JP4961740B2 - 化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、化合物半導体エピタキシャル基板に関し、特に、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴと称することがある。）の製造用として好適な化合物半導体エピタキシャル基板に関するものである。

ＨＢＴは、エミッタ注入効率を高めるため、エミッタ層にベース層よりもバンドギャップの大きい物質を用いてエミッタ−ベース接合をヘテロ接合としたバイポーラトランジスタであり、マイクロ波帯以上の周波数領域で使用する半導体素子として好適である。

例えばＧａＡｓ系ＨＢＴの場合、一般には半絶縁性ＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いてｎ⁺ −ＧａＡｓ層（サブコレクタ層）、ｎ−ＧａＡｓ層（コレクタ層）、ｐ−ＧａＡｓ層（ベース層）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層あるいはｎ−ＩｎＧａＰ層（エミッタ層）、ｎ−ＧａＡｓ層（サブエミッタ層）を次々に結晶成長させることにより、エミッタ−ベース接合であるｐｎ接合がヘテロ接合の構造となっている化合物半導体エピタキシャル基板を形成し、これを用いてＨＢＴが製造されている。このほか、ＩｎＰ基板を用いたＨＢＴ用の化合物半導体エピタキシャル基板も広く用いられている。

図２は、従来における一般的なＧａＡｓ系ＨＢＴの構造を模式的に示す図である。ＨＢＴ１００は、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０１上にｎ⁺−ＧａＡｓから成るサブコレクタ層１０２、ｎ−ＧａＡｓから成るコレクタ層１０３、ｐ−ＧａＡｓから成るベース層１０４、ｎ−ＩｎＧａＰあるいはｎ−ＡｌＧａＡｓから成るエミッタ層１０５及びｎ⁺−ＧａＡｓから成るサブエミッタ層１０６、ｎ⁺−ＩｎＧａＡｓから成るエミッタコンタクト層１０７がこの順序でＭＯＣＶＤ法等の適宜の気相成長法を用いて半導体薄膜結晶層として形成されている。サブコレクタ層１０２上にはコレクタ電極１０８が、ベース層１０４上にはベース電極１０９が、そしてエミッタコンタクト層１０７上にはエミッタ電極１１０がそれぞれ形成された構造となっている。

このように形成されるＨＢＴにおいて、重要な特性の１つにオン電圧がある。オン電圧は、ベースと、エミッタの界面によって決まることが知られているが、ＭＯＣＶＤ法は、常にＶ族原料を流し、III族原料を流す、流さないでもって、成長の制御を行い多層膜構造の作製を行なっている。そのために、Ｖ族材料の切替、反応装置内の原料ガスの入れ替えの制御が、薄膜界面の状態に大きな影響を及ぼすことが知られている。
しかしながら、ＭＯＣＶＤ法に特有のＶ族材料の切替制御の難しさから、充分な界面の制御ができなかったのが実情である。従って、界面によって決まるオン電圧も、充分制御されていなかった。

この結果、オン電圧は、製造装置、製造者に依存することとなり、互いに同等の特性を持つトランジスタを作るためのエピタキシャル基板を提供することができなかった。

ＨＢＴのデバイスは、製造装置、製造者間の違いを見越して、回路が設計され、使用されている。従って、より高性能を求めるために、製造装置、製造者間による違いを少なくすることが望まれている。故に、特性を精密に制御することが望まれ、本発明で説明するような、オン電圧の調整方法が化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法として強く望まれている。
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決し得る化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法を提供することにある。

本発明者等はエミッタ電極面積が１００×１００μｍ²の試験用トランジスタを作製し、コレクタ電流が１００μＡになった時のベース−エミッタ間電圧をオン電圧と定義し、オン抵抗の制御を目的にＨＢＴ用基板の鋭意検討を重ねた結果、再現性よくオン電圧を制御する手法を見出し、この製造方法によって前記問題を解決することができることを見出し、さらに種々の検討を加え本発明を完成した。

ＭＯＣＶＤによる、例えばＧａＡｓ系の基板の場合、ベースのｐ型ＧａＡｓの次に続いてエミッタのｎ型ＩｎＧａＰを成長する場合、Ｖ属材料をＡｓＨ₃ガスからＰＨ₃ガスへと切り替えを行なう。このときに、反応装置内のガスがＡｓＨ₃からＰＨ₃に充分入れ替え得るための待機時間が必要である。

本発明者は、この待機時間とオン抵抗の関係を詳しく調べ、待機時間とオン電圧との相関を求めて、これからオン電圧を制御できることを見出した。更に、このときＨＢＴの電流増幅率には何ら影響を与えていないことを見出した。

すなわち、本発明は、〔１〕基板上に、バッファ層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、コンタクト層を有し、ベース材料のＶ族原料としてＡｓを有する材料を用い、エミッタ材料のＶ族原料としてＰを有する材料を用いたバイポーラトランジスタ用化合物半導体エピタキシャル基板のＭＯＣＶＤ法による製造方法であって、ベース層成長の後、Ｖ族原料をＡｓを有する材料からＰを有する材料に切り替えた後の待機時間と、得られるバイポーラトランジスタのオン電圧との相関を調べ、その相関から所定のオン電圧を得るために待機時間を設定して、当該オン電圧を得ることを特徴とするバイポーラトランジスタ用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法に係るものである。

本発明によれば、ベース層の上にエミッタ層を成長する際に、ベース層の成長に用いたＶ属原料ガスをエミッタ層の成長に用いるＶ族原料ガスに切り替えた後の待機時間を調整することによって、容易に、任意の値にオン電圧を制御した化合物半導体エピタキシャル基板を製造することができるので、工業的価値が大きい。
驚くべきことに、成長後のＧａＡｓ表面を長くＰＨ₃雰囲気下に置くと、表面にＰが取り込まれＧａＡｓＰ層が形成されて、この形成された層がオン電圧を制御する効果を生み出しているものと考えられる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
図１は、本発明による実施の形態の一例を模式的に示す層構造図であり、ここでは、ＧａＡｓ系ＨＢＴの製造用薄膜結晶ウエーハとして用いられる化合物半導体エピタキシャル基板が示されている。

図１に示した化合物半導体エピタキシャル基板１の構造は次の通りである。化合物半導体エピタキシャル基板１は半絶縁性のＧａＡｓ単結晶から成るＧａＡｓ基板２上にＭＯＣＶＤ法を用いて複数の半導体薄膜結晶成長層を次々と積層させて構成されたものである。

ＧａＡｓ基板２の上には、バッファ層３が形成されている。バッファ層３は、主にＧａＡｓからなる。場合によってはＡｌＧａＡｓ層を含む場合もある。バッファ層３の上に形成されているＨＢＴ機能層は、該バッファ層３の上に、サブコレクタ層４として働くｎ⁺ −ＧａＡｓ層及びコレクタ層５として働くｎ^- −ＧａＡｓ層が、順次化合物半導体エピタキシャル成長結晶層として所定の厚さに形成されている。コレクタ層５の上にベース層６として働くｐ⁺ −ＧａＡｓ層が同じく化合物半導体エピタキシャル成長結晶層として形成されている。

ベース層６の上にはエミッタ層７として働くｎ−ＩｎＧａＰ層が、エミッタ層７の上にはｎ⁺ −ＧａＡｓ層がサブエミッタ層８として、ｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓ層がエミッタコンタクト層９として形成されている。

上述した各層をＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長半導体薄膜結晶層として形成するための方法について詳しく説明する。

ここで、ＧａＡｓ基板として用いられるのは半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板であり、ＬＥＣ（Liquid Encapsulated Czochralski ）法、ＶＢ（Vertical Bridgeman）法、ＶＧＦ（Vertical Gradient Freezing）法等で製造されたＧａＡｓ基板が好適である。いずれの方法で製造された場合であっても、１つの結晶学的面方位から０．０５°乃至１０°程度の傾きをもった基板を用意するのが好ましいが、これに限定されるものではない。

上述のように用意したＧａＡｓ単結晶基板の表面を、必要に応じて、脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥処理した後、このＧａＡｓ単結晶基板を反応炉内にＧａＡｓ基板２として載せる。そして、反応炉内を高純度水素で充分置換した後加熱を開始する。例えば６４０℃に安定したところで、キャリアガスとして水素を用い、Ｖ族原料としてアルシン、III族原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いる。

先ず、例えば、６４０℃でＧａＡｓ層をＧａＡｓ基板２上に１００ｎｍ成長させてバッファ層３を形成する。そして、バッファ層３上にサブコレクタ層４、コレクタ層５を６４０℃の成長温度で成長させる。さらに、コレクタ層５上に、ベース層６、エミッタ層７を６２０℃の成長温度で成長させる。エミッタ層成長の前に、Ｖ属原料ガスをＡｓＨ₃から、ＰＨ₃に切り替え、所定の待機時間を設けて、エミッタ層を成長し、続けて、サブエミッタ層８を６２０℃の成長温度で成長させる。サブエミッタ層８上にエミッタコンタクト層９を形成する。
ここで、切り替え後の待機時間と得られるＨＢＴのオン電圧との相関を調べる。
例えば、切り替え後の待機時間を変えて得られる所定数のＨＢＴのオン電圧を測定し、待機時間を横軸に取り、縦軸にオン電圧を取り、得られた結果をプロットする。
この結果から、所要のオン電圧を得るには、待機時間をどれだけ取ればよいかが分かる。

上記実施の形態では、ＧａＡｓ基板を用いた、ＨＢＴについて説明したが、本発明はこの種類のＨＢＴによる場合に限定されるものではなく、本発明は、ＩｎＰ基板、ＳｉＣ基板、Ｓｉ基板等を用いたヘテロバイポーラトランジスタに適用することもできる。この場合もベース層の成長後、エミッタ層の成長前に、Ｖ族ガスの切り替え後の待機時間を調整することで、オン電圧の調整を行なうことができる。

以下、実施例及び比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。

（実施例）
図１に示した構造の化合物半導体エピタキシャル基板を次のようにして作製した。VGF法によって作成した半絶縁性のＧａＡｓ基板を用意し、このＧａＡｓ基板の上にＧａＡｓのバッファ層を１００ｎｍ成長させた。このバッファ層の上にＨＢＴ機能層をＭＯＣＶＤ法により形成した。

なお、各層の厚み、Ｉｎ組成等は以下の通りであった。エミッタコンタクト層９はＩｎ組成が０．５、膜厚が５０ｎｍ、キャリア濃度が２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓ層とＩｎ組成がサブエミッタ層７の境界では０で、前記ＩｎＧａＰとの境界では０．５となるように連続的に変化し、膜厚が５０ｎｍ、キャリア濃度が２．０×１０¹⁹ｃｍ^-3のｎ⁺ −ＩｎＧａＡｓ層の２層から成り、サブエミッタ層８はｎ⁺ −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が１００ｎｍ、キャリア濃度が３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3。エミッタ層７は膜厚が２００ｎｍ、キャリア濃度が３．０×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ −ＧａＡｓ層と、Ｉｎ組成が０．４８、膜厚が３０ｎｍ、キャリア濃度が３．０×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ−ＩｎＧａＰ層の２層から成り、ベース層６はｐ⁺ −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が９０ｎｍ、キャリア濃度が４．０×１０¹⁹ｃｍ^-3。コレクタ層５はｎ^- −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が８００ｎｍ、キャリア濃度が１．０×１０¹⁵ｃｍ^-3。サブコレクタ層４はｎ⁺ −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が６００ｎｍ、キャリア濃度が３．０×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。
ここで、ベースからエミッタ層の成長において、Ｖ属ガスの切替後の待機時間をそれぞれ、２．５、１５、１２０秒とした。

ここで得られた化合物半導体エピタキシャル基板を用いてＨＢＴ素子を製作した。エミッタサイズは１００μｍ×１００μｍである。このＨＢＴ素子の基板の温度を２３℃に設定してコレクタ電流が１００μＡになる時のベース-エミッタ間電圧をオン電圧として測定したところ、待機時間、２．５、１５、１２０秒に対しそれぞれ、１．０８３、１．０８５、１．０９６Ｖであった。
図３に示すように、待機時間とオン電圧には、線形の関係が見られ、待機時間の調整によって任意のオン電圧が得られ、しかもこの時に、ＨＢＴの主要な特性である電流増幅率（β）に影響を及ぼさないことが、図４から判る。

本発明による化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法を用いて作製した一実施形態を模式的に示す層構造図。 エピタキシャルウエハの積層構造を示す概略図。 本実施例における、オン電圧の制御を示す図。 本実施例の制御法が電流増幅率に大きな影響を及ぼさないことをあらわす図。 ベース-エミッタ界面において、Ｖ族ガスの切替手順を示す、模式図。

符号の説明

１ 化合物半導体エピタキシャル基板
２ ＧａＡｓ基板
３ バッファ層
４ サブコレクタ層
５ コレクタ層
６ ベース層
７ エミッタ層
８ サブエミッタ層
９ エミッタコンタクト層
１０１ ＧａＡｓ基板
１０２ サブコレクタ層
１０３ コレクタ層
１０４ ベース層
１０５ エミッタ層
１０６ サブエミッタ層
１０７ エミッタコンタクト層
１０８ コレクタ電極
１０９ ベース電極
１１０ エミッタ電極

Claims (6)

1. 基板上に、バッファー層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、コンタクト層を有し、ベース材料のＶ族原料としてＡｓを有する材料を用い、エミッタ材料のＶ族原料としてＰを有する材料を用いたバイポーラトランジスタ用化合物半導体エピタキシャル基板のＭＯＣＶＤ法による製造方法であって、ベース層成長の後、Ｖ族原料をＡｓを有する材料からＰを有する材料に切り替えた後の待機時間と、得られるバイポーラトランジスタのオン電圧との相関を調べ、その相関から所定のオン電圧を得るために待機時間を設定して、当該オン電圧を得ることを特徴とするバイポーラトランジスタ用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
2. ベース層にｐ型のＧａＡｓ、エミッタ層にｎ型のＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ（式中、０＜ｘ＜１）を有することを特徴とする請求項１記載のエピタキシャル基板の製造方法。
3. Ａｓを有する材料としてＡｓＨ₃を用いることを特徴とする請求項１または２記載のエピタキシャル基板の製造方法。
4. Ｐを有する材料としてＰＨ₃を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエピタキシャル基板の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のバイポーラトランジスタ用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法を用いて、任意のオン電圧に調整するように作製したバイポーラトランジスタ用化合物半導体エピタキシャル基板。
6. 請求項５記載のバイポーラトランジスタ用化合物半導体エピタキシャル基板を用いて作製したバイポーラトランジスタ。
   

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