JP3862486B2 - 接合型トランジスタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば携帯無線の基地局等に用いられる高出力のパワートランジスタに関するものものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、携帯電話の基地局に用いられる高周波信号用の高出力パワートランジスタや、無線LANにおける高周波信号用の高出力パワートランジスタは、GaAs基板を利用したMESFETやバイポーラトランジスタによって構成されている。これらの素子は、GaAs基板中における電子の高移動度を利用した高周波信号に対する追随性と、GaAsがSiよりも広いバンドギャップを有することを利用した高耐圧性とを有することが利点である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、MESFETやバイポーラトランジスタでは、ゲート−ドレイン間の耐圧やベース−コレクタ間の耐圧が、電圧の印加時に生じる空乏層によって規定されるので、半導体材料(GaAs)の物性により定まる限界を超えた耐圧性を発揮することができない、例えば、現存する高出パワートランジスタにおいては、30V以上の電圧下で動作させることが困難である。そのために、高出力(高電力)を得ようとすると、電流量を稼ぐ必要があるが、電流量を増大させた場合には、電圧を高くする場合に比べると電力損失が大きくなるという不具合がある。
【0004】
本発明の目的は、絶縁体中を電子がトンネルではなく伝導帯を伝導して通過しうることを利用して、絶縁体という材料が本来有する絶縁性を利用して、耐圧の大きい高出力パワートランジスタとして機能しうる接合型トランジスタを実現することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明の接合型トランジスタは、電子を供給するためのエミッタ層と、上記エミッタ層上に設けられ、供給される電子の移動が可能に構成された電子移動層と、上記電子移動層を上記エミッタ層との間に挟むように設けられ、上記エミッタ層から上記電子移動層への電子供給量を制御する電圧を印加するための制御電極と、上記エミッタ層から供給された電子の少なくとも一部を集めるための収集電極と、上記制御電極と上記収集電極との間に介在し、上記電子移動層の上記制御電極に隣接する側の端部の電子親和力と同等あるいはより大きい電子親和力を有する絶縁体層とを備え、前記エミッタ層はn−GaNからなり、前記電子移動層は、AlGaNからなり、前記電子移動層に含まれるAl含有量は、前記エミッタ層から前記制御電極に向けて増加しており、上記電子移動層から上記絶縁体層に注入された電子が上記絶縁体層の伝導帯を伝導して上記収集電極に到達するように構成されている。
【0006】
これにより、制御電極とエミッタ層との間に電圧を印加すると、電子供給層から電子移動層を通過させて、電子移動層の表面から電子を注入させることができる。そのとき、絶縁体層の電子親和力が電子移動層の最表面部の電子親和力よりも小さいので、注入された電子が絶縁体層の伝導帯を伝導して収集電極に到達する。また、制御電極と収集電極との間に絶縁体層が介在することで、収集電極−制御電極間の耐圧値を大きく確保することができる。したがって、電圧を高くして電力損失の小さい高出力パワートランジスタとして機能する接合型トランジスタが得られることになる。
【0007】
上記電子移動層の電子親和力は、上記エミッタ層から上記制御電極に向かう方向に小さくなるように調整されていることにより、絶縁体層への電子の注入が容易になる。
【0008】
上記電子移動層は、上記エミッタ層から上記制御電極に向かう方向に拡大するバンドギャップを有することにより、電子親和力が調整されていることが好ましい。
【0011】
上記絶縁体層は、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化シリコン(SiOx)及び窒化シリコン(SiNx)のうち少なくともいずれか1つを含んでいるか、AlN,AlxGa1-xN(0.65≦x≦1)及びこれらの酸化物のうち少なくともいずれか1つを含んでいることが好ましい。
【0012】
上記電子移動層と上記制御電極との間に設けられ、電子親和力が負あるいは0である材料により構成される表面層をさらに備えていることが好ましい。
【0014】
上記電子移動層における電子の流れる領域を電子移動層の断面の一部に制限するための埋め込み層をさらに備えていることにより、電流の集中により電子の注入効率を高めることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
図1は、本実施形態におけるおける接合型トランジスタの構造を示す断面図である。図1に示すように、本実施形態の接合型トランジスタは、サファイア基板11と、サファイア基板11の上に設けられたエミッタ層として機能するn−GaN層12と、n−GaN層12の上に設けられ、組成がほぼ連続的に変化する,電子移動層として機能するAlxGa1-xN層13と、AlxGa1-xN層13の上に設けられ、表面層として機能するAlN層14と、AlN層14の上に設けられ、フィルタ層として機能するAl2O3層15と、Al2O3層15の上に設けられた制御電極16と、制御電極16と電気的に接続される引出電極19と、n−GaN層12上に設けられたオ−ミック電極17と、AlN層14とAl2O3層15及び引出電極19との間に介在するシリコン酸化膜(SiO2膜)からなる絶縁体層18と、制御電極16及び引出電極19を覆うシリコン酸化膜(SiO2膜)からなる絶縁体層20と、絶縁体層20の上に設けられた収集電極21とから構成されている。また、オーミック電極17と引出電極51との間に交流電圧を印加するための交流電源22と、引出電極19と収集電極21との間に直流のバイアスを印加するための直流電源23とが設けられている。
【0017】
本実施形態の接合型トランジスタは、制御電極16とオ−ミック電極17の間に印加された信号に対応して絶縁体層20に注入される電子25を加速して、収集電極21で受けるものであり、絶縁性が高く、内部損失が小さく、温度依存性も小さい高出力パワートランジスタとして機能する。
【0018】
図2(a),(b)は、本実施形態の接合型トランジスタの各部、つまり、n−GaN層12(エミッタ層)、AlxGa1-xN層13(電子移動層)、AlN層14(表面層)、Al2O3層15(フィルタ層)、制御電極16、絶縁体層20及び収集電極21の電圧を印加していない状態(平衡状態)及び電圧Vの順バイアスを印加した時のエネルギーバンド図である。
【0019】
電子移動層であるAlxGa1-xN層13は、表面に向かって徐々に電子親和力χが小さくなるような材料から選択されるが、その材料を巧く選択することにより、その材料の組成比を変化させることによって電子親和力がほぼ連続的に小さくなる構造を実現することができる。
【0020】
本構成例においては、エミッタ層としてn型にドープされたn−GaN層12(キャリア密度:〜4×1018個/cm3 )を、電子移動層としてドープしていない傾斜組成のAlxGa1-xN層13(0≦x≦1)を、表面層としてAlN層14を、フィルタ層としてAl2O3層15を用いている。
【0021】
ここで、傾斜組成のAlxGa1-xN層13は、GaN層12と接する部分ではx=0、つまりAlを含んでおらず、AlN層14と接する部分ではx=1、つまりGaを含んでいない構成としている。また、その途中はx値を徐々に増加させた、つまりAl含有量が表面に向かって増加していくように組成を傾斜させている。このような構造にすることにより、図2(a)に示すように、AlxGa1-xN層13のGaN層12と接する部分における電子親和力は正であるが、表面に向かうにつれてAl含有量の増加に伴って電子親和力値は小さくなり、AlxGa1-xN層13のAlN層14と接する部分ではAlNと同様に電子親和力が負となる。したがって、この実施形態では、電子移動層(AlxGa1-xN層13)の電子親和力はエミッタ層(GaN層12)から表面層(AlN層14)に至るまでほぼ連続的に減少していることとなる。また、電子移動層として組成傾斜AlxGa1-xNを用いた場合、上記のような構成はバンドギャップの連続的な拡大ともとらえることもできる。
【0022】
そして、本実施形態においては、Al2O3層15の電子親和力はAlN層14の電子親和力よりも所定値Δχ1だけ大きく、絶縁体層20の電子親和力はAlN層14の電子親和力よりも所定値Δχ2だけ大きい。
【0023】
さて、図2(a)に示したような平衡状態では、GaN層12(エミッタ層)の伝導帯には多数の電子が存在しているが、AlN層14(表面層)の伝導帯端のエネルギーレベルが高いため、電子が最表面に到達することはない。一方、このような構造に順バイアス(制御電極側に正電圧)を印加すると、図2(b)に示すようにエネルギーバンドが曲がる。その結果、GaN層12(エミッタ層)に存在する電子は濃度勾配及び電位勾配によってAlxGa1-xN層13(電子移動層)を経てAlN層14(表面層)に輸送される。つまり、電子電流が流れる。また、AlxGa1-xN層13や、AlN層14はノンドープであることから、GaN層12(エミッタ層)からAlxGa1-xN層13(電子移動層)を経てAlN層14(表面層)に注入された電子は、正孔等との再結合によって捕捉されることなく移動することができる。また、AlxGa1-xN層13での組成傾斜を連続的に行なうことで、電子移動の障害となるエネルギー障壁が伝導帯端には形成されないため、効率的に電子を表面まで送るという点で有利である。
【0024】
そして、収集電極21と制御電極16とに印加される電圧に応じて、絶縁体層20のバンドが曲げられるので、絶縁体層20に注入された電子は伝導帯を伝導して、収集電極21に集められることになる。このときの電子は、AlxGa1-xN層13内を移動する場合と同様に、正孔等との再結合によって捕捉されることがない。しかも、このトランジスタの耐圧値は、制御電極16と収集電極21との間に介在する絶縁体層20の厚みそのものによって調整できるので、従来のGaAs基板の空乏層を利用したMESFETやバイポーラトランジスタに比べて、自由に大きな耐圧値に調整することができる。そして、大電圧を印加することができるので、電力損失をできるだけ小さくすることが可能である。そして、例えば携帯電話の基地局における高出力パワートランジスタや、無線LANにおける高出力半導体パワートランジスタとして機能することになる。
【0025】
本発明における絶縁体層20を構成する材料としては、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化シリコン(SiOx)、窒化シリコン(SiNx),窒化アルミニウム(AlN),窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体(AlxGa1-xN)(0.65≦x≦1),これらの酸化物などを用いることができる。また、絶縁体層20を各種絶縁体材料の積層膜によって構成してもよい。
【0026】
本発明における電子移動層の構造は、このような構造に限定されるものではなく、電子親和力が正であってもよいが、本実施形態のごとく電子親和力が負の材料いわゆるNEA材料により構成することで、電子が容易に絶縁体層20の伝導帯を伝導して収集電極21に到達するように構成することができる。
【0027】
また、表面層は必ずしもなくてもよいが、NEA材料からなる表面層が設けられていることで、電子が容易に絶縁体層20の伝導帯を伝導して収集電極21に到達するように構成することができる。
【0028】
また、フィルタ層は必ずしもなくてもよいが、フィルタ層(Al2O3層15)が設けられていることで、リーク電流のみが抑制され、制御電極16とn−GaN層12(あるいはオーミック電極11)との間に印加される正の電圧に応じてAlN層14から有効に電子が注入される。
【0029】
その場合、フィルタ層は、表面層(表面層がない場合は電子移動層の最表面部)よりも所定値Δχ1だけ電子親和力が大きい絶縁性材料により構成され、表面層をAlNにより構成する場合には、フィルタ層を構成する材料として、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化シリコン(SiOx)、窒化シリコン(SiNx)などを用いることができる。
【0030】
なお、これまで知られているNEA材料としては、ガリウム砒素(GaAs)やガリウム隣(GaP)、シリコン(Si)などの半導体表面に低仕事関数材料であるセシウム(Cs)や酸化セシウム(Cs−O)、セシウムアンチモン(Cs−Sb)、酸化ルビジウム(Rb−O)等を薄くコートした構成が知られている。これらの材料を用いた場合、表面層が安定性に乏しいため、一般的には高真空下でないとNEA状態を維持することができない。
【0031】
また、上記構成例においては、電子移動層の組成が連続的に変化することで、電子親和力が連続的に小さくなる(あるいはバンドギャップが連続的に大きくなる)場合について説明したが、本発明の電子移動層の構成は、かかる構成例に限定されるものではなく、その組成がステップ状に変化した場合や多少不連続に変化する場合においても、電子の移動に関して大きな障害とならない程度であれば問題はない。
【0032】
ここで、本実施形態のNEA接合型トランジスタの製造方法について説明する。
【0033】
まず、サファイア基板11の上に、MOCVD法により、トリメチルガリウム(TMG)+アンモニア(NH3)とを反応させて、GaNバッファ層(図示せず)を形成した後、同様の反応ガスにシラン(SiH4)を添加してエミッタ層であるn−GaN層12を形成する。次に、ド−プガスであるSiH4の供給を停止した後、トリメチルアルミニウム(TMA)を導入して、Alの添加量を徐々に増大させながら、AlxGa1-xN層13を形成し始め、途中からTMGの供給を徐々に減少させていくことによって、上方に向かってAl含有比がほぼ連続的に高くなっていくAlxGa1-xN層13を形成する。そして、最終的にAl含有比xを1、つまりGa含有比を0にすることで、表面層であるAlN層14をAlxGa1-xN層13の上に形成する。この時、高品質なAlxGa1-xN層13を成長させるために、反応温度も徐々に変化させる場合もある。このような手法により、エミッタ層であるn−GaN層12と、電子移動層であるAlxGa1-xN層13と、表面層であるAlN層14とを連続的に、かつ高品質に形成することができる。本実施形態においては、n−GaN層12の厚みを4μmとし、AlxGa1-xN層の厚みを0.07μmとし、AlN層の厚みを0.01μmとした。
【0034】
なお、n−GaN層12、AlxGa1-xN層13、及びAlN層14の形成方法は、上述の方法に限定されるものではない。例えば、MOCVD法に代わってMBE法などを用いることも可能である。また、傾斜組成を有するAlxGa1-xN層を形成する他の方法としては、例えば、GaN層の上に薄いAl層をエピタキシャル成長させて、これを熱処理することによって下方に行くほどAl含有比が小さく、表面に近いほどAl含有比が大きいAlxGa1-xN層を形成することも可能である。
【0035】
次に、エミッタ層であるn−GaN層12にオ−ミック電極17を形成する。このとき、基板として用いたサファイアは絶縁体であることから、サファイア基板11の裏面に電極を設けることができない。そこで、n−GaN層12の一部を露出するために表面からある深さまでエッチングし、このエッチング処理によって露出したn−GaN層12の領域上にオ−ミック電極17(材質:Ti/Al/Pt/Au)を電子ビ−ム蒸着法により形成した。
【0036】
次に、AlN層14上に絶縁体層18を形成し、AlN層4の一部を開口させるようにパタ−ニングした後、開口部に露出したAlN層14の上に、アルミナ層15と、引出電極19とを形成する。その材質は適宜選択されるが、絶縁体層18を構成する材料としてSiO2等が好ましく、引出電極19を構成する材料としてTi,Al等が好ましく用いられる。本実施形態では、SiO2膜の膜厚を100nmとし、Al電極の膜厚を200nmとした。
【0037】
さらに、表面層であるAlN層14の上に制御電極16を形成する。その材質についても適宜選択されるが、Pt、Ni、Ti等が好適である。また形成方法についても、限定されるものではないが、電子ビ−ム蒸着法が一般的である。なお制御電極16は電子注入部となるので、電子の注入効率を高めるため、できる限り薄いことが好ましい。本実施形態では、制御電極16の膜厚を5nmとし、大きさをφ20μmとした。
【0038】
さらに、その上にSiO2膜及びPt膜(又はNi膜,Ti膜など)を堆積した後、これらをパターニングして、収集電極21及び絶縁体層20を形成する。
【0039】
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態における接合型トランジスタの構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の接合型トランジスタは、第1の実施形態における接合型トランジスタの構造に加えて、n−GaN層12とAlxGa1-xN層13との境界付近に配置された埋込絶縁層26(あるいは、埋込p型層)を備えている。本実施形態では、n−GaN層12/AlxGa1-xN層13の境界付近に設けられた埋込絶縁層26によって電子移動層であるAlxGa1-xN層13を移動する電子流を狭窄して、表面電極である制御電極16に到達する電子密度を高めるものである。
【0040】
なお、埋込絶縁層26(又は埋込p型層)は、プロセスの容易性を考慮すると、本実施形態のごとく、図3に示す位置に設けられていることが好ましいが、場合によっては、AlxGa1-xN層13内やn−GaN層12内に同様の機能を有する部材が設けられていてもよい。
【0041】
(その他の実施形態)
上記各実施形態において、基板はサファイアを用いたため、エッチングによって表面からオ−ミック制御電極を設けたが、SiCなどの導電性基板を用いた場合、裏面よりオ−ミック制御電極を形成することができるので、より簡便な構成/プロセスとすることができる。
【0042】
また、上記各実施形態においては、表面層をAlNまたはAlxGa1-xNにより構成したが、それ以外のNEA材料であるダイヤモンド等によって表面層を構成しても良い。
【0043】
上記各実施形態におけるAlxGa1-xN層内にn型不純物をド−プして、n型半導体として機能させても良い。
【0044】
上記各実施形態における電子注入部(表面層)は、1つの素子に複数個設けられていても良い。
【0045】
上記AlxGa1-xN層を利用した実施形態においては、AlxGa1-xN層のAl含有比xが連続的に変化する構造としたが、AlxGa1-xN層のAl含有比xが、例えば階段状に変化するものがあってもよい。
【0046】
【発明の効果】
本発明の接合型トランジスタによれば、エミッタ層から電子をスム−ズに移動させるための電子移動層とを設け、さらに、電子移動層の上に電子親和力が電子移動層よりも大きい絶縁体層を設けたので、耐圧の大きい高出力パワートランジスタとして機能する接合型トランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態におけるNEA材料を用いた接合型トランジスタの構造を示す断面図である。
【図2】(a),(b)は、電子移動層としてAlxGa1-xN(0≦x≦y、かつy<1)を適用したNEA接合型トランジスタの平衡状態と順バイアス印加時におけるエネルギー状態を示すエネルギーバンド図である。
【図3】本発明の第2の実施形態における接合型トランジスタの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
11 サファイア基板
12 n−GaN層(エミッタ層)
13 AlxGa1-xN層(電子移動層)
14 AlN層(表面層)
15 Al2O3層(フィルタ層)
16 制御電極
17 オ−ミック電極
18 絶縁体層
19 引出電極
20 絶縁体層
21 収集電極
22 交流電源
23 直流電源
25 電子
26 埋込
Claims (7)
- 電子を供給するためのエミッタ層と、
上記エミッタ層上に設けられ、供給される電子の移動が可能に構成された電子移動層と、
上記電子移動層を上記エミッタ層との間に挟むように設けられ、上記エミッタ層から上記電子移動層への電子供給量を制御する電圧を印加するための制御電極と、
上記エミッタ層から供給された電子の少なくとも一部を集めるための収集電極と、
上記制御電極と上記収集電極との間に介在し、上記電子移動層の上記制御電極に隣接する側の端部の電子親和力と同等あるいはより大きい電子親和力を有する絶縁体層とを備え、
前記エミッタ層はn−GaNからなり、
前記電子移動層は、AlGaNからなり、
前記電子移動層に含まれるAl含有量は、前記エミッタ層から前記制御電極に向けて増加しており、
上記電子移動層から上記絶縁体層に注入された電子が上記絶縁体層の伝導帯を伝導して上記収集電極に到達するように構成されていることを特徴とする接合型トランジスタ。 - 請求項1記載の接合型トランジスタにおいて、
上記電子移動層の電子親和力は、上記エミッタ層から上記制御電極に向かう方向に小さくなるように調整されていることを特徴とする接合型トランジスタ。 - 請求項2記載の接合型トランジスタにおいて、
上記電子移動層は、上記エミッタ層から上記制御電極に向かう方向に拡大するバンドギャップを有することにより、電子親和力が調整されていることを特徴とする接合型トランジスタ。 - 請求項1〜3のうちいずれか1つに記載の接合型トランジスタにおいて、
上記絶縁体層は、酸化アルミニウム(Al2O3)、酸化シリコン(SiOx)及び窒化シリコン(SiNx)のうち少なくともいずれか1つを含むことを特徴とする接合型トランジスタ。 - 請求項1〜3のうちいずれか1つに記載の接合型トランジスタにおいて、
上記絶縁体層は、AlN,AlxGa1-xN(0.65≦x≦1)及びこれらの酸化物のうち少なくともいずれか1つを含んでいることを特徴とする接合型トランジスタ。 - 請求項1〜5のうちいずれか1つに記載の接合型トランジスタにおいて、
上記電子移動層と上記制御電極との間に設けられ、電子親和力が負あるいは0である材料により構成される表面層をさらに備えていることを特徴とする接合型トランジスタ。 - 請求項1〜6のうちいずれか1つに記載の接合型トランジスタにおいて、
上記電子移動層における電子の流れる領域を電子移動層の断面の一部に制限するための埋め込み層をさらに備えていることを特徴とする接合型トランジスタ。
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