JP2013512578A

JP2013512578A - 横方向のエミッタおよびコレクタを有するバイポーラトランジスタならびに製造方法

Info

Publication number: JP2013512578A
Application number: JP2012541327A
Authority: JP
Inventors: バン・デン・ウーバー，レオン・セー・エム; ヒューティング，レイ・イェー・エー
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2013-04-11
Anticipated expiration: 2029-12-03
Also published as: US20120273760A1; DE112009005412B4; JP5551790B2; DE112009005412T8; DE112009005412T5; WO2011066862A1; US9306017B2

Abstract

バイポーラトランジスタは、半導体材料からなる基板（１）と、基板内の高移動度層（２）と、高移動度層に隣接したドナー層（３）とを含む。エミッタ端子（４）がドナー層上のエミッタコンタクト（５）を形成し、コレクタ端子（６）がドナー層上のコレクタコンタクト（７）を形成する。ベース端子（８）が高移動度層に導電接続される。当該トランジスタは、ＧａＡｓのＨＥＭＴ技術またはＢｉＦＥＴ技術で製造可能である。

Description

本発明は、ｐｎｐバイポーラトランジスタとして使用可能であり、ＧａＡｓ、特にＧａＡｓＨＥＭＴ技術またはＧａＡｓＢｉＦＥＴ技術で実現可能なバイポーラトランジスタに関する。

ＨＥＭＴと略される高電子移動度トランジスタは、ｎドープされたＧａＡｓまたはＧａ、ＡｓおよびＡｌもしくはＩｎなどの１つ以上のさらなる成分の化合物、たとえば特にｎドープされたＡｌ_ｘＧａ_１-ｘＡｓを含み得るドープされた半導体層で形成されたドナー層を含む。ドナー層は、たとえばドープされていないＧａＡｓ、またはＧａ、Ａｓおよび１つ以上のさらなる成分の化合物であり得る、より狭いエネルギーバンドギャップを有するドープされていない半導体材料に隣接して配置される。エネルギーバンドギャップの異なる半導体材料同士の間のヘテロ接合のため、ドナー層の近傍のドープされていない半導体材料内に量子井戸が形成される。ドナー層によって提供される電子が量子井戸に拡散する。電子は量子井戸から漏れ出ることができず、２次元電子ガスを形成する。不純物がないため、抵抗が低く電子移動度が高くなる。したがって電子は高移動度層に閉じ込められて、電界効果トランジスタのチャネル領域として用いられ得る。ドナー層の表面にゲート電極が適用される。二重ゲートＨＥＭＴまたは多重ゲートＨＥＭＴは、二重ゲートまたは多重ゲートＭＯＳＦＥＴと同様のゲート電極を形成する別個のコンタクトを含む。

シュードモルフィックＨＥＭＴまたはｐＨＥＭＴは、格子定数の異なる半導体材料を組合わせる。高移動度層を含む層であり得る、それらの層のうちの１つの層は、自身の結晶格子を隣接層の格子に適合させるように十分薄く作られる。これによって、材料が自身のバルク格子定数に制限されないため、エネルギーバンドギャップ同士の間の大きな差が可能になる。

ＷＯ２００７／１２８０７５Ａ２には、ＧａＡｓ上の横方向のｐｎｐトランジスタが記載されている。エミッタおよびコレクタコンタクトの金属と半導体層との間のオーミック接触は、半導体材料の高ドーピング濃度によって達成される。

ＷＯ２００５／０８１７６８Ａ２には、ＨＢＴ構造で用いられるショットキー障壁接合が記載されている。

本発明の目的は、ＧａＡｓ技術で製造可能であり、ｐｎｐトランジスタとして使用可能なトランジスタを提供することである。さらなる目的は、そのようなトランジスタの好適な製造方法を提供することである。

これらの目的は、請求項１に記載のバイポーラトランジスタ、および請求項１２に記載のトランジスタの製造方法によって達成される。さらなる目的は、従属請求項に記載の実施例および変形例で達成される。

バイポーラトランジスタは、半導体材料からなる基板と、基板内の高移動度層と、高移動度層に隣接したドナー層とを含む。エミッタ端子がドナー層上のエミッタコンタクトを形成し、コレクタ端子がドナー層上のコレクタコンタクトを形成する。ベース端子が高移動度層に導電接続される。

バイポーラトランジスタの実施例では、高移動度層は量子井戸を形成する。
さらなる実施例では、高移動度層はＧａおよびＡｓを含む、ならびに／もしくはドナー層はＧａおよびＡｓを含む。

さらなる実施例では、エミッタ端子およびコレクタ端子は互いに組み合わされる。
さらなる実施例では、エミッタ端子は、層の内部でコレクタ端子によって少なくとも部分的に囲まれている。

さらなる実施例では、エミッタコンタクトおよび／またはコレクタコンタクトはショットキー接触である。

さらなる実施例では、高移動度層とベース端子との間に半導体材料からなるベースコンタクト領域が配置される。ベースコンタクト領域は、ベース端子がベースコンタクト領域上にオーミック接触を形成するようにドープされる。

さらなる実施例では、高移動度層とベース端子との間にベースコンタクト領域が配置され、ベース端子はベースコンタクト領域上にショットキー接触を形成する。

さらなる実施例では、第２のベース端子が存在する。エミッタ端子およびコレクタ端子はベース端子同士の間に配置される。

さらなる実施例では、ドナー層のドナー濃度は１０^１４ｃｍ^-３〜１０^２０ｃｍ^-３である。

さらなる実施例では、高移動度層は、バイポーラトランジスタに付加的に与えられるＨＥＭＴのチャネル層としても提供される。バイポーラトランジスタおよびＨＥＭＴはしたがって、特にＧａＡｓであり得る同一の半導体基板に組込まれ得る。

トランジスタの製造方法は、半導体材料からなる基板内に、ｎドープされたドナー層に隣接して高移動度層が生成されるように、基板の内部または上にドナー層を形成するステップを含む。金属化を適用して、ドープ層上にショットキーエミッタコンタクトおよびショットキーコレクタコンタクトを形成し、さらに、高移動度層に導電接続されたベース端子を形成する。

当該方法の変形例では、ベース端子と高移動度層との間にベースコンタクト領域を配置する。ベースコンタクト領域は、ベース端子がベースコンタクト領域へのオーミック接触を形成するように、十分高くドープされる。代わりに、ベース端子とベースコンタクト領域との間に、またはベース端子とドナー層との間に直接、ショットキー接触を形成する。

当該方法のさらなる変形例では、エミッタコンタクトはエミッタ端子によって形成され、コレクタコンタクトはコレクタ端子によって形成され、エミッタ端子およびコレクタ端子は、二重ゲートＨＥＭＴのゲート電極の形状を有する。

当該方法は、ＧａＡｓのｐＨＥＭＴ技術またはＧａＡｓのＢｉＦＥＴ技術に適用可能である。

本発明のこれらおよび他の特徴は、添付の図面と関連して以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

バイポーラトランジスタの実施例の断面図である。互いに組み合わされたエミッタ端子およびコレクタ端子の構成の平面図である。エミッタ端子、およびエミッタ端子を囲むコレクタ端子の構成の平面図である。エミッタ端子、およびエミッタ端子を部分的に囲むコレクタ端子の構成の平面図である。エミッタ端子、およびエミッタ端子を囲むコレクタ端子のさらなる構成の平面図である。エミッタ端子、およびエミッタ端子を部分的に囲むコレクタ端子のさらなる構成の平面図である。

図１は、本発明に係るバイポーラトランジスタの実施例の断面図である。半導体材料からなる基板１は、たとえばＧａＡｓであり得る。高移動度層２が、半導体材料の上面まで延在するドナー層３に隣接して基板１内に形成される。ドナー層３は、高移動度層２のドープされていない半導体材料に直接隣接し得る。代わりに、高移動度層２とドナー層３との間に薄層または連続層が存在して、これらの層の異なる格子定数を互いに適合させてもよい。ドナー層３はｎドープされており、ｎ型不純物原子またはドナーの濃度は典型的に１０^１７ｃｍ^-３であり得る。ドナー濃度は好ましくは、１０^１４ｃｍ^-３〜１０^２０ｃｍ^-３である。ドナー層３の厚みは典型的に、たとえば約３００ｎｍであり得、この寸法ｄ_３＝３００ｎｍが図１に示される。高移動度層２およびドナー層３は、ＨＥＭＴのチャネル層およびそれに付随するドナー層に従って形成され得る。

エミッタ端子４は、ドナー層３上にエミッタコンタクト５を形成する。エミッタコンタクト５はショットキー接触であり得る。ショットキー接触は、金属製エミッタコンタクト４を、ドナー層３の比較的弱くドープされた半導体材料上に適用することによって形成される。したがって、コレクタ端子６がドナー層３上にコレクタコンタクト７を形成する。コレクタ端子６も金属であり得、コレクタコンタクト７はショットキー接触であり得る。エミッタ端子４およびコレクタ端子６は特に、二重ゲートｐＨＥＭＴのゲート電極の態様で形成され得る。図１に示す寸法ｄ_１およびｄ_２は典型的に、ｄ_１＝１．０μｍおよびｄ_２＝１．５μｍである。

少なくとも１つのベース端子８が、エミッタ端子４およびコレクタ端子６の横に設けられる。ベース端子８は、高移動度層２に導電接続される。ベース端子８と半導体材料との間にオーミック接触を提供するために、ベース端子８とドナー層３の半導体材料との間に、高ドープされたベースコンタクト領域９が配置され得る。こうして、ベース端子８と半導体材料との間のショットキー接触の形成が避けられる。ベース端子８の導電性材料として金属をまったく用いない場合、ベースコンタクト領域９はショットキー接触の形成を防止する必要がない。代わりに、ドープされた、または意図せずにドープされた半導体材料からなるベースコンタクト領域９を高移動度層２とベース端子８との間に配置して、ベース端子８がベースコンタクト領域９上にショットキー接触を形成することによって、その仕事関数をエミッタ端子４の仕事関数よりも高くするようにしてもよい。ベース端子を代わりに、高移動度層２またはドナー層３上に直接適用してもよい。

１つのベース端子８の適用で十分であるが、図１の断面図に示すような両側ベース端子８を有する構造が特に好ましい。この実施例では、ＨＥＭＴ構造のソースおよびドレインコンタクトと同様のコンタクトがベース端子として用いられる。エミッタ端子４およびコレクタ端子６は、２つのベース端子８同士の間に配置される。端子４、６、８は、装置の表面を平坦化するために適用され得る誘電体１０によって互いに分離される。

ＨＥＭＴの構造に最も近い図１に示す実施例とは別に、単一もしくは複数のベース、および／または単一もしくは複数のエミッタ、および／または単一もしくは複数のコレクタを含む他の構成も可能である。図２の平面図に示すような、互いに組み合わされたエミッタおよびコレクタ端子４、６を有する構造は、エミッタおよびコレクタ効率が向上して直列抵抗が低いため好ましい。

図３〜６はエミッタおよびコレクタ端子４、６のさらなる構成の平面図であり、エミッタ端子４は描画面に対応する層の内部でコレクタ端子６によって少なくとも部分的に囲まれている。エミッタ端子４は、図３のようにコレクタ端子６が自身の回りにあるポイントエミッタであり得る。エミッタおよびコレクタ端子４、６には横方向の接続端子が設けられ得、図４に示すように、コレクタ端子６は描画面に対応する層の内部でエミッタ端子４を部分的にのみ囲んでいる。図３および４に示す円形の代わりに、図５および６の平面図の例に示すように、エミッタおよびコレクタ端子４、６の他の形状も可能である。

エミッタ、ベース、およびコレクタは、異なる仕事関数を有する異なる金属を用いて作製可能である。これはショットキー接合、したがってキャリア輸送および装置特性に影響を及ぼす。ベース金属がショットキー接触を形成し、当該金属の仕事関数がエミッタコンタクトの仕事関数よりも高いときに、最も高い電流利得が達成され得る。この場合、コレクタコンタクトはオーミック接触であり得るか、仕事関数がエミッタの仕事関数と同等以下のショットキー接触であり得る。ＧａＡｓ処理に一般的に用いられるＴｉ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｎｉなどの金属が好適であるが、他の金属でもよい。

上述のトランジスタは、ＨＥＭＴの製造に用いられる処理で、特にＧａＡｓ技術で製造可能である。エミッタ端子４およびコレクタ端子６は、ＨＥＭＴの二重ゲート電極と同様の導電性構造によって形成可能である。ベース端子は、ＨＥＭＴのソースおよびドレインコンタクトの位置に対応する位置に配置される。したがって、本発明に係るバイポーラトランジスタは、ＨＥＭＴおよびｐＨＥＭＴとともにＧａＡｓに組込まれ得る。

ｎドープされたドナー層を含む横方向のバイポーラトランジスタは、ｐｎｐバイポーラトランジスタとして機能する。これによって、ＧａＡｓ技術用のｐ型装置が提供される。この構造は他の半導体材料、特にシリコンとともに適用可能である。

参照番号一覧
１基板
２高移動度層
３ドナー層
４エミッタ端子
５エミッタコンタクト
６コレクタ端子
７コレクタコンタクト
８ベース端子
９ベースコンタクト領域
１０誘電体
ｄ１寸法
ｄ２寸法
ｄ３寸法

Claims

半導体材料からなる基板（１）と、
前記基板内の高移動度層（２）と、
前記高移動度層に隣接したドナー層（３）と、
前記ドナー層へのエミッタコンタクト（５）を形成するエミッタ端子（４）と、
前記ドナー層へのコレクタコンタクト（７）を形成するコレクタ端子（６）と、
前記高移動度層に導電接続されたベース端子（８）とを備える、バイポーラトランジスタ。
前記高移動度層（２）は量子井戸を形成する、請求項１に記載のトランジスタ。
前記高移動度層（２）および／または前記ドナー層（３）はＧａおよびＡｓを含む、請求項１または２に記載のトランジスタ。
前記エミッタ端子（４）および前記コレクタ端子（６）は互いに組み合わされる、請求項１〜３のいずれかに記載のトランジスタ。
前記エミッタ端子（４）は、層の内部で前記コレクタ端子（６）によって少なくとも部分的に囲まれている、請求項１〜３のいずれかに記載のトランジスタ。
前記エミッタコンタクト（５）および／または前記コレクタコンタクト（７）はショットキー接触である、請求項１〜５のいずれかに記載のトランジスタ。
前記高移動度層（２）と前記ベース端子（８）との間に配置された、ドープされた半導体材料からなるベースコンタクト領域（９）をさらに備え、前記ベース端子は前記ベースコンタクト領域上にオーミック接触を形成する、請求項１〜６のいずれかに記載のトランジスタ。
前記高移動度層（２）と前記ベース端子（８）との間に配置された前記ドナー層（３）またはベースコンタクト領域（９）上にショットキー接触を形成する前記ベース端子（８）をさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載のトランジスタ。
第２のベース端子（８）をさらに備え、前記エミッタ端子（４）および前記コレクタ端子（６）は前記ベース端子（８）同士の間に配置される、請求項１〜８のいずれかに記載のトランジスタ。
前記ドナー層（３）のドナー濃度は１０^１４ｃｍ^-３〜１０^２０ｃｍ^-３である、請求項１〜９のいずれかに記載のトランジスタ。
前記高移動度層（２）は、ＨＥＭＴであるさらなるトランジスタのチャネル層を形成する、請求項１〜１０のいずれかに記載のトランジスタ。
トランジスタの製造方法であって、
ｎドープされたドナー層（３）に隣接して高移動度層（２）が生成されるように、半導体材料からなる基板（１）の内部または上に前記ドナー層を形成するステップと、
金属化を適用して、前記ドナー層（３）上にショットキーエミッタコンタクト（５）およびショットキーコレクタコンタクト（７）を形成し、前記高移動度層（２）に導電接続されたベース端子（８）を形成するステップとを備える、方法。
前記ベース端子（８）と前記高移動度層（２）との間にベースコンタクト領域（９）を配置するステップと、
前記ベース端子（８）と前記ベースコンタクト領域（９）との間にオーミック接触またはショットキー接触を形成するステップとをさらに備える、請求項１２に記載の方法。
前記エミッタコンタクト（５）を提供するエミッタ端子（４）および前記コレクタコンタクト（７）を提供するコレクタ端子（６）を形成するステップをさらに備え、前記エミッタ端子（４）および前記コレクタ端子（６）は、二重ゲートＨＥＭＴのゲート電極の形状に形成される、請求項１２または１３に記載の方法。
前記トランジスタは、ＧａＡｓのＨＥＭＴ技術またはＧａＡｓのＢｉＦＥＴ技術で製造される、請求項１２〜１４のいずれかに記載の方法。