JP2016122734A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波特性の優れたＩｎＰ系ＨＢＴが容易に作製できるようにする。
【解決手段】第１ベース１０５は、炭素がドープされたｐ型のＩｎＧａＡｓＳｂから構成され、第２ベース１０６は、炭素がドープされたｐ型のＧａＡｓＳｂから構成されている。 第２ベース１０６は、第１ベース１０５より高い正孔濃度とされている。ここで、第１ベース１０５は、正孔濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とされているとよい。また、第１ベース１０５は、積層方向に第２ベース１０６に近い領域ほど、Ｉｎ組成およびＳｂ組成が低くされて大きなバンドギャップとされている（組成傾斜）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、コレクタ，ベース，エミッタからなる素子部を備えるヘテロ接合バイポーラトランジスタおよびその製造方法に関するものである。

通信の高速化、大容量化に対する要求が高まっており、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Hetero-junction Bipolar Transistor；ＨＢＴ）などの高周波半導体トランジスタの性能向上が求められている。また、近年では、ミリ波やテラヘルツ帯と呼ばれる、〜１ＴＨｚ程度の帯域で動作させるＩＣにおいても、特に高周波特性の優れたＩｎＰ系ＨＢＴを用いる研究が盛んに行われている。

トランジスタの高周波特性を評価する指標として、電流利得遮断周波数（Current Gain Cut-off Frequency）ｆ_Tと、最大発振周波数（Maximum Oscillation frequency）ｆ_maxがある。ｆ_Tは次のような式で表現される。

上記式において、τ_Eはエミッタ充電時間、τ_Bはベース走行時間、τ_Cはコレクタ走行時間、τ_CCはコレクタ充電時間である。τ_Eおよびτ_CCは、エミッタやコレクタのコンタクト抵抗や容量によって表される。従ってｆ_Tの向上のために、素子面積を小さくして容量を低減させることや、高濃度にドーピングしたコンタクトによってコンタクト抵抗を低減することが重要である。また、τ_Bおよびτ_Cは、ベース、コレクタを、電子が通過するために必要な時間を表しており、さらなるｆ_Tの向上にはこれら走行時間の短縮が必要である。

またｆ_maxに関しては、次の式で表すことができる。

上記式において、Ｒ_Bはベース抵抗、Ｃ_BCはベース−コレクタ間の容量である。これらを低減することが、さらなるｆ_max向上に必要である。特にベース抵抗については、エミッタ直下のベースの真性抵抗、ベース電極からキャリアが流れる領域までのアクセス抵抗、およびベース電極とのコンタクト抵抗の和によって表される。ｆ_maxを向上させるためには、高濃度ドーピングされたベースによって、真性抵抗を低減することも１つの手段ではあるが、電流利得がドーピング濃度の増大によって低下するために、むやみにドーピング濃度を高めることは望まれない。従って、コンタクト抵抗などの他の成分を小さくすることによってｆ_maxを向上させる手段が求められる。

ところで、ＨＢＴの作製においては、まず、ＭＯＣＶＤやＭＢＥなどのエピタキシャル成長法により、ＩｎＰなどの基板上に、サブコレクタ形成層、コレクタ形成層、ベース形成層、エミッタ形成層、エミッタコンタクト形成層などの所望の化合物半導体による層構造を積層する。このような積層構造に対し、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングを施し、メサ構造を作製する。この作製においては、エッチング選択性の高いエッチャントを用い、所望の半導体層のみをエッチングして必要な層を残すようにしている。このようにメサ構造を作製し、エミッタコンタクト電極、ベースコンタクト電極、コレクタコンタクト電極を形成することでＨＢＴを作製する。

先述の、ＨＢＴのｆ_Tを向上させる手法として、ベースのバンドギャップをベース内で連続的に変化させ、擬似電界を誘起し、エミッタ側から走行する電子をベース内で加速し、ベース内での走行時間を短縮させる技術が、広く用いられている。例えば、ＩｎＧａＡｓからベースを構成したＨＢＴにおいては、一般的には、ベースのエミッタ側からコレクタに近い側にかけて、固相Ｉｎ組成を小さい状態から大きい状態に変化させている。この構成では、ベースのバンドギャップは、エミッタ側からコレクタ側にかけて、バンドギャップが大きい状態から小さい状態へと変化する。このようなバンドギャップの変化に伴い、ベース内には擬似的に電界が印加され、エミッタから注入された電子は加速される。この擬似電界の効果により、キャリア走行時間が短縮され、ベースが組成傾斜構造とされていない場合よりも高いｆ_Tを得ることができる（非特許文献１）。

また、ベースをＧａＡｓＳｂから構成したＨＢＴにおいては、Ａｓ組成をエミッタ側からコレクタ側にかけて、大きい状態から小さい状態へと変化させるような手法が報告されている。この構成としたベースのバンドギャップ変化は、ＩｎＧａＡｓによるベースの場合と同様である（非特許文献２）。

ドーピング濃度の変化によっても、同様にベース内に擬似電界を誘起することができる。ベースのドーピング濃度が高くなると、縮退した半導体ではフェルミエネルギーが価電子帯の内側に入り、この分、熱平衡状態での伝導帯エネルギーが上昇する。従って、材料のバンドギャップを変化させずとも、ベースにおけるドーピング濃度をエミッタ側からコレクタ側へと小さくなるようにすることで、内部電界を誘起することができる（非特許文献３）。

上述した組成傾斜構造は、ベース内で組成やドーピング濃度を連続的に変化させることによって形成したが、ベース内で組成傾斜やドーピング傾斜を形成する技術として、階段状のプロファイル形成を行う手法も報告されている。例えば、ベースのうちのエミッタに近い側の領域のうち数ｎｍ程度を、通常よりも高いｐ型ドーピング状態とする技術が報告されている。この構造には様々な用途があるが、１つは電流利得を大きく損なうことなく、低いベースコンタクト抵抗を実現し、これにより高いｆ_maxを実現することである。ベースのうち、エミッタに近い側だけを高濃度にドーピングされた状態とすることで、ベース全体の平均のシート抵抗は大きく下げずに、ベース電極とのコンタクト抵抗を低減することができるため、結果的にｆ_maxの向上が可能である（非特許文献４）。

上述した技術は、ＩｎＧａＡｓからベースを構成しているが、ＧａＡｓＳｂからベースを構成するＨＢＴにおいても、同様の構造が報告されている。特にこの報告では、ベースのうち、エミッタに近い領域４ｎｍ程度を、Ａｓ組成が高く、かつ高濃度ドーピングされた状態とすることで、上記のベースコンタクト抵抗低減効果と合わせて、ベース内での擬似電界制御にも用いている（非特許文献５）。

W. Snodgrass, W. Hafez, N. Harff, and M. Feng, "Pseudomorphic ＩｎＰ/ＩｎＧａＡｓ Heterojunction Bipolar Transistors （PＨＢＴs） Experimentally Demonstrating ｆT = 765 GHz at 25℃ Increasing to fT = 845 GHz at -55℃", IEEE Proceedings of IEDM, pp.1-4, 2006. H. G. Liu, O. Ostinelli, Y. Zeng, and C. R. Bolognesi, "600 GHz InP/GaAsSb/InP DHBTs Grown by MOCVD with a Ga（As,Sb） Graded-Base and fT x BVCEO > 2.5 THz-V at Room Temperature", IEEE Proceedings of IEDM, pp.667-670, 2007. H. Xu, B. Wu, E. W. Iverson, T. S. Low, and M. Feng, "0.5 THz Performance of a Type-II DHBT With a Doping-Graded and Constant-Composition GaAsSb Base", IEEE Electron Device Letter, vol.35, no.1, pp.24-26,2014. M. J. W. Rodwell, J. Rode, H. W. Chiang, P. Choudhary, T. Reed, E. Bloch, S. Danesgar, H-C Park, A. C. Gossard, B. J. Thibeault, W. Mitchell, M. Urteaga, Z. Griffith, J. Hacker, M. Seo, B. Brar, "THz INDIUM PHOSPHIDE BIPOLAR TRANSISTOR TECHNOLOGY", IEEE Proceedings of CSICS 2012, pp.1-4. R. Lovblom, R. Fluckiger, O. Ostinelli, M. Alexandrova, C. Bolognesi, "Base Design for High‐Speed InP/GaAsSb DHBTs", The 26th International Conferance on Indium Phosphide and Related Materials, 2014, Th-D2-3. T. Hoshi, H. Sugiyama, H. Yokoyama, K. Kurishima, M. Ida, H. Matsuzaki, K. Tateno, "Carbon doping in InGaAsSb films on（001）InP substrate using CBr4 grown by metal organic chemical vapor deposition", Journal of Crystal Growth, vol.380, pp.197-204,2013.

上述したように、ＨＢＴの高周波特性を向上する有効な手段として、ベース内に固相組成やドーピング濃度の傾斜をつけることで、ベースに擬似電界を誘起し、電子を加速して走行時間を短縮する技術がある。このような傾斜組成ベースは、原料の連続的変化によっても得られるが、階段状の変化をもたせることによっても形成することができる。特に後者の階段状構造と、傾斜構造を組み合わせることによって、大きな擬似電界の誘起が可能となり、かつエミッタ−ベース界面への高濃度ドーピングによるベースコンタクト抵抗低減と、これによるｆ_maxの向上が見込まれる。

しかし、これらの階段状構造および傾斜構造の形成に関しては、いずれの技術においても形成難度が高いという欠点がある。

例えば、非特許文献４にあるような、ＩｎＧａＡｓベースの、エミッタに近い２−４ｎｍの領域を２×１０²⁰ｃｍ^-3以上の高正孔濃度にドーピングを施す構造においては、ベース形成層の形成の際に、ドーピング濃度を急峻に変化させねばならない。結晶成長において、ドーピング濃度や固相組成を変えるには、原料の供給量を変化させる必要がある。

特に、急峻にドーピング濃度を変えるには、ベース形成層成長の際、原料の供給を一時的に停止して成長を中断し、成長中断の間にドーピング原料の供給量を増大させ、数分間程度の安定化の後に、再び原料供給を開始することで、階段状のドーピングプロファイルを形成している。しかし、このように成長中断を挿入すると、結晶欠陥等をベース形成層に導入しかねない。特にベース形成層中の結晶欠陥は、作製されたＨＢＴにおけるベース再結合電流を増大させ、電流利得の減少を招く。

また、非特許文献５においては、ＧａＡｓＳｂから構成したベースのうち、エミッタに近い４ｎｍをＡｓ組成の高いＧａＡｓＳｂを用い、また１×１０²⁰ｃｍ^-3以上の高正孔濃度化させている。このような急峻なドーピングおよび組成のプロファイルの形成は、前述同様に成長中断を必要とするため、場合によっては結晶品質の低下などを招きやすい。加えて、ベースのＳｂ組成についても階段状に変化させているため、ドーピング原料のみならず、Ｖ族の原料供給比も変化させねばならず、エピタキシャル成長する際の、原料供給シークエンスの複雑化を招いている。

以上に説明したように、従来では、高周波特性の優れたＩｎＰ系ＨＢＴが容易に作製できないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、高周波特性の優れたＩｎＰ系ＨＢＴが容易に作製できるようにすることを目的とする。

本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ＩｎＰから構成された基板と、基板の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるコレクタと、炭素がドープされたＩｎＧａＡｓＳｂから構成されてコレクタの上に形成された第１ベースと、炭素がドープされたＧａＡｓＳｂから構成されて第１ベースの上に接して形成された第２ベースと、第２ベースの上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるエミッタとを備え、第２ベースは、第１ベースより高い正孔濃度とされている。

上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、第１ベースは、正孔濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とされているとよい。

上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、第１ベースは、積層方向に第２ベースに近い領域ほど大きなバンドギャップとされ、第２ベースに近い領域ほど高い正孔濃度とされていてもよい。

また、本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるコレクタ形成層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるエミッタ形成層と、コレクタ形成層とエミッタ形成層との間に配置され、炭素がドープされたＩｎＧａＡｓＳｂから構成された第１ベース形成層と、第１ベース形成層とエミッタ形成層との間において第１ベース形成層に接して配置され、炭素がドープされたＧａＡｓＳｂから構成された第２ベース形成層とからなる積層構造を基板の上に形成する第１工程と、コレクタ形成層、第１ベース形成層、第２ベース形成層、エミッタ形成層をパターニングし、基板の上に、コレクタ、第１ベース、第２ベース、エミッタが、これらの順に積層されたヘテロ接合バイポーラトランジスタを形成する第２工程とを備え、第１ベース形成層より高い正孔濃度で第２ベース形成層を形成する。

上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法において、第１ベース形成層は、正孔濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上として形成すればよい。

上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法において、第１ベース形成層および第２ベース形成層の形成は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を構成する原料の中でＩｎ原料以外の原料の供給量は一定とした状態で、Ｉｎ原料の供給の制御により連続して行えばよい。

上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法において、第１ベース形成層および第２ベース形成層の形成では、ハロメタン系原料を用いて炭素のドーピングを行い、ハロメタン系原料の供給量を変化させることで、第１ベース形成層は、積層方向に第２ベース形成層に近い領域ほど高い正孔濃度とするとともに、積層方向に第２ベース形成層に近い領域ほど、Ｉｎ組成およびＳｂ組成を低くして大きなバンドギャップとすればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、高周波特性の優れたＩｎＰ系ＨＢＴが容易に作製できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタの構成を示す断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造過程の状態を示す断面図である。 図３は、実施の形態１における第１ベース形成層２０５および第２ベース形成層２０６の形成について説明するためのシークエンス図である。 図４は、実施の形態１におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタの、熱平衡状態におけるバンド状態を示したバンド図である。 図５は、実施の形態２における第１ベース形成層２０５および第２ベース形成層２０６の形成について説明するためのシークエンス図である。 図６は、実施の形態２におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタの、熱平衡状態におけるバンド状態を示したバンド図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の構成を示す断面図である。

このＨＢＴは、基板１０１と、基板１０１の上に形成されたバッファ１０２と、バッファ１０２の上に形成されたサブコレクタ１０３と、サブコレクタ１０３の上に形成されたコレクタ１０４と、コレクタ１０４の上に形成された第１ベース１０５と、第１ベース１０５の上に形成された第２ベース１０６と、第２ベース１０６の上に形成されたエミッタ１０７と、エミッタ１０７の上に形成されたエミッタキャップ１０８とを備える。

エミッタキャップ１０８の上には、エミッタ電極１１１が形成されている。また、エミッタ１０７およびエミッタキャップ１０８によるエミッタメサの周囲の第２ベース１０６の上にベース電極１１２が形成されている。また、コレクタ１０４、第１ベース１０５、および第２ベース１０６によるコレクタメサ周囲のサブコレクタ１０３の上にコレクタ電極１１３が形成されている。バッファ１０２およびサブコレクタ１０３は、所定のメサ形状とされ、素子分離されている。このメサよりコレクタメサは小さい面積とされ、コレクタメサよりエミッタメサは小さい面積とされている。

また、基板１０１は、例えば、鉄をドープすることで半絶縁性としたＩｎＰから構成され、バッファ１０２は、ＩｎＰから構成されている。また、サブコレクタ１０３は、ｎ型不純物が高濃度（１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上）に添加された厚いＩｎＰと、ｎ型不純物が高濃度（１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上）に添加された薄いＩｎＧａＡｓとから構成されている。

また、コレクタ１０４は、ｎ型のＩｎＰから構成され、エミッタ１０７は、ｎ型のＩｎＰから構成され、エミッタキャップ１０８は、ｎ型不純物が高濃度（１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上）に添加されたＩｎＧａＡｓから構成されている。

また、第１ベース１０５は、炭素がドープされたｐ型のＩｎＧａＡｓＳｂから構成され、第２ベース１０６は、炭素がドープされたｐ型のＧａＡｓＳｂから構成されている。第２ベース１０６は、第１ベース１０５より高い正孔濃度とされている。ここで、第１ベース１０５は、正孔濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とされているとよい。また、実施の形態１では、第１ベース１０５は、積層方向に第２ベース１０６に近い領域ほど、Ｉｎ組成およびＳｂ組成が低くされて大きなバンドギャップとされている（組成傾斜）。なお、第２ベース１０６の層厚は、１〜５ｎｍ程度であれば、十分にコンタクト抵抗低減効果を得ることができる。

実施の形態１におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタは、まず、図２に示すように、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるコレクタ形成層２０４と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるエミッタ形成層２０７と、コレクタ形成層２０４とエミッタ形成層２０７との間に配置された第１ベース形成層２０５と、第１ベース形成層２０５とエミッタ形成層２０７との間において第１ベース形成層２０５に接して配置された第２ベース形成層２０６とからなる積層構造を、基板１０１の上に形成する。実施の形態１では、基板１０１の側より、コレクタ形成層２０４，第１ベース形成層２０５，第２ベース形成層２０６，エミッタ形成層２０７の順に形成している。各層の層厚は、適宜に設定する。

第１ベース形成層２０５は、炭素がドープされたＩｎＧａＡｓＳｂから構成し、第２ベース形成層２０６は、炭素がドープされたＧａＡｓＳｂから構成する。また、第２ベース形成層２０６は、第１ベース形成層２０５より高い正孔濃度とし、第１ベース形成層２０５は、正孔濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とする。

実施の形態１では、基板１０１の上に、ＩｎＰからなるバッファ形成層２０２、ｎ⁺−ＩｎＰおよびｎ⁺−ＩｎＧａＡｓからなるサブコレクタ形成層２０３の上に、上述した積層構造を形成し、また、エミッタ形成層２０７の上には、エミッタキャップ形成層２０８を形成している。

上述した各半導体層は、例えば、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）または分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などにより、順次に成長させていけばよい。

上述した積層構造を形成した後、まず、エミッタキャップ形成層２０８の上にエミッタ電極材料を堆積して金属膜を形成し、この金属膜およびエミッタキャップ形成層２０８，エミッタ形成層２０７を、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術によりパターニングし、エミッタ電極１１１およびエミッタ１０７、エミッタキャップ１０８によるエミッタメサを形成する。エミッタメサの周囲には、第２ベース形成層２０６の上面が露出する。

次に、エミッタメサ周囲に露出した第２ベース形成層２０６の所定箇所に、よく知られたリフトオフ法により、ベース電極１１２を形成する。

次に、エミッタメサ形成部を中心としたベース電極１１２の形成領域を含む所定の領域を保護するマスクパターンをリソグラフィ技術により形成する。次いで、形成したマスクパターンを用いた選択的なエッチングにより、第２ベース形成層２０６、第１ベース形成層２０５、コレクタ形成層２０４を順次にパターニングし、コレクタ１０４、第１ベース１０５、第２ベース１０６によるコレクタメサを形成する。コレクタメサの周囲には、サブコレクタ形成層２０３の上面が露出する。なお、コレクタメサを形成した後、上記マスクパターンは除去する。

次に、コレクタメサの周囲に露出したサブコレクタ形成層２０３の所定箇所に、リフトオフ法によりコレクタ電極１１３を形成する。この後、サブコレクタ形成層２０３およびバッファ形成層２０２を順次にパターニングし、バッファ１０２およびサブコレクタ１０３を形成する。各電極の形成では、例えば、Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｗ、Ｍｏなどを含むような積層構造を蒸着法により堆積することで形成すればよい。これらのことにより、ヘテロ接合バイポーラトランジスタが形成される。

なお、エミッタ電極１１１、ベース電極１１２、コレクタ電極１１３は、メサ形成の後に形成してもよい。また、長期信頼性や歩留まり向上の観点から、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ：Benzo cyclo butene）などの酸化膜材料や保護膜材料で、メサ周囲のパッシベーションを行ってもよい。

ここで、第１ベース形成層２０５および第２ベース形成層２０６の形成について、図３を用いてより詳細に説明する。図３は、実施の形態１の構造を作製する際の、本発明におけるベース形成層の形成時における原料の供給シークエンスを示したものである。実施の形態１では、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（Triethylgallium；ＴＥＧａ）、Ｉｎ原料としてトリメチルインジウム（Trimethylindium；ＴＭＩｎ）、Ａｓ原料としてアルシン（Arsine；ＡｓＨ₃）、Ｐ原料としてホスフィン（Phosphine；ＰＨ₃）、Ｓｂ原料としてトリメチルアンチモン（Trimethylantimony；ＴＭＳｂ）を用いた。また、Ｃドーピング原料には、ハロメタン系原料である四臭化炭素（Carbon tetrabromide；ＣＢｒ₄）を用いた。

まず、ＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの手法により、コレクタ形成層２０４までを基板１０１上に形成する。この後、ステップＳ３０１で適当な成長中断を挿入し、成長温度や各種原料の流量調整を行う。実施の形態１ではこの成長中断の際には、例えばＰＨ₃を供給し続ける。

この後、ステップＳ３０２で、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｃドーピング原料の供給を開始することで、第１ベース形成層２０５の形成を開始する（このときＰＨ₃は供給を停止する）。第１ベース形成層２０５の成長開始の後、Ｃ原料であるＣＢｒ₄の流量を徐々に増大させる。このとき、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ原料の供給量は一切変化させない。このように、第１ベース形成層２０５および第２ベース形成層２０６の形成では、ハロメタン系原料を用いて炭素のドーピングを行い、ハロメタン系原料の供給量を変化させるところに特徴がある。このようにすると、第１ベース形成層２０５のコレクタ形成層２０４に近い側から成長方向にかけて、固相Ｉｎ組成およびＳｂ組成が徐々に減少するような組成傾斜が形成される。

この点について説明する。非特許文献６によれば、ハロメタン系原料はエッチング効果を有するため、ＩｎＧａＡｓＳｂの成長の際、ＣＢｒ₄を供給することで固相組成が変動する。このエッチング効果の多寡が、各元素によって異なる。ＩｎとＧａとで比較すると、Ｉｎの方がエッチング効果の影響が大きい。これに伴い、ＣＢｒ₄の供給によってＩｎ組成が減少する。また、ＣＢｒ₄の供給によってＡｓの取り込みが促進され、Ｓｂ組成は減少する。このため、第１ベース形成層２０５を形成する際に、コレクタ形成層２０４側から成長方向にかけてＣＢｒ₄の供給量を増大させることで、固相Ｉｎ組成およびＳｂ組成が徐々に減少するような組成傾斜が形成される。

以上のようにして第１ベース形成層２０５を形成した後、ステップＳ３０３で、Ｉｎ原料であるＴＭＩｎの供給を停止することで、第２ベース形成層２０６を形成する。この形成において、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｂの供給量は、ステップＳ３０２の段階と同一とする。以上のように、第１ベース形成層２０５および第２ベース形成層２０６の形成は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を構成する原料の中でＩｎ原料以外の原料の供給量は一定とした状態で、Ｉｎ原料の供給の制御により成長中断をすることなく連続して行う。

本発明では、第１ベース形成層２０５をＩｎＧａＡｓＳｂから構成し、第２ベース形成層２０６をＧａＡｓＳｂから構成しているため、第２ベース形成層２０６の形成は、上述したように、第１ベース形成層２０５の形成の直後、結晶成長を中断することなく形成可能である。このため、成長中断を挿入することが無く、成長中断による再結合中心密度の増大が抑制でき、従って電流利得の低下を抑制した状態で階段状組成傾斜を形成することができる。

また、上述した製造方法においては、第２ベース形成層２０６は、第１ベース形成層２０５の形成の後に、単にＴＭＩｎの供給を停止しただけであるため、ＴＥＧａの供給量は変化していない。ところで、成長レートに関しては、ＩＩＩ族元素の供給律速であるため、第２ベース形成層２０６は、第１ベース形成層２０５に比べて、ＩＩＩ族元素のトータルの供給量が減少している。成長レートが減少すると、その分ドーピング原料の取り込まれる量が増えるため、第２ベース形成層２０６の方が、必然的に正孔濃度が高くなる。

第２ベース形成層２０６を形成した後に、ステップＳ３０４で、所望の手続きによりエミッタ形成層２０７を形成する。なお、ここでは、第２ベース形成層２０６を形成した後に直接エミッタ形成層２０７の成長を開始しているが、これに限るものではなく、成長中断を導入し、界面形成に関する所望の手続きを行ってもよい。また、第２ベース形成層２０６とエミッタ形成層２０７との間に、界面品質を向上させるなどの目的で、スペーサ形成層などを挿入してもよい。

次に、実施の形態１におけるＨＢＴのバンドギャップ状態について、図４のバンド図を用いて説明する。図４は、実施の形態１におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタの、熱平衡状態におけるバンド図を示したものである。

ＩｎＧａＡｓＳｂは、特にＩｎＰに格子整合する組成の近傍では、Ｉｎ組成およびＳｂ組成が大きいほど、バンドギャップが減少する傾向にある。従って、上述した製造方法によって成長した第１ベース形成層２０５による第１ベース１０５は、コレクタ１０４側から第２ベース１０６にかけてバンドギャップが徐々に大きくなるような構造となる。なお、前述したように、第１ベース１０５（第１ベース形成層２０５）は、Ｃドーピング原料の供給量を変化させることで、積層方向に第２ベース１０６（第２ベース形成層２０６）に近い領域ほど大きなバンドギャップとしているため、第２ベース１０６（第２ベース形成層２０６）に近い領域ほど高い正孔濃度とされることになる。

また、第２ベース１０６は、ＧａＡｓＳｂより構成され、Ｉｎ組成が０となるため、バンドギャップは第１ベース１０５に比べて大きくなる。また、第２ベース１０６は、第１ベース１０５よりドーピング濃度も高いため、フェルミ準位と価電子帯とのエネルギー差も大きくなる。

この構造において、ベース内での擬似電界は、第１ベース１０５における組成傾斜と、第１ベース１０５と第２ベース１０６の伝導帯のエネルギー差、および第１ベース１０５と第２ベース１０６のドーピング濃度の変化を反映する。図４においては、第２ベース１０６と第１ベース１０５の界面から、第１ベース１０５とコレクタ１０４との界面までの伝導帯のエネルギー変化に反映する。図４からもわかるよう、伝導帯のエネルギーは、連続的に変化している。上述した構成により、ベース内に擬似電界が生じ、結果、キャリア走行時間が減少し、ｆ_Tの向上が見込める。

また、本発明によれば、ベース電極１１２は第２ベース１０６にオーミック接続させるようにしている。第２ベース１０６は、第１ベース１０５よりもドーピング濃度が高く設定されているため、ベース電極１１２とのコンタクト抵抗は、第２ベース１０６を介す本発明の構造の方が、より低抵抗化される。このようにコンタクト抵抗を低減させた結果、ｆ_maxの向上が見込める。

ところで、本発明では、第１ベースと第２ベースとのバンドギャップ差を、Ｉｎの有無により構成している。例えば、第１ベース形成層の形成後に、Ｓｂ原料の供給を停止することで、ＩｎＧａＡｓを成長させて第２ベース形成層を形成することも可能であるが、ＩｎＧａＡｓの場合、Ｓｂを含まないため、伝導帯エネルギが第１ベースより低くなってしまう。

また、ＩｎＧａＡｓはＩｎＰよりも伝導帯エネルギが低いため、ＩｎＰからなるエミッタとＩｎＧａＡｓＳｂからなる第１ベースとの間にある第２ベースが、電子にとってポテンシャル的にトラップされやすい構造となってしまう。また、ＭＯＣＶＤによって半導体層を成長する場合、原料に含まれる水素によって、ＣドープＩｎＧａＡｓの正孔が不活性される現象が顕著であり、ＩｎＧａＡｓは第２ベースの材料として適していない。

また、第１ベース形成層の形成後、Ｇａ原料の供給停止によってＩｎＡｓＳｂを形成し、あるいは、Ａｓ原料の供給停止によってＩｎＧａＳｂを形成することも可能である。しかしながら、どちらの材料も、ＩｎＰに擬似格子整合させるにはあまりにも格子定数差が大きいため、コンタクト抵抗の低減に効果がある数ｎｍの成長でも容易に臨界膜厚を超えて歪が緩和してしまい、結晶品質が損なわれてしまう。

これらのことに対し、本発明では、第１ベースをＩｎＧａＡｓＳｂから構成するとともに、第２ベースをＧａＡｓＳｂから構成しているので、第２ベースの伝導帯エネルギを第１ベースより高く設定することができる。加えて、第２ベースをＩｎＰからなるエミッタを擬似格子整合させることができる。このように、本発明の構成は、電流利得遮断周波数ｆ_Tおよび最大発振周波数ｆ_maxを向上させる上で、有効である。

また、ベースを、ＧａＡｓＳｂやＩｎＧａＡｓＳｂなどのＳｂを含む材料により構成することで、ベースの伝導帯エネルギを、ＩｎＧａＡｓから構成した場合に比較してより高くすることができる（非特許文献２）。例えば、ＩｎＧａＡｓから構成されたベースの場合、ＩｎＧａＡｓがＩｎＰより伝導帯エネルギが低いため、ＩｎＰからコレクタを構成すると、ベース−コレクタ接合に、電子に対してエネルギ障壁が形成され、充電時間が増大しｆ_Tの低下を招いてしまう。これに対し、ＧａＡｓＳｂやＩｎＧａＡｓＳｂからベースを構成することで、伝導帯エネルギをＩｎＰより高くすることができ、高耐圧に有利なＩｎＰからコレクタを構成しても、上記エネルギ障壁が生じず、高いｆ_Tが、高い耐圧とともに得られるようになる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２でも、実施の形態１と同様に、基板１０１と、基板１０１の上に形成されたバッファ１０２と、バッファ１０２の上に形成されたサブコレクタ１０３と、サブコレクタ１０３の上に形成されたコレクタ１０４と、コレクタ１０４の上に形成された第１ベース１０５と、第１ベース１０５の上に形成された第２ベース１０６と、第２ベース１０６の上に形成されたエミッタ１０７と、エミッタ１０７の上に形成されたエミッタキャップ１０８とを備える（図１）。

エミッタキャップ１０８の上には、エミッタ電極１１１が形成されている。また、エミッタ１０７およびエミッタキャップ１０８によるエミッタメサの周囲の第２ベース１０６の上にベース電極１１２が形成されている。また、コレクタ１０４、第１ベース１０５、および第２ベース１０６によるコレクタメサ周囲のサブコレクタ１０３の上にコレクタ電極１１３が形成されている。バッファ１０２およびサブコレクタ１０３は、所定のメサ形状とされ、素子分離されている。

ここで、実施の形態２では、第１ベース１０５における固相Ｉｎ組成および固相Ｓｂ組成は、組成傾斜が形成されておらず、第１ベース１０５は、層厚方向に均一組成のＩｎＧａＡｓＳｂから構成している。この点が、実施の形態１との違いであり、他の構成は同様となっている。また、製造方法についても、均一組成とした第１ベース１０５（第１ベース形成層２０５）以外は、前述した実施の形態１と同様であり、詳細は省略する。

以下、実施の形態２における第１ベース形成層２０５の形成について、図５を用いてより詳細に説明する。図５は、実施の形態２の構造を作製する際の、本発明におけるベース形成層の形成時における原料の供給シークエンスを示したものである。実施の形態２でも、Ｇａ原料としてＴＥＧａ、Ｉｎ原料としてＴＭＩｎ、Ａｓ原料としてＡｓＨ₃、Ｐ原料としてＰＨ₃、Ｓｂ原料としてＴＭＳｂを用いた。また、Ｃドーピング原料には、ＣＢｒ₄を用いた。

まず、ＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの手法により、コレクタ形成層２０４までを基板１０１上に形成する。この後、ステップＳ５０１で適当な成長中断を挿入し、成長温度や各種原料の流量調整を行う。実施の形態２でもこの成長中断の際には、例えばＰＨ₃を供給し続ける。

この後、ステップＳ５０２で、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｃドーピング原料の供給を開始することで、第１ベース形成層２０５の形成を開始する（このときＰＨ₃は供給を停止する）。第１ベース形成層２０５の成長開始の後、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｓｂ原料の供給量は一切変化させない。また、Ｃ原料であるＣＢｒ₄の供給量も変化させない。このように、実施の形態２では、炭素のドーピングのためのハロメタン系原料の供給量を、第１ベース形成層２０５の成長中一定とする。従って、形成される第１ベース形成層２０５は、コレクタ形成層２０４に近い側から成長方向にかけて、固相Ｉｎ組成およびＳｂ組成が均一となる。

以上のようにして均一組成の第１ベース形成層２０５を形成した後、ステップＳ５０３で、Ｉｎ原料であるＴＭＩｎの供給を停止することで、第２ベース形成層２０６を形成する。このとき、Ｇａ、Ａｓ、Ｓｂの供給量は、ステップＳ５０２の段階と同一とする。以上のように、第１ベース形成層２０５および第２ベース形成層２０６の形成は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を構成する原料の中でＩｎ原料以外の原料の供給量は一定とした状態で、Ｉｎ原料の供給の制御により成長中断をすることなく連続して行う。

実施の形態２においても、第１ベース形成層２０５をＩｎＧａＡｓＳｂから構成し、第２ベース形成層２０６をＧａＡｓＳｂから構成しているため、上述したように、第２ベース形成層２０６の形成は、第１ベース形成層２０５の形成の直後、結晶成長を中断することなく形成可能である。このため、成長中断を挿入することが無く、成長中断による再結合中心密度の増大が抑制でき、従って電流利得の低下を抑制した状態とすることができる。

また、上述した製造方法においても、第２ベース形成層２０６は、第１ベース形成層２０５の形成の後に、単にＴＭＩｎの供給を停止しただけであるため、ＴＥＧａの供給量は変化していない。前述したように、成長レートに関しては、ＩＩＩ族元素の供給律速であるため、第２ベース形成層２０６は、第１ベース形成層２０５に比べて、ＩＩＩ族元素のトータルの供給量が減少している。成長レートが減少によりドーピング原料の取り込まれる量が増えるため、第２ベース形成層２０６の方が、必然的に正孔濃度が高くなる。

第２ベース形成層２０６を形成した後に、ステップＳ５０４で、所望の手続きによりエミッタ形成層２０７を形成する。なお、実施の形態２においても、第２ベース形成層２０６を形成した後に直接エミッタ形成層２０７の成長を開始しているが、これに限るものではなく、成長中断を導入し、界面形成に関する所望の手続きを行ってもよい。また、第２ベース形成層２０６とエミッタ形成層２０７の間に、界面品質を向上させるなどの目的で、スペーサ形成層などを挿入してもよい。

次に、実施の形態２におけるＨＢＴにおける、バンドギャップの状態について、図６のバンド図を用いて説明する。図６は、実施の形態２におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタの、熱平衡状態におけるバンド図を示したものである。

実施の形態１の場合とは異なり、第１ベース形成層２０５には組成傾斜が形成されていないので、第１ベース形成層２０５はバンドギャップ変化を伴わず、第１ベース形成層２０５全体にわたって一定のエネルギーとなる。第２ベース形成層２０６は、実施の形態１と同様、ＧａＡｓＳｂより構成される。Ｉｎ組成が０となるため、バンドギャップは第１ベース形成層２０５に比べて大きくなる。また、第２ベース１０６は、第１ベース１０５よりドーピング濃度も高いため、フェルミ準位と価電子帯とのエネルギー差も大きくなる。この結果、ベース内に擬似電界が生じ、結果、キャリア走行時間が減少し、ｆ_Tの向上が見込める。

また、実施の形態２においても、ベース電極１１２は第２ベース１０６にオーミック接続させるようにしている。第２ベース１０６は、第１ベース１０５よりもドーピング濃度が高く設定されているため、ベース電極１１２とのコンタクト抵抗は、第２ベース１０６を介す、本発明の構造の方が、より低抵抗化される。このようにコンタクト抵抗を低減させた結果、ｆ_maxの向上が見込める。

また、実施の形態２でも、第１ベース１０５および第２ベース１０６のいずれも、Ｓｂを含んで構成しているので、ｆ_Tおよびｆ_maxを向上させる上で、有効である。

以上より、実施の形態１，２においては、階段状プロファイル形成の際、界面形成が簡易化され、第１ベースと第２ベースとの界面形成の際に、むやみに成長中断を挿入することなく急峻なドーピング濃度の変化を得ることができ、電流利得の低下を引き起こすことなく、ｆ_maxを向上させることができる。また、第２ベースにＩｎを含まず、第１ベースにＩｎを含む材料により構成し、第２ベースのドーピング濃度を第１ベースよりも高くすることで、ベース電極とベース形成層のコンタクト抵抗を低減し、ｆ_maxを向上させることができる。

また、第１ベース形成層の形成において、コレクタ形成層側から第２ベース側（成長方向）にかけてＣＢｒ₄の供給量を増大させることで、固相Ｉｎ組成およびＳｂ組成が徐々に減少するような組成傾斜を形成すれば、形成される第１ベース内での擬似電界により、走行する電子の走行時間が短縮され、結果ｆ_Tの向上が見込める。

以上に説明したように、本発明によれば、第１ベースは炭素がドープされたＩｎＧａＡｓＳｂから構成し、第１ベースの上に接して形成された第２ベースは、炭素がドープされたＧａＡｓＳｂから構成するようにしたので、高周波特性の優れたＩｎＰ系ＨＢＴが容易に作製できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、結晶成長による各形成層の形成を、コレクタ側からではなく、エミッタ側から積層させ、作製した積層構造を別基板に転写してから素子構造を形成してもよい。この場合、第２ベース形成層の次に第１ベース形成層を成長するため、組成傾斜構造とする条件では、ハロメタン系原料の供給量を既に形成されている第２ベース形成層の側から、徐々に減少させればよい。

１０１…基板、１０２…バッファ、１０３…サブコレクタ、１０４…コレクタ、１０５…第１ベース、１０６…第２ベース、１０７…エミッタ、１０８…エミッタキャップ、１１１…エミッタ電極、１１２…ベース電極、１１３…コレクタ電極。

Claims (7)

1. ＩｎＰから構成された基板と、
   前記基板の上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるコレクタと、
   炭素がドープされたＩｎＧａＡｓＳｂから構成されて前記コレクタの上に形成された第１ベースと、
   炭素がドープされたＧａＡｓＳｂから構成されて前記第１ベースの上に接して形成された第２ベースと、
   前記第２ベースの上に形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるエミッタと
   を備え、
   前記第２ベースは、前記第１ベースより高い正孔濃度とされてい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。
2. 請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
   前記第１ベースは、正孔濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とされている
   ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
3. 請求項１または２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
   前記第１ベースは、積層方向に前記第２ベースに近い領域ほど大きなバンドギャップとされ、前記第２ベースに近い領域ほど高い正孔濃度とされている
   ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
4. ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるコレクタ形成層と、
   ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるエミッタ形成層と、
   前記コレクタ形成層と前記エミッタ形成層との間に配置され、炭素がドープされたＩｎＧａＡｓＳｂから構成された第１ベース形成層と、
   前記第１ベース形成層と前記エミッタ形成層との間において前記第１ベース形成層に接して配置され、炭素がドープされたＧａＡｓＳｂから構成された第２ベース形成層と
   からなる積層構造を基板の上に形成する第１工程と、
   前記コレクタ形成層、前記第１ベース形成層、前記第２ベース形成層、前記エミッタ形成層をパターニングし、前記基板の上に、コレクタ、第１ベース、第２ベース、エミッタが、これらの順に積層されたヘテロ接合バイポーラトランジスタを形成する第２工程と
   を備え、
   前記第１ベース形成層より高い正孔濃度で前記第２ベース形成層を形成する
   ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
5. 請求項４記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法において、
   前記第１ベース形成層は、正孔濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上として形成する
   ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
6. 請求項４または５記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法において、
   前記第１ベース形成層および前記第２ベース形成層の形成は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を構成する原料の中でＩｎ原料以外の原料の供給量は一定とした状態で、Ｉｎ原料の供給の制御により連続して行う
   ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
7. 請求項６記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法において、
   前記第１ベース形成層および前記第２ベース形成層の形成では、ハロメタン系原料を用いて炭素のドーピングを行い、ハロメタン系原料の供給量を変化させることで、前記第１ベース形成層は、積層方向に前記第２ベース形成層に近い領域ほど高い正孔濃度とするとともに、積層方向に前記第２ベース形成層に近い領域ほど、Ｉｎ組成およびＳｂ組成を低くして大きなバンドギャップとする
   ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。

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