JP3709832B2

JP3709832B2 - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ

Info

Publication number: JP3709832B2
Application number: JP2001331788A
Authority: JP
Inventors: 弘幸鴨川
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2021-10-30
Also published as: JP2003133325A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロバイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴという）に関し、特に、高い電流増幅率を有し、且つ電流増幅率の経時変動が少ないＨＢＴに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＢＴは、電界効果トランジスタのように２種類の電源を必要とせずに単一電源化が可能であること、および信号の歪みが小さいことなどから、携帯電話のパワーアンプのように、小型化と高周波領域での高性能のパワー増幅が要求される用途に適している。
【０００３】
図３は、従来のＨＢＴにおけるエピタキシャル構成を示す。１は半絶縁性のＧａＡｓの基板、２はｎ⁺ ‐ＧａＡｓのサブコレクタ層、３はｎ^- ‐ＧａＡｓのコレクタ層、４はｐ⁺ ‐ＧａＡｓのベース層、５はｎ‐ＡｌＧａＡｓのグレーデット層を示す。このグレーデット層５は、エミッタ層６の下部を構成し、Ａｌの混晶比を下方から上方に向けて０から０．３まで変化させている。
【０００４】
エミッタ層６は、ＧａＡｓよりバンド間エネルギーの大きなｎ‐ＡｌＧａＡｓによって構成され、その上部には、グレーデット層５とは逆方向にＡｌ混晶比を変化させたｎ‐ＡｌＧａＡｓのグレーデット層７を有している。
【０００５】
８はｎ⁺ ‐ＧａＡｓのエミッタキャップ層、９は下方のエミッタキャップ層８と上方のエミッタキャップ層１０の間に設けられてエミッタキャップ層の一部を構成し、下方から上方に向けてＩｎ混晶比を０から０．５まで変化させたｎ⁺ ‐ＩｎＧａＡｓのグレーデット層を示す。最上部に形成されたエミッタキャップ層１０は、Ｉｎ混晶比の高いｎ⁺ ‐ＩｎＧａＡｓより構成されており、これにより、ここに形成される電極との接触抵抗を減じている。
【０００６】
図において、単位がcm^-3の数値は、ドーピングされた不純物の濃度を示し（以下、同じ）、以上の各層には、ｎ型あるいはｐ型の不純物が図に表示された濃度のもとにドーピングされており、さらに、サブコレクタ層２、ベース層４およびエミッタキャップ層１０には、電極形成のためのエッチング加工が施された後、それぞれコレクタ電極、ベース電極およびエミッタ電極が形成され、これによって所定のＨＢＴが構成される（各電極は図示せず）。
【０００７】
以上の構成において、ベース層４とエミッタ層６の間に電圧を印加してこれを増加させると、コレクタ電極からの出力電流は、入力電流であるベース電流によって増幅される。このときの出力電流と入力電流の比が、電流増幅率（以下、βという）であり、このβ（出力電流／入力電流）がＨＢＴにとって重要な特性となる。
【０００８】
β値に影響を与える因子として不純物が重要であり、通常、図３に示されるような不純物構成が採用される。即ち、サブコレクタ層２とコレクタ層３にはＳｉがドーピングされ、ベース層４にはＣがドーピングされ、エミッタ層６とこれのグレーデット層５、７、およびエミッタキャップ層８にはＳｉがドーピングされる。
【０００９】
そして、エミッタキャップ層のグレーデット層９と最上部のエミッタキャップ層１０には、Ｓｅがドーピングされるのが普通であり、以上の不純物構成に基づいて、β値を向上させる検討が進められている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＡｌＧａＡｓをエミッタに使用したＨＢＴによると、高いβ値を示すものがいまだなく、さらに、β値の経時安定性においても問題を有している。
【００１１】
そこで、β値に影響を与える因子である不純物について、更に考察する。
【００１２】
今、構造を少し単純化し、図４に示すＨＢＴ用ＡｌＧａＡｓエミッターエピタキシャルウェハについて説明する。このＨＢＴ用エピタキシャルウェハは、半絶縁性ＧａＡｓ基板２１上にＭＯＶＰＥやＭＢＥ法といった気相エピタキシャル成長法により、ｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層（コレクタコンタクト層）２２、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層２３、ｐ型ＧａＡｓベース層２４、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層２５、ｎ型ＩｎＧａＡｓグレーデットノンアロイ層２６及びＩｎ組成の均一なｎ型ＩｎＧａＡｓノンアロイ層２７の各エピタキシャル層を積層することにより形成される。上述のサブコレクタ層２、グレーデット層９及びエミッタキャップ層１０は、それぞれ、このサブコレクタ層２２、ＩｎＧａＡｓグレーデットノンアロイ層２６、及びＩｎ組成の均一なＩｎＧａＡｓノンアロイ層２７に対応する。
【００１３】
コレクタ層２３、ベース層２４及びエミッタ層２５の導電型としてｎ−ｐ−ｎとｐ−ｎ−ｐタイプの２種があるが、ｎ−ｐ−ｎタイプのエピタキシャル層を積層する場合がその殆どである。ここで、ｎタイプのドーパントとしてはＳｉが一般に使われ、ｐタイプのドーパントとして炭素、亜鉛、ベリリウムといった元素が用いられる。ＨＢＴおいてコレクタ電極はサブコレクタ層２２の上に形成される。
【００１４】
ノンアロイ層２６、２７は電極形成後通常アロイされずに使用されるため、ＳｉまたはＳｅ、またはＴｅ等を高ドープしたＩｎＧａＡｓ層が使われる。ノンアロイ層の形成においては、Ｉｎ組成を徐々に変化させたグレーデットノンアロイ層２６と、Ｉｎ組成を均一に形成したノンアロイ層２７の二つにより構成させるのが一般的である。このノンアロイ層２６、２７のｎ型ドーパントとしてＳｉ、ＳｅまたはＴｅの内いずれかの一つが使われる。図３の例では、ノンアロイ層であるグレーデット層９及びエミッタキャップ層１０に、ｎ型ドーパントとしてＳｅが使用されている。
【００１５】
しかし、従来技術の問題点として、上記ノンアロイ層２６、２７（グレーデット層９及びエミッタキャップ層１０）のｎ型ドーパントとしてＳｉを使用した場合、ＳｅまたはＴｅに比べドーピング効率が悪く、ノンアロイ層の本来の目的である接触抵抗を下げるのに高ドープすることが要求され、これによりノンアロイ層表面の平坦性が悪くなるという問題点がある。また最終的にはＳｅまたはＴｅに比べて接触抵抗を下げられないという問題点もある。
【００１６】
一方、ドーピング効率の良いＳｅまたはＴｅを用いた場合、ノンアロイ層の平坦性の改善及び接触抵抗の低減には貢献するが、拡散係数が高く、成長中に下層のエミッタ層さらにはベース層への拡散が起こることによりＨＢＴの信頼性を悪くするという問題点がある。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ノンアロイ層のドーパントとしてグレーデット層にＳｉを、均一組成層にＳｅを使用することにより、ノンアロイ層表面の平坦性の向上と接触抵抗の低減をすること目的とする。また、グレーデット層にＳｉを使うことによりエミッタ層へのＳｅの拡散を抑制し高信頼性を得ること、つまりＨＢＴの寿命を延ばすことを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１９】
請求項１の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層、ｐ型ＧａＡｓベース層、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層及びｎ型ＩｎＧａＡｓノンアロイ層のエピタキシャル層を積層したヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記ノンアロイ層のｎ型ドーパントとしてＳｅとＳｉを併用し、この併用にあたって、上記ノンアロイ層内の下側層にＳｉをドーピングし、上側層にＳｅをドーピングしたことを特徴とする。
【００２１】
請求項２の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層、ｐ型ＧａＡｓベース層、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層及びｎ型ＩｎＧａＡｓグレーデットノンアロイ層及びＩｎ組成の均一なｎ型ＩｎＧａＡｓノンアロイ層のエピタキシャル層を積層したヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記ＩｎＧａＡｓグレーデットノンアロイ層にＳｉをドーピングすると共に、上記Ｉｎ組成の均一なＩｎＧａＡｓノンアロイ層にＳｅをドーピングしたことを特徴とする。
【００２２】
請求項３の発明は、請求項１、２のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記Ｓｅの代わりに同族元素であるＴｅをドーピングしたことを特徴とする。
【００２３】
＜作用＞
本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の前提となるのは、気相エピタキシャル法で作られるＨＢＴ用半導体エピタキシャルウェハであり、ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層、ｐ型ＧａＡｓベース層、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層及びｎ型ＩｎＧａＡｓノンアロイ層のエピタキシャル層を積層した構造を有し、そのノンアロイ層のドーパントとしてＳｅとＳｉを併用するものである。ノンアロイ層の内部を内側と外側の層に仮想的に又は物理的に分けて考えたとき、そのノンアロイ層内の下側層にＳｉをドーピングし、上側層にＳｅをドーピングする。具体的には、ＩｎＧａＡｓグレーデットノンアロイ層にＳｉをドーピングし、その上のＩｎ組成の均一なＩｎＧａＡｓノンアロイ層にＳｅをドーピングする。
【００２４】
既に述べたように、ｎ型ドーパントとしてのＳｉとＳｅを比較した場合、Ｓｉは比較的ドーピング効率が悪く、接触抵抗を下げるのに高ドープが要求され、これによりノンアロイ層表面の平坦性が悪くなる。しかし、Ｓｉの拡散係数はＳｅほど高くはない。
【００２５】
そこで、まず、ノンアロイ層の内部における下側（内側）部分に、拡散係数のより小さいＳｉをドーピングして、エミッタ層へのＳｅの拡散を抑制し高信頼性を得る。更にまた、ノンアロイ層の内部における上側（外側）部分に、比較的ドーピング効率が良好で、接触抵抗を下げることができて、ノンアロイ層表面の平坦性を確保できるＳｅをドーピングする。
【００２６】
このように、上側の均一ドープ層にＳｅを使うことにより、ノンアロイ層表面の平坦性の向上と接触抵抗の低減をすることができ、また、下側のグレーデット層にＳｉを使うことによりエミッタ層へのＳｅの拡散を抑制し高信頼性を得ること、つまりＨＢＴの寿命を延ばすことができる。
【００２７】
上記Ｓｅの代わりに同族元素であるＴｅをドーピングしても同様の作用効果を得ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明によるＨＢＴの実施の形態を説明する。図１は、有機金属気相法によりエピタキシャル成長させたＨＢＴ用半導体ウェハの構成を示す。これは、図１のウェハ構造においてノンアロイ層２７にＳｅをドーピングし、ノンアロイグレーデット層２６にＳｉをドーピングした構造である。
【００２９】
本発明に係るＨＢＴ用エピタキシャルウェハは、ノンアロイ層において、Ｓｉだけ、もしくはＳｅだけをドーピングする代わりにＳｉとＳｅをドーピング材として併用したノンアロイ層（エミッタコンタクト層）を持つ。これにより、所定のキャリア濃度を得るためにＳｉだけのドーピングを行った場合に比べ、低濃度でのドーピングを可能にし、サブコレクタ層の結晶欠陥の低減に寄与し、従来のに比べ、より高い電流増幅率βを得ることを可能とする。また、この結晶欠陥の低減と共に、Ｓｅの拡散を抑えＨＢＴの信頼性にも寄与し高寿命を達成することを可能とする。
【００３０】
図１において、１は半絶縁性の基板、２は基板１の上に成長させられたｎ⁺ ‐ＧａＡｓのサブコレクタ層、３はｎ^- ‐ＧａＡｓのコレクタ層を示し、これらの層２、３はｎ型不純物であるＳｉによってドーピングされている。４はｐ⁺ ‐ＧａＡｓのベース層であり、ｐ型不純物であるＣによってドーピングされている。
【００３１】
６は下部と上部にそれぞれｎ‐ＡｌＧａＡｓのグレーデット層５と７を有したｎ‐ＡｌＧａＡｓによるエミッタ層を示し、グレーデット層５、７とともに、ｎ型の不純物であるＳｉとＳｅの併用によって複合ドーピングされている。
【００３２】
８はエミッタ層６のオーミックコンタクト抵抗を低減させるためにグレーデット層７の上に形成されたｎ⁺ ‐ＧａＡｓによるエミッタキャップ層を示し、Ｓｉによってドーピングされている。
【００３３】
９はｎ⁺ ‐ＩｎＧａＡｓによるエミッタキャップ層のためのグレーデット層であり、図４のＩｎＧａＡｓグレーデットノンアロイ層２６に対応する。１０はエミッタ層６のオーミックコンタクト抵抗を低減させるために形成されたｎ⁺ ‐ＩｎＧａＡｓによるエミッタキャップ層であり、図４のＩｎ組成の均一なＩｎＧａＡｓノンアロイ層２７に対応する。これらの層９と１０は、従来ではいずれもｎ型不純物であるＳｅのみによってドーピングされていたが、本発明の実施の形態では、そのうち下側のグレーデット層９はＳｉによってドーピングされ、そして上側のエミッタキャップ層（均一ドープ層）１０はＳｅによってドーピングされている。
【００３４】
＜実施例＞
以下本発明の一実施例を表１と図２を使って説明する。表１と図２は、従来品と本発明品のウェハ表面のレーザ表面欠陥検査装置によるヘイズ欠陥（面荒れ）と接触抵抗、及びその信頼性を比較したものである。
【００３５】
ウェハ表面ヘイズ（面荒れ）（平均値［ｐｐｍ］）と接触抵抗（オーム／cm）の比較には、図１のノンアロイ層２７（エミッタキャップ層１０）のＩｎ組成比を０．５に、そして厚さを５０ｎｍとし、グレーデットノンアロイ層２６（グレーデット層９）はＩｎ組成を０→０.５、厚さを５０ｎｍとし、ノンアロイ層２７、グレーデットノンアロイ層２６ともにドーピング濃度を２×１０¹⁹cm^-3としたウェハを使用した。
【００３６】
一方、表面の比較のため、従来品として、ノンアロイ層２７とノンアロイグレーデット層２６にドーパントとしてＳｅだけを使用したものと、Ｓｉだけを使用したものを作成した。
【００３７】
【表１】

【００３８】
表１は、本発明品と従来品のウェハ表面ヘイズ及びノンアロイ層表面の接触抵抗を比較したものである。
【００３９】
表１に示されるように、本発明品のヘイズはＳｉをドーパントとした従来品に比べ約１／１０と低く、ウェハ表面の平坦性が改善されていることが判る。また、Ｓｅをドーパントとした従来品に比べたときほぼ同じヘイズを示し、Ｓｅのみの従来品とほぼ同じ平坦性を示すことが判る。
【００４０】
さらに表１から、接触抵抗も、Ｓｉをドーパントした従来品に比べ低くなっていることが判る。また本発明品は、Ｓｅのみをドーパントした従来品とほぼ同じ接触抵抗を示した。
【００４１】
次に、図２の信頼性評価については、いずれもベース抵抗が２５０ｏｈｍ／ｓｑ.のエピタキシャルウェハ上に、５０μｍ角のエミッタサイズを持った大面積ＨＢＴを作製し行った。
【００４２】
図２は、従来品と本発明品のＨＢＴを作製し通電試験によりベータの劣化を比較したグラフである。通電試験は電流密度６０ＫＡ／cm²のエミッタ接地電流増幅率βの変化を比較した。なお、この時の接合温度は１５０℃である。
【００４３】
図２より本発明品より作成されたＨＢＴは２０００時間の通電において、通電スタート時の電流増幅率βに対して、約１０％の低下しか見られなかった。これに対して、Ｓｉのみ及びＳｅのみをドーピングした従来のＨＢＴにおいては、双方とも約２０％近い低減が見られた。明らかに本発明品より作製されたＨＢＴの方が劣化の度合いが小さいことが判った。
【００４４】
表１及び図２に示した如く、従来品に対し本発明品はノンアロイ層表面の平坦性を改善し、また接触抵抗を下げることが出来た。
【００４５】
また、本発明品を用いて作製されたＨＢＴにおいて、信頼性試験の結果１０００時間の通電において、従来品であるＳｉのみのをドーピングしたウェハから作製されたＨＢＴに対し、劣化の度合いを約１０％低減することが出来た。
【００４６】
上記実施形態では、ｎ型ドーパントとしてＳｉとＳｅを用いる例について説明したが、Ｓｅの代わりに同族元素であるＴｅを使用しても同様の作用効果を得ることができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層、ｐ型ＧａＡｓベース層、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層及びｎ型ＩｎＧａＡｓノンアロイ層のエピタキシャル層を積層した構造を有し、そのノンアロイ層のドーパントとしてＳｅとＳｉを併用するものであり、ノンアロイ層内の下側層にＳｉをドーピングし、上側層にＳｅをドーピングするものである。具体的には、下側のＩｎＧａＡｓグレーデットノンアロイ層にＳｉをドーピングし、その上のＩｎ組成の均一なＩｎＧａＡｓノンアロイ層にＳｅをドーピングするものである。
【００４８】
このように、上側の均一ドープ層にＳｅを使うことにより、ノンアロイ層表面の平坦性の向上と接触抵抗の低減をすることができ、また、下側のグレーデット層にＳｉを使うことによりエミッタ層へのＳｅの拡散を抑制し高信頼性を得ること、つまりＨＢＴの寿命を延ばすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタの実施の形態における半導体ウェハの構成を示す模擬図である。
【図２】図１のウェハより構成された本発明品のヘテロバイポーラトランジスタのβ値の経時変化を、従来品と比較して示した図である。
【図３】従来のＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構成を示す模擬図である。
【図４】従来のＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構成を簡略化して示した図である。
【符号の説明】
１ＧａＡｓ基板
２サブコレクタ層
３コレクタ層
４ベース層
５グレーデット層
６エミッタ層
７グレーデット層
８エミッタキャップ層
９グレーデット層（ノンアロイ層）
２６ＩｎＧａＡｓグレーデッドノンアロイ層
２７Ｉｎ組成の均一なＩｎＧａＡｓノンアロイ層

Claims

ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層、ｐ型ＧａＡｓベース層、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層及びｎ型ＩｎＧａＡｓノンアロイ層のエピタキシャル層を積層したヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記ノンアロイ層のｎ型ドーパントとしてＳｅとＳｉを併用し、この併用にあたって、上記ノンアロイ層内の下側層にＳｉをドーピングし、上側層にＳｅをドーピングしたことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層、ｐ型ＧａＡｓベース層、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層及びｎ型ＩｎＧａＡｓグレーデットノンアロイ層及びＩｎ組成の均一なｎ型ＩｎＧａＡｓノンアロイ層のエピタキシャル層を積層したヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記ＩｎＧａＡｓグレーデットノンアロイ層にＳｉをドーピングすると共に、上記Ｉｎ組成の均一なＩｎＧａＡｓノンアロイ層にＳｅをドーピングしたことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
請求項１、２のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記Ｓｅの代わりに同族元素であるＴｅをドーピングしたことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。