JP2018101652A - バイポーラトランジスタ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】バイポーラトランジスタのコレクタ抵抗の低減と、ベース・コレクタ間容量の低減とを同時に実現する。【解決手段】バイポーラトランジスタ100は、コレクタ層3と、ベース層4と、エミッタ層5とがサブコレクタ層2に順次積層された構造を備える。サブコレクタ層2には、コレクタ電極9が形成されている。ベース層4には、ベース電極10が形成されている。コレクタ層3は、サブコレクタ層側からベース層側にかけて不純物濃度が減少するように配置される複数の不純物層31,32,33,34を備える。不純物層31は、複数の不純物層31,32,33,34のうち不純物濃度が最大であり、且つサブコレクタ層2に接している。不純物層31のシート抵抗は、サブコレクタ層2のシート抵抗の9倍以下である。【選択図】図1
Description
本発明はバイポーラトランジスタ及びその製造方法に係る。
近年、移動通信端末の高周波増幅器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(以下、HBTと呼ぶ)が主に用いられている。HBTに要求される特性として、一般的に、高効率、高利得、高耐圧(高負荷変動耐圧)、及び高出力などの諸特性が挙げられる。第2世代の携帯電話向けとしては、依然として高負荷変動耐圧を有するHBTへのニーズが強い状況であるが、それに加えて、最近では、より一層の高出力化が求められている状況である。また、第3世代及び第4世代の携帯電話向けとしては、高付加効率を有するHBTへのニーズが高いが、更に、高効率且つ高利得であって、しかも、高出力ものが求められている。このように最近では、高出力を有するHBTへのニーズがより一層強まっていると言える。
この種のHBTの構造に言及した文献として、特開2006−60221号公報及び特開2008−130586号公報が知られている。これらの文献に記載のHBTは、n型コレクタ領域として機能するサブコレクタ層及びコレクタ層と、p型ベース領域として機能するベース層と、n型エミッタ領域として機能するエミッタ層とが順次基板に形成されている構造を有する。コレクタ層は、複数の不純物層が積層される構造を有しており、各不純物層のドナー不純物濃度は、サブコレクタ層側からベース層側にかけて次第に減少するように調整されている。エミッタ領域のうち実質的なエミッタ電流が流れる領域を真性エミッタ領域と呼ぶ。ベース領域やコレクタ領域においても、電流は真性エミッタ領域の直下の各領域を流れるため、真性エミッタ領域とその直下のベース領域及びコレクタ領域を真性HBTと呼ぶ。
特開2006−60221号公報の図1Aに記載のHBTのコレクタ層は、サブコレクタ層に近い側から順に、第1のn型不純物層、第2のn型不純物層、及び第3のn型不純物層を有している。第1のn型不純物層は、7×1016cm-3以上10×1016cm-3以下の不純物濃度と、200nm以上400nm以下の厚みを有する。第2のn型不純物層は、4×1016cm-3以上7×1016cm-3以下の不純物濃度と、200nm以上400nm以下の厚みを有する。第3のn型不純物層は、0.5×1016cm-3以上4×1016cm-3以下の不純物濃度と、100nm以上500nm以下の厚みを有する。サブコレクタ層は、4×1018cm-3の不純物濃度と、400nmの厚みを有する。
特開2006−60221号公報の図1Cに記載のHBTのコレクタ層は、サブコレクタ層に近い側から順に、第1のn型不純物層、第2のn型不純物層、第3のn型不純物層、及び第4のn型不純物層を有している。第1のn型不純物層は、7×1016cm-3以上10×1016cm-3以下の不純物濃度と、200nm以上400nm以下の厚みを有する。第2のn型不純物層は、4×1016cm-3以上7×1016cm-3以下の不純物濃度と、200nm以上400nm以下の厚みを有する。第3のn型不純物層は、0.5×1016cm-3以上4×1016cm-3以下の不純物濃度と、100nm以上500nm以下の厚みを有する。第4のn型不純物層は、0.84×1016cm-3以上4×1016cm-3以下の不純物濃度と、100nm以上500nm以下の厚みを有する。サブコレクタ層は、4×1018cm-3の不純物濃度と、400nmの厚みを有する。
特開2008−130586号公報の図20に記載のHBTのコレクタ層は、サブコレクタ層に近い側から順に、第1のn型不純物層、第2のn型不純物層、及び第3のn型不純物層を有している。第1のn型不純物層は、5×1016cm-3の不純物濃度と、200nmの厚みを有する。第2のn型不純物層は、1×1016cm-3の不純物濃度と、200nmの厚みを有する。第3のn型不純物層は、5×1015cm-3の不純物濃度と、600nmの厚みを有する。サブコレクタ層は、他の実施例の記載から、1×1018cm-3の不純物濃度を有するものと推定される。
上述のHBTの構造から、サブコレクタ層は、1×1018cm-3以上の高濃度で形成されていることが分かる。コレクタ電極端からコレクタ層の中心に至るコレクタ抵抗Rcを可能な限り低くするために、サブコレクタ層は、HBTの製造時点において技術的に可能な限り最高の濃度でドーピングされるのが通常である。一方、コレクタ層は、通常は、サブコレクタ層よりも1/10倍以下の相対的に低い濃度で形成される。これは、ベース・コレクタ間容量が必要以上に大きくなって、効率や利得などの高周波性能が低下することを避けるためである。また、ベース・コレクタ間耐圧及びコレクタ・エミッタ間耐圧が必要以上に低下すると、高周波出力が最大限に出力される条件下での出力電圧振幅が最大限に振れ、HBTが破壊されてしまうことを回避するためでもある。
HBTを高出力化するためには、コレクタ抵抗の低減と、ベース・コレクタ間容量の低減とを同時に実現することが必要である。しかし、従来の技術では、HBTを高出力化するためにコレクタ抵抗の低減と、ベース・コレクタ間容量の低減とを同時に実現するのは困難であった。その理由について、図11及び図12を参照しながら説明する。図11及び図12において、符号20,30,40,50,110は、それぞれ、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、及び真性HBTを示している。符号120,80,51,21,41は、それぞれ、キャップ層、コンタクト層、エミッタ電極、コレクタ電極、及びベース電極を示している。
従来技術では、図11及び図12に示すように、多層積層構造を有するコレクタ層30により、所望のベース・コレクタ間耐圧、コレクタ・エミッタ間耐圧、及びオン耐圧を実現していた。コレクタ層30を構成する各不純物層の濃度及び厚さ(一般的には、濃度分布)がこれらの耐圧を決める因子となる。ところが、コレクタ層30を構成する各不純物層の厚さの合計に関しては、十分な考慮はなされているとは言いがたく、所望の耐圧を得るために必要最低限の厚さを越えてコレクタ層30の厚さが設定されている場合がある。ベース・コレクタ間容量Cbcは、空乏層容量Cbcd、外部容量Cbcex1、及び外部容量Cbcex2からなる。空乏層容量Cbcdは、ベース層40とコレクタ層30との間の空乏層容量である。外部容量Cbcex1は、ベース電極41及びベース層40とコレクタ電極21との間の外部容量である。外部容量Cbcex2は、ベース電極41及びベース層40とサブコレクタ層20との間の外部容量である。これらの容量のうち、空乏層容量Cbcdの寄与が相対的に大きいものの、残りの2つの外部容量Cbcex1、Cbcex2も無視できない程度の寄与をしている。
従って、コレクタ層30の厚さを、所望の耐圧を確保するために必要最低限の厚さに設定した場合は、図11に示すように、ベース電極41及びベース層40と、コレクタ電極21及びサブコレクタ層20との間の距離が短くなる。これにより、ベース電極41及びベース層40とコレクタ電極21との間の外部容量Cbcex1と、ベース電極41及びベース層40とサブコレクタ層20との間の外部容量Cbcex2とが大きくなる。これにより、HBTの出力電力が低下し、ひいては、利得や効率が低下するという副次的弊害も伴う。
一方、コレクタ層30の厚さを、所望の耐圧を確保するために必要最低限の厚さを越える厚さに設定した場合には、外部容量Cbcex1,Cbcex2の増大を回避できる。ところが、この場合、サブコレクタ層20の濃度に比べて低濃度(約1/10倍)の不純物濃度を有するコレクタ層30のアクセス抵抗が増大するという弊害が生じる。この弊害について説明する前に、従来のHBTのコレクタ抵抗Rcに寄与する主要な抵抗成分について、図12を参照しながら説明する。同図では、コレクタ電極21とサブコレクタ層20との間の接触抵抗及びコレクタ電極抵抗を省略している。また、コレクタ抵抗Rcに寄与する抵抗成分は、分布定数回路として表現する必要があるが、簡略化のため、集中定数回路として表現している。
コレクタ抵抗Rcは、外部サブコレクタ抵抗Rscexと、内部サブコレクタ抵抗Rscinと、アクセス抵抗Rscacと、アクセス抵抗Rcacとの和で与えられる。ここで、外部サブコレクタ抵抗Rscexは、コレクタ電極21の端部とコレクタ層30の端部との間のサブコレクタ層30の抵抗である。内部サブコレクタ抵抗Rscinは、コレクタ層30の直下のサブコレクタ層20の抵抗である。アクセス抵抗Rscacは、サブコレクタ層20から真性HBT110の動作領域へのアクセス抵抗である。アクセス抵抗Rcacは、サブコレクタ層20から、耐圧確保に必要最低限の厚さを有する領域へのアクセス抵抗である。外部サブコレクタ抵抗Rscexと内部サブコレクタ抵抗Rscinとの和である(Rscex+Rscin)抵抗の幅は、サブコレクタ層20の厚さ(通常は、0.5μmから1.5um程度)と同じである。(Rscex+Rscin)抵抗の長さは、コレクタ電極21の端部から真性HBT110の中央までの横方向の距離(通常は、2μmから4μm程度)と同じである。
一方、アクセス抵抗Rscacの幅は、真性HBT110の幅(通常は、2μmから6μm程度)と同じである。アクセス抵抗Rscacの長さは、サブコレクタ層20の厚さ(通常は、0.5μmから1.5μm程度)と同じである。従って、アクセス抵抗Rscacの寄与は、(Rscex+Rscin)抵抗の寄与と比較して無視し得る。次に、アクセス抵抗Rcacの寄与について検討すると、コレクタ層30の不純物濃度は、サブコレクタ層20の不純物濃度の1/10倍以下である。アクセス抵抗Rcacの幅は、真性HBT110の幅(通常は、2μmから6μm程度)と同じである。アクセス抵抗Rcacの長さは、0.3μmから0.7μm程度である。従って、アクセス抵抗Rcacの寄与は、無視することができない。尚、抵抗の長さとは、電流が流れる方向に沿った抵抗の長さを意味し、抵抗の幅とは、電流が流れる方向に垂直な方向に沿った抵抗の幅を意味するものとする。
上述の理由から、コレクタ抵抗Rcは、(Rscex+Rscin)/2+Rcacにより求まる。従って、コレクタ層30の厚さを、所望の耐圧を確保するために必要最低限の厚さを越える厚さに設定した場合には、サブコレクタ層20から真性HBT110の動作領域へのアクセス抵抗Rcacの増大により、コレクタ抵抗Rcの増大を招く。これにより、HBTのオン抵抗Ronが制限されてしまう結果、HBTの高出力化が困難になる。このように、従来のHBTの構造では、外部容量Cbcex1,Cbcex2と、コレクタ抵抗Rcとは、トレードオフの関係にあり、両者を同時に低減することによりHBTの高出力化を図るのは困難であった。
そこで、本発明は、コレクタ抵抗の低減と、ベース・コレクタ間容量の低減とを同時に実現することにより、バイポーラトランジスタの高出力化を図ることを課題とする。
上述の課題を解決するため、本発明に係るバイポーラトランジスタは、(i)第1の面とその裏面である第2の面とを有するサブコレクタ層であって、第1の面に形成されるコレクタ電極を有するサブコレクタ層と、(ii)第3の面とその裏面である第4の面とを有するベース層であって、第3の面に形成されるベース電極を有するベース層と、(iii)第4の面に接する第5の面と、第1の面に接する第6の面であって、第5の面の裏面である第6の面とを有するコレクタ層であって、第6の面から第5の面にかけて不純物濃度が減少するように配置される複数の不純物層を備えるコレクタ層と、(iv)第3の面に形成されるエミッタ層と、を備える。複数の不純物層は、複数の不純物層のうち不純物濃度が最大であり、且つ第1の面に接する第1の不純物層を含み、第1の不純物層のシート抵抗は、サブコレクタ層のシート抵抗の9倍以下である。
本発明に係るバイポーラトランジスタによれば、コレクタ抵抗の低減と、ベース・コレクタ間容量の低減とを同時に実現することができる。
以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の部材を示すものとし、重複する説明は省略する。
図1は、本発明の実施形態に係るバイポーラトランジスタ100の構造を示す断面図である。バイポーラトランジスタ100は、化合物半導体から形成される、サブコレクタ層2、コレクタ層3、ベース層4、及びエミッタ層5を備えている。サブコレクタ層2の二つの主面のうち、一方の主面を第1の面201と呼び、他方の主面を第2の面202と呼ぶ。第2の面202は、第1の面201の裏面である。サブコレクタ層2の第1の面201には、コレクタ電極9が形成されている。サブコレクタ層2は、基板1に形成されており、第2の面202は、基板1に接している。ベース層4の二つの主面のうち、一方の主面を第3の面401と呼び、他方の主面を第4の面402と呼ぶ。第4の面402は、第3の面401の裏面である。第3の面401には、エミッタ層5と、ベース電極10とが形成されている。コレクタ層3の二つの主面のうち、一方の主面を第5の面301と呼び、他方の主面を第6の面302と呼ぶ。第6の面302は、第5の面301の裏面である。第5の面301は、第4の面402に接している。第6の面302は、第1の面201に接している。コレクタ層3は、第6の面302から第5の面301にかけて不純物濃度が次第に減少するように配置される複数の不純物層31,32,33,34を備える。不純物層31,32,33,34は、この順番で、サブコレクタ層2に積層されており、それぞれを、第1の不純物層、第2の不純物層、第3の不純物層、及び第4の不純物層と呼ぶ。各不純物層の不純物濃度は異なるが、材質は共通している。エミッタ層5には、キャップ層12、コンタクト層8、及びエミッタ電極11が順次積層形成されている。
図1は、本発明の実施形態に係るバイポーラトランジスタ100の構造を示す断面図である。バイポーラトランジスタ100は、化合物半導体から形成される、サブコレクタ層2、コレクタ層3、ベース層4、及びエミッタ層5を備えている。サブコレクタ層2の二つの主面のうち、一方の主面を第1の面201と呼び、他方の主面を第2の面202と呼ぶ。第2の面202は、第1の面201の裏面である。サブコレクタ層2の第1の面201には、コレクタ電極9が形成されている。サブコレクタ層2は、基板1に形成されており、第2の面202は、基板1に接している。ベース層4の二つの主面のうち、一方の主面を第3の面401と呼び、他方の主面を第4の面402と呼ぶ。第4の面402は、第3の面401の裏面である。第3の面401には、エミッタ層5と、ベース電極10とが形成されている。コレクタ層3の二つの主面のうち、一方の主面を第5の面301と呼び、他方の主面を第6の面302と呼ぶ。第6の面302は、第5の面301の裏面である。第5の面301は、第4の面402に接している。第6の面302は、第1の面201に接している。コレクタ層3は、第6の面302から第5の面301にかけて不純物濃度が次第に減少するように配置される複数の不純物層31,32,33,34を備える。不純物層31,32,33,34は、この順番で、サブコレクタ層2に積層されており、それぞれを、第1の不純物層、第2の不純物層、第3の不純物層、及び第4の不純物層と呼ぶ。各不純物層の不純物濃度は異なるが、材質は共通している。エミッタ層5には、キャップ層12、コンタクト層8、及びエミッタ電極11が順次積層形成されている。
バイポーラトランジスタ100は、例えば、エミッタ層5とベース層4とがヘテロ接合を形成し、エミッタ層5のバンドギャップがベース層4のバンドギャップより大きい、ヘテロバイポーラトランジスタである。ヘテロ接合により、ベース抵抗を低減できるため、バイポーラトランジスタ100の高周波特性を改善できる。また、バイポーラトランジスタ100を化合物半導体から形成することにより、電子の移動度を高めることができる。符号101が示す領域は、真性HBTと呼ばれる。
図2は、バイポーラトランジスタ100を構成する各層の不純物濃度の分布を示すグラフである。図2の横軸は、ベース層4の第3の面401からサブコレクタ層2の第1の面201に向かう方向の深さを示す。図2の縦軸は、各層の不純物濃度を示す。符号200は、サブコレクタ層2の不純物濃度の分布を示す。符号310は、第1の不純物層31の不純物濃度の分布を示す。符号320は、第2の不純物層32の不純物濃度の分布を示す。符号330は、第3の不純物層33の不純物濃度の分布を示す。符号340は、第4の不純物層34の不純物濃度の分布を示す。これらの不純物層31,32,33,34は、第1の導電型を有する。符号400は、ベース層4の不純物濃度の分布を示す。ベース層4は、第1の導電型とは反対の第2の導電型を有する。例えば、第1の導電型がn型であるときは、第2の導電型はp型である。また例えば、第1の導電型がp型であるときは、第2の導電型はn型である。同図に示すように、複数の不純物層31,32,33,34の中で第1の不純物層31の不純物濃度が最も高い。次いで、第2の不純物層32の不純物濃度が2番目に高く、第3の不純物層33の不純物濃度が3番目に高い。第4の不純物層34の不純物濃度は一番低い。第1の不純物層31の不純物濃度と、サブコレクタ層2の不純物濃度とは、同じでもよく、或いは異なっていてもよい。
サブコレクタ層2の不純物濃度は、1×1018cm-3以上が好ましい。サブコレクタ層2を高濃度にドーピングすることにより、バイポーラトランジスタ100のコレクタ抵抗Rcが低減するため、バイポーラトランジスタ100の高出力化を図ることができる。
第2の不純物層32、第3の不純物層33、及び第4の不純物層34のそれぞれの不純物濃度は、第1の不純物層31の不純物濃度よりも一桁以上低いのが望ましい。これにより、ベース・コレクタ間耐圧及びコレクタ・エミッタ間耐圧を向上できる。これにより、バイポーラトランジスタ100からの出力が最大になるときでも、ベース・コレクタ間耐圧及びコレクタ・エミッタ間耐圧の向上により、バイポーラトランジスタ100の破壊を回避できる。
第2の不純物層32及び第3の不純物層33のそれぞれの不純物濃度は、1×1016cm-3以上7×1016cm-3以下が好ましく、第4の不純物層34の不純物濃度は、3×1015cm-3以下が好ましい。第4の不純物層34の不純物濃度は、第2の不純物層32及び第3の不純物層33のそれぞれの不純物濃度よりもかなり少ないため、第4の不純物層34内のベース・コレクタ間空乏層は、コレクタ電圧Vcの増加と共に急速に拡大する。このため、バイポーラトランジスタ100の飽和動作領域内の一定の低電圧Vcaにおいて、ベース・コレクタ間空乏層は、第3の不純物層33と第4の不純物層34との間の境界に到達する。一方、第3の不純物層33は、第4の不純物層34よりも不純物濃度が高いため、Vca以上のコレクタ電圧Vcの範囲において、ベース・コレクタ間空乏層の拡大が抑制される。これは、Vca以上のコレクタ電圧Vcの範囲において、ベース・コレクタ間容量Cbcのコレクタ電圧依存性がある程度一定以下に抑制され、ベース・コレクタ間容量Cbcの線形性が改善されることを意味する。このため、バイポーラトランジスタ100は、高い線形性が要求されるWCDMA(登録商標)(Wideband Code Division Multiple Access)やLTE(Long Term Evolution)などの通信規格に対応するRF(Radio Frequency)信号の増幅に好適である。
第2の不純物層32は、第3の不純物層33よりも不純物濃度が高いのが好ましい。これにより、第2の不純物層32が第3の不純物層33と不純物濃度が同じである場合と比較して、第2の不純物層32内のアクセス抵抗R2cacを低減できる。アクセス抵抗R2cacの低減により、バイポーラトランジスタ100のコレクタ抵抗Rcを低減できる。これにより、バイポーラトランジスタ100のオン抵抗を低減できるので、バイポーラトランジスタ100の高出力化を実現できる。第2の不純物層32を高濃度にドーピングすることにより、バイポーラトランジスタ100に大きな電流が流れるときのオン耐圧の低下を抑制できるという効果も得られる。このため、バイポーラトランジスタ100からの出力が最大になるときに負荷変動が生じても、オン耐圧で決まる負荷変動コレクタ耐圧の低下を抑制できる。
尚、それぞれの不純物層31,32,33,34の濃度分布は、必ずしも一様である必要はなく、各層内で連続的に変化してもよい。また、コレクタ層3を構成する不純物層の数は必ずしも4層である必要はなく、2層、3層、又は5層以上でもよい。
図3は、バイポーラトランジスタ100のコレクタ抵抗Rcの抵抗成分を示す説明図である。第1の不純物層31は、サブコレクタ層20と同程度の不純物濃度と同程度の厚さとを有しており、且つ、真性HBT101を画定する境界の外側に延在している。このため、第1の不純物層31は、従来のHBTには存在していなかった低抵抗の電流経路と等価的に振る舞う。第1の不純物層31の抵抗をR1cinと呼ぶ。抵抗R1cinは、サブコレクタ層2の内部サブコレクタ抵抗Rscinと並列に接続するため、コレクタ抵抗Rcは、(Rscex+Rscin//R1cin)/2に等しい。但し、Rscin//R1cin=(Rscin×R1cin)/(Rscin+R1cin)である。ここでも、上述と同じ理由で、RscacとR1cacの寄与は、Rscex+Rscin//R1cinに比べて無視してよい。また、図3のR2cacは、耐圧確保に必要な厚さの内側にある抵抗であり、議論の対象となる抵抗ではないので、無視してよい。
尚、本明細書において、AとBとが同程度であるとは、AとBとをそれぞれ10の指数で表現したときに10のべき乗が同じであることを意味し、例えば、BがAの1/10倍以上9倍以下であれば、AとBとは同程度であると解釈し得る。
Rscin//R1cin<Rscinであり、且つ、RscacとR1cacは無視できる。このため、本実施形態のコレクタ抵抗Rc=(Rscex+Rscin//R1cin)/2は、従来のコレクタ抵抗Rc=(Rscex+Rscin)/2+Rcacより必ず小さくなる。第1の不純物層31は、サブコレクタ層20と同程度の不純物濃度と同程度の厚さとを有しているため、バイポーラトランジスタ100は、同程度の抵抗値を有するサブコレクタ層2と第1の不純物層31とが並列に接続されているという構造を有する。このような並列接続により、コレクタ抵抗Rcを下げることができる。これに対し、従来のHBTの構造では、第1の不純物層31に相当する不純物層が、サブコレクタ層と比較して低濃度にドーピングされているため、そのコレクタ抵抗は、サブコレクタ層単独の抵抗成分が支配的となる。このため、従来のHBTの構造では、コレクタ抵抗を下げるのが困難であった。
サブコレクタ層2のシート抵抗をρsscと呼び、第1の不純物層31のシート抵抗をρs1cと呼び、並列接続されるサブコレクタ層2及び第1の不純物層31の合成シート抵抗をρstotと呼ぶ。図4は、本実施形態のバイポーラトランジスタ100におけるρs1c/ρsscとρstot/ρsscとの関係を示すグラフである。同図から分かるように、ρs1c/ρsscの値が十分に大きいと、ρstot/ρsscの値は1に漸近する。ρs1c/ρsscの値が十分に大きい値から次第に減少していき、9以下になると、ρstot/ρsscの値は、0.9から急激に減少していく。これは、ρs1c/ρsscの値が9以下に低減すると、コレクタ抵抗Rcの低減の効果が現れることを意味している。一方、ρs1c/ρsscの値が十分に小さいと、ρstot/ρsscの値は0に漸近する。ρs1c/ρsscの値が1/10未満に低減すると、ρstot/ρsscの値は、0.1から0に向けて緩やかに減少するため、コレクタ抵抗Rcの低減の効果はあまり見られない。その上、これを実現する技術的な困難性も増すため、ρs1c/ρsscの値は、1/10以上が好ましい。以上のことから、ρs1c/ρsscの値は1/10以上9以下が好ましい。即ち、第1の不純物層31のシート抵抗は、サブコレクタ層2のシート抵抗の1/10倍以上9倍以下が好ましい。これは、第1の不純物層31の不純物濃度と、サブコレクタ層2の不純物濃度とが同じであるという条件下では、第1の不純物層31の厚みは、サブコレクタ層2の厚みの1/9倍以上10倍以下が好ましいことを意味する。
ρs1c/ρsscの値が3付近より下では、ρs1c/ρsscの値の変化に対するρstot/ρsscの値の変化が大きくなり、ρstot/ρsscの値は、0.75以下となる。これは、ρs1c/ρsscの値が3以下に低減すると、コレクタ抵抗Rcの低減の効果が顕著に現れることを意味している。一方、ρs1c/ρsscの値が1/3未満に低減すると、ρstot/ρsscの値は、0.25から0に向けて緩やかに減少するため、コレクタ抵抗Rcの低減の効果はあまり見られない。以上のことから、ρs1c/ρsscの値は1/3以上3以下が好ましい。即ち、第1の不純物層31のシート抵抗は、サブコレクタ層2のシート抵抗の1/3倍以上3倍以下が好ましい。これは、第1の不純物層31の不純物濃度と、サブコレクタ層2の不純物濃度とが同じであるという条件下では、第1の不純物層31の厚みは、サブコレクタ層2の厚みの1/3倍以上3倍以下が好ましいことを意味する。
また、図3に示すように、サブコレクタ層20と同程度の厚さを有する第1の不純物層31がサブコレクタ層20の第1の面201に接することにより、ベース電極10及びベース層4とコレクタ電極9との間の距離が増加し、外部容量Cbcex1が低減する。同様に、ベース電極10及びベース層4とサブコレクタ層2との間の距離が増加し、外部容量Cbcex2が低減する。外部容量Cbcex1,Cbcex2の低下に伴い、バイポーラトランジスタ100のベース・コレクタ間容量Cbcが低減する。これにより、バイポーラトランジスタ100のコレクタ抵抗Rcの低減と、ベース・コレクタ間容量Cbcの低減とを同時に実現することができ、ひいては、バイポーラトランジスタ100の高出力化、高利得化及び高効率化を実現できる。
図5は、本実施例に係るバイポーラトランジスタ100の構造を示す断面図である。同図に示すように、n型GaAsサブコレクタ層2、n型GaAsコレクタ層3、p型GaAsベース層4、及びn型InxGa1-xPエミッタ層5が半絶縁性のGaAs基板1に順次積層されている。n型GaAsサブコレクタ層2のSi濃度は、2×1018cm-3以上6×1018cm-3以下であり、その膜厚は、0.3μm以上1.0μm以下である。n型GaAsコレクタ層3の膜厚は、900nm以上1500nm以下である。p型GaAsベース層4のC濃度は、2×1019cm-3以上5×1019cm-3以下であり、その膜厚は、50nm以上150nm以下である。n型InxGa1-xPエミッタ層5のIn組成比は、x=0.5であり、そのSi濃度は、2×1017cm-3以上5×1017cm-3以下であり、その膜厚は、30nm以上50nm以下である。
n型InxGa1-xPエミッタ層5には、n型GaAs層6、n型InxGa1-xAsグレーディング層7、及びn型InxGa1-xAsコンタクト層8が順次積層されている。n型GaAs層6のSi濃度は、2×1018cm-3以上4×1018cm-3以下であり、その膜厚は、50nm以上150nm以下である。n型InxGa1-xAsグレーディング層7のSi濃度は、1×1019cm-3以上3×1019cm-3以下であり、その膜厚は、30nm以上70nm以下であり、そのIn組成比は、p型GaAsベース層4に近い側においてx=0であり、p型GaAsベース層4から遠い側においてx=0.5である。n型InxGa1-xAsコンタクト層8のIn組成比は、x=0.5であり、そのSi濃度は、1×1019cm-3以上3×1019cm-3以下であり、その膜厚は、30nm以上70nm以下である。
ここで、n型InxGa1-xPエミッタ層5の領域のうち、n型InxGa1-xAsコンタクト層8、n型InxGa1-xAsグレーディング層7、及びn型GaAs層6を区切る境界の外側にある領域は、空乏化により、自由電子が存在しないように濃度及び膜厚が定められている。従って、n型InxGa1-xPエミッタ層5の領域のうち実質的に電流が流れる領域は、n型InxGa1-xAsコンタクト層8、n型InxGa1-xAsグレーディング層7、及びn型GaAs層6を区切るメサ形状直下の真性エミッタ領域51である。尚、説明の便宜上、図1及び図3に記載のエミッタ層5は、真性エミッタ領域と実質的に同じであり、エミッタ層5の領域のうち、空乏化する領域の図示は省略されている。
コレクタ層3を構成する第1の不純物層31、第2の不純物層32、第3の不純物層33、及び第4の不純物層34は、全体としてメサ形状を形成するように、一体的に加工されている。これにより、第1の不純物層31の形成に伴う追加の製造工程が不要となる利点を有する。第1の不純物層31、第2の不純物層32、第3の不純物層33、及び第4の不純物層34は、それぞれ、不純物濃度の異なるn型GaAs層である。
第1の不純物層31は、Rc=(Rscex+Rscin//R1cin)/2に基づいて、コレクタ抵抗Rcを低減できるように、サブコレクタ層2と同程度の不純物濃度及び同程度の厚さを有しているのが好ましい。例えば、第1の不純物層31の不純物濃度は、1×1018cm-3以上5×1018cm-3以下が好ましく、その厚さは、200nm以上900nm以下が好ましい。一例として、第1の不純物層31の不純物濃度は、3×1018cm-3であり、その膜厚は500nmである。
第2の不純物層32、第3の不純物層33、及び第4の不純物層34のそれぞれの不純物濃度は、サブコレクタ層2の不純物濃度よりも一桁以上低いのが好ましい。第2の不純物層32の不純物濃度は、3×1016cm-3以上7×1016cm-3以下が好ましく、その膜厚は100nm以上300nm以下が好ましい。一例として、第2の不純物層32の不純物濃度は、5×1016cm-3であり、その膜厚は200nmである。第3の不純物層33の不純物濃度は、1×1016cm-3以上4×1016cm-3以下が好ましく、その膜厚は100nm以上300nm以下が好ましい。一例として、第3の不純物層33の不純物濃度は、1.5×1016cm-3であり、その膜厚は220nmである。第4の不純物層34の不純物濃度は、3×1015cm-3以下が好ましく、その膜厚は300nm以上500nm以下が好ましい。一例として、第4の不純物層34の不純物濃度は、3×1015cm-3であり、その膜厚は400nmである。
n型InxGa1-xAsコンタクト層8の表面には、エミッタ電極11が形成される。エミッタ電極11は、例えば、Ti(膜厚50nm)/Pt(膜厚50nm)/Au(膜厚200nm)を積層して成る電極である。p型GaAsベース層4の表面には、真性エミッタ領域51を間に挟んで対向するように一対のベース電極10が形成される。ベース電極10は、例えば、Ti(膜厚50nm)/Pt(膜厚50nm)/Au(膜厚200nm)を積層して成る電極である。サブコレクタ層2の表面には、コレクタ層3を間に挟んで対向するように一対のコレクタ電極9が形成される。コレクタ電極9は、例えば、AuGe(膜厚60nm)/Ni(膜厚10nm)/Au(膜厚200nm)/Mo(膜厚10nm)/Au(膜厚1um)を積層して成る電極である。
次に、図6から図9を参照しながら、バイポーラトランジスタ100の製造工程について説明する。
まず、図6に示すように、GaAs基板1の表面にn型GaAsサブコレクタ層2が形成される。次に、第1の不純物層31、第2の不純物層32、第3の不純物層33、及び第4の不純物層34が同一の製造工程でn型GaAsサブコレクタ層2に連続的に形成されることにより、n型GaAsコレクタ層3が形成される。このように、第1の不純物層31を、他の不純物層32,33,34と同一の製造工程で連続形成することにより、従来の製造工程をそのまま流用することが可能となり、第1の不純物層31の製造工程を簡略化できる。次に、第4の不純物層34にp型GaAsベース層4が形成される。次に、p型GaAsベース層4上にn型InxGa1-xPエミッタ層5が形成される。次に、n型InxGa1-xPエミッタ層5にn型GaAs層6が形成される。次に、n型GaAs層6にn型InxGa1-xAsグレーディング層7が形成される。次に、n型InxGa1-xAsグレーディング層7にn型InxGa1-xAsコンタクト層8が形成される。ここで、バイポーラトランジスタ100を構成する各層2〜8は、有機金属気相成長法などのエピタキシャル成長法によって形成される。n型の半導体層では、例えば、Siをドーパントとしてもよく、p型の半導体層では、例えば、Cをドーパントとしてもよい。また、n型InxGa1-xAsコンタクト層8では、Se又はTeをドーパントとすることにより、高濃度化を実現してもよい。
まず、図6に示すように、GaAs基板1の表面にn型GaAsサブコレクタ層2が形成される。次に、第1の不純物層31、第2の不純物層32、第3の不純物層33、及び第4の不純物層34が同一の製造工程でn型GaAsサブコレクタ層2に連続的に形成されることにより、n型GaAsコレクタ層3が形成される。このように、第1の不純物層31を、他の不純物層32,33,34と同一の製造工程で連続形成することにより、従来の製造工程をそのまま流用することが可能となり、第1の不純物層31の製造工程を簡略化できる。次に、第4の不純物層34にp型GaAsベース層4が形成される。次に、p型GaAsベース層4上にn型InxGa1-xPエミッタ層5が形成される。次に、n型InxGa1-xPエミッタ層5にn型GaAs層6が形成される。次に、n型GaAs層6にn型InxGa1-xAsグレーディング層7が形成される。次に、n型InxGa1-xAsグレーディング層7にn型InxGa1-xAsコンタクト層8が形成される。ここで、バイポーラトランジスタ100を構成する各層2〜8は、有機金属気相成長法などのエピタキシャル成長法によって形成される。n型の半導体層では、例えば、Siをドーパントとしてもよく、p型の半導体層では、例えば、Cをドーパントとしてもよい。また、n型InxGa1-xAsコンタクト層8では、Se又はTeをドーパントとすることにより、高濃度化を実現してもよい。
次に、図7に示すように、n型InxGa1-xAsコンタクト層8の表面にエミッタ電極11が形成される。次に、ホトレジストマスク(図示せず)をエッチングマスクとして、n型InxGa1-xAsコンタクト層8、n型InxGa1-xAsグレーディング層7、及びn型GaAs層6のうち、真性エミッタ領域51の直上部分が残されてその余の不要な部分がエッチング除去される。これにより、n型InxGa1-xAsコンタクト層8、n型InxGa1-xAsグレーディング層7、及びn型GaAs層6のメサ形状が画定される。
次に、図8に示すように、ホトレジストマスク(図示せず)をエッチングマスクとして、n型InxGa1-xPエミッタ層5、p型GaAsベース層4、及びコレクタ層3のメサ形状が形成されるように不要な部分がエッチング除去される。このとき、第1の不純物層31、第2の不純物層32、第3の不純物層33、及び第4の不純物層34の不要部分は、同一工程で連続的にエッチング除去される。複数の不純物層31,32,33,34の積層方向から見た複数の不純物層31,32,33,34のそれぞれの平面形状は、略同一である。このように、第1の不純物層31の平面形状が、他の不純物層32,33,34の平面形状と略同一になるように、第1の不純物層31を形成することにより、従来の製造工程をそのまま流用することが可能となり、第1の不純物層31の製造工程を簡略化できる。次に、n型InxGa1-xPエミッタ層5の領域のうち、ベース電極10が形成されるべき領域が除去されて、p型GaAsベース層4が露出した後、p型GaAsベース層4に接するベース電極10が形成される。このとき、アロイ処理によりオーミック接続が実現される。
次に、図9に示すように、サブコレクタ層2に接するコレクタ電極9が形成され、アロイ処理によりオーミック接続が実現される。最後に、バイポーラトランジスタ100の表面全体にSiN等のパッシベーション膜14が形成される。
なお、エミッタ層5とベース層4との組み合わせは、InGaP(エミッタ層)/GaAs(ベース層)に限られない。エミッタ層5とベース層4との組み合わせは、例えば、AlGaAs(エミッタ層)/GaAs(ベース層)、InP(エミッタ層)/InGaAs(ベース層)、InGaP(エミッタ層)/InGaAs(ベース層)、InGaP(エミッタ層)/GaAsSb(ベース層)、InGaP(エミッタ層)/AlGaAs(ベース層)、InGaP(エミッタ層)/InGaAsN(ベース層)、Si(エミッタ層)/SiGe(ベース層)、AlGaN(エミッタ層)/GaN(ベース層)などのヘテロ接合の組み合わせにも適用可能である。
尚、図10に示すように、複数の不純物層31,32,33,34の積層方向から見た複数の不純物層31,32,33,34のうち第1の不純物層31の平面形状は、他の不純物層32,33,34の平面形状の外側に延在してもよい。これにより、サブコレクタ層2と第1の不純物層31とが接触する面積が増大し、コレクタ抵抗Rcを更に低減させることができる。
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更又は改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、当業者が実施形態に適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。実施形態の各層及びその配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、特許請求の範囲に記載の方法は、各工程が記載されている順番に従って各工程が実施されることに本発明の範囲を限定するものではなく、各工程の記載順とは異なる順番で各工程が実施される方法も本発明の範囲に含まれるものである。
1…基板 2…サブコレクタ層 3…コレクタ層 4…ベース層 5…エミッタ層 9…コレクタ電極 10…ベース電極 11…エミッタ電極 201…第1の面 202…第2の面 301…第5の面 302…第6の面 401…第3の面 402…第4の面 100…バイポーラトランジスタ
Claims (17)
- 第1の面とその裏面である第2の面とを有するサブコレクタ層であって、前記第1の面に形成されるコレクタ電極を有するサブコレクタ層と、
第3の面とその裏面である第4の面とを有するベース層であって、前記第3の面に形成されるベース電極を有するベース層と、
前記第4の面に接する第5の面と、前記第1の面に接する第6の面であって、前記第5の面の裏面である第6の面とを有するコレクタ層であって、前記第6の面から前記第5の面にかけて不純物濃度が減少するように配置される複数の不純物層を備えるコレクタ層と、
前記第3の面に形成されるエミッタ層と、を備え、
前記複数の不純物層は、前記複数の不純物層のうち不純物濃度が最大であり、且つ前記第1の面に接する第1の不純物層を含み、
前記第1の不純物層のシート抵抗は、前記サブコレクタ層のシート抵抗の9倍以下である、バイポーラトランジスタ。 - 第1の面とその裏面である第2の面とを有するサブコレクタ層であって、前記第1の面に形成されるコレクタ電極を有するサブコレクタ層と、
第3の面とその裏面である第4の面とを有するベース層であって、前記第3の面に形成されるベース電極を有するベース層と、
前記第4の面に接する第5の面と、前記第1の面に接する第6の面であって、前記第5の面の裏面である第6の面とを有するコレクタ層であって、前記第6の面から前記第5の面にかけて不純物濃度が減少するように配置される複数の不純物層を備えるコレクタ層と、
前記第3の面に形成されるエミッタ層と、を備え、
前記複数の不純物層は、前記複数の不純物層のうち不純物濃度が最大であり、且つ前記第1の面に接する第1の不純物層を含み、
前記第1の不純物層の厚みは、前記サブコレクタ層の厚みの1/9倍以上10倍以下である、バイポーラトランジスタ。 - 請求項1に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記第1の不純物層のシート抵抗は、前記サブコレクタ層のシート抵抗の1/10倍以上である、バイポーラトランジスタ。 - 請求項1又は3に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記第1の不純物層のシート抵抗は、前記サブコレクタ層のシート抵抗の1/3倍以上3倍以下である、バイポーラトランジスタ。 - 請求項1乃至4のうち何れか1項に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記第1の不純物層の不純物濃度は、前記サブコレクタ層の不純物濃度と同程度である、バイポーラトランジスタ。 - 請求項1に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記第1の不純物層の厚みは、前記サブコレクタ層の厚みの1/9倍以上10倍以下である、バイポーラトランジスタ。 - 請求項1乃至6のうち何れか1項に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記サブコレクタ層の不純物濃度は、1×1018cm-3以上である、バイポーラトランジスタ。 - 請求項1乃至7のうち何れか1項に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記複数の不純物層の積層方向から見た前記複数の不純物層のそれぞれの平面形状は、略同一である、バイポーラトランジスタ。 - 請求項1乃至7のうち何れか1項に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記複数の不純物層の積層方向から見た前記複数の不純物層のうち前記第1の不純物層の平面形状は、他の不純物層の平面形状の外側に延在している、バイポーラトランジスタ。 - 請求項1乃至9のうち何れか1項に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記複数の不純物層は、前記第6の面から前記第5の面に向かう方向に、前記第1の不純物層に順次積層される第2の不純物層、第3の不純物層、及び第4の不純物層を更に含み、
前記第2の不純物層及び前記第3の不純物層の不純物濃度は、1×1016cm-3以上7×1016cm-3以下であり、
前記第4の不純物層の不純物濃度は、3×1015cm-3以下である、バイポーラトランジスタ。 - 請求項1乃至9のうち何れか1項に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記複数の不純物層は、前記第6の面から前記第5の面に向かう方向に、前記第1の不純物層に順次積層される第2の不純物層及び第3の不純物層を更に含み、
前記第2の不純物層の不純物濃度は、前記第3の不純物層の不純物濃度より高い、バイポーラトランジスタ。 - 請求項11に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記第2の不純物層の不純物濃度は、7×1016cm-3以下である、バイポーラトランジスタ。 - 請求項1乃至12のうち何れか1項に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記エミッタ層と前記ベース層とがヘテロ接合を形成し、前記エミッタ層のバンドギャップが前記ベース層のバンドギャップより大きい、バイポーラトランジスタ。 - 請求項1乃至13のうち何れか1項に記載のバイポーラトランジスタであって、
前記サブコレクタ層、前記コレクタ層、前記エミッタ層、及び前記ベース層は、化合物半導体から形成されている、バイポーラトランジスタ。 - バイポーラトランジスタの製造方法であって、
サブコレクタ層を形成する工程と、
コレクタ層を形成する工程と、
ベース層を形成する工程と、
エミッタ層を形成する工程と、を含み、
前記サブコレクタ層は、第1の面とその裏面である第2の面とを有しており、
前記ベース層は、第3の面とその裏面である第4の面とを有しており、
前記コレクタ層は、前記第4の面に接する第5の面と、前記第1の面に接する第6の面であって、前記第5の面の裏面である第6の面とを有しており、
前記コレクタ層を形成する工程は、前記第6の面から前記第5の面にかけて不純物濃度が減少するように複数の不純物層を形成する工程を含み、
前記エミッタ層を形成する工程は、前記第3の面にエミッタ層を形成する工程を含み、
前記複数の不純物層は、前記複数の不純物層のうち不純物濃度が最大であり、且つ前記第1の面に接する第1の不純物層を含み、
前記第1の不純物層のシート抵抗は、前記サブコレクタ層のシート抵抗の9倍以下である、バイポーラトランジスタの製造方法。 - 請求項15に記載のバイポーラトランジスタの製造方法であって、
前記コレクタ層を形成する工程は、前記複数の不純物層を同一の製造工程で連続的に形成する工程を含む、バイポーラトランジスタの製造方法。 - 請求項15又は16に記載のバイポーラトランジスタの製造方法であって、
前記コレクタ層を形成する工程は、前記複数の不純物層の不要部分を同一工程で連続的にエッチング除去する工程を含む、バイポーラトランジスタの製造方法。
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