JP2008016615A - Bipolar transistor - Google Patents

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学 柳原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a rapidly-operating bipolar transistor with a p-type base comprising a two-dimensional hole gas layer and comprising nitride semiconductor. <P>SOLUTION: The bipolar transistor comprises an emitter layer including a first semiconductor layer 14 comprising the nitride semiconductor; a base layer comprising the nitride semiconductor with a band gap narrower than that of the first semiconductor layer 14 and including a second semiconductor layer 15 formed in contact with the first semiconductor layer 14; and a collector layer including a third semiconductor layer 16 comprising the nitride semiconductor formed in contact with the surface of the second semiconductor layer 15 on the opposite side of the first semiconductor layer 14. The two dimensional hole gas layer is generated in an interfacial region between the first semiconductor layer 14 and the second semiconductor layer 15 of the second semiconductor layer 15, and a base electrode 19 selectively formed so as to contact with a part of the base layer is in ohmic contact with the two dimensional hole gas layer. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明はバイポーラトランジスタに関し、特に高速動作が可能なバイポーラトランジスタに関する。   The present invention relates to a bipolar transistor, and more particularly to a bipolar transistor capable of high-speed operation.

電子が半導体基板に対して垂直方向に走行する縦型デバイスの一種に、化合物半導体のヘテロ接合を利用したヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)がある。HBTはベース層とエミッタとの間にバンドオフセットがあるため、正孔(ホール)がベース層中に閉じ込められるので、ベース層中のホール濃度を高くしても、エミッタからコレクタへの電子の注入効率が低下しない。その結果、低いベース層抵抗が得られ、高い最大発振周波数(fmax)を実現できる。   One type of vertical device in which electrons run in a direction perpendicular to a semiconductor substrate is a heterojunction bipolar transistor (HBT) using a heterojunction of a compound semiconductor. Since the HBT has a band offset between the base layer and the emitter, holes are confined in the base layer. Therefore, even if the hole concentration in the base layer is increased, electrons are injected from the emitter to the collector. Efficiency does not decrease. As a result, a low base layer resistance is obtained, and a high maximum oscillation frequency (fmax) can be realized.

しかし、トランジスタを高速動作させる際のもう一つの指標である電流遮断周波数(ft)を高くするためには、ベース層の不純物濃度を低くし且つ厚さを薄くして、エミッタから注入された電子がベース層中において散乱されない構造とすることが望ましい。この点に鑑みて、アンドープのヒ化アルミニウム(AlAs)をエミッタとして、n型のヒ化ガリウム(n−GaAs)からなるコレクタとの界面に形成されるp型反転層を用いる反転ベース層バイポーラトランジスタ(Inversion base Transistor:IBT)が1980年代半ばに提案されている(例えば、非特許文献1を参照。)。   However, in order to increase the current cutoff frequency (ft), which is another index when the transistor operates at high speed, electrons injected from the emitter are reduced by reducing the impurity concentration of the base layer and reducing the thickness. It is desirable to have a structure in which is not scattered in the base layer. In view of this point, an inversion base layer bipolar transistor using an undoped aluminum arsenide (AlAs) as an emitter and a p-type inversion layer formed at the interface with an n-type gallium arsenide (n-GaAs) collector (Inversion base transistor: IBT) has been proposed in the mid 1980s (see, for example, Non-Patent Document 1).

このIBTはベース層の厚さが極めて薄くなることと、従来のHBTで発生していた電子とp型不純物との散乱がなくなるため、極めて高いftが期待できる。   This IBT can be expected to have a very high ft because the thickness of the base layer is extremely thin and the scattering of electrons and p-type impurities generated in the conventional HBT is eliminated.

しかし、HBTは携帯電話端末用の高出力トランジスタとして実用化に成功しているのに対し、IBTは研究の域を出ずに今日に至っている。この理由のひとつは、GaAsとAlAsのヘテロ接合界面において結晶性の問題により電子トラップが発生して、良好な反転層が得られない結果、十分な電流利得が得られなかったためと推測される。   However, while HBT has been successfully put into practical use as a high-power transistor for mobile phone terminals, IBT has reached the present day without going out of research. One reason for this is presumed that an electron trap was generated at the heterojunction interface between GaAs and AlAs due to a crystallinity problem, and a good inversion layer could not be obtained. As a result, a sufficient current gain could not be obtained.

一方、近年ワイドバンドギャップ材料とし窒化ガリウム(GaN)に代表される窒化物系半導体の結晶成長技術が大きく進歩してきた。GaNはバンドギャップが3.4eVで、GaAsの1.4eVに比べて大きく、絶縁破壊電界が1桁高いことにより高耐圧デバイスに適している。さらに、電子の飽和速度もGaAsよりも高いため、高速性も大いに期待される。このGaNを用いて、電子を半導体基板に対して平行に電子を走行させるFETの開発が活発に行われている。具体的な構造としては、窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)とGaNをヘテロ接合させるHFET(Hetero-structure field effect transistor)が一般的である。この場合、自発分極と格子歪に起因するピエゾ分極を有することにより、ヘテロ接合界面には不純物をドープしなくても、1×1013cm−2程度の2次元電子ガスが発生して、大きい電流を流すことが可能である。その結果、携帯電話用基地局の送信用デバイスなどに、GaN系HFETは実用化されつつある。 On the other hand, in recent years, crystal growth technology for nitride semiconductors represented by gallium nitride (GaN) as a wide band gap material has greatly advanced. GaN has a band gap of 3.4 eV, which is larger than 1.4 eV of GaAs, and has a dielectric breakdown electric field that is one digit higher, making it suitable for high voltage devices. Furthermore, since the saturation rate of electrons is higher than that of GaAs, high speed is greatly expected. Using this GaN, FETs that allow electrons to run parallel to the semiconductor substrate are being actively developed. As a specific structure, an HFET (Hetero-structure field effect transistor) in which aluminum gallium nitride (AlGaN) and GaN are heterojunction is common. In this case, by having spontaneous polarization and piezo polarization caused by lattice distortion, a two-dimensional electron gas of about 1 × 10 13 cm −2 is generated and large even if no impurity is doped at the heterojunction interface. It is possible to pass an electric current. As a result, GaN-based HFETs are being put to practical use in transmission devices for mobile phone base stations.

縦型デバイスの代表であるHBTに関しても、窒化物系半導体を用い、分極によって発生するベース層中の電界を利用して電子を高速でベース層を走行させるHBTが開示されている(例えば、特許文献1を参照。)。しかし、GaN系デバイスにおいては、横型のHFETに比べて縦型のHBTの開発はあまり進んでいない。その大きな理由は、窒化物系半導体ではp型ドーパントの活性化率が低く、高濃度のp型層を得ることが難しいことにある。例えば、GaNにp型不純物としてMgを1×1019cm−3〜1×1020cm−3ドーピングしても得られるキャリア濃度は5×1017cm−3〜1×1018cm−3程度にすぎない。このため、1×1019cm−3以上のキャリア濃度が容易に得られるGaAs系やInP系のHBTに比べて、ベース層抵抗の低減が困難である。従って、p型不純物ではなく反転層を用いるIBTは、窒化物半導体に好都合な縦型デバイスと考えられる。
特開2005−79417号公報 K. Matsumoto、他,"GaAs Inversion-Base Bipolar Transistor (GaAs IBT)", IEEE Electron Device Letters,1986年,Vol.EDL−7,No.11,p.627−628
An HBT that is representative of a vertical device has also been disclosed in which a nitride semiconductor is used and electrons are caused to travel through the base layer at high speed using an electric field in the base layer generated by polarization (for example, patents). See reference 1.) However, in GaN-based devices, development of vertical HBT has not progressed much compared to horizontal HFETs. The main reason is that the activation rate of the p-type dopant is low in the nitride-based semiconductor, and it is difficult to obtain a high-concentration p-type layer. For example, the carrier concentration obtained by doping Mg with 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 as a p-type impurity in GaN is about 5 × 10 17 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3. Only. For this reason, it is difficult to reduce the base layer resistance as compared with GaAs-based and InP-based HBTs that can easily obtain a carrier concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more. Therefore, an IBT using an inversion layer instead of a p-type impurity is considered as a vertical device convenient for a nitride semiconductor.
JP 2005-79417 A K. Matsumoto et al., “GaAs Inversion-Base Bipolar Transistor (GaAs IBT)”, IEEE Electron Device Letters, 1986, Vol. EDL-7, no. 11, p. 627-628

しかしながら、i−GaNからなるコレクタ層と、i−GaNからなるベース層と、i−AlGaNからなるエミッタ層とが基板の上に順次積層された構造のIBTは、正常に動作しない。   However, an IBT having a structure in which a collector layer made of i-GaN, a base layer made of i-GaN, and an emitter layer made of i-AlGaN are sequentially stacked on a substrate does not operate normally.

基板の上に有機金属化学気相堆積(MOCVD)法により、窒化物半導体層をエピタキシャル成長させると、通常Ga面を上にして成長するため、ベース層はエミッタ層の窒素(N)面と接する。従って、図9のバンド図に示すようにi−AlGaNからなるエミッタ層とi−GaNからなるベース層との界面には、自発分極とピエゾ分極とにより正の固定電荷が発生し、それを補償する2次元電子ガスが発生する。この状態でエミッタ層とベース層との間に負の電圧VEBを印加しても、2次元電子ガスの濃度が低くなるだけで正孔は発生しない。つまり、バイポーラトランジスタとして動作しない。 When a nitride semiconductor layer is epitaxially grown on a substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), the base layer is in contact with the nitrogen (N) surface of the emitter layer because it normally grows with the Ga surface facing upward. Therefore, as shown in the band diagram of FIG. 9, positive fixed charges are generated at the interface between the emitter layer made of i-AlGaN and the base layer made of i-GaN due to spontaneous polarization and piezo polarization, and compensate for it. Two-dimensional electron gas is generated. Even if a negative voltage V EB is applied between the emitter layer and the base layer in this state, only the concentration of the two-dimensional electron gas is lowered and no holes are generated. That is, it does not operate as a bipolar transistor.

また、エミッタ層とベース層との界面にp型不純物を導入したとしても、正の固定電荷のために高いp型濃度を実現することは困難である。従って、窒化物系半導体を用いた場合には、通常考えられているコレクタ層とベース層とエミッタ層とを順次積層した構造のトランジスタを形成しても、アンドープ層又はn型層を反転した反転層をp型ベースとしたIBTとして動作させることができないという問題がある。   Even if a p-type impurity is introduced into the interface between the emitter layer and the base layer, it is difficult to realize a high p-type concentration because of positive fixed charges. Therefore, in the case of using a nitride-based semiconductor, even if a transistor having a structure in which a collector layer, a base layer, and an emitter layer are sequentially stacked is formed, an inversion in which an undoped layer or an n-type layer is inverted There is a problem that the layer cannot be operated as an IBT having a p-type base.

本発明では前記従来の問題を解決し、アンドープ層又は低濃度のn型層に形成される2次元正孔ガス層をp型ベースとし且つ窒化物系半導体からなり高速に動作するバイポーラトランジスタを実現できるようにすることを目的とする。   The present invention solves the above-mentioned conventional problems, and realizes a bipolar transistor which is made of a nitride semiconductor and operates at high speed based on a two-dimensional hole gas layer formed in an undoped layer or a low-concentration n-type layer. The purpose is to be able to.

前記の目的を達成するため、本発明はバイポーラトランジスタを、2次元正孔ガス層と、その2次元正孔ガス層とオーミック接続されたベース電極とを備えた構成とする。   In order to achieve the above object, the present invention has a bipolar transistor including a two-dimensional hole gas layer and a base electrode ohmically connected to the two-dimensional hole gas layer.

具体的に、本発明に係るバイポーラトランジスタは第1の窒化物半導体層を含むエミッタ層と、第1の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが小さく且つ第1の窒化物半導体層と接して形成された第2の窒化物半導体層を含むベース層と、第2の窒化物半導体層における第1の窒化物半導体層とは反対側の面と接して形成された第3の窒化物半導体層を含むコレクタ層と、第2の窒化物半導体層における第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との界面領域に発生する2次元正孔ガス層と、ベース層の一部と接するように選択的に形成され、2次元正孔ガス層とオーミック接続したベース電極とを備えていることを特徴とする。   Specifically, the bipolar transistor according to the present invention is formed with an emitter layer including a first nitride semiconductor layer and a band gap smaller than that of the first nitride semiconductor layer and in contact with the first nitride semiconductor layer. A base layer including the second nitride semiconductor layer formed, and a third nitride semiconductor layer formed in contact with a surface of the second nitride semiconductor layer opposite to the first nitride semiconductor layer. A collector layer including the two-dimensional hole gas layer generated in an interface region between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer in the second nitride semiconductor layer, and a part of the base layer And a base electrode that is selectively formed and is in ohmic contact with the two-dimensional hole gas layer.

本発明のバイポーラトランジスタによれば、2次元正孔ガス層と、2次元正孔ガス層とオーミック接続されたベース電極とを備えているため、ベース層における2次元正孔ガス層が発生している領域であるベース領域に注入される電子の量を、ベースエミッタ間に印加する電圧の値に応じて制御することが可能となる。また、コレクタ層の側に発生する内部電界により、ベース領域に注入された電子は、コレクタ層に到達するので、バイポーラトランジスタとして動作させることができる。   According to the bipolar transistor of the present invention, since the two-dimensional hole gas layer and the base electrode ohmically connected to the two-dimensional hole gas layer are provided, the two-dimensional hole gas layer in the base layer is generated. It is possible to control the amount of electrons injected into the base region, which is a region in accordance with the value of the voltage applied between the base emitters. Further, the electrons injected into the base region due to the internal electric field generated on the collector layer side reach the collector layer, and can be operated as a bipolar transistor.

本発明のバイポーラトランジスタにおいて、第1の窒化物半導体層はIII族元素としてガリウムを含み、第2の窒化物半導体層は、第1の窒化物半導体層のガリウム面と接していることが好ましい。このような構成とすることにより、第1の窒化物半導体層と第2の窒化物半導体層との界面領域に2次元正孔ガス層を確実に生成させることができる。   In the bipolar transistor of the present invention, it is preferable that the first nitride semiconductor layer contains gallium as a group III element, and the second nitride semiconductor layer is in contact with the gallium surface of the first nitride semiconductor layer. With such a configuration, a two-dimensional hole gas layer can be reliably generated in the interface region between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer.

本発明のバイポーラトランジスタにおいて、ベース層は、第2の窒化物半導体層とベース電極との間に形成され、第2の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが大きい第4の窒化物半導体層を含むことが好ましい。このような構成とすることにより、ベース電極とベース層との間にポテンシャル障壁を形成できる。従って、エミッタから直接ベース電極に注入されるベース電流を低減することができるので、電流増幅率が高く且つ高速に動作するバイポーラトランジスタを実現できる。   In the bipolar transistor of the present invention, the base layer is formed between the second nitride semiconductor layer and the base electrode, and the fourth nitride semiconductor layer having a larger band gap than the second nitride semiconductor layer is formed. It is preferable to include. With such a configuration, a potential barrier can be formed between the base electrode and the base layer. Accordingly, since the base current injected directly from the emitter into the base electrode can be reduced, a bipolar transistor having a high current amplification factor and operating at high speed can be realized.

この場合において、第4の窒化物半導体層は、p型の不純物がドープされた半導体材料からなることが好ましい。このような構成とすることにより、ベース電極の接触抵抗を確実に小さくすることができる。   In this case, the fourth nitride semiconductor layer is preferably made of a semiconductor material doped with p-type impurities. With such a configuration, the contact resistance of the base electrode can be reliably reduced.

本発明のバイポーラトランジスタにおいて、エミッタ層は、第1の窒化物半導体層と、該第1の窒化物半導体層における第2の窒化物半導体層と反対側に面に形成され、第1の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが小さい第5の窒化物半導体層と、該第5の窒化物半導体層における第1の窒化物半導体層と反対側の面に形成され、第5の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが大きい第6の窒化物半導体層とが積層された共鳴トンネルダイオード構造を有していることが好ましい。このような構成とすることにより、エミッタ層からベース領域へ共鳴トンネル効果により電子が注入される。従って、エミッタのダイナミック抵抗が小さくなるので、エミッタ充電時間が短くすることができる。その結果、遮断周波数ftが高いバイポーラトランジスタを実現できる。   In the bipolar transistor of the present invention, the emitter layer is formed on the surface of the first nitride semiconductor layer opposite to the second nitride semiconductor layer in the first nitride semiconductor layer, and the first nitride semiconductor layer A fifth nitride semiconductor layer having a band gap smaller than that of the semiconductor layer, and a fifth nitride semiconductor layer formed on a surface of the fifth nitride semiconductor layer opposite to the first nitride semiconductor layer; It is preferable to have a resonant tunneling diode structure in which a sixth nitride semiconductor layer having a larger band gap is stacked. With such a configuration, electrons are injected from the emitter layer to the base region by the resonant tunneling effect. Therefore, the emitter dynamic resistance is reduced, so that the emitter charging time can be shortened. As a result, a bipolar transistor having a high cutoff frequency ft can be realized.

本発明のバイポーラトランジスタにおいて、基板をさらに備え、エミッタ層、ベース層及びコレクタ層は、基板の上にエミッタ層から順次形成されていることが好ましい。このような構成とすることにより、エミッタ層からベース領域に注入された電子が、不純物散乱されることなく、コレクタ層に到達する。従って、通常のバイポーラトランジスタよりも高速性が高いホットエレクトロントランジスタを実現できる。   The bipolar transistor of the present invention preferably further includes a substrate, and the emitter layer, the base layer, and the collector layer are sequentially formed on the substrate from the emitter layer. With such a configuration, electrons injected from the emitter layer into the base region reach the collector layer without being scattered by impurities. Accordingly, it is possible to realize a hot electron transistor having a higher speed than a normal bipolar transistor.

この場合において基板は、サファイア又は炭化硅素からなることが好ましい。   In this case, the substrate is preferably made of sapphire or silicon carbide.

本発明に係るバイポーラトランジスタによれば、2次元正孔ガス層をp型ベースとし且つ窒化物系半導体からなり高速に動作するバイポーラトランジスタを実現できる。   According to the bipolar transistor of the present invention, a bipolar transistor having a two-dimensional hole gas layer as a p-type base and made of a nitride semiconductor and operating at high speed can be realized.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図面を参照して説明する。図1は第1の実施形態に係るバイポーラトランジスタの断面構成を示している。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a cross-sectional configuration of a bipolar transistor according to the first embodiment.

図1に示すように本実施形態のトランジスタは、面方位の(0001)面を主面とするサファイア基板11の上に形成された、反転ベース層バイポーラトランジスタ(IBT)である。   As shown in FIG. 1, the transistor of the present embodiment is an inverted base layer bipolar transistor (IBT) formed on a sapphire substrate 11 having a (0001) plane of the plane orientation as a main surface.

サファイア基板11の主面上には、窒化アルミニウム(AlN)からなるバッファ層12が形成され、バッファ層12の上には、高濃度ドープ層13と、エミッタ層である第1の半導体層14と、ベース層である第2の半導体層15と、コレクタ層である第3の半導体層16と、高濃度ドープ層17とが順次エピタキシャル成長により形成されている。   A buffer layer 12 made of aluminum nitride (AlN) is formed on the main surface of the sapphire substrate 11. On the buffer layer 12, a heavily doped layer 13 and a first semiconductor layer 14 as an emitter layer are formed. The second semiconductor layer 15 as the base layer, the third semiconductor layer 16 as the collector layer, and the heavily doped layer 17 are sequentially formed by epitaxial growth.

高濃度ドープ層13は、例えば、1×1019cm−3〜1×1020cm−3のn型不純物を含み、厚さが500nmのn−GaNからなる。第1の半導体層14は、膜厚が10nmのアンドープのi−AlGaNからなる。第2の半導体層15は、アンドープで膜厚が30nmのi−GaNからなる。第3の半導体層16は、1×1017cm−3〜5×1017cm−3のn型不純物を含み、厚さが300nmのn−GaNからなる。高濃度ドープ層17は、1×1019cm−3〜1×1020cm−3のn型不純物を含み、厚さが20nmのn−GaNからなる。 The heavily doped layer 13 includes, for example, n + -GaN having a thickness of 500 nm, including an n-type impurity of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 . The first semiconductor layer 14 is made of undoped i-Al 0 . 2 Ga 0 . 8 N. The second semiconductor layer 15 is made of i-GaN having an undoped thickness of 30 nm. The third semiconductor layer 16 is made of n-GaN having an n-type impurity of 1 × 10 17 cm −3 to 5 × 10 17 cm −3 and a thickness of 300 nm. The heavily doped layer 17 includes n + -GaN having a thickness of 20 nm, including an n-type impurity of 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3 .

高濃度ドープ層17の上にはコレクタ電極18が形成され、第2の半導体層15の上には、ベース電極19が形成され、高濃度ドープ層13の上にはエミッタ電極20が形成されている。   A collector electrode 18 is formed on the heavily doped layer 17, a base electrode 19 is formed on the second semiconductor layer 15, and an emitter electrode 20 is formed on the heavily doped layer 13. Yes.

図2は、本実施形態のバイポーラトランジスタにおいて第1の半導体層14と第2の半導体層15との間に電圧VEBを印加した際のバンド構造を示している。一般に有機金属気相堆積(MOCVD)法により、GaNを結晶成長させた場合、ガリウム(Ga)面が成長する。従って、本実施形態のバイポーラトランジスタは、エミッタである第1の半導体層14の上面はGa面であり、ベースである第2の半導体層15は、第1の半導体層14のGa面と接している。このため、第1の半導体層14と第1の半導体層14と比べてバンドギャップが小さい第2の半導体層15との界面には2次元正孔ガス層が発生する。本実施形態の場合には、2次元正孔ガスの濃度は、1×1013cm−2程度となる。 FIG. 2 shows a band structure when a voltage V EB is applied between the first semiconductor layer 14 and the second semiconductor layer 15 in the bipolar transistor of this embodiment. In general, when GaN is crystal-grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD), a gallium (Ga) surface grows. Therefore, in the bipolar transistor of this embodiment, the upper surface of the first semiconductor layer 14 that is an emitter is a Ga surface, and the second semiconductor layer 15 that is a base is in contact with the Ga surface of the first semiconductor layer 14. Yes. For this reason, a two-dimensional hole gas layer is generated at the interface between the first semiconductor layer 14 and the second semiconductor layer 15 having a band gap smaller than that of the first semiconductor layer 14. In the case of this embodiment, the concentration of the two-dimensional hole gas is about 1 × 10 13 cm −2 .

従って、第2の半導体層15の上に形成されたベース電極19と、第2の半導体層15における2次元正孔ガスが存在する領域であるベース領域とが等電位となる。つまり、2次元正孔ガスとベース電極19とが電気的にオーミック接続された状態となり、ベース層における2次元正孔ガス層が発生している領域であるベース領域に注入される電子の量が、VEBの値に応じて制御される。さらに、第3の半導体層16の側に発生する内部電界により、ベース領域に注入された電子が第3の半導体層16に到達するバイポーラトランジスタ動作が実現する。 Therefore, the base electrode 19 formed on the second semiconductor layer 15 and the base region where the two-dimensional hole gas exists in the second semiconductor layer 15 are equipotential. That is, the two-dimensional hole gas and the base electrode 19 are electrically ohmically connected, and the amount of electrons injected into the base region where the two-dimensional hole gas layer is generated in the base layer is , V EB is controlled according to the value. Furthermore, a bipolar transistor operation in which electrons injected into the base region reach the third semiconductor layer 16 is realized by an internal electric field generated on the third semiconductor layer 16 side.

本発明において、ベース領域は2次元正孔ガスが発生している領域であるため、ベース領域の厚さは実質的に2次元正孔ガス層の厚さにより決定される。2次元正孔ガス層の厚さは10nm以下と極めて薄いため、バイポーラトランジスタの動作速度を高くすることができる。2次元正孔ガス層の厚さは、薄すぎるとベース層抵抗が高くなってしまうため、3nm〜10nmとすることが好ましい。   In the present invention, since the base region is a region where the two-dimensional hole gas is generated, the thickness of the base region is substantially determined by the thickness of the two-dimensional hole gas layer. Since the thickness of the two-dimensional hole gas layer is as thin as 10 nm or less, the operation speed of the bipolar transistor can be increased. The thickness of the two-dimensional hole gas layer is preferably 3 nm to 10 nm because the base layer resistance increases if it is too thin.

(第2の実施形態)
以下に、本発明の第2の実施形態について図面を参照して説明する。図3は第2の実施形態に係るバイポーラトランジスタの断面構成を示している。図3において図1と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Second Embodiment)
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 3 shows a cross-sectional configuration of a bipolar transistor according to the second embodiment. In FIG. 3, the same components as those in FIG.

図3に示すように本実施形態のバイポーラトランジスタは、ベースがi−GaNからなる第2の半導体層15と、p型にドープされたp−AlGaNからなる第4の半導体層21とにより形成されており、ベース電極19は、第4の半導体層21の上に形成されている。 As shown in FIG. 3, the bipolar transistor of this embodiment includes a second semiconductor layer 15 whose base is made of i-GaN, p-Al 0 . 2 Ga 0 . The base electrode 19 is formed on the fourth semiconductor layer 21. The fourth semiconductor layer 21 is made of 8N.

本実施形態においては、エミッタ層である第1の半導体層14から第2の半導体層15におけるベース電極19の下側の領域である外部ベース領域に注入された電子が、ベース電極19に到達する確率を、i−GaNからなる第2の半導体層15とp−AlGaNからなる第4の半導体層21とのバンドオフセットの効果により小さくすることができる。 In the present embodiment, electrons injected from the first semiconductor layer 14 that is the emitter layer into the external base region that is the region below the base electrode 19 in the second semiconductor layer 15 reach the base electrode 19. The probability is set so that the second semiconductor layer 15 made of i-GaN and p-Al 0 . 2 Ga 0 . This can be reduced by the effect of the band offset with the fourth semiconductor layer 21 made of 8N.

図4は本実施形態の外部ベース領域と第1の半導体層14とにおけるバンド構造を示している。図4に示すように、p−AlGaNからなる第4の半導体層21によりポテンシャル障壁が形成されている。このポテンシャル障壁は、第1の半導体層14から外部ベース領域に注入された電子が、ベース電極19に到達する確率を小さくする。これにより、ベース電流が低減されるため、電流増幅率が高く且つ高速に動作するバイポーラトランジスタを実現できる。 FIG. 4 shows a band structure in the external base region and the first semiconductor layer 14 of the present embodiment. As shown in FIG. 4, p-Al 0 . 2 Ga 0 . A potential barrier is formed by the fourth semiconductor layer 21 made of 8N. This potential barrier reduces the probability that electrons injected from the first semiconductor layer 14 to the external base region will reach the base electrode 19. Thereby, since the base current is reduced, a bipolar transistor having a high current amplification factor and operating at high speed can be realized.

以下に、本実施形態に係るバイポーラトランジスタの製造方法について図面を参照して説明する。図5及び図6は本実施形態のバイポーラトランジスタの製造方法を工程順に示している。   Below, the manufacturing method of the bipolar transistor which concerns on this embodiment is demonstrated with reference to drawings. 5 and 6 show a method of manufacturing the bipolar transistor according to this embodiment in the order of steps.

まず、図5(a)に示すように、面方位の(0001)面を主面とするサファイア基板11の上にAlNからなるバッファ層12を形成する。続いて、バッファ層12の上に、厚さが500nmのn−GaNからなる高濃度ドープ層13、アンドープで厚さが10nmのi−AlGaNからなる第1の半導体層14、アンドープで厚さが30nmのi−GaNからなる第2の半導体層15、p型にドープされた厚さが30nmのp−AlGaNからなる第4の半導体層21をMOCVD法により順次エピタキシャル成長する。 First, as shown in FIG. 5A, a buffer layer 12 made of AlN is formed on a sapphire substrate 11 whose main surface is the (0001) plane of the plane orientation. Subsequently, on the buffer layer 12, the heavily doped layer 13 made of n + -GaN having a thickness of 500 nm, i-Al 0 . 2 Ga 0 . First semiconductor layer 14 made of 8 N, second semiconductor layer 15 made of undoped i-GaN having a thickness of 30 nm, and fourth semiconductor made of p-AlGaN doped in p-type and having a thickness of 30 nm Layer 21 is epitaxially grown sequentially by MOCVD.

次に、図5(b)に示すように第4の半導体層21の上に、厚さが100nmのシリコン酸化(SiO)膜30を堆積した後、通常のフォトリソグラフィとウエットエッチング工程により、第4の半導体層21を露出する開口部30aを形成する。 Next, as shown in FIG. 5B, a silicon oxide (SiO 2 ) film 30 having a thickness of 100 nm is deposited on the fourth semiconductor layer 21, and then subjected to normal photolithography and wet etching processes. An opening 30a that exposes the fourth semiconductor layer 21 is formed.

次に、図5(c)に示すようにSiO膜30をマスクとして、塩素ガスを用いたドライエッチングを行い、第4の半導体層21をエッチングして、第2の半導体層15を露出する。 Next, as shown in FIG. 5C, dry etching using chlorine gas is performed using the SiO 2 film 30 as a mask to etch the fourth semiconductor layer 21 to expose the second semiconductor layer 15. .

次に、図5(d)に示すようにMOCVDにより、第2の半導体層15の開口部から露出した部分の上に、n型にドープされた厚さ300nmのn−GaNからなる第3の半導体層16と、n型にドープされた厚さが20nmのn−GaNからなる高濃度ドープ層17とを順にエピタキシャル再成長する。なお、窒化物半導体はSiO膜30の上には成長されないため、第2の半導体層15における開口部から露出した部分のみに第3の半導体層16と高濃度ドープ層17とが成長される選択再成長となる。 Next, as shown in FIG. 5D, a third layer of n-GaN having a thickness of 300 nm doped n-type is formed on the portion exposed from the opening of the second semiconductor layer 15 by MOCVD. The semiconductor layer 16 and the heavily doped layer 17 made of n + -GaN having an n-type doped thickness of 20 nm are sequentially epitaxially regrown. Since the nitride semiconductor is not grown on the SiO 2 film 30, the third semiconductor layer 16 and the highly doped layer 17 are grown only in the portion exposed from the opening in the second semiconductor layer 15. Selective regrowth.

次に、図6(a)に示すようにSiO膜30をフッ酸によりウエットエッチングして除去する。さらに、図6(b)に示すように通常のフォトリソグラフィと塩素ガスを用いたドライエッチングにより、第4の半導体層21、第2の半導体層15及び第1の半導体層14の一部を選択的にエッチングして高濃度ドープ層13を露出する。 Next, as shown in FIG. 6A, the SiO 2 film 30 is removed by wet etching with hydrofluoric acid. Further, as shown in FIG. 6B, the fourth semiconductor layer 21, the second semiconductor layer 15, and a part of the first semiconductor layer 14 are selected by ordinary photolithography and dry etching using chlorine gas. The heavily doped layer 13 is exposed by etching.

次に、図6(c)に示すように通常のフォトリソグラフィによりレジストパターン(図示せず)を形成した後、厚さが20nmのTiと厚さが300nmのAlとを蒸着して、レジストパターン上に蒸着された金属膜をリフトオフすることにより、高濃度ドープ層13及び高濃度ドープ層17の上にエミッタ電極20及びコレクタ電極18をそれぞれ形成する。続いて、650℃で熱処理を行うことによりエミッタ電極20及びコレクタ電極18をオーミック接触させる。   Next, after forming a resist pattern (not shown) by ordinary photolithography as shown in FIG. 6C, Ti having a thickness of 20 nm and Al having a thickness of 300 nm are vapor-deposited to form a resist pattern. The emitter film 20 and the collector electrode 18 are formed on the heavily doped layer 13 and the heavily doped layer 17, respectively, by lifting off the metal film deposited thereon. Subsequently, the emitter electrode 20 and the collector electrode 18 are brought into ohmic contact by performing heat treatment at 650 ° C.

次に、図6(d)に示すように通常のフォトリソグラフィとリフトオフとを用いて、厚さが100nmのPdと厚さが300nmのAuとが積層されたベース電極19を第4の半導体層21の上に形成する。続いて、450℃で熱処理を行うことによりベース電極19をオーミック接触させる。   Next, as shown in FIG. 6D, the base electrode 19 in which Pd having a thickness of 100 nm and Au having a thickness of 300 nm are stacked is formed as a fourth semiconductor layer by using normal photolithography and lift-off. 21 is formed. Subsequently, the base electrode 19 is brought into ohmic contact by performing heat treatment at 450 ° C.

なお、本実施形態では基板としてサファイア基板を用いたが、炭化硅素(SiC)基板を用いても構わない。SiC基板はコストが高いが、格子定数がGaNに近くエピタキシャル膜質が良好な半導体層が得られる。   In this embodiment, a sapphire substrate is used as the substrate, but a silicon carbide (SiC) substrate may be used. Although the SiC substrate is expensive, a semiconductor layer having a lattice constant close to that of GaN and good epitaxial film quality can be obtained.

また、高濃度ドープ層13及び高濃度ドープ層17には、シリコン等のn型不純物を1×1019cm−3〜1×1020cm−3となるように導入し、第3の半導体層16には、1×1017cm−3〜5×1017cm−3となるようにn型不純物を導入すればよい。また、第1の半導体層14の膜厚は10nm〜30nmとすることが好ましく、第2の半導体層15の膜厚は10nm〜50nmとすることが好ましく、第3の半導体層16の膜厚は200nm〜500nmの膜厚とすることが好ましい。 Further, an n-type impurity such as silicon is introduced into the high concentration doped layer 13 and the high concentration doped layer 17 so as to be 1 × 10 19 cm −3 to 1 × 10 20 cm −3, and the third semiconductor layer 16 may be introduced with an n-type impurity so as to be 1 × 10 17 cm −3 to 5 × 10 17 cm −3 . The thickness of the first semiconductor layer 14 is preferably 10 nm to 30 nm, the thickness of the second semiconductor layer 15 is preferably 10 nm to 50 nm, and the thickness of the third semiconductor layer 16 is The film thickness is preferably 200 nm to 500 nm.

(第3の実施形態)
以下に、本発明の第3の実施形態について図面を参照して説明する。図7は第3の実施形態に係るバイポーラトランジスタの断面構成を示している。図7において図3と同一の構成要素には同一の符号を附すことにより説明を省略する。
(Third embodiment)
The third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 7 shows a cross-sectional structure of a bipolar transistor according to the third embodiment. In FIG. 7, the same components as those of FIG.

図7に示すように本実施形態のバイポーラトランジスタは、エミッタ層が、共鳴トンネルダイオード構造24により形成されていることを特徴とする。具体的に、エミッタ層は、下から順次積層された第6の半導体層23と第5の半導体層22と第1の半導体層14とからなる。   As shown in FIG. 7, the bipolar transistor of this embodiment is characterized in that the emitter layer is formed by a resonant tunnel diode structure 24. Specifically, the emitter layer includes a sixth semiconductor layer 23, a fifth semiconductor layer 22, and a first semiconductor layer 14 that are sequentially stacked from the bottom.

第1の半導体層14及び第6の半導体層23は、アンドープで厚さが5nmのi−AlGaNからなり、第5の半導体層22は、アンドープで厚さが4nmのi−GaNからなる。図8は本実施形態のバイポーラトランジスタのバンド構造を示している。図8に示すように、第1の半導体層14及び第6の半導体層23が障壁層となり、第5の半導体層22が井戸層となった、共鳴トンネルダイオード構造24が形成されている。このような構成とすることにより、エミッタ層からベース領域へ共鳴トンネル効果により電子が注入される。このため、エミッタのダイナミック抵抗が小さくなるので、エミッタ充電時間が短くなる。その結果、遮断周波数ftが高いバイポーラトランジスタを実現できる。 The first semiconductor layer 14 and the sixth semiconductor layer 23 are undoped i-Al 0 . 2 Ga 0 . Consist 8 N, the fifth semiconductor layer 22 has a thickness of an undoped consists 4nm of i-GaN. FIG. 8 shows the band structure of the bipolar transistor of this embodiment. As shown in FIG. 8, a resonant tunnel diode structure 24 is formed in which the first semiconductor layer 14 and the sixth semiconductor layer 23 serve as barrier layers and the fifth semiconductor layer 22 serves as a well layer. With such a configuration, electrons are injected from the emitter layer to the base region by the resonant tunneling effect. For this reason, the emitter dynamic resistance is reduced, so that the emitter charging time is shortened. As a result, a bipolar transistor having a high cutoff frequency ft can be realized.

各実施形態において、第1の半導体層14にi−AlGaNを用い、第2の半導体層にi−GaNを用いる例を示した。この他にも、一般式がInxAlyGa(1−x−y)N(0≦x≦1、0≦y≦1、x+y≦1)で表される窒化物半導体から選択した2種類の化合物の、バンドギャップが大きい方を第1の半導体層14とし、バンドギャップが小さい方を第2の半導体層15とすればよい。なお、第1の半導体層はアンドープが望ましいが、n型不純物濃度が1017cm−3台以下のn型であってもよく、p型不純物濃度が1016cm−3台以下であればp型でもよい。また、第3の半導体層16は、2次元正孔ガス層の厚さを薄くするため及びベースに注入された電子のベースコレクタ界面での散乱を防ぐために、第2の半導体層15と同一の組成比を有する窒化物半導体とすることが好ましいが、異なる組成比の窒化物半導体を用いてもよい。また、第3の半導体層16のn型不純物濃度は、1×1017cm−3〜5×1017cm−3の範囲が望ましいが、アンドープであってもよく、p型不純物濃度が1016cm−3台以下であればp型でもよい。 In each embodiment, i-Al 0 . 2 Ga 0 . An example is shown in which 8 N is used and i-GaN is used for the second semiconductor layer. In addition, two types of compounds selected from nitride semiconductors represented by the general formula InxAlyGa (1-xy) N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, x + y ≦ 1), The one with the larger band gap may be the first semiconductor layer 14, and the one with the smaller band gap may be the second semiconductor layer 15. Note that the first semiconductor layer is preferably undoped, but may be n-type with an n-type impurity concentration of 10 17 cm −3 or less, and p when the p-type impurity concentration is 10 16 cm −3 or less. It may be a mold. The third semiconductor layer 16 is the same as the second semiconductor layer 15 in order to reduce the thickness of the two-dimensional hole gas layer and to prevent scattering of electrons injected into the base at the base collector interface. Nitride semiconductors having a composition ratio are preferable, but nitride semiconductors having different composition ratios may be used. The n-type impurity concentration of the third semiconductor layer 16 is preferably in the range of 1 × 10 17 cm −3 to 5 × 10 17 cm −3 , but may be undoped, and the p-type impurity concentration is 10 16. If it is cm −3 or less, it may be p-type.

ベース領域における電子の散乱を低減してバイポーラトランジスタを高速に動作させるためには、ベースとなる第2の半導体層15がアンドープであることが好ましい。しかし、1016cm−3台以下であればn型又はp型の不純物が含まれていても問題ない。 In order to reduce the scattering of electrons in the base region and operate the bipolar transistor at high speed, the second semiconductor layer 15 serving as the base is preferably undoped. However, if it is 10 16 cm −3 or less, there is no problem even if n-type or p-type impurities are contained.

各実施形態において、MOCVD法を用いて基板の上にGa面を成長させる場合について説明した。しかし、分子線エピタキシ(MBE)法等を用いてN面を成長させることも可能であり、この場合においては第2の半導体層が第1の半導体層14のGa面と接するように、半導体層の積層の順序を変更すればよい。   In each embodiment, the case where the Ga surface is grown on the substrate using the MOCVD method has been described. However, it is also possible to grow the N plane by using molecular beam epitaxy (MBE) method or the like. In this case, the semiconductor layer is formed so that the second semiconductor layer is in contact with the Ga plane of the first semiconductor layer 14. The order of stacking may be changed.

本発明に係るバイポーラトランジスタは、2次元正孔ガス層をp型ベースとし且つ窒化物系半導体からなり高速に動作するバイポーラトランジスタを実現でき、高速動作が可能なバイポーラトランジスタ等として有用である。   The bipolar transistor according to the present invention can be realized as a bipolar transistor which has a two-dimensional hole gas layer as a p-type base and is made of a nitride semiconductor and operates at high speed, and is useful as a bipolar transistor capable of high-speed operation.

本発明の第1の実施形態に係るバイポーラトランジスタを示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a bipolar transistor according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係るバイポーラトランジスタのバンド構造を示すバンド図である。It is a band figure showing the band structure of the bipolar transistor concerning a 1st embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係るバイポーラトランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the bipolar transistor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るバイポーラトランジスタの外部ベース領域におけるバンド構造を示すバンド図である。It is a band figure which shows the band structure in the external base area | region of the bipolar transistor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るバイポーラトランジスタの製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the bipolar transistor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態に係るバイポーラトランジスタの製造方法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the manufacturing method of the bipolar transistor which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係るバイポーラトランジスタを示す断面図である。It is sectional drawing which shows the bipolar transistor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態に係るバイポーラトランジスタのバンド構造を示すバンド図である。It is a band diagram which shows the band structure of the bipolar transistor which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 従来のトランジスタにおける課題を説明するためのバンド構造を示すバンド図である。It is a band figure which shows the band structure for demonstrating the subject in the conventional transistor.

符号の説明Explanation of symbols

11 基板
12 バッファ層
13 高濃度ドープ層
14 第1の半導体層
15 第2の半導体層
16 第3の半導体層
17 高濃度ドープ層
18 コレクタ電極
19 ベース電極
20 エミッタ電極
21 第4の半導体層
22 第5の半導体層
23 第6の半導体層
24 共鳴トンネルダイオード構造
30 シリコン酸化膜
11 Substrate 12 Buffer layer 13 Highly doped layer 14 First semiconductor layer 15 Second semiconductor layer 16 Third semiconductor layer 17 Highly doped layer 18 Collector electrode 19 Base electrode 20 Emitter electrode 21 Fourth semiconductor layer 22 5 semiconductor layer 23 sixth semiconductor layer 24 resonant tunnel diode structure 30 silicon oxide film

Claims (9)

第1の窒化物半導体層を含むエミッタ層と、
前記第1の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが小さく且つ前記第1の窒化物半導体層と接して形成された第2の窒化物半導体層を含むベース層と、
前記第2の窒化物半導体層における前記第1の窒化物半導体層とは反対側の面と接して形成された第3の窒化物半導体層を含むコレクタ層と、
前記第2の窒化物半導体層における前記第1の窒化物半導体層と前記第2の窒化物半導体層との界面領域に発生する2次元正孔ガス層と、
前記ベース層の一部と接するように選択的に形成され、前記2次元正孔ガス層とオーミック接続したベース電極とを備えていることを特徴とするバイポーラトランジスタ。
An emitter layer including a first nitride semiconductor layer;
A base layer including a second nitride semiconductor layer having a smaller band gap than the first nitride semiconductor layer and formed in contact with the first nitride semiconductor layer;
A collector layer including a third nitride semiconductor layer formed in contact with a surface of the second nitride semiconductor layer opposite to the first nitride semiconductor layer;
A two-dimensional hole gas layer generated in an interface region between the first nitride semiconductor layer and the second nitride semiconductor layer in the second nitride semiconductor layer;
A bipolar transistor, comprising: a base electrode selectively formed so as to be in contact with a part of the base layer and in ohmic contact with the two-dimensional hole gas layer.
前記第1の窒化物半導体層はIII族元素としてガリウムを含み、
前記第2の窒化物半導体層は、前記第1の窒化物半導体層のガリウム面と接してい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。
The first nitride semiconductor layer includes gallium as a group III element;
2. The bipolar transistor according to claim 1, wherein the second nitride semiconductor layer is in contact with a gallium surface of the first nitride semiconductor layer.
前記ベース層は、前記第2の窒化物半導体層と前記ベース電極との間に形成され、前記第2の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが大きい第4の窒化物半導体層を含む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。   The base layer includes a fourth nitride semiconductor layer formed between the second nitride semiconductor layer and the base electrode and having a band gap larger than that of the second nitride semiconductor layer. The bipolar transistor according to claim 1. 前記第4の窒化物半導体層は、p型の不純物がドープされた半導体材料からなることを特徴とする請求項3に記載のバイポーラトランジスタ。   4. The bipolar transistor according to claim 3, wherein the fourth nitride semiconductor layer is made of a semiconductor material doped with p-type impurities. 前記エミッタ層は、前記第1の窒化物半導体層と、該第1の窒化物半導体層における前記第2の窒化物半導体層と反対側の面に形成され、前記第1の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが小さい第5の窒化物半導体層と、該第5の窒化物半導体層における前記第1の窒化物半導体層と反対側の面に形成され、前記第5の窒化物半導体層と比べてバンドギャップが大きい第6の窒化物半導体層とが積層された共鳴トンネルダイオード構造を有していることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のバイポーラトランジスタ。   The emitter layer is formed on the surface of the first nitride semiconductor layer opposite to the second nitride semiconductor layer in the first nitride semiconductor layer, and the first nitride semiconductor layer A fifth nitride semiconductor layer having a smaller band gap than the fifth nitride semiconductor layer, and a surface of the fifth nitride semiconductor layer opposite to the first nitride semiconductor layer; 5. The bipolar transistor according to claim 1, wherein the bipolar transistor has a resonant tunnel diode structure in which a sixth nitride semiconductor layer having a larger band gap is stacked. 前記第2の窒化物半導体層は、不純物がドープされていない半導体材料からなることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のバイポーラトランジスタ。   6. The bipolar transistor according to claim 1, wherein the second nitride semiconductor layer is made of a semiconductor material not doped with impurities. 前記第2の窒化物半導体層と、前記第3の窒化物半導体層とは同一の半導体材料からなることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のバイポーラトランジスタ。   The bipolar transistor according to any one of claims 1 to 6, wherein the second nitride semiconductor layer and the third nitride semiconductor layer are made of the same semiconductor material. 基板をさらに備え、
前記エミッタ層、ベース層及びコレクタ層は、前記基板の上に前記エミッタ層から順次形成されていることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のバイポーラトランジスタ。
Further comprising a substrate,
The bipolar transistor according to claim 1, wherein the emitter layer, the base layer, and the collector layer are sequentially formed on the substrate from the emitter layer.
前記基板は、サファイア又は炭化硅素からなることを特徴とする請求項8に記載のバイポーラトランジスタ。   The bipolar transistor according to claim 8, wherein the substrate is made of sapphire or silicon carbide.
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