３１上に形成された第２のコレクタ層３２、第２のコレクタ層３２上に形成されたベース層５１、ベース層５１上に形成されたエミッタ層１４およびエミッタ層１４上に形成されたエミッタ電極層１５から形成されている。第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ５０が、第３の実施形態と異なる点は、ベース層５１を形成する窒化物半導体材料がＭｇドープＩｎ_{０．２６−０．１６ｗ}Ｇａ_０．９ｗＡｌ_{０．７４−０．７４ｗ}Ｎ（ｗは第２のコレクタ層３２からエミッタ層１４に向かって１→０．９と変化する。）となっていることだけである。すなわち、ベース層５１とエミッタ層１４の接合面（ｗ＝０．９）では、ベース層５１を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎ_{０．１１６}Ｇａ_０．８１Ａｌ_{０．０７４}Ｎとなる。そして、Ｉｎ_{０．１１６}Ｇａ_０．８１Ａｌ_{０．０７４}Ｎのａ軸方向の格子定数は０．３２２４ｎｍである。また、エミッタ層１４を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数も０．３２２４ｎｍである。これから、ａ軸方向の格子定数の差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。よって、ベース層５１のエミッタ層１４との接合面におけるａ軸方向の格子定数とエミッタ層１４のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、エミッタ層１４の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、エミッタ層１４の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。なお、図１より、Ｉｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎのエネルギー禁制帯幅は、Ｉｎ_{０．１１６}Ｇａ_０．８１Ａｌ_{０．０７４}Ｎのエネルギー禁制帯幅よりも大きいことがわかる。

また、第２のコレクタ層３２とベース層５１の接合面（ｙ＝１、ｗ＝１）では、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料はＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとなり、ベース層５１を形成する窒化物半導体材料もＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとなる。これから、ａ軸方向の格子定数の差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。よって、第２のコレクタ層３２のベース層５１との接合面におけるａ軸方向の格子定数と、ベース層５１の第２のコレクタ層３２との接合面におけるａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、ベース層５１の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、ベース層５１の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。更に、通常１００ｎｍ程度までしか形成できないベース層５１の厚さを２００ｎｍ程度まで厚くすることができ、バイポーラトランジスタ５０のベース抵抗を充分下げることも可能となる。一方、第１のコレクタ層３１と第２のコレクタ層３２の接合面（ｙ＝０）では、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料はＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎとなり、第１のコレクタ層３１を形成する窒化物半導体材料と同じである。また、第１のコレクタ層３１、第２のコレクタ層３２、ベース層５１、エミッタ層１４を窒化物半導体材料で形成することで、上記の効果を備えつつ、更に、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有するバイポーラトランジスタ５０を提供することができる。

また、第３の実施形態と同様に、第１のコレクタ層３１とベース層５１の接合部分である第２のコレクタ層３２を組成傾斜構造としている。これにより、第２のコレクタ層３２とベース層５１の接合面（ｙ＝１、ｗ＝１）では、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料はＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとなり、ベース層５１を形成する窒化物半導体材料もＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとなる。よって、第２のコレクタ層３２とベース層５１の接合面にエネルギー禁制帯幅の不連続部分が発生せず、よって、エネルギー障壁（△Ｅｃ）を除去している。これにより、電子ブロッキング効果によるデバイス特性の劣化を抑制することが可能である。また、第２の実施形態と同様に、第１のコレクタ層３１を、Ｉｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎよりエネルギー禁制帯幅の大きい材料であるＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎで形成することにより、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０よりも、高い破壊耐圧を備えている。

また、第５の実施形態のバイポーラトランジスタ５０では、ベース層５１に組成傾斜構造を採用することにより、ベース層５１内の電子輸送にドリフト効果を加え、それによりベース層５１内の電子の滞在時間および走行時間を短縮することができる。よって、電流利得の低下および高周波特性の劣化を抑制することができる。

なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、第１乃至第５の実施形態では、各層を形成する窒化物半導体材料として、ＩｎＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＮを使用しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の窒化物半導体材料を使用することもできる。

また、第１乃至第４の実施形態では、各層の接合面におけるＩｎＧａＮのＩｎ組成比を０．１とし、ＩｎＡｌＮのＩｎ組成比を０．２６としているが、特にこれに限定されるものでなく、ａ軸方向の格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下になれば、如何なる組成比であっても適用可能である。同様に、第５の実施形態でも、ａ軸方向の格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下になれば、各層の接合面におけるＩｎＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＮの組成比は、如何なる比であっても適用可能である。

また、第１の実施形態では、コレクタ層１２を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎのａ軸方向の格子定数と、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎのａ軸方向の格子定数を同じにして、格子定数差を０としているが、特にこれに限定されるものでなく、格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下であれば、格子定数差が０でなくても適用可能である。

同様に、第１乃至第３の実施形態では、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎのａ軸方向の格子定数とエミッタ層１４を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数を同じにして、格子定数差を０としているが、特にこれに限定されるものでなく、格子定数差が０でなくても適用可能である。

同様に、第２の実施形態では、コレクタ層２１を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数と、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎのａ軸方向の格子定数を同じにして、格子定数差を０としているが、特にこれに限定されるものでなく、格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下であれば、格子定数差が０でなくても適用可能である。

同様に、第３乃至第５の実施形態では、コレクタ層を第１のコレクタ層３１および第２のコレクタ層３２からなる２層構造とし、第２のコレクタ層３２を組成傾斜構造とすることで、第２のコレクタ層３２とベース層１３の接合面における格子定数差を０としているが、特にこれに限定されるものでなく、格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下であれば、格子定数差が０でなくても適用可能である。

同様に、第４の実施形態では、エミッタ層を第１のエミッタ層４１および第２のエミッタ層４２からなる２層構造とし、第１のエミッタ層４１を組成傾斜構造とすることで、ベース層１３と第１のエミッタ層４１の接合面における格子定数差を０としているが、特にこれに限定されるものでなく、格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下であれば、格子定数差が０でなくても適用可能である。

また、第１乃至第５の実施形態では、コレクタ電極層１１およびコレクタ層１２を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとし、コレクタ層２１および第１のコレクタ層３１を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎとし、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_{０．２６−０．１６ｙ}Ｇａ_０．９ｙＡｌ_{０．７４−０．７４ｙ}Ｎ（ｙ＝０→１）としているが、特にこれに限定されるものでなく、Ｉｎ_ｘｃ（Ａｌ_ｙｃＧａ_１−ｙｃ）_１−ｘｃＮ（ただし、０≦ｘｃ≦１かつ０≦ｙｃ≦１）を満足する窒化物半導体材料であれば、組成比ｘｃおよびｙｃをいずれの値にしても適用可能である。

また、第１乃至第５の実施形態では、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとし、ベース層５１を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_{０．２６−０．１６ｗ}Ｇａ_０．９ｗＡｌ_{０．７４−０．７４ｗ}Ｎ（ｗ＝１→０．９）としているが、特にこれに限定されるものでなく、Ｉｎ_ｘｂ（Ａｌ_ｙｂＧａ_１−ｙｂ）_１−ｘｂＮ（ただし、０≦ｘｂ≦１かつ０≦ｙｂ≦１）を満足する窒化物半導体材料であれば、組成比ｘｂおよびｙｂをいずれの値にしても適用可能である。

また、第１乃至第５の実施形態では、エミッタ電極層１５を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとし、エミッタ層１４および第２のエミッタ層４２を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎとし、第１のエミッタ層４１を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_{０．２６−０．１６ｚ}Ｇａ_０．９ｚＡｌ_{０．７４−０．７４ｚ}Ｎ（ｚ＝１→０）としているが、特にこれに限定されるものでなく、Ｉｎ_ｘｅ（Ａｌ_ｙｅＧａ_１−ｙｅ）_１−ｘｅＮ（ただし、０≦ｘｅ≦１および０≦ｙｅ≦１）を満足する窒化物半導体材料であれば、組成比ｘｅおよびｙｅをいずれの値にしても適用可能である。

また、第１の実施形態では、エミッタ層１４を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎとし、コレクタ層１２およびベース層１３を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとしているが、特にこれに限定されるものでなく、エミッタ層を形成する窒化物半導体材料がＩｎ_ｚｅＡｌ_１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）を満足し、コレクタ層およびベース層を形成する窒化物半導体材料がＩｎ_ｚｂＧａ_１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）を満足すれば、組成比ｚｅおよびｚｂをいずれの値にしても適用可能である。

また、第２の実施形態では、コレクタ層２１およびエミッタ層１４を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎとし、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料をＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎとしているが、特にこれに限定されるものでなく、コレクタ層およびエミッタ層を形成する窒化物半導体材料がＩｎ_ｚｅＡｌ_１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）を満足し、ベース層を形成する窒化物半導体材料がＩｎ_ｚｂＧａ_１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）を満足すれば、組成比ｚｅおよびｚｂをいずれの値にしても適用可能である。

ＧａＮ、ＡｌＮおよびＩｎＮとそれらを組み合わせて形成される３元混晶および４元混晶の格子定数とエネルギー禁制帯幅の関係を示す図である。 第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタの積層構造を示す構造図である。 第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタの積層構造を示す構造図である。 第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタの積層構造を示す構造図である。 第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタの積層構造を示す構造図である。 第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタの積層構造を示す構造図である。

符号の説明

１ 基板、２ 核形成層、
１０ 第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ、
１１ コレクタ電極層（ＳｉドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ）、
１２ コレクタ層（ノンドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ）、
１３ ベース層（ＭｇドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ）、
１４ エミッタ層（ＳｉドープＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎ）、
１５ エミッタ電極層（ＳｉドープＩｎ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ）、
２０ 第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ、
２１ コレクタ層（ノンドープＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎ）、
３０ 第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ、
３１ 第１のコレクタ層（ノンドープＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎ）、
３２ 第２のコレクタ層（ノンドープＩｎ_{０．２６−０．１６ｙ}Ｇａ_０．９ｙＡｌ_{０．７４−０．７４ｙ}Ｎ）（ｙ＝０→１）、
４０ 第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ、
４１ 第１のエミッタ層（ＳｉドープＩｎ_{０．２６−０．１６ｚ}Ｇａ_０．９ｚＡｌ_{０．７４−０．７４ｚ}Ｎ）（ｚ＝１→０）、
４２ 第２のエミッタ層（ＳｉドープＩｎ_０．２６Ａｌ_０．７４Ｎ）、
５０ 第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ、
５１ ベース層（ＭｇドープＩｎ_{０．２６−０．１６ｗ}Ｇａ_０．９ｗＡｌ_{０．７４−０．７４ｗ}Ｎ）（ｗ＝１→０．９）

Claims (10)

1. 基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、
   前記基板の表面と平行な方向に対する前記コレクタ層の格子定数と前記ベース層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴とするバイポーラトランジスタ。
2. 前記コレクタ層は、基板上に形成された第１のコレクタ層と、前記第１のコレクタ層上に形成され、前記ベース層と接合する第２のコレクタ層を備え、
   前記第２のコレクタ層は、組成傾斜構造を有することを特徴とする請求項１に記載のバイポーラトランジスタ。
3. 基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、
   前記基板の表面と平行な方向に対する前記コレクタ層の格子定数と前記ベース層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下で、かつ、前記基板の表面と平行な方向に対する前記ベース層の格子定数と前記エミッタ層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴とするバイポーラトランジスタ。
4. 基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、
   前記基板の表面と平行な方向に対する前記ベース層の格子定数と前記エミッタ層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴とするバイポーラトランジスタ。
5. 前記エミッタ層は、前記ベース層上に形成された第１のエミッタ層と、前記第１のエミッタ層上に形成された第２のエミッタ層を備え、
   前記第１のエミッタ層は、組成傾斜構造を有することを特徴とする請求項４に記載のバイポーラトランジスタ。
6. 前記コレクタ層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎ_ｘｃ（Ａｌ_ｙｃＧａ_１−ｙｃ）_１−ｘｃＮ（ただし、０≦ｘｃ≦１かつ０≦ｙｃ≦１）を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のバイポーラトランジスタ。
7. 前記ベース層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎ_ｘｂ（Ａｌ_ｙｂＧａ_１−ｙｂ）_１−ｘｂＮ（ただし、０≦ｘｂ≦１かつ０≦ｙｂ≦１）を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のバイポーラトランジスタ。
8. 前記エミッタ層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎ_ｘｅ（Ａｌ_ｙｅＧａ_１−ｙｅ）_１−ｘｅＮ（ただし、０≦ｘｅ≦１および０≦ｙｅ≦１）を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のバイポーラトランジスタ。
9. 前記エミッタ層を形成する窒化物半導体材料が、Ｉｎ_ｚｅＡｌ_１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）であり、前記コレクタ層および前記ベース層を形成する窒化物半導体材料が、Ｉｎ_ｚｂＧａ_１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のバイポーラトランジスタ。
10. 前記エミッタ層および前記コレクタ層を形成する窒化物半導体材料が、Ｉｎ_ｚｅＡｌ_１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）であり、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料が、Ｉｎ_ｚｂＧａ_１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のバイポーラトランジスタ。
    

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