JP2010283027A

JP2010283027A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ

Info

Publication number: JP2010283027A
Application number: JP2009133264A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Fujikawa; 一成藤川
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2009-06-02
Filing date: 2009-06-02
Publication date: 2010-12-16

Abstract

【課題】コレクタ層に用いる材料のバンドギャップを大きくし、コレクタ層の膜厚・キャリア濃度を変更せずに高耐圧化を図ることができるヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供する。
【解決手段】半絶縁性化合物半導体基板上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層、ノンアロイ層が順次形成されてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記エミッタ層はＩｎＧａＰからなり、前記コレクタ層はＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなり、さらに前記コレクタ層は、前記サブコレクタ層側から前記ベース層側へｘが大きくなるグレーデッド層と、前記グレーデッド層上に形成されるｘが一定の定混晶比層とを有するものである。
【選択図】なし

Description

本発明は、ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を用いて有機金属気相成長法のエピタキシャル成長によって形成するヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｅｒ；ＨＢＴ）に関するものである。

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体はＳｉ（シリコン）半導体に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長を活かして、高速動作や高効率動作を要求されるデバイスに多く用いられている。

ＨＢＴ（ＨｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｅｒ）は電源が正電源だけで良く、携帯電話の低コスト・小型化の要求から近年需要が高まっている。

ＨＢＴ用エピタキシャルウェハは、半絶縁性基板上に結晶成長したサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層及びノンアロイ層よりなる。

基板は、単結晶成長させるための下地である。

サブコレクタ層は金属電極とのオーミックコンタクトを形成するキャリア濃度の大きなｎ型のＧａＡｓ層である。

コレクタ層はベース層から電子を引き抜く働きを持つキャリア濃度の小さなｎ型のＧａＡｓ層である。

ベース層は電流を制御する働きを持つｐ型のＧａＡｓ層又はＩｎＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層からなる。

エミッタ層は電子をベースに層に注入し、かつベース層からの正孔の注入を抑止する働きを持つｎ型のＩｎＧａＰ層又はＡｌＧａＡｓ層からなる。

エミッタコンタクト層は金属電極とのオーミックコンタクトを形成するキャリア濃度の大きなｎ型のＧａＡｓ層である。

ノンアロイ層は金属電極とのオーミックコンタクトを形成するキャリア濃度の大きなｎ型のＩｎＧａＡｓ層である。

ＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造例を表１に示した。

表１に示したようにＨＢＴ用エピタキシャルウェハは、ＧａＡｓ基板上にサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層、ノンアロイ層が順次エピタキシャル成長されて形成される。

結晶成長のことをエピタキシャル成長と言う。エピタキシャル層の名称のｎ−はエピタキシャル層がｎ型であることを表し、ｎ⁺−、ｎ^-−はそれぞれキャリア濃度が大きいｎ型、キャリア濃度が小さいｎ型を表している。ｐ⁺−はキャリア濃度が大きいｐ型を表している。厚さの単位はｎｍ（１０^-9ｍ）、キャリア濃度の単位はｃｍ^-3である。

表１に示したＨＢＴ用エピタキシャルウェハの成長方法を以下に述べる。

エピタキシャル層を成長させる半絶縁性基板をサセプタにセットし、成長炉内で加熱する。成長炉内に原料ガスを供給すると、原料ガスが熱により分解し、基板上にエピタキシャル層を成長する。

ｎ⁺−ＧａＡｓ、ｎ^-−ＧａＡｓを成長する場合には、Ｇａ原料のＧａ（ＣＨ₃）₃（トリメチルガリウム）とＡｓ原料のＡｓＨ₃（アルシン）、及びｎ型ドーパントを基板に供給する。なお、Ｇａ原料として他にＧａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルガリウム）がある。Ａｓ原料としては他にＡｓ（ＣＨ₃）₃（トリメチル砒素）、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）がある。ｎ型ドーパントの元素としてはＳｉ（珪素）やＳｅ（セレン）がある。Ｓｉ原料としてＳｉＨ₄（モノシラン）、Ｓｉ₂Ｈ₆（ジシラン）がある。Ｓｅ原料としてはＨ₂Ｓｅ（セレン化水素）がある。

ｐ⁺−ＧａＡｓを成長する場合には、炉内の熱環境を最適化し、Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃、ＡｓＨ₃及びｐ型ドーパントを基板に供給する。ｐ型ドーパントの元素としてはＣ（炭素）がある。Ｃ原料としてはＣＣｌ₃Ｂｒ（ブロモトリクロロメタン）、ＣＢｒ₄（テトラブロモメタン）がある。

ｎ−Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐを成長する場合には、Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃とＰ原料のＰＨ₃（ホスフィン）、及びＩｎ原料のＩｎ（ＣＨ₃）₃（トリメチルインジウム）を基板に供給する。なお、Ｐ原料として他にＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）、Ｉｎ原料として他にＩｎ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃（トリエチルインジウム）がある。

ｎ⁺−Ｉｎ_0.50Ｇａ_0.50Ａｓを成長する場合には、ｎ型ドーパントであるＳｅを高濃度にドーピングさせるため、炉内の熱環境を最適化し、Ｇａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃、ＡｓＨ₃、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃、及びＨ₂Ｓｅを基板に供給する。

特開２００５−１０９３６８号公報

従来技術では、コレクタ層にはｎ^-−ＧａＡｓ層が用いられている。このコレクタ層を高耐圧化することができれば、ＨＢＴにおいてより高い電圧で使用することが可能になり、更なる高出力化を図ることができる。

コレクタ層を高耐圧化するためには、「コレクタ層であるｎ^-−ＧａＡｓ層の膜厚を厚くする」「コレクタ層であるｎ^-−ＧａＡｓ層のキャリア濃度を下げる」ことが挙げられる。

しかし、膜厚を厚くすると多くのノイズが入るようになり、ＨＢＴでの高周波特性が落ちてしまう。また、キャリア濃度を下げると、電圧をかけた際の容量変化が大きくなってしまう。

以上のことより、コレクタ層にｎ^-−ＧａＡｓを用いてＨＢＴの基本電気的特性を劣化させることなく、コレクタ層の膜厚・キャリア濃度を変更して高耐圧化を図ることは困難であった。

そこで、特許文献１ではコレクタ層をＧａＡｓ層の代わりにＡｌＧａＡｓ層で形成すると共に、そのＡｌＧａＡｓ層にキャリア濃度を下げるために酸素ドープしてコレクタ層の高耐圧化を図ることが提案されている。この特許文献１ではコレクタ層にＡｌＧａＡｓを用いることでＧａＡｓ層に比べてバンドギャップを大きくすることができるが、コレクタ層に酸素をドープするためコレクタ層のキャリア濃度が下がり、上述したよう電圧をかけた際の容量変化が大きくなってしまう、という問題がある。

本発明の目的は上記課題を解決し、コレクタ層に用いる材料のバンドギャップを大きくし、コレクタ層の膜厚・キャリア濃度を変更せずに高耐圧化を図ることができるヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、半絶縁性化合物半導体基板上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層、ノンアロイ層が順次形成されてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記エミッタ層はＩｎＧａＰからなり、前記コレクタ層はＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなり、さらに前記コレクタ層は、前記サブコレクタ層側から前記ベース層側へｘが大きくなるグレーデッド層と、前記グレーデッド層上に形成されるｘが一定の定混晶比層とを有す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である。

請求項２の発明は、請求項１において、前記グレーデッド層の前記サブコレクタ層側はｘ＝０のＧａＡｓから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である。

請求項３の発明は、請求項２において、前記コレクタ層は、前記定混晶比層上にｘ＝０のＧａＡｓ層を有す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である。

本発明によれば、コレクタ層であるｎ^-−ＧａＡｓ層の膜厚・キャリア濃度を変更せずに高耐圧化を図ることができるヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供するために、ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きな材料Ａｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓを用い、これをコレクタ層中に挿入することで、ＨＢＴの基本電気的特性を劣化させずに高耐圧化を図ることができた。コレクタ層を高耐圧化することができれば、ＨＢＴにおいてより高い電圧で使用することが可能になり、更なる高出力化を図ることができる。

以下、本発明の好適な一実施の形態を詳述する。

本発明では、コレクタ層であるｎ^-−ＧａＡｓ層の膜厚・キャリア濃度を変更せずに高耐圧化を図ることができるヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供するために、ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きな材料Ａｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓを用い、コレクタ層中に挿入することにした。Ａｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓのバンドギャップは、ＧａＡｓの１．４３５［ｅＶ］からＡｌＡｓの２．１６［ｅＶ］まで混晶比を変更することで可変であり、ＧａＡｓの１．４３５［ｅＶ］よりも大きくできるので、Ａｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓ層をコレクタ層中に挿入することにより、ＨＢＴの基本電気的特性を劣化させることなく高耐圧化を図るものである。

すなわち本発明は、半絶縁性化合物半導体基板上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層、ノンアロイ層が順次形成されてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記エミッタ層はＩｎＧａＰからなり、前記コレクタ層はＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなり、さらに前記コレクタ層は、前記サブコレクタ層側から前記ベース層側へｘが大きくなるグレーデッド層と、前記グレーデッド層上に形成されるｘが一定の定混晶比層とを有するヘテロ接合バイポーラトランジスタである。

従来技術を用いて表１のようなＨＢＴ用エピタキシャルウェハを製作した場合では、コレクタ層を高耐圧化するためには、「コレクタ層であるｎ^-−ＧａＡｓ層の膜厚を厚くする」「コレクタ層であるｎ^-−ＧａＡｓ層のキャリア濃度を下げる」ことが挙げられる。しかし、膜厚を厚くすると多くのノイズが入るようになり、ＨＢＴでの高周波特性が落ちてしまう。また、キャリア濃度を下げると、電圧をかけた際の容量変化が大きくなってしまう、という問題がある。

本発明では、コレクタ層であるｎ^-−ＧａＡｓ層の膜厚・キャリア濃度を変更せずに高耐圧化を図るために、ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きな材料Ａｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓを用い、これをコレクタ層中に挿入することで、ＨＢＴの基本電気的特性を劣化させることなく高耐圧化を図るものである。コレクタ層を高耐圧化することができれば、ＨＢＴにおいてより高い電圧で使用することが可能になり、更なる高出力化を図ることができる。

次に本発明の実施例を説明する。

表２は、本発明のＨＢＴ用エピタキシャルウェハの断面構造を示す表である。

表２において、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に厚さ６００ｎｍでキャリア濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ⁺−ＧａＡｓ層（サブコレクタ層）が成長され、そのサブコレクタ層上に、まず、厚さ５０ｎｍでキャリア濃度１×１０¹⁶ｃｍ^-3でサブコレクタ層側からベース層側に向けて徐々にＡｌの混晶比が増加するように変化させたｎ^-−Ａｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓ（ｇｒａｄｅｄ：０→ｘ）層が成長され、その上に厚さ５０ｎｍでキャリア濃度１×１０¹⁶ｃｍ^-3のｎ^-−Ａｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓ層が成長され、さらにその上に厚さ５００ｎｍでキャリア濃度１×１０¹⁶ｃｍ^-3のｎ^-−ＧａＡｓ層が成長され形成されてＡｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓ層が挿入されたコレクタ層が形成される。このコレクタ層上に、厚さ７０ｎｍでキャリア濃度４×１０¹⁹ｃｍ^-3のｐ⁺−ＧａＡｓ層（ベース層）が成長され、ベース層上に厚さ１００ｎｍでキャリア濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ−Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐ層（エミッタ層）が成長され、エミッタ層上に厚さ１００ｎｍでキャリア濃度５×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ⁺−ＧａＡｓ層（エミッタコンタクト層）が成長され形成される。このエミッタコンタクト層上に厚さ５０ｎｍでキャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ⁺−Ｉｎ_0→0.50Ｇａ_1→0.50Ａｓ（ｇｒａｄｅｄ）層が成長され、その上に厚さ５０ｎｍでキャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ⁺−Ｉｎ_0.50Ｇａ_0.50Ａｓ層が成長されノンアロイ層が形成される。

この表２に示したＨＢＴ用エピタキシャルウェハの成長条件を説明する。

成長炉内圧力は５０Ｔｏｒｒ、希釈用ガスは水素である。ウエハには半絶縁性ＧａＡｓウエハを用いた。

サブコレクタ層であるｎ⁺−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃及びＳｉ₂Ｈ₆を使用した。Ｇａ（ＣＨ₃）₃の流量は２００ｃｃ／分である。ＡｓＨ₃の流量は５０ｃｃ／分である。Ｓｉ₂Ｈ₆の流量は４００ｃｃ／分である。

ｎ^-−Ａｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓ（ｇｒａｄｅｄ：０→ｘ）層の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｌ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃及びＳｉ₂Ｈ₆を用い、成長開始時のそれらの流量はそれぞれ０ｃｃ／分、４５ｃｃ／分、３００ｃｃ／分及び２０ｃｃ／分とし、グレーデッドにそれぞれの流量を１００ｃｃ／分、５０ｃｃ／分、３００ｃｃ／分及び２０ｃｃ／分まで変化させる。

ｎ^-−Ａｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃、Ａｌ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃及びＳｉ₂Ｈ₆を用い、それらの流量はそれぞれ１００ｃｃ／分、５０ｃｃ／分、３００ｃｃ／分及び２０ｃｃ／分である。

コレクタ層であるｎ^-−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃及びＳｉ₂Ｈ₆を用い、それらの流量はそれぞれ２００ｃｃ／分、６００ｃｃ／分及び１０ｃｃ／分である。

ベース層であるｐ⁺−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃、ＡｓＨ₃及びＣＢｒ₄を用い、それらの流量はそれぞれ２００ｃｃ／分、２０ｃｃ／分及び２０ｃｃ／分である。

エミッタ層であるｎ−Ｉｎ_0.49Ｇａ_0.51Ｐ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃、ＰＨ₃及びＳｉ₂Ｈ₆を用い、それらの流量はそれぞれ２００ｃｃ／分、２００ｃｃ／分、５００ｃｃ／分及び５０ｃｃ／分である。

エミッタコンタクト層であるｎ⁺−ＧａＡｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃及びＳｉ₂Ｈ₆を用い、それらの流量はそれぞれ２００ｃｃ／分、３００ｃｃ／分及び３００ｃｃ／分である。

ノンアロイ層であるｎ⁺−Ｉｎ_0.50Ｇａ_0.50Ａｓ層の成長にはＧａ（ＣＨ₃ＣＨ₂）₃、Ｉｎ（ＣＨ₃）₃、ＡｓＨ₃及びＨ₂Ｓｅを用い、それらの流量はそれぞれ４００ｃｃ／分、２００ｃｃ／分、５００ｃｃ／分及び１００ｃｃ／分である。

従来技術・本発明についてそれぞれＨＢＴを作製し、コレクタ耐圧（ＢＶｂｃｏ）をそれぞれ測定した。

ＨＢＴの基本電気的特性でもある電流利得βとともに表３に示す。

本発明では、ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きなＡｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓ層をコレクタ層中に挿入することで、コレクタ耐圧２９．７［Ｖ］、電流利得β１０４とすることができるが、これに対して従来技術ではコレクタ耐圧２２．２［Ｖ］、電流利得β１０２であるため、ＨＢＴの基本電気的特性を劣化させずに高耐圧化を図ることができた。コレクタ層を高耐圧化することにより、ＨＢＴにおいてより高い電圧で使用することが可能になり、更なる高出力化を図ることができる。

上述の実施例では、サブコレクタ層とコレクタ層の間にＡｌ_xＧａ_(1-X)Ａｓ層を挿入する例で説明したが、コレクタ層とベース層の間に挿入することでも高耐圧化を図ることができる。またコレクタ層の全てをＡｌＡｓ層で形成することでも高耐圧化を図ることができる。

尚、コレクタ層の高耐圧化方法としては、ＡｌＡｓ層を他の材料に変えることでも適用できる。ＧａＡｓよりもバンドギャップが大きなＡｌＰＳｂでも適用可能である。

Claims

半絶縁性化合物半導体基板上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、エミッタコンタクト層、ノンアロイ層が順次形成されてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記エミッタ層はＩｎＧａＰからなり、前記コレクタ層はＡｌ_xＧａ_(1-x)Ａｓ（０≦ｘ≦１）からなり、さらに前記コレクタ層は、前記サブコレクタ層側から前記ベース層側へｘが大きくなるグレーデッド層と、前記グレーデッド層上に形成されるｘが一定の定混晶比層とを有す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。
請求項１において、前記グレーデッド層の前記サブコレクタ層側はｘ＝０のＧａＡｓから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。
請求項２において、前記コレクタ層は、前記定混晶比層上にｘ＝０のＧａＡｓ層を有す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。