JP2015185649A - Semiconductor device and power amplifier - Google Patents

Semiconductor device and power amplifier Download PDF

Info

Publication number
JP2015185649A
JP2015185649A JP2014059976A JP2014059976A JP2015185649A JP 2015185649 A JP2015185649 A JP 2015185649A JP 2014059976 A JP2014059976 A JP 2014059976A JP 2014059976 A JP2014059976 A JP 2014059976A JP 2015185649 A JP2015185649 A JP 2015185649A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
type
semiconductor device
collector layer
collector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2014059976A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
大部 功
Isao Obe
功 大部
恒和 西明
Tsunekazu Saimei
恒和 西明
雅博 柴田
Masahiro Shibata
雅博 柴田
一也 小林
Kazuya Kobayashi
一也 小林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
Priority to JP2014059976A priority Critical patent/JP2015185649A/en
Publication of JP2015185649A publication Critical patent/JP2015185649A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Bipolar Transistors (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device and power amplifier capable of improving current drive capability while ensuring a low-voltage operation.SOLUTION: The semiconductor device with a bipolar transistor BT is configured so that an n-type collector layer 4 is a two-layer structure of a first collector layer 4a of n-type GaAs including gallium arsenide (GaAs) and a second collector layer 4b (GaN molar ratio: 0.018) of n-type GaAsN including nitriding gallium arsenide (GaAsN), and is formed with a p-type Ge base layer 5 including germanium (Ge) to be in contact with the second collector layer 4b of n-type GaAsN.

Description

本発明は、半導体装置および電力増幅器に関し、特に、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置と、そのような半導体装置を適用した電力増幅器とに関するものである。   The present invention relates to a semiconductor device and a power amplifier, and particularly to a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor and a power amplifier to which such a semiconductor device is applied.

近年、携帯端末機等のパワーアンプモジュールを構成するトランジスタとして、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタが用いられている。この種のバイポーラトランジスタは、HBT(Hetero junction Bipolar Transistor)と称されている。このバイポーラトランジスタに要求される特性の一つに低電圧動作が挙げられる。低電圧動作をさせるためには、ベース層のエネルギーバンドギャップを小さくすることが求められる。エネルギーバンドギャップを小さくする半導体材料としてゲルマニウム(Ge)がある。   In recent years, heterojunction bipolar transistors have been used as transistors constituting power amplifier modules such as portable terminals. This type of bipolar transistor is called HBT (Hetero junction Bipolar Transistor). One of the characteristics required for this bipolar transistor is low voltage operation. In order to operate at a low voltage, it is required to reduce the energy band gap of the base layer. Germanium (Ge) is a semiconductor material that reduces the energy band gap.

そこで、ベース層にゲルマニウム(Ge)を適用した半導体装置の一例として、特許文献1に挙げられている半導体装置について説明する。図27に示すように、バイポーラトランジスタBTでは、半絶縁性GaAs基板101に接するようにn型GaAsサブコレクタ層102が形成されている。   Therefore, as an example of a semiconductor device in which germanium (Ge) is applied to the base layer, a semiconductor device described in Patent Document 1 will be described. As shown in FIG. 27, in the bipolar transistor BT, an n-type GaAs subcollector layer 102 is formed so as to be in contact with the semi-insulating GaAs substrate 101.

n型GaAsサブコレクタ層102に接するように、n型GaAsコレクタ層103が形成されている。n型GaAsコレクタ層103に接するように、p型Geベース層104が形成されている。p型Geベース層104に接するように、n型InGaPエミッタ層105が形成されている。   An n-type GaAs collector layer 103 is formed so as to be in contact with the n-type GaAs subcollector layer 102. A p-type Ge base layer 104 is formed in contact with the n-type GaAs collector layer 103. An n-type InGaP emitter layer 105 is formed so as to be in contact with the p-type Ge base layer 104.

n型InGaPエミッタ層105に接するように、n型InGaPコンタクト層106が形成され、そのn型InGaPコンタクト層106に接するように、n型GaAsエミッタコンタクト層107が形成されている。n型GaAsエミッタコンタクト層107に接するように、n型InGaAsエミッタコンタクト層108が形成されている。   An n-type InGaP contact layer 106 is formed so as to be in contact with the n-type InGaP emitter layer 105, and an n-type GaAs emitter contact layer 107 is formed so as to be in contact with the n-type InGaP contact layer 106. An n-type InGaAs emitter contact layer 108 is formed in contact with the n-type GaAs emitter contact layer 107.

n型InGaAsエミッタコンタクト層108に接するように、エミッタ電極113が形成されている。p型Geベース層104に接するように、ベース電極112が形成されている。n型GaAsサブコレクタ層102に接するように、コレクタ電極111が形成されている。背景技術に係る半導体装置は、上記のように構成される。   An emitter electrode 113 is formed so as to be in contact with the n-type InGaAs emitter contact layer 108. A base electrode 112 is formed so as to be in contact with the p-type Ge base layer 104. A collector electrode 111 is formed in contact with the n-type GaAs subcollector layer 102. The semiconductor device according to the background art is configured as described above.

特開2003−243406号公報JP 2003-243406 A

しかしながら、従来の半導体装置では以下のような問題点があった。
p型Geベース層104はn型GaAsコレクタ層103に接するように形成される。ここで、p型Geベース層104を構成するゲルマニウム(Ge)のエネルギ−バンドギャップは約0.7eVであるのに対して、n型GaAsコレクタ層103を構成するガリウムヒ素(GaAs)のエネルギーバンドギャップは約1.4eVである。
However, the conventional semiconductor device has the following problems.
The p-type Ge base layer 104 is formed in contact with the n-type GaAs collector layer 103. Here, the energy band gap of germanium (Ge) constituting the p-type Ge base layer 104 is about 0.7 eV, whereas the energy band of gallium arsenide (GaAs) constituting the n-type GaAs collector layer 103. The gap is about 1.4 eV.

このため、p型Geベース層104とn型GaAsコレクタ層103との接合部分には、ガリウムヒ素(GaAs)のエネルギーバンドギャップ(約1.4eV)とゲルマニウム(Ge)のエネルギ−バンドギャップ(約0.7eV)との差に起因して、エネルギー障壁が出現することになる。   For this reason, at the junction between the p-type Ge base layer 104 and the n-type GaAs collector layer 103, an energy band gap (about 1.4 eV) of gallium arsenide (GaAs) and an energy band gap of germanium (Ge) (about about Due to the difference from 0.7 eV), an energy barrier appears.

バイポーラトランジスタでは、n型InGaPエミッタ層105からp型Geベース層104に注入された電子は、p型Geベース層104中をn型GaAsコレクタ層103へ向かって拡散によって移動する。   In the bipolar transistor, electrons injected from the n-type InGaP emitter layer 105 into the p-type Ge base layer 104 move in the p-type Ge base layer 104 toward the n-type GaAs collector layer 103 by diffusion.

しかしながら、電子が、p型Geベース層104とn型GaAsコレクタ層103との接合部分に到達すると、前述したエネルギー障壁によってn型GaAsコレクタ層103への電子の注入が抑制されることになる。このため、十分なコレクタ電流を得ることができず、バイポーラトランジスタとしての電流駆動能力を向上させるのが阻害されるおそれがあった。   However, when electrons reach the junction between the p-type Ge base layer 104 and the n-type GaAs collector layer 103, injection of electrons into the n-type GaAs collector layer 103 is suppressed by the energy barrier described above. For this reason, a sufficient collector current cannot be obtained, and there is a risk that improvement of the current driving capability as a bipolar transistor may be hindered.

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は、低電圧動作を確保しながら電流駆動能力の向上が図られる半導体装置を提供することであり、他の目的は、そのような半導体装置を適用した電力増幅器を提供することである。   The present invention has been made to solve the above problems, and one object is to provide a semiconductor device capable of improving the current driving capability while ensuring low voltage operation, and the other object is An object of the present invention is to provide a power amplifier to which such a semiconductor device is applied.

本発明に係る半導体装置は、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置である。バイポーラトランジスタは、コレクタ層とベース層とエミッタ層とを有している。ベース層はコレクタ層上に形成されて、ゲルマニウム(Ge)を含んでいる。エミッタ層はベース層上に形成されている。コレクタ層は、ガリウムヒ素(GaAs)を含む第1コレクタ層と、窒化ガリウム(GaN)を含有する窒化ガリウムヒ素(GaAsN)を含む第2コレクタ層とを備えている。第2コレクタ層とベース層とが互いに接するように形成されている。   The semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor. The bipolar transistor has a collector layer, a base layer, and an emitter layer. The base layer is formed on the collector layer and includes germanium (Ge). The emitter layer is formed on the base layer. The collector layer includes a first collector layer containing gallium arsenide (GaAs) and a second collector layer containing gallium arsenide (GaAsN) containing gallium nitride (GaN). The second collector layer and the base layer are formed in contact with each other.

本発明に係る半導体装置によれば、窒化ガリウム(GaN)を含有する窒化ガリウムヒ素(GaAsN)を含む第2コレクタ層と、ゲルマニウム(Ge)を含むベース層とが互いに接するように形成されている。これにより、低電圧動作を確保しながら十分なコレクタ電流を得ることができ、電流駆動能力を向上させることができる。   According to the semiconductor device of the present invention, the second collector layer containing gallium nitride (GaAsN) containing gallium nitride (GaN) and the base layer containing germanium (Ge) are formed in contact with each other. . Thus, a sufficient collector current can be obtained while ensuring a low voltage operation, and the current driving capability can be improved.

第2コレクタ層における窒化ガリウム(GaN)のモル比は、少なくともベース層に接する部分では0.018以上に設定されていることが好ましい。   The molar ratio of gallium nitride (GaN) in the second collector layer is preferably set to 0.018 or more at least in a portion in contact with the base layer.

これにより、ベース層とコレクタ層との接合部分のエネルギー障壁を確実になくすことができる。   Thereby, the energy barrier of the junction part of a base layer and a collector layer can be eliminated reliably.

第2コレクタ層における窒化ガリウム(GaN)のモル比は、ベース層に接する第1部分におけるモル比が、第1コレクタ層に接する第2部分におけるモル比よりも高く設定されていることが好ましい。   The molar ratio of gallium nitride (GaN) in the second collector layer is preferably set so that the molar ratio in the first portion in contact with the base layer is higher than the molar ratio in the second portion in contact with the first collector layer.

さらに、第2部分におけるモル比は0に設定され、第2コレクタ層は、第1部分から第2部分にかけて、モル比が徐々に減少するプロファイルをもって形成されていることがより好ましい。   Furthermore, the molar ratio in the second portion is set to 0, and the second collector layer is more preferably formed with a profile in which the molar ratio gradually decreases from the first portion to the second portion.

これにより、ベース・コレクタ間の帰還容量を抑えることができ、高周波特性を向上させることができる。   Thereby, the feedback capacity between the base and the collector can be suppressed, and the high frequency characteristics can be improved.

また、第2コレクタ層における窒化ガリウム(GaN)のモル比をXとすると、第2コレクタ層の厚さは、次の式、d(nm)=1.792・X-1.141によって算出される許容膜厚d以下の厚さに設定されていることが好ましい。 When the molar ratio of gallium nitride (GaN) in the second collector layer is X, the thickness of the second collector layer is an allowance calculated by the following equation: d (nm) = 1.792 · X- 1.141 It is preferable that the thickness be set to a thickness d or less.

これにより、第2コレクタ層にミスフィット転位を発生させないようにすることができる。   As a result, misfit dislocations can be prevented from occurring in the second collector layer.

また、バイポーラトランジスタは基板の表面に形成され、その基板の表面は、基板の結晶面{100}に対して、<011>方向に少なくとも2度傾いたオフ角度を有していることが好ましい。   The bipolar transistor is preferably formed on the surface of the substrate, and the surface of the substrate preferably has an off angle inclined at least 2 degrees in the <011> direction with respect to the crystal plane {100} of the substrate.

これにより、アンチフェーズドメインと称される結晶欠陥領域の発生を抑えることができ、バイポーラトランジスタの通電信頼性を確保することができる。   As a result, the occurrence of a crystal defect region called an anti-phase domain can be suppressed, and the energization reliability of the bipolar transistor can be ensured.

また、エミッタ層は、具体的には、インジウムガリウムリン(InGaP)およびアルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)のいずれかによって形成されていることが好ましい。   Specifically, the emitter layer is preferably formed of either indium gallium phosphide (InGaP) or aluminum gallium arsenide (AlGaAs).

バイポーラトランジスタを複数備え、複数のバイポーラトランジスタは電気的に並列に接続されていることが好ましい。   It is preferable that a plurality of bipolar transistors are provided, and the plurality of bipolar transistors are electrically connected in parallel.

これにより、半導体装置として大電力を扱うことができる。
本発明に係る電力増幅器は、上述した半導体装置を実装した電力増幅器である。
Thereby, large power can be handled as a semiconductor device.
The power amplifier according to the present invention is a power amplifier in which the above-described semiconductor device is mounted.

本発明に係る電力増幅器によれば、大電力に対応することができる。   According to the power amplifier of the present invention, it is possible to cope with a large power.

本発明の実施の形態1に係る、バイポーラトランジスタを備えた半導体装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor device provided with the bipolar transistor based on Embodiment 1 of this invention. 同実施の形態において、図1に示される断面線II−IIにおける断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a cross-sectional line II-II shown in FIG. 1 in the same embodiment. 比較例に係る半導体装置のバイポーラトランジスタのエネルギーバンドを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the energy band of the bipolar transistor of the semiconductor device which concerns on a comparative example. 同実施の形態において、図1および図2に示すバイポーラトランジスタのn型GaAsN第2コレクタ層におけるGaNのモル比のプロファイルと、バイポーラトランジスタのエネルギーバンドとを模式的に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing a profile of a molar ratio of GaN in an n-type GaAsN second collector layer of the bipolar transistor shown in FIGS. 1 and 2 and an energy band of the bipolar transistor in the same embodiment. 同実施の形態において、GaNのモル比と許容最大膜厚との関係を示すグラフである。In the same embodiment, it is a graph which shows the relationship between the molar ratio of GaN, and allowable maximum film thickness. 同実施の形態において、傾斜基板としての半絶縁性GaAs基板の構造を模式的に示す部分断面図である。In the same embodiment, it is a fragmentary sectional view which shows typically the structure of the semi-insulating GaAs substrate as an inclination board | substrate. 本発明の実施の形態2に係る、バイポーラトランジスタを備えた半導体装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor device provided with the bipolar transistor based on Embodiment 2 of this invention. 同実施の形態において、図7に示される断面線VIII−VIIIにおける断面図である。FIG. 8 is a cross sectional view taken along a cross sectional line VIII-VIII shown in FIG. 7 in the same embodiment. 同実施の形態において、図7および図8に示すバイポーラトランジスタのn型GaAsN第2コレクタ層におけるGaNのモル比のプロファイルを模式的に示す図である。FIG. 9 is a diagram schematically showing a profile of a molar ratio of GaN in the n-type GaAsN second collector layer of the bipolar transistor shown in FIGS. 7 and 8 in the same embodiment. 同実施の形態において、図7および図8に示すバイポーラトランジスタのn型GaAsN第2コレクタ層におけるGaNのモル比のプロファイルと、バイポーラトランジスタのエネルギーバンドとを模式的に示す図である。FIG. 9 is a diagram schematically showing a profile of a molar ratio of GaN in an n-type GaAsN second collector layer of the bipolar transistor shown in FIGS. 7 and 8 and an energy band of the bipolar transistor in the same embodiment. 同実施の形態において、バイポーラトランジスタのn型GaAsN第2コレクタ層におけるGaNのモル比のプロファイルの一変形例を模式的に示す図である。In the same embodiment, it is a figure showing typically the modification of the profile of the molar ratio of GaN in the n type GaAsN 2nd collector layer of a bipolar transistor. 同実施の形態において、バイポーラトランジスタのn型GaAsN第2コレクタ層におけるGaNのモル比のプロファイルの他の変形例を模式的に示す図である。In the same embodiment, it is a figure showing typically other modifications of the profile of the molar ratio of GaN in the n type GaAsN second collector layer of a bipolar transistor. 本発明の実施の形態3に係る、複数のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置におけるバイポーラトランジスタの接続態様を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the connection aspect of the bipolar transistor in the semiconductor device provided with the several bipolar transistor based on Embodiment 3 of this invention. 同実施の形態において、複数のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置の平面図である。In the same embodiment, it is a top view of the semiconductor device provided with the some bipolar transistor. 同実施の形態において、図14に示される断面線XV−XVにおける断面図である。FIG. 15 is a cross-sectional view taken along a cross-sectional line XV-XV shown in FIG. 14 in the same embodiment. 本発明の実施の形態4に係る、複数のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置の製造方法の一工程を示す断面図である。It is sectional drawing which shows 1 process of the manufacturing method of the semiconductor device provided with the several bipolar transistor based on Embodiment 4 of this invention. 同実施の形態において、図16に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 16 in the same embodiment. 同実施の形態において、図17に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 17 in the same embodiment. 同実施の形態において、図18に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 19 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 18 in the same embodiment. 同実施の形態において、図19に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 20 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 19 in the same embodiment. 同実施の形態において、図20に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 21 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 20 in the same embodiment. 同実施の形態において、図21に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 22 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 21 in the same embodiment. 同実施の形態において、図22に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 23 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 22 in the same embodiment. 同実施の形態において、図23に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。FIG. 24 is a cross-sectional view showing a step performed after the step shown in FIG. 23 in the same embodiment. 本発明の実施の形態5に係る、複数のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置が適用された電力増幅器の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the power amplifier with which the semiconductor device provided with the several bipolar transistor based on Embodiment 5 of this invention was applied. 同実施の形態において、電力増幅器に搭載された半導体装置とその周辺部分とを模式的に示す部分断面図である。4 is a partial cross-sectional view schematically showing a semiconductor device mounted on a power amplifier and its peripheral portion in the embodiment. FIG. 背景技術に係る、バイポーラトランジスタを備えた半導体装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the semiconductor device provided with the bipolar transistor based on background art.

実施の形態1
ここでは、バイポーラトランジスタのコレクタ層として、二層構造のコレクタ層を備えた半導体装置の第1例について説明する。
Embodiment 1
Here, a first example of a semiconductor device provided with a collector layer having a two-layer structure as a collector layer of a bipolar transistor will be described.

図1および図2に示すように、半絶縁性GaAs基板1の表面に接するように、アンドープGaAsバッファー層2(膜厚:0.1μm)が形成されている。なお、半絶縁性GaAs基板1として、後述するように、基板表面を結晶面から所定の角度をもって傾斜させた傾斜基板が用いられる。アンドープGaAsバッファー層2に接するように、n型GaAsサブコレクタ層3(Siドーピング濃度:5×1018cm-3、膜厚:0.6μm)が形成されている。 As shown in FIGS. 1 and 2, an undoped GaAs buffer layer 2 (film thickness: 0.1 μm) is formed so as to be in contact with the surface of the semi-insulating GaAs substrate 1. Note that, as the semi-insulating GaAs substrate 1, an inclined substrate is used in which the substrate surface is inclined at a predetermined angle from the crystal plane, as will be described later. An n-type GaAs subcollector layer 3 (Si doping concentration: 5 × 10 18 cm −3 , film thickness: 0.6 μm) is formed so as to be in contact with the undoped GaAs buffer layer 2.

n型GaAsサブコレクタ層3に接するように、n型コレクタ層4が形成されている。n型コレクタ層4は、ガリウムヒ素(GaAs)を含むn型GaAs第1コレクタ層4a(Siドーピング濃度:1×1016cm-3、膜厚:1.0μm)と、窒化ガリウムヒ素(GaAsN)を含むn型GaAsN第2コレクタ層4b(GaNモル比:0.018、Siドーピング濃度:1×1016cm-3、膜厚:100nm)との二層構造とされる。n型GaAs第1コレクタ層4aは、n型GaAsサブコレクタ層3に接するように形成され、n型GaAsN第2コレクタ層4bは、n型GaAs第1コレクタ層4aに接するように形成されている。 An n-type collector layer 4 is formed in contact with the n-type GaAs subcollector layer 3. The n-type collector layer 4 includes an n-type GaAs first collector layer 4a (Si doping concentration: 1 × 10 16 cm −3 , film thickness: 1.0 μm) containing gallium arsenide (GaAs), and gallium arsenide (GaAsN). And a n-type GaAsN second collector layer 4b (GaN molar ratio: 0.018, Si doping concentration: 1 × 10 16 cm −3 , film thickness: 100 nm). The n-type GaAs first collector layer 4a is formed in contact with the n-type GaAs sub-collector layer 3, and the n-type GaAsN second collector layer 4b is formed in contact with the n-type GaAs first collector layer 4a. .

n型GaAsN第2コレクタ層4bに接するように、ゲルマニウム(Ge)を含むp型Geベース層5(Gaドーピング濃度:4×1019cm-3、膜厚:150nm)が形成されている。p型Geベース層5に接するように、インジウムガリウムリン(InGaP)を含むn型InGaPエミッタ層6(InPモル比:0.48、Siドーピング濃度:3×1017cm-3、膜厚:30nm)が形成されている。 A p-type Ge base layer 5 (Ga doping concentration: 4 × 10 19 cm −3 , film thickness: 150 nm) containing germanium (Ge) is formed in contact with the n-type GaAsN second collector layer 4b. An n-type InGaP emitter layer 6 containing indium gallium phosphide (InGaP) so as to be in contact with the p-type Ge base layer 5 (InP molar ratio: 0.48, Si doping concentration: 3 × 10 17 cm −3 , film thickness: 30 nm) ) Is formed.

n型InGaPエミッタ層6に接するように、n型GaAsコンタクト層8(Siドーピング濃度:5×1018cm-3、膜厚:50nm)が形成されている。n型GaAsコンタクト層8に接するように、n型InGaAsコンタクト層9(InAsモル比:0.5、Siドーピング濃度:1×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成されている。エミッタ寸法は、3μm×20μmであり、矩形のエミッタとされている。 An n-type GaAs contact layer 8 (Si doping concentration: 5 × 10 18 cm −3 , film thickness: 50 nm) is formed so as to be in contact with the n-type InGaP emitter layer 6. An n-type InGaAs contact layer 9 (InAs molar ratio: 0.5, Si doping concentration: 1 × 10 19 cm −3 , film thickness: 50 nm) is formed so as to be in contact with the n-type GaAs contact layer 8. The emitter size is 3 μm × 20 μm, which is a rectangular emitter.

n型InGaAsコンタクト層9に接するようにエミッタ電極13が配置されている。n型GaAsサブコレクタ層3に接するように、コレクタ電極11が配置されている。エミッタ層6を介してp型Geベース層5に接するようにベース電極12が配置される。コレクタ電極11は、AuGe(膜厚:60nm)/Ni(膜厚:10nm)/Au(膜厚:200nm)を積層することによって形成されている。ベース電極12は、Ti(膜厚:50nm)/Pt(膜厚:50nm)/Au(膜厚:200nm)を積層することによって形成されている。エミッタ電極13は、WSi(Siモル比:0.3、膜厚:0.3μm)によって形成されている。   An emitter electrode 13 is disposed in contact with the n-type InGaAs contact layer 9. A collector electrode 11 is disposed in contact with the n-type GaAs subcollector layer 3. A base electrode 12 is disposed in contact with the p-type Ge base layer 5 via the emitter layer 6. The collector electrode 11 is formed by stacking AuGe (film thickness: 60 nm) / Ni (film thickness: 10 nm) / Au (film thickness: 200 nm). The base electrode 12 is formed by stacking Ti (film thickness: 50 nm) / Pt (film thickness: 50 nm) / Au (film thickness: 200 nm). The emitter electrode 13 is formed of WSi (Si molar ratio: 0.3, film thickness: 0.3 μm).

半絶縁性GaAs基板1の周辺部には、バイポーラトランジスタBTの外部との電気的な接続を行うための金属パッド17、18、19が形成されている。コレクタ電極11と金属パッド19とが、コレクタ配線14によって電気的に接続されている。ベース電極12と金属パッド18とが、ベース配線15によって電気的に接続されている。エミッタ電極13と金属パッド17とが、エミッタ配線16によって電気的に接続されている。   Metal pads 17, 18, and 19 are formed on the periphery of the semi-insulating GaAs substrate 1 for electrical connection with the outside of the bipolar transistor BT. The collector electrode 11 and the metal pad 19 are electrically connected by the collector wiring 14. The base electrode 12 and the metal pad 18 are electrically connected by the base wiring 15. The emitter electrode 13 and the metal pad 17 are electrically connected by the emitter wiring 16.

なお、バイポーラトランジスタBTを構成する各層について、たとえば、n型GaAsN第2コレクタ層4bについては、窒化ガリウムヒ素(GaAsN)を含むn型GaAsN第2コレクタ層4bと表現している。これは、第2コレクタ層が、窒化ガリウムヒ素(GaAsN)だけから形成されることを意味するものではなく、第2コレクタ層が、実質的に窒化ガリウムヒ素(GaAsN)によって形成され、これに、所定の導電型に設定するための不純物や製造工程上の不純物等が含まれることを意味するものである。他の、n型GaAs第1コレクタ層4a、p型Geベース層5およびn型InGaPエミッタ層6等についても同様である。   As for each layer constituting the bipolar transistor BT, for example, the n-type GaAsN second collector layer 4b is expressed as an n-type GaAsN second collector layer 4b containing gallium arsenide (GaAsN). This does not mean that the second collector layer is formed only from gallium arsenide nitride (GaAsN), and the second collector layer is formed substantially from gallium arsenide nitride (GaAsN), It means that impurities for setting to a predetermined conductivity type, impurities in the manufacturing process, and the like are included. The same applies to the other n-type GaAs first collector layer 4a, p-type Ge base layer 5, n-type InGaP emitter layer 6, and the like.

上述したバイポーラトランジスタBTを備えた半導体装置では、n型コレクタ層4がn型GaAsN第2コレクタ層4bを備えていることで、低電圧動作を確保しながら電流駆動能力を向上させることができる。このことについて、比較例として、図27に示す半導体装置を挙げ、その比較例に係る半導体装置との関係で説明する。   In the semiconductor device including the bipolar transistor BT described above, since the n-type collector layer 4 includes the n-type GaAsN second collector layer 4b, the current driving capability can be improved while ensuring a low voltage operation. This will be described with reference to a semiconductor device shown in FIG. 27 as a comparative example, in relation to the semiconductor device according to the comparative example.

比較例に係る半導体装置では、ベース層とコレクタ層との接合部分には、エネルギー障壁が出現することを述べた。そのエネルギーバンド(ポテンシャルエネルギー)を模式的に図3に示す。図3に示すように、p型Geベース層104とn型GaAsコレクタ層103との接合部分(接合部分CJ)では、ガリウムヒ素(GaAs)のエネルギーバンドギャップ(1.4eV)とゲルマニウム(Ge)のエネルギ−バンドギャップ(0.7eV)との差に起因して、エネルギー障壁200が出現している。   In the semiconductor device according to the comparative example, it has been described that an energy barrier appears at the junction between the base layer and the collector layer. The energy band (potential energy) is schematically shown in FIG. As shown in FIG. 3, at the junction (junction CJ) between the p-type Ge base layer 104 and the n-type GaAs collector layer 103, the energy band gap (1.4 eV) of gallium arsenide (GaAs) and germanium (Ge) The energy barrier 200 appears due to the difference from the energy band gap (0.7 eV).

このため、前述のエネルギー障壁200によって、n型InGaPエミッタ層105からp型Geベース層104に注入されて接合部分CJに到達した電子(e)が、n型GaAsコレクタ層103へ注入されるのが阻害されることになる。その結果、比較例に係る半導体装置では、十分なコレクタ電流を得ることができなくなってしまう。 Therefore, electrons (e ) injected from the n-type InGaP emitter layer 105 into the p-type Ge base layer 104 and reaching the junction CJ are injected into the n-type GaAs collector layer 103 by the energy barrier 200 described above. Will be hindered. As a result, the semiconductor device according to the comparative example cannot obtain a sufficient collector current.

比較例に係る半導体装置に対して、本実施の形態に係るバイポーラトランジスタを備えた半導体装置では、n型コレクタ層4は、n型GaAs第1コレクタ層4aと、n型GaAsN第2コレクタ層4bとの二層構造とされて、n型GaAsN第2コレクタ層4bがn型GaAs第1コレクタ層4aに接するように形成されている。そのn型GaAsN第2コレクタ層4bにおけるGaN(窒化ガリウム)のモル比は、0.018に設定されている。   In contrast to the semiconductor device according to the comparative example, in the semiconductor device including the bipolar transistor according to the present embodiment, the n-type collector layer 4 includes the n-type GaAs first collector layer 4a and the n-type GaAsN second collector layer 4b. The n-type GaAsN second collector layer 4b is formed in contact with the n-type GaAs first collector layer 4a. The molar ratio of GaN (gallium nitride) in the n-type GaAsN second collector layer 4b is set to 0.018.

ここで、図4に、GaNのモル比のプロファイル(上側)と、バイポーラトランジスタのエネルギーバンド(ポテンシャルエネルギー)(下側)とを模式的に示す。図4に示すように、n型GaAsN第2コレクタ層4bにおけるGaNのモル比は、n型GaAsN第2コレクタ層4bの厚さ方向に一定の値に設定されており、この場合、0.018に設定されている(GaAs1-xx:x=0.018)。 Here, FIG. 4 schematically shows the profile of the molar ratio of GaN (upper side) and the energy band (potential energy) (lower side) of the bipolar transistor. As shown in FIG. 4, the molar ratio of GaN in the n-type GaAsN second collector layer 4b is set to a constant value in the thickness direction of the n-type GaAsN second collector layer 4b. (GaAs 1-x N x : x = 0.018).

このように、コレクタ層として、n型GaAs層に窒素(N)を添加した層を用いることで、伝導帯端Ecのポテンシャルエネルギーが、窒素(N)を添加させないn型GaAs層の伝導帯端Ecのポテンシャルエネルギーよりも下げられることになる。   Thus, by using a layer in which nitrogen (N) is added to the n-type GaAs layer as the collector layer, the potential energy at the conduction band edge Ec is such that the conduction band edge of the n-type GaAs layer to which nitrogen (N) is not added. It will be lower than the potential energy of Ec.

これにより、p型Geベース層5とn型コレクタ層4との接合部分(接合部分J1)においてエネルギー障壁がなくなり、n型InGaPエミッタ層6からp型Geベース層5に注入されて接合部分J1に到達した電子が、n型コレクタ層4へ効率的に注入される。しかも、ベース層として、エネルギーバンドギャップが比較的小さいp型Geベース層5が形成されている。その結果、低電圧動作を確保しながら十分なコレクタ電流を得ることができ、電流駆動能力を向上させることができる。   As a result, the energy barrier disappears at the junction (junction portion J1) between the p-type Ge base layer 5 and the n-type collector layer 4, and is injected from the n-type InGaP emitter layer 6 into the p-type Ge base layer 5 and joined to the junction portion J1. The electrons that have reached are efficiently injected into the n-type collector layer 4. Moreover, the p-type Ge base layer 5 having a relatively small energy band gap is formed as the base layer. As a result, a sufficient collector current can be obtained while ensuring a low voltage operation, and the current driving capability can be improved.

なお、比較例とした半導体装置を開示した特許文献1では、図27に示す半導体装置の他に、p型Geベース層とn型GaAsコレクタ層との間に、コレクタ層の一部となるn型Ge層を介在させた半導体装置(半導体装置C)が提案されている。このような半導体装置Cのバイポーラトランジスタでは、エミッタ層とベース層との接合はヘテロ接合となり、コレクタ層とベース層との接合は、n型Ge層とp型Ge層とのホモ接合となる、シングルヘテロ接合のバイポーラトランジスタとなる。   In Patent Document 1 that discloses a semiconductor device as a comparative example, in addition to the semiconductor device shown in FIG. 27, n that becomes a part of the collector layer between the p-type Ge base layer and the n-type GaAs collector layer. A semiconductor device (semiconductor device C) in which a type Ge layer is interposed has been proposed. In such a bipolar transistor of the semiconductor device C, the junction between the emitter layer and the base layer is a heterojunction, and the junction between the collector layer and the base layer is a homojunction between the n-type Ge layer and the p-type Ge layer. A single heterojunction bipolar transistor is obtained.

一方、本実施の形態に係る半導体装置のバイポーラトランジスタでは、エミッタ層とベース層との接合は、n型InGaPエミッタ層6とp型Geベース層5とのヘテロ接合となり、コレクタ層とベース層との接合は、n型GaAsN第2コレクタ層4bとp型Geベース層5とのヘテロ接合となる、ダブルヘテロ接合のバイポーラトランジスタとなる。   On the other hand, in the bipolar transistor of the semiconductor device according to the present embodiment, the junction between the emitter layer and the base layer is a heterojunction between the n-type InGaP emitter layer 6 and the p-type Ge base layer 5, and the collector layer and the base layer This junction is a double heterojunction bipolar transistor which is a heterojunction between the n-type GaAsN second collector layer 4b and the p-type Ge base layer 5.

ダブルヘテロ接合のバイポーラトランジスタと、シングルヘテロ接合のバイポーラトランジスタとでは、ダブルヘテロ接合のバイポーラトランジスタのオフセット電圧が、シングルヘテロ接合のバイポーラトランジスタのオフセット電圧よりも低くなる。   In the double heterojunction bipolar transistor and the single heterojunction bipolar transistor, the offset voltage of the double heterojunction bipolar transistor is lower than the offset voltage of the single heterojunction bipolar transistor.

すなわち、コレクタ・エミッタ間電圧とコレクタ電流との関係を示すグラフにおいて、ダブルヘテロ接合のバイポーラトランジスタに対応するグラフは、シングルヘテロ接合のバイポーラトランジスタに対応するグラフよりも、コレクタ・エミッタ間電圧がより低い電圧から立ち上がることになる。   That is, in the graph showing the relationship between the collector-emitter voltage and the collector current, the graph corresponding to the double heterojunction bipolar transistor has a higher collector-emitter voltage than the graph corresponding to the single heterojunction bipolar transistor. It will rise from a low voltage.

このため、同じコレクタ・エミッタ間電圧に対して、ダブルヘテロ接合のバイポーラトランジスタでは、シングルヘテロ接合のバイポーラトランジスタに比べて、低電圧領域において、コレクタ電流が高くなる。一方、同じコレクタ電流に対して、ダブルヘテロ接合のバイポーラトランジスタでは、シングルヘテロ接合のバイポーラトランジスタに比べて、コレクタ・エミッタ間電圧が低くなる。   For this reason, for the same collector-emitter voltage, a bipolar transistor with a double heterojunction has a higher collector current in a low voltage region than a bipolar transistor with a single heterojunction. On the other hand, for the same collector current, a bipolar transistor having a double heterojunction has a lower collector-emitter voltage than a bipolar transistor having a single heterojunction.

したがって、上述したダブルヘテロ接合のバイポーラトランジスタでは、特許文献1に挙げられたシングルヘテロ接合のバイポーラトランジスタと比べて、電流駆動能力(コレクタ電流)を向上させることができるとともに、オン電圧(コレクタ・エミッタ間電圧)を下げることができる。   Therefore, in the double heterojunction bipolar transistor described above, the current drive capability (collector current) can be improved and the on-voltage (collector-emitter) can be improved as compared with the single heterojunction bipolar transistor described in Patent Document 1. Voltage).

また、上述した半導体装置は、耐圧の観点から、特許文献1に提案されている半導体装置Cよりも高い耐圧を確保することができる。   Further, the above-described semiconductor device can ensure a higher breakdown voltage than the semiconductor device C proposed in Patent Document 1 from the viewpoint of breakdown voltage.

パワーアンプに使用されるヘテロ接合型のバイポーラトランジスタでは、ベース・コレクタ間の耐圧が、バイポーラトランジスタとしての耐圧になり、この耐圧はコレクタ側のエネルギーバンドギャップによって決まる。   In a heterojunction bipolar transistor used in a power amplifier, the breakdown voltage between the base and the collector is the breakdown voltage of the bipolar transistor, and this breakdown voltage is determined by the energy band gap on the collector side.

本実施の形態に係る半導体装置では、p型Geベース層にはn型GaAsN第2コレクタ層4bが接している。一方、先行文献1に提案されている半導体装置Cでは、p型ベース層には、n型のGe層がコレクタ層の一部として接している。窒化ガリウムヒ素(GaAsN)とゲルマニウム(Ge)とでは、窒化ガリウムヒ素(GaAsN)の方が、ゲルマニウム(Ge)よりもエネルギーバンドギャップが大きい。したがって、上述したバイポーラトランジスタでは、特許文献1に提案されているバイポーラトランジスタよりも、より高い耐圧を得ることができる。   In the semiconductor device according to the present embodiment, the n-type GaAsN second collector layer 4b is in contact with the p-type Ge base layer. On the other hand, in the semiconductor device C proposed in the prior art document 1, the n-type Ge layer is in contact with the p-type base layer as a part of the collector layer. Among gallium arsenide (GaAsN) and germanium (Ge), gallium arsenide (GaAsN) has a larger energy band gap than germanium (Ge). Therefore, the bipolar transistor described above can obtain a higher breakdown voltage than the bipolar transistor proposed in Patent Document 1.

なお、上述した半導体装置では、n型GaAsN第2コレクタ層4bにおけるGaNのモル比を0.018に設定した場合を例に挙げて説明した。このモル比の値は、p型Geベース層5のエネルギーバンドギャップ(約0.7eV)と、n型GaAs第1コレクタ層4aのエネルギーバンドギャップ(約1.4eV)とに基づいて、p型Geベース層5に接するn型コレクタ層4の部分における伝導帯端Ecのポテンシャルエネルギー(ポテンシャルエネルギーEFC)が、p型Geベース層5における伝導帯端Ecのポテンシャルエネルギー(ポテンシャルエネルギーEB)と同じになるように設定された値である。   In the semiconductor device described above, the case where the molar ratio of GaN in the n-type GaAsN second collector layer 4b is set to 0.018 has been described as an example. The value of this molar ratio is based on the energy band gap (about 0.7 eV) of the p-type Ge base layer 5 and the energy band gap (about 1.4 eV) of the n-type GaAs first collector layer 4a. The potential energy (potential energy EFC) of the conduction band edge Ec in the portion of the n-type collector layer 4 in contact with the Ge base layer 5 is the same as the potential energy (potential energy EB) of the conduction band edge Ec in the p-type Ge base layer 5. It is a value set to be

バイポーラトランジスタBTとしては、ポテンシャルエネルギーEFCが、ポテンシャルエネルギーEBと同じか、それよりも低ければ、接合部分J1に到達した電子をn型コレクタ層4へ効率的に注入することができる。このことから、GaNのモル比としては、n型コレクタ層4のうち、少なくともp型Geベース層5との接合部分J1におけるGaNのモル比が、0.018以上に設定されていればよい。   In the bipolar transistor BT, if the potential energy EFC is the same as or lower than the potential energy EB, electrons reaching the junction portion J1 can be efficiently injected into the n-type collector layer 4. Therefore, the molar ratio of GaN in the n-type collector layer 4 should be set to 0.018 or more in at least the junction portion J1 with the p-type Ge base layer 5.

ところで、窒化ガリウム(GaN)を含有したn型GaAsN第2コレクタ層4bの格子定数は、下地のn型GaAs第1コレクタ層4aの格子定数と異なるため、n型GaAsN第2コレクタ層4bの膜厚が所定の膜厚よりも厚くなると、ミスフィット転位が発生してしまうことがある。n型GaAsN第2コレクタ層4bの膜厚として、このようなミスフィット転位を発生させない膜厚(許容膜厚)は、GaNのモル比に依存して決定する必要がある。   By the way, since the lattice constant of the n-type GaAsN second collector layer 4b containing gallium nitride (GaN) is different from the lattice constant of the underlying n-type GaAs first collector layer 4a, the film of the n-type GaAsN second collector layer 4b. If the thickness is greater than a predetermined thickness, misfit dislocations may occur. As the film thickness of the n-type GaAsN second collector layer 4b, the film thickness (allowable film thickness) that does not cause such misfit dislocations needs to be determined depending on the molar ratio of GaN.

その許容膜厚dは、GaNのモル比をXとすると、次の関係式
d(nm)<1.792・X-1.141
を満たすことが、発明者らの評価によって求められている。その許容膜厚dとGaNのモル比Xとの関係(グラフ)を図5に示す。n型GaAsN第2コレクタ層4bにミスフィット転位を発生させないようにするには、n型GaAsN第2コレクタ層4bの膜厚として、GaNのモル比に対してグラフよりも下方の領域の膜厚に設定する必要がある。
The allowable film thickness d is expressed by the following relational expression d (nm) <1.792 · X- 1.141 , where X is the molar ratio of GaN.
It is calculated | required by inventors' evaluation to satisfy | fill. FIG. 5 shows the relationship (graph) between the allowable film thickness d and the molar ratio X of GaN. In order to prevent misfit dislocations from occurring in the n-type GaAsN second collector layer 4b, the film thickness of the n-type GaAsN second collector layer 4b is a film thickness in a region below the graph with respect to the molar ratio of GaN. Must be set to

また、上述した半導体装置では、半絶縁性GaAs基板1として、基板表面を結晶面から傾斜させた傾斜基板が用いられる。次に、この傾斜基板について説明する。   In the semiconductor device described above, an inclined substrate having the substrate surface inclined from the crystal plane is used as the semi-insulating GaAs substrate 1. Next, the inclined substrate will be described.

バイポーラトランジスタBTでは、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層およびコンタクト層等となる所定の層は、エピタキシャル成長法によって形成される。特に、n型InGaPエミッタ層6となるn型InGaP層は、p型Geベース層となるp型Ge層に接するように形成される。ここで、p型Ge層は、IV族原子のみからなる無極性結晶である。一方、n型InGaP層は、III族原子とV族原子とからなる極性結晶である。   In the bipolar transistor BT, predetermined layers such as a subcollector layer, a collector layer, a base layer, an emitter layer, and a contact layer are formed by an epitaxial growth method. In particular, the n-type InGaP layer that becomes the n-type InGaP emitter layer 6 is formed in contact with the p-type Ge layer that becomes the p-type Ge base layer. Here, the p-type Ge layer is a nonpolar crystal composed of only group IV atoms. On the other hand, the n-type InGaP layer is a polar crystal composed of group III atoms and group V atoms.

このため、エピタキシャル成長の最初の段階において、p型Ge層の表面には、ガリウム(Ga)が結合する領域と、リン(P)が結合する領域との二種類の領域が生じることになり、これが、いわゆるアンチフェーズドメインと称される結晶欠陥領域の原因になる。このような結晶欠陥は、バイポーラトランジスタの通電信頼性を低下させる要因になる。   For this reason, in the first stage of epitaxial growth, two types of regions, a region where gallium (Ga) is bonded and a region where phosphorus (P) is bonded, are generated on the surface of the p-type Ge layer. This causes a crystal defect region called an antiphase domain. Such a crystal defect becomes a factor of reducing the energization reliability of the bipolar transistor.

上述した半導体装置では、図6に示すように、半絶縁性GaAs基板1として、基板表面1aを、結晶面{100}から<011>方向に対して2度(θ)以上、好ましくは4度以上傾斜させたGaAs基板が用いられる。これにより、アンチフェーズドメインと称される結晶欠陥領域の発生を抑えることができ、バイポーラトランジスタの通電信頼性を確保することができる。   In the semiconductor device described above, as shown in FIG. 6, as the semi-insulating GaAs substrate 1, the substrate surface 1a is set at 2 degrees (θ) or more, preferably 4 degrees from the crystal plane {100} to the <011> direction. A GaAs substrate tilted as described above is used. As a result, the occurrence of a crystal defect region called an anti-phase domain can be suppressed, and the energization reliability of the bipolar transistor can be ensured.

実施の形態2
ここでは、バイポーラトランジスタのコレクタ層として、二層構造のコレクタ層を備えた半導体装置の第2例について説明する。
Embodiment 2
Here, a second example of a semiconductor device provided with a collector layer having a two-layer structure as a collector layer of a bipolar transistor will be described.

図7および図8に示すように、本実施の形態に係る半導体装置のバイポーラトランジスタBTでは、n型コレクタ層4は、n型GaAs第1コレクタ層4a(Siドーピング濃度:1×1016cm-3、膜厚:1.0μm)と、n型GaAsN第2コレクタ層4b(Siドーピング濃度:1×1016cm-3、膜厚:100nm)との二層構造とされる。本実施の形態2では、n型GaAsN第2コレクタ層4bは、GaNのモル比が厚さ方向に対して変化するプロファイルを有する。なお、これ以外の構成については、図1および図2に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。 As shown in FIGS. 7 and 8, in the bipolar transistor BT of the semiconductor device according to the present embodiment, the n-type collector layer 4 includes an n-type GaAs first collector layer 4a (Si doping concentration: 1 × 10 16 cm −). 3 and a film thickness: 1.0 μm) and an n-type GaAsN second collector layer 4b (Si doping concentration: 1 × 10 16 cm −3 , film thickness: 100 nm). In the second embodiment, the n-type GaAsN second collector layer 4b has a profile in which the molar ratio of GaN changes in the thickness direction. Since other configurations are similar to those of the semiconductor device shown in FIGS. 1 and 2, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated unless necessary.

本実施の形態に係る半導体装置では、n型GaAsN第2コレクタ層4bにおけるGaNのモル比を厚さ方向に対して変化させることで、ベース・コレクタ間の帰還容量を低減させることができる。このことについて説明する。   In the semiconductor device according to the present embodiment, the feedback capacity between the base and the collector can be reduced by changing the molar ratio of GaN in the n-type GaAsN second collector layer 4b with respect to the thickness direction. This will be described.

実施の形態1に係る半導体装置のn型GaAsN第2コレクタ層4bでは、GaNのモル比は厚さ方向に一定の値に設定されている。このため、図4に示すように、伝導帯端Ecのポテンシャルエネルギーは一様に下がることになり、n型GaAsN第2コレクタ層4bでは、p型Geベース層5との接合部分J1のエネルギー障壁がなくなる一方で、n型GaAs第1コレクタ層4aとの接合部分(接合部分J2)に、ポテンシャルエネルギーの井戸が生じることになる。   In the n-type GaAsN second collector layer 4b of the semiconductor device according to the first embodiment, the molar ratio of GaN is set to a constant value in the thickness direction. For this reason, as shown in FIG. 4, the potential energy of the conduction band edge Ec is uniformly lowered, and in the n-type GaAsN second collector layer 4b, the energy barrier of the junction portion J1 with the p-type Ge base layer 5 is obtained. On the other hand, a potential energy well is formed at the junction (junction portion J2) with the n-type GaAs first collector layer 4a.

ポテンシャルエネルギーの井戸が生じると、p型Geベース層5に注入された電子がn型コレクタ層4へ注入される際に、ポテンシャルエネルギーの井戸にトラップされることが想定される。電子がトラップされると、ベース・エミッタ間の帰還容量が増えてしまい、高周波特性を向上させることが十分にできないことが想定される。   When a potential energy well is generated, it is assumed that electrons injected into the p-type Ge base layer 5 are trapped in the potential energy well when injected into the n-type collector layer 4. When electrons are trapped, the feedback capacitance between the base and the emitter increases, and it is assumed that the high frequency characteristics cannot be sufficiently improved.

本実施の形態に係る半導体装置のn型GaAsN第2コレクタ層4bでは、図9に示すように、GaNのモル比は厚さ方向に対して変化しており、p型Geベース層5との接合部分J1では0.018に設定され、n型GaAs第1コレクタ層4aとの接合部分J2では0に設定されている。その接合部分J1と接合部分J2との間では、GaNのモル比を直線的に変化させている。   In the n-type GaAsN second collector layer 4b of the semiconductor device according to the present embodiment, as shown in FIG. 9, the molar ratio of GaN changes with respect to the thickness direction. The junction portion J1 is set to 0.018, and the junction portion J2 with the n-type GaAs first collector layer 4a is set to 0. The GaN molar ratio is linearly changed between the junction portion J1 and the junction portion J2.

これにより、n型GaAsN第2コレクタ層4bでは、厚さ方向に対して、伝導帯端Ecのポテンシャルエネルギーの下げ幅が変えられることになる。その結果、図10に示すように、接合部分J1では、エネルギー障壁をなくすことができるとともに、接合部分J2では、ポテンシャルエネルギーの井戸をなくすことができる。   As a result, in the n-type GaAsN second collector layer 4b, the reduction amount of the potential energy at the conduction band edge Ec can be changed in the thickness direction. As a result, as shown in FIG. 10, the energy barrier can be eliminated at the junction portion J1, and the potential energy well can be eliminated at the junction portion J2.

このように、本実施の形態に係る半導体装置では、接合部分J1におけるエネルギー障壁がなくなることで、実施の形態1に係る半導体装置の場合と同様に、低電圧動作を確保しながら十分なコレクタ電流を得ることができ、電流駆動能力を向上させることができる。そして、さらに、接合部分J2におけるポテンシャルエネルギーの井戸をなくすことができることで、ベース・コレクタ間の帰還容量を抑えることができ、高周波特性を向上させて、電力利得(ゲイン)を十分に上げることができる。   As described above, in the semiconductor device according to the present embodiment, since the energy barrier at the junction portion J1 is eliminated, a sufficient collector current can be obtained while ensuring a low voltage operation as in the case of the semiconductor device according to the first embodiment. And the current drive capability can be improved. Further, since the potential energy well in the junction J2 can be eliminated, the feedback capacitance between the base and the collector can be suppressed, the high frequency characteristics can be improved, and the power gain (gain) can be sufficiently increased. it can.

なお、上述したバイポーラトランジスタにおけるn型GaAsN第2コレクタ層4bでは、p型Geベース層5との接合部分J1と、n型GaAs第1コレクタ層4aとの接合部分J2との間において、GaNのモル比を直線的に変化させた場合について説明した。モル比のプロファイルとしては、このような直線的に変化するプロファイルに限られるものではなく、接合部分J1から接合部分J2にかけて、モル比が徐々に減少するプロファイルであればよい。たとえば、図11に示すように、上に凸となる曲線のようなプロファイルであってもよい。また、図12に示すように、下に凸となる曲線のようなプロファイルであってもよい。   In the n-type GaAsN second collector layer 4b in the bipolar transistor described above, a GaN layer is formed between the junction J1 with the p-type Ge base layer 5 and the junction J2 with the n-type GaAs first collector layer 4a. The case where the molar ratio was changed linearly was explained. The profile of the molar ratio is not limited to such a linearly changing profile, and any profile in which the molar ratio gradually decreases from the joint portion J1 to the joint portion J2 may be used. For example, as shown in FIG. 11, it may be a profile like a curve that is convex upward. Further, as shown in FIG. 12, the profile may be a curve that is convex downward.

また、上述したバイポーラトランジスタでは、前述したバイポーラトランジスタと同様に、結晶格子不整合によるミスフィット転位を発生させないようにするために、n型GaAsN第2コレクタ層4bの膜厚として、GaNのモル比に対して図5に示されるグラフよりも下方の領域の膜厚に設定する必要がある。さらに、半絶縁性GaAs基板1としては、前述したバイポーラトランジスタと同様に、基板表面1aを、結晶面{100}から<011>方向に対して2度(θ)以上、好ましくは4度以上傾斜させたGaAs基板が用いられる(図6参照)。   Further, in the bipolar transistor described above, similarly to the bipolar transistor described above, the GaN molar ratio is set as the film thickness of the n-type GaAsN second collector layer 4b in order to prevent misfit dislocations due to crystal lattice mismatch. On the other hand, it is necessary to set the film thickness in the region below the graph shown in FIG. Further, as the semi-insulating GaAs substrate 1, the substrate surface 1a is inclined by 2 degrees (θ) or more, preferably 4 degrees or more with respect to the <011> direction from the crystal plane {100}, similarly to the bipolar transistor described above. A GaAs substrate is used (see FIG. 6).

実施の形態3
ここでは、バイポーラトランジスタを備えた半導体装置の第3例として、第1例に係る半導体装置を複数備えた半導体装置について説明する。
Embodiment 3
Here, as a third example of a semiconductor device including a bipolar transistor, a semiconductor device including a plurality of semiconductor devices according to the first example will be described.

比較的大きな電力が扱われる、携帯端末のパワーアンプモジュールでは、並列接続された複数のHBTによってパワーアンプモジュールが構成される。この場合、図13に示すように、複数のバイポーラトランジスタBTは、それぞれのエミッタ、ベースおよびコレクタが互いに電気的に接続される態様で並列接続される。   In a power amplifier module of a mobile terminal in which relatively large power is handled, the power amplifier module is configured by a plurality of HBTs connected in parallel. In this case, as shown in FIG. 13, the plurality of bipolar transistors BT are connected in parallel in such a manner that their emitters, bases and collectors are electrically connected to each other.

次に、第1例に係る半導体装置のバイポーラトランジスタを単位バイポーラトランジスタとして、このバイポーラトランジスタを複数備えた半導体装置について具体的に説明する。   Next, the bipolar transistor of the semiconductor device according to the first example is used as a unit bipolar transistor, and a semiconductor device including a plurality of bipolar transistors will be specifically described.

図14および図15に示すように、複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれでは、n型GaAsサブコレクタ層3に接するように、n型コレクタ層4が形成されている。n型コレクタ層4は、n型GaAs第1コレクタ層4a(Siドーピング濃度:1×1016cm-3、膜厚:1.0μm)と、n型GaAsN第2コレクタ層4b(GaNモル比:0.018、Siドーピング濃度:1×1016cm-3、膜厚:100nm)との二層構造とされる。 As shown in FIGS. 14 and 15, in each of the plurality of bipolar transistors BT, an n-type collector layer 4 is formed so as to be in contact with the n-type GaAs subcollector layer 3. The n-type collector layer 4 includes an n-type GaAs first collector layer 4a (Si doping concentration: 1 × 10 16 cm −3 , film thickness: 1.0 μm) and an n-type GaAsN second collector layer 4b (GaN molar ratio: 0.018, Si doping concentration: 1 × 10 16 cm −3 , film thickness: 100 nm).

n型GaAs第1コレクタ層4aは、n型GaAsサブコレクタ層3に接するように形成され、n型GaAsN第2コレクタ層4bは、n型GaAs第1コレクタ層4aに接するように形成されている。そのn型GaAsN第2コレクタ層4bに接するように、p型Geベース層5(Gaドーピング濃度:4×1019cm-3、膜厚:150nm)が形成されている。 The n-type GaAs first collector layer 4a is formed in contact with the n-type GaAs sub-collector layer 3, and the n-type GaAsN second collector layer 4b is formed in contact with the n-type GaAs first collector layer 4a. . A p-type Ge base layer 5 (Ga doping concentration: 4 × 10 19 cm −3 , film thickness: 150 nm) is formed in contact with the n-type GaAsN second collector layer 4b.

半絶縁性GaAs基板1の周辺部には、バイポーラトランジスタBTの外部との電気的な接続を行うための金属パッド17、18、19が形成されている。複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれのコレクタ電極11が、コレクタ配線14によって金属パッド19に電気的に接続されている。複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれのベース電極12が、ベース配線15によって金属パッド18に電気的に接続されている。   Metal pads 17, 18, and 19 are formed on the periphery of the semi-insulating GaAs substrate 1 for electrical connection with the outside of the bipolar transistor BT. Each collector electrode 11 of the plurality of bipolar transistors BT is electrically connected to a metal pad 19 by a collector wiring 14. Each base electrode 12 of the plurality of bipolar transistors BT is electrically connected to a metal pad 18 by a base wiring 15.

複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれのエミッタ電極13が、エミッタ配線16によって金属パッド17に電気的に接続されている。なお、これ以外の構成については、図1および図2に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。   Each emitter electrode 13 of the plurality of bipolar transistors BT is electrically connected to a metal pad 17 by an emitter wiring 16. Since other configurations are similar to those of the semiconductor device shown in FIGS. 1 and 2, the same members are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated unless necessary.

上述した、複数のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置では、複数のバイポーラトランジスタがBTが並列に接続されていることで、半導体装置として大電力を扱うことができる。   In the semiconductor device including a plurality of bipolar transistors as described above, a large amount of power can be handled as a semiconductor device by connecting a plurality of bipolar transistors in parallel to a BT.

そのバイポーラトランジスタBTのそれぞれでは、n型コレクタ層4は、n型GaAs第1コレクタ層4aと、n型GaAsN第2コレクタ層4bとの二層構造とされて、n型GaAsN第2コレクタ層4bがn型GaAs第1コレクタ層4aに接するように形成されている。そのn型GaAsN第2コレクタ層4bにおけるGaNのモル比は、0.018に設定されている。   In each of the bipolar transistors BT, the n-type collector layer 4 has a two-layer structure of an n-type GaAs first collector layer 4a and an n-type GaAsN second collector layer 4b, and the n-type GaAsN second collector layer 4b. Is formed in contact with the n-type GaAs first collector layer 4a. The molar ratio of GaN in the n-type GaAsN second collector layer 4b is set to 0.018.

これにより、実施の形態1において説明したように、p型Geベース層5とn型コレクタ層4との接合部分J1においてエネルギー障壁がなくなり、n型InGaPエミッタ層6からp型Geベース層5に注入されて接合部分J1に到達した電子が、n型コレクタ層4へ効率的に注入される。しかも、ベース層として、エネルギーバンドギャップが比較的小さいp型Geベース層5が形成されている。その結果、低電圧動作を確保しながら十分なコレクタ電流を得ることができ、電流駆動能力を向上させることができる。   As a result, as described in the first embodiment, there is no energy barrier at the junction J1 between the p-type Ge base layer 5 and the n-type collector layer 4, and the n-type InGaP emitter layer 6 changes to the p-type Ge base layer 5. The electrons that have been injected and reach the junction portion J1 are efficiently injected into the n-type collector layer 4. Moreover, the p-type Ge base layer 5 having a relatively small energy band gap is formed as the base layer. As a result, a sufficient collector current can be obtained while ensuring a low voltage operation, and the current driving capability can be improved.

なお、上述した半導体装置における複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれとして、実施の形態1において説明した半導体装置のバイポーラトランジスタBTを例に挙げて説明したが、実施の形態2において説明した半導体装置のバイポーラトランジスタBTを適用してもよい。この場合には、さらに、ベース・コレクタ間の帰還容量を抑えることができ、高周波特性を向上させて、電力利得(ゲイン)を十分に上げることができる。   The bipolar transistor BT of the semiconductor device described in the first embodiment has been described as an example of each of the plurality of bipolar transistors BT in the semiconductor device described above, but the bipolar transistor of the semiconductor device described in the second embodiment is taken as an example. BT may be applied. In this case, the feedback capacitance between the base and the collector can be further suppressed, the high frequency characteristics can be improved, and the power gain (gain) can be sufficiently increased.

実施の形態4
ここでは、実施の形態3において説明した半導体装置の製造方法の一例について説明する。
Embodiment 4
Here, an example of a method for manufacturing the semiconductor device described in Embodiment 3 will be described.

まず、半絶縁性GaAs基板として、基板表面を、結晶面{100}から<011>方向に対して、たとえば、約4度傾斜させたGaAs基板が用意される。次に、その半絶縁性GaAs基板の表面上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層およびコンタクト層等となる所定の層が、それぞれ有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等のエピタキシャル成長法によって形成される。   First, as a semi-insulating GaAs substrate, a GaAs substrate having a substrate surface inclined by, for example, about 4 degrees with respect to the <011> direction from the crystal plane {100} is prepared. Next, predetermined layers such as a sub-collector layer, a collector layer, a base layer, an emitter layer, and a contact layer are formed on the surface of the semi-insulating GaAs substrate by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). It is formed by an epitaxial growth method such as Vapor Deposition.

図16に示すように、半絶縁性GaAs基板1の表面に接するように、アンドープGaAsバッファー層となるアンドープGaAs層2a(膜厚:0.1μm)が形成される。アンドープGaAs層2aに接するように、n型GaAsサブコレクタ層となるn型GaAs層3a(Siドーピング濃度:5×1018cm-3、膜厚:0.6μm)が形成される。n型GaAs層3aに接するように、n型GaAs第1コレクタ層となるn型GaAs層4aa(Siドーピング濃度:1×1016cm-3、膜厚:1.0μm)が形成される。 As shown in FIG. 16, an undoped GaAs layer 2 a (film thickness: 0.1 μm) serving as an undoped GaAs buffer layer is formed so as to be in contact with the surface of the semi-insulating GaAs substrate 1. An n-type GaAs layer 3a (Si doping concentration: 5 × 10 18 cm −3 , film thickness: 0.6 μm) serving as an n-type GaAs subcollector layer is formed in contact with the undoped GaAs layer 2a. An n-type GaAs layer 4aa (Si doping concentration: 1 × 10 16 cm −3 , film thickness: 1.0 μm) serving as an n-type GaAs first collector layer is formed in contact with the n-type GaAs layer 3a.

n型GaAs層4aaに接するように、n型GaAsN第2コレクタ層となるn型GaAsN層4bb(GaNモル比:0.018、Siドーピング濃度:1×1016cm-3、膜厚:100nm)が形成される。ここで、有機金属ガスに含まれる窒素(N)の量を一定量に設定することで、n型GaAsN層4bbの厚さ方向のGaNモル比が一定の値(0.018)に設定される。 An n-type GaAsN layer 4bb serving as an n-type GaAsN second collector layer (GaN molar ratio: 0.018, Si doping concentration: 1 × 10 16 cm −3 , film thickness: 100 nm) in contact with the n-type GaAs layer 4aa Is formed. Here, the GaN molar ratio in the thickness direction of the n-type GaAsN layer 4bb is set to a constant value (0.018) by setting the amount of nitrogen (N) contained in the organometallic gas to a constant amount. .

そのn型GaAsN層4bbに接するように、p型Geベース層となるp型Ge層5a(Gaドーピング濃度:4×1019cm-3、膜厚:150nm)が形成される。p型Ge層5aに接するように、n型InGaPエミッタ層となるn型InGaP層6a(InPモル比:0.48、Siドーピング濃度:3×1017cm-3、膜厚:30nm)が形成される。 A p-type Ge layer 5a (Ga doping concentration: 4 × 10 19 cm −3 , film thickness: 150 nm) serving as a p-type Ge base layer is formed in contact with the n-type GaAsN layer 4bb. An n-type InGaP layer 6a (InP molar ratio: 0.48, Si doping concentration: 3 × 10 17 cm −3 , film thickness: 30 nm) to be an n-type InGaP emitter layer is formed so as to be in contact with the p-type Ge layer 5a. Is done.

n型InGaP層6aに接するように、n型GaAsコンタクト層となるn型GaAs層8a(Siドーピング濃度:5×1018cm-3、膜厚:50nm)が形成される。n型GaAs層8aに接するように、n型InGaAsコンタクト層となるn型InGaAs層9a(InAsモル比:0.5、Siドーピング濃度:1×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成される。 An n-type GaAs layer 8a (Si doping concentration: 5 × 10 18 cm −3 , film thickness: 50 nm) serving as an n-type GaAs contact layer is formed in contact with the n-type InGaP layer 6a. An n-type InGaAs layer 9a (InAs molar ratio: 0.5, Si doping concentration: 1 × 10 19 cm −3 , film thickness: 50 nm) serving as an n-type InGaAs contact layer is formed so as to be in contact with the n-type GaAs layer 8a. Is done.

次に、図17に示すように、高周波スパッタ法を用いてタングステンシリサイド(WSi)膜(Siモル比:0.3、膜厚:0.3μm)13aが、n型InGaAs層9a上の全面に堆積される。次に、所定のフォトリソグラフィー処理と、CF4を含むガスを用いたドライエッチング処理を施すことにより、図18に示すように、複数のバイポーラトランジスタのそれぞれのエミッタ電極13が形成される。 Next, as shown in FIG. 17, a tungsten silicide (WSi) film (Si molar ratio: 0.3, film thickness: 0.3 μm) 13a is formed on the entire surface of the n-type InGaAs layer 9a by high frequency sputtering. Is deposited. Next, by performing a predetermined photolithography process and a dry etching process using a gas containing CF 4 , the emitter electrodes 13 of the plurality of bipolar transistors are formed as shown in FIG.

次に、n型InGaAs層9aおよびn型GaAs層8aに、所定のフォトリソグラフィー処理と、ウェットエッチング処理を施すことにより、図19に示すように、エミッタ領域となる、n型InGaAsコンタクト層9およびn型GaAsコンタクト層8が形成される。ここで、ウェットエッチング液として、たとえば、リン酸、過酸化水素水および水を混合させた薬液が用いられ、その組成比は、たとえば、リン酸:過酸化水素水:水=1:2:40に設定される。   Next, by performing predetermined photolithography processing and wet etching processing on the n-type InGaAs layer 9a and the n-type GaAs layer 8a, as shown in FIG. 19, the n-type InGaAs contact layer 9 and the emitter region are formed. An n-type GaAs contact layer 8 is formed. Here, for example, a chemical solution in which phosphoric acid, hydrogen peroxide solution and water are mixed is used as the wet etching solution, and the composition ratio thereof is, for example, phosphoric acid: hydrogen peroxide solution: water = 1: 2: 40. Set to

次に、図20に示すように、蒸着法およびリフトオフ法により、p型Ge層5aに接してn型InGaP層6aを貫通するように、ベース電極12が形成される。ベース電極12は、Ti(膜厚:50nm)/Pt(膜厚:50nm)/Au(膜厚:200nm)の積層構造からなる。   Next, as shown in FIG. 20, the base electrode 12 is formed by vapor deposition and lift-off so as to penetrate the n-type InGaP layer 6a in contact with the p-type Ge layer 5a. The base electrode 12 has a laminated structure of Ti (film thickness: 50 nm) / Pt (film thickness: 50 nm) / Au (film thickness: 200 nm).

次に、所定のホトリソグラフィー処理と、ウェットエッチング処理を施すことにより、図21に示すように、複数のバイポーラトランジスタのそれぞれの、n型InGaPエミッタ層6、p型Geベース層5、n型GaAsN第2コレクタ層4bおよびn型GaAs第1コレクタ層4aが形成される。   Next, by performing a predetermined photolithography process and a wet etching process, as shown in FIG. 21, the n-type InGaP emitter layer 6, the p-type Ge base layer 5, the n-type GaAsN of each of the plurality of bipolar transistors. A second collector layer 4b and an n-type GaAs first collector layer 4a are formed.

ここで、n型InGaP層6aをエッチングする際のエッチング液として塩酸が用いられる。p型Ge層5、n型GaAsN層4bbおよびn型GaAs層4aaをエッチングする際のエッチング液として、リン酸、過酸化水素水および水を混合させた薬液が用いられ、その組成比は、たとえば、リン酸:過酸化水素水:水=1:2:40に設定される。   Here, hydrochloric acid is used as an etchant for etching the n-type InGaP layer 6a. As an etchant for etching the p-type Ge layer 5, the n-type GaAsN layer 4bb, and the n-type GaAs layer 4aa, a chemical solution in which phosphoric acid, hydrogen peroxide solution, and water are mixed is used. , Phosphoric acid: hydrogen peroxide solution: water = 1: 2: 40.

次に、図22に示すように、蒸着法およびリフトオフ法によって、複数のバイポーラトランジスタのそれぞれのコレクタ電極11が形成される。その後、温度350℃のもとで30分間のアロイが施される。コレクタ電極11は、AuGe(膜厚:60nm)/Ni(膜厚:10nm)/Au(膜厚:200nm)の積層体からなる。これにより、複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれが形成されることになる。   Next, as shown in FIG. 22, the collector electrodes 11 of the plurality of bipolar transistors are formed by the vapor deposition method and the lift-off method. Thereafter, alloying is performed at a temperature of 350 ° C. for 30 minutes. The collector electrode 11 is made of a laminate of AuGe (film thickness: 60 nm) / Ni (film thickness: 10 nm) / Au (film thickness: 200 nm). Thereby, each of the plurality of bipolar transistors BT is formed.

次に、所定のウェットエッチング処理を施すことにより、図23に示すように、アイソレーション溝10が形成される。ここで、ウェットエッチング液として、リン酸、過酸化水素水および水を混合させた薬液が用いられ、その組成比は、たとえば、リン酸:過酸化水素水:水=1:2:40に設定される。次に、半絶縁性GaAs基板1における所定の領域に、金属パッド17、18、19(図14参照)が形成される。   Next, by performing a predetermined wet etching process, the isolation groove 10 is formed as shown in FIG. Here, as the wet etching solution, a chemical solution in which phosphoric acid, hydrogen peroxide solution and water are mixed is used, and the composition ratio is set to, for example, phosphoric acid: hydrogen peroxide solution: water = 1: 2: 40. Is done. Next, metal pads 17, 18, 19 (see FIG. 14) are formed in predetermined regions in the semi-insulating GaAs substrate 1.

次に、図24に示すように、バイポーラトランジスタBTのそれぞれのエミッタ電極13と金属パッド17とを電気的に接続するエミッタ配線16が形成される。ベース電極12と金属パッド18とを電気的に接続するベース配線15が形成される。コレクタ電極11と金属パッド19とを電気的に接続するコレクタ配線14が形成される。これにより、複数のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置の主要部分が形成されることになる。   Next, as shown in FIG. 24, an emitter wiring 16 that electrically connects each emitter electrode 13 of the bipolar transistor BT and the metal pad 17 is formed. Base wiring 15 for electrically connecting base electrode 12 and metal pad 18 is formed. A collector wiring 14 that electrically connects the collector electrode 11 and the metal pad 19 is formed. As a result, a main part of the semiconductor device including a plurality of bipolar transistors is formed.

上述した半導体装置の製造方法では、複数のバイポーラトランジスタBTを並列に接続させることで、大電力を扱うことができる半導体装置を製造することができる。   In the semiconductor device manufacturing method described above, a semiconductor device capable of handling high power can be manufactured by connecting a plurality of bipolar transistors BT in parallel.

また、バイポーラトランジスタBTのそれぞれでは、n型コレクタ層4は、n型GaAs第1コレクタ層4aと、n型GaAsN第2コレクタ層4bとの二層構造とされて、n型GaAsN第2コレクタ層4bがn型GaAs第1コレクタ層4aに接するように形成されている。そのn型GaAsN第2コレクタ層4bにおけるGaNのモル比は、0.018に設定されている。   In each of the bipolar transistors BT, the n-type collector layer 4 has a two-layer structure of an n-type GaAs first collector layer 4a and an n-type GaAsN second collector layer 4b, and an n-type GaAsN second collector layer. 4b is formed in contact with the n-type GaAs first collector layer 4a. The molar ratio of GaN in the n-type GaAsN second collector layer 4b is set to 0.018.

これにより、実施の形態1において説明したように、p型Geベース層5とn型コレクタ層4との接合部分J1においてエネルギー障壁がなくなり、n型InGaPエミッタ層6からp型Geベース層5に注入されて接合部分J1に到達した電子が、n型コレクタ層4へ効率的に注入される。しかも、ベース層として、エネルギーバンドギャップが比較的小さいp型Geベース層5が形成されている。その結果、低電圧動作を確保しながら十分なコレクタ電流を得ることができ、電流駆動能力を向上させることができる。   As a result, as described in the first embodiment, there is no energy barrier at the junction J1 between the p-type Ge base layer 5 and the n-type collector layer 4, and the n-type InGaP emitter layer 6 changes to the p-type Ge base layer 5. The electrons that have been injected and reach the junction portion J1 are efficiently injected into the n-type collector layer 4. Moreover, the p-type Ge base layer 5 having a relatively small energy band gap is formed as the base layer. As a result, a sufficient collector current can be obtained while ensuring a low voltage operation, and the current driving capability can be improved.

なお、上述した半導体装置の製造方法では、第1例に係る半導体装置のバイポーラトランジスタを複数備えた半導体装置の製造方法について説明したが、第2例に係る半導体装置のバイポーラトランジスタを複数備えた半導体装置についても同様に形成することができる。特に、この場合には、n型GaAsN第2コレクタ層となるn型GaAsN層4bbを形成する際に、有機金属ガスに含まれる窒素(N)の量を時間とともに変えることで、n型GaAsN層4bbの厚さ方向におけるGaNモル比を調整することができる。これにより、実施の形態2において説明したように、ベース・コレクタ間の帰還容量を抑えることができ、高周波特性を向上させて、電力利得(ゲイン)を十分に上げることができる。   In the above-described semiconductor device manufacturing method, the semiconductor device manufacturing method including a plurality of bipolar transistors of the semiconductor device according to the first example has been described. However, the semiconductor device including a plurality of bipolar transistors of the semiconductor device according to the second example. The device can be similarly formed. In particular, in this case, when the n-type GaAsN layer 4bb serving as the n-type GaAsN second collector layer is formed, the amount of nitrogen (N) contained in the organometallic gas is changed with time, whereby the n-type GaAsN layer The GaN molar ratio in the thickness direction of 4 bb can be adjusted. As a result, as described in the second embodiment, the feedback capacitance between the base and the collector can be suppressed, the high frequency characteristics can be improved, and the power gain (gain) can be sufficiently increased.

実施の形態5
ここでは、実施の形態3において説明した半導体装置を実装した電力増幅器について説明する。
Embodiment 5
Here, a power amplifier in which the semiconductor device described in Embodiment 3 is mounted will be described.

図25に、電力増幅器(モジュール)30の回路のブロック図を示す。図25に示すように、電力増幅器30では、第1増幅回路34と第2増幅回路35との2段の増幅回路を備えている。第1増幅回路34と第2増幅回路35のそれぞれに、複数のバイポーラトランジスタが並列接続された半導体装置が適用されている。   FIG. 25 shows a block diagram of a circuit of the power amplifier (module) 30. As shown in FIG. 25, the power amplifier 30 includes a two-stage amplifier circuit including a first amplifier circuit 34 and a second amplifier circuit 35. A semiconductor device in which a plurality of bipolar transistors are connected in parallel is applied to each of the first amplifier circuit 34 and the second amplifier circuit 35.

電力増幅器30では、高周波入力端子32から入力された高周波信号が、第1増幅回路34と第2増幅回路35とを経て増幅され、増幅された高周波信号は、高周波出力端子33から出力される。   In the power amplifier 30, the high frequency signal input from the high frequency input terminal 32 is amplified through the first amplification circuit 34 and the second amplification circuit 35, and the amplified high frequency signal is output from the high frequency output terminal 33.

また、インピーダンス整合を図るため、高周波入力端子32と第1増幅回路34との間には入力整合回路36が設けられ、第1増幅回路34と第2増幅回路35との間には段間整合回路37が設けられ、第2増幅回路35と高周波出力端子33との間には出力整合回路38が設けられている。   In order to achieve impedance matching, an input matching circuit 36 is provided between the high-frequency input terminal 32 and the first amplifier circuit 34, and interstage matching is provided between the first amplifier circuit 34 and the second amplifier circuit 35. A circuit 37 is provided, and an output matching circuit 38 is provided between the second amplifier circuit 35 and the high frequency output terminal 33.

次に、第1増幅回路34および第2増幅回路35に適用されている半導体装置のバイポーラトランジスタの周辺の構造について簡単に説明する。図26に示すように、電力増幅器30では、複数の実装基板41、42、43が積層されている。実装基板42上にバイポーラトランジスタBTが形成されている。   Next, a structure around the bipolar transistor of the semiconductor device applied to the first amplifier circuit 34 and the second amplifier circuit 35 will be briefly described. As shown in FIG. 26, in the power amplifier 30, a plurality of mounting boards 41, 42, and 43 are stacked. A bipolar transistor BT is formed on the mounting substrate 42.

また、実装基板43上には、インピーダンスの整合を図る、たとえば、コンデンサやインダクタ等の受動素子48、49が形成されている。さらに、実装基板41、42、43には、バイポーラトランジスタBTや受動素子48、49を電気的に接続するための所定の導体層44、45、46、47が形成されている。なお、図26では、複数のバイポーラトランジスタを、一つのバイポーラトランジスタBTで代表させている。   Further, passive elements 48 and 49 such as capacitors and inductors are formed on the mounting substrate 43 so as to achieve impedance matching. Furthermore, predetermined conductive layers 44, 45, 46, 47 for electrically connecting the bipolar transistor BT and the passive elements 48, 49 are formed on the mounting boards 41, 42, 43. In FIG. 26, a plurality of bipolar transistors are represented by one bipolar transistor BT.

上述した電力増幅器30では、第1増幅回路34と第2増幅回路35のそれぞれに、複数のバイポーラトランジスタが並列接続された半導体装置が適用されている。これにより、実施の形態3において説明したように、半導体装置として大電力を扱うことができる。   In the power amplifier 30 described above, a semiconductor device in which a plurality of bipolar transistors are connected in parallel is applied to each of the first amplifier circuit 34 and the second amplifier circuit 35. Accordingly, as described in Embodiment 3, a large amount of power can be handled as a semiconductor device.

また、バイポーラトランジスタBTのそれぞれでは、n型コレクタ層4は、n型GaAs第1コレクタ層4aと、n型GaAsN第2コレクタ層4bとの二層構造とされ、また、ベース層としてp型Geベース層5が形成されている(図15参照)。これにより、すでに説明したように、低電圧動作を確保しながら十分なコレクタ電流を得ることができ、電流駆動能力を向上させることができる。   In each of the bipolar transistors BT, the n-type collector layer 4 has a two-layer structure of an n-type GaAs first collector layer 4a and an n-type GaAsN second collector layer 4b, and a p-type Ge as a base layer. A base layer 5 is formed (see FIG. 15). Thereby, as already explained, a sufficient collector current can be obtained while ensuring a low voltage operation, and the current driving capability can be improved.

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time is an example, and the present invention is not limited to this. The present invention is defined by the terms of the claims, rather than the scope described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明は、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置に有効に利用される。   The present invention is effectively used for a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor.

BT ヘテロ接合のバイポーラ・トランジスタ、1 半絶縁性GaAs基板、1a 基板表面、2 アンドープGaAsバッファ層、3 n型GaAsサブコレクタ層、4 n型コレクタ層、4a n型GaAs第1コレクタ層、4b n型GaAsN第2コレクタ層、5 p型Geベース層、6 n型InGaPエミッタ層、8 n型GaAsコンタクト層、9 n型InGaAsコンタクト層、10 アイソレーション溝、11 コレクタ電極、12 ベース電極、13 エミッタ電極、14 コレクタ配線、15 ベース配線、16 エミッタ配線、17、18、19 金属パッド、2a アンドープGaAs層、3a n型GaAs層、4aa n型GaAs層、4bb n型GaAsN層、5a p型Ge層、6a n型InGaP層、8a n型GaAs層、9a n型InGaAs層、13a タングステンシリサイド膜、30 電力増幅器、31 電力増幅回路ブロック、32 高周波入力端子、33 高周波出力端子、34 第1増幅回路、35 第2増幅回路、36 入力整合回路、37 段間整合回路、38 出力整合回路、41、42、43 実装基板、44、45、46、47 導体層、48、49 受動素子、200 エネルギー障壁。   BT heterojunction bipolar transistor, 1 semi-insulating GaAs substrate, 1a substrate surface, 2 undoped GaAs buffer layer, 3 n-type GaAs subcollector layer, 4 n-type collector layer, 4a n-type GaAs first collector layer, 4b n Type GaAsN second collector layer, 5 p type Ge base layer, 6 n type InGaP emitter layer, 8 n type GaAs contact layer, 9 n type InGaAs contact layer, 10 isolation groove, 11 collector electrode, 12 base electrode, 13 emitter Electrode, 14 Collector wiring, 15 Base wiring, 16 Emitter wiring, 17, 18, 19 Metal pad, 2a Undoped GaAs layer, 3a n-type GaAs layer, 4aa n-type GaAs layer, 4bb n-type GaAsN layer, 5a p-type Ge layer 6a n-type InGaP layer, 8a n-type G As layer, 9a n-type InGaAs layer, 13a tungsten silicide film, 30 power amplifier, 31 power amplifier circuit block, 32 high frequency input terminal, 33 high frequency output terminal, 34 first amplifier circuit, 35 second amplifier circuit, 36 input matching circuit , 37 Interstage matching circuit, 38 Output matching circuit, 41, 42, 43 Mounting board, 44, 45, 46, 47 Conductor layer, 48, 49 Passive element, 200 Energy barrier.

Claims (9)

ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置であって、
前記バイポーラトランジスタは、
コレクタ層と、
前記コレクタ層上に形成された、ゲルマニウム(Ge)を含むベース層と、
前記ベース層上に形成されたエミッタ層と
を有し、
前記コレクタ層は、
ガリウムヒ素(GaAs)を含む第1コレクタ層と、
窒化ガリウム(GaN)を含有する窒化ガリウムヒ素(GaAsN)を含む第2コレクタ層と
を備え、
前記第2コレクタ層と前記ベース層とが互いに接するように形成された、半導体装置。
A semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor,
The bipolar transistor is:
A collector layer;
A base layer comprising germanium (Ge) formed on the collector layer;
An emitter layer formed on the base layer;
The collector layer is
A first collector layer comprising gallium arsenide (GaAs);
A second collector layer comprising gallium arsenide (GaAsN) containing gallium nitride (GaN),
A semiconductor device, wherein the second collector layer and the base layer are formed in contact with each other.
前記第2コレクタ層における前記窒化ガリウム(GaN)のモル比は、少なくとも前記ベース層に接する部分では0.018以上に設定された、請求項1記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a molar ratio of the gallium nitride (GaN) in the second collector layer is set to 0.018 or more at least in a portion in contact with the base layer. 前記第2コレクタ層における前記窒化ガリウム(GaN)のモル比は、前記ベース層に接する第1部分におけるモル比が、前記第1コレクタ層に接する第2部分におけるモル比よりも高く設定された、請求項1または2に記載の半導体装置。   The molar ratio of the gallium nitride (GaN) in the second collector layer was set such that the molar ratio in the first portion in contact with the base layer was higher than the molar ratio in the second portion in contact with the first collector layer. The semiconductor device according to claim 1. 前記第2部分における前記モル比は0に設定され、
前記第2コレクタ層は、前記第1部分から前記第2部分にかけて、前記モル比が徐々に減少するプロファイルをもって形成された、請求項3記載の半導体装置。
The molar ratio in the second part is set to 0;
The semiconductor device according to claim 3, wherein the second collector layer is formed with a profile in which the molar ratio gradually decreases from the first portion to the second portion.
前記第2コレクタ層における前記窒化ガリウム(GaN)のモル比をXとすると、
前記第2コレクタ層の厚さは、次の式、
d(nm)=1.792・X-1.141
によって算出される厚さd以下の厚さに設定された、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体装置。
When the molar ratio of the gallium nitride (GaN) in the second collector layer is X,
The thickness of the second collector layer is given by the following formula:
d (nm) = 1.792 · X -1.141
The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is set to a thickness equal to or less than a thickness d calculated by:
前記バイポーラトランジスタは基板の表面に形成され、
前記基板の前記表面は、前記基板の結晶面{100}に対して、<011>方向に少なくとも2度傾いたオフ角度を有する、請求項1〜5のいずれかに記載の半導体装置。
The bipolar transistor is formed on a surface of a substrate;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the surface of the substrate has an off-angle inclined at least 2 degrees in the <011> direction with respect to the crystal plane {100} of the substrate.
前記エミッタ層は、インジウムガリウムリン(InGaP)およびアルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)のいずれかによって形成された、請求項1〜6のいずれかに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the emitter layer is formed of any one of indium gallium phosphide (InGaP) and aluminum gallium arsenide (AlGaAs). 前記バイポーラトランジスタを複数備え、
複数の前記バイポーラトランジスタは電気的に並列に接続された、請求項1〜7のいずれかに記載の半導体装置。
A plurality of the bipolar transistors;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of bipolar transistors are electrically connected in parallel.
請求項1〜8のいずれかに記載の半導体装置を実装した電力増幅器。   A power amplifier on which the semiconductor device according to claim 1 is mounted.
JP2014059976A 2014-03-24 2014-03-24 Semiconductor device and power amplifier Pending JP2015185649A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014059976A JP2015185649A (en) 2014-03-24 2014-03-24 Semiconductor device and power amplifier

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014059976A JP2015185649A (en) 2014-03-24 2014-03-24 Semiconductor device and power amplifier

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015185649A true JP2015185649A (en) 2015-10-22

Family

ID=54351874

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014059976A Pending JP2015185649A (en) 2014-03-24 2014-03-24 Semiconductor device and power amplifier

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2015185649A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4977313B2 (en) Heterojunction bipolar transistor
US10134842B2 (en) Heterojunction bipolar transistor
WO2015005037A1 (en) Semiconductor device
JP2007173624A (en) Hetero-junction bipolar transistor and method of manufacturing same
US6903388B2 (en) Hetero-junction bipolar transistor and manufacturing method thereof
TWI659533B (en) Heterojunction bipolar transistor
US9397204B2 (en) Heterojunction bipolar transistor with two base layers
JP2008016615A (en) Bipolar transistor
US20060138459A1 (en) Semiconductor device, manufacturing method of the same and electronic device
JP2001035857A (en) Compound heterobipolar transistor and manufacture thereof
US11557664B2 (en) Heterojunction bipolar transistor including ballast resistor and semiconductor device
JP2015185649A (en) Semiconductor device and power amplifier
JP5387686B2 (en) Nitride semiconductor device and electronic device
JP5543936B2 (en) Method of manufacturing heterojunction bipolar transistor and power amplifier using heterojunction bipolar transistor
JP2015065292A (en) Semiconductor device and power amplifier
JP2015095552A (en) Epitaxial wafer for heterojunction bipolar transistors, and heterojunction bipolar transistor element
WO2023112252A1 (en) Heterojunction bipolar transistor
JP2015065294A (en) Semiconductor device and power amplifier
JP2004022835A (en) Epitaxial wafer for heterojunction bipolar transistor, and the heterojunction bipolar transistor
JP2001044212A (en) Hetero-bipolar semiconductor device
JP2003115492A (en) Method for manufacturing hetero junction bipolar transistor
US20180061948A1 (en) Epitaxial wafer for hetero-junction bipolar transistor and hetero-junction bipolar transistor
JP2002076015A (en) Heterojunction bipolar transistor
JP2001176881A (en) Heterojunction bipolar transistor
JP2000269231A (en) Heterojunction bipolar transistor