JP3792057B2 - Heterojunction bipolar transistor and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体材料よりな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、特にnpn型ヘテロ接合バイポーラトランジスタに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、化合物半導体の積層構造からなるGaAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの結晶成長が容易になったので、ヘテロ接合バイポーラトランジスタなどの高周波で用いられる半導体装置の実用化を目指した研究開発が盛んに行われている。このような半導体デバイスの高周波特性の向上には、より低いベース抵抗Rbとより高い電流増幅率βとの両立が必要である。なお、ベース抵抗Rbは、真性ベース抵抗、外部ベース抵抗と、ベース電極/ベース層間コンタクト抵抗の三成分が考えられる。しかし、真性ベース抵抗は一般的に他の二成分より十分小さく、一般的には無視できる。
【0003】
一方、高い電流増幅率βを達成するためには、ベース層の膜厚を薄くするか、ベース層のキャリア濃度を低くする必要があり、いずれもベース抵抗成分(外部ベース抵抗とベース電極/ベース層間コンタクト抵抗)を増加させる。このことから高い電流増幅率βとより低いベース抵抗Rbの両立は、難しいことが分かる。
【0004】
このため、特開平5−326545号公報に示されているように従来技術では高周波特性を改善するために、外部ベース層を選択成長する必要があった。この従来例を図8を用いて説明する。図8に従来例の半導体装置を示す。この従来例では、半絶縁性GaAs基板110上に、n型GaAsコレクタバッファ層101、GaAsコレクタ層102、Cドープp型GaAsベース層103、n型Al0.3Ga0.7Asエミッタ層104、n型InGaAsエミッタキャップ層105を順次エピタキシャル成長する。次にこれをメサ型に加工し、適当な成長方法により、選択的にCドープp型GaAs外部ベース層106を形成した後、エミッタ電極107、ベース電極108、コレクタ電極109を形成する。この従来例においては、より高い高周波特性を得るために、選択的にCドープp型GaAs外部ベース層106を形成し、低いベース抵抗Rbと高い電流増幅率βの両立を図っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平5−326545号公報に示されているように従来技術は、高い電流増幅率βを実現するために、一般的にベース層のキャリア濃度を通常(2×1019cm-3)より低い値に設定する必要がある。そのため、高抵抗のCドープp型GaAsベース層103が形成されるので、結局ベース電極/ベース層間コンタクト抵抗は低減されるが外部ベース抵抗成分は高いままであり、効果的な高周波特性の改善は見られなかった。このことからベース抵抗成分の低減には、ベース電極/ベース層間コンタクト抵抗低減にあわせ、外部ベース抵抗の低減が課題であり、ベース電極/ベース層間コンタクト抵抗低減と外部ベース抵抗の低減を両立させる事が良好な高周波特性を与えると考えられる。
【0006】
このことから、ベース電極/ベース層間コンタクト抵抗値、外部ベース抵抗値と電流増幅率をそれぞれ独立して設定できるとして扱えるようなCドープGaAsベース層を実現するのが重要課題である。この課題を克服することが、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの高周波特性向上に役立つと考えられる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1のCドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)からなる層を含むベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、ベース層は、エミッタ層が直上に形成された内部ベース層と、内部ベース層からエミッタ層が形成された領域の外へ向かって延在する外部ベース層とを含み、内部ベース層中のC−H濃度が外部ベース層中のC−H濃度よりも高く、且つ、トランジスタ動作を伴う初期通電を行うことにより、電流増幅率βの増大と安定化処理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である。具体的には、初期通電により電子を捕獲したC−H結合に起因する電子トラップがベース層中の他のトラップによる再結合を抑制し、ベース電流が減少し、結果、電流増幅率βが向上する。
【0008】
本発明の請求項2は、前記初期通電前の電流増幅率β0に対し、初期通電後の電流増幅率βの増加率(β/β0)が110%以上であることを特徴とする。
【0009】
本発明の請求項3は、前記初期通電時の通電電流量が少なくとも、1kA/cm2以上であることを特徴とする。
【0010】
本発明の請求項4の前記CドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層中のC−H濃度がC濃度の10%以上であることを特徴とする。このC−H結合に起因する電子トラップが、電流増幅率の向上に寄与する。
【0011】
本発明の請求項5のヘテロ接合バイポーラトランジスタは前記CドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層のキャリア濃度が1.4×1019cm-3から6.5×1019cm-3の範囲であることが望ましい。
【0012】
本発明の請求項6のCドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)からなる層を含むベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法は、半導体基板上にCドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)からなる層を含むベース層となるIII−V族化合物半導体層構造を積層する工程と、 III −V族化合物半導体層構造の表面が露出する領域を有するように、 III −V族化合物半導体層構造上にエミッタ層を形成する工程と、 III −V族化合物半導体層構造において表面が露出した領域にベース電極を形成する工程とを有し、エミッタ層を形成した後、ベース電極形成する前に熱処理工程を行なうことにより、 III −V族化合物半導体層構造において表面が露出した領域に位置する外部ベース層のC−H濃度を、エミッタ層の直下に位置する内部ベース層のC−H濃度よりも低くし、且つ、トランジスタ動作伴う初期通電を施すことを特徴とする。これにより該トランジスタは安定した高周波特性を示す。
【0013】
我々の実験結果では、CドープGaAs層とCドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)層では、結晶学的に同等であり、Al−Cの結合エネルギーが高いので、Al混晶比が高いほど、同成長温度、同V族ガス・III族ガス流量比に対してキャリア濃度が高くなる特性の違いはあったが、GaAs層とCドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)層とは同様な効果を奏した。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【0015】
(実施例1)
図1は本発明の一実施例に係るAlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す断面図である。即ち、半絶縁性GaAs基板10上に、MOCVD法によりn型GaAsコレクタバッファ層1(厚さ500nm)、GaAsコレクタ層2(厚さ700nm)、内部Cドープp型AlxGa1-xAsベース層3(厚さ50nm)を積層する。内部Cドープp型AlxGa1-xAsベース層3はエミッタ側の混晶比x=0.2とし、コレクタ側をx=0となる単純傾斜構造とした。これは、ベース層中に内部電界を発生させることによりより高速に電子を加速させ、電流増幅率の向上をねらったものである。次いで、n型AlyGa1-yAsエミッタ層4(y=0.3、厚さ200nm)、n型InGaAs層エミッタキャップ層5(厚さ100nm)を順次エピタキシャル成長する。
【0016】
Cドープp型AlxGa1-xAsベース層3を成長する成長条件は、成長温度450℃〜650℃およびV/III族ガス流量比2.0〜7.5の範囲で行う。ここで、Cドープp型AlxGa1-xAsベース層3をMOCVD装置(TMGa(トリメチルガリウム)−TMAs(トリメチル砒素))でエピタキシャル成長する際は、成長温度及びIII族ガスに対するV族ガスの割合は表面モホロジーが劣化しない程度に低くする方がC濃度に対してのC−H濃度の割合を高くすることができる。この実施例1では成長温度500℃、V/III族ガス流量比3.0を採用した。本実施例の成長温度500℃、V/III流量比を3.0にした場合、SIMS分析によるとC濃度が4×1019cm-3であったのに対し、C−H濃度は12×1019cm-3であった。
【0017】
以上の各層を成長後、エミッタ層を残してベース層3が露出するまでと、エミッタ、ベース層を残してコレクタ層2が露出するまでの2回エッチングを行い、これをメサ型に加工する。その後、例えばSiNx保護膜を表面に形成し、N2雰囲気中で400℃、5分の熱処理を加え、低抵抗外部Cドープp型AlxGa1-xAsベース層6を形成する。保護膜はSiNxに限ったものでなくSiO2等でもよい。また、熱処理温度と時間も前記条件に限定したものでない。またコレクタを露出するメサ型に加工する前でもよい。この熱処理により低抵抗外部Cドープp型AlxGa1-xAsベース層6のシート抵抗は200Ω/□となり、熱処理を行わなかった時の600Ω/□に比べ、約1/3の抵抗値になった。さらにその後、保護膜を除去し、エミッタ電極7、ベース電極8、コレクタ電極9を形成する。以上のようにしてGaAs系ヘテロ接合バイポーラよりなる半導体装置の形成後、それぞれの電極にプローバ針により1kA/cm2に相当する電子をエミッタより注入し、トランジスタ動作させる。
【0018】
次に、図3〜6を用いて、以上のように製造されたC−H結合を多量に含むCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタが高い電流増幅率を示す作用に関し簡単に説明する。
【0019】
図3〜6はC−Hを多量に含んだCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)層をベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタのエネルギーバンド図である。○は電子を示し、→はトランジスタ動作時の電子の拡散方向を模式的に示したものである。☆はC−H結合に起因する電子トラップのうち電子を捕獲していないもの、●はC−H結合に起因する電子トラップのうち電子を捕獲しているものを模式的に示している。□は、格子の欠陥、その他の不純物に起因するその他のトラップを示している。
【0020】
図3にC−Hを多量に含んだCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)層をベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタにトランジスタ動作と伴う初期通電前の模式的エネルギーバンド図を示す。
【0021】
MOCVD法による450〜690℃程度の低い成長温度、V/III族ガス流量比が5.0以下でエピタキシャル成長したCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層は、図3に示すようにヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース層の禁制帯中にC−H結合に起因する電子トラップが存在する(☆で示す)。同時にフェルミ準位より上で伝導帯より下に□で示すように材料に固有の格子欠陥・重金属などの不純物に起因するその他のトラップも存在している。
【0022】
図4にC−Hを多量に含んだCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)層をベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタにトランジスタ動作を伴う初期通電時の、特に、電流増幅率が増加している初期状態のエネルギバンド図を示す。
【0023】
図4に示すようにトランジスタ動作を伴う初期通電の始めは、エミッタ層よりベース層中に電子が注入され、C−H結合に起因する電子トラップが電子を捕獲する(→で示す)。この電子を捕獲したC−H結合に起因する電子トラップは安定に存在し続け、この電子を捕獲したトラップは、ベース層中でのその他のトラップを介した電子−ホール再結合を抑制すると考えられる。この結果、該トラップによる再結合によるベース電流が減少し、結果電流増幅率は増加する。
【0024】
図5にC−Hを多量に含んだCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)層をベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタのトランジスタ動作時の、特に、電流増幅率の増加が飽和している状態の、従って、初期通電終了直前のエネルギーバンド図を示す。
【0025】
図5に示すように、ベース層に注入された電子は電子トラップ中に捕獲され、安定状態になる。我々の実験結果ではこのトラップから電子を放出するに必要なエネルギは、約2eVであった。このことから、電子はトラップ中に捕獲され続け初期通電の終了後も安定に存在する。このため電子は伝導帯を流れる。しかし、トラップの数には有限であるので、すべてのトラップに電子が捕獲された時点で、再結合ベース電流値の減少も飽和する。この時同時に、材料に固有のその他のトラップを介した再結合電流の抑制の飽和も起こり、その結果電流増幅率の増加も飽和する。
【0026】
図6にC−Hを多量に含んだCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)層をベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタの初期通電が完了した後のエネルギーバンド図を示す。
【0027】
図6に示すようにいったんトラップに捕獲された電子は、エミッタから電子が注入されなくなった後(トランジスタ動作していない時も)トラップの中に捕獲され続け、安定した電圧−電流特性を示すようになる。この結果、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、電子を捕獲したトラップがベース層中での他のトラップに起因する再結合を抑制するので、ベースキャリア濃度、ベース層厚が同じでC−H濃度の少ないベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタと比較して、高い電流増幅率を実現することが可能になる。初期通電時の通電量としては1kA/cm2以上とすることが、上記の効果をもたらすのに有効であった。
【0028】
次に、C−H結合を多量に含むCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタが低い外部ベース抵抗を示す作用に関し簡単に説明する。
【0029】
上記に説明したように、C−H結合を多量に含むCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタに熱処理および初期通電処理を施すことにより、ベースキャリア濃度を高くしても、高い電流増幅率を維持できる。一方、C−H結合が多いので、そのC−Hの結合を切ることにより、より多くのカーボンが活性化するので、キャリア濃度を高濃度化でき、低い外部ベース抵抗を実現することは容易である。
【0030】
すなわち、ベース層上に層厚50nm以下の絶縁層を存在させて、400℃程度の熱処理を行うことにより簡単にC−H結合を切り離し水素を大気中に開放しカーボンを活性化できる。この結果、外部ベース層上に形成する絶縁体層を50nm以下にすることにより、容易に外部ベース層のキャリア濃度を増加させることができる。
【0031】
本発明では、MOCVDエピタキシャル成長法で形成した半導体多層膜をメサ型加工後、ベース電極形成前にエミッタ層から露出したベース層部分に熱処理を施す事により、低抵抗外部Cドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層に含まれているC−H結合を熱処理により切り、水素を半導体層外部に追い出してカーボンを活性化させ、キャリア濃度を高濃度化することができる。高濃度化した外部ベース層により、低いベース抵抗を実現し、半導体装置に良好な高周波特性を与えることができる。
【0032】
本手法は、ベース層の上層に厚い(50nm程度以上)半導体層がある場合は、半導体層からHを外部に追い出すことができないので、エミッタ層が上層に形成されているCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層部分には適用することができない。
【0033】
MOCVDエピタキシャル成長法によりCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層にC−Hを多量に含ませるためには、TMGa(トリメチルガリウム)を完全に分解しGa原子単独にしない必要がある。TMGaにおいてはC−HはGa−CH3、Al−CH3の形でガス供給されることが分かっている。このことから、成長温度をなるべく低くした方が良い。しかし、成長温度が低いと一般的にV族原料ガスの分解も不十分なことから成長層表面のモフォロジを劣悪化させる。このことから、一般的に原料ガスのV/III比を高くとる必要がある。このような条件でエピタキシャル成長したCドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層は、C−H結合を多量に含むことができる。
【0034】
本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、CドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層中のC−H濃度がC濃度に対して10%以上で電流増幅率βの初期通電後の増加を確認でき、電流増幅率βが増加し安定する。
【0035】
その上、初期通電前の電流増幅率β0に対し初期通電後の電流増幅率βの増加率(β/β0)が110%以上であった場合は、電流増幅率に対し外部ベース抵抗の低減及び高周波特性例えば最大発振周波数により有効であった。
【0036】
CドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層をC−H結合を含む有機金属を原材料とし成長すると、C−H結合を作り出す必要がないので成長装置に特別な装置を付加する必要がないため、設備の初期投資の上で有利である。
【0037】
有機金属気相成長法でCドープAlxGa1-xAsベース層を成長する場合、TMGaおよびAsH3を原材料とすると、C−H濃度をC濃度以上にすることも可能であり、電流増幅率に対し外部ベース抵抗を低減し、高い電流増幅率βを維持することができる。
【0038】
有機金属気相成長法でCドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層を成長する場合、CドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層がTMGaおよびTMAsを原材料とした場合、TMGaおよびAsH3を使用したときよりC−H濃度を高くすることができ、より外部ベース抵抗を低減し、高い電流増幅率βを維持することができる。
【0039】
有機金属気相成長法でCドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層を成長する場合、CドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層がCBr4(四臭化炭素)をドーピング材料とした場合、同様に外部ベース抵抗を低減すると共に、より自由度が高くCドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層のキャリア濃度を設定でき有利であることが分かった。
【0040】
上記成長材料を使用した場合、CドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層のキャリア濃度が1.4×1019cm-3から6.5×1019cm-3の範囲で電流増幅率βの増加がみられ、C−H濃度を高くすることができる。
【0041】
上記条件で成長したCドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層を含むヘテロ接合バイポーラトランジスタは、メサ型加工後、ベース電極形成前の作製工程中に熱処理工程を含む事により、低い外部ベース抵抗を実現でき、より高い高周波特性を示す。
【0042】
以上に説明したように、連続的な初期通電によりC−Hに起因する電子トラップに電子が捕獲され、トラップが中性化され、ベース電流の再結合電流成分が減少し、すべてのトラップが中性化された所で安定し、結果高い電流増幅率βが達成される。例えば、この時のベース電流の減少が分かりやすいようエミッタ接地における、初期通電前の状態とトランジスタ動作初期通電後の安定状態のガンメルプロットを図7に示す。細線は、初期通電前の状態を示し、太線はトランジスタ動作初期通電後の安定状態を示す。図より明らかなように連続初期通電60秒によりベース電流は減少し、コレクタ電流はその分増加し、電流増幅率βが増加している事が分かる。尚、コレクタ電流は60秒通電後の方が初期通電前よりも増加しているが、縦軸が対数軸としているので、初期通電前の細線と60秒通電後の太線とが重なっている。
【0043】
また、初期通電前の電流増幅率をβ0とし、連続初期通電し安定した電流増幅率をβとし、電流増幅率の増加率を(β)/(β0)と定義すると、(C−H濃度)/(C濃度)が電流増幅率に比例する事が分かった。また、電流増幅率の増加率(β)/(β0)が110%以上の時最大発振周波数fmaxも向上した。
【0044】
高周波特性においても、実施例においては最大発振周波数fmax=234GHzであった。一方、熱処理を施さず低抵抗外部Cドープp型GaAsベース層6を形成しない場合は最大発振周波数fmax=203GHzであった。また同程度のベースシート抵抗の通常のC−H濃度がC濃度の10%以下のヘテロ接合バイポーラトランジスタでは最大発振周波数fmax=121GHzであったことから、本実施例のヘテロ接合バイポーラトランジスタは良好な高周波特性を有している事が分かる。
【0045】
実施例は、AlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを例に用い説明したが、同様の効果はエミッタの半導体材料によらずInGaP系でも得ることができる。
【0046】
(実施例2)
図2は本発明の一実施例に係るInGaP/AlGaAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す断面図である。即ち半絶縁性GaAs基板20上に、MOCVD法によりn型GaAsコレクタバッファ層21(厚さ500nm)、GaAsコレクタ層22(厚さ700nm)、Cドープp型Al0.2Ga0.8Asベース層23(厚さ50nm)、n型In0.5Ga0.5Pエミッタ層24(厚さ200nm)、n型InGaAs層エミッタキャップ層25(厚さ100nm)を順次エピタキシャル成長する。
【0047】
本発明の内部Cドープp型Al0.2Ga0.8Asベース層23の成長条件は、成長温度450℃〜680℃およびV/III族ガス流量比20〜430の範囲で行った。ここで、内部Cドープp型Al0.2Ga0.8Asベース層23をMOCVD装置(TMGa−AsH3−CBr4)でエピタキシャル成長する際は、成長温度およびIII族ガスに対するV族ガス流量の割合を表面モホロジーが劣化しない程度に低くする方がC濃度に対してのC−H濃度の割合が高くすることができる。この実施例2では成長温度600℃、V/III族ガス流量比80.0を採用した。成長温度600℃、V/III流量比を80.0にし、CBr4の流量を40SCCMにした場合、SIMS分析によるとC濃度が5×1019cm-3であったのに対し、C−H濃度は2×1019cm-3であった。
【0048】
CBr4をドーピングガスとして使用した場合は、V/III族ガス流量比にドーピング濃度が依存せず、CBr4の流量により独立にドーピング濃度を設定できるため、より本実施例を施行するにあたり有利である。
【0049】
成長後、これをメサ型に加工する。その後、適当な保護膜例えばSiNxを表面に形成し、N2雰囲気中で400℃、5分の熱処理を加え、低抵抗外部Cドープp型Al0.2Ga0.8Asベース層26を形成する。この処理により低抵抗外部Cドープp型Al0.2Ga0.8Asベース層26のシート抵抗は180Ω/□となり、熱処理を行わなかった時の220Ω/□に比べ約80%の抵抗値になった。この場合も、保護膜はSiNxに限定したものでなくSiO2等でもよい。熱処理温度および時間も上記条件に限ったものではない。さらに、その後保護膜を除去し、エミッタ電極27、ベース電極28、コレクタ電極29を形成する。
【0050】
半導体装置形成後、それぞれの電極にプローバ針により通電し、トランジスタ動作させる。連続通電により、ベース電流が減少し安定し、結果、実施例1の同様高い電流増幅率βが達成される。
【0051】
またこの実施例のときも、実施例1と同様、初期通電前の電流増幅率をβ0とし、連続通電し安定した初期通電後の電流増幅率をβとし、電流増幅率の増加率を(β)/(β0)と定義すると、(C−H濃度)/(C濃度)に比例する。電流増幅率の増加率(β)/(β0)が110%以上の時最大発振周波数fmaxも向上する。
【0052】
高周波特性においても、本実施例においては最大発振周波数fmax=291GHzであった。リファレンスの本実施例のInGaPエミッタ層の変わりにAlGaAsエミッタ層を採用し、Cドープp型In0.2Ga0.8Asベース層26を形成した時のヘテロ接合バイポーラトランジスタの最大発振周波数fmax=251GHzであった事から鑑み、本実施例においても、良好な高周波特性を有している。
【0053】
この実施例は、InGaP/AlxGa1-xAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを例としているが、リファレンスに用いたAlyGa1-yAs/AlxGa1 -xAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタと比較し最大発振周波数fmaxの向上が顕著であることが分かった。これは、ベース層にC−Hを多量に含ませた場合、AlxGa1-xAsエミッタ層に対しInGaPエミッタ層がより有利であることが分かった。これは、InGaPエミッタ層がより有効にC−Hをベース層内に閉じ込めた効果と考えられる。
【0054】
【発明の効果】
以上に述べたように本発明によれば、MOCVD装置でエピタキシャル成長する際は、材料ガスにより、適宜成長温度およびIII族ガスに対するV族ガスの割合を選択することによりC濃度に対してのC−H濃度の割合を高くする。これが、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ素子化しトランジスタ動作させた時には、電流増幅率の増加率(β)/(β0)を与えることになると考えられる。これにより、高い電流増幅率βが得られ、良好な高周波特性を与える。その上低抵抗外部Cドープp型AlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)ベース層を形成する事により、より良好な高周波特性を与える事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に係るAlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す断面図である。
【図2】本発明の実施例2に係るGaInP/GaAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す断面図である。
【図3】本発明に係るAlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの初期通電前の簡単なエネルギーバンド図である。
【図4】本発明に係るAlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの初期通電中の簡単なエネルギーバンド図である。
【図5】本発明に係るAlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの初期通電がほぼ飽和状態の簡単なエネルギーバンド図である。
【図6】本発明に係るAlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの通電後の簡単なエネルギーバンド図である。
【図7】本発明の実施例に係るAlyGa1-yAs/AlxGa1-xAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ接地におけるガンメルプロット図である。
【図8】従来の技術に係るAlGaAs/GaAs系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す断面図である。
【符号の説明】
1 n型GaAsコレクタバッファ層
2 GaAsコレクタ層
3 内部Cドープp型AlxGa1-xAsベース層
4 n型Al0.3Ga0.7Asエミッタ層
5 n型InGaAsエミッタキャップ層
6 低抵抗外部Cドープp型AlxGa1-xAsベース層
7 エミッタ電極
8 ベース電極
9 コレクタ電極
10 半絶縁性GaAs基板
21 n型GaAsコレクタバッファ層
22 GaAsコレクタ層
23 内部Cドープp型GaAsベース層
24 n型In0.5Ga0.5Pエミッタ層
25 n型InGaAsエミッタキャップ層
26 低抵抗外部Cドープp型GaAsベース層
27 エミッタ電極
28 ベース電極
29 コレクタ電極
110 半絶縁性GaAs基板
101 n型GaAsコレクタバッファ層
102 GaAsコレクタ層
103 Cドープp型GaAsベース層
104 n型Al0.3Ga0.7Asエミッタ層
105 n型InGaAsエミッタキャップ層
106 選択再成長Cドープp型GaAsベース層
107 エミッタ電極
108 ベース電極
109 コレクタ電極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a heterojunction bipolar transistor made of a compound semiconductor material and a manufacturing method thereof, and more particularly to an npn heterojunction bipolar transistor.
[0002]
[Prior art]
In recent years, crystal growth of GaAs heterojunction bipolar transistors composed of compound semiconductors has become easier, so research and development aimed at the practical application of semiconductor devices used at high frequencies such as heterojunction bipolar transistors have been actively conducted. ing. In order to improve the high frequency characteristics of such a semiconductor device, it is necessary to achieve both a lower base resistance Rb and a higher current gain β. The base resistance Rb can be considered to have three components: an intrinsic base resistance, an external base resistance, and a base electrode / base interlayer contact resistance. However, the intrinsic base resistance is generally much smaller than the other two components and is generally negligible.
[0003]
On the other hand, in order to achieve a high current amplification factor β, it is necessary to reduce the thickness of the base layer or lower the carrier concentration of the base layer, both of which are base resistance components (external base resistance and base electrode / base Interlayer contact resistance) is increased. This shows that it is difficult to achieve both a high current gain β and a lower base resistance Rb.
[0004]
For this reason, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 5-326545, the prior art has required selective growth of the external base layer in order to improve the high frequency characteristics. This conventional example will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows a conventional semiconductor device. In this conventional example, an n-type GaAs collector buffer layer 101, a GaAs collector layer 102, a C-doped p-type GaAs base layer 103, an n-type Al layer are formed on a semi-insulating GaAs substrate 110.0.3Ga0.7An As emitter layer 104 and an n-type InGaAs emitter cap layer 105 are epitaxially grown sequentially. Next, this is processed into a mesa shape, and after selectively forming a C-doped p-type GaAs external base layer 106 by an appropriate growth method, an emitter electrode 107, a base electrode 108, and a collector electrode 109 are formed. In this conventional example, in order to obtain higher high frequency characteristics, a C-doped p-type GaAs external base layer 106 is selectively formed to achieve both a low base resistance Rb and a high current gain β.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-326545, the conventional technique generally uses a base layer with a carrier concentration of 2 × 10 in order to achieve a high current gain β.19cm-3) Must be set to a lower value. Therefore, since the high-resistance C-doped p-type GaAs base layer 103 is formed, the base electrode / base interlayer contact resistance is eventually reduced, but the external base resistance component remains high, and effective high-frequency characteristics are improved. I couldn't see it. Therefore, the reduction of the base resistance component is to reduce the external base resistance in conjunction with the reduction of the base electrode / base interlayer contact resistance, and it is necessary to achieve both the reduction of the base electrode / base interlayer contact resistance and the reduction of the external base resistance. Is considered to give good high frequency characteristics.
[0006]
For this reason, it is an important issue to realize a C-doped GaAs base layer that can be handled as if the base electrode / base interlayer contact resistance value, the external base resistance value, and the current amplification factor can be set independently. It is considered that overcoming this problem is useful for improving the high-frequency characteristics of the heterojunction bipolar transistor.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  C-doped Al of claim 1 of the present inventionxGa1-xAs (0 ≦ x ≦ 0.2)Including a layer consisting ofIn a heterojunction bipolar transistor having a base layer,The base layer includes an inner base layer formed immediately above the emitter layer and an outer base layer extending from the inner base layer to the outside of the region where the emitter layer is formed. The H concentration is higher than the C—H concentration in the outer base layer, andThe heterojunction bipolar transistor is characterized in that the current amplification factor β is increased and stabilized by performing initial energization with transistor operation. Specifically, the electron trap caused by the C—H bond that captured the electrons by the initial energization suppresses recombination by other traps in the base layer, the base current is reduced, and as a result, the current amplification factor β is improved. To do.
[0008]
A second aspect of the present invention provides a current amplification factor β before the initial energization.0In contrast, the rate of increase of the current amplification factor β after initial energization (β / β0) Is 110% or more.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, an energization current amount during the initial energization is at least 1 kA / cm.2It is the above.
[0010]
The C-doped Al according to claim 4 of the present inventionxGa1-xThe C—H concentration in the As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer is 10% or more of the C concentration. The electron trap resulting from this C—H bond contributes to the improvement of the current amplification factor.
[0011]
The heterojunction bipolar transistor according to claim 5 of the present invention is the C-doped AlxGa1-xThe carrier concentration of the As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer is 1.4 × 1019cm-3To 6.5 × 1019cm-3It is desirable to be in the range.
[0012]
  C-doped Al according to claim 6 of the present inventionxGa1-xAs (0 ≦ x ≦ 0.2)Including a layer consisting ofA method of manufacturing a heterojunction bipolar transistor having a base layer includes:xGa1-xAs (0 ≦ x ≦ 0.2)Layer consisting ofincludingBecome the base layerLaminated III-V compound semiconductor layer structureAnd a process of III In order to have a region where the surface of the group V compound semiconductor layer structure is exposed, III Forming an emitter layer on the -V group compound semiconductor layer structure; III Forming a base electrode in a region where the surface is exposed in the group V compound semiconductor layer structure, and forming an emitter layerAfter, base electrodeTheFormationDoBefore the heat treatment processBy III The C—H concentration of the external base layer located in the region where the surface is exposed in the group V compound semiconductor layer structure is made lower than the C—H concentration of the internal base layer located immediately below the emitter layer.And transistor operationTheIt is characterized in that initial energization is performed. As a result, the transistor exhibits stable high frequency characteristics.
[0013]
Our experimental results show that C-doped GaAs layer and C-doped AlxGa1-xThe As (0 ≦ x ≦ 0.2) layer is crystallographically equivalent and has a high Al—C bond energy. Therefore, the higher the Al mixed crystal ratio, the higher the growth temperature, the V group gas, and the III group. Although there was a difference in the characteristics in which the carrier concentration increased with respect to the gas flow ratio, the GaAs layer and the C-doped AlxGa1-xThe same effect was obtained with the As (0 ≦ x ≦ 0.2) layer.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0015]
(Example 1)
FIG. 1 shows Al according to an embodiment of the present invention.yGa1-yAs / AlxGa1-xIt is sectional drawing which shows an As type | system | group heterojunction bipolar transistor. Specifically, an n-type GaAs collector buffer layer 1 (thickness 500 nm), a GaAs collector layer 2 (thickness 700 nm), an internal C-doped p-type Al layer are formed on a semi-insulating GaAs substrate 10 by MOCVD.xGa1-xAs base layer 3 (thickness 50 nm) is laminated. Internal C-doped p-type AlxGa1-xThe As base layer 3 has a simple gradient structure in which the mixed crystal ratio x = 0.2 on the emitter side and x = 0 on the collector side. This is intended to accelerate the electrons at a higher speed by generating an internal electric field in the base layer and improve the current gain. N-type AlyGa1-yAn As emitter layer 4 (y = 0.3, thickness 200 nm) and an n-type InGaAs layer emitter cap layer 5 (thickness 100 nm) are epitaxially grown sequentially.
[0016]
C-doped p-type AlxGa1-xThe growth conditions for growing the As base layer 3 are a growth temperature of 450 ° C. to 650 ° C. and a V / III group gas flow ratio of 2.0 to 7.5. Where C-doped p-type AlxGa1-xWhen the As base layer 3 is epitaxially grown by the MOCVD apparatus (TMGa (trimethyl gallium) -TMAs (trimethyl arsenic)), the growth temperature and the ratio of the group V gas to the group III gas should be lowered to such an extent that the surface morphology does not deteriorate. The ratio of the C—H concentration to the C concentration can be increased. In Example 1, a growth temperature of 500 ° C. and a V / III group gas flow ratio of 3.0 were adopted. When the growth temperature of this example is 500 ° C. and the V / III flow rate ratio is 3.0, the C concentration is 4 × 10 according to SIMS analysis.19cm-3The CH concentration was 12 × 1019cm-3Met.
[0017]
After growing the above layers, etching is performed twice until the base layer 3 is exposed leaving the emitter layer and until the collector layer 2 is exposed leaving the emitter and base layers, and this is processed into a mesa shape. Then, for example, SiNxA protective film is formed on the surface, and N2Low resistance external C-doped p-type Al after heat treatment at 400 ° C for 5 minutes in atmospherexGa1-xAs base layer 6 is formed. Protective film is SiNxNot limited to SiO2Etc. Further, the heat treatment temperature and time are not limited to the above conditions. It may also be before processing into a mesa mold that exposes the collector. By this heat treatment, low resistance external C-doped p-type AlxGa1-xThe sheet resistance of the As base layer 6 was 200Ω / □, which was about 1/3 of the resistance value of 600Ω / □ when no heat treatment was performed. Thereafter, the protective film is removed, and an emitter electrode 7, a base electrode 8, and a collector electrode 9 are formed. After forming a semiconductor device composed of a GaAs heterojunction bipolar as described above, each electrode is 1 kA / cm with a prober needle.2Are injected from the emitter to operate the transistor.
[0018]
Next, referring to FIGS. 3 to 6, a C-doped p-type Al containing a large amount of C—H bonds produced as described above.xGa1-xThe operation of the heterojunction bipolar transistor having the As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer exhibiting a high current amplification factor will be briefly described.
[0019]
3 to 6 show C-doped p-type Al containing a large amount of C—H.xGa1-xFIG. 6 is an energy band diagram of a heterojunction bipolar transistor using an As (0 ≦ x ≦ 0.2) layer as a base layer. ○ represents an electron, and → schematically represents the direction of electron diffusion during transistor operation. ☆ schematically shows an electron trap that does not capture electrons among the electron traps attributed to the C—H bond, and ● indicates schematically one that captures electrons among the electron traps attributed to the C—H bond. □ indicates other traps due to lattice defects and other impurities.
[0020]
FIG. 3 shows a C-doped p-type Al containing a large amount of C—H.xGa1-xA schematic energy band diagram of a heterojunction bipolar transistor having an As (0.ltoreq.x.ltoreq.0.2) layer as a base layer before initial energization accompanying transistor operation is shown.
[0021]
C-doped p-type Al epitaxially grown at a growth temperature as low as 450 to 690 ° C. by MOCVD and a V / III group gas flow ratio of 5.0 or lessxGa1-xAs shown in FIG. 3, the As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer has an electron trap due to C—H bonding (indicated by ☆) in the forbidden band of the base layer of the heterojunction bipolar transistor. At the same time, as indicated by □ above the Fermi level and below the conduction band, there are other traps caused by impurities such as lattice defects and heavy metals inherent to the material.
[0022]
FIG. 4 shows a C-doped p-type Al containing a large amount of C—H.xGa1-xAn energy band diagram of an initial state in which a current amplification factor is increased, particularly during initial energization accompanied by transistor operation in a heterojunction bipolar transistor having an As (0 ≦ x ≦ 0.2) layer as a base layer is shown.
[0023]
As shown in FIG. 4, at the beginning of initial energization with transistor operation, electrons are injected from the emitter layer into the base layer, and an electron trap due to C—H coupling captures the electrons (indicated by →). The electron trap due to the C—H bond that has captured this electron continues to exist stably, and the trap that has captured this electron is considered to suppress electron-hole recombination via other traps in the base layer. . As a result, the base current due to recombination by the trap is reduced, and as a result, the current amplification factor is increased.
[0024]
FIG. 5 shows a C-doped p-type Al containing a large amount of C—H.xGa1-xThe energy band during the transistor operation of the heterojunction bipolar transistor using the As (0 ≦ x ≦ 0.2) layer as a base layer, particularly in a state where the increase in current gain is saturated, and therefore immediately before the end of initial energization. The figure is shown.
[0025]
As shown in FIG. 5, the electrons injected into the base layer are trapped in the electron trap and become stable. In our experimental results, the energy required to emit electrons from this trap was about 2 eV. For this reason, electrons continue to be trapped in the trap and exist stably even after the end of the initial energization. For this reason, electrons flow through the conduction band. However, since the number of traps is finite, the decrease in the recombination base current value is saturated when electrons are trapped in all traps. At the same time, saturation of suppression of the recombination current through other traps inherent to the material also occurs, resulting in saturation of the increase in current gain.
[0026]
FIG. 6 shows a C-doped p-type Al containing a large amount of C—H.xGa1-xThe energy band figure after the initial electricity supply of the heterojunction bipolar transistor which made an As (0 <= x <= 0.2) layer a base layer was completed is shown.
[0027]
As shown in FIG. 6, the electrons once trapped in the trap continue to be trapped in the trap after electrons are no longer injected from the emitter (even when the transistor is not operating), and show stable voltage-current characteristics. become. As a result, the heterojunction bipolar transistor of the present invention suppresses recombination caused by traps that have captured electrons due to other traps in the base layer, so that the base carrier concentration and the base layer thickness are the same and the C—H concentration is the same. Compared with a heterojunction bipolar transistor having a small base layer, a high current amplification factor can be realized. The energization amount at the initial energization is 1 kA / cm2The above is effective to bring about the above effect.
[0028]
Next, C-doped p-type Al containing a large amount of C—H bondsxGa1-xThe operation of the heterojunction bipolar transistor having the As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer exhibiting a low external base resistance will be briefly described.
[0029]
As explained above, C-doped p-type Al containing a large amount of C—H bondsxGa1-xBy applying heat treatment and initial energization treatment to the heterojunction bipolar transistor having an As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer, a high current amplification factor can be maintained even if the base carrier concentration is increased. On the other hand, since there are many C—H bonds, more carbon is activated by cutting the C—H bonds, so that the carrier concentration can be increased and it is easy to realize a low external base resistance. is there.
[0030]
That is, by providing an insulating layer having a thickness of 50 nm or less on the base layer and performing a heat treatment at about 400 ° C., the C—H bond can be easily disconnected to release hydrogen into the atmosphere and activate carbon. As a result, the carrier concentration of the external base layer can be easily increased by setting the insulator layer formed on the external base layer to 50 nm or less.
[0031]
In the present invention, the semiconductor multilayer film formed by the MOCVD epitaxial growth method is subjected to mesa processing, and then heat treatment is applied to the base layer portion exposed from the emitter layer before forming the base electrode, whereby low resistance external C-doped p-type Al.xGa1-xThe C—H bond contained in the As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer is cut by heat treatment, hydrogen is expelled to the outside of the semiconductor layer, carbon is activated, and the carrier concentration can be increased. . With the external base layer having a high concentration, a low base resistance can be realized, and good high frequency characteristics can be given to the semiconductor device.
[0032]
In this method, when there is a thick semiconductor layer (about 50 nm or more) on the upper layer of the base layer, H cannot be expelled from the semiconductor layer. Therefore, the C-doped p-type Al in which the emitter layer is formed on the upper layer.xGa1-xIt cannot be applied to an As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer portion.
[0033]
C-doped p-type Al by MOCVD epitaxial growthxGa1-xIn order to contain a large amount of C—H in the As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer, it is necessary to completely decompose TMGa (trimethylgallium) and not to make Ga atoms alone. In TMGa, C—H is Ga—CH.ThreeAl-CHThreeIt is known that gas is supplied in the form of For this reason, it is better to make the growth temperature as low as possible. However, when the growth temperature is low, the decomposition of the group V source gas is generally insufficient, which deteriorates the morphology of the growth layer surface. Therefore, it is generally necessary to increase the V / III ratio of the raw material gas. C-doped p-type Al epitaxially grown under these conditionsxGa1-xThe As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer can contain a large amount of C—H bonds.
[0034]
The heterojunction bipolar transistor of the present invention is a C-doped AlxGa1-xWhen the CH concentration in the As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer is 10% or more with respect to the C concentration, an increase in the current amplification factor β after the initial energization can be confirmed, and the current amplification factor β increases and is stable. To do.
[0035]
In addition, the current amplification factor β before the initial energization0The increase rate of current amplification factor β after initial energization (β / β0) Is 110% or more, it is effective for the reduction of the external base resistance and the high frequency characteristics such as the maximum oscillation frequency with respect to the current amplification factor.
[0036]
C-doped AlxGa1-xWhen an As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer is grown using an organic metal containing a C—H bond as a raw material, it is not necessary to create a C—H bond, so there is no need to add a special device to the growth apparatus. It is advantageous on the initial investment of equipment.
[0037]
C-doped Al by metalorganic vapor phase epitaxyxGa1-xWhen growing an As base layer, TMGa and AsHThreeIs used as the raw material, the C—H concentration can be made higher than the C concentration, the external base resistance can be reduced with respect to the current amplification factor, and a high current amplification factor β can be maintained.
[0038]
C-doped Al by metalorganic vapor phase epitaxyxGa1-xWhen growing an As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer, C-doped AlxGa1-xWhen As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer is made of TMGa and TMAs, TMGa and AsHThreeThe C—H concentration can be made higher than when using the above, the external base resistance can be further reduced, and a high current gain β can be maintained.
[0039]
C-doped Al by metalorganic vapor phase epitaxyxGa1-xWhen growing an As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer, C-doped AlxGa1-xAs (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer is CBrFourWhen (carbon tetrabromide) is used as the doping material, the external base resistance is similarly reduced, and the degree of freedom is higher and the C-doped AlxGa1-xIt was found that the carrier concentration of the As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer can be set, which is advantageous.
[0040]
When the above growth material is used, C-doped AlxGa1-xThe carrier concentration of the As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer is 1.4 × 1019cm-3To 6.5 × 1019cm-3An increase in the current amplification factor β is observed in the range, and the C—H concentration can be increased.
[0041]
C-doped Al grown under the above conditionsxGa1-xA heterojunction bipolar transistor including an As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer can realize a low external base resistance by including a heat treatment step in the manufacturing process before the formation of the base electrode after mesa processing. Shows high frequency characteristics.
[0042]
As described above, electrons are captured in the electron trap caused by C—H by continuous initial energization, the trap is neutralized, the recombination current component of the base current is reduced, and all traps are neutralized. When stabilized, a high current amplification factor β is achieved as a result. For example, FIG. 7 shows a Gummel plot of the state before the initial energization and the stable state after the transistor operation initial energization in the grounded emitter so that the decrease in the base current can be easily understood. A thin line indicates a state before initial energization, and a thick line indicates a stable state after initial operation of the transistor. As can be seen from the figure, the base current is decreased by 60 seconds of continuous initial energization, the collector current is increased accordingly, and the current amplification factor β is increased. The collector current increases after 60 seconds of energization than before initial energization, but since the vertical axis is a logarithmic axis, the thin line before initial energization overlaps with the thick line after 60 seconds of energization.
[0043]
Also, the current gain before initial energization is expressed as β0And β is the stable current amplification factor after continuous initial energization, and the increase rate of the current amplification factor is (β) / (β0), (C−H concentration) / (C concentration) was found to be proportional to the current amplification factor. Also, the rate of increase in current gain (β) / (β0) Is 110% or more, maximum oscillation frequency fmaxAlso improved.
[0044]
Also in the high frequency characteristics, in the embodiment, the maximum oscillation frequency fmax= 234 GHz. On the other hand, when the low resistance external C-doped p-type GaAs base layer 6 is not formed without heat treatment, the maximum oscillation frequency fmax= 203 GHz. In a heterojunction bipolar transistor in which the normal C—H concentration of the same base sheet resistance is 10% or less of the C concentration, the maximum oscillation frequency fmax= 121 GHz, it can be seen that the heterojunction bipolar transistor of this example has good high frequency characteristics.
[0045]
Example is AlyGa1-yAs / AlxGa1-xAlthough the explanation has been made by using the As-based heterojunction bipolar transistor as an example, the same effect can be obtained even in the InGaP-based regardless of the semiconductor material of the emitter.
[0046]
(Example 2)
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an InGaP / AlGaAs heterojunction bipolar transistor according to an embodiment of the present invention. That is, an n-type GaAs collector buffer layer 21 (thickness 500 nm), a GaAs collector layer 22 (thickness 700 nm), a C-doped p-type Al layer are formed on a semi-insulating GaAs substrate 20 by MOCVD.0.2Ga0.8As base layer 23 (thickness 50 nm), n-type In0.5Ga0.5A P emitter layer 24 (thickness 200 nm) and an n-type InGaAs layer emitter cap layer 25 (thickness 100 nm) are epitaxially grown sequentially.
[0047]
Internal C-doped p-type Al of the present invention0.2Ga0.8The growth conditions for the As base layer 23 were a growth temperature of 450 ° C. to 680 ° C. and a V / III group gas flow ratio of 20 to 430. Where internal C-doped p-type Al0.2Ga0.8The As base layer 23 is formed by a MOCVD apparatus (TMGa-AsHThree-CBrFour), The ratio of the C—H concentration to the C concentration can be increased by reducing the growth temperature and the ratio of the group V gas flow rate to the group III gas to such an extent that the surface morphology does not deteriorate. . In Example 2, a growth temperature of 600 ° C. and a V / III gas flow ratio of 80.0 were employed. The growth temperature is 600 ° C., the V / III flow rate ratio is 80.0, and CBrFourWhen the flow rate is 40 SCCM, according to SIMS analysis, the C concentration is 5 × 1019cm-3The CH concentration was 2 × 1019cm-3Met.
[0048]
CBrFourIs used as a doping gas, the doping concentration does not depend on the V / III gas flow ratio, and CBrFourSince the doping concentration can be set independently depending on the flow rate, it is more advantageous to implement this embodiment.
[0049]
After growth, this is processed into a mesa shape. Then, a suitable protective film such as SiNxOn the surface, N2Low resistance external C-doped p-type Al after heat treatment at 400 ° C for 5 minutes in atmosphere0.2Ga0.8An As base layer 26 is formed. By this treatment, low resistance external C-doped p-type Al0.2Ga0.8The sheet resistance of the As base layer 26 was 180Ω / □, which was about 80% of the resistance value of 220Ω / □ when heat treatment was not performed. Also in this case, the protective film is SiN.xNot limited to SiO2Etc. The heat treatment temperature and time are not limited to the above conditions. Further, after that, the protective film is removed, and an emitter electrode 27, a base electrode 28, and a collector electrode 29 are formed.
[0050]
After forming the semiconductor device, each electrode is energized with a prober needle to operate as a transistor. By continuously energizing, the base current decreases and stabilizes, and as a result, the same high current amplification factor β as in the first embodiment is achieved.
[0051]
Also in this example, as in Example 1, the current amplification factor before the initial energization is expressed by β0And β is the current amplification factor after the stable initial energization after continuous energization, and the increase rate of the current amplification factor is (β) / (β0) Is proportional to (C−H concentration) / (C concentration). Increase rate of current gain (β) / (β0) Is 110% or more, maximum oscillation frequency fmaxWill also improve.
[0052]
Also in the high frequency characteristic, in this embodiment, the maximum oscillation frequency fmax= 291 GHz. Instead of the InGaP emitter layer of this embodiment of the reference, an AlGaAs emitter layer is adopted, and a C-doped p-type In0.2Ga0.8Maximum oscillation frequency f of heterojunction bipolar transistor when As base layer 26 is formedmaxIn view of the fact that = 251 GHz, this example also has good high-frequency characteristics.
[0053]
In this example, InGaP / AlxGa1-xAn example is an As-based heterojunction bipolar transistor.yGa1-yAs / AlxGa1 -xMaximum oscillation frequency f compared with As heterojunction bipolar transistormaxIt was found that the improvement was remarkable. This is because when a large amount of C—H is contained in the base layer, AlxGa1-xIt has been found that an InGaP emitter layer is more advantageous than an As emitter layer. This is considered to be an effect that the InGaP emitter layer more effectively confines C—H in the base layer.
[0054]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when the epitaxial growth is performed by the MOCVD apparatus, the C— Increase the H concentration ratio. When this becomes a heterojunction bipolar transistor element and operates as a transistor, the rate of increase in current gain (β) / (β0). As a result, a high current amplification factor β is obtained, and good high frequency characteristics are given. In addition, low resistance external C-doped p-type AlxGa1-xBy forming the As (0 ≦ x ≦ 0.2) base layer, better high frequency characteristics can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows Al according to Example 1 of the present invention.yGa1-yAs / AlxGa1-xIt is sectional drawing which shows an As type | system | group heterojunction bipolar transistor.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a GaInP / GaAs heterojunction bipolar transistor according to Example 2 of the present invention.
FIG. 3 shows Al according to the present invention.yGa1-yAs / AlxGa1-xIt is a simple energy band figure before the initial stage electricity supply of an As type | system | group heterojunction bipolar transistor.
FIG. 4 shows Al according to the present invention.yGa1-yAs / AlxGa1-xFIG. 4 is a simple energy band diagram during initial energization of an As-based heterojunction bipolar transistor.
FIG. 5 shows Al according to the present invention.yGa1-yAs / AlxGa1-xIt is a simple energy band diagram in which initial energization of an As-based heterojunction bipolar transistor is almost saturated.
FIG. 6 shows Al according to the present invention.yGa1-yAs / AlxGa1-xIt is a simple energy band figure after electricity supply of an As type heterojunction bipolar transistor.
FIG. 7 shows Al according to an embodiment of the present invention.yGa1-yAs / AlxGa1-xFIG. 6 is a Gummel plot diagram of an As-based heterojunction bipolar transistor at the grounded emitter.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a conventional AlGaAs / GaAs heterojunction bipolar transistor.
[Explanation of symbols]
1 n-type GaAs collector buffer layer
2 GaAs collector layer
3 Internal C-doped p-type AlxGa1-xAs base layer
4 n-type Al0.3Ga0.7As emitter layer
5 n-type InGaAs emitter cap layer
6 Low resistance external C-doped p-type AlxGa1-xAs base layer
7 Emitter electrode
8 Base electrode
9 Collector electrode
10 Semi-insulating GaAs substrate
21 n-type GaAs collector buffer layer
22 GaAs collector layer
23 Internal C-doped p-type GaAs base layer
24 n-type In0.5Ga0.5P emitter layer
25 n-type InGaAs emitter cap layer
26 Low resistance external C-doped p-type GaAs base layer
27 Emitter electrode
28 Base electrode
29 Collector electrode
110 Semi-insulating GaAs substrate
101 n-type GaAs collector buffer layer
102 GaAs collector layer
103 C-doped p-type GaAs base layer
104 n-type Al0.3Ga0.7As emitter layer
105 n-type InGaAs emitter cap layer
106 Selectively regrown C-doped p-type GaAs base layer
107 Emitter electrode
108 Base electrode
109 Collector electrode

Claims (6)

CドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)からなる層を含むベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記ベース層は、エミッタ層が直上に形成された内部ベース層と、前記内部ベース層から前記エミッタ層が形成された領域の外へ向かって延在する外部ベース層とを含み、前記内部ベース層中のC−H濃度が前記外部ベース層中のC−H濃度よりも高く、且つ、トランジスタ動作を伴う初期通電を行うことにより、電流増幅率βの増大と安定化処理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。
In a heterojunction bipolar transistor having a base layer including a layer made of C-doped Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.2),
The base layer includes an internal base layer with an emitter layer formed immediately thereon, and an external base layer extending from the internal base layer to the outside of the region where the emitter layer is formed, and the internal base layer The C-H concentration in the external base layer is higher than the C-H concentration in the external base layer, and the current amplification factor β is increased and stabilized by performing initial energization with transistor operation. Heterojunction bipolar transistor.
前記初期通電前の電流増幅率β0に対し、初期通電後の電流増幅率βの増加率(β/β0)が110%以上であることを特徴とする請求項1記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。2. The heterojunction bipolar transistor according to claim 1, wherein an increase rate (β / β 0 ) of the current amplification factor β after the initial energization is 110% or more with respect to the current amplification factor β 0 before the initial energization. . 前記初期通電時の通電電流量が1kA/cm2以上であることを特徴とする請求項1または2記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。The heterojunction bipolar transistor according to claim 1 or 2, wherein an energization current amount at the time of initial energization is 1 kA / cm 2 or more. 前記CドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)からなる層中のC−H濃度がC濃度の10%以上であることを特徴とする請求項1乃至3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。4. The C—H concentration in the layer made of the C-doped Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.2) is 10% or more of the C concentration. The heterojunction bipolar transistor described in 1. 前記CドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)からなる層のキャリア濃度が1.4×1019cm-3から6.5×1019cm-3であることを特徴とする請求項1乃至4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。The carrier concentration of the layer made of C-doped Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.2) is 1.4 × 10 19 cm −3 to 6.5 × 10 19 cm −3. The heterojunction bipolar transistor according to any one of claims 1 to 4. CドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)からなる層を含むベース層を有する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、
半導体基板上にCドープAlxGa1-xAs(0≦x≦0.2)からなる層を含むベース層となるIII−V族化合物半導体層構造を積層する工程と、前記 III −V族化合物半導体層構造の表面が露出する領域を有するように、前記 III −V族化合物半導体層構造上にエミッタ層を形成する工程と、前記 III −V族化合物半導体層構造において前記表面が露出した領域にベース電極を形成する工程とを有し、前記エミッタ層を形成した後、前記ベース電極形成する前に熱処理工程を行なうことにより、前記 III −V族化合物半導体層構造において前記表面が露出した領域に位置する外部ベース層のC−H濃度を、前記エミッタ層の直下に位置する内部ベース層のC−H濃度よりも低くし、且つ、トランジスタ動作伴う初期通電を施す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。
In a method for manufacturing a heterojunction bipolar transistor having a base layer including a layer made of C-doped Al x Ga 1-x As (0 ≦ x ≦ 0.2),
Laminating a C-doped Al x Ga 1-x As ( 0 ≦ x ≦ 0.2) as a base layer comprising a layer of a III-V compound semiconductor layer structure on a semiconductor substrate, the III -V Group so as to have a region where the surface of the compound semiconductor layer structure is exposed, the III forming an emitter layer on -V compound semiconductor layer structure, wherein the exposed said surface in III -V compound semiconductor layer structure area and forming a base electrode, after forming the emitter layer, by Nau line heat treatment process prior to forming the base electrode, said surface at said III -V compound semiconductor layer structure the C-H concentration in the external base layer positioned on the exposed area, and lower than C-H concentration in the base layer located immediately below the emitter layer, and, characterized by applying an initial energization with transistor operation Toss Method of manufacturing a heterojunction bipolar transistor.
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