JP2009231594A - Hetero-junction bipolar transistor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに関する。 The present invention relates to heterojunction bipolar transistors.
電界効果トランジスタ(以下、FETと記す)又はヘテロ接合バイポーラトランジスタ(以下、Heterojunction Bipoiar Transistor:HBTと記す)等の化合物半導体デバイスは、例えば、携帯電話機の部品の一つである送信用高出力電力増幅器等に用いられている。近年、HBTに対して、高出力特性、高利得特性、および低歪み特性が求められており、これらを実現するために、高い耐圧であって且つ低いオン抵抗を有するHBTの実現が要求されている。 A compound semiconductor device such as a field effect transistor (hereinafter referred to as FET) or a heterojunction bipolar transistor (hereinafter referred to as HBT) is, for example, a high output power amplifier for transmission which is one of the components of a mobile phone. Etc. are used. In recent years, high output characteristics, high gain characteristics, and low distortion characteristics have been demanded for HBTs, and in order to realize these, it is required to realize HBTs having high breakdown voltage and low on-resistance. Yes.
HBTのエミッタ層に使われる材料としてAlGaAsに代わり、近年InGaPが主流になりつつある。InGaPの利点として、In組成0.5付近でGaAsに格子整合すること、GaAsに対するウェットエッチングの選択比が高いこと、GaAsベース層に接合した時の価電子帯不連続量がAlGaAsの場合に比べ大きいこと、AlGaAsに見られたDXセンターのような深い不純物準位が無いこと、表面再結合速度が小さいこと等が挙げられる。 As a material used for the emitter layer of the HBT, InGaP is becoming mainstream in recent years instead of AlGaAs. Advantages of InGaP include lattice matching with GaAs near In composition 0.5, high selectivity of wet etching to GaAs, and valence band discontinuity when bonded to GaAs base layer compared to AlGaAs. For example, it is large, there is no deep impurity level like the DX center found in AlGaAs, and the surface recombination velocity is low.
次に、従来のHBTのデバイス構造について、図12の断面図を参照しながら説明する(例えば特許文献1参照)。 Next, a device structure of a conventional HBT will be described with reference to a cross-sectional view of FIG. 12 (see, for example, Patent Document 1).
GaAs基板500上に、電子濃度5E18cm-3で膜厚600nmのn型GaAsサブコレクタ層501、アンドープで膜厚100nmのInGaPコレクタ層502、電子濃度2E18cm-3で膜厚10nmのn型GaAsスペーサ層503、電子濃度1E16cm-3で膜厚500nmのn型GaAsコレクタ層504、ホール濃度4E19cm-3で膜厚80nmのp型GaAsベース層510、電子濃度3E17cm-3で膜厚30nmのn型InGaPエミッタ層511、電子濃度3E18cm-3で膜厚200nmのn型GaAsエミッタキャップ層512、および電子濃度1E19cm-3で膜厚100nmのn型InGaAsエミッタコンタクト層513が各々この順で成長されている。GaAsサブコレクタ層501上にはコレクタ電極520、GaAsベース層510上にはベース電極521、およびInGaAsエミッタコンタクト層513上にはエミッタ電極522がそれぞれ形成されている。
On a
InGaPコレクタ層502を導入している意味は、特許文献1に詳細に記されているように、コレクタ電流が流れている状態でのエミッタコレクタ間耐圧(BVcex)を向上させるためである。このときの電界強度のピークはコレクタ層とサブコレクタ層との間に発生しており、この位置に衝突イオン化係数がGaAsより小さいInGaPを導入することにより、耐圧を向上させている。
The meaning of introducing the InGaP
InGaPは成長条件に応じて、結晶での原子の配列状態およびバンドギャップが変化するという性質を持つ。InGaPの成長温度を変化させると、III族元素のInとGaがIII族原子層面内で規則的に配列してオーダー型(CuPt型自然超格子構造)を形成する場合と、不規則に配列してディスオーダー型を形成する場合とが観測される。InGaPがディスオーダー型で成長されているならば、InGaPとGaAsとの間にはおよそ0.2eVの伝導帯不連続(ΔEc)が発生してしまう。そのため、コレクタ電圧に対するコレクタ電流の立ち上がり具合を示すオン抵抗(Ron)が増大する。特許文献1のHBTにおけるInGaPコレクタ層502は、ディスオーダー型を想定しており、この問題を防止するため、特許文献1のHBTではn型GaAsスペーサ層503を導入することにより、実効的なΔEcを小さくし、Ronの増大を防止している。
InGaP has the property that the atomic arrangement state and band gap in the crystal change according to the growth conditions. When the growth temperature of InGaP is changed, the group III elements In and Ga are regularly arranged in the group III atomic layer surface to form an order type (CuPt type natural superlattice structure), and irregularly arranged. The case where a disordered type is formed is observed. If InGaP is grown in a disordered type, a conduction band discontinuity (ΔEc) of approximately 0.2 eV occurs between InGaP and GaAs. Therefore, the on-resistance (Ron) indicating the rise of the collector current with respect to the collector voltage increases. The InGaP
一方、InGaPが仮にオーダー型で成長されているならば、InGaPとGaAsとの間には伝導帯不連続は殆ど存在せず、それを原因としたオン抵抗の増大は発生しない。ところが、オーダー型ではInGaPとGaAsとの界面に濃度分布状態の異常が発生することが知られているが、原因は明確にされていない。界面準位の密度はおよそ2E12cm-2と言われているが定かでは無い。このため、InGaP層とその上方の層との界面(InGaPのGaAsとの界面)でキャリアの空乏化が起こり、プラスに帯電した状態となる。一方、InGaP層とその下方の層との界面でキャリアの蓄積が起こり、マイナスに帯電した状態となる。その結果、InGaPとGaAsとの間の伝導帯のフラット性に変調が起こされ、この変調はコレクタ電流が流れている場合の障害になるので、オン抵抗が増大する。 On the other hand, if InGaP is grown in order, there is almost no conduction band discontinuity between InGaP and GaAs, and no increase in on-resistance due to that occurs. However, it is known that the order type has an abnormality in the concentration distribution state at the interface between InGaP and GaAs, but the cause is not clarified. The interface state density is said to be about 2E12 cm -2 , but it is not clear. For this reason, carrier depletion occurs at the interface between the InGaP layer and the layer above it (interface with InGaP GaAs), resulting in a positively charged state. On the other hand, carrier accumulation occurs at the interface between the InGaP layer and the layer below the InGaP layer, resulting in a negatively charged state. As a result, modulation occurs in the flatness of the conduction band between InGaP and GaAs, and this modulation becomes an obstacle when the collector current flows, so that the on-resistance increases.
なお、図12と同様な構造が特許文献2にも開示されているが、特許文献2ではオーダー型のInGaPを想定している。特許文献2でも、n型スペーサ層をInGaPコレクタ層上に導入している。さらに特許文献3においても、InGaPコレクタ層とGaAsコレクタ層との間にn型スペーサ層を導入する構造が開示されている。なお、n型スペーサ層の電子濃度は耐圧低下の防止から1E18cm-3以下の制限がかけられている。
ところで、従来の技術である図12のHBTにおいて、n型GaAsスペーサ層503の電子濃度は、Ronを低下させるために、無制限に高くすることは出来ない。なぜなら、電子濃度を仮に5E18cm-3のような高濃度に設定した場合、BVcexが低下してしまうからである。これについて詳述する。
Incidentally, in the conventional HBT of FIG. 12, the electron concentration of the n-type
図12のHBTにおいて、n型GaAsスペーサ層503の電子濃度を高くしたときの、コレクタ電流が十分に流れている場合での、コレクタ層内のキャリア濃度(電子濃度)および電界強度(絶対値)の分布を各々図13(a)および図13(b)に示す。なお、図13(a)において、横軸はGaAsベース層510表面からの距離、縦軸はキャリア濃度を示し、図13(b)において、横軸はGaAsベース層510表面からの距離、縦軸は電界強度を示している。
In the HBT of FIG. 12, the carrier concentration (electron concentration) and the electric field strength (absolute value) in the collector layer when the collector current sufficiently flows when the electron concentration of the n-type
図13(a)に示すように、GaAsコレクタ層504の領域で、エミッタから注入された電子の濃度が設定濃度を上回りマイナスに帯電している。一方、n型GaAsスペーサ層503の領域で、設定された電子濃度(設定濃度)の方が実際の電子濃度を上回りプラスに帯電している。また、InGaPコレクタ層502の領域ではアンドープのためマイナスに帯電している。その結果、図13(b)に示すように、電界強度はn型GaAsスペーサ層503の領域で大きく低下してしまい、InGaPコレクタ層502には僅かしか電界がかからず、InGaPの高耐圧性が生かされていない。この場合、耐圧はGaAsコレクタ層504とn型GaAsスペーサ層503との境界の電界強度で決定されるが、n型GaAsスペーサ層503がこのような高濃度のときは、アンドープ領域で同じ電界強度が発生する場合に比べ、低い臨界電界強度で破壊に至ってしまう。そのため、図12のHBTにおいて、n型GaAsスペーサ層503の電子濃度を高く設定した場合には、十分に高い耐圧を得ることが出来ない。
As shown in FIG. 13A, in the region of the
しかしながら、耐圧を上げようと、図12のHBTにおいてn型GaAsスペーサ層503の電子濃度を例えば5E17cm-3のような低濃度にすると、電界強度のピークはInGaPコレクタ層502にかかり、高耐圧が得られることが期待されるが、逆にオン抵抗が悪化してしまう。ここで、InGaPコレクタ層502をオーダー型とした場合は、前述したようにInGaP層とその上方の層との界面でキャリアの空乏化が起こり、プラスに帯電した状態となる。その結果、InGaPとGaAsとの間の伝導帯のフラット性に変調が起こされ、この変調はコレクタ電流が流れている場合の障害になるので、オン抵抗が増大する。
However, to increase the breakdown voltage, when the electron concentration of the n-type
そこで、本発明は、コレクタ電流が流れている状態でのオン抵抗および耐圧を両方同時に向上させることが可能なHBTを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an HBT that can simultaneously improve both the on-resistance and the breakdown voltage in a state where a collector current flows.
前記の課題を解決するために、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、n型のGaAsサブコレクタ層と、前記GaAsサブコレクタ層上に形成されたInGaPコレクタ層と、前記InGaPコレクタ層上に形成されたn型のGaAsスペーサ層と、前記GaAsスペーサ層上に形成されたn型のGaAsコレクタ層と、前記GaAsコレクタ層上に形成されたp型のベース層と、前記ベース層上に形成されたn型のエミッタ層とを備え、前記GaAsサブコレクタ層のキャリア濃度は、前記GaAsコレクタ層のキャリア濃度より高く、前記GaAsコレクタ層のキャリア濃度は、前記ベース層と向き合う部分から前記GaAsスペーサ層と向き合う部分に向けて高くなることを特徴としている。ここで、前記GaAsスペーサ層のキャリア濃度は、前記GaAsコレクタ層の最大のキャリア濃度より高くてもよい。 In order to solve the above problems, a heterojunction bipolar transistor of the present invention is formed on an n-type GaAs subcollector layer, an InGaP collector layer formed on the GaAs subcollector layer, and the InGaP collector layer. An n-type GaAs spacer layer; an n-type GaAs collector layer formed on the GaAs spacer layer; a p-type base layer formed on the GaAs collector layer; and a base layer formed on the base layer. an n-type emitter layer, wherein the carrier concentration of the GaAs subcollector layer is higher than the carrier concentration of the GaAs collector layer, and the carrier concentration of the GaAs collector layer is from the portion facing the base layer to the GaAs spacer layer. It is characterized by being raised toward the facing part. Here, the carrier concentration of the GaAs spacer layer may be higher than the maximum carrier concentration of the GaAs collector layer.
これにより、臨界電界強度が高い低キャリア濃度のGaAsコレクタ層で、耐圧を決める電界強度のピークを発生させることができるので、HBTの高耐圧化を図ることができる。同時に、n型GaAsスペーサ層内に電界強度のピークが発生しないので、耐圧の低下を考慮することなくn型GaAsスペーサ層のキャリア濃度を高くし、オン抵抗を低減することができる。その結果、コレクタ電流が流れている状態でのオン抵抗および耐圧を両方同時に向上させることが可能なHBTを実現できる。 Thereby, the peak of the electric field strength that determines the breakdown voltage can be generated in the low carrier concentration GaAs collector layer having a high critical electric field strength, so that the breakdown voltage of the HBT can be increased. At the same time, no peak of electric field strength occurs in the n-type GaAs spacer layer, so that the carrier concentration of the n-type GaAs spacer layer can be increased and the on-resistance can be reduced without considering the decrease in breakdown voltage. As a result, it is possible to realize an HBT capable of simultaneously improving both the on-resistance and the breakdown voltage in a state where the collector current is flowing.
上述したように、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、コレクタ電流が流れている状態でのオン抵抗および耐圧を両方同時に向上させることが出来る。 As described above, the heterojunction bipolar transistor of the present invention can simultaneously improve both the on-resistance and the breakdown voltage in the state where the collector current flows.
以下、本発明の実施の形態におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタについて、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, heterojunction bipolar transistors according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、本実施の形態のHBTの構造を示す断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of the HBT of this embodiment.
図1に示すように、GaAs基板100上に、電子濃度5E18cm-3および膜厚600nmのn型GaAsサブコレクタ層101、アンドープで膜厚100nmのInGaPコレクタ層102、電子濃度5E18cm-3および膜厚10nmのn型GaAsスペーサ層103、電子濃度4E16cm-3および膜厚400nmのn型GaAs第2コレクタ層104、電子濃度1.4E16cm-3および膜厚600nmのn型GaAs第1コレクタ層105、ホール濃度4E19cm-3および膜厚80nmのp型GaAsベース層110、電子濃度3E17cm-3および膜厚30nmのn型InGaPエミッタ層111、電子濃度3E18cm-3および膜厚200nmのn型GaAsエミッタキャップ層112、ならびに電子濃度1E19cm-3および膜厚100nmのn型InGaAsエミッタコンタクト層113が各々この順で成長されている。これら半導体層のエッチングおよび電極の蒸着処理により、オーミック電極として、GaAsサブコレクタ層101上にコレクタ電極120、GaAsベース層110上にベース電極121、およびInGaAsエミッタコンタクト層113上にエミッタ電極122が形成されている。
As shown in FIG. 1, on a
このとき、InGaPコレクタ層102はディスオーダー型で成長している。従って、InGaPコレクタ層102の結晶状態は、自然超格子状態となっておらずディスオーダー状態となっている。
At this time, the
次に上記構造を有するHBTの耐圧について考察する。図2(a)および図2(b)は各々十分に高いコレクタ電流が流れている時のコレクタ層内のキャリア濃度(電子濃度)および電界強度(絶対値)の分布を表す図である。なお、図2(a)において、横軸はGaAsベース層110表面からの距離、縦軸はキャリア濃度を示し、図2(b)において、横軸はGaAsベース層110表面からの距離、縦軸は電界強度を示している。
Next, the breakdown voltage of the HBT having the above structure will be considered. FIGS. 2A and 2B are diagrams showing the distribution of carrier concentration (electron concentration) and electric field strength (absolute value) in the collector layer when a sufficiently high collector current flows. 2A, the horizontal axis indicates the distance from the surface of the
図2(a)に示すように、GaAs第1コレクタ層105の領域およびInGaPコレクタ層102の領域では、実際の電子濃度が設定された電子濃度(設定濃度)を上回っており、マイナスに帯電している。一方、GaAs第2コレクタ層104およびn型GaAsスペーサ層103の領域では、反対にプラスに帯電している。そのため、図2(b)に示すように、電界強度はGaAs第2コレクタ層104とGaAs第1コレクタ層105との境界においてピークを持つ。このように、臨界電界強度の高い低濃度のGaAsコレクタ層の領域で電界強度のピークを発生させることにより、電界強度の占める面積(図2(b)において電界強度を積分した値)である耐圧が大きくなる。n型GaAsスペーサ層103の領域で電界強度が低下しているため、InGaPコレクタ層102の領域で殆ど電界がかかっていない。そのため、InGaPの高耐圧性は生かされているとは言えない。しかし、InGaPはGaAsに対しウェットエッチングの選択性がある。高耐圧型のHBTでは、コレクタ層が1μm程度の厚膜を有しているため、このような厚膜になる程、HBTの製造プロセスの難易度が増大していく。従って、エッチング選択性のあるInGaPを用いることにより、HBTの製造プロセスが容易になるため、HBTに対するInGaPの使用は必須といえる。
As shown in FIG. 2A, in the region of the GaAs
GaAs第1コレクタ層105およびGaAs第2コレクタ層104の電子濃度の設定について、図3および図4を用いて説明する。
The setting of the electron concentration of the GaAs
図3は、GaAs第1コレクタ層105の電子濃度をパラメータとした、BVcexとGaAs第1コレクタ層105およびGaAs第2コレクタ層104の電子濃度の比(コレクタ層濃度比)との関係を表す図である。図4は、コレクタ電流が流れていない状態での、GaAs第1コレクタ層105の電子濃度をパラメータとした、エミッタコレクタ間の耐圧(BVceo)とコレクタ層濃度比との関係を表す図である。
FIG. 3 is a diagram illustrating the relationship between BVcex and the ratio of the electron concentrations of the GaAs
図3に示すように、BVcexは所定のコレクタ層濃度比でピークを持ち、その値はGaAs第1コレクタ層105の電子濃度が高いほど大きい。GaAs第1コレクタ層105の電子濃度が所定値で、GaAs第2コレクタ層104の電子濃度が低いときは、n型GaAsスペーサ層103上に電界強度のピークが来て、この電界強度のピークにより耐圧が決定される。一方、GaAs第2コレクタ層104の電子濃度が高いときは、GaAs第1コレクタ層105とGaAs第2コレクタ層104との境界に電界強度のピークがきて、この電界のピークにより耐圧が決定される。BVcexがピークを持つ濃度条件では、前述した2つの位置で同時に破壊が起きていると考えられる。
As shown in FIG. 3, BVcex has a peak at a predetermined collector layer concentration ratio, and the value increases as the electron concentration of the GaAs
図4に示すように、今度は、GaAs第1コレクタ層105の電子濃度が低いほど、BVceoは高くなる。GaAs第1コレクタ層105が所定の電子濃度を有するとき、GaAs第2コレクタ層104の電子濃度が高くなる程、BVceoは低くなっていく。
As shown in FIG. 4, this time, the lower the electron concentration of the GaAs
図3および図4から、GaAs第1コレクタ層105の電子濃度の範囲を1.0E16cm-3以上1.8E16cm-3以下とし、GaAs第2コレクタ層104の電子濃度の範囲を1.0E16cm-3以上7.0E16cm-3以下と設定した。
Figure 3 and Figure 4, GaAs electron concentration in the range of the
以上のように、本実施の形態のHBTによれば、コレクタ層にキャリア濃度の異なるGaAs第1コレクタ層105およびGaAs第2コレクタ層104が設けられ、GaAs第2コレクタ層104のキャリア濃度がGaAs第1コレクタ層105のキャリア濃度より高くなるように設定される。従って、低キャリア濃度のコレクタ層の領域で電界のピークが発生するので、HBTの高耐圧化を実現できる。また、高濃度のn型GaAsスペーサ層103に耐圧を決める電界のピークが発生しないので、n型GaAsスペーサ層103のキャリア濃度を高くし、低オン抵抗のHBTを実現できる。
As described above, according to the HBT of the present embodiment, the collector layer is provided with the GaAs
なお、本実施の形態において、GaAs第2コレクタ層104にはそのキャリア濃度が4E16cm-3となるように、GaAs第1コレクタ層105にはそのキャリア濃度が1.4E16cm-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、GaAs第2コレクタ層104のキャリア濃度がGaAs第1コレクタ層105のキャリア濃度より高くなるように不純物が添加されればこれに限られない。
In this embodiment, the GaAs
また、本実施の形態において、GaAs第1コレクタ層105およびGaAs第2コレクタ層104というキャリア濃度の異なる2つの半導体層を積層することで、n型GaAsスペーサ層103側のキャリア濃度がGaAsベース層110側のキャリア濃度より高くなる濃度分布をコレクタ層内に形成するとした。しかし、n型GaAsスペーサ層103とGaAsベース層110との間に1つのGaAs層のみを形成し、GaAsベース層110側の部分からn型GaAsスペーサ層103側の部分に向けてキャリア濃度が高くなる濃度分布をこの1つのGaAs層内に形成してもよい。この場合、GaAsベース層110側の部分からn型GaAsスペーサ層103側の部分に向けて不純物濃度が高くなるように、半導体層に不純物を段階的もしくは連続的に注入することで濃度分布が形成される。
Further, in the present embodiment, by laminating two semiconductor layers having different carrier concentrations, that is, the GaAs
また、本実施の形態において、n型GaAsスペーサ層103には、そのキャリア濃度が5E18cm-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、n型GaAsスペーサ層103には、伝導帯不連続によるオン抵抗の増大を防止することが可能で、かつn型GaAsスペーサ層103の領域で電界強度のピークを発生させないキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。具体的には、2E18cm-3以上という高濃度で、かつGaAsコレクタ層(GaAs第1コレクタ層105およびGaAs第2コレクタ層104)の最大のキャリア濃度である4E16cm-3よりも高いキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。
Further, in the present embodiment, the n-type
また、本実施の形態において、GaAsサブコレクタ層101のキャリア濃度は5E18cm-3であるとしたが、GaAs第1コレクタ層105およびGaAs第2コレクタ層104のキャリア濃度より高ければこれに限られない。
In the present embodiment, the carrier concentration of the
(第2の実施の形態)
図5は、本実施の形態のHBTの構造を示す断面図である。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structure of the HBT of the present embodiment.
図5に示すように、GaAs基板200上に、電子濃度5E18cm-3および膜厚600nmのn型GaAsサブコレクタ層201、アンドープで膜厚100nmのInGaPコレクタ層202、電子濃度5E18cm-3および膜厚10nmのn型GaAsスペーサ層203、電子濃度4E16cm-3および膜厚250nmのn型GaAs第4コレクタ層204、電子濃度3E16cm-3および膜厚250nmのn型GaAs第3コレクタ層205、電子濃度2E16cm-3および膜厚250nmのn型GaAs第2コレクタ層206、電子濃度1E16cm-3および膜厚250nmのn型GaAs第1コレクタ層207、ホール濃度4E19cm-3および膜厚80nmのp型GaAsベース層210、電子濃度3E17cm-3および膜厚30nmのn型InGaPエミッタ層211、電子濃度3E18cm-3および膜厚200nmのn型GaAsエミッタキャップ層212、ならびに電子濃度1E19cm-3および膜厚100nmのn型InGaAsエミッタコンタクト層213が各々この順で成長されている。これら半導体層のエッチングおよび電極の蒸着処理により、オーミック電極として、GaAsサブコレクタ層201上にコレクタ電極220、GaAsベース層210上にベース電極221、およびInGaAsエミッタコンタクト層213上にエミッタ電極222が形成されている。
As shown in FIG. 5, on a
このとき、図1と同様にInGaPコレクタ層202は、ディスオーダー型で成長している。従って、InGaPコレクタ層202の結晶状態は、自然超格子状態となっておらずディスオーダー状態となっている。
At this time, as in FIG. 1, the
次に上記構造を有するHBTの耐圧について考察する。図6(a)および図6(b)は各々十分に高いコレクタ電流が流れている時のコレクタ層内のキャリア濃度(電子濃度)および電界強度(絶対値)の分布を表す図である。なお、図6(a)において、横軸はGaAsベース層210表面からの距離、縦軸はキャリア濃度を示し、図6(b)において、横軸はGaAsベース層210表面からの距離、縦軸は電界強度を示している。
Next, the breakdown voltage of the HBT having the above structure will be considered. FIGS. 6A and 6B are graphs showing the distribution of carrier concentration (electron concentration) and electric field strength (absolute value) in the collector layer when a sufficiently high collector current flows. 6A, the horizontal axis indicates the distance from the surface of the
図2(a)および図2(b)について行ったのと同様な考察から、この場合は電界強度のピークはGaAs第2コレクタ層206とGaAs第3コレクタ層205との境界で発生している。このように、コレクタ層内で設定濃度が多段階で少しずつ変化している構造では、電界強度のピークからの電界強度の変化が図2(b)に比べてなだらかであるため、電界強度が占める面積で表される耐圧がさらに大きくなる。
From the same consideration as that performed for FIGS. 2A and 2B, in this case, the peak of the electric field strength occurs at the boundary between the GaAs
以上のように本実施の形態のHBTによれば、第1の実施の形態のHBTと同様の理由により、高耐圧および低オン抵抗のHBTを実現できる。 As described above, according to the HBT of the present embodiment, a high breakdown voltage and low on-resistance HBT can be realized for the same reason as the HBT of the first embodiment.
なお、本実施の形態において、GaAs第4コレクタ層204にはそのキャリア濃度が4E16cm-3となるように、GaAs第3コレクタ層205にはそのキャリア濃度が3E16cm-3となるように、GaAs第2コレクタ層206にはそのキャリア濃度が2E16cm-3となるように、GaAs第1コレクタ層207にはそのキャリア濃度が1E16cm-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、GaAs第1コレクタ層207、GaAs第2コレクタ層206、GaAs第3コレクタ層205、およびGaAs第4コレクタ層204の順で電子濃度が高くなるように不純物が添加されればこれに限られない。
In the present embodiment, the GaAs
また、本実施の形態において、GaAs第1コレクタ層207、GaAs第2コレクタ層206、GaAs第3コレクタ層205、およびGaAs第4コレクタ層204というキャリア濃度の異なる4つのGaAs層を積層することで、n型GaAsスペーサ層203側のキャリア濃度がGaAsベース層210側のキャリア濃度より高くなる濃度分布をコレクタ層内に形成するとした。しかし、n型GaAsスペーサ層203とGaAsベース層210との間に1つのGaAs層のみを形成し、GaAsベース層210側の部分からn型GaAsスペーサ層203側の部分に向けてキャリア濃度が高くなる濃度分布をこの1つのGaAs内に形成してもよい。この場合、GaAsベース層210側の部分からn型GaAsスペーサ層203側の部分に向けて不純物濃度が高くなるように、GaAs層に不純物を段階的もしくは連続的に注入することで濃度分布が形成される。
Further, in the present embodiment, four GaAs layers having different carrier concentrations, such as a GaAs
また、本実施の形態において、n型GaAsスペーサ層203には、そのキャリア濃度が5E18cm-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、n型GaAsスペーサ層203には、伝導帯不連続によるオン抵抗の増大を防止することが可能で、かつn型GaAsスペーサ層203の領域で電界強度のピークを発生させないキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。具体的には、2E18cm-3以上という高濃度で、かつGaAsコレクタ層(GaAs第1コレクタ層207、GaAs第2コレクタ層206、GaAs第3コレクタ層205、およびGaAs第4コレクタ層204)の最大のキャリア濃度である4E16cm-3よりも高いキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。
Further, in the present embodiment, the n-type
また、本実施の形態において、GaAsサブコレクタ層201のキャリア濃度は5E18cm-3であるとしたが、GaAs第1コレクタ層207、GaAs第2コレクタ層206、GaAs第3コレクタ層205、およびGaAs第4コレクタ層204のキャリア濃度より高ければこれに限られない。
In the present embodiment, the carrier concentration of the
(第3の実施の形態)
図7は、本実施の形態のHBTの構造を示す断面図である。
(Third embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of the HBT of the present embodiment.
図7に示すように、GaAs基板300上に、電子濃度5E18cm-3および膜厚600nmのn型GaAsサブコレクタ層301、アンドープで膜厚100nmのInGaPコレクタ層302、電子濃度1E18cm-3および膜厚10nmのn型GaAsスペーサ層303、電子濃度1.4E16cm-3および膜厚1000nmのn型GaAsコレクタ層304、ホール濃度4E19cm-3および膜厚80nmのp型GaAsベース層310、電子濃度3E17cm-3および膜厚30nmのn型InGaPエミッタ層311、電子濃度3E18cm-3および膜厚200nmのn型GaAsエミッタキャップ層312、ならびに電子濃度1E19cm-3および膜厚100nmのn型InGaAsエミッタコンタクト層313が各々この順で成長されている。これら半導体層のエッチングおよび電極の蒸着処理により、オーミック電極として、GaAsサブコレクタ層301上にコレクタ電極320、GaAsベース層310上にベース電極321、およびInGaAsエミッタコンタクト層313上にエミッタ電極322が形成されている。
As shown in FIG. 7, on a
このとき、InGaPコレクタ層302はオーダー型で成長している。従って、InGaPコレクタ層302の結晶状態は、部分的にまたは完全に(CuPt型)自然超格子状態となっておりオーダー状態となっている。InGaPコレクタ層302がオーダー型であるため、伝導帯不連続によるオン抵抗の悪化は発生しない。しかし、前述したように、オーダー型の場合は、InGaP層とその上方の層との界面でキャリアの空乏化が起こり、プラスに帯電した状態となる。このプラスの帯電を無くすために、InGaPコレクタ層302とその上方のGaAsコレクタ層304との間に低濃度のn型GaAsスペーサ層303が導入される。n型GaAsスペーサ層303からのフリーな電子が空乏領域のプラス電荷と相殺して消滅する。またドナーは電子不足によりプラスに帯電しているわけであるが、InGaPコレクタ層302の下方のGaAsサブコレクタ層301との界面に発生している電子がn型GaAsスペーサ層303(ドナーの領域)に移動し、ドナーのプラス電荷を解消する。こうすることで、プラスの帯電と電子とが打ち消し合い、InGaPコレクタ層302のプラス帯電が消滅する。従って、n型GaAsスペーサ層303の電子濃度は、伝導帯不連続によるオン抵抗の増大を防止する程度に高いものである必要はなく、InGaPコレクタ層302のプラス帯電が消滅する程度、つまり少なくとも1E18cm-3以上で2E18cm-3より下であればよいため、低濃度とされる。
At this time, the
次に上記構造を有するHBTの耐圧について考察する。図8(a)および図8(b)は各々十分に高いコレクタ電流が流れている時のコレクタ層内のキャリア濃度(電子濃度)および電界強度(絶対値)の分布を表す図である。なお、図8(a)において、横軸はGaAsベース層310表面からの距離、縦軸はキャリア濃度を示し、図8(b)において、横軸はGaAsベース層310表面からの距離、縦軸は電界強度を示している。
Next, the breakdown voltage of the HBT having the above structure will be considered. FIGS. 8A and 8B are diagrams showing the distribution of carrier concentration (electron concentration) and electric field strength (absolute value) in the collector layer when a sufficiently high collector current flows. 8A, the horizontal axis indicates the distance from the surface of the
n型GaAsスペーサ層303の設定濃度が低いことから、このn型GaAsスペーサ層303内で電界強度の傾きが殆ど発生しない。そのため、InGaPコレクタ層302に高電界をかけることが出来て、InGaPの高耐圧性を生かしているといえる。この時、耐圧を決定している電界の位置は、InGaPコレクタ層302とGaAsサブコレクタ層301との界面か、またはn型GaAsスペーサ層303のどちらかである。この位置はInGaPコレクタ層302内、またはn型GaAsスペーサ層303内のキャリア濃度の大小条件により変化する。キャリア濃度が高いところでは、低い電界強度で破壊して耐圧が決定されてしまうため、電界強度が最も高い位置で耐圧を決めているとは限らない。このように、InGaPコレクタ層302がオーダー型の場合は、ΔEcによるオン抵抗の悪化現象は発生しないため、n型GaAsスペーサ層303の電子濃度を従来のHBTの構造(図12のHBTの構造)より低濃度にすることで、InGaPコレクタ層302に高電界を掛けることが出来て、InGaPの高耐圧性が生かされている状況になっている。
Since the set concentration of the n-type
以上のように本実施の形態のHBTによれば、オーダー型のInGaPコレクタ層302の上方にはn型GaAsスペーサ層303が設けられる。従って、InGaPとGaAsとの間の伝導帯のフラット性の変調に基づくオン抵抗の増大を解消することができる。また、n型GaAsスペーサ層303のキャリア濃度は低く設定される。従って、InGaPコレクタ層302に高電界がかかるので、HBTを高耐圧化することができる。
As described above, according to the HBT of the present embodiment, the n-type
また、本実施の形態において、n型GaAsスペーサ層303には、そのキャリア濃度が1E18cm-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、n型GaAsスペーサ層303には、InGaPコレクタ層302のプラス帯電が消滅することが可能で、かつn型GaAsスペーサ層303の領域で電界強度のピークを発生させないキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。具体的には、1E18cm-3以上で2E18cm-3より下という低濃度で、かつGaAsコレクタ層304のキャリア濃度である1.4E16cm-3よりも高いキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。
In the present embodiment, the n-type
また、本実施の形態において、GaAsサブコレクタ層301のキャリア濃度は5E18cm-3であるとしたが、GaAsコレクタ層304のキャリア濃度より高ければこれに限られない。
In the present embodiment, the carrier concentration of the
(第4の実施の形態)
図9は、本実施の形態のHBTの構造を示す断面図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of the HBT of the present embodiment.
図9に示すように、GaAs基板400上に、電子濃度5E18cm-3および膜厚600nmのn型GaAsサブコレクタ層401、アンドープで膜厚100nmのInGaPコレクタ層402、電子濃度1E18cm-3および膜厚10nmのn型GaAsスペーサ層403、電子濃度4E16cm-3および膜厚400nmのn型GaAs第2コレクタ層404、電子濃度1.4E16cm-3および膜厚600nmのn型GaAs第1コレクタ層405、ホール濃度4E19cm-3および膜厚80nmのp型GaAsベース層410、電子濃度3E17cm-3および膜厚30nmのn型InGaPエミッタ層411、電子濃度3E18cm-3および膜厚200nmのn型GaAsエミッタキャップ層412、ならびに電子濃度1E19cm-3および膜厚100nmのn型InGaAsエミッタコンタクト層413が各々この順で成長されている。これら半導体層のエッチングおよび電極の蒸着処理により、オーミック電極として、GaAsサブコレクタ層401上にコレクタ電極420、GaAsベース層410上にベース電極421、およびInGaAsエミッタコンタクト層413上にエミッタ電極422が形成されている。
As shown in FIG. 9, on a
このとき、InGaPコレクタ層402はオーダー型で成長している。従って、InGaPコレクタ層402の結晶状態は、部分的にまたは完全に(CuPt型)自然超格子状態となっておりオーダー状態となっている。InGaPコレクタ層402はオーダー型であるため、伝導帯不連続によるオン抵抗の悪化は発生しない。また、InGaPコレクタ層402の上方にはn型GaAsスペーサ層403が設けられるため、InGaPとGaAsとの間の伝導帯のフラット性の変調に基づくオン抵抗の増大を解消することができる。
At this time, the
次に上記構造を有するHBTの耐圧について考察する。図10(a)および図10(b)は各々十分に高いコレクタ電流が流れている時のコレクタ層内のキャリア濃度(電子濃度)および電界強度の分布を表す図である。なお、図10(a)において、横軸はGaAsベース層410表面からの距離、縦軸はキャリア濃度を示し、図10(b)において、横軸はGaAsベース層410表面からの距離、縦軸は電界強度を示している。
Next, the breakdown voltage of the HBT having the above structure will be considered. FIGS. 10A and 10B are graphs showing the distribution of carrier concentration (electron concentration) and electric field strength in the collector layer when a sufficiently high collector current flows. 10A, the horizontal axis indicates the distance from the surface of the
図2(a)および図2(b)について行ったのと同様な考察から、臨界電界強度が高い低濃度のコレクタ層の領域で電界強度のピークが発生しており、電界強度の占める面積である耐圧が大きくなる。耐圧を決定している電界強度のピークの位置は、InGaPコレクタ層402とGaAsサブコレクタ層401との界面、n型GaAsスペーサ層403、および低濃度のコレクタ層のうちのどれかである。この位置はInGaPコレクタ層402、またはn型GaAsスペーサ層403、またはn型GaAs第1コレクタ層405とn型GaAs第2コレクタ層404との境界領域のキャリア濃度の大小条件により異なってくる。仮に図7のHBTにおいてn型GaAsスペーサ層303で耐圧が決まっていたのなら、n型GaAsスペーサ層303での電界強度が図8(b)および図10(b)で等しくなり、両図の電界強度の占める面積を比較すると、耐圧は少なくとも図7のHBTよりは図9のHBTの方が大きくなるといえる。
From the same consideration as that performed for FIGS. 2A and 2B, the peak of the electric field strength occurs in the region of the low concentration collector layer where the critical electric field strength is high. A certain withstand voltage increases. The position of the electric field intensity peak that determines the breakdown voltage is one of the interface between the
なお、本実施の形態において、n型GaAsスペーサ層403には、そのキャリア濃度が1E18cm-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、n型GaAsスペーサ層403には、InGaPコレクタ層402のプラス帯電を消滅することが可能で、かつn型GaAsスペーサ層403の領域で電界強度のピークを発生させないキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。具体的には、1E18cm-3以上2E18cm-3以下という低濃度で、かつGaAsコレクタ層(GaAs第2コレクタ層404およびGaAs第1コレクタ層405)の最大のキャリア濃度である4E16cm-3よりも高いキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。
In the present embodiment, the n-type
また、本実施の形態において、GaAsサブコレクタ層401のキャリア濃度は5E18cm-3であるとしたが、GaAs第2コレクタ層404およびGaAs第1コレクタ層405のキャリア濃度より高ければこれに限られない。
In the present embodiment, the carrier concentration of the
これまで検討したHBTについて、電気測定結果を図11に示す。図11は、図1、図5、図7および図9のHBTについて、所定のIbにおけるIce−Vce測定結果を表す図である。なお、図11において、横軸はVce、縦軸はIceを示している。 FIG. 11 shows the electrical measurement results for the HBTs examined so far. FIG. 11 is a diagram showing Ice-Vce measurement results at a predetermined Ib for the HBTs of FIGS. 1, 5, 7 and 9. In FIG. In FIG. 11, the horizontal axis indicates Vce and the vertical axis indicates Ice.
前述したように図1、図5および図12のHBTはInGaPコレクタ層がディスオーダー型であり、図7および図9のHBTはオーダー型である。図12のHBTでは、n型GaAsスペーサ層のキャリア濃度が適切なものでなく、InGaPのΔEcのためIceの立ち上がりが悪く、オン抵抗が図1、図5、図7および図9に比べ高い。図1および図5のHBTでは、n型GaAsスペーサ層のキャリア濃度が高いため、Iceの立ち上がりが良く、オン抵抗が低い。また図7および図9のHBTではInGaPがオーダー型であり、かつn型GaAsスペーサ層のキャリア濃度が低いため、ΔEcの問題およびInGaPとGaAsとの間の伝導帯のフラット性の変調の問題が無く、同様にオン抵抗が低い。 As described above, in the HBTs of FIGS. 1, 5, and 12, the InGaP collector layer is a disorder type, and the HBTs of FIGS. 7 and 9 are an order type. In the HBT of FIG. 12, the carrier concentration of the n-type GaAs spacer layer is not appropriate, the rise of Ice is poor due to ΔEc of InGaP, and the on-resistance is higher than those of FIGS. 1, 5, 7, and 9. In the HBTs of FIGS. 1 and 5, since the carrier concentration of the n-type GaAs spacer layer is high, the rise of Ice is good and the on-resistance is low. In addition, since the InBT of the HBT of FIGS. 7 and 9 is of the order type and the carrier concentration of the n-type GaAs spacer layer is low, there is a problem of ΔEc and a problem of modulation of the flatness of the conduction band between InGaP and GaAs. Similarly, the on-resistance is low.
また耐圧については、コレクタ層をより多層化した図5のHBTの方が、図1のHBTより高い。図7および図9のHBTと図1および図5のHBTの耐圧の大小は、InGaPコレクタ層、またはn型GaAsスペーサ層、またはn型GaAsコレクタ層内のキャリア濃度の大小条件により変化するが、少なくとも従来の図12のHBTよりは、どのHBTも高い。このようなコレクタ層を多層化する技術については、特開2007−173624号公報および特開2006−60221号公報でも紹介されているが、いずれも本発明のような高濃度のn型GaAsスペーサ層については、触れられていない。 Further, with respect to the withstand voltage, the HBT in FIG. 5 in which the collector layer is further multilayered is higher than the HBT in FIG. The breakdown voltage of the HBT in FIGS. 7 and 9 and the HBT in FIGS. 1 and 5 varies depending on the condition of the carrier concentration in the InGaP collector layer, n-type GaAs spacer layer, or n-type GaAs collector layer. Any HBT is higher than at least the conventional HBT of FIG. Such a technique for multilayering the collector layer is also introduced in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-173624 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-60221, both of which are high-concentration n-type GaAs spacer layers as in the present invention. Is not touched on.
以上、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。 Although the heterojunction bipolar transistor of the present invention has been described based on the embodiment, the present invention is not limited to this embodiment. The present invention includes various modifications made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに利用でき、特に携帯電話機等に用いられる送信用高出力電力増幅器等に利用することができる。 The present invention can be used for heterojunction bipolar transistors, and in particular, can be used for transmission high-output power amplifiers and the like used for cellular phones and the like.
100、200、300、400、500 GaAs基板
101、201、301、401、501 GaAsサブコレクタ層
102、202、302、402、502 InGaPコレクタ層
103、203、303、403、503 GaAsスペーサ層
104、206、404 GaAs第2コレクタ層
105、207、405 GaAs第1コレクタ層
110、210、310、410、510 GaAsベース層
111、211、311、411、511 InGaPエミッタ層
112、212、312、412、512 GaAsエミッタキャップ層
113、213、313、413、513 InGaAsエミッタコンタクト層
120、220、320、420、520 コレクタ電極
121、221、321、421、521 ベース電極
122、222、322、422、522 エミッタ電極
204 GaAs第4コレクタ層
205 GaAs第3コレクタ層
304、504 GaAsコレクタ層
100, 200, 300, 400, 500
Claims (6)
前記GaAsサブコレクタ層上に形成されたInGaPコレクタ層と、
前記InGaPコレクタ層上に形成されたn型のGaAsスペーサ層と、
前記GaAsスペーサ層上に形成されたn型のGaAsコレクタ層と、
前記GaAsコレクタ層上に形成されたp型のベース層と、
前記ベース層上に形成されたn型のエミッタ層とを備え、
前記GaAsサブコレクタ層のキャリア濃度は、前記GaAsコレクタ層のキャリア濃度より高く、
前記GaAsコレクタ層のキャリア濃度は、前記ベース層と向き合う部分から前記GaAsスペーサ層と向き合う部分に向けて高くなる
ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 an n-type GaAs subcollector layer;
An InGaP collector layer formed on the GaAs subcollector layer;
An n-type GaAs spacer layer formed on the InGaP collector layer;
An n-type GaAs collector layer formed on the GaAs spacer layer;
A p-type base layer formed on the GaAs collector layer;
An n-type emitter layer formed on the base layer,
The carrier concentration of the GaAs subcollector layer is higher than the carrier concentration of the GaAs collector layer,
The heterojunction bipolar transistor, wherein the carrier concentration of the GaAs collector layer increases from a portion facing the base layer toward a portion facing the GaAs spacer layer.
ことを特徴とする請求項1に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 The heterojunction bipolar transistor according to claim 1, wherein the carrier concentration of the GaAs spacer layer is higher than the maximum carrier concentration of the GaAs collector layer.
前記GaAs第2コレクタ層のキャリア濃度は、前記GaAs第1コレクタ層のキャリア濃度より高い
ことを特徴とする請求項1又は2に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 The GaAs collector layer includes a GaAs second collector layer facing the GaAs spacer layer and a GaAs first collector layer facing the base layer.
The heterojunction bipolar transistor according to claim 1 or 2, wherein the carrier concentration of the GaAs second collector layer is higher than the carrier concentration of the GaAs first collector layer.
前記GaAsコ第2レクタ層のキャリア濃度は、1.0E16cm-3以上7.0E16cm-3以下である
ことを特徴とする請求項3記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 The carrier concentration of the GaAs first collector layer is 1.0E16cm -3 or more 1.8E16cm -3 or less,
The GaAs co carrier concentration of the second collector layer, a heterojunction bipolar transistor according to claim 3, wherein the at 1.0E16cm -3 or more 7.0E16cm -3 or less.
前記GaAsスペーサ層のキャリア濃度は、2E18cm-3以上である
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 The crystal state of the InGaP collector layer is in a disordered state,
5. The heterojunction bipolar transistor according to claim 1, wherein a carrier concentration of the GaAs spacer layer is 2E18 cm −3 or more.
前記GaAsスペーサ層のキャリア濃度は、1E18cm-3以上で2E18cm-3より下である
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 The crystal state of the InGaP collector layer is a natural superlattice state,
5. The heterojunction bipolar transistor according to claim 1, wherein a carrier concentration of the GaAs spacer layer is 1E18 cm −3 or more and lower than 2E18 cm −3 .
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CN105870166A (en) * | 2016-04-22 | 2016-08-17 | 杭州立昂东芯微电子有限公司 | Indium-gallium-phosphorus heterojunction bipolar type transistor and manufacturing method therefor |
-
2008
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