JP4239333B2

JP4239333B2 - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ

Info

Publication number: JP4239333B2
Application number: JP34596299A
Authority: JP
Inventors: 俊也齊藤; 洋平乙木; 真二郎藤生
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1999-12-06
Filing date: 1999-12-06
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2019-12-06
Also published as: JP2001168106A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の特徴の一つとして、ベース層に用いられる半導体よりも大きなバンドギャップを有する半導体をエミッタ層に用いることにより、ベース層からエミッタ層への漏れ電流を抑制する効果が挙げられる。
【０００３】
図３は従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタの構造図である。
【０００４】
同図に示すＨＢＴは、基板７上に形成された、サブコレクタ層６、コレクタ層５、ベース層４ａ、エミッタ層３ａ、エミッタキャップ層２ａ及びコンタクト層１を有している。
【０００５】
ＨＢＴにはIII-Ｖ族化合物半導体の中でも良好な特性が得られるＧａＡｓウェハが多用されている。すなわちＧａＡｓウェハ７の上にエピタキシャル成長によってサブコレクタ層６、コレクタ層５、ベース層４ａ及びエミッタ層３ａが順次形成される。
【０００６】
このようなＨＢＴを用いたエミッタ接地回路において、ベース層４ａに流す電流Ｉ_bによってコレクタ層５に流れる電流Ｉ_cを制御するときの電流利得β（＝Ｉ_c／Ｉ_b）は、理論的にはエミッタ層３ａに用いられる材料のバンドギャップに強く依存する。
【０００７】
このため、ベース層４ａに格子整合したエミッタ層３ａやエッチングストッパ層の材料として、室温で１．８４ｅＶ以上のバンドギャップエネルギーを有し、高い電流利得βのＨＢＴが得られるＩｎＧａＰが期待されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＨＢＴにおいて電流利得βが低下することがある。この電流利得βが低下する原因の一つとして、ベース電流Ｉ_bの漏れが考えられる。ＨＢＴにＩｎＧａＰやＩｎＧａＰに類似した燐が含まれる混晶をエミッタ層３ａとして用いた場合、ＧａＡｓを基本材料とした他の層との間の境界面で燐と砒素との置換が起こりやすい。このため、この境界層周辺で結晶の性質が劣化し、ベース層４とエミッタ層３ａとの間やエミッタ層３ａとエミッタキャップ層２との間の界面の再結合が大きくなる問題があり、これが電流利得βを低下させている原因となっている。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エミッタ層やエッチングストッパ層としてＩｎＧａＰやＩｎＧａＰに類似した材料を用いても電流利得βが低下しないヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のヘテロ接合バイポ−ラとランジスタは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた、少なくともＧａＡｓ基板上にＧａＡｓを基本材料としたサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層を順次積層し、その上にインジウムガリウム燐またはインジウムガリウム燐にさらにアルミニウム若しくは砒素も構成元素とする混晶層であるエミッタ層を設け、さらにＧａＡｓを基本材料としたエミッタキャップ層、及びコンタクト層を積層してなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
エミッタ層に隣接するエピタキシャル層であるベース層又はエミッタキャップ層の少なくともいずれか一方に、燐が１×１０ ^２１ cm ^−３以下の濃度でドーピングされているものである。
【００１１】
前記ベース層及びエミッタキャップ層中の燐の濃度は、前記エミッタ層との界面からの距離が増えるにつれて、徐々に濃度が減少していくことを特徴とすることが好ましい。
【００１３】
ここで、エミッタ層３若しくはエッチングストッパ層として、ＩｎＧａＰ等の燐を用いた混晶層をＨＢＴに用いる場合、その混晶層に隣接したＧａＡｓ層との境界層で砒素と燐との置換が起こりやすい。
【００１４】
図１に示すエミッタ層（第３層）３にＩｎＧａＰを用い、エミッタキャップ層（第２層）２及びベース層（第４層）４にＧａＡｓを用いた場合、第２層と第３層との境界及び第３層と第４層との境界で、第２層及び第４層中に燐が混入し、第３層中に砒素が混入する。それらの界面を微視的に見ると、一部ＧａＰとＩｎＧａＡｓとの境界層ができ、両者の格子定数が大きく異なることから、歪みが生じ、この歪みが界面の再結合中心を生成させる元となる。
【００１５】
本発明ではＧａＡｓ側に始めから燐を混入させることにより、その界面での局所的格子歪みを緩和させ、再結合中心の少ない良好な界面を得ることができる。
【００１６】
すなわち、本発明によれば、エミッタ層やエッチングストッパ層等の燐を用いた混晶層に隣接する層に、燐をドーピングしたエピタキシャル層を用いることにより、界面における再結合を減少させることができる。これは燐をドーピングしたエピタキシャル層は、III-Ｖ族化合物半導体と格子不整合による結晶歪みの影響によるデバイス特性が悪化しない程度に燐の濃度が１×１０²¹ｃｍ^-3以下に制御されるためである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１は本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタの一実施の形態を示す構造図である。
【００１９】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、III-Ｖ族化合物半導体、例えばＧａＡｓを用いたトランジスタであって、エミッタ層３及びエッチングストッパ層等の燐を用いた混晶層に隣接するエピタキシャル層２、４に燐がドーピングされているものである。エミッタ層３もしくはエッチングストッパ層は、インジウムガリウム燐またはインジウムガリウム燐にアルミニウム若しくは砒素を混入させた混晶層である。ガリウム砒素にドーピングする燐の濃度は１×１０²¹ｃｍ^-3以下であるのが好ましい。
【００２０】
このように燐を用いた混晶層に隣接する層に、燐をドーピングしたエピタキシャル層を用いることにより、界面における再結合を減少させることができるので、電流利得βが低下しないＨＢＴが得られる。
【００２１】
【実施例】
ＨＢＴは、図１に示すようにＧａＡｓ基板７上に形成された、ＧａＡｓサブコレクタ層６、ＧａＡｓコレクタ層５、ＧａＡｓベース層４、ＩｎＧａＰエミッタ層３、ＧａＡｓエミッタキャップ層２及びＩｎＧａＡｓコンタクト層１を有している。
【００２２】
図１に示したＨＢＴ構造のエピタキシャルウェハにおいて、第３層のＩｎＧａＰエミッタ層３の上の第２層のＧａＡｓエミッタキャップ層２に燐をドーピングした場合の、ＨＢＴ特性におけるベース電流のｎ値（電圧を変化させたときの電流の変化量が大きいほど１に近づき［良好］、小さいほど２に近づく［不良］、パラメータの一種）を図２に示す。
【００２３】
図２は燐がドーピングされたＧａＡｓ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタと、燐がドーピングされてないヘテロ接合バイポーラトランジスタとの特性比較図であり、横軸がＧａＡｓ中の燐濃度軸を示し、縦軸がｎ値軸を示す。
【００２４】
ｎ値は通常１から２の範囲であり、１に近い程良好な界面（ベース漏れ電流が小さい）、２に近い程再結合中心の多い界面（ベース漏れ電流が大きい）と判断される。明らかに燐を適度にドーピングしたＧａＡｓ層を第２層に用いた方がｎ値が良好であり、過剰に燐をドーピングした場合と燐をドーピングしなかった場合とは極端にｎ値が悪化し、これが低電流密度における電流増幅率βの著しい低下をもたらす。
【００２５】
このように、ＧａＡｓ層に対する燐のドーピングはＨＢＴ特性に極めて大きな効果をもたらす。
【００２６】
ここで、境界層における砒素と燐との置換は、数原子層以内の範囲で発生するが、これが局所的なものではなくするためには、界面におけるＧａＡｓ中の燐濃度が高く、界面からの距離が大きくなるにつれて燐の濃度が低くなる緩和状態が最も好ましい。
【００２７】
しかし、界面の燐濃度は１×１０²¹ｃｍ^-3以下に押さえ、界面からの距離が増えるにつれて徐々に濃度が減少していくＧａＡｓ層が最適となる。
【００２８】
なお、エミッタ層及びエッチングストッパ層の材質はＩｎＧａＰに限定されず、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ａｓ、Ｐの組合わせにより形成される混晶にも適用される。また、エミッタ層及びエッチングストッパ層以外の材質はＧａＡｓに限定されず、エミッタ層の材質よりも小さなエネルギーギャップをもつ半導体結晶にも適用される。
【００２９】
以上において本発明によれば、燐をドーピングしたエピタキシャル層を用いることにより、ＨＢＴのベース電流のｎ値を極めて１に近くすることができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【００３１】
エミッタ層やエッチングストッパ層としてＩｎＧａＰやＩｎＧａＰに類似した材料を用いても電流利得βが低下しないヘテロ接合バイポーラトランジスタの提供を実現することができる。
【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一実施の形態を示す構造図である。
【図２】燐がドーピングされたＧａＡｓ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタと、燐がドーピングされていないヘテロ接合バイポーラトランジスタとの特性比較図である。
【図３】従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタの構造図である。
【符号の説明】
１ＩｎＧａＡｓコンタクト層（コンタクト層）
２エミッタキャップ層（ＧａＡｓエミッタキャップ層）
３ＩｎＧａＰエミッタ層（エミッタ層）
４ＧａＡｓベース層（ベース層）
５ＧａＡｓコレクタ層（コレクタ層）
６ＧａＡｓサブコレクタ層（サブコレクタ層）
７ＧａＡｓ基板（基板）

Claims

ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を用いた、少なくともＧａＡｓ基板上にＧａＡｓを基本材料としたサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層を順次積層し、その上にインジウムガリウム燐またはインジウムガリウム燐にさらにアルミニウム若しくは砒素も構成元素とする混晶層であるエミッタ層を設け、さらにＧａＡｓを基本材料としたエミッタキャップ層、及びコンタクト層を積層してなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
エミッタ層に隣接するエピタキシャル層であるベース層又はエミッタキャップ層の少なくともいずれか一方に、燐が１×１０ ^２１ cm ^−３以下の濃度でドーピング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。
前記ベース層及びエミッタキャップ層中の燐の濃度は、前記エミッタ層との界面からの距離が増えるにつれて、徐々に濃度が減少していくことを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ。