JP4799938B2 - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

Description

本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに関し、特に、本発明は、ＧａＡｓＳｂ系材料をベース層に用いるヘテロ接合バイポーラトランジスタの構造に関する。

ＩｎＰ系のヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｂｉｐｏ１ａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＢＴ）のベース層材料として、ＧａＡｓＳｂが注目されている。ＧａＡｓＳｂは、ＩｎＰ基板に対してＧａＡｓ（０．５１）Ｓｂ（０．４９）の組成において格子整合する。

このベース層材料を用いたＩｎＰ／ＧａＡｓ（０．５１）Ｓｂ（０．４９）／ＩｎＰ系ＨＢＴは、図３に示すようなＴｙｐｅ−ＩＩのバンドラインナップを形成し、優れた高周波特性と高耐圧特性を同時に実現することが可能である（非特許文献１参照）。図３は、ヘテロ接合によるバンドラインナップの種類を説明する模式図であり、Ｔｙｐｅ−Ｉ、Ｔｙｐｅ−ＩＩのそれぞれについて模式的に示している。

ＩｎＰ／ＧａＡｓ（０．５１）Ｓｂ（０．４９）／ＩｎＰ系ＨＢＴの前述のような優れた特性は、ＧａＡｓ（０．５１）Ｓｂ（０．４９）ベース層の伝導帯端のポテンシャルが、ＩｎＰコレクタ層のそれよりも高いため、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ系ＨＢＴで課題となっていたコレクタにおける電流ブロッキング効果が解消されるという利点があるためである。また、価電子帯側が深い井戸型ポテンシャル構造になるため、ベース層を高濃度ドーピングした場合であっても、エミッタヘのホール逆注入が起きにくいという利点もある。

しかしながら、ＧａＡｓＳｂ系ベース層の少数キャリアの移動度は、ＩｎＧａＡｓのそれの約半分であることが知られている。そのため、ＧａＡｓＳｂ系ベース層のＨＢＴの電流利得（β）は、同じベースシート抵抗であるＩｎＧａＡｓ系ベース層のＨＢＴのそれよりも低くなりやすい。

よって、高速化のためにベースシート抵抗を下げようとすると、上記理由により元々低い電流利得が、さらに低くなってしまうために、シート抵抗を下げることには限界があった。

こうした課題を解決するために、ベース層の伝導帯端を、エミッタ側からコレクタ側の方向にポテンシャルが低くなるように傾斜させ、それにより発生させた内部電界により少数キャリアを加速させる方法が提案されている。

実際にＩｎＧａＡｓ系ベース層のＨＢＴで試みられている例としては、例えば非特許文献２に記載の通りである。

一方、ＧａＡｓＳｂ系ベース層のＨＢＴにおいては、例えば、非特許文献３に記載のＧａＡｓ（ｘ）Ｓｂ（１−ｘ）のように、ＡｓとＳｂとの組成比を可変にして、それによって生じたバンドギャップの差ΔＥｇを用いて内部電界を発生させる方法が提案されている。しかし、ＩｎＰ基板上に無理なく疑似格子整合させることが可能な組成範囲内においては、大きな内部電界を発生させられず、大幅な特性改善が図れないという問題がある。

一例として、ＧａＡｓ（０．６０）Ｓｂ（０．４０）からＧａＡｓ（０．４０）Ｓｂ（０．６０）まで組成比を変化させたときに得られるバンドギャップ差ΔＥｇは約３０ｍｅＶであるが、臨界膜厚は３０ｎｍ程度にまで落ちてしまい、疑似格子整合させながらエピタキシャル成長させることは困難である。また、ＧａＡｓＳｂの有力なｐ型ドーパント（ｄｏｐａｎｔ：微量添加物）であるＣ（炭素原子）は、そのドーピング効率がＡｓとＳｂとの組成比により大きく左右されてしまうため、高濃度ドービングによるベース層の低抵抗化が難しいという問題も生じる。

さらには、無理に大きな内部電界を発生させようと大幅に組成比を変化させると、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）にて層構造を作製する場合、Ｃ（炭素原子）ドープしたＧａＡｓＳｂ中の炭素アクセプタの水素不活性化耐性を大きく損なうという新たな問題を生じる。

また、ＧａＡｓＳｂにＩｎを添加すると、バンドギャップＥｇがＧａＡｓＳｂよりも小さくなるという特性を利用して、ＩｎＧａＡｓＳｂのＩｎとＧａとの組成比を可変として、それによって内部電界を発生させる方法も考えられる。

この場合、Ｉｎを１０％添加したＩｎ（０．１０）Ｇａ（０．９０）Ａｓ（０．５１）Ｓｂ（０．４９）とＧａＡｓ（０．５１）Ｓｂ（０．４９）とでは、バンドギャップ差ΔＥｇとして約５０ｍｅＶが得られるが、同時に、Ｃドープの取込効率は３０％以下に低下し、また、強い合金散乱が発生するために、移動度が６０％以下に低下する。さらには、水素不活性化に対する耐性も低下するという問題も生じる。これらは、ベース層のシート抵抗を著しく押し上げる結果を招くため、ＨＢＴの高速化を図り、電流利得を改善する上では不利となる。
Ｃ．Ｒ．Ｂｏｌｏｇｎｅｓｉら４名、「３００ＧＨｚ ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ Ｄｏｕｂ１ｅ ＨＢＴｓ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ＢＶＣＥＯ≧６Ｖ」、ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００１年発行、Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．８，ｐ．３６１−３６３ Ｋｅｎｊｉ Ｋｕｒｉｓｈｉｍａら５名、「Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ａ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｌｙ−Ｇｒａｄｅｄ ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ Ｂａｓｅ ｉｎ Ａｂｒｕｐｔ−Ｅｍｉｔｔｅｒ ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏ１ａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ」、Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａ１ Ａｐｐ１ｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、１９９５年発行、Ｖｏｌ．３４，Ｐａｒｔ１，Ｎｏ．２Ｂ，ｐ．１２２１−１２２７ Ｙａｓｕｈｉｒｏ Ｏｄａら５名、「Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｌｌｙ−ｇｒａｄｅｄ ＧａＡｓＳｂ−ｂａｓｅ ｉｎ ＩｎＡｌＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ ＨＢＴｓ」、Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ａｂｓｔｒａｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ２４ｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、２００５年発行、ｐ．９３−９４

前述したように、従来のＧａＡｓＳｂ系ベース層のＨＢＴでは大きな電流利得を得ることが難しいという問題がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、ＧａＡｓＳｂ系ベース層を持つＨＢＴにおいて、ベース層内の少数キャリアを内部電界により加速させ、電流利得の改善を図ることを目的とする。

前述のような課題を解決するため、本発明においては、ＧａＡｓＳｂ系材料をベース層に有するＨＢＴ構造として、Ａｌを少量含ませ、その組成比を変化させることにより、内部電界を発生させる構造としている。具体的には、本発明は、以下のごとき各技術手段から構成される。

第１の技術手段は、ＩｎＰ基板上にＧａＡｓＳｂ系の材料からなるベース層を形成するヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）において、前記ベース層の少なくとも１層には、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）を用い（ｘ，ｙは組成比を示す）、かつ、Ａｌの組成比ｘをエミッタ側からコレクタ側の方向に徐々に小さくなる傾斜組成とし、かつ、Ａｌの組成比ｘを、
０＜ｘ≦０．２
の範囲内にし、かつ、Ａｓの組成比ｙを、
０．２≦ｙ≦０．８
の範囲内にし、かつ、前記ベース層のホール濃度を４×１０^１９ｃｍ^−３以上とするとともに、エミッタ層の少なくとも１層には、前記ベース層との伝導帯端差ΔＥｃが０．１８ｅＶ以下となる材料を用いていることを特徴とする。

第２の技術手段は、前記第１の技術手段に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、さらに、前記エミッタ層の少なくとも１層には、ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＰ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰのいずれかの材料を用いていることを特徴とする。

第３の技術手段は、前記第１または第２の技術手段に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、さらに、前記エミッタ層の少なくとも１層には、Ｉｎ（１−ｚ）Ａｌ（ｚ）Ｐを用い（ｚは組成比を示す）、Ａｌの組成比ｚは、
０＜ｚ≦０．５
の範囲内であることを特徴とする。

第４の技術手段は、前記第３の技術手段に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、さらに、前記エミッタ層のＡｌの組成比ｚは、エミッタ／ベース界面から遠ざかる方向に徐々に小さくなる傾斜組成であることを特徴とする。

第５の技術手段は、前記第１乃至第４の技術手段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、さらに、前記ベース層のＡｓの組成比ｙは、前記第３の技術手段に記載の範囲よりも狭い、
０．２≦ｙ≦０．５１
の範囲内であることを特徴とする。

第６の技術手段は、前記第１乃至第４の技術手段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、さらに、前記ベース層のＡｓの組成比ｙは、エミッタ側よりもコレクタ側のバンドギャップＥｇが小さくなる範囲において、エミッタ側からコレクタ側の方向に大きくなる傾斜組成であることを特徴とする。

第７の技術手段は、前記第１乃至第４の技術手段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、さらに、前記ベース層のＡｓの組成比ｙは、エミッタ側からコレクタ側の方向に小さくなる傾斜組成であることを特徴とする。

第８の技術手段は、前記第１乃至第７の技術手段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、さらに、層構造を形成するための手法として有機金属気相成長法又は分子ビームエピタキシャル成長法を少なくとも用い、前記ベース層へのドーパントにＣ（炭素原子）を用いることを特徴とする。

本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタによれば、少なくとも、
（１）ベース層に少なくとも１層はＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）を用いている（ｘ，ｙは任意の組成比）。
（２）ベース層のＡｌの組成比ｘは、エミッタ側からコレクタ側の方向に小さくなる傾斜組成であり、この結果として、エミッタ側よりもコレクタ側のバンドギャップＥｇが小さい。
（３）ベース層のホール濃度が４×１０^１９ｃｍ^−３以上である。
（４）エミッタ層に少なくとも１層はベース層との伝導帯端差ΔＥｃが０．１８ｅＶ以下となる材料を用いている。
（５）基板にＩｎＰを用いている。
という構成を採用しているので、ＧａＡｓＳｂ系ベース材料によるＨＢＴにおいて、ベース層の少数キャリアの遅さを改善し、電流利得などの素子特性を向上させることが可能である。

さらには、本発明によれば、ベース層のＡｌの組成比ｘは、０＜ｘ≦０．２の範囲内の組成比であるという要件をさらに追加して採用しているので、Ａｌによる合金散乱の増大を防ぎ、電流利得などの素子特性をより確実に向上させることが可能である。

さらには、本発明によれば、ベース層のＡｓの組成比ｙは、０．２≦ｙ≦０．８の範囲内での組成比であるという要件をさらに追加して採用しているので、臨界膜厚を超えることなく、１０ｎｍ程度の超薄膜ベース層を成長させることができ、格子定数を大きく変化させて、電流利得などの素子特性をより確実に向上させることが可能である。

さらには、本発明によれば、
（ａ）エミッタ層の少なくとも１層には、ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＰ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰのいずれかの材料を用いている。
（ｂ）エミッタ層の少なくとも１層には、Ｉｎ（１−ｚ）Ａｌ（ｚ）Ｐを用い（ｚは組成比、Ａｌの組成比ｚは、０＜ｚ≦０．５の範囲内である。
（ｃ）前記（ｂ）項に記載のエミッタ層のＡｌの組成比ｚは、エミッタ／ベース界面から遠ざかる方向に徐々に小さくなる傾斜組成である。
という要件のいずれかをさらに追加して採用することも可能としているので、ベース層のエミッタ層側の伝導帯端がエミッタ層のそれよりも低い構造とすることができ、電流利得などの素子特性をより確実に向上させることが可能である。

さらには、本発明によれば、ベース層のＡｓの組成比ｙは、０．２≦ｙ≦０．５１の範囲内であるという要件のいずれかをさらに追加して採用することも可能としているので、エミッタ層とベース層との伝導帯端差ΔＥｃを小さくすることができ、エミッタ層側の材料選択が容易になり、電流利得などの素子特性をより確実に向上させることが可能である。

さらには、本発明によれば、ベース層のＡｓの組成比ｙは、エミッタ側よりもコレクタ側のバンドギャップＥｇが小さくなる範囲において、エミッタ側からコレクタ側の方向に大きくなる傾斜組成であるという要件をさらに追加して採用することも可能としているので、ベース層内でのホール濃度の均一化を図りつつ、電流利得などの素子特性をより確実に向上させることが可能である。

さらには、本発明によれば、ベース層のＡｓの組成比ｙは、エミッタ側からコレクタ側の方向に小さくなる傾斜組成であるという要件をさらに追加して採用することも可能としているので、ベース層内の内部電界をさらに増強することが可能であり、電流利得などの素子特性をより確実に向上させることが可能である。

さらには、本発明によれば、層構造を形成するための手法として有機金属気相成長法又は分子ビームエピタキシャル成長法を少なくとも用い、前記ベース層へのドーパントにＣ（炭素原子）を用いるという要件をさらに追加して採用することも可能としているので、ＧａＡｓＳｂ系ベース材料によるＨＢＴにおいて、ベース層の少数キャリアの遅さを改善し、電流利得などの素子特性を向上させるＨＢＴをより確実に獲得することが可能である。

以下に、本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの最良の実施形態について、その一例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に本発明のＩｎＡｌＰ／ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ ＨＢＴのバンドラインナップの概略の一例を示すが、本発明の説明に必要がない部分については省略している。また、説明の便宜上、図１には、ベース層にＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）組成傾斜層、エミッタ層にＩｎ（１−ｚ）Ａｌ（ｚ）Ｐ組成傾斜層、コレクタ層にＩｎＰを用いていることを特徴とするＨＢＴ（ｘ、ｙ、ｚは組成比）のバンドラインナップの概略が示されている。

しかし、本発明の主旨に反しない限り、すなわち、少なくとも、
（１）ベース層に少なくとも１層はＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）を用いている（ｘ，ｙは任意の組成比）。
（２）ベース層のＡｌの組成比ｘは、エミッタ側からコレクタ側の方向に小さくなる傾斜組成であり、この結果として、エミッタ側よりもコレクタ側のバンドギャップＥｇが小さい。
（３）ベース層のホール濃度が４×１０^１９ｃｍ^−３以上である。
（４）エミッタ層に少なくとも１層はベース層との伝導帯端差ΔＥｃが０．１８ｅＶ以下となる材料を用いている。
（５）基板にＩｎＰを用いている。
という構成を採用する限り、ベース層及びエミッタ層に用いる化合物半導体の種類については、任意の化合物を用いて構成することができる。

ここで、（２）項に記載のように、ベース層のＡｌの組成比ｘを、エミッタ側からコレクタ側の方向に小さくすると、それに合わせて、ベース層のバンドギャップＥｇを小さくすることができる。このバンドギャップの変化ΔＥｇは、組成比ｘにて示すように、ＡｌとＧａとの間の組成比による組成傾斜としている場合は、主として伝導帯端に表れる。

さらには、（３）項に記載のように、ベース層のホール濃度が高濃度（４×１０^１９ｃｍ^−３以上）の場合は、価電子帯側でフェルミ準位の縮退が生じて、価電子帯端がほぼ固定されるため、より伝導帯端側にバンドギャップの変化ΔＥｇが表れるようになる。よって、図１に示すように、伝導帯端にポテンシャルの傾斜が大きく生じ、その結果として得られるベース層の内部電界によって少数キャリアが加速されるようになり、ＨＢＴの電流利得が増加する。

さらに付け加えるならば、ベース層材料がＧａＡｓＳｂの場合のＡｓとＳｂとの組成比による組成傾斜と比較して、ＡｌＧａＡｓＳｂのＡｌとＧａとの組成比による組成傾斜は、格子定数の変化が小さいために、歪みの観点から見ても成長が容易であるという利点もある。以上が、本発明の基本とする構成部分である。

以下においては、前述のような基本的な構成からなる本発明を、より効果的に用いるための諸条件についてさらに説明する。
（Ａ）ベース層のＡｌの組成比ｘは、大きく変化させるほど、ベース層内の内部電界も大きくなる。しかしながら、同時に、Ａｌによる合金散乱が強くなるために、移動度が低下する。また、混晶の相分離が生じやすくなるため、結晶成長が難しくなる。そのため、Ａｌの組成比ｘについては、これらの問題が生じないように、
０＜ｘ≦０．２
の範囲内で使用することが望ましい。

Ａｌの組成比ｘとしてこのような範囲内で使用する場合、例えばＡｌの組成比ｘ＝０．０５であるＡｌ（０．０５）Ｇａ（０．９５）Ａｓ（０．５１）Ｓｂ（０．４９）からＡｌ（略０．００）Ｇａ（略１．００）Ａｓ（０．５１）Ｓｂ（０．４９）に変化させると、約８０ｍｅＶものバンドギャップの変化ΔＥｇが得られるが、１×１０^２０ｃｍ^−３のホール濃度で、移動度（単位電界当たりの移動速度）は両者とも４２ｃｍ^２／Ｖｓであり、合金散乱の増大は特に見られない。
（Ｂ）ベース層のＡｓの組成比ｙは、Ａ１（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）の格子定数を大きく変化させるため、ＩｎＰ基板上に、臨界膜厚を越えることなく、超薄膜ベース層を成長可能な範囲の組成比で使用することが望ましい。超高速ＨＢＴで用いられるベース層の膜厚としては、シート抵抗の関係から１０ｎｍ程度の膜厚が使用可能であることが望ましく、そのため、Ａｓの組成比ｙは、
０．２≦ｙ≦０．８
の範囲内で使用することが望ましい。
（Ｃ）Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）／ＩｎＰのバンド構造は、ＩｎＰ基板上に無理なく成長可能な組成比の範囲においては、Ｔｙｐｅ−ＩＩバンド構造である。そのため、エミッタ層にＩｎＰを用いると、エミッタ／ベース界面に伝導帯端差ΔＥｃ分（ＩｎＰエミッタ、ｘ＝０．０、ｙ＝０．５１のときでΔＥｃは約０．１８ｅＶ）のエネルギ障壁が生じることになる。

このようなエミッタ層の伝導帯端がベース層のそれよりもポテンシャルが低い素子を実際に動作させて、エミッタからベースに電子を注入しようとする場合には、前述のエネルギ障壁が障害となり、素子の高速動作を妨げる。Ａｌの組成比ｘを増加させると、このエネルギ障壁はさらに大きくなるため、ベース層のエミッタ層側の伝導帯端がエミッタ層ＩｎＰのそれよりも低い材料を用いることが望ましい。

その一例として、例えば、次のような構造とすることにより、エミッタ層側の伝導帯端がＩｎＰのそれよりも高い構造とすることができる。
（Ｃ１）前述の（１）乃至（５）項に記載の基本的な要件を少なくとも備え、あるいは、前述の（Ａ）項および／または（Ｂ）項に記載の構成要件をさらに追加する構成において、さらに、エミッタ層には、少なくとも１層は、ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＰ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰのいずれかの材料を用いる。
（Ｃ２）前述の（１）乃至（５）項に記載の基本的な要件を少なくとも備え、あるいは、前述の（Ａ）項および／または（Ｂ）項に記載の構成要件をさらに追加する構成において、さらに、エミッタ層には、少なくとも１層は、Ｉｎ（１−ｚ）Ａｌ（ｚ）Ｐを用い、かつ、エミッタ層のＡｌの組成比ｚは、
０＜ｚ≦０．５
の範囲内の組成比である。
（Ｃ３）前述の（Ｃ２）に記載の要件を少なくとも備え、さらに、エミッタ層のＡｌの組成比ｚが、エミッタ／ベース界面から遠ざかる方向に徐々に小さくなる傾斜組成である。
（Ｄ）また、ベース層のＡｓの組成比ｙを、前述の（Ｂ）項に記載の範囲よりも狭い
０．２≦ｙ≦０．５１
の範囲にすることにより、ベース層のＡｌの組成比ｘを傾斜させた高濃度ドーピングのＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）ベース層全体のバンドギャップＥｇをさらに下げ、それに応じて、エミッタ層とベース層との伝導帯端差ΔＥｃを小さくすることができる。したがって、Ａｌの混入量（組成比ｘ）に応じてＡｓの組成比ｙを０．５１以下に小さくすると、エミッタ側の材料選択が容易となる。

さらに、ベース層のＡｓの組成比ｙが、０．２≦ｙ≦０．５１の範囲内においては、Ｃ（炭素原子）ドーピングを容易に高濃度化させやすいという利点も生む。
（Ｅ）Ａｌの添加は、同時に、Ｖ族原子サイトに取り込まれるドーパント（好適な例としては炭素原子Ｃ）の取込効率を上げるため、高濃度ドーピングが行いやすくなるという利点を生む。特に、ベース層のＡｌの組成比ｘを、前述の（２）項に記載のように、エミッタ側からコレクタ側の方向に小さくなる傾斜組成とするように変化させた場合、エミッタ側が特に高濃度化されやすく、濃度差による内部電界の増強効果という副次効果をも生み出す。

しかしながら、ＨＢＴの素子設計によっては、ベース層内でのホール濃度の変化が好ましくない場合がある。このため、前述の（２）項に記載の要件に反しない範囲において、すなわち、ベース層のＡｌの組成比ｘを、エミッタ側からコレクタ側の方向に小さくする傾斜組成とすることにより、エミッタ側よりもコレクタ側のバンドギャップＥｇを小さくするという要件に反しない範囲において、ベース層のＡｓの組成比ｙを、エミッタ側からコレクタ側の方向に大きくなる傾斜組成として、ベース層のＡｓの組成比ｙにてドーパントの取込効率を調整し、取込効率がベース層内で平準化されるようにすることが求められる。

この場合、ベース層のＡｓの組成比ｙによる伝導帯端の変化が、ベース層のＡｌの組成比ｘによるそれを打ち消す方向に表れるが、ベース層のＡｌの組成比ｘによる変化の方が遥かに大きいために、実際には大きな問題とはならない。
（Ｆ）（Ｅ）項に記載の場合とは逆に、ベース層のＡｓの組成比ｙをエミッタ側からコレクタ側に向かって小さくする傾斜組成とすることにより、内部電界をベース層のＡｌの組成比ｘのみならず、ベース層のＡｓの組成比ｙによる伝導帯端の変化およびドーピング濃度の変化の全てを利用して、最大限に内部電界を増強することも可能である。

（実施例１）
ここで説明する本発明によるＨＢＴの実施例１としては、基本となる素子構造に、ＩｎＡｌＰ／ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ ＨＢＴを用いている場合を示しているが、本発明は、この構造に限定されるものではなく、前述の（１）乃至（５）項に記載の要件を少なくとも備えた材料系のＨＢＴに対して適用することが可能である。

図２は、本発明のＩｎＡｌＰ／ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ ＨＢＴの素子構造の一例を示す断面図であり、本発明の具体的な素子構造の実施例を示すものである。

図２に示す本発明のＨＢＴ１０において、基板１には（００１）面を主面とするＦｅ−ｄｏｐｅｄ ＩｎＰ基板を、該基板１上に形成されるサブコレクタ層２には高濃度Ｓｉドープ（２×１０^１９ｃｍ^−３）されたＩｎＰを用いている。

また、サブコレクタ層２上に形成されるコレクタ層３には１５０ｎｍ膜厚のＩｎＰを、コレクタ層３上に形成されるベース層４には高濃度Ｃドープ（１×１０^２０ｃｍ^−３）された２５ｎｍ膜厚のＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）の組成傾斜層を、ベース層４上に形成されるエミッタ層５には３０ｎｍ膜厚のＩｎ（１−ｚ）Ａｌ（ｚ）Ｐの組成傾斜層を用いている。

また、エミッタ層５上に形成されるキャップ層６として、高濃度Ｓｉドープ（２×１０^１９ｃｍ^−３）されたＩｎＰおよびＩｎ（０．５３）Ｇａ（０．４７）Ａｓを用い、キャップ層６上には、エミッタ電極７を形成し、ベース層４上には、ベース電極８をエミッタ層５から離隔して形成し、サブコレクタ層２上には、コレクタ電極９をコレクタ層３と離隔して形成している。

各層の組成比は、ベース層４のＡｌの組成比ｘをエミッタからコレクタに向かって０．１→０．０に、また、ベース層４のＡｓの組成比ｙを０．４５に、また、エミッタ層５のＡｌの組成比ｚをベース／エミッタ界面から遠ざかる方向に０．２５→０．００とした。この構造におけるベース層４内の伝導帯端のポテンシャル差は約０．１６ｅＶであり、内部電界の強度は６４ｋｅＶ／ｃｍの大きさであった。

６４ｋｅＶ／ｃｍという大きな内部電界を、ベース層としてＧａＡｓＳｂの組成傾斜だけで得ようとして、ＧａＡｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）におけるＡｓの組成比ｙを０．２→０．８まで傾斜させても、膜厚２５ｎｍで５６ｋｅＶ／ｃｍまでしか得られず、達成は不可能である。また、実際には、Ａｓの組成比ｙを０．２→０．８のような大幅な組成傾斜のベース層は、臨界膜厚を容易に越えてしまうため、エピタキシャル成長は極めて困難であり、実現性は低い。

なお、図２の断面図に示す素子構造の詳細については説明に支障のない範囲で省略している。また、ドーパント、各層の構成材料、その組成については本記述に限定されることなく、所定の素子動作を実現できるものであれば、他の材料を用いてもかまわない。

（実施例２）
ここで、本発明のＨＢＴ素子たとえば図２のようなＨＢＴ素子の作製工程は、以下の通りである。

最初の工程として、分子ビームエピタキシャル成長法ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）、有機金属気相成長法ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの方法を少なくとも用いる結晶成長装置により、ＩｎＰ基板１の（００１）面上に、サブコレクタ層２、コレクタ層３、ベース層４、エミッタ層５、キャップ層６の所定の層構造を順次エピタキシャル成長させて、積層構造を形成する。このとき、ＭＯＣＶＤを用いるときにはベース層４の成長温度を５００℃以上にすることにより、水素による炭素アクセプタの不活性化を最小限に抑制することが可能である。

また、ベース層４のＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）の組成傾斜層として、Ａｌの組成比ｘをエミッタからコレクタに向かって徐々に小さくし、例えば０．１→０．０とし、Ａｓの組成比ｙを０．４５とした組成傾斜層を、エピタキシャル成長させる場合、まず、成長初期に、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）層でｘ＝０．１、ｙ＝０．４５になるように成長させ、次いで成長するにしたがって、徐々にＡｌの組成比ｘを減少させ、成長終期には、ｘ＝０となるように、結晶成長装置へのＡｌの供給量を調整する。

同様に、エミッタ層５のＩｎ（１−ｚ）Ａｌ（ｚ）Ｐの組成傾斜層として、エミッタ層５のＡｌの組成比ｚをベース／エミッタ界面から遠ざかる方向に徐々に小さくし、例えば０．２５→０．００とした組成傾斜層を、エピタキシャル成長させる場合、まず、成長初期に、Ｉｎ（１−ｚ）Ａｌ（ｚ）Ｐ層でｚ＝０．２５になるように成長させ、次いで成長するにしたがって、徐々にＡｌの組成比ｚを減少させ、成長終期には、ｚ＝０となるように、結晶成長装置へのＡｌの供給量を調整する。

次の工程として、リソグラフィとエッチングとにより、図２に示すようなメサ構造すなわちエミッタ層５とキャップ層６とからなるエミッタ・メサと、コレクタ層３とベース層４とからなるコレクタ／ベースメサとを有するメサ構造を形成する。

最後の工程として、電極パターンをリソグラフィにより形成し、オーミック電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着した後、リフトオフすることにより、エミッタ電極７、ベース電極８、コレクタ電極９をそれぞれ形成する。

以上のような作製工程により、図２の断面図に示すようなＨＢＴ素子を作製することができる。

最後に、本発明のＡｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）をベース層とするＨＢＴの評価のために、ベース層に高濃度Ｃドープ（１×１０^２０ｃｍ^−３）されたＧａＡｓ（０．５１）Ｓｂ（０．４９）を用いた組成傾斜がないＨＢＴを同様に作製し、両者のＨＢＴの電流利得を比較した。エミッタ電極５０×５０μｍ、シート抵抗６５０Ω、電流注入密度１ｋＡ／ｃｍ^２という条件下において、組成傾斜がないＧａＡｓＳｂ ＨＢＴに比し、電流利得（β）として１０倍強（ＧａＡｓＳｂ：４．３、ＡｌＧａＡｓＳｂ：４６．８）と、大幅な電流利得の改善が得られた。

本発明のＩｎＡｌＰ／ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ ＨＢＴのバンドラインナップの概略の一例を示す模式図である。 本発明のＩｎＡｌＰ／ＡｌＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ ＨＢＴの素子構造の一例を示す断面図である。 ヘテロ接合によるバンドラインナップの種類を説明する模式図である。

符号の説明

１…基板、２…サブコレクタ層、３…コレクタ層、４…ベース層、５…エミッタ層、６…キャップ層、７…エミッタ電極、８…ベース電極、９…コレクタ電極、１０…ＨＢＴ。

Claims (8)

1. ＩｎＰ基板上にＧａＡｓＳｂ系の材料からなるベース層を形成するヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）において、前記ベース層の少なくとも１層には、Ａｌ（ｘ）Ｇａ（１−ｘ）Ａｓ（ｙ）Ｓｂ（１−ｙ）を用い（ｘ，ｙは組成比を示す）、かつ、Ａｌの組成比ｘをエミッタ側からコレクタ側の方向に徐々に小さくなる傾斜組成とし、かつ、Ａｌの組成比ｘを、
   ０＜ｘ≦０．２
   の範囲内にし、かつ、Ａｓの組成比ｙを、
   ０．２≦ｙ≦０．８
   の範囲内にし、かつ、前記ベース層のホール濃度を４×１０^１９ｃｍ^−３以上とするとともに、エミッタ層の少なくとも１層には、前記ベース層との伝導帯端差ΔＥｃが０．１８ｅＶ以下となる材料を用い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。
2. 請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、さらに、前記エミッタ層の少なくとも１層には、ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＰ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰのいずれかの材料を用い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。
3. 請求項１または２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、さらに、前記エミッタ層の少なくとも１層には、Ｉｎ（１−ｚ）Ａｌ（ｚ）Ｐを用い（ｚは組成比を示す）、Ａｌの組成比ｚは、
   ０＜ｚ≦０．５
   の範囲内であ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。
4. 請求項３に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、さらに、前記エミッタ層のＡｌの組成比ｚは、エミッタ／ベース界面から遠ざかる方向に徐々に小さくなる傾斜組成であ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。
5. 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において、さらに、前記ベース層のＡｓの組成比ｙは、
   ０．２≦ｙ≦０．５１
   の範囲内であ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。
6. 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において、さらに、前記ベース層のＡｓの組成比ｙは、エミッタ側よりもコレクタ側のバンドギャップＥｇが小さくなる範囲において、エミッタ側からコレクタ側の方向に大きくなる傾斜組成であ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。
7. 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において、さらに、前記ベース層のＡｓの組成比ｙは、エミッタ側からコレクタ側の方向に小さくなる傾斜組成であ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。
8. 請求項１乃至７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、さらに、層構造を形成するための手法として有機金属気相成長法又は分子ビームエピタキシャル成長法を少なくとも用い、前記ベース層へのドーパントにＣ（炭素原子）を用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。

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