JP4158683B2 - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハ - Google Patents

Description

本発明は、III−Ｖ族化合物半導体基板上に形成したヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏ−Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下ＨＢＴと省略する）構造を有するエピタキシャルウェハに関するものである。

ＨＢＴは、低歪みの信号増幅が可能で、単一電源での使用ができる等の優れた特長を持つことから、デジタル通信、ミリ波システムなどのキーデバイスとして注目されている。

ＨＢＴは、化合物半導体基板上にコレクタ層、ベース層、エミッタ層がヘテロ接合したトランジスタである。代表的な材料としては、コレクタ層、ベース層にＧａＡｓ、エミッタ層にＡｌＧａＡｓあるいはＩｎＧａＰが用いられる。

エミッタ層にベース層よりもバンドギャップが大きな材料を用いてヘテロ接合することによって、ベース層からエミッタ層へ少数キャリアの注入を抑制することができるために、ホモ接合よりも高い電流利得や電流注入効率が期待できる。

また、ベース層にＩｎＧａＡｓのようにバンドギャップが小さい材料を用いることによって、動作電圧Ｖｂｅを低く抑えることが可能となる。ヘテロ接合する材料を組み合わせることによって、トランジスタ特性を高めることができることがＨＢＴの特徴である。

従来、ベース層にＧａＡｓを用いたＨＢＴ用エピタキシャルウェハの例であるが、ＧａＡｓベース層中にアクセプタとドナーを特定の割合、つまり濃度比（ドナー／アクセプタ）１／１０〜１０／１で含有させ、高いドーピング濃度を達成し、且つ点欠陥の発生を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１においては、例えば、ドナー濃度が１×１０¹⁸cm^-3となるようにＳｉ（シリコン）を添加すると同時に、キャリア濃度（アクセプタ濃度−ドナー濃度）が４×１０¹⁹cm^-3となるようにＣ（炭素）を添加し、エピタキシャル成長させる。
特開２００１−３５８１４９号公報、段落番号００１６、００１９、００３１

しかしながら、上記特許文献１には、ベース層にＧａＡｓを用いたＨＢＴ用エピタキシャルウェハを開示したものであり、ベース層にＩｎＧａＡｓを用いたＨＢＴの形態については開示がない。

ＨＢＴの高周波特性を高めるためには、ベース層が高濃度薄層化した狭いバンドギャップを有する材料であることが望ましく、その材料としてはＩｎＧａＡｓが理論的には有望である。

しかしながら、ＧａＡｓにＩｎを添加すると、ＧａＡｓ中への炭素の取り込み効率が低下するために、ベース層として必要なアクセプタ濃度２×１０¹⁹cm^-3が達成できないと言う問題があり、このためｐ型ＩｎＧａＡｓベースは実用化には至っていない。

本発明者らはＭＯＶＰＥ法によるＩｎＧａＡｓエピタキシャル層の成長温度、Ｖ／IIIなどを鋭意検討したが、ＩｎＧａＡｓベース層の結晶性が低下することなく、ベース層として十分なアクセプタ濃度を得ることはできなかった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＧａＡｓにＩｎを添加してもベース層として必要なアクセプタ濃度を示すＩｎＧａＡｓベース層へのドーピング方法を提供し、さらに該ＩｎＧａＡｓベース層によって電流増幅率および高周波特性に優れた高性能ＨＢＴ用エピタキシャルウェハを提供することにある。

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。

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用エピタキシャルウェハは、ｎ型のコレクタ層、ｐ型のベース層、ｎ型のエミッタ層が順次積層された構造を具備する化合物半導体によるへテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、上記ベース層がアクセプタとドナーによる複数のドーパントによりｐ型化されたＩｎＧａＡｓから成り、上記ＩｎＧａＡｓベース層が、上記アクセプタとして、炭素濃度が４×１０ ^１９ ｃｍ ^−３ となるようにＣ（炭素）を含有すると共に、上記ドナーとして、シリコン濃度が１×１０ ^１５ 〜１×１０ ^１７ ｃｍ ^−３ となるようにＳｉ（シリコン）を含有しており、且つＩｎＧａＡｓベース層のキャリア濃度が２×１０ ¹⁹ cm ^-3 以上となるように構成されていることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１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ウェハにおいて、上記ＩｎＧａＡｓベース層は、キャリア濃度がエミッタ側からコレクタ側にかけて漸次減少していることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１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ウェハにおいて、上記ＩｎＧａＡｓベース層は、Ｉｎ組成がエミッタ側からコレクタ側にかけて漸次増加していることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３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用エピタキシャルウェハにおいて、上記コレクタ層がＧａＡｓからなり、且つ上記ＩｎＧａＡｓベース層とＧａＡｓコレクタ層との間に、ＩｎＧａＡｓベース層側からＧａＡｓコレクタ層側まで段階的にＩｎ組成が変化するコレクタ遷移層を介設したことを特徴とする。

＜発明の要点＞
本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意工夫を重ねた結果、複数の不純物を同時にＩｎＧａＡｓベース層にドーピングすることによって高いアクセプタ濃度を示すことを見出した。

さらに、ＩｎＧａＡｓベース層のキャリア濃度分布およびＩｎ組成分布を傾斜型にすると、これにより内部電界が形成されて、電流増幅率が高く、高速応答するＨＢＴ特性を示すことがわかり、本発明に至った。

本発明の特徴は、ＩｎＧａＡｓベース層に複数の不純物を同時にドーピングすることである。すなわち、ＩｎＧａＡｓベース層中にアクセプタ不純物である炭素と共に、ドナー不純物となるIV族元素のＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、ＰｂあるいはVI族元素のＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏのいずれか一つを同時にドーピングするものであり、これにより炭素を単独でドーピングした場合よりも高いアクセプタ濃度を得ることができる。また、アクセプタ濃度がＩｎＧａＡｓベース層の内部でエミッタ側からコレクタ側に向かって減少するようにドーピングし、更にＩｎＧａＡｓベース層のＩｎ組成はエミッタ側からコレクタ側に向かって増加するようにエピタキシャル成長することによって、形成された内部電界の効果により、高い電流増幅率と高速応答を実現できることが特徴である。

本発明では、ＩｎＧａＡｓベース層に、アクセプタのＣ（炭素）と共に、ドナーとして、IV族元素のＳｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ｐｂからなる群から選ばれる１種、又はVI元素のＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏからなる群から選ばれる１種を添加する。このため、本発明によれば、炭素を単独にドーピングした場合に比べ、炭素をＩｎＧａＡｓ層に効率よくドーピングすることが可能となり、これまで実現できなかった高いアクセプタ濃度を持つｐ型ＩｎＧａＡｓベース層を得ることができる。このｐ型ＩｎＧａＡｓをベース層として有するＨＢＴ用エピタキシャルウェハを用いれば、高い電流増幅率と高速応答するヘテロ結合バイポーラトランジスタを製造することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図示の実施例に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施例を示すＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造を示したものである。

半絶縁性のＧａＡｓ基板上に、ＭＯＶＰＥ法によって、ＧａＡｓサブコレクタ層１、ＧａＡｓコレクタ層２、ＩｎＧａＡｓコレクタ遷移層３、ＩｎＧａＡｓベース層４、ＩｎＧａＰエミッタ層５を成長し、ヘテロ接合エピタキシャルウェハを作製した。

コレクタ遷移層３は、バンドギャップが小さなＩｎＧａＡｓベース層４をコレクタ層２上に接合させるための組成傾斜型の遷移層である。

第４層のｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４には、炭素と共にシリコンも同時にドーピングしてあり、そのアクセプタ濃度は４×１０¹⁹cm^-3と高い値になっている。換言すれば、このように炭素と共にシリコンも同時にドーピングすることで、４×１０¹⁹cm^-3と高いアクセプタ濃度を実現することができた。

また、このｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４は、そのコレクタ層２側からエミッタ層５側に向けてＩｎ組成を、次のように減少させた。すなわち、ＩｎＧａＰエミッタ層側では、Ｉｎ組成ゼロつまりＧａＡｓとなるように、Ｉｎ組成を漸減させた傾斜型組成分布とした。これによりｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４内で、コレクタ層側でのバンドギャップが小さくなる。

一方、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４のコレクタ層２側に近い部分の組成とキャリア濃度は、Ｉｎ_0.1Ｇａ_0.9Ａｓ、４×１０¹⁹cm^-3であり、そこでの成長条件は、成長温度を５００℃とし、Ｖ族原料とIII族原料との供給量比をＶ／III比＝１０とし、Ｉｎの原料であるトリメチルインジウム（ＴＭＩ）とＧａの原料であるトリメチルガリウム（ＴＭＧ）の流量比をＴＭＩ／ＴＭＧ＝０．１とし、ＣＢｒ_4／Ｓｉ₂Ｈ₆＝１００とした。この条件下で成長したＩｎＧａＡｓベース層の不純物濃度を二次イオン分析（ＳＩＭＳ）で測定した結果、炭素濃度４×１０¹⁹cm^-3、シリコン濃度５×１０¹⁶cm^-3であることが分かった。

ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４は、そのＩｎ組成をコレクタ層側からエミッタ層側に向けて減少させているので、図２の如く、伝導帯及び価電子帯のバンド端の間におけるフェルミ準位の位置が変化することから、ベース層の伝導帯のバンド端は、エミッタ側で高くコレクタ側で低くなるように傾斜し、バンドギャップが小さくなる傾斜型のバンドダイヤグラムとなり、キャリアをコレクタ側に加速する内部電界が生じて、電子が走行しやすくなった。

また、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層４のキャリア濃度分布については、ｐ型ＩｎＧａＡｓベース層をコレクタ側からエミッタ側に向けて、キャリア濃度が増加するようにドーピング制御し、傾斜型キャリア濃度（アクセプタ濃度）分布を持つベース層とすることにより、内部電界を更に増す効果があることも確認できた。

次に、図１に示す構造のエピタキシャルウェハを用いて、ＨＢＴを作製してその特性を評価した結果について述べる。

エミッタ、ベース、コレクタ電極は、マスクによるパターン形成とエッチングにより、それぞれＮｏ．８、Ｎｏ．４、Ｎｏ．１のエピタキシャル層、つまりＩｎＧａＡｓオーミックコンタクト層８、ＩｎＧａＡｓベース層４、ＧａＡｓサブコレクタ層１の上に形成した。得られたＨＢＴの特性を評価した結果、電流増幅率β＝１５０、電流遮断周波数＝５０ＭＨｚが得られた。これは、ベース層がｐ型ＧａＡｓの単一組成である従来のＩｎＧａＰ−ＨＢＴと比較すると、２０％近く向上した特性を示した。

なお、ＩｎＧａＡｓベース層中にＣと共にドーピングしたＳｉの濃度は、１×１０¹⁵〜１×１０¹⁷cm^-3、Ｉｎ_xＧａ_1-xＡｓのＩｎ組成は、Ｘ＝０．０ｌ〜０．２の範囲において、従来のＧａＡｓベース層のＨＢＴと比べるとＨＢＴ特性が優れることが確認できた。

上記実施例では、ベース層に炭素と共にドーピングする元素としてＳｉ（シリコン）を例にして説明したが、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｎ（錫）、Ｐｂ（鉛）といったIV族元素、又はＳ（硫黄）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）、Ｐｏ（ポロニウム）といったVI族元素を、Ｃ（炭素）と共にドーピングすること、好ましくは上記ドナーとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ又はＳ、Ｓｅ、Ｔｅのうちの一つを含ませることによっても同様の効果を得ることができる。

また、ＩｎＧａＰエミッタのＨＢＴを例に記したが、ＡｌＧａＡｓエミッタのＨＢＴにおいても、ＩｎＧａＡｓベース層にアクセプタとしてＣ（炭素）を含ませると共に、上記ドナーとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、ＰｂといったIV族元素、又はＳ、Ｓｅ、Ｔｅ、ＰｏといったVI族元素のうちの一つ、好ましくは上記ドナーとして、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ又はＳ、Ｓｅ、Ｔｅのうちの一つを含ませることにより、ＩｎＧａＡｓベース層のキャリア濃度を容易に２×１０¹⁹cm^-3以上とすることができる等、上記実施例と同様の効果を得ることができる。

本発明の実施例に係るＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造を示した図である。 本発明の図１のエピタキシャル層構造のバンドダイヤグラムを示す図である。

符号の説明

１ サブコレクタ層
２ コレクタ層
３ コレクタ遷移層
４ ベース層
５ エミッタ層

Claims (4)

1. ｎ型のコレクタ層、ｐ型のベース層、ｎ型のエミッタ層が順次積層された構造を具備する化合物半導体によるへテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、
   上記ベース層がアクセプタとドナーによる複数のドーパントによりｐ型化されたＩｎＧａＡｓから成り、
   上記ＩｎＧａＡｓベース層が、上記アクセプタとして、炭素濃度が４×１０ ^１９ ｃｍ ^−３ となるようにＣ（炭素）を含有すると共に、上記ドナーとして、シリコン濃度が１×１０ ^１５ 〜１×１０ ^１７ ｃｍ ^−３ となるようにＳｉ（シリコン）を含有しており、且つＩｎＧａＡｓベース層のキャリア濃度が２×１０ ¹⁹ cm ^-3 以上となるように構成されていることを特徴とす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ウェハ。
2. 請求項１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ウェハにおいて、
   上記ＩｎＧａＡｓベース層は、キャリア濃度がエミッタ側からコレクタ側にかけて漸次減少していることを特徴とす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ウェハ。
3. 請求項１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ウェハにおいて、
   上記ＩｎＧａＡｓベース層は、Ｉｎ組成がエミッタ側からコレクタ側にかけて漸次増加していることを特徴とす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ウェハ。
4. 請求項１〜３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用エピタキシャルウェハにおいて、
   上記コレクタ層がＧａＡｓからなり、且つ上記ＩｎＧａＡｓベース層とＧａＡｓコレクタ層との間に、ＩｎＧａＡｓベース層側からＧａＡｓコレクタ層側まで段階的にＩｎ組成が変化するコレクタ遷移層を介設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用エピタキシャルウェハ。

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