JP2021086878A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板ならびにヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】従来構成のＧａＮ系ＨＢＴでは、高性能で且つ高信頼性を有するデバイスの実現が困難という課題を解決し、格子歪みの増大を防ぎながらバンドギャップを大きくできるヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板と、それを用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供すること。【解決手段】ウルツ鉱型結晶構造を有するIII族窒化半導体が、下層から順にコレクタ層、ベース層、エミッタ層と＋ｃ軸方向に積層した構造からなり、前記エミッタ層にはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれもが主成分元素として含まれる、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板である。【選択図】図１

Description

本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに関する。

高周波トランジスタは、移動体通信システムにおける増幅器のほか、衛星通信や自動車間衝突防止システムといった幅広い分野で用いられている。その技術動向としては、移動体通信機器の堅調な市場推移、トラフィック量増加に伴う利用電波帯域の拡張、レーダを搭載した自動車の増加、ＩｏＴや無線電力伝送システムの本格実用化、など多様な分野で社会的ニーズが高まると予測されている。こうした中、次世代の高周波トランジスタとしては、ミリ波レベルの高周波域においても高出力・高利得であって、且つ、より低雑音でリニアリティの優れるデバイスが望まれている。

ワイドバンドギャップ半導体のＩＩＩ族窒化物（ＧａＮ系）材料を用いた高周波トランジスタとしては、これまで「高電子移動度トランジスタ（High-Electron-Mobility Transistor：ＨＥＭＴ）」と呼ばれるデバイス形態について活発な研究開発がなされてきた。ＧａＮ系ＨＥＭＴは、従来のＧａＡｓ系ＨＥＭＴを超える高出力の高周波デバイスとして開発が進み、現在までに携帯電話基地局の増幅器や衛星通信システムなどの分野で実用化されてきた。一方、ＨＥＭＴは、半導体結晶の積層界面に沿って横方向に電子を走行させる構成であるため、導通断面積を大きく出来ず、現状以上の大電流化・高出力化が困難であること、ＨＥＭＴに用いられるＡｌＧａＮ／ＧａＮ積層構造では、表面側のＡｌＧａＮ結晶に大きな格子歪みが内在しておりデバイスの信頼性に懸念がある、といった課題が指摘されてきた。こうしたことから、将来の多様なニーズに対応できる高周波トランジスタとしてＧａＮ系ＨＥＭＴ以外のデバイスコンセプト、具体的には、非特許文献１、２に記載のＧａＮ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Heterojunction Bipolar Transistor：ＨＢＴ）に対する期待が高まっている。

ＨＥＭＴとは異なる原理で動作するＨＢＴは、デバイスチップの縦方向（厚み方向）を主電流の導通経路としており、電流増幅率を落とさずに動作速度を向上させられる。このため、ＨＥＭＴよりも高い電流密度でありながら高周波動作が可能で、且つ、低雑音でリニアリティに優れるといった特長を有している。こうした特長を持つＨＢＴは、ＧａＡｓ系半導体では既に実用化されており、携帯電話端末の増幅器等に広く用いられているほか、近年では車載ミリ波レーダの電圧制御発振器として採用されている。しかし、ミリ波応用においては、ＧａＡｓの物性に起因する利得・出力面での性能不足が顕在化しており、それを補うために多段増幅化による対応がなされてはいるが、回路構成・システムが大型化・複雑化するという問題が生じていた。こうしたことから、ＧａＡｓよりも大電力を取り扱えるＧａＮ系ＨＢＴの登場が期待されるようになっている。

特許文献１には、コレクタ層、ベース層及びエミッタ層を備えるバイポーラトランジスタであり、コレクタ層が、第１窒化ガリウム系半導体層であり、エミッタ層が、第３窒化ガリウム系半導体層である場合や、インジウム組成が傾斜した組成傾斜層である場合が記載されている。

非特許文献１、２は、ＧａＮ系半導体を用いたＨＢＴに関する典型的な構成を示している。これらの記載内容によると、従来のＧａＮ系ＨＢＴとしては、エミッタ／ベースの組合わせとしてＡｌＧａＮ／ＧａＮやＧａＮ／ＧａＩｎＮが選ばれてきた。これは、ＧａＮとＡｌＮの混相であるＡｌＧａＮでは、ＡｌＮ比を増加することでＡｌＧａＮのバンドギャップがＧａＮよりも大きくなること、同様に、ＧａＩｎＮ混晶のＩｎＮ比を増加するとＧａＩｎＮのバンドギャップがＧａＮよりも小さくなることによる。

特開２０１２−１５６２５３号公報

Xing et al., IEEE Electron Device Letters 24 (2003) 141. Makimoto and kumakura, Electronics and Communications in Japan, Part 2, 89 (2006) 20.

結晶成長の観点から注意が必要な事項として、以下の２点がしばしば指摘されている。すなわち、まず一般に、ＧａＮ上のＡｌＧａＮや、ＩｎＧａＮ上のＧａＮなど、異種材料をエピタキシャル成長技術で積層する場合、上層材料の積層面方向の格子長（ウルツ鉱型のＧａＮ系半導体の場合はａ軸長）は下層材料の格子長を引き継いで成長する。そして、次にＡｌＧａＮやＧａＩｎＮのような三元系の窒化物混晶では、バンドギャップの増加に伴い、本来の格子定数が単調減少するという関係がある。すなわち、ＡｌＧａＮ／ＧａＮの組み合わせでは、エミッタＡｌＧａＮ層の本来のａ軸長はベース層ＧａＮのａ軸長よりも短いが、実際のＡｌＧａＮ層はＧａＮ層のａ軸長を引き継いで成長する。結果としてＡｌＧａＮ層はａ軸方向に格子が引っ張られ歪んだ形になる。同様に、ＧａＮ／ＩｎＧａＮの場合にでも、エミッタＧａＮ層はａ軸方向に格子が引っ張られ歪んだ形になる。

上記の結果として、従来構成のＧａＮ系ＨＢＴでは、エミッタ層のバンドギャップを大きくすればするほど歪みが大きくなり、反対に歪みを小さくしようとするとベース層とのバンドギャップ差が確保できない、という背反事項があった。一般に、積層面方向に結晶が引っ張られる場合、その内部応力に起因してマイクロクラックやミスフィット転位が発生しやすくなるため、結晶品質が劣化、ひいてはデバイスの信頼性が大きく損なわれる可能性がある。以上より、現状では、従来構成のＧａＮ系ＨＢＴでは、高性能で且つ高信頼性を有するデバイスの実現が困難という課題があった。
本発明は上記課題を解決し、格子歪みの増大を防ぎながらバンドギャップを大きくできるヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板と、それを用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供する。

（１）ウルツ鉱型結晶構造を有するIII族窒化半導体が、下層から順にコレクタ層、ベース層、エミッタ層と＋ｃ軸方向に積層した構造からなり、前記エミッタ層にはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれもが主成分元素として含まれる、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板である。
（２）前記エミッタ層の元素組成が化学式Ａｌ_ＸＧａ_ｙＩｎ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表され、前記エミッタ層の面内格子歪みε_ｘｘが−１％≦ε_ｘｘ≦０である、（１）に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板である。
なお、ε_ｘｘは、正の値のとき面内引張歪みを、負の値のとき面内圧縮歪みを示す
（３）前記ベース層結晶におけるａ軸長がａ_０であらわされるとき、前記エミッタ層であるＡｌｘＧａｙＩｎ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）の組成が数式（１）で表される、（２）に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板である。
（数1）

数式（１）に従えば、任意のＡｌＮ混晶比ｘ値についてＡｌＧａＩｎＮ層の組成範囲を規定することができる。
（４）前記ベース層の主成分元素にＧａとＩｎが含まれる、（１）〜（３）の何れか１つに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板である。
（５）前記ベース層の主成分組成がＧａＮである、（１）〜（４）の何れか１つに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板である。
（６）前記エミッタ層を構成する結晶は積層面方向に引張歪みを内包していない、（１）〜（５）の何れか１つに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板である。
（７）（１）〜（６）の何れか１つに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板を用いて作製された、ヘテロ接合バイポーラトランジスタである。

本発明によるヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板と、それを用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタは、格子歪みの増大を防ぎながらバンドギャップを大きくできるという効果を奏する。

本発明の一つの実施態様である典型的なＨＢＴの断面模式図を示した図である。 直径２インチの単結晶サファイア基板上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて作製したなＨＢＴ構造を示した図である。 （Ａ）実施例１〜１０に対する光学顕微鏡による表面状態検査、（Ｂ）比較例１〜４に対する光学顕微鏡による表面状態検査を、それぞれを示した図である。 実施例１〜１０におけるＨＢＴの構造を示す図である。 実施例１１〜１３におけるＨＢＴのトランジスタ特性評価結果を示す図である。 実施例１４におけるＨＢＴ用エピタキシャル基板の構造を示す図である。 実施例１５におけるＨＢＴ用エピタキシャル基板の構造を示す図である。 比較例５におけるＨＢＴ用エピタキシャル基板の構造を示す図である。 比較例６におけるＨＢＴ用エピタキシャル基板の構造を示す図である。

発明者らは、高性能のＧａＮ系ＨＢＴを提供するための技術として、ベース層であるＧａＮやＧａＩｎＮに対し、少なくともａ軸方向に引張応力を内包しない組成、換言すればベース層結晶のａ軸長に格子整合して成長する組成、あるいはベース層結晶のａ軸方向に圧縮歪みを内包する四元混晶系ＡｌＧａＩｎＮをエミッタ層とするＨＢＴ構造を発明した。すなわち、所定の組成範囲のＡｌＧａＩｎＮ結晶をエミッタ層とすることにより、結晶品質が劣化することなくＨＢＴ型の積層構造を形成できるため、高性能・高信頼性のＨＢＴを実現できる。

（実施例１〜１０、比較例１〜４）
図１には、典型的なＨＢＴの断面模式図を示す。六方晶ウルツ鉱型を安定な結晶構造とするＧａＮ系半導体を用いてＨＢＴを構成しようとする場合、六方晶のｃ軸方向に沿って下から順番に、コレクタ層（設計によってはサブコレクタ層を含む）、ベース層、エミッタ層を、エピタキシャル成長技術を用いて積層する。ここで、ＨＢＴの構造的特徴として、エミッタ層を構成する半導体のバンドギャップが、ベース層を構成する半導体のバンドギャップより大きくなければならない。このような構成とすることで、ベースからエミッタへのキャリア注入を抑制し高周波動作を実現することが出来る。

（サファイア基板上への基本構成）
図２には、直径２インチの単結晶サファイア基板上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いて作製したなＨＢＴ構造を示した。なお、この積層構造は、下から順番に、低温成長ＧａＮバッファ層（厚さ３０ｎｍ）、ノンドープＧａＮ層（厚さ２μｍ）、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたｎ型ＧａＮサブコレクタ層（５００ｎｍ）、Ｓｉを２×１０^１７／ｃｍ^３ドープしたｎ型ＧａＮコレクタ層（２００ｎｍ）、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮベース層（１００ｎｍ）と、その上層にＳｉを２×１０^１９／ｃｍ^３ドープした様々な混晶組成のＡｌＧａＩｎＮエミッタ層（１００ｎｍ）からなっている。

表１には、作製したエピタキシャル基板におけるエミッタ組成をラザフォード後方散乱法で、そのａ軸長と格子歪みをＸ線回折法で調べた結果を示した。その結果、試料番号１−１から１−１０まで（実施例１〜１０）の１０試料については、そのエミッタ組成が数式（１）の範囲内であり、また、面内圧縮方向の格子歪みを内包していることが確認できた。

図３（Ａ）には、試料番号１−１から１−１０まで（実施例１〜１０）の１０試料に対する光学顕微鏡での表面状態、同（Ｂ）試料番号１−１１〜１−１４まで（比較例１〜４）の４試料に対する光学顕微鏡での表面状態検査を、それぞれ示した。試料番号１−１から１−１０まで（実施例１〜１０）の１０試料については、図３（Ａ）に示すような平坦な表面が得られたのに対し、試料番号１−１１〜１−１４まで（比較例１〜４）の４試料については、同（Ｂ）に示すような表面クラックが発生していることが確認された。このクラックは、形成したエミッタ層が面内引張方向の歪みを内包したために発生したものと推察される。

図４には、実施例１〜１０のＨＢＴ素子の構造を示した。その手順は次のようである。作製したエピタキシャル基板に対して、まず、第１の工程として、フォトリソグラフィ技術と反応性イオンエッチング法を用いて、ベース電極、ならびにコレクタ電極を形成する部位のエッチング処理を施した。このとき、エッチングにより除去されなかった最上層部は、エミッタ電極を形成する部位に相当しており、１辺が０．１ｍｍの正方形構造となっている。

第２の工程として、ベース層領域にドープしたアクセプタ元素Ｍｇのイオン化のために窒素雰囲気中７００℃中の熱処理を４５分間施した。続いて、第３の工程として、エミッタ電極、コレクタ電極の形成領域に、フォトリソグラフィ技術と電子ビーム蒸着法によって下から順にＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕ（厚さ１５／６０／１２／６０ｎｍ）からなる多層金属膜パターンを形成、その後、窒素雰囲気中７５０℃の熱処理を１分間施すことで、各々の領域においてｎ型オーミック電極を得た。

次に、第４の工程として、フォトリソグラフィ技術と電子ビーム蒸着法を用いてベース電極形成領域に下から順にＮｉ／Ａｕ（厚さ５／６０ｎｍ）からなる２層金属膜パターンを形成した後、酸素雰囲気中６００℃の熱処理を５分間施すことによってｐ型オーミック電極を得た。最後に、エミッタ、ベース、コレクタ層の上層にＮｉ／Ａｕ（厚さ１０／２００ｎｍ）からなるパッド金属を形成した。

表２には、このように作製したＨＢＴ素子のトランジスタ特性の評価を行った結果を示している。表２に示すように、試料番号１−１から１−１０まで（実施例１〜１０）のエピタキシャル基板を用いて作製したＨＢＴ素子はいずれもが良好なトランジスタ特性を示した。

（膜厚範囲、実施例１１〜１３）
直径２インチの単結晶サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて図５に示すようなＨＢＴ構造を作製した（実施例１１〜１３）。なお、この積層構造は、エミッタ層に、Ｓｉを２×１０^１９／ｃｍ^３ドープした、膜厚の異なるＡｌ_０．４５Ｇａ_０．４４Ｉｎ_０．１１Ｎ（５０ｎｍ（実施例１１）、１５０ｎｍ（実施例１２）、２００ｎｍ（実施例１３）の計３水準）を用いたこと以外、実施例１〜１０と同様な構成となっている。作製したエピタキシャル基板について、光学顕微鏡での表面状態検査を行ったところ、実施例１の試料番号１−１から１−１０まで（実施例１〜１０）の１０試料と同様、平坦な表面が得られていることを確認した。
このように作製したエピタキシャル基板に対して、フォトリソグラフィ技術を用い、実施例１〜１０と同様の手順でＨＢＴ素子を作製しその特性評価を行った。

（自立ＧａＮ基板上→ベース層の格子定数が変化、実施例１４）
直径２インチのｎ型ＧａＮ自立基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて図６に示すようなＨＢＴ構造を成長した。なお、この積層構造は、下から順番に、Ｓｉを５×１０^１７／ｃｍ^３ドープしたｎ型ＧａＮコレクタ層（２００ｎｍ）、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型ＧａＮベース層（１００ｎｍ）、Ｓｉを２×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．４５Ｇａ_０．４４Ｉｎ_０．１１Ｎエミッタ層（１００ｎｍ）からなる。作製したエピタキシャル基板について、光学顕微鏡での表面状態検査を行ったところ、実施例の試料番号１−１から１−１０まで（実施例１〜１０）の１０試料と同様、平坦な表面が得られていることを確認した。
このように作製したエピタキシャル基板に対して、フォトリソグラフィ技術を用い、実施例１〜１０と同様の手順でＨＢＴ素子を作製しその特性評価を行った。

（ベース層がＧａＩｎＮ→ベース層の格子定数が変化、実施例１５）
直径２インチの単結晶サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて図７に示すＨＢＴ構造を成長した（実施例１５）。なお、この積層構造は、下から順番に、低温成長ＧａＮバッファ層（厚さ３０ｎｍ）、ノンドープＧａＮ層（厚さ２μｍ）、Ｓｉを５×１０^１８／ｃｍ^３ドープしたｎ型ＧａＮサブコレクタ層（５００ｎｍ）、Ｓｉを５×１０^１７／ｃｍ^３ドープしたｎ型ＧａＮコレクタ層（２００ｎｍ）、ノンドープのＧａＮ→Ｇａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎ傾斜組成層（５０ｎｍ）、Ｍｇを１×１０^２０／ｃｍ^３ドープしたｐ型Ｇａ_０．９５Ｉｎ_０．０５Ｎベース層（１００ｎｍ）、Ｓｉを２×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．３７Ｇａ_０．５０Ｉｎ_０．１３Ｎエミッタ層（１００ｎｍ）からなる。作製したエピタキシャル基板について、光学顕微鏡での表面状態検査を行ったところ、実施例１の試料番号１−１から１−１０まで（実施例１〜１０）の１０試料と同様、平坦な表面が得られていることを確認した。
このように作製したエピタキシャル基板に対して、フォトリソグラフィ技術を用い、実施例１〜１０と同様の手順でＨＢＴ素子を作製しその特性評価を行った。

（エミッタ／ベースがＡｌＧａＮ／ＧａＮ、比較例５）
直径２インチの単結晶サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて図８に示すＨＢＴ構造を成長した。なお、この積層構造は、エミッタ層にＳｉを２×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＡｌ_０．１５Ｇａ_０．７５Ｎ（１００ｎｍ）を用いたこと以外、実施例１〜１０と同様な構成となっている。作製したエピタキシャル基板について、光学顕微鏡での表面状態検査を行ったところ、試料番号１−１１から１−１４まで（比較例１〜４）の４試料と同様、表面にクラックが発生していることを確認した。このクラックは、形成したエミッタ層が面内引張方向の歪みを内包したために発生したものと推察される。
このように作製したエピタキシャル基板に対して、フォトリソグラフィ技術を用い、実施例１〜１０と同様の手順でＨＢＴ素子を作製しその特性評価を行った。
以上、実施例１１〜１５と比較例５、６によるエピタキシャル膜の評価結果を表３に示す。ここに示すように、本発明で指定した範囲の構造を有する実施例１１〜１５については、いずれも表面クラックの無い良好なエピタキシャル構造が得られていることが明らかである。

（エミッタ／ベースがＧａＮ／ＧａＩｎＮ、比較例６）
直径２インチの単結晶サファイア基板上に、ＭＯＣＶＤ法を用いて図９に示すＨＢＴ構造を成長した。なお、この積層構造は、エミッタ層にＳｉを２×１０^１９／ｃｍ^３ドープしたＧａＮ（１００ｎｍ）を用いたこと以外、実施例１５と同様な構成となっている。作製したエピタキシャル基板について、光学顕微鏡での表面状態検査を行ったところ、実施例１の試料番号１−１１から１−１４まで（比較例１〜４）の４試料と同様、表面にクラックが発生していることを確認した。このクラックは、形成したエミッタ層が面内引張方向の歪みを内包したために発生したものと推察される。
このように作製したエピタキシャル基板に対して、フォトリソグラフィ技術を用い、実施例１〜１０と同様の手順でＨＢＴ素子を作製しその特性評価を行った。
以上、実施例１１〜１５と比較例５、６によるエピタキシャル膜の評価結果を表４に示す。ここに示すように、本発明で指定した範囲の構造を有する実施例１１〜１５については、いずれも表面クラックの無い良好なエピタキシャル構造が得られていることが明らかである。

ＨＢＴは、ＧａＡｓ系半導体では既に実用化されており、携帯電話端末の増幅器等に広く用いられているほか、近年では車載ミリ波レーダの電圧制御発振器として採用されている。しかし、ミリ波応用においては、ＧａＡｓの物性に起因する利得・出力面での性能不足が顕在化しており、それを補うために多段増幅化による対応がなされているが、回路構成・システムが大型化・複雑化するという問題が生じていた。こうしたことから、ＧａＡｓよりも大電力を取り扱えるＧａＮ系ＨＢＴの登場が期待されるようになっている。

Claims (7)

1. ウルツ鉱型結晶構造を有するIII族窒化半導体が、下層から順にコレクタ層、ベース層、エミッタ層と＋ｃ軸方向に積層した構造からなり、前記エミッタ層にはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎのいずれもが主成分元素として含まれる、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板。
2. 前記エミッタ層の元素組成が化学式Ａｌ_ＸＧａ_ｙＩｎ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ （０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）で表され、前記エミッタ層の面内格子歪みε_ｘｘが−１％≦ε_ｘｘ≦０である、請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板。
3. 前記ベース層結晶におけるａ軸長がａ_０であらわされるとき、前記エミッタ層であるＡｌｘＧａｙＩｎ_{１−（ｘ＋ｙ）}Ｎ（０＜ｘ＜１、０≦ｙ＜１）の組成が数式（１）で表される、請求項２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板。
   

   
4. 前記ベース層の主成分元素にＧａとＩｎが含まれる、請求項１〜３の何れか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板。
5. 前記ベース層の主成分組成がＧａＮである、請求項１〜４の何れか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板。
6. 前記エミッタ層を構成する結晶は積層面方向に引張歪みを内包していない、請求項１〜５の何れか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャル基板を用いて作製された、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
   
   

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