JPH05291282A - Manufacture of hetero-junction bipolar transistor of collector-up structure - Google Patents

Manufacture of hetero-junction bipolar transistor of collector-up structure

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JPH05291282A
JPH05291282A JP11678192A JP11678192A JPH05291282A JP H05291282 A JPH05291282 A JP H05291282A JP 11678192 A JP11678192 A JP 11678192A JP 11678192 A JP11678192 A JP 11678192A JP H05291282 A JPH05291282 A JP H05291282A
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章司 山幡
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Abstract

PURPOSE:To reduce a parasitic leakage current to a satisfactory extent by selectively eliminating a second insulating film, exposing an outer base layer comprising a third semiconductor layer and forming a base electrode in a self- alignment fashion and enhance high frequency properties, and especially a maximum oscillation frequency by further reducing base resistance dramatically. CONSTITUTION:Formation of an outer emitter high resistor layer 7 stabilized by oxygen ion implantation reduces a parasitic leakage current flowing during the junction of an outer emitter base. Moreover, the base resistance is reduced by connecting continuously a high concentration outer base layer 8 and a collector layer 10 to an inner intrinsic base layer 4 and making an epitaxial growth based on a regrowth process and forming a base electrode 14 in a self-alignment fashion. This construction makes it possible to reduce the base resistance dramatically and enhance a current amplification factor, high frequency properties and especially a maximum oscillation frequency.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、超高速ヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタの製造方法に関し、特にコレクタア
ップ構造のヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方
法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing an ultra-high speed heterojunction bipolar transistor, and more particularly to a method for manufacturing a collector-up structure heterojunction bipolar transistor.

【0002】[0002]

【従来の技術】III −V族化合物半導体を用いたヘテロ
接合バイポーラトランジスタ(以下HBTと略す)は、
基本的にはメサ型構造を有する縦型トランジスタであ
り、エミッタが半導体表面側に設けられたエミッタアッ
プ構造と、コレクタが半導体表面側に設けられたコレク
タアップ構造に大別される。HBTはメサ型構造である
ためコレクタ面積の小さいコレクタアップの方がエミッ
タアップよりもベース・コレクタ接合容量CBCが小さ
い。特にエミッタアップ構造では、素子寸法が微細にな
るほどベース・エミッタ接合面積に占める外部ベースの
割合が急激に増加するため、CBCを低下させるにはコレ
クタアップ構造が圧倒的に有利である。
2. Description of the Related Art A heterojunction bipolar transistor (hereinafter abbreviated as HBT) using a III-V group compound semiconductor is
Basically, it is a vertical transistor having a mesa structure, and is roughly classified into an emitter-up structure in which an emitter is provided on the semiconductor surface side and a collector-up structure in which a collector is provided on the semiconductor surface side. Since the HBT has a mesa structure, the base-collector junction capacitance C BC of the collector-up having a smaller collector area is smaller than that of the emitter-up. Particularly, in the emitter-up structure, the proportion of the external base in the base-emitter junction area increases rapidly as the element size becomes finer. Therefore, the collector-up structure is overwhelmingly advantageous for reducing C BC .

【0003】HBTの高周波特性は、真性トランジスタ
及び外部寄生効果も含めた等価回路から理解できる。超
高周波特性の性能指数は、電流利得遮断周波数fT と最
高発振周波数fmax であるが、この内fT は、少数キャ
リアがエミッタからコレクタへ流れていくときの遅延時
間と関係があり、(1)式で表される。
The high frequency characteristics of the HBT can be understood from the equivalent circuit including the intrinsic transistor and external parasitic effect. The figure of merit of the ultra-high frequency characteristics is the current gain cutoff frequency f T and the maximum oscillation frequency f max , of which f T is related to the delay time when minority carriers flow from the emitter to the collector, It is represented by the formula 1).

【数1】 fT =1/(2π・τEC) =1/2π〔rE (CBE+CBC)+(RE +RC )CBC +τB +τC 〕 ………(1) ここで、rE は内部エミッタ抵抗でエミッタ電流量に依
存する。CBCはベース・エミッタ間の接合容量である。
E ,RC は端子からみた真性トランジスタへ付加する
抵抗成分であり、内部で分布しているものを合わせた等
価的な抵抗である。τB ,τC はそれぞれベース,コレ
クタ走行時間で、主にベース,エミッタ各層の構造,
, 不純物濃度で決定されるので、エミッタアップでも
コレクタアップでもその値は構造にほとんど関係しな
い。結局、構造に依存する成分は(1)式の第2項のみ
であり、RE ,RC は構造の対称性から差はなく、CBC
が圧倒的に小さいコレクタアップ構造が遅延時間の縮
小、fT の増大に有利であることがわかる。
F T = 1 / (2π · τ EC ) = 1 / 2π [r E (C BE + C BC ) + ( RE + RC ) C BC + τ B + τ C ] ... (1) where , R E are internal emitter resistances and depend on the amount of emitter current. C BC is the junction capacitance between the base and the emitter.
RE and RC are resistance components added to the intrinsic transistor as viewed from the terminals, and are equivalent resistances including those distributed internally. τ B and τ C are base and collector transit times, respectively, and are mainly determined by the structure of each base and emitter layer , the film thickness , and the impurity concentration. Therefore, the values are almost irrelevant to the structure for both emitter up and collector up. After all, the component that depends on the structure is only the second term of the formula (1), and R E and R C have no difference from the symmetry of the structure, and C BC
It can be seen that the collector-up structure, which is overwhelmingly small, is advantageous for reducing the delay time and increasing f T.

【0004】一方、fmax は、(2)式で表されるよう
にベース抵抗RB ,CBCに大きく依存している。
On the other hand, f max greatly depends on the base resistances R B and C BC as expressed by the equation (2).

【数2】 fmax =(fT /8πRB BC1/2 ………(2) RE は内部真性ベースのシート抵抗,外部ベースのシー
ト抵抗とコンタクト抵抗で決まり、エミッタアップでも
コレクタアップでも構造上差はない。従って、CBCの小
さいコレクタアップ構造の方がfmax の増大に極めて有
利である。これに加えて、コレクタアップ構造は、エミ
ッタを半導体基板側に設けることができるため、集積化
や実装上問題になる表面配線等の影響が少ないという利
点も有する。
## EQU00002 ## f max = (f T / 8πR B C BC ) 1/2 (2) R E is determined by the sheet resistance of the internal intrinsic base, the sheet resistance of the external base, and the contact resistance. Even if it is up, there is no structural difference. Therefore, a collector-up structure having a small C BC is extremely advantageous for increasing f max . In addition to this, the collector-up structure has an advantage in that the emitter can be provided on the semiconductor substrate side, so that the influence of surface wiring or the like which is a problem in integration and mounting is small.

【0005】このように、コレクタアップ構造は、超高
速化,高集積化に優れており、また、fmax が高いこと
からパワー用トランジスタとして期待できるが、前述し
たようにエミッタ面積がコレクタ面積よりも大きくなっ
てしまうため、エミッタアップ構造に比べて電流増幅率
が低くなってしまう。また、外部ベース下部に蓄積する
キャリアによりCBCが増大する問題も生じる。これらの
問題点を解決するためには、エミッタから外部ベース領
域へのキャリア注入を抑制することが第1である。例え
ば、最も研究が盛んであるn−p−n型AlGaAs/
GaAsHBTでは、Be,Mg,C等のアクセプタ不
純物を外部ベース上からイオン注入することによりワイ
ドバンドギャップエミッタ層中にP−N接合を形成し、
真性トランジスタ部分のヘテロP−N接合との障壁電位
の差を利用して、外部エミッタ・ベース接合へのキャリ
ア注入を抑制することができる。
As described above, the collector-up structure is excellent in ultra-high speed and high integration, and can be expected as a power transistor because of its high f max, but as described above, the emitter area is larger than the collector area. However, the current amplification factor becomes lower than that of the emitter-up structure. Further, there is a problem that C BC increases due to carriers accumulated under the external base. In order to solve these problems, it is the first to suppress carrier injection from the emitter to the external base region. For example, n-pn AlGaAs / which has been most studied
In GaAsHBT, PN junction is formed in the wide band gap emitter layer by ion-implanting acceptor impurities such as Be, Mg, and C from above the external base,
The carrier injection to the external emitter-base junction can be suppressed by utilizing the difference in barrier potential between the intrinsic transistor portion and the hetero P-N junction.

【0006】しかしながら、AlGaAsワイドエミッ
タ中にイオン注入法で形成されたP−N接合は、エピタ
キシャル成長法により形成された接合に比べ、P−N接
合の性能指数である理想計数n値が高く、再結合電流成
分が多い。コレクタアップ構造では、外部ベース下部の
P−N接合はトランジスタ動作時には順方向にバイアス
されており、高電流密度領域では再結合電流に起因する
リーク電流が増大し、トランジスタ特性が著しく低下す
る。エミッタ・ベース接合部が順方向バイアス状態下に
あっても、トランジスタが正常動作をするためには、電
気的に絶縁化された高抵抗バリア層を外部エミッタ・ベ
ース接合中に設けることが最も有効な方策である。特
に、ワイドバンドギャップの高抵抗半導体層は、電子,
正孔いずれに対しても高いヘテロ障壁が生じており、キ
ャリア注入の抑制には効果的である。このような高抵抗
領域は、プロトンや酸素,アルゴン等の不活性ガスをイ
オン注入法で形成する方法が実用上最も簡便で、信頼性
に優れているが、とりわけ酸素イオン注入で形成した高
抵抗層が熱安定性に優れており、素子間分離に用いられ
るようになりつつある。この点に関しては、例えば、S.
J. Pearton 等による論文、〔Formation of thermally
stable high-resistivity AlGaAs by Oxygen-Implantat
ion 〕(Appl. Phys. Lett. , 52.pp.395 〜397 、198
8) において開示されている通りである。
However, the P-N junction formed in the AlGaAs wide emitter by the ion implantation method has a higher ideal coefficient n value which is a figure of merit of the P-N junction, as compared with the junction formed by the epitaxial growth method. There are many coupling current components. In the collector-up structure, the P-N junction below the external base is biased in the forward direction during transistor operation, and the leak current due to the recombination current increases in the high current density region, resulting in a marked decrease in transistor characteristics. In order for the transistor to operate normally even if the emitter-base junction is under forward bias, it is most effective to provide an electrically insulated high resistance barrier layer in the external emitter-base junction. This is a policy. In particular, wide bandgap high resistance semiconductor layers are
A high hetero barrier is generated for both holes, which is effective for suppressing carrier injection. For such a high resistance region, the method of forming an inert gas such as protons, oxygen, and argon by the ion implantation method is the most practically simple and highly reliable, but especially the high resistance region formed by the oxygen ion implantation is used. The layers have excellent thermal stability and are being used for device isolation. In this regard, for example, S.
A paper by J. Pearton et al.
stable high-resistivity AlGaAs by Oxygen-Implantat
ion] (Appl. Phys. Lett., 52.pp.395-397, 198
This is as disclosed in 8).

【0007】ところで、前述したように、fmax の向上
には、CBCはもとよりRB の低減が重要であるが、酸素
イオン注入を外部ベース層を通して行うと、放射損傷に
よる欠陥によりベース抵抗RB が著しく増大し、正常な
トランジスタ動作を示さなくなる。このため、酸素イオ
ン注入後に更にp型不純物を導入し、表面濃度を高める
ことが不可欠となるが、このためには亜鉛拡散が最も有
効である。実際、酸素イオン注入後に亜鉛拡散を行うこ
とにより、かなりの程度までベース抵抗が改善され、正
常なトランジスタ動作を示すようになる。しかし、外部
ベース層に亜鉛拡散を導入しても、やはり酸素イオン注
入を行った影響は残り、RB の低減には限界がある。ま
た、亜鉛は他のp型ドーパントと比べて拡散係数が大き
く、過剰の亜鉛が真性トランジスタ領域へも拡散してし
まい、トランジスタ特性を劣化させる。従って、亜鉛拡
散は必要最低限であることが望ましい。信頼性に富み、
かつより高速のトランジスタ動作を実現させるには、亜
鉛拡散を用いないで更にRB を低減させる必要がある。
By the way, as described above, it is important not only to reduce C BC but also to reduce R B in order to improve f max. However, when oxygen ion implantation is performed through the external base layer, the base resistance R is deteriorated due to defects due to radiation damage. B is remarkably increased, and normal transistor operation is not exhibited. Therefore, it is indispensable to further introduce p-type impurities after the oxygen ion implantation to increase the surface concentration, and zinc diffusion is most effective for this purpose. In fact, the zinc diffusion after the oxygen ion implantation improves the base resistance to a considerable extent and makes the transistor operate normally. However, even if zinc diffusion is introduced into the external base layer, the effect of oxygen ion implantation still remains, and there is a limit to the reduction of R B. Further, zinc has a larger diffusion coefficient than other p-type dopants, and excessive zinc diffuses into the intrinsic transistor region as well, deteriorating the transistor characteristics. Therefore, it is desirable that the zinc diffusion is the minimum necessary. Reliable,
In order to realize a higher speed transistor operation, it is necessary to further reduce R B without using zinc diffusion.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】以上の問題点を更に図
面を用いて具体的に説明する。図10は、酸素イオン注
入により高抵抗化したAlGaAs外部エミッタ層を形
成後、亜鉛拡散を行った高濃度p−GaAs外部ベース
層を形成した従来の典型的なコレクタアップ構造のn−
p−n型AlGaAs/GaAsHBTの断面構造図を
示したものである。半絶縁GaAs基板1上に、Siド
ープn−GaAs(Siドーピング濃度;5×1018cm
-3)バッファ層2を0.7μm、SiドープN−AlG
aAs(Siドーピング濃度;2×1018cm-3〜3×1
17、Al−As組成;0〜0.3)エミッタ層3を
0.4μm、Cドープp−GaAs(Cドーピング濃
度;2.5×1018cm-3)ベース層4を0.08μm、
Siドープn−GaAs(Siドーピング濃度;5×1
16cm-3〜2×1017)コレクタ層10を0.5μm、
Siドープn−GaAs(Siドーピング濃度;5×1
18cm-3)キャップ層11を0.1μm、それぞれ分子
線エピタキシャル成長(MBE)法により順次エピタキ
シャル成長させたウェハを用いて、酸素イオンを加速電
圧100keVで注入し、N−AlGaAs外部エミッ
タ層を高抵抗化し、更に、外部ベース上に亜鉛拡散55
0℃、3分間開管法で行い、表面濃度を高めた。その
後、AuGe/Ni/Ti/Pt/Auのコレクタ電極
13、Ti/Pt/Auのノンアロイベース電極14、
AuGe/Ni/Ti/Pt/Auのエミッタ電極15
を設け、素子管分離を行いトランジスタを作製した。メ
サエッチング等半導体加工技術はドライエッチング法を
用いた。
The above problems will be specifically described with reference to the drawings. FIG. 10 shows a conventional n-type collector-up structure in which a high-concentration p-GaAs external base layer diffused with zinc is formed after forming an AlGaAs external emitter layer having a high resistance by oxygen ion implantation.
It is a figure showing the section structure figure of pn type AlGaAs / GaAsHBT. On the semi-insulating GaAs substrate 1, Si-doped n-GaAs (Si doping concentration; 5 × 10 18 cm
-3 ) Buffer layer 2 0.7 μm, Si-doped N-AlG
aAs (Si doping concentration; 2 × 10 18 cm −3 to 3 × 1)
0 17 , Al-As composition: 0 to 0.3) 0.4 μm for the emitter layer 3 and 0.08 μm for the C-doped p-GaAs (C doping concentration; 2.5 × 10 18 cm −3 ) base layer 4.
Si-doped n-GaAs (Si doping concentration: 5 × 1
0 16 cm −3 to 2 × 10 17 ) The collector layer 10 is 0.5 μm,
Si-doped n-GaAs (Si doping concentration: 5 × 1
0 18 cm -3 ) cap layer 11 of 0.1 μm was sequentially epitaxially grown by the molecular beam epitaxial growth (MBE) method, and oxygen ions were implanted at an accelerating voltage of 100 keV to increase the N-AlGaAs external emitter layer. Resistance, and zinc diffusion 55 on the external base
The surface concentration was increased by performing the open tube method at 0 ° C. for 3 minutes. After that, a collector electrode 13 of AuGe / Ni / Ti / Pt / Au, a non-alloy base electrode 14 of Ti / Pt / Au,
Emitter electrode 15 of AuGe / Ni / Ti / Pt / Au
Was provided and the element tube was separated to fabricate a transistor. The semiconductor processing technology such as mesa etching used a dry etching method.

【0009】図11は、図10で示した従来型コレクタ
アップHBTについて、素子寸法2μm×10μm、コ
レクタ電流密度2.5×104 A/cm2 におけるfT
max の酸素イオン注入ドーズ量依存性を示している。
黒丸がfT 、白丸がfmax を表している。酸素イオン注
入ドーズ量が増えるとN−AlGaAs外部エミッタ層
の高抵抗化が促進され、亜鉛拡散を行った高濃度p−G
aAs外部ベース層14へキャリア注入が抑制され、C
BCが低減されることによって、fT が増加し、注入ドー
ズ量1.5×1014cm-2でほぼfT =50GHzの値に
飽和する。一方、fmax は、このドーズ量を越えるとR
B の増大により低下し始める。
FIG. 11 shows the conventional collector-up HBT shown in FIG. 10 with f T at an element size of 2 μm × 10 μm and a collector current density of 2.5 × 10 4 A / cm 2 .
The dependence of f max on the oxygen ion implantation dose amount is shown.
Black circles represent f T and white circles represent f max . Increasing the oxygen ion implantation dose promotes higher resistance of the N-AlGaAs outer emitter layer, and zinc-diffused high-concentration p-G
Carrier injection into the aAs external base layer 14 is suppressed, and C
As BC is reduced, f T increases and saturates to a value of approximately f T = 50 GHz at an implant dose of 1.5 × 10 14 cm -2 . On the other hand, f max becomes R when the dose is exceeded.
It begins to fall with increasing B.

【0010】図12は、Transmission Line Model (T
LM)法で求めた酸素イオン注入、亜鉛拡散を行った高
濃度p−GaAs外部ベース層14のシート抵抗RS
及びコンタクト抵抗率ρC の酸素注入ドーズ量依存性を
示している。注入ドーズ量の増幅に伴い、RS ,ρC
もに増大することが一目瞭然であり、従って、図11中
で示したfmax の注入ドーズ量1.5×1014cm-2以上
の低下は、明らかに外部ベース抵抗の増大に起因してい
ることがわかる。酸素イオン注入を行わないGaAs中
に亜鉛拡散を同条件で行うとき、RS は、260Ω/sq
となり、図11中に示した注入ドーズ量が最も少ない場
合(5×1013cm-2)でもRS はその3倍にも増大して
しまう。これ以下の注入ドーズ量では、酸素イオン注入
を導入した本来の目的である外部エミッタ・ベース接合
へのキャリア注入の抑制を充分に行うことができず、ト
ランジスタ特性の劣化を招いてしまう。結局、酸素イオ
ン注入と亜鉛拡散を用いてもその高周波特性fmax には
限界があり、コレクタアップHBTの性能を充分に引き
出すに至っていないのが現状である。
FIG. 12 shows the Transmission Line Model (T
Sheet resistance R S of the high-concentration p-GaAs external base layer 14 subjected to oxygen ion implantation and zinc diffusion, obtained by the LM method.
And the dependency of the contact resistivity ρ C on the oxygen implantation dose. It is obvious that both R S and ρ C increase with the increase of the implantation dose amount, and therefore, the decrease of the implantation dose amount of f max of 1.5 × 10 14 cm −2 or more shown in FIG. It can be clearly seen that this is due to the increase in external base resistance. When zinc diffusion is performed in GaAs without oxygen ion implantation under the same conditions, R S is 260Ω / sq.
Therefore, even if the implantation dose amount shown in FIG. 11 is the smallest (5 × 10 13 cm −2 ), R S will be tripled. If the implantation dose is less than this, it is not possible to sufficiently suppress the carrier injection into the external emitter-base junction, which is the original purpose of introducing the oxygen ion implantation, and the transistor characteristics are deteriorated. After all, even if oxygen ion implantation and zinc diffusion are used, the high frequency characteristic f max is limited, and the performance of the collector-up HBT has not been fully brought out under the present circumstances.

【0011】以上述べたように、従来の酸素イオン注入
によりN−AlGaAs外部エミッタ層を高抵抗化し、
亜鉛拡散で高濃度p−GaAs外部ベース層を形成する
方法では、RB の低減に限界があり、高周波特性、特に
max の向上が望めない。コレクタアップHBTのポテ
ンシャルを引き出す上でRB の改善は不可欠である。同
時に、エミッタアップ構造のHBTにおいても従来の外
部ベース層を形成する方法では、コレクタアップ構造と
同様な問題点が生ずることも明らかである。
As described above, the resistance of the N-AlGaAs external emitter layer is increased by the conventional oxygen ion implantation,
In the method of forming the high-concentration p-GaAs extrinsic base layer by zinc diffusion, there is a limit to the reduction of R B , and improvement in high frequency characteristics, especially f max cannot be expected. Improvement of R B is essential to bring out the potential of the collector-up HBT. At the same time, it is apparent that the same method as in the collector-up structure causes problems in the conventional method of forming the external base layer in the HBT having the emitter-up structure.

【0012】本発明は、上記の欠点を改善するために提
案されたもので、寄生リーク電流を充分に低減し、更に
ベース抵抗の大幅な低減化により高周波特性、特にf
max の向上が図れるようなコレクタアップ構造のヘテロ
接合バイポーラトランジスタの製造方法を提供するもの
である。
The present invention has been proposed in order to improve the above-mentioned drawbacks, and the parasitic leak current is sufficiently reduced, and the base resistance is greatly reduced, so that high frequency characteristics, especially f.
( EN) A method of manufacturing a heterojunction bipolar transistor having a collector-up structure that can improve max .

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明は、基板上に、n型の導電型を有する第1の半
導体層からなるエミッタ層と、該エミッタ層上に形成さ
れた前記第1の半導体層よりもバンドギャップの小さい
p型の導電型を有する第2の半導体層からなるベース層
とを備えた半導体積層構造の形成において、前記ベース
層上に第1の絶縁膜を堆積し、パタニングされた第1の
フォトレジストパタンをマスクとするエッチング処理に
よって選択的に前記第1の絶縁膜を除去する工程と、前
記パタニングされた第1のフォトレジスト及び第1の絶
縁膜をマスクとするエッチング処理によって前記ベース
層の一部または全部を除去してメサ型構造を形成する工
程と、前記パタニングされた第1のフォトレジスト及び
第1の絶縁膜をマスクとする酸素イオン注入によって前
記n型の導電型を有する第1の半導体層からなるエミッ
タ層中に選択的に高抵抗領域を形成する工程と、前記第
1のフォトレジストを除去した後、前記第1の絶縁膜を
マスクとするエピタキシャル再成長法によって、超高濃
度にドーピングしたp型の導電型を有する第3の半導体
層を、前記酸素イオン注入によって高抵抗化した外部エ
ミッタ層と前記第2の半導体層からなるベース層にのみ
連続的に接触するように選択的に、しかも前記第1の絶
縁膜と同程度の高さになるように堆積する工程と、前記
再成長した第3の半導体層からなる外部ベース層及び前
記第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を堆積し、前記第1の
フォトレジストパタンの内側になるように形成された第
2の開孔パタニングをマスクとするエッチング処理によ
り、前記第2の絶縁膜及び前記第1の絶縁膜を選択的に
除去し、前記第2の半導体層からなる内部真性ベース層
を露出させる工程と、前記第2の絶縁膜及び前記第1の
絶縁膜をマスクとするエピタキシャル再成長によって、
n型の導電型を有する第4の半導体層またはアンドープ
の第4の半導体層からなるコレクタ層を前記第2の半導
体層からなるベース層にのみ連続的に接触するように選
択的に、しかも前記第2の絶縁膜と同程度の高さになる
ように堆積する工程と、前記第4の半導体層からなるコ
レクタ層及び前記第2の絶縁膜上に、コレクタ電極を形
成し、前記コレクタ電極をマスクとするエッチング処理
により、前記第2の絶縁膜を選択的に除去し、前記第3
の半導体層からなる外部ベース層を露出させ、自己整合
的にベース電極を形成する工程とを含むことを特徴とす
るコレクタアップ構造ヘテロ接合バイポーラトランジス
タの製造方法である。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention is formed on a substrate by an emitter layer made of a first semiconductor layer having an n-type conductivity, and formed on the emitter layer. In forming a semiconductor laminated structure including a base layer made of a second semiconductor layer having a p-type conductivity type having a band gap smaller than that of the first semiconductor layer, a first insulating film is formed on the base layer. A step of selectively removing the first insulating film by an etching process using the deposited and patterned first photoresist pattern as a mask; and a step of removing the patterned first photoresist and the first insulating film. A step of removing a part or the whole of the base layer by an etching process using a mask to form a mesa structure, and a step of masking the patterned first photoresist and the first insulating film. Selectively forming a high-resistance region in the emitter layer made of the first semiconductor layer having the n-type conductivity by oxygen ion implantation, and after removing the first photoresist, A third semiconductor layer having a p-type conductivity type doped at an extremely high concentration by an epitaxial regrowth method using the first insulating film as a mask is used to increase the resistance of the third semiconductor layer by the oxygen ion implantation, and the third emitter layer and the first emitter layer. A second semiconductor layer, and a step of depositing the second insulating layer selectively so as to be in continuous contact with the base layer and having a height approximately the same as that of the first insulating film; A second insulating film is deposited on the external base layer made of a semiconductor layer and the first insulating film, and the second opening pattern formed so as to be inside the first photoresist pattern is used as a mask. Do Etching process to selectively remove the second insulating film and the first insulating film to expose the internal intrinsic base layer made of the second semiconductor layer, and the second insulating film and the second insulating film. By epitaxial regrowth using the first insulating film as a mask,
The fourth semiconductor layer having an n-type conductivity or the collector layer made of the undoped fourth semiconductor layer is selectively contacted only with the base layer made of the second semiconductor layer, and further A step of depositing the second insulating film so as to have the same height as that of the second insulating film; forming a collector electrode on the collector layer made of the fourth semiconductor layer and the second insulating film; The second insulating film is selectively removed by an etching process using a mask, and the third insulating film is removed.
And exposing the external base layer made of the semiconductor layer to form a base electrode in a self-aligned manner.

【0014】上記ベース抵抗に伴う問題点を解決するた
めには、N−AlGaAs外部エミッタ層を高抵抗化す
るために行う酸素イオン注入の外部ベース層に与える影
響を完全に取り除く必要がある。そのためには、高抵抗
化のための酸素イオン注入を外部ベース層を通して行う
のではなく、予め外部ベース層をエッチング処理により
除去しておき、酸素イオン注入後選択成長技術により新
たに超高濃度のp形不純物をドーピングしたGaAs層
を埋め込む。この方法により、酸素イオン注入の影響を
全く受けない外部ベース層の形成が可能になる。また、
従来のエミッタ,ベース,コレクタの順に成長させたエ
ピタキシャル結晶を用いて、上記外部ベース層の選択再
成長を行う場合、コレクタ層と外部ベース層を予めエッ
チング処理で取り除く必要があるが、この場合、コレク
タ層の厚さが増すとエッチングの制御が難しくなる。加
えて、エッチングされたコレクタメサの側面と再成長し
た外部ベースとが接触しないようにコレクタメサの側面
に設けた保護膜により内部ベースと外部ベースが連続的
に接触しない等の問題点が生ずる。一方、ベース層まで
成長させたエピタキシャル結晶を用いて同様な再成長法
を行うと、外部ベース層のみを予めエッチング処理で取
り除くだけでよいので、エッチングの制御が容易で、そ
の後の選択再成長した外部ベース層と内部ベース層の接
触も全く問題がない。
In order to solve the problems associated with the base resistance, it is necessary to completely eliminate the effect of oxygen ion implantation for increasing the resistance of the N-AlGaAs external emitter layer on the external base layer. For that purpose, the oxygen ion implantation for increasing the resistance is not performed through the external base layer, but the external base layer is removed by etching treatment in advance, and after the oxygen ion implantation, the selective growth technique is used to newly add ultra-high concentration. A GaAs layer doped with p-type impurities is buried. This method allows the formation of an external base layer that is completely unaffected by oxygen ion implantation. Also,
In the case of performing selective re-growth of the external base layer using a conventional epitaxial crystal grown in the order of emitter, base and collector, it is necessary to remove the collector layer and the external base layer by etching in advance. As the thickness of the collector layer increases, it becomes difficult to control etching. In addition, the protective film provided on the side surface of the collector mesa prevents contact between the side surface of the etched collector mesa and the regrown external base, which causes a problem that the internal base and the external base do not continuously contact with each other. On the other hand, if a similar regrowth method is performed using an epitaxial crystal grown up to the base layer, only the external base layer needs to be removed by an etching process in advance, so that the etching control is easy and the subsequent selective regrowth is performed. There is no problem in contact between the outer base layer and the inner base layer.

【0015】[0015]

【作用】本発明で形成される超高濃度外部ベースは、そ
の下のAlGaAs外部エミッタ層を高抵抗化させるた
めに行う酸素イオン注入の影響を全く受けることなく、
かつ、内部ベース層とも連続的にスムーズに接続できる
ため、真性ベース層と外部ベース間の接触抵抗を低くす
ることができる。これに加えて、コレクタ層も再成長法
でエピタキシャル成長させるために、コレクタ電極をマ
スクとした自己整合技術によりベース電極をコレクタメ
サに極めて近接して形成することが可能になり、フォト
リソグラフィ技術を用いて形成した場合よりも引出し領
域の抵抗が激減する。従って、全体のベース抵抗が従来
法に比べ飛躍的に低減する。更に、AlGaAs外部エ
ミッタ層の高抵抗化に関しては、酸素イオン注入ドーズ
量を更に増やすことが可能になり、信頼性に優れた高抵
抗層を形成することができる。これにより、高周波特
性,信頼性に優れたコレクタアップ構造のヘテロ接合バ
イポーラトランジスタの提供が可能である。
The ultrahigh-concentration extrinsic base formed according to the present invention is not affected by oxygen ion implantation for increasing the resistance of the AlGaAs extrinsic emitter layer below it.
In addition, since it can be continuously and smoothly connected to the inner base layer, the contact resistance between the intrinsic base layer and the outer base can be reduced. In addition to this, since the collector layer is also epitaxially grown by the regrowth method, the base electrode can be formed extremely close to the collector mesa by the self-alignment technique using the collector electrode as a mask, and the photolithography technique is used. The resistance of the drawn-out region is drastically reduced as compared with the case where it is formed. Therefore, the overall base resistance is dramatically reduced as compared with the conventional method. Further, regarding the increase in resistance of the AlGaAs external emitter layer, the dose amount of oxygen ion implantation can be further increased, and a high resistance layer having excellent reliability can be formed. As a result, it is possible to provide a heterojunction bipolar transistor having a collector-up structure excellent in high frequency characteristics and reliability.

【0016】[0016]

【実施例】以下、図面に基づき実施例について説明す
る。なお、実施例はあくまでも一つの例示であって、本
発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更あるいは改良
を行いうることは言うまでもない。図1〜図9は、本発
明によるn−p−nコレクタアップ構造HBTの製造工
程を図示したものであり、全て断面構造図を示してい
る。本実施例では、トランジスタの結晶材料として、半
絶縁性のGaAs基板上にエピタキシャル成長したAl
GaAs/GaAs半導体結晶を例にとって説明する。
Embodiments will be described below with reference to the drawings. It is needless to say that the embodiment is merely an example, and various modifications and improvements can be made without departing from the spirit of the present invention. 1 to 9 are views showing a manufacturing process of an npn collector up structure HBT according to the present invention, all of which are sectional structural views. In this embodiment, as a crystal material of a transistor, Al epitaxially grown on a semi-insulating GaAs substrate is used.
A GaAs / GaAs semiconductor crystal will be described as an example.

【0017】図1は、半絶縁GaAs基板1上に、Si
ドープn−GaAs(Siドーピング濃度;5×1018
cm-3)バッファ層2を0.7μm、SiドープN−Al
GaAs(Siドーピング濃度;3×1017cm-3、Al
−As組成;0〜0.3)エミッタ層3を0.3μm、
Cドープp−GaAs(Cドーピング濃度;5×1019
cm-3)ベース層4を0.05μm有機金属熱分解(MO
CVD)法により順次エピタキシャル成長させたウェハ
全面に、第1のシリコン窒化膜(Si3 4 )5をプラ
ズマCVD法により0.15μm堆積させた後、第1の
フォトリソグラフィによりパタニングを行い、このパタ
ニングしたフォトレジスト(厚さ1.1μm程度)6を
マスクに上記Si3 4 膜5をC2 6 ガス反応イオン
エッチング(RIE)及びSF6 ガスRIEによりエッ
チングし、p−GaAsベース層4を露出させる工程を
示したものである。本実施例では、上記シリコン窒化膜
5をプラズマCVD法で堆積させるが、堆積させる半導
体層に与えるダメージがより少ない光CVD法でも堆積
可能である。本実施例では、ベース層のドーピング濃度
を高めるためにMOCVD法を用いてエピタキシャル成
長を行ったが、MOMBE法を用いることも可能であ
る。MOMBE法は、原料にガスソースを用い、MBE
法とMOCVD法の中間領域の真空度(10-5Torr前
後)で行うので、ガスソースMBE法,真空MOCVD
法,化学ビームエピタキシ(CBE)法とも呼ばれてい
る。
FIG. 1 shows that a Si substrate is formed on a semi-insulating GaAs substrate 1.
Doped n-GaAs (Si doping concentration; 5 × 10 18
cm -3 ) Buffer layer 2 0.7 μm, Si-doped N-Al
GaAs (Si doping concentration; 3 × 10 17 cm -3 , Al
-As composition; 0 to 0.3) 0.3 μm of the emitter layer 3,
C-doped p-GaAs (C doping concentration; 5 × 10 19
cm -3 ) The base layer 4 is 0.05 μm in metalorganic pyrolysis (MO
The first silicon nitride film (Si 3 N 4 ) 5 is deposited by 0.15 μm by the plasma CVD method on the entire surface of the wafer sequentially epitaxially grown by the CVD method, and then patterned by the first photolithography. The Si 3 N 4 film 5 is etched by C 2 F 6 gas reactive ion etching (RIE) and SF 6 gas RIE using the photoresist (about 1.1 μm thick) 6 as a mask to form the p-GaAs base layer 4. It shows the step of exposing. In this embodiment, the silicon nitride film 5 is deposited by the plasma CVD method, but it can also be deposited by the photo CVD method which causes less damage to the deposited semiconductor layer. In this embodiment, the MOCVD method is used to perform the epitaxial growth in order to increase the doping concentration of the base layer, but it is also possible to use the MOMBE method. The MONBE method uses a gas source as a raw material,
Method and MOCVD method are performed at a vacuum degree in the intermediate region (around 10 -5 Torr), so gas source MBE method, vacuum MOCVD method
Also called a chemical beam epitaxy (CBE) method.

【0018】図2は、上記フォトダイオード6及び上記
Si3 4 膜をマスクとして、露出した上記p−GaA
sベース層4をサイドエッチング量の少ないドライエッ
チング法で除去したのち、同じマスクで、酸素イオン注
入を行いN−AlGaAsエミッタ層3を高抵抗化し、
選択的にバリアとなる外部エミッタ層7を形成する工程
を示したものである。本実施例では、ドライエッチング
法として、電子サイクロトロン共鳴(ECR)を利用し
たRIEを用いた。反応ガス塩素Cl2 で、このECR
−RIE装置を用いると、エッチングした半導体表面の
ダメージが少ないという利点がある。また、酸素イオン
注入の加速電圧はエミッタ層厚により変わるが(外部エ
ミッタ層全域に亘って高抵抗化するため)、本実施例で
は100kevとする。この時の射影飛程RP は、0.
15μm程度である。注入ドーズ量は2×1014cm
-2で、この注入条件により外部エミッタ層は、図中7で
示されるように全域に亘って高抵抗化される。注入ドー
ズ量は、この値よりも多くても同様な効果が期待でき
る。
FIG. 2 shows the exposed p-GaA using the photodiode 6 and the Si 3 N 4 film as a mask.
After removing the s base layer 4 by a dry etching method with a small amount of side etching, oxygen ions are implanted with the same mask to increase the resistance of the N-AlGaAs emitter layer 3,
It shows a step of selectively forming an external emitter layer 7 which becomes a barrier. In this example, RIE using electron cyclotron resonance (ECR) was used as the dry etching method. With the reaction gas chlorine Cl 2 , this ECR
-Using the RIE device has the advantage that the etched semiconductor surface is less damaged. The acceleration voltage for oxygen ion implantation varies depending on the thickness of the emitter layer (because the resistance is increased over the entire area of the external emitter layer), but is set to 100 kev in this embodiment. The projective range R P at this time is 0.
It is about 15 μm. Injection dose is 2 × 10 14 cm
At -2 , the external emitter layer has a high resistance over the entire area by the injection condition as shown by 7 in the figure. Similar effects can be expected even if the implantation dose is larger than this value.

【0019】図3は、フォトレジスト6を除去し、酸素
イオン注入した外部エミッタ層7の表面を洗浄した後、
MOMBE法により、トリメチルガリウム(TMG)、
As4 を成長原料として成長温度450〜550℃でC
ドープ超高濃度p−GaAs外部層8を外部エミッタ層
7上に0.2μm再成長させる工程を示したものであ
る。キャリア濃度の制御は、TMG供給量を一定とし
て、As4 圧を制御することで行う。本実施例では、再
成長の方法としてMOMBE法を用いたが、MOCVD
法を用いることも可能であり、どちらを用いても上記S
3 4 膜5の上には半導体層は堆積されず、優れた選
択性がある。特に、MOMBE法では、p型ドーパント
にCを用いることにより正孔濃度が1×1021cm-3を越
える。この点に関しては、例えば、T. Yamada らによる
論文〔Heavily Carbon Doped p-Type GaAsAnd GaAlAs G
rown Metalorganic Molecular Beam Epitaxy 〕(J. Cr
yst. Growth. 95, p.p. 145〜149, 1989 )において開
示されている通りである。このようにGaAs中に超高
濃度にドーパントが導入されても、拡散係数の極めて小
さいCを用いているのでエミッタ層、及びコレクタ層へ
拡散する問題はない。また、図中再成長させたp−Ga
As外部ベース層8の膜厚は、上記Si3 4 膜5と上
記真性ベース層4の膜厚を合わせた厚さと同程度になる
ように設定される。
In FIG. 3, after removing the photoresist 6 and cleaning the surface of the outer emitter layer 7 implanted with oxygen ions,
Trimethylgallium (TMG),
C using As 4 as a growth raw material at a growth temperature of 450 to 550 ° C.
It shows a step of re-growing the doped ultra-high-concentration p-GaAs outer layer 8 on the outer emitter layer 7 by 0.2 μm. The carrier concentration is controlled by controlling the As 4 pressure while keeping the TMG supply amount constant. In this embodiment, the MOMBE method is used as the regrowth method, but MOCVD is used.
It is also possible to use the above method, whichever method is used.
No semiconductor layer is deposited on the i 3 N 4 film 5 and has excellent selectivity. Particularly, in the MOMBE method, the hole concentration exceeds 1 × 10 21 cm −3 by using C as the p-type dopant. Regarding this point, for example, a paper by T. Yamada et al. [Heavily Carbon Doped p-Type GaAsAnd GaAlAs G
rown Metalorganic Molecular Beam Epitaxy] (J. Cr
yst. Growth. 95, pp 145-149, 1989). Thus, even if the dopant is introduced into GaAs at an extremely high concentration, since C having an extremely small diffusion coefficient is used, there is no problem of diffusion into the emitter layer and the collector layer. In addition, re-grown p-Ga in the figure
The film thickness of the As external base layer 8 is set to be about the same as the combined thickness of the Si 3 N 4 film 5 and the intrinsic base layer 4.

【0020】図4は、上記p−GaAs外部ベース層8
及びSi3 4 膜5の上に、プラズマCVD法により第
2のSi3 4 膜9を0.4μm堆積させる工程を示し
たものである。
FIG. 4 shows the p-GaAs external base layer 8 described above.
And a step of depositing a second Si 3 N 4 film 9 by 0.4 μm on the Si 3 N 4 film 5 by a plasma CVD method.

【0021】図5は、上記第2のSi3 4 膜9上に第
2のフォトリソグラフィを行い、パタニングされたフォ
トレジストをマスクとして、第2のSi3 4 膜9及び
第1のSi3 4 膜5の一部をC2 6 ガスRIE及び
SF6 ガスRIEによりエッチングし、p−GaAs真
性ベース層4を露出させる工程を示したものである。こ
のエッチングにより外部ベース層8の側壁に残された第
1のSi3 4 膜5の横幅は、上記第2のフォトリソグ
ラフィとSF6 ガスRIE(等方的にエッチングされ
る)により、0.2μm程度になるように調整する。
[0021] Figure 5, a second photolithography on the second Si 3 N 4 film 9 as a mask the patterned photoresist, second Si 3 N 4 film 9 and the first Si This shows a step of exposing a p-GaAs intrinsic base layer 4 by etching a part of the 3 N 4 film 5 by C 2 F 6 gas RIE and SF 6 gas RIE. The lateral width of the first Si 3 N 4 film 5 left on the side wall of the external base layer 8 by this etching is 0.degree. By the second photolithography and SF 6 gas RIE (etching isotropically). Adjust to about 2 μm.

【0022】図6は、上記露出したp−GaAs真性ベ
ース層4上に表面を洗浄した後、MOMBE法によりト
リメチルガリウム(TMG)、AS4 を成長原料として
Siドープn−GaAsコレクタ層(ドーピング濃度3
×1016cm-3)10を0.4μm、Siドープ高濃度n
−GaAs層(ドーピング濃度5×1018cm-3)11を
0.05μm、Siドープ高濃度n−InGaAsキャ
ップ層(ドーピング濃度2×1019cm-3,In−As組
成0.6)12を0.1μmの順に再成長させる工程を
示したものである。InGaAsキャップ層12を再成
長させるときの成長温度は450℃、原料はTMG,ト
リメチルイジウム(TMI),As4 であり、ドーパン
ガスとしてジシラン(Si2 6 )を用いた。再成長の
方法は、勿論MOCVDでも可能である。一般に、再成
長したpn接合特性は再結合電流の割合が高くなるが、
GaAs中に設けられたベース・コレクタ間pn接合は
比較的良好であり、更に通常のトランジスタ動作におい
ては、ベース・コレクタ間のpn接合は逆方向にバイア
スされているので、順方向にバイアスされるベース・エ
ミッタpn接合特性に比べて再結合電流の増加はそれほ
ど重要ではない。また、パワー用トランジスタへの適用
を図るとき、コレクタ耐圧を高めるためには、コレクタ
層10の膜厚を厚くすることが不可欠であるが、この場
合、第2のSi3 4 膜9の膜厚を調整することで、第
2のSi3 4 膜9と再成長したn−InGaAsキャ
ップ層12の高さを同じ程度にすることは可能である。
FIG. 6 shows that after the surface is cleaned on the exposed p-GaAs intrinsic base layer 4, trimethylgallium (TMG) and AS 4 are used as a growth material by a Si-doped n-GaAs collector layer (doping concentration). Three
× 10 16 cm -3 ) 10 0.4 μm, Si-doped high concentration n
-GaAs layer (doping concentration 5 × 10 18 cm -3 ) 11 of 0.05 μm, Si-doped high-concentration n-InGaAs cap layer (doping concentration 2 × 10 19 cm -3 , In-As composition 0.6) 12 It shows a step of regrowth in the order of 0.1 μm. When the InGaAs cap layer 12 was regrown, the growth temperature was 450 ° C., the raw materials were TMG, trimethylimidium (TMI) and As 4 , and disilane (Si 2 H 6 ) was used as the dopan gas. The method of regrowth can of course be MOCVD. Generally, regrown pn junction characteristics have a high rate of recombination current.
The base-collector pn junction provided in GaAs is relatively good, and in normal transistor operation, the base-collector pn junction is reverse-biased and thus forward-biased. Increasing the recombination current is less important than the base-emitter pn junction characteristics. In addition, when applying to a power transistor, it is indispensable to increase the film thickness of the collector layer 10 in order to increase the collector breakdown voltage. In this case, the film thickness of the second Si 3 N 4 film 9 is increased. By adjusting the thickness, it is possible to make the heights of the second Si 3 N 4 film 9 and the regrown n-InGaAs cap layer 12 about the same.

【0023】図7は、再成長したn−InGaAsキャ
ップ層12及び第2のSi3 4 膜9の上に第3のフォ
トリソグラフィを行い、通常のリフトオフ法によりコレ
クタ電極Ti/Pt/Au13を形成する工程を示した
ものである。本実施例では、上記コレクタ電極13が、
上記再成長したn−InGaAsキャップ層12よりも
0.3μm程度外側に広がるように第3のフォトリソグ
ラフィを行う。本実施例で用いたコレクタ電極の膜厚
は、Ti20nm,Pt20nm,Au150nmである。
In FIG. 7, a third photolithography is performed on the regrown n-InGaAs cap layer 12 and the second Si 3 N 4 film 9, and the collector electrode Ti / Pt / Au 13 is formed by the normal lift-off method. It shows a process of forming. In this embodiment, the collector electrode 13 is
Third photolithography is performed so as to spread outward by about 0.3 μm from the regrown n-InGaAs cap layer 12. The film thickness of the collector electrode used in this example is Ti 20 nm, Pt 20 nm, and Au 150 nm.

【0024】図8は、上記コレクタ電極13をマスクと
して、上記第2のSi3 4 膜9をC2 6 ガスRIE
及びSF6 ガスRIEによりエッチングし、超高濃度p
−GaAs外部ベース層8を露出させた後、電子ビーム
蒸着法によりベース電極Pt/Ti/Pt/Au14を
自己整合的に形成する工程を示したものである。図中に
示したように、等方的にエッチングされるSF6 −RI
Eエッチング時間を長くすることにより第2のSi3
4 膜9を横方向にエッチングし、T字形のコレクタ電極
/コレクタメサ構造を実現することで、容易にコレクタ
電極とベース電極が接触しないように自己整合的にベー
ス電極が形成可能である。本実施例で用いたベース電極
の膜、Pt10nm,Ti20nm,Pt50nm,Au15
0nmである。また、Ti/Pt/Auノンアロイベース
電極も使用可能である。
In FIG. 8, the second Si 3 N 4 film 9 is C 2 F 6 gas RIE using the collector electrode 13 as a mask.
And SF 6 gas RIE are used to etch and p
After the -GaAs external base layer 8 is exposed, a step of forming the base electrode Pt / Ti / Pt / Au 14 in a self-aligned manner by an electron beam evaporation method is shown. As shown in the figure, SF 6 -RI isotropically etched.
E By increasing the etching time, the second Si 3 N
By forming the T-shaped collector electrode / collector mesa structure by laterally etching the four films 9, the base electrode can be easily formed in a self-aligned manner so that the collector electrode and the base electrode do not come into contact with each other. Base electrode film used in this example, Pt 10 nm, Ti 20 nm, Pt 50 nm, Au 15
It is 0 nm. Also, a Ti / Pt / Au non-alloy base electrode can be used.

【0025】図9は、第5のフォトリソグラフィを行
い、上記ベース電極14と上記コレクタ電極13の間に
ある半導体層上をフォトレジストで覆った後、ドライエ
ッチング法により外部ベース層8及び酸素イオン注入し
た高抵抗AlGaAs外部エミッタ層を除去し、n−G
aAsバッファ層2を露出させ、第6のフォトリソグラ
フィ及び通常のリフトオフ法によりエミッタ電極AuG
e/Ni/Ti/Pt/Auを形成する工程を示したも
のである。本実施例で用いたエミッタ電極の膜厚は、A
uGe85nm,Ni15nm,Ti100nm,Pt20n
m,Au150nmである。オーミック処理を360℃、
2 ガス雰囲気中で行う。その後、SiO2 層間絶縁膜
をプラズマCVD法で堆積させる。素子間分離を行った
後、RIEで各電極部の開孔(スルーホール)を行い、
最後に配線を施して素子製作工程は終了する。
In FIG. 9, fifth photolithography is performed to cover the semiconductor layer between the base electrode 14 and the collector electrode 13 with a photoresist, and then the external base layer 8 and oxygen ions are formed by a dry etching method. The implanted high resistance AlGaAs external emitter layer is removed, and n-G
The aAs buffer layer 2 is exposed, and the emitter electrode AuG is formed by the sixth photolithography and the normal lift-off method.
It shows a step of forming e / Ni / Ti / Pt / Au. The thickness of the emitter electrode used in this example is A
uGe85nm, Ni15nm, Ti100nm, Pt20n
m, Au 150 nm. Ohmic treatment at 360 ℃,
Performed in an N 2 gas atmosphere. After that, a SiO 2 interlayer insulating film is deposited by the plasma CVD method. After separating the elements, RIE is used to open holes (through holes) in the respective electrode parts.
Finally, wiring is applied to complete the element manufacturing process.

【0026】本発明では,外部AlGaAsエミッタ層
の高抵抗化を酸素イオン注入を用いて行ったが、他のド
ーパント種のイオン注入により形成された高抵抗層は、
比較的高温の再成長プロセス(500〜550℃)によ
り容易にその効果が消滅する。その理由は、酸素イオン
以外のドーパントのイオン注入により形成された高抵抗
層は、放射損傷によるダメージに起因しており、アニー
ル温度の上昇に伴いダメージが回復するためである。一
方、AlGaAs層中に酸素イオンを注入した層も放射
損傷ダメージによる高抵抗性はプロセス温度の上昇とと
もに回復するが、新たに深い準位に起因する高抵抗性を
示すようになる。この深い準位に起因する高抵抗層は、
AlGaAs層中にドープされた酸素イオンに特有なも
ので、熱安定性に断然優れており、デバイス性能はもと
よりデバイスの信頼性の面からも有効である。この点に
関しては、例えば、S. J. Pearton らによる論文、〔Fo
rmation of thethermally stable high-resistivity Al
GaAs by Oxygen Implantation〕(Appl. Phys. Lett.,
52, p.p.395〜397, 1988 )において開示されている通
りである。
In the present invention, the resistance of the external AlGaAs emitter layer is increased by using oxygen ion implantation. However, the high resistance layer formed by ion implantation of another dopant species is
The effect is easily extinguished by the relatively high temperature regrowth process (500 to 550 ° C.). The reason is that the high resistance layer formed by ion implantation of a dopant other than oxygen ions is caused by damage due to radiation damage, and the damage recovers as the annealing temperature rises. On the other hand, the layer in which oxygen ions are implanted in the AlGaAs layer also recovers the high resistance due to radiation damage damage as the process temperature rises, but newly exhibits high resistance due to the deep level. The high resistance layer due to this deep level is
It is peculiar to oxygen ions doped in the AlGaAs layer, has outstanding thermal stability, and is effective not only in device performance but also in device reliability. In this regard, for example, a paper by SJ Pearton et al. [Fo
rmation of thethermally stable high-resistivity Al
GaAs by Oxygen Implantation) (Appl. Phys. Lett.,
52, pp395-397, 1988).

【0027】外部エミッタ層である高抵抗AlGaAs
層(図1〜図9中7に該当する領域)は、選択再成長法
でも形成可能である。図2の工程において、フォトレジ
スト6及び第1のSi3 4 膜5をマスクとして、IC
R−RIE法を用いたドライエッチングにより、外部領
域のp−GaAsベース層4、及びN−AlGaAsエ
ミッタ層3を選択的に除去し、MOMBEまたはMOC
VD法でアンドープAlGaAs外部エミッタ層、高濃
度外部ベース層の順で再成長することで図3に示したの
と同様な構造を形成することができる。しかし、成長原
料として、トリメチルアルミニウム(TMA),TM
G,AS4 またはアルジンを用いてアンドープAlGa
As外部エミッタ層を成長させた場合、メチル基のCが
多量に結晶内に入り込みp形ドーパントの挙動を示し、
高抵抗化が難しい。また、比較的Cが入り込みずらいと
されるトリエチルアルミニウム(TEA)を用いても酸
素イオン注入法で達成できるような高抵抗AlGaAs
外部エミッタ層(シート抵抗108 Ω/sq程度)の実現
は難しい。加えて、再成長法では、アンドープAlGa
As外部エミッタ層、高濃度p−GaAs外部ベース層
の膜厚制御が難しく、簡便に、かつ均一性良く高抵抗層
が形成できる酸素イオン注入の方がスループットの向
上,信頼性の面から有利である。
High resistance AlGaAs which is an external emitter layer
The layer (region corresponding to 7 in FIGS. 1 to 9) can also be formed by the selective regrowth method. In the process of FIG. 2, the photoresist 6 and the first Si 3 N 4 film 5 are used as masks for IC
By dry etching using the R-RIE method, the p-GaAs base layer 4 and the N-AlGaAs emitter layer 3 in the external region are selectively removed, and MONBE or MOC is used.
A structure similar to that shown in FIG. 3 can be formed by re-growing the undoped AlGaAs external emitter layer and the high-concentration external base layer in this order by the VD method. However, as a growth raw material, trimethyl aluminum (TMA), TM
Undoped AlGa using G, AS 4 or Algin
When the As external emitter layer is grown, a large amount of C of the methyl group penetrates into the crystal and exhibits the behavior of a p-type dopant,
It is difficult to increase the resistance. Moreover, even if triethylaluminum (TEA), which is relatively hard to enter C, is used, high-resistance AlGaAs that can be achieved by the oxygen ion implantation method.
It is difficult to realize an external emitter layer (sheet resistance of about 10 8 Ω / sq). In addition, in the regrowth method, undoped AlGa
It is difficult to control the film thickness of the As external emitter layer and the high-concentration p-GaAs external base layer, and the oxygen ion implantation that can form the high resistance layer easily and with good uniformity is advantageous in terms of throughput improvement and reliability. is there.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、コレクタア
ップ構造AlGaAs/GaAsヘテロ接合バイポーラ
トランジスタの外部ベース領域形成において、本発明に
よれば、正孔濃度1×1021cm-3以上の超高濃度p−G
aAs外部ベース層を再成長法で、酸素イオン注入によ
り高抵抗化したAlGaAs外部エミッタ層上に堆積さ
せることで、酸素イオン注入の影響を受けない超高濃度
の外部ベース層を形成することが可能になった。特に、
外部ベース層を再成長法で形成するときの最大の課題
は、真性ベース層と連続的に接続するように、しかもコ
レクタ層とは接触しないように再成長させることである
が、本発明では、予めp−GaAsベース層まで成長さ
せたエピタキシャル結晶を用いて外部ベース層を再成長
させるため、上記問題点が解決される。しかも、再成長
のときにマスク材料として用いるSi3 4 の膜厚を調
整することにより、外部ベース層及び再成長によるコレ
クタ層の膜厚を任意に変えても、本発明で示したプロセ
ス工程を容易に実行することが可能である。この結果、
ベース電極を自己整合的に真性ベース層に極めて近接し
て形成できることになり、超高濃度外部ベースの形成と
合わせて、ベース抵抗を著しく低減できるようになり、
高いコレクタ電流密度領域での電流増幅率の改善,高周
波特性,特にfmax の向上,信頼性に優れたコレクタア
ップ構造AlGaAs/GaAsヘテロ接合のバイポー
ラトランジスタを提供することができるという効果を有
する。
As described in detail above, according to the present invention, in forming the external base region of the collector-up structure AlGaAs / GaAs heterojunction bipolar transistor, the hole concentration is 1 × 10 21 cm -3 or more. Concentration p-G
By depositing the aAs external base layer on the AlGaAs external emitter layer whose resistance has been increased by oxygen ion implantation by the regrowth method, it is possible to form an ultra-high concentration external base layer that is not affected by oxygen ion implantation. Became. In particular,
The biggest problem in forming the extrinsic base layer by the regrowth method is to regrow it so as to be continuously connected to the intrinsic base layer and not in contact with the collector layer. Since the external base layer is regrown using the epitaxial crystal that has been grown up to the p-GaAs base layer in advance, the above problems are solved. Moreover, by adjusting the film thickness of Si 3 N 4 used as a mask material at the time of regrowth, even if the film thicknesses of the external base layer and the collector layer by regrowth are arbitrarily changed, the process steps shown in the present invention can be performed. Can be performed easily. As a result,
It becomes possible to form the base electrode in a self-aligned manner very close to the intrinsic base layer, and it becomes possible to significantly reduce the base resistance together with the formation of the ultra-high concentration external base.
This has the effect of improving the current amplification factor in the high collector current density region, improving the high frequency characteristics, especially f max , and providing a bipolar transistor having a collector-up structure AlGaAs / GaAs heterojunction having excellent reliability.

【0029】例えば、本発明により製造したコレクタア
ップ構造AlGaAs/GaAsHBTでは、2×10
μmの素子寸法でベース抵抗は従来例の1/20に相当
する5Ω程度に低減され、この結果fmax =200GH
が達成され、高周波特性の目覚しい向上が実現される。
本実施例では、AlGaAs/GaAsヘテロ構造材料
について説明したが、本発明は、結晶材料を選ばず、例
えばInP/InGaAs,InAlAs/InGaA
s等のIII −V族化合物半導体、及びII−VI族化合物半
導体にも適用可能である。
For example, in the collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT manufactured according to the present invention, 2 × 10.
With the element size of μm, the base resistance is reduced to about 5Ω, which is 1/20 of the conventional example, and as a result f max = 200 GH
Is achieved, and the high-frequency characteristics are remarkably improved.
In the present embodiment, the AlGaAs / GaAs heterostructure material has been described, but the present invention does not select a crystal material, for example, InP / InGaAs, InAlAs / InGaA.
It is also applicable to III-V group compound semiconductors such as s and II-VI group compound semiconductors.

【0030】また、本発明によるHBTの製造方法によ
れば、コレクタアップ構造HBT素子特性が格段に改善
されるため、エミッタアップ構造の素子と同時に集積化
形成を期待することができる。すなわち、本発明の製造
方法は、コレクタアップ構造にも、エミッタアップ構造
にも適用することができるため、これら2つの素子を組
合せる論理回路構成を有効に実現することができる。例
えば、両構造のトランジスタを集積化することにより、
2 L/MTL,STL,ECL/CML相当の論理回
路の性能を大幅に改善することができる。また、導電型
を反対にして構成することにより、コンプリメンタリー
構成の論理回路等も構成することができる。更に、また
PINフォトダイオード,APD等の受光素子や、LE
D,レーザダイオード等の発光素子と集積化構成をする
ことにより、光電子集積回路(OEIC)の製造方法に
も適用することができる。更にまた、本発明によるHB
Tの製造方法によってこれらのHBTを並列化構成する
ことによって超高周波高出力のパワーバイポーラトラン
ジスタを実現することもできる。
Further, according to the HBT manufacturing method of the present invention, the characteristics of the collector-up structure HBT device are remarkably improved, so that it is possible to expect the formation of an integrated structure simultaneously with the device of the emitter-up structure. That is, since the manufacturing method of the present invention can be applied to both the collector-up structure and the emitter-up structure, a logic circuit configuration combining these two elements can be effectively realized. For example, by integrating the transistors of both structures,
The performance of a logic circuit equivalent to I 2 L / MTL, STL, ECL / CML can be significantly improved. Further, by configuring the conductivity types to be opposite, it is possible to configure a complementary logic circuit or the like. Furthermore, a light receiving element such as a PIN photodiode or APD, or an LE
It can also be applied to a method for manufacturing an optoelectronic integrated circuit (OEIC) by integrating it with a light emitting element such as a D or a laser diode. Furthermore, the HB according to the invention
It is also possible to realize an ultra-high frequency and high output power bipolar transistor by arranging these HBTs in parallel by the manufacturing method of T.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 1 is an element cross-sectional structure diagram showing a manufacturing process of an npn type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図2】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 2 is an element cross-sectional structural view showing a manufacturing process of an npn type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図3】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 3 is an element cross-sectional structural diagram showing a manufacturing process of an npn collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図4】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 4 is an element cross-sectional structural diagram showing a manufacturing process of an npn collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図5】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 5 is an element cross-sectional structure diagram showing a manufacturing process of an npn type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図6】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 6 is an element cross-sectional structural view showing a manufacturing process of an npn collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図7】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 7 is an element cross-sectional structural view showing a manufacturing process of an npn type collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図8】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 8 is an element cross-sectional structural diagram showing a manufacturing process of an npn collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図9】本発明によるn−p−n型コレクタアップ構造
AlGaAs/GaAsHBTの製造工程を示す素子断
面構造図である。
FIG. 9 is an element cross-sectional structural view showing a manufacturing process of an npn collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT according to the present invention.

【図10】従来の典型的なn−p−n型コレクタアップ
構造AlGaAs/GaAsHBTの素子断面構造図で
ある。
FIG. 10 is a device cross-sectional structural view of a conventional typical npn collector-up structure AlGaAs / GaAs HBT.

【図11】素子寸法2μm×10μmの従来の典型的な
コレクタアップ構造HBTにおける電流利得遮断周波数
T (GHz)と最高発振周波数fmax (GHz)の酸
素イオン注入ドーズ量依存性を示した特性図である。
FIG. 11 is a characteristic showing the dependency of the current gain cutoff frequency f T (GHz) and the maximum oscillation frequency f max (GHz) on the oxygen ion implantation dose in a conventional typical collector-up structure HBT having a device size of 2 μm × 10 μm. It is a figure.

【図12】酸素イオン注入後亜鉛拡散を行った外部ベー
スに相当するCドープp型GaAs層のTLM法から求
めたシート抵抗RS とコンタクト抵抗率ρC の酸素イオ
ン注入ドーズ量依存性を示した特性図である。
FIG. 12 shows the oxygen ion implantation dose dependency of the sheet resistance R S and contact resistivity ρ C of the C-doped p-type GaAs layer corresponding to the extrinsic base that has undergone zinc diffusion after oxygen ion implantation. FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半絶縁性GaAs基板 2 Siドープn型GaAsバッファ層 3 SiドープN型AlGaAsエミッタ層 4 Cドープp型GaAsベース層 5 第1のプラズマCVDシリコン窒化膜(Si
3 4 ) 6 フォトレジスト 7 酸素イオン注入により高抵抗化したAlGaAs外
部エミッタ領域 8 選択再成長した超高濃度p−GaAs外部ベース層 9 第2のプラズマCVDシリコン窒化膜(Si
3 4 ) 10 選択再成長したSiドープn型GaAsコレクタ
層 11 選択再成長した高濃度SiドープGaAsキャッ
プ層 12 選択再成長した高濃度SiドープInGaAsキ
ャップ層 13 Ti/Pt/Auコレクタ電極 14 Pt/Ti/Pt/Auベース電極 15 AuGe/Ni/Ti/Pt/Auエミッタ電極 16 亜鉛拡散を行った高濃度p−GaAs外部ベース
1 Semi-insulating GaAs substrate 2 Si-doped n-type GaAs buffer layer 3 Si-doped N-type AlGaAs emitter layer 4 C-doped p-type GaAs base layer 5 First plasma CVD silicon nitride film (Si
3 N 4 ) 6 Photoresist 7 AlGaAs external emitter region with high resistance by oxygen ion implantation 8 Super-high-concentration p-GaAs external base layer selectively regrown 9 Second plasma CVD silicon nitride film (Si
3 N 4 ) 10 Selectively regrown Si-doped n-type GaAs collector layer 11 Selectively regrown high-concentration Si-doped GaAs cap layer 12 Selectively regrown high-concentration Si-doped InGaAs cap layer 13 Ti / Pt / Au collector electrode 14 Pt / Ti / Pt / Au base electrode 15 AuGe / Ni / Ti / Pt / Au emitter electrode 16 Zinc-diffused high-concentration p-GaAs external base layer

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板上に、n型の導電型を有する第1の
半導体層からなるエミッタ層と、該エミッタ層上に形成
された前記第1の半導体層よりもバンドギャップの小さ
いp型の導電型を有する第2の半導体層からなるベース
層とを備えた半導体積層構造の形成において、 前記ベース層上に第1の絶縁膜を堆積し、パタニングさ
れた第1のフォトレジストパタンをマスクとするエッチ
ング処理によって選択的に前記第1の絶縁膜を除去する
工程と、 前記パタニングされた第1のフォトレジスト及び第1の
絶縁膜をマスクとするエッチング処理によって前記ベー
ス層の一部または全部を除去してメサ型構造を形成する
工程と、 前記パタニングされた第1のフォトレジスト及び第1の
絶縁膜をマスクとする酸素イオン注入によって前記n型
の導電型を有する第1の半導体層からなるエミッタ層中
に選択的に高抵抗領域を形成する工程と、 前記第1のフォトレジストを除去した後、前記第1の絶
縁膜をマスクとするエピタキシャル再成長法によって、
超高濃度にドーピングしたp型の導電型を有する第3の
半導体層を、前記酸素イオン注入によって高抵抗化した
外部エミッタ層と前記第2の半導体層からなるベース層
にのみ連続的に接触するように選択的に、しかも前記第
1の絶縁膜と同程度の高さになるように堆積する工程
と、 前記再成長した第3の半導体層からなる外部ベース層及
び前記第1の絶縁膜上に第2の絶縁膜を堆積し、前記第
1のフォトレジストパタンの内側になるように形成され
た第2の開孔パタニングをマスクとするエッチング処理
により、前記第2の絶縁膜及び前記第1の絶縁膜を選択
的に除去し、前記第2の半導体層からなる内部真性ベー
ス層を露出させる工程と、 前記第2の絶縁膜及び前記第1の絶縁膜をマスクとする
エピタキシャル再成長によって、n型の導電型を有する
第4の半導体層またはアンドープの第4の半導体層から
なるコレクタ層を前記第2の半導体層からなるベース層
にのみ連続的に接触するように選択的に、しかも前記第
2の絶縁膜と同程度の高さになるように堆積する工程
と、 前記第4の半導体層からなるコレクタ層及び前記第2の
絶縁膜上に、コレクタ電極を形成し、前記コレクタ電極
をマスクとするエッチング処理により、前記第2の絶縁
膜を選択的に除去し、前記第3の半導体層からなる外部
ベース層を露出させ、自己整合的にベース電極を形成す
る工程とを含むことを特徴とするコレクタアップ構造ヘ
テロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
1. An emitter layer made of a first semiconductor layer having an n-type conductivity on a substrate, and a p-type emitter layer formed on the emitter layer and having a bandgap smaller than that of the first semiconductor layer. In forming a semiconductor laminated structure including a base layer formed of a second semiconductor layer having a conductivity type, a first insulating film is deposited on the base layer, and a patterned first photoresist pattern is used as a mask. Selectively removing the first insulating film by an etching process for etching, and a part or all of the base layer by an etching process using the patterned first photoresist and the first insulating film as a mask. Forming a mesa structure by removing the n-type conductivity type by oxygen ion implantation using the patterned first photoresist and the first insulating film as a mask. Selectively forming a high resistance region in an emitter layer made of a first semiconductor layer having: and an epitaxial regrowth method using the first insulating film as a mask after removing the first photoresist. By
The third semiconductor layer having a p-type conductivity type doped at an extremely high concentration is continuously brought into contact with only the external emitter layer whose resistance has been increased by the oxygen ion implantation and the base layer formed of the second semiconductor layer. Selectively, and so as to have the same height as that of the first insulating film; and on the external base layer made of the regrown third semiconductor layer and the first insulating film. A second insulating film is deposited on the first photoresist pattern, and the second insulating film and the first photoresist pattern are formed by an etching process using a second opening pattern formed inside the first photoresist pattern as a mask. Selectively removing the insulating film to expose the internal intrinsic base layer made of the second semiconductor layer, and epitaxial regrowth using the second insulating film and the first insulating film as masks, n-type guidance A second semiconductor layer having a mold or a collector layer made of an undoped fourth semiconductor layer selectively contacting only a base layer made of the second semiconductor layer, and the second insulating layer A step of depositing the same height as the film, and forming a collector electrode on the collector layer made of the fourth semiconductor layer and the second insulating film, and etching using the collector electrode as a mask Selectively removing the second insulating film by processing, exposing the external base layer made of the third semiconductor layer, and forming a base electrode in a self-aligned manner. Method of manufacturing up-structure heterojunction bipolar transistor.
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