JP3601305B2

JP3601305B2 - 半導体装置

Info

Publication number: JP3601305B2
Application number: JP21372198A
Authority: JP
Inventors: 知紀田上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-07-29
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2018-07-29
Also published as: JP2000049165A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置に係り、特に高速かつ高出力な信号の増幅に適したバイポーラ型半導体装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のバイポーラ型半導体装置については例えば１９９６年ガリウムヒ素アイシーシンポジウム・テクニカルダイジェスト９１頁〜９４頁（ＧａＡｓＩＣＳｙｍｐｏｓｉｕｍＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ１９９６ｐｐ９１−９４）、また、その熱的な安定化については１９９５年ガリウムヒ素アイシーシンポジウム・テクニカルダイジェスト１４７頁〜１５０頁（ＧａＡｓＩＣＳｙｍｐｏｓｉｕｍＴｅｃｈｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ１９９５ｐｐ１４７−１５０）に詳しい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
バイポーラ型トランジスタにおいてはその特性上、熱的不安定性が容易に生じる。その理由は以下のとおりである。
【０００４】
バイポーラ型トランジスタの電流は一般にベース・エミッタ間に印加した電圧を絶対温度で除したものの指数関数に比例する。したがってバイポーラ型トランジスタのベースを電圧源を用いて駆動すると、まず（１）電力消費に伴う発熱で温度が上昇する。それに伴って、上記指数が増大し（２）素子電流が増加する。その結果（３）消費電力が増大し、さらに温度が上昇する。この（１）〜（３）の繰り返しにより、放熱が発熱と釣り合うまで温度は上昇する。放熱が十分でなければ素子の破壊に至る。これが熱的不安定性であり、特に消費電力の大きい高出力トランジスタにおいてその抑制は不可欠である。
【０００５】
上記従来例においては、この熱的不安定性を解消するために、ベースもしくはエミッタ端子に直列にバラスト抵抗と呼ばれる抵抗を挿入している。このバラスト抵抗の熱的不安定性に対する効果は以下のとおりである。
【０００６】
電力消費に伴う発熱で電流増大が生じるとバラスト抵抗における電圧降下が増大する。その結果、ベース・エミッタ間の電圧は減少し、電流増大は抑制される。したがって消費電力が増大し、さらに温度が上昇することが避けられる。
【０００７】
ところが、このバラスト抵抗は素子の寄生抵抗として振る舞うため、高周波利得の減少等の性能劣化を引き起こすという問題があった。さらに、バラスト抵抗をトランジスタ領域外に金属等の抵抗体を用いて形成すると、抵抗値の精度は高いが面積増大を招くという問題があった。また上記第２の従来例のように、エミッタ領域中に低ドープ半導体領域を設け、半導体抵抗を用いてバラスト抵抗を形成すると、エミッタ領域が厚くなり、素子形成上の困難が生じると共に、抵抗値の精度を高くすることが困難であるという問題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、本発明ではエミッタ領域中に量子井戸構造を有する電流飽和型の非線形素子を形成した。
【０００９】
すなわち本発明の半導体装置は、（１）エミッタ領域，ベース領域，コレクタ領域からなるバイポーラ型半導体装置において、エミッタ領域中に電子のデバイ長と同程度以下の寸法を有するポテンシャル障壁層とポテンシャル井戸層からなる量子井戸領域を有し、かつ、熱平衡状態において、その量子井戸中に形成される量子化エネルギ準位が量子井戸外の半導体の禁制帯端とフェルミエネルギとの間に位置することを特徴とする。
【００１０】
また、（２）上記（１）において、量子井戸領域がエミッタ・ベース接合の空乏層の外側に位置することを特徴とする。また（３）上記（１）において、エミッタ・ベース間の微分抵抗が全ての電流領域において正もしくは零であることを特徴とする。また（４）上記（２）において、ポテンシャル井戸層を形成する材料の禁制帯端での坦体のエネルギが量子井戸領域外の半導体における坦体のエネルギよりも低いことを特徴とする。また（５）上記（１）〜（４）に示す半導体装置を同一基板上で複数並列に接続したことを特徴とする。
【００１１】
量子井戸構造は、その中に形成される量子化エネルギ準位が量子井戸構造外部の半導体の禁制帯端とフェルミエネルギとの間に位置する場合（共鳴状態）、共鳴トンネル効果により大きな電流が流れる、即ち、低抵抗である。電界が印加されて、上記共鳴条件から外れると、共鳴トンネル電流が流れないために、電流が減少して高抵抗化し、更には負性抵抗を生じる場合がある。実際にはポテンシャル障壁を越えて流れる電流成分などの非共鳴的に流れる電流成分があるために、障壁層厚さを調整することにより、電流飽和型の電流電圧特性が容易に生じる。
【００１２】
本発明において、通常動作電流時には量子井戸構造が共鳴状態にあるように量子井戸構造を設計することにより、通常動作時には寄生抵抗の増大はごくわずかにでき、一方、電流が増大すると電流飽和型の電流電圧特性を有する量子井戸構造における電圧降下が増大し、電流の増大を抑制できる。また、トランジスタ領域外に抵抗体を形成する必要がなく、面積増大も避けることが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〈実施例１〉
図１は本発明のバイポーラ型半導体装置の断面構造模式図である。図１において１はｎ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型ＧａＡｓサブコレクタ（ｎ＝２×１０^１８／ｃｍ^３，厚さ０．５マイクロメートル）、３はｎ型ＧａＡｓコレクタ（ｎ＝２×１０^１６／ｃｍ^３，厚さ０．３マイクロメートル）、４はｐ型ＧａＡｓベース（厚さ０．１マイクロメートル，ｐ＝４×１０^１９／ｃｍ^３）、５はｎ型ＩｎＧａＰエミッタ（ｎ＝５×１０^１７／ｃｍ^３，厚さ０．０５マイクロメートル，Ｉｎ組成比０．５）、６はｎ型ＧａＡｓキャップ（ｎ＝５×１０^１８／ｃｍ^３，厚さ０．０５マイクロメートル）、７はアンドープ量子井戸構造、８はｎ型組成グレーデッドＩｎＧａＡｓキャップ（ｎ＝０．５〜２×１０^１９／ｃｍ^３，厚さ０．０５マイクロメートル，Ｉｎ組成比０〜０．５）、９はＡｕ／Ｍｏ積層エミッタ電極（厚さＡｕ：０．２マイクロメートル／Ｍｏ：０．０５マイクロメートル）、１０はベース引き出し電極（ＡｕＺｎ：Ｚｎ０．１モル％）、１１はコレクタ引き出し電極（ＡｕＧｅ：Ｇｅ６モル％）である。
【００１４】
また、量子井戸構造７は図３にそのエネルギバンド構造図を示したように、ＡｌＧａＡｓポテンシャル障壁層１０１および１０２（厚さ１０ナノメートル，Ａｌ組成比０．２）、および歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層１０３（厚さ５ナノメートル，Ｉｎ組成比０．２）の３層構造である。
【００１５】
作成工程は以下のとおりである。まず、ｎ型ＧａＡｓ基板１上に前記図１の３から８までの半導体層を結晶成長する。この成長には通常のＭＢＥ法かＭＯＭＢＥ法を用い、ｎ型ドーパントにはＳｉ、あるいはＳｎを、ｐ型ドーパントにはＢｅもしくはＣを用いればよい。ｐ型ドーパントとしてＺｎを用いれば、ＭＯＣＶＤ法により堆積を行うことが可能である。成長後、基板を成長装置から取り出し、通常のホトリソグラフィーと化学エッチングを用いてエミッタ領域以外の領域のエミッタから表面側の層５〜８をエッチングし除去する。続いて同様に通常のホトリソグラフィーと化学エッチングを用いてベース領域以外の領域のコレクタから表面側の層２〜４をエッチングし除去する。しかる後に、エミッタ電極９およびベース電極１０を通常のホトリソグラフィーとリフトオフ法により形成し、さらに基板裏面にコレクタ電極１１を形成してトランジスタを構成する。
【００１６】
この後電極上にさらに絶縁層を設け配線とのコンタクト穴加工をした後に配線金属を被着・加工してトランジスタが完成する。
【００１７】
このようにして形成したトランジスタの動作について以下に説明する。図２は本発明のトランジスタのエネルギバンド構造図であるが、これは量子井戸構造７を除いて通常のヘテロ接合バイポーラトランジスタと同様である。
【００１８】
量子井戸構造７の動作は以下のとおりである。まず、図３に示す量子井戸構造では障壁層１０１および１０２による電子の閉じ込め効果のために量子井戸層１０３中の電子の運動は層に垂直な方向に量子化され、図３中に１０４および１０５で示す量子化準位を形成する。今、量子井戸構造７を挟む両側の層６および８はｎ＝５×１０^１８／ｃｍ^３と高濃度にドーピングされているため、フェルミエネルギは禁制帯端よりも高いエネルギとなり、電子は縮退していわゆる電子の海１０６および１０７が形成されている。量子井戸層１０３はＩｎＧａＡｓからなり、図３に示すとおりその禁制帯端のエネルギはキャップ層６および８の量子井戸構造に接する部分を構成するＧａＡｓの禁制帯端のエネルギよりも低い。ところが、先に述べた閉じ込めの効果により、この構造では量子化準位１０４のエネルギはキャップ層６および８の量子井戸構造に接する部分を構成するＧａＡｓの禁制帯端のエネルギとフェルミエネルギの中間の値となる。
【００１９】
この構造に電流を流すと、電流が小さいうちは図４に示すとおり電子は１０７から１０４へと流れる。これが共鳴トンネル電流である。徐々に電流を増加させると量子井戸構造７の内部に電界が生じ、終には図５に示すように量子化準位１０４のエネルギがキャップ層８の禁制帯端エネルギよりも低くなり、上記共鳴トンネル電流は流れなくなる。したがって、流れる電流は図５に示した量子化準位１０５を介して流れる電流、量子井戸構造７を非共鳴的にトンネルして流れる電流、障壁を越える高いエネルギを有する電子による電流の和となる。
【００２０】
本実施例の場合には障壁層１０１および１０２にＡｌ組成比０．２のＡｌＧａＡｓという比較的エネルギ障壁の低い材料を用いたため、上記共鳴トンネル電流以外の電流が比較的多い。そのため、量子井戸構造部分のみの電流電圧特性は、共鳴トンネル電流が流れなくなった場合にしばしば観測される負性微分抵抗特性ではなく、図６に示すような電圧の上昇に対して電流が飽和する特性となる。本実施例の構造ではこの電流飽和の起きる電流密度が４０ｋＡ／ｃｍ^２程度、その時の量子井戸構造にかかる電圧は２０ｍＶ程度である。また、量子井戸構造にかかる電圧が１００ｍＶ程度まで電流飽和が生じている。
【００２１】
さて、このような量子井戸構造を有する半導体装置の動作は以下に述べるようになる。本実施例の半導体装置は基本的にバイポーラ型トランジスタであるので、その電流は一般にベース・エミッタ間に印加した電圧を絶対温度で除したものの指数関数に比例する。したがって、本発明の課題の項でも述べたように、ベースを電圧源を用いて駆動すると熱的不安定性が生じる可能性が存在する。しかし本実施例では量子井戸構造の導入により以下に述べるようにこの熱的不安定性は取り除かれている。
【００２２】
電力消費に伴う発熱で電流増大が生じると図６に示したように、量子井戸構造での電流飽和が生じる電流密度で電圧降下が増大する。その結果、ベース・エミッタ接合の電圧は減少し、電流増大は抑制される。したがって、消費電力が増大しさらに温度が上昇することが避けられる。
【００２３】
この効果を本発明の課題の項で述べたバラスト抵抗による熱的安定化と比較すると、（１）４０ｋＡ／ｃｍ^２程度で１００ｍＶ程度の電圧上昇を生じるバラスト抵抗と比べて直列抵抗分が１／５程度と小さく、高周波利得の減少等の性能劣化が最小限に抑えられている。実際、本実施例のトランジスタはエミッタ寸法３マイクロメートル×１０マイクロメートルの素子において、電流１０ｍＡで遮断周波数４０ＧＨｚを示した。
【００２４】
一方、同一のエミッタ寸法でバラスト抵抗にて電流１２ｍＡ（電流密度が４０ｋＡ／ｃｍ^２）において１００ｍＶの電圧降下を発生させるように８オームのバラスト抵抗を作り込んだトランジスタでは、バラスト抵抗による高周波特性の劣化のために電流１０ｍＡで遮断周波数３２ＧＨｚを示した。
【００２５】
また、（２）トランジスタ領域外に金属等の抵抗体を用いてバラスト抵抗を形成する必要がなく、面積増大を招くことがない。実際、上記８オームのバラスト抵抗を抵抗率１００オーム／角の抵抗体を用いて形成した場合、その面積は１０マイクロメートル×２５マイクロメートルとなりトランジスタ面積と同程度となった。
【００２６】
さらに、（３）エミッタ領域中に低ドープ半導体領域を設け、半導体抵抗を用いてバラスト抵抗を形成する場合と比較して、本実施例では２５ナノメートルの厚さの量子井戸構造を用いており、通常、０．１〜０．２マイクロメートルの厚さをバラスト抵抗に用いる低濃度半導体層のみに必要とする場合と比較して、エミッタおよびキャップ層の合計厚さが薄い。本実施例のエミッタから上層５〜８の厚さは合計０．１７５マイクロメートルである。この値とエミッタ電極金属の厚さと合計しても、通常の配線金属層の厚さ０．５〜１マイクロメートル程度と比較して小さいので素子形成上の困難が生じるということがない。
【００２７】
本実施例ではｎ型ＧａＡｓ基板を用いたトランジスタについて述べたが、半絶縁性ＧａＡｓ基板を用いた場合にはサブコレクタ層を基板表面側から露出させる工程を設け、そこから電極取出しを行うことによって同様の効果が得られることはもちろんである。
【００２８】
また、トランジスタを構成する各層の材料，厚さ，ドーピング濃度は本実施例に述べたものに限定されるわけではなく、通常のヘテロ接合バイポーラトランジスタに用いられる材料，厚さ，ドーピング濃度であればよい。たとえば、ＩｎＰ基板上のＩｎ_０．５３Ｇａ_０．４７Ａｓ／ＩｎＰの組み合わせ、ＧａＡｓ基板上のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの組み合わせ等においても、同様の量子井戸構造、すなわち、量子井戸中に形成される量子化エネルギ準位が量子井戸外の半導体の禁制帯端とフェルミエネルギとの間に位置するような量子井戸構造を用いれば同様の効果が得られる。その際、量子井戸中に形成される量子化エネルギ準位と量子井戸外の半導体の禁制帯端とのエネルギ差に依存して電流飽和が起きる電流値は変化するため、そのエネルギ差を調節することにより、飽和電流値を調節することが可能である。
【００２９】
〈実施例２〉
実施例１においてｎ型ＧａＡｓ基板のかわりに半絶縁性ＧａＡｓ基板を用い、サブコレクタ層を基板表面側から露出させる工程を設け、そこから電極取出しを行った。さらに、単位トランジスタをエミッタ寸法３マイクロメートル×１０マイクロメートルとし、同一基板上に形成した単位トランジスタ１２０個を金属配線を用いて並列に接続した。
【００３０】
このように並列に接続したトランジスタの動作においては、各トランジスタの端子電圧が共通となるため、たとえ各端子を駆動する電源が電圧源ではなく、内部抵抗を有する場合でも、熱的不安定が生じる場合がある。これは複数のトランジスタのうちどれか一個のトランジスタが熱的に不安定になった場合に、そのトランジスタのベース・エミッタ電圧は減少していても、エミッタ電流は増大する可能性があり、その一個のトランジスタに電流が集中し、他のトランジスタの電流は減少する。このため、このような並列接続トランジスタでは熱不安定への対策が不可欠である。
【００３１】
本実施例においては量子井戸構造が効果的に熱的不安定を抑制するため、特に単体動作の場合と同様の構造において素子電流の合計１．２Ａまで全く問題なく動作した。一方、同様の並列接続トランジスタにおいて各素子にバラスト抵抗を設けた場合、本実施例の量子井戸構造のゼロバイアス時の微分抵抗と同様のバラスト抵抗、すなわち各素子２オーム程度のバラスト抵抗では熱的不安定性のために素子電流の合計１．２Ａを流すことは不可能であり、各素子６〜８オーム程度のバラスト抵抗が必要となった。
【００３２】
また、本実施例では低い直列抵抗に起因する高い高周波性能のため、電源電圧３Ｖで１．９ＧＨｚにおいて最大出力２．４Ｗ、線形利得１５ｄＢを達成した。これに対してバラスト抵抗を設けた並列素子では同様の条件で、最大出力２．０Ｗ、線形利得１２．７ｄＢであった。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によりバイポーラ型半導体装置のエミッタ抵抗を徒に増加させることなく熱的安定化を図ることができる。また、トランジスタ領域外に抵抗体を形成する必要がなく、面積増大も避けることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の半導体装置の断面構造模式図。
【図２】本発明の実施例１の半導体装置のエネルギバンド構造図。
【図３】本発明の実施例１の半導体装置の量子井戸構造部分のエネルギバンド構造図。
【図４】本発明の実施例１の半導体装置の動作時における量子井戸構造部分のエネルギバンド構造図。
【図５】本発明の実施例１の半導体装置の電流制限動作時における量子井戸構造部分のエネルギバンド構造図。
【図６】本発明の半導体装置の量子井戸構造部分の電圧電流密度特性図。
【符号の説明】
１…ｎ型ＧａＡｓ基板、２…ｎ型ＧａＡｓサブコレクタ、３…ｎ型ＧａＡｓコレクタ、４…ｐ型ＧａＡｓベース、５…ｎ型ＩｎＧａＰエミッタ、６…ｎ型ＧａＡｓキャップ、７…アンドープ量子井戸構造、８…ｎ型組成グレーデッドＩｎＧａＡｓキャップ、９…Ａｕ／Ｍｏ積層エミッタ電極、１０…ベース引き出し電極、１１…コレクタ引き出し電極、１０１，１０２…ＡｌＧａＡｓポテンシャル障壁層、１０３…歪ＩｎＧａＡｓ量子井戸層。

Claims

エミッタ領域，ベース領域，コレクタ領域からなるバイポーラ型半導体装置において、エミッタ領域中に電子のデバイ長と同程度以下の寸法を有するポテンシャル障壁層とポテンシャル井戸層からなる量子井戸領域を有し、かつ、熱平衡状態において、その量子井戸中に形成される量子化エネルギ準位が量子井戸外の半導体の禁制帯端とフェルミエネルギとの間に位置することを特徴とする半導体装置。
請求項１において、量子井戸領域がエミッタ・ベース接合の空乏層の外側に位置することを特徴とする半導体装置。
請求項１において、エミッタ・ベース間の微分抵抗が全ての電流領域において正もしくは零であることを特徴とする半導体装置。
請求項２において、ポテンシャル井戸層を形成する材料の禁制帯端エネルギが量子井戸領域外の半導体における禁制帯端エネルギよりも低いことを特徴とする半導体装置。
上記請求項１ないし４のいずれかに記載の半導体装置を同一基板上で複数並列に接続したことを特徴とする半導体装置。