WO2023112252A1 - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

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WO2023112252A1
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emitter
collector
base layer
base
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PCT/JP2021/046506
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拓也 星
悠太 白鳥
弘樹 杉山
佑樹 吉屋
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日本電信電話株式会社
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    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66007—Multistep manufacturing processes
    • H01L29/66075—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials
    • H01L29/66227—Multistep manufacturing processes of devices having semiconductor bodies comprising group 14 or group 13/15 materials the devices being controllable only by the electric current supplied or the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched, e.g. three-terminal devices
    • H01L29/66234—Bipolar junction transistors [BJT]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/72—Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals
    • H01L29/73—Bipolar junction transistors
    • H01L29/737—Hetero-junction transistors

Definitions

  • the present invention relates to heterojunction bipolar transistors.
  • Nitride semiconductors are promising materials for high-speed, high-voltage electronic devices due to their large bandgap.
  • High electron mobility transistors using high-density sheet carriers generated by polarization of AlGaN/GaN have been actively studied by many research institutes, and have been used as amplification transistors for communication amplifiers and high-efficiency transistors. It has already been put to practical use as a power device.
  • a heterojunction bipolar transistor is a device structure that can achieve both high speed and high withstand voltage by using a high withstand voltage material for the collector layer.
  • group III-V compound semiconductors using InP or GaAs as a substrate material, and group IV materials using SiGe as a base layer it has been reported that a cutoff frequency of several hundreds of GHz, a maximum oscillation frequency, and a high withstand voltage can both be achieved in HBT structures. There are many.
  • nitride semiconductors such as GaN p-type at a high concentration due to the following reasons.
  • the ionization energy of impurities functioning as acceptors is very high.
  • Nitride semiconductors are grown by general growth techniques such as MOCVD, but when p-type doping is carried out, H (hydrogen) contained in the carrier gas and raw materials makes the doped dopant (Mg, Zn, etc.) unsuitable. There is an inherent problem of being activated and not being able to have high hole concentrations.
  • Nitride semiconductors are materials having polarization in the c-axis direction, and devices are generally manufactured by crystal growth (in the +c-axis direction) in a plane orientation called the group III polar plane.
  • the group III polar plane when AlGaN is grown on GaN, the electric field due to the difference in magnitude of spontaneous polarization between the materials and the polarization electric field generated by the strain generated in the AlGaN layer bend the band, resulting in the interface between AlGaN and GaN.
  • a two-dimensional electron gas is generated at Utilizing this, a GaN channel HEMT structure has been realized, and high-frequency devices using this have already been put to practical use.
  • the configuration in which the main surface is the N-polar (group V polar) plane is the inversion of the group III polar plane.
  • the direction of the electric field generated by polarization is reversed from that of the group III polar plane.
  • a two-dimensional hole gas is generated at the AlGaN/GaN interface due to the polarization electric field (see Non-Patent Document 1).
  • the above-described two-dimensional hole gas can be used to overcome the problem of p-type doping control.
  • a two-dimensional hole gas 321 is formed at the interface between the emitter layer 305 made of AlGaN and the p-base layer 304a made of p-type GaN.
  • This HBT comprises a buffer layer 307 formed on a substrate 301, a subcollector layer 302 made of an n-type nitride semiconductor formed on the buffer layer 307, and a subcollector layer 302 formed on the subcollector layer 302. , a collector layer 303 made of n-type GaN, a p-base layer 304a made of p-type GaN formed on the collector layer 303, and a base layer made of undoped GaN formed on the p-base layer 304a. 304b, an emitter layer 305 formed on the base layer 304b, and an emitter cap layer 306 formed on the emitter layer 305 and made of an n-type nitride semiconductor.
  • This HBT also has an emitter electrode 311 formed on the emitter cap layer 306 , a base electrode 312 formed on the base layer beside the emitter layer 305 , and a collector electrode 313 connected to the subcollector layer 302 .
  • an emitter electrode 311 formed on the emitter cap layer 306
  • a base electrode 312 formed on the base layer beside the emitter layer 305
  • a collector electrode 313 connected to the subcollector layer 302 .
  • the concentration of the base layer is increased by the two-dimensional hole gas 321, it is important that the emitter layer 305 also exists directly under the base electrode 312.
  • the emitter layer 305 made of AlGaN is High resistance. Therefore, as shown in FIG. 8A, forming the base electrode 312 directly above the emitter layer 305 increases the ohmic contact resistance. In order to obtain good ohmic contact between the base layer 304b and the base electrode 312, as shown in FIG. Ingenuity is required.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain good ohmic contact between the base layer and the base electrode in a GaN-based bipolar transistor structure.
  • a heterojunction bipolar transistor comprises a subcollector layer made of an n-type nitride semiconductor formed on a substrate, and InGaN formed on the group V polar plane side of the subcollector layer.
  • a collector layer configured to be n-type, a base layer formed in contact with the group V polar face of the collector layer and made of InGaN having an In composition smaller than that of the collector layer, and a base layer in contact with the group V polar face of the base layer an emitter layer formed of InGaN or GaN having an In composition smaller than that of the base layer; an emitter contact layer formed of an n-type nitride semiconductor formed on the side of the V-group polar face of the emitter layer; and an emitter.
  • an emitter electrode connected to the contact layer, a base electrode connected to the base layer, a collector electrode connected to the subcollector layer, a base layer near the interface between the base layer and the collector layer, and an interface between the collector layer and the base layer With a two-dimensional hole gas formed in each of the adjacent collector layers.
  • the collector layer is made of InGaN
  • the base layer is made of InGaN having a lower In composition than that of the collector layer
  • the emitter layer is made of is made of InGaN or GaN with a small , it is possible to obtain good ohmic contact between the base layer and the base electrode in a GaN-based bipolar transistor structure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2A is a band diagram showing band states of the heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2B is a characteristic diagram showing the result of calculating the sheet carrier density of the heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3A is a band diagram showing band states of the heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3B is a characteristic diagram showing the result of calculating the sheet carrier density of the heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2A is a band diagram showing band states of the heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 1 of the present
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing a state of the heterojunction bipolar transistor in an intermediate step for explaining the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing the state of the heterojunction bipolar transistor in an intermediate step for explaining the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view showing the state of the heterojunction bipolar transistor in an intermediate step for explaining the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing a state of the heterojunction bipolar transistor in an intermediate step for explaining the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing the state of the heterojunction bipolar transistor in an intermediate step for explaining the method of manufacturing the heterojunction bi
  • FIG. 4D is a cross-sectional view showing the state of the heterojunction bipolar transistor in an intermediate step for explaining the method of manufacturing the heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 5A is a characteristic diagram showing the relationship between the In composition of the collector layer made of InGaN and the hole concentration when the base layer is made of GaN (the In composition is set to 0).
  • FIG. 5B is a characteristic diagram showing the relationship between the In composition of the collector layer made of InGaN and the hole concentration when the In composition of the base layer 104 made of InGaN is set to 0.05.
  • FIG. 5A is a characteristic diagram showing the relationship between the In composition of the collector layer made of InGaN and the hole concentration when the In composition of the base layer 104 made of InGaN is set to 0.05.
  • FIG. 5C is a characteristic diagram showing the relationship between the In composition of the collector layer made of InGaN and the hole concentration when the In composition of the base layer 104 made of InGaN is set to 0.10.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the configuration of a heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of a heterojunction bipolar transistor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view showing a conventional GaN-based HBT structure with N-polarity as the main surface orientation.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view showing a conventional GaN-based HBT structure with N-polarity as the main surface orientation.
  • FIG. 8C is a cross-sectional view showing a conventional GaN-based HBT structure with N-polarity as the main surface orientation.
  • a heterojunction bipolar transistor according to an embodiment of the present invention will be described below.
  • This heterojunction bipolar transistor first comprises a subcollector layer 102 formed on a substrate 101 and a collector layer 103 formed on the group V polar plane side of the subcollector layer 102 .
  • the subcollector layer 102 is formed on the buffer layer 107 and the collector layer 103 is formed on the subcollector layer 102 .
  • the subcollector layer 102 can be composed of a highly n-type doped nitride semiconductor (GaN or InGaN).
  • the subcollector layer 102 can be composed of heavily n-type doped GaN. Since the sub-collector layer 102 also functions as a contact layer for achieving ohmic contact with the collector electrode 113, which will be described later, the doping concentration is set to a relatively high concentration (for example, 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more). .
  • the subcollector layer 102 grows relatively thick within a range that does not affect the device characteristics.
  • the subcollector layer 102 is preferably set to have a thickness of at least 1 ⁇ m or more in order to function as a buffer layer for improving crystal quality.
  • the collector layer 103 is composed of InxGa1 -xN (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the doping concentration for making the InGaN forming the collector layer 103 n-type is set lower than that of the subcollector layer 102, for example.
  • the collector layer 103 can be made of n-type InGaN with an n-type impurity concentration of about 10 17 cm ⁇ 3 .
  • This HBT has a base layer 104 formed in contact with the group V polarity surface of the collector layer 103, an emitter layer 105 formed in contact with the group V polarity surface of the base layer 104, and a group V layer of the emitter layer 105. and an emitter contact layer 106 formed on the polar surface side.
  • the base layer 104 is made of InGaN with an In composition smaller than that of the collector layer 103 . With this configuration, a two-dimensional hole gas 121 can be generated in the collector layer 103 near the interface between the collector layer 103 and the base layer 104 by the polarization electric field.
  • the base layer 104 can also be made of p-type InGaN.
  • the collector layer 103 can be made of InGaN having an In composition 0.05 or more larger than that of InGaN forming the base layer 104 .
  • the base layer 104 can be made of InGaN with an In composition of 0.1 or more. Note that the base layer 104 can have a thickness of, for example, about 4 nm.
  • the emitter layer 105 is made of InGaN or GaN with a smaller In composition than that of the base layer 104 .
  • the In composition is varied, a two-dimensional hole gas 121 can be generated in the base layer 104 near the interface between the base layer 104 and the emitter layer 105 by the polarization effect.
  • the emitter layer 105 has a bandgap larger than that of the base layer 104, reverse injection of holes to the emitter side can be suppressed, and the current gain can be increased.
  • the emitter contact layer 106 is composed of an n-type nitride semiconductor.
  • the emitter contact layer 106 is a layer for forming an ohmic contact with a low contact resistance, and has a high n-type impurity concentration.
  • the emitter contact layer 106 can have an n-type impurity concentration of 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more. In this layer, it is effective to increase the impurity concentration and narrow the bandgap for ohmic contact with the metal. Therefore, the emitter contact layer 106 is not limited to GaN, and can be made of InGaN or the like. Also, the emitter contact layer 106 can have a thickness of about 100 nm.
  • This HBT is formed on the emitter contact layer 106, and has an emitter electrode 111 connected to the emitter contact layer 106, a base electrode 112 connected to the base layer 104, and a collector electrode 113 connected to the subcollector layer. Prepare. In Embodiment 1, base electrode 112 is formed on and in contact with emitter layer 105 .
  • subcollector layer 102, collector layer 103, base layer 104, emitter layer 105, and emitter contact layer 106 are arranged in this order on substrate 101 with their main surfaces being V-group polar surfaces. is laminated to The emitter contact layer 106 is formed in a mesa shape, and the base electrode 112 is formed on the emitter layer 105 on the sides of the emitter contact layer 106 .
  • the substrate 101 is made of a material used for forming a nitride semiconductor device. Select materials.
  • the substrate 101 can be sapphire, C-plane SiC substrate, N-polar GaN, N-polar AlN substrate, or the like.
  • the buffer layer 107 can be a nitride layer on the substrate surface formed by subjecting the surface of the substrate 101 to high-temperature heat treatment in an atmosphere of a source gas such as ammonia. .
  • a crystal of a nitride semiconductor having an N-polar plane as a main surface orientation can be grown.
  • the substrate 101 is a GaN single crystal substrate or an AlN single crystal substrate having an N-polar plane as a main surface orientation
  • a nitride semiconductor having an N-polar plane as a main surface orientation is used as the substrate 101 without using a special buffer layer. can grow.
  • collector layer 103 near the interface between base layer 104 and collector layer 103 and base layer 104 near the interface between base layer 104 and emitter layer 105 have 2D hole gas 121 is provided.
  • the HBT according to Embodiment 1 in which the two-dimensional hole gas 121 is formed will be described in more detail below.
  • the results of calculation of changes in the band when the In composition of the base layer 104 is changed and changes in the sheet carrier density associated therewith are shown in FIGS. 2A and 2B. will be described with reference to The following conditions were used in the calculation.
  • the subcollector layer 102 was made of n-type GaN with an impurity concentration of about 10 19 cm ⁇ 3
  • the collector layer 103 was made of InGaN with an In composition of 0.15 and had a thickness of 100 nm.
  • the base layer 104 was 5 nm thick
  • the emitter layer 105 was 20 nm thick. 2A and 2B, the numbers (0.05, 0.07, 0.10, 0.12) shown in the figures indicate the In composition of InGaN forming the base layer 104.
  • the amount of two-dimensional hole gas (2DHG) generated by polarization depends on the difference in composition at the heterointerface.
  • the In composition of the base layer 104 is changed in the range of 0.05 to 0.12, the In composition difference between the base layer 104 and the collector layer 103 becomes small. Therefore, as the In composition of the base layer 104 increases, the hole concentration of the two-dimensional hole gas 121 formed in the base layer 104 increases, and the hole concentration of the two-dimensional hole gas 121 formed in the collector layer 103 increases. concentration becomes smaller.
  • the In composition of InGaN applied to the base layer 104 is preferably at least greater than 0.10. That is, the effect is exhibited more under the condition that the In composition of InGaN constituting the base layer 104 ⁇ 0.10.
  • FIG. 3A and FIG. 3B show the results of calculating changes in the band when the In composition of the collector layer 103 is changed and changes in the sheet carrier density associated therewith.
  • 3A and 3B show the influence of the In composition of the collector layer 103.
  • FIG. The following conditions were used in the calculation.
  • the subcollector layer 102 was made of n-type GaN with an impurity concentration of about 10 19 cm ⁇ 3
  • the base layer 104 was made of InGaN with an In composition of 0.10 and had a thickness of 5 nm.
  • the collector layer 103 was 100 nm thick
  • the emitter layer 105 was 20 nm thick.
  • 3A and 3B, the numbers (0.10, 0.12, 0.15, 0.17) shown in the figures indicate the In composition of InGaN forming the collector layer 103.
  • the In composition of the collector layer 103 is the same as the In composition of the base layer 104 (0.10), no two-dimensional hole gas is formed in the collector layer 103 near the interface between the collector layer 103 and the base layer 104 . Only when the In composition of the collector layer 103 becomes larger than that of the base layer 104, two-dimensional holes are generated in the collector layer 103 near the interface between the collector layer 103 and the base layer 104 due to the polarization of the hetero interface due to the difference in In composition. A gas 121 is formed. It can be seen that as the In composition of the collector layer 103 increases in the range of 0.1 to 0.17, the concentration of the two-dimensional hole gas 121 formed in the collector layer 103 increases.
  • In composition of InGaN forming the collector layer 103 it is necessary to set the In composition of InGaN forming the collector layer 103 to be higher than the In composition of the base layer 104 . That is, "In composition of InGaN forming the collector layer 103>In composition of InGaN forming the base layer 104>0".
  • the In composition of the collector layer 103 when the In composition of the base layer 104 is 0.10, the In composition of the collector layer 103 is set to 0.15 or more, thereby forming a two-dimensional A high concentration can be obtained in both the hole gas 121 and the two-dimensional hole gas 121 formed in the collector layer 103 . Therefore, it is effective that the In composition of InGaN forming the collector layer 103 is 0.05 or more than the In composition of InGaN forming the base layer 104 . That is, it can be said that a sufficient hole concentration can be obtained under the condition of "In composition of InGaN forming the collector layer 103-In composition of InGaN forming the base layer 104 ⁇ 0.05".
  • a buffer layer 107, a sub-collector layer 102, a collector-forming layer 203 made of InGaN, a base-forming layer 204 made of InGaN, an emitter-forming layer 205 made of GaN, and an n-type layer are formed on a substrate 101 as shown in FIG. 4A.
  • the emitter contact forming layer 206 made of a nitride semiconductor (for example, GaN) is successively crystal-grown with the main surface being the group V polar plane.
  • the above-described crystal growth can be performed by well-known molecular beam epitaxy (MBE), metal organic vapor phase epitaxy (MOVPE), or the like.
  • an emitter electrode 111 is formed on the emitter contact formation layer 206. Then, as shown in FIG.
  • the emitter electrode 111 is formed using a material and conditions that form an ohmic connection with the emitter contact forming layer 206 (emitter contact layer 106).
  • the emitter electrode 111 can have a laminated structure such as Ti/Al/Ni/Au.
  • An ohmic connection can be formed between the emitter electrode 111 and the emitter contact formation layer 206 by performing a predetermined heat treatment. Since this heat treatment may deteriorate the morphology and shape of the electrode surface and edges, a protective film can be formed to protect the emitter electrode 111 from these.
  • the emitter contact layer 106 can be formed by etching the emitter contact formation layer 206 by self-alignment dry etching using the emitter electrode 111 as a mask. In this process, etching is stopped at the surface of the emitter formation layer 205 . It is not easy to stop etching the emitter contact formation layer 206 made of GaN at the surface of the emitter formation layer 205 made of GaN. For this reason, the emitter contact forming layer 206 can be made of a material other than GaN, and the conditions can be such that the etching selectivity with respect to GaN can be easily obtained.
  • the above-described self-alignment process does not necessarily have to be adopted if the electrode shape becomes non-uniform due to the heat treatment for forming the ohmic connection or if the emitter electrode 111 is damaged due to dry etching.
  • the base electrode 112 is formed on the emitter formation layer 205 around the mesa-shaped emitter contact layer 106 .
  • the base electrode 112 is formed on and in contact with the emitter formation layer 205 . Further, by performing heat treatment, an ohmic connection is formed between the base formation layer 204 (base layer 104) and the base electrode 112 via the emitter formation layer 205 made of GaN.
  • the base electrode 112 can be constructed from a material system such that such an ohmic contact is formed.
  • the emitter formation layer 205 (emitter layer 105) is made of GaN, even if the base electrode 112 is formed on the emitter layer 105, electrical connection with the base layer 104 can be achieved without increasing the resistance. It is possible. In addition, since the base electrode 112 is formed while the emitter layer 105 remains, the two-dimensional hole gas 121 formed in the base layer 104 directly below the emitter layer 105 is not lost, and even in the region directly below the base electrode 112, High hole concentration and low contact resistance can be achieved.
  • the base layer is composed of GaN (In composition is 0)
  • the base layer has a two-dimensional structure due to the polarization effect. No hole gas is generated.
  • the In composition of the collector layer 103 exceeds 0.10, the hole concentration of the two-dimensional hole gas 121 in the collector layer 103 indicated by black squares and the overall hole concentration indicated by black triangles increase dramatically. are doing.
  • the overall hole concentration indicated by black triangles begins to increase when the In composition of the collector layer 103 exceeds 0.1. Therefore, by setting the I composition of the collector layer 103 to 0.1 or more, the effects of the present invention can be obtained more effectively.
  • the rise in the hole concentration of the two-dimensional hole gas 121 formed in the collector layer 103 indicated by the black squares is The composition shifts to the higher side.
  • the hole concentration of the two-dimensional hole gas 121 formed in the collector layer 103 increases by the amount corresponding to the increase in the In composition. The rise shifts to where the In composition increased to about 0.15.
  • the In composition difference between the base layer 104 and the collector layer 103 should be 0.05 or more.
  • the base layer 104 includes a p-base layer 104a made of p-type InGaN at the center in the thickness direction.
  • An upper base layer 104c above the p base layer 104a and a lower base layer 104b below the p base layer 104a are undoped or p-type with an impurity concentration lower than that of the p base layer 104a.
  • the In composition of these three layers is set smaller than that of the collector layer 103 as described above.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment described above, and description thereof is omitted.
  • the minimum doping concentration of the entire base layer 104 made of InGaN is fixed by the doping of the p base layer 104a.
  • the thickness of the base layer 104 is increased, it is possible to prevent an increase in resistance and a decrease in hole concentration.
  • a collector contact layer 132 formed on a substrate 131 and a collector layer 133 formed on the V-group polar plane side of the collector contact layer 132 are provided.
  • This HBT also includes a base layer 134 formed in contact with the group V polarity surface of the collector layer 133, an emitter layer 135 formed in contact with the group V polarity surface of the base layer 134, and a group V layer of the emitter layer 135. and an emitter contact layer 136 formed on the side of the polar surface.
  • This HBT also includes an emitter electrode 141 connected to the emitter contact layer 136, a base electrode 142 formed on the base layer 134, and a collector electrode 143 connected to the collector contact layer.
  • emitter contact layer 136, emitter layer 135, base layer 134, collector layer 133, and collector contact layer 132 are formed on buffer layer 137 as viewed from substrate 131, and the main surface is The layers are laminated in the state of the group III polar plane.
  • the collector layer 133 and the collector contact layer 132 are formed in a mesa shape, and the base electrode 142 is formed on and in contact with the base layer 134 on the sides of the collector layer 133 .
  • two-dimensional hole gas 121 is generated and good ohmic contact between the base layer 134 and the base electrode 142 is achieved as in the first and second embodiments. can be obtained.
  • the base layer 134 is made of InGaN with an In composition smaller than that of the collector layer 133 .
  • two-dimensional hole gas 121 can be generated in the collector layer 133 near the interface between the collector layer 133 and the base layer 134 by the polarized electric field.
  • the collector contact layer 132 can be composed of a highly n-type doped nitride semiconductor (GaN or InGaN).
  • the collector contact layer 132 can be composed of heavily n-doped GaN.
  • the doping concentration of the collector contact layer 132 is set to a relatively high concentration (for example, 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more) in order to achieve ohmic contact with the collector electrode 143 .
  • the collector contact layer 132 corresponds to the subcollector layer 102 of the HBT according to the first embodiment.
  • the collector layer 133 is composed of InxGa1 -xN (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the doping concentration for making the InGaN forming the collector layer 133 n-type is set lower than that of the collector contact layer 132, for example.
  • the collector layer 133 can be made of n-type InGaN with an n-type impurity concentration of about 10 17 cm ⁇ 3 .
  • the collector layer 133 can be made of InGaN having an In composition 0.05 or more larger than that of InGaN forming the base layer 134 .
  • the base layer 134 can be made of InGaN with an In composition of 0.1 or more. Note that the base layer 134 can have a thickness of, for example, about 4 nm.
  • the emitter layer 135 is made of InGaN or GaN with a smaller In composition than that of the base layer 134 .
  • the In composition is varied, two-dimensional hole gas 121 can be generated in the base layer 134 near the interface between the base layer 134 and the emitter layer 135 by the polarization effect.
  • the emitter layer 135 has a bandgap larger than that of the base layer 134, reverse injection of holes to the emitter side can be suppressed, and the current gain can be increased.
  • the emitter contact layer 136 is made of an n-type nitride semiconductor.
  • the emitter contact layer 136 is a layer for forming an ohmic contact with a low contact resistance, and has a high n-type impurity concentration.
  • the emitter contact layer 136 can have an n-type impurity concentration of 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more. In this layer, it is effective to increase the impurity concentration and narrow the bandgap for ohmic contact with the metal. Therefore, the emitter contact layer 136 is not limited to GaN, but can be made of InGaN or the like.
  • the third embodiment has a collector top (collector up) structure.
  • a collector electrode 143 is formed on the collector contact layer 132 and an emitter electrode 141 is formed on the emitter contact layer 136 around the emitter layer 135 . Since the collector layer 133 for obtaining the breakdown voltage is arranged on the upper layer of the element, it is desirable to form passivation or the like covering the periphery of the element part as necessary so as not to cause a reduction in the breakdown voltage.
  • the collector layer is composed of InGaN
  • the base layer is composed of InGaN having an In composition smaller than that of the collector layer
  • the emitter layer is composed of the base layer and the In composition of the base layer.

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Abstract

このＨＢＴは、基板（１０１）の上に形成された、サブコレクタ層（１０２）と、サブコレクタ層（１０２）のＶ族極性面の側に形成されたコレクタ層（１０３）とを備え、コレクタ層（１０３）のＶ族極性面に接して形成されたベース層（１０４）と、ベース層（１０４）のＶ族極性面に接して形成されたエミッタ層（１０５）と、エミッタ層（１０５）のＶ族極性面の側に形成されたエミッタコンタクト層（１０６）とを備え、ベース層（１０４）は、コレクタ層（１０３）よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮから構成され、エミッタ層（１０５）は、ベース層（１０４）よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮ、またはＧａＮから構成されている。

Description

ヘテロ接合バイポーラトランジスタ
　本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに関する。
　窒化物半導体は、バンドギャップが大きいことから、高速高耐圧の電子デバイス材料として有望である。ＡｌＧａＮ／ＧａＮの分極により発生する高密度のシートキャリアを利用した高電子移動度トランジスタが、多くの研究機関により盛んに研究がなされており、通信用アンプのための増幅用トランジスタや、高効率のパワーデバイスとしてすでに実用化されている。
　ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、コレクタ層に高耐圧材料を用いることで、高い耐圧を実現可能であり、高速性と高耐圧性を両立可能なデバイス構造である。ＩｎＰやＧａＡｓを基板材料とするＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体、ＳｉＧｅをベース層とするＩＶ族材料においては、ＨＢＴ構造において数百ＧＨｚの遮断周波数、最大発振周波数と、高い耐圧を両立された報告が数多くある。
　ワイドギャップ材料であるＧａＮ系においても、これを材料としたＨＢＴを実現することで、従来のＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体よりもさらに高耐圧かつ高速なトランジスタが実現できると期待される。
　しかし、ＧａＮをはじめとする窒化物半導体は、次に示すことにより高い濃度でｐ型とすることが難しい。まず、窒化物半導体は、アクセプタとして機能する不純物のイオン化エネルギーが非常に大きい。また、窒化物半導体は、ＭＯＣＶＤなどの一般的な成長技術で成長するが、ｐ型ドーピングする際にキャリアガスや原料に含まれるＨ（水素）によって、ドーピングしたドーパント（ＭｇやＺｎなど）が不活性化され、正孔濃度を高くすることができないという本質的な課題が存在する。
　ＨＢＴを高速化するためには、ｎ型、ｐ型の両方を高濃度化、低抵抗化、低コンタクト抵抗化する必要があるが、上述したように、ｐ型の高濃度化が困難な窒化物半導体によるＨＢＴにおいては、高速性を達成することが非常に難しい。
　ＧａＮなどの窒化物半導体を用いた半導体装置において、高い正孔濃度を得る技術の一つに、Ｎ極性面を主面方位として、デバイスを作製する技術が提案されている。窒化物半導体は、ｃ軸方向に分極を有する材料であり、一般には、ＩＩＩ族極性面と呼ばれる面方位で（＋ｃ軸方向に）結晶成長してデバイス作製が実施される。ＩＩＩ族極性面の場合、ＧａＮ上にＡｌＧａＮを成長すると、材料間の自発分極の大きさの違いによる電場と、ＡｌＧａＮ層に生じる歪によって発生した分極電場によってバンドが曲がり、ＡｌＧａＮとＧａＮとの界面に２次元電子ガスが発生する。これを利用して、ＧａＮチャネルＨＥＭＴ構造が実現されており、これを用いた高周波デバイスがすでに実用化されている。
　一方、主表面をＮ極性（Ｖ族極性）面とした構成は、ＩＩＩ族極性面を逆転させたものである。この場合、分極により発生する電場の方向が、ＩＩＩ族極性面の場合と逆転する。例えば、Ｎ極性面を主面方位として、ＧａＮ上にＡｌＧａＮを形成した場合、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ界面においては、分極電場により２次元正孔ガスが発生する（非特許文献１参照）。このように、Ｎ極性面を主面方位としたＧａＮを用いたＨＢＴにおいては、上述した２次元正孔ガスを利用することで、ｐ型ドーピング制御に関する課題を克服することができる。
　しかし、Ｎ極性面を用いて形成した２次元正孔ガスを利用したＨＢＴにおいては、ベース層とベース電極とのオーミックコンタクトに関して克服すべき課題がある。Ｎ極性面を主面方位とするＨＢＴ構造においては、図８Ａに示すように、ＡｌＧａＮからなるエミッタ層３０５と、ｐ型のＧａＮからなるｐベース層３０４ａとの界面に、２次元正孔ガス３２１を得ることで、ｐベース層３０４ａを高濃度化する技術が用いられている。
　このＨＢＴは、基板３０１の上に形成されたバッファ層３０７と、バッファ層３０７の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなるサブコレクタ層３０２と、サブコレクタ層３０２の上に形成された、ｎ型のＧａＮからなるコレクタ層３０３と、コレクタ層３０３の上に形成されたｐ型のＧａＮからなるｐベース層３０４ａと、ｐベース層３０４ａの上に形成されたアンドープのＧａＮからなるベース層３０４ｂと、ベース層３０４ｂの上に形成されたエミッタ層３０５と、エミッタ層３０５の上に形成されたｎ型の窒化物半導体からなるエミッタキャップ層３０６とを備える。
　また、このＨＢＴは、エミッタキャップ層３０６の上に形成されたエミッタ電極３１１、エミッタ層３０５の側方のベース層の上に形成されたベース電極３１２、サブコレクタ層３０２に接続するコレクタ電極３１３を備える。図８Ａに示すエミッタトップの構造では、金属からなる各電極と、エミッタキャップ層３０６、ベース層３０４ｂ、サブコレクタ層３０２とのオーミックコンタクトを、デバイスの上面側（表面側）から形成する必要がある。
　このＨＢＴでは、２次元正孔ガス３２１によりベース層を高濃度化しているため、ベース電極３１２の直下にもエミッタ層３０５が存在していることが重要となるが、ＡｌＧａＮからなるエミッタ層３０５は高抵抗である。このため、図８Ａに示すように、エミッタ層３０５の直上にベース電極３１２を形成すると、オーミック接触抵抗が高くなる。ベース層３０４ｂとベース電極３１２との良好なオーミック接触を得るためには、図８Ｂに示すように、ベース電極３１２の直下のエミッタ層３０５ｂをエッチングにより部分的に除去して薄層化するなどの工夫が必要である。
　ただし、図８Ｃに示すように、エミッタ層３０５ｃを完全に除去してしまうと、２次元正孔ガス３２１の濃度が極端に減少（消失）してしまうため、ベース電極形成のためのエミッタ層のエッチングは非常に高度な制御性を必要とする。
隈部 岳瑠 他、「エピタキシャルリフトオフ法によって作製された２次元正孔ガスを有するエミッタトップ型 GaN HBT」、第８０回応用物理学会秋季学術講演会　講演予稿集、21a-E301-5、13.7、２０１９年。
　上述したように、ＧａＮをはじめとする窒化物半導体を用いたＧａＮ系ＨＢＴ構造では、高い濃度のｐ型を実現することが容易ではなく、ベース層とベース電極との良好なオーミック接触を得ることが難しいという問題があった。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＧａＮ系バイポーラトランジスタ構造で、ベース層とベース電極との良好なオーミック接触を得ることを目的とする。
　本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、基板の上に形成された、ｎ型とされた窒化物半導体からなるサブコレクタ層と、サブコレクタ層のＶ族極性面の側に形成された、ＩｎＧａＮから構成されてｎ型とされたコレクタ層と、コレクタ層のＶ族極性面に接して形成され、コレクタ層よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮからなるベース層と、ベース層のＶ族極性面に接して形成され、ベース層よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮまたはＧａＮからなるエミッタ層と、エミッタ層のＶ族極性面の側に形成された、ｎ型とされた窒化物半導体からなるエミッタコンタクト層と、エミッタコンタクト層に接続するエミッタ電極と、ベース層に接続するベース電極と、サブコレクタ層に接続するコレクタ電極と、ベース層とコレクタ層との界面近傍のベース層、およびコレクタ層とベース層との界面近傍のコレクタ層の各々に形成された２次元正孔ガスと備える。
　以上説明したように、本発明によれば、コレクタ層をＩｎＧａＮから構成し、ベース層をコレクタ層よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮから構成し、エミッタ層を、なるベース層と、ベース層よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮまたはＧａＮから構成したので、ＧａＮ系バイポーラトランジスタ構造で、ベース層とベース電極との良好なオーミック接触を得ることができる。
図１は、本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの構成を示す断面図である。 図２Ａは、本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタのバンド状態を示したバンド図である。 図２Ｂは、本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタのシートキャリア密度の計算を行った結果を示す特性図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタのバンド状態を示したバンド図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタのシートキャリア密度の計算を行った結果を示す特性図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を説明するための途中工程のヘテロ接合バイポーラトランジスタの状態を示す断面図である。 図４Ｂは、本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を説明するための途中工程のヘテロ接合バイポーラトランジスタの状態を示す断面図である。 図４Ｃは、本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を説明するための途中工程のヘテロ接合バイポーラトランジスタの状態を示す断面図である。 図４Ｄは、本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法を説明するための途中工程のヘテロ接合バイポーラトランジスタの状態を示す断面図である。 図５Ａは、ベース層をＧａＮから構成（Ｉｎ組成を０に設定）した場合の、ＩｎＧａＮからなるコレクタ層のＩｎ組成と正孔濃度との関係を示す特性図である。 図５Ｂは、ＩｎＧａＮからなるベース層１０４のＩｎ組成を０．０５に設定した場合の、ＩｎＧａＮからなるコレクタ層のＩｎ組成と正孔濃度との関係を示す特性図である。 図５Ｃは、ＩｎＧａＮからなるベース層１０４のＩｎ組成を０．１０に設定した場合の、ＩｎＧａＮからなるコレクタ層のＩｎ組成と正孔濃度との関係を示す特性図である。 図６は、本発明の実施の形態２に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの構成を示す断面図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの構成を示す断面図である。 図８Ａは、従来のＮ極性を主面方位とするＧａＮ系ＨＢＴ構造を示す断面図である。 図８Ｂは、従来のＮ極性を主面方位とするＧａＮ系ＨＢＴ構造を示す断面図である。 図８Ｃは、従来のＮ極性を主面方位とするＧａＮ系ＨＢＴ構造を示す断面図である。
　以下、本発明の実施の形態に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタについて説明する。
［実施の形態１］
　はじめに、本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの構成について、図１を参照して説明する。このヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、まず、基板１０１の上に形成された、サブコレクタ層１０２と、サブコレクタ層１０２のＶ族極性面の側に形成されたコレクタ層１０３とを備える。この例では、基板１０１の側から見て、バッファ層１０７の上に、サブコレクタ層１０２を形成し、サブコレクタ層１０２の上にコレクタ層１０３を形成している。
　サブコレクタ層１０２は、高濃度にｎ型ドーピングされた窒化物半導体（ＧａＮまたはＩｎＧａＮ）から構成することができる。例えば、サブコレクタ層１０２は、高濃度にｎ型ドーピングされたＧａＮから構成することができる。サブコレクタ層１０２は、後述するコレクタ電極１１３とオーミック接触を実現するためのコンタクト層としても機能するため、ドーピング濃度は比較的高濃度に設定される（例えば、５×１０18ｃｍ-3以上）。また、サブコレクタ層１０２は、デバイス特性に影響しない範囲で、比較的厚く成長する。例えば、サブコレクタ層１０２は、結晶品質向上のためのバッファ層としても機能させるために、少なくとも厚さ１μｍ以上に設定することが望ましい。
　コレクタ層１０３は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）から構成する。コレクタ層１０３を構成するＩｎＧａＮをｎ型とするためのドーピング濃度は、例えば、サブコレクタ層１０２よりも小さく設定する。例えば、コレクタ層１０３は、ｎ型の不純物濃度が１０17ｃｍ-3程度とされたｎ型のＩｎＧａＮから構成することができる。
　また、このＨＢＴは、コレクタ層１０３のＶ族極性面に接して形成されたベース層１０４と、ベース層１０４のＶ族極性面に接して形成されたエミッタ層１０５と、エミッタ層１０５のＶ族極性面の側に形成されたエミッタコンタクト層１０６とを備える。ベース層１０４は、コレクタ層１０３よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮから構成されている。この構成とすることにより、コレクタ層１０３とベース層１０４との界面近傍のコレクタ層１０３に、分極電場による２次元正孔ガス１２１を生じさせることができる。また、ベース層１０４は、ｐ型とされたＩｎＧａＮから構成することもできる。
　例えば、コレクタ層１０３を、ベース層１０４を構成するＩｎＧａＮよりＩｎ組成が０．０５以上大きいＩｎＧａＮから構成することができる。また、ベース層１０４は、Ｉｎ組成が０．１以上とされたＩｎＧａＮから構成することができる。なお、ベース層１０４は、例えば、厚さ４ｎｍ程度とすることができる。
　また、エミッタ層１０５は、ベース層１０４よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮ、またはＧａＮから構成されている。このＩｎ組成に差を持たせた構成により、ベース層１０４とエミッタ層１０５との界面近傍のベース層１０４に、分極効果による２次元正孔ガス１２１を生じさせることができる。また、エミッタ層１０５は、ベース層１０４よりバンドギャップが大きくなるので、正孔のエミッタ側への逆吸入が抑制されるようになり、電流利得を高めることができる。
　エミッタコンタクト層１０６は、ｎ型とされた窒化物半導体から構成されている。エミッタコンタクト層１０６は、コンタクト抵抗の低いオーミック接触を形成するための層であり、ｎ型の不純物濃度は高濃度に設定される。例えば、エミッタコンタクト層１０６は、ｎ型の不純物濃度を５×１０18ｃｍ-3以上とすることができる。この層においては、金属とのオーミック接触のために、不純物の高濃度化を図るとともに狭バンドギャップ化することも有効である。従って、エミッタコンタクト層１０６は、例えばＧａＮに限らず、ＩｎＧａＮなどから構成することができる。また、エミッタコンタクト層１０６は、厚さ１００ｎｍ程度とすることができる。
　また、このＨＢＴは、エミッタコンタクト層１０６の上に形成されて、エミッタコンタクト層１０６に接続するエミッタ電極１１１と、ベース層１０４に接続するベース電極１１２と、サブコレクタ層に接続するコレクタ電極１１３とを備える。実施の形態１では、ベース電極１１２は、エミッタ層１０５の上に接して形成されている。
　また、実施の形態１では、サブコレクタ層１０２、コレクタ層１０３、ベース層１０４、エミッタ層１０５、エミッタコンタクト層１０６は、これらの順に、主表面をＶ族極性面とした状態で基板１０１の上に積層されている。また、エミッタコンタクト層１０６は、メサ形状に形成され、ベース電極１１２は、エミッタコンタクト層１０６の側方のエミッタ層１０５の上に形成されている。
　上述したように、主表面をＶ族極性面とした状態で各層を基板１０１の上に積層する構成は、次に示すことにより実現することができる。まず、基板１０１は、窒化物半導体装置を形成するために用いられる材料から構成し、例えば、Ｎ極性面を主面方位（主表面をＶ族極性面とした状態）とするように基板１０１の材料を選定する。例えば、基板１０１としては、サファイア、Ｃ面ＳｉＣ基板、およびＮ極性ＧａＮ、Ｎ極性ＡｌＮ基板などを使用することができる。
　バッファ層１０７は、基板１０１をサファイア基板とした場合は、基板１０１の表面をアンモニアなどの原料ガス雰囲気下で高温熱処理することで形成される基板表面の窒化層をバッファ層１０７とすることができる。窒化することで形成されたバッファ層１０７の上には、Ｎ極性面を主面方位とする窒化物半導体を結晶成長することができる。一方、Ｎ極性面を主面方位とするＧａＮ単結晶基板またはＡｌＮ単結晶基板を基板１０１とする場合、特別なバッファ層を用いること無く、Ｎ極性面を主面方位とする窒化物半導体が結晶成長できる。
　上述したように、実施の形態１に係るＨＢＴでは、ベース層１０４とコレクタ層１０３との界面近傍のコレクタ層１０３、およびベース層１０４とエミッタ層１０５との界面近傍のベース層１０４の各々に形成された２次元正孔ガス１２１を備えるものとなる。
　以下、２次元正孔ガス１２１が形成される実施の形態１に係るＨＢＴについて、より詳細に説明する。上述した実施の形態１に係るＨＢＴの層構造において、ベース層１０４のＩｎ組成を変化させたときのバンドの変化と、これに伴うシートキャリア密度の変化を計算した結果について、図２Ａ，図２Ｂを参照して説明する。計算においては、以下の条件を用いた。
　サブコレクタ層１０２は、不純物濃度を１０19ｃｍ-3程度としたｎ型ＧａＮから構成し、コレクタ層１０３は、Ｉｎ組成を０．１５としたＩｎＧａＮから構成して厚さ１００ｎｍとした。また、ベース層１０４は、厚さ５ｎｍとし、エミッタ層１０５は、厚さ２０ｎｍとした。なお、図２Ａ、図２Ｂにおいて、図中に記している数字（０．０５，０．０７，０．１０，０．１２）は、ベース層１０４を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成を示している。
　分極によって生じる２次元正孔ガス（２ＤＨＧ）の多寡は、ヘテロ界面における組成の差の大きさに依存する。この例において、エミッタ層１０５は、ＧａＮ（すなわちＩｎ組成＝０）、コレクタ層１０３のＩｎ組成は０．１５である。このため、ベース層１０４のＩｎ組成を０．０５～０．１２の範囲で変化させた場合、Ｉｎ組成が増大するほど、エミッタ層１０５とベース層１０４とのＩｎ組成差は大きくなる。一方、ベース層１０４のＩｎ組成を０．０５～０．１２の範囲で変化させた場合、ベース層１０４とコレクタ層１０３とのＩｎ組成差は小さくなる。従って、ベース層１０４のＩｎ組成が増大するにつれ、ベース層１０４に形成される２次元正孔ガス１２１の正孔濃度は大きくなり、コレクタ層１０３に形成される２次元正孔ガス１２１の正孔濃度は小さくなる。
　ベース層１０４に形成される２次元正孔ガス１２１に着目すると、図２Ｂに示されているように、Ｉｎ組成０．０７以下では、２次元正孔ガス１２１の形成を示唆する正孔濃度のピークがほとんど形成されていないことがわかる。このことから、エミッタ層１０５がＧａＮの場合、ベース層１０４に適用するＩｎＧａＮのＩｎ組成は、少なくとも０．１０より大きいことが望ましいことがわかる。つまり、ベース層１０４を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成≧０．１０の条件で、より効果が発揮される。
　次に、実施の形態１に係るＨＢＴの層構造において、コレクタ層１０３のＩｎ組成を変化させたときのバンドの変化と、これに伴うシートキャリア密度の変化を計算した結果について、図３Ａ，図３Ｂを参照して説明する。図３Ａ，図３Ｂは、コレクタ層１０３のＩｎ組成の影響について示されている。計算においては、以下の条件を用いた。
　サブコレクタ層１０２は、不純物濃度を１０19ｃｍ-3程度としたｎ型ＧａＮから構成し、ベース層１０４は、Ｉｎ組成を０．１０としたＩｎＧａＮから構成して厚さ５ｎｍとした。また、コレクタ層１０３は、厚さ１００ｎｍとし、エミッタ層１０５は、厚さ２０ｎｍとした。また、図３Ａ、図３Ｂにおいて、図中に記している数字（０．１０，０．１２，０．１５，０．１７）は、コレクタ層１０３を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成を示している。
　コレクタ層１０３のＩｎ組成が、ベース層１０４のＩｎ組成と同じとき（０．１０）、コレクタ層１０３とベース層１０４との界面近傍のコレクタ層１０３には、２次元正孔ガスが形成されない。コレクタ層１０３のＩｎ組成がベース層１０４より大きくなって初めて、Ｉｎ組成の差に伴うヘテロ界面の分極の影響で、コレクタ層１０３とベース層１０４との界面近傍のコレクタ層１０３に２次元正孔ガス１２１が形成される。コレクタ層１０３のＩｎ組成が０．１～０．１７の範囲で増大するに従い、コレクタ層１０３に形成される２次元正孔ガス１２１の濃度が増大していることがわかる。
　このことから、コレクタ層１０３を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成は、ベース層１０４のＩｎ組成よりも大きく設定することが必要である。すなわち、「コレクタ層１０３を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成＞ベース層１０４を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成＞０」である。
　また、図３Ａに示されているように、ベース層１０４のＩｎ組成が０．１０の場合、コレクタ層１０３のＩｎ組成を０．１５以上とすることで、ベース層１０４に形成される２次元正孔ガス１２１、コレクタ層１０３に形成される２次元正孔ガス１２１の両者において、高い濃度を得ることができるようになる。従って、コレクタ層１０３を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成は、ベース層１０４を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成よりも、０．０５以上であることが有効である。つまり、「コレクタ層１０３を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成－ベース層１０４を構成するＩｎＧａＮのＩｎ組成≧０．０５」の条件で、十分な正孔濃度が得られるといえる。
　次に、実施の形態１に係るＨＢＴの製造について図４Ａ～図４Ｄを参照して説明する。に示すように、説明する。まず、図４Ａに示すように基板１０１の上に、バッファ層１０７、サブコレクタ層１０２、ＩｎＧａＮからなるコレクタ形成層２０３、ＩｎＧａＮからなるベース形成層２０４、ＧａＮからなるエミッタ形成層２０５、およびｎ型の窒化物半導体（例えばＧａＮ）からなるエミッタコンタクト形成層２０６を、順次に主表面をＶ族極性面とて結晶成長する。例えば、よく知られた分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）や有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）などにより、上述した結晶成長を実施することができる。
　次いで、エミッタコンタクト形成層２０６の上に、エミッタ電極１１１を形成する。エミッタ電極１１１は、エミッタコンタクト形成層２０６（エミッタコンタクト層１０６）とオーミック接続が形成される材料および条件によって形成する。例えば、エミッタ電極１１１は、Ｔｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕなどの積層構造とすることができる。所定の加熱処理を実施することで、エミッタ電極１１１とエミッタコンタクト形成層２０６との間にオーミック接続が形成できる。この加熱処理によって電極表面や端部のモフォロジ、形状が悪化する可能性があるため、これらからエミッタ電極１１１を保護するための保護膜を形成することができる。
　次に、エミッタコンタクト形成層２０６をパターニングすることで、図４Ｂに示すように、メサ形状のエミッタコンタクト層１０６を形成する。例えば、エミッタ電極１１１をマスクとしたセルフアライン（自己整合）によるドライエッチング処理でエミッタコンタクト形成層２０６をエッチング加工することで、エミッタコンタクト層１０６が形成できる。この処理では、エミッタ形成層２０５の表面でエッチングを停止させる。ＧａＮからなるエミッタコンタクト形成層２０６のエッチン処理を、ＧａＮかなるエミッタ形成層２０５の表面で停止することは、容易ではない。このため、エミッタコンタクト形成層２０６をＧａＮ以外の材料から構成し、ＧａＮとのエッチングの選択比を取りやすい条件とすることができる。
　なお、オーミック接続形成のための加熱処理による電極形状の不均一化や、ドライエッチングによるエミッタ電極１１１へのダメージが想定される場合、上述したセルフアラインによる処理は、必ずしも取り入れる必要はない。
　次に、図４Ｃに示すように、メサ形状としたエミッタコンタクト層１０６の周囲のエミッタ形成層２０５の上に、ベース電極１１２を形成する。ベース電極１１２は、エミッタ形成層２０５の上に接して形成する。また、加熱処理を実施することで、ＧａＮからなるエミッタ形成層２０５を介して、ベース形成層２０４（ベース層１０４）とベース電極１１２とのオーミック接続を形成する。ベース電極１１２はこのようなオーミック接触が形成されるような材料系から構成することができる。
　エミッタ形成層２０５（エミッタ層１０５）は、ＧａＮから構成しているので、ベース電極１１２をエミッタ層１０５の上に形成しても、高抵抗化することなくベース層１０４との電気的な接続が可能である。また、エミッタ層１０５が残存した状態でベース電極１１２を形成するため、エミッタ層１０５直下のベース層１０４に形成される２次元正孔ガス１２１は失われず、ベース電極１１２の直下の領域においても、高い正孔濃度と、低いコンタクト抵抗が実現可能である。
　次に、エミッタ形成層２０５、ベース形成層２０４、コレクタ形成層２０３をパターニングすることで、図４Ｄに示すように、エミッタ層１０５、ベース層１０４、コレクタ層１０３によるメサを形成する。この後、コレクタ電極１１３を形成することで、図１に示すように、ＨＢＴが得られる。
　次に、コレクタ層１０３のＩｎＧａＮのＩｎ組成と、ベース層１０４のＩｎＧａＮのＩｎ組成について、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃを参照して説明する。
　まず、図５Ａに示すように、ベース層をＧａＮ（Ｉｎ組成が０）から構成すると、エミッタ層１０５との組成に差がないため、黒丸に示すように、ベース層には分極効果による２次元正孔ガスは発生しない。コレクタ層１０３のＩｎ組成が０．１０を上回ったあたりから、黒四角で示すコレクタ層１０３における２次元正孔ガス１２１の正孔濃度、および黒三角で示す全体の正孔濃度が飛躍的に上昇している。
　ＩｎＧａＡｓからなるベース層１０４においては、図５Ｂ，図５Ｃに示すように、黒三角で示す全体の正孔濃度は、コレクタ層１０３のＩｎ組成が０．１を上回ったあたりから増大し始めている。このことから、コレクタ層１０３のＩ組成が０．１以上に設定されることで、本発明の効果をよりよく得ることができる。
　また、図５Ｂに示すように、ベース層１０４のＩｎ組成を０．０５とすることで、黒四角で示すコレクタ層１０３に形成される２次元正孔ガス１２１の正孔濃度の立ち上がりが、Ｉｎ組成が高い側にシフトしている。同様に、図５Ｃに示すように、ベース層１０４のＩｎ組成を０．１とすると、Ｉｎ組成が大きくなった分だけ、コレクタ層１０３に形成される２次元正孔ガス１２１の正孔濃度の立ち上がりが、Ｉｎ組成が０．１５程度まで増大したところにシフトしている。このことから、コレクタ層１０３に形成される２次元正孔ガス１２１の正孔濃度、ベース層１０４に形成される２次元正孔ガス１２１の正孔濃度の両者を適切に設定するためには、ベース層１０４とコレクタ層１０３とのＩｎ組成差が０．０５以上あったほうがよい。
［実施の形態２］
　次に、本発明の実施の形態２に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの構成について、図６を参照して説明する。実施の形態２では、ベース層１０４が、厚さ方向の中央部に、ｐ型とされたＩｎＧａＮからなるｐベース層１０４ａを備える。ｐベース層１０４ａの上側の上ベース層１０４ｃおよび下側の下ベース層１０４ｂは、アンドープまたはｐベース層１０４ａより低い不純物濃度のｐ型とする。これら３層のＩｎ組成は、前述したように、コレクタ層１０３よりも小さく設定される。他の構成は、前述した実施の形態１と同様であり、説明を省略する。
　この構成とすることで、ＩｎＧａＮからなるベース層１０４全体のドーピング濃度の最小値が、ｐベース層１０４ａのドーピングによって固定される。この結果、ベース層１０４を厚くしても高抵抗化を防ぐことができ、正孔濃度の減少を招くことが防止できる。
［実施の形態３］
　次に、本発明の実施の形態２に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの構成について、図７を参照して説明する。実施の形態３では、まず、基板１３１の上に形成された、コレクタコンタクト層１３２と、コレクタコンタクト層１３２のＶ族極性面の側に形成されたコレクタ層１３３とを備える。また、このＨＢＴは、コレクタ層１３３のＶ族極性面に接して形成されたベース層１３４と、ベース層１３４のＶ族極性面に接して形成されたエミッタ層１３５と、エミッタ層１３５のＶ族極性面の側に形成されたエミッタコンタクト層１３６とを備える。
　また、このＨＢＴは、エミッタコンタクト層１３６に接続するエミッタ電極１４１と、ベース層１３４の上に形成されたベース電極１４２と、コレクタコンタクト層に接続するコレクタ電極１４３とを備える。
　また、実施の形態３では、基板１３１の側から見て、バッファ層１３７の上に、エミッタコンタクト層１３６、エミッタ層１３５、ベース層１３４、コレクタ層１３３、およびコレクタコンタクト層１３２を、主表面をＩＩＩ族極性面とした状態で積層している。また、コレクタ層１３３、コレクタコンタクト層１３２は、メサ形状に形成され、ベース電極１４２は、コレクタ層１３３の側方のベース層１３４の上に接して形成されている。
　実施の形態３においても、以下に示す構成とすることで、前述した実施の形態１，２と同様に、２次元正孔ガス１２１が生じ、ベース層１３４とベース電極１４２との良好なオーミック接触を得ることができる。
　まず、ベース層１３４は、コレクタ層１３３よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮから構成されている。この構成とすることにより、コレクタ層１３３とベース層１３４との界面近傍のコレクタ層１３３に、分極電場による２次元正孔ガス１２１を生じさせることができる。
　コレクタコンタクト層１３２は、高濃度にｎ型ドーピングされた窒化物半導体（ＧａＮまたはＩｎＧａＮ）から構成することができる。例えば、コレクタコンタクト層１３２は、高濃度にｎ型ドーピングされたＧａＮから構成することができる。コレクタコンタクト層１３２は、コレクタ電極１４３とオーミック接触を実現するために、ドーピング濃度は比較的高濃度に設定される（例えば、５×１０18ｃｍ-3以上）。なお、コレクタコンタクト層１３２は、実施の形態１に係るＨＢＴのサブコレクタ層１０２に対応している。
　コレクタ層１３３は、ＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）から構成する。コレクタ層１３３を構成するＩｎＧａＮをｎ型とするためのドーピング濃度は、例えば、コレクタコンタクト層１３２よりも小さく設定する。例えば、コレクタ層１３３は、ｎ型の不純物濃度が１０17ｃｍ-3程度とされたｎ型のＩｎＧａＮから構成することができる。
　例えば、コレクタ層１３３を、ベース層１３４を構成するＩｎＧａＮよりＩｎ組成が０．０５以上大きいＩｎＧａＮから構成することができる。また、ベース層１３４は、Ｉｎ組成が０．１以上とされたＩｎＧａＮから構成することができる。なお、ベース層１３４は、例えば、厚さ４ｎｍ程度とすることができる。
　また、エミッタ層１３５は、ベース層１３４よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮ、またはＧａＮから構成されている。このＩｎ組成に差を持たせた構成により、ベース層１３４とエミッタ層１３５との界面近傍のベース層１３４に、分極効果による２次元正孔ガス１２１を生じさせることができる。また、エミッタ層１３５は、ベース層１３４よりバンドギャップが大きくなるので、正孔のエミッタ側への逆吸入が抑制されるようになり、電流利得を高めることができる。
　エミッタコンタクト層１３６は、ｎ型とされた窒化物半導体から構成されている。エミッタコンタクト層１３６は、コンタクト抵抗の低いオーミック接触を形成するための層であり、ｎ型の不純物濃度は高濃度に設定される。例えば、エミッタコンタクト層１３６は、ｎ型の不純物濃度を５×１０18ｃｍ-3以上とすることができる。この層においては、金属とのオーミック接触のために、不純物の高濃度化を図るとともに狭バンドギャップ化することも有効である。従って、エミッタコンタクト層１３６は、例えばＧａＮに限らず、ＩｎＧａＮなどから構成することができる。
　実施の形態３では、コレクタトップ（コレクタアップ）構造となっている。コレクタ電極１４３は、コレクタコンタクト層１３２の上に形成され、エミッタ電極１４１は、エミッタ層１３５の周囲のエミッタコンタクト層１３６の上に形成される。耐圧を得るためのコレクタ層１３３が、素子の上層に配置されるため、必要に応じて素子部の周囲を覆うパッシベーションなどを形成し、耐圧低下を引き起こさないような構造とすることが望ましい。
　以上に説明したように本発明によれば、コレクタ層をＩｎＧａＮから構成し、ベース層をコレクタ層よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮから構成し、エミッタ層を、なるベース層と、ベース層よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮまたはＧａＮから構成したので、ＧａＮ系バイポーラトランジスタ構造で、ベース層とベース電極との良好なオーミック接触を得ることができるようになる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
　１０１…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…エミッタコンタクト層、１０７…バッファ層、１１１…エミッタ電極、１１２…ベース電極、１１３…コレクタ電極、１２１…２次元正孔ガス。

Claims (6)

  1. 　基板の上に形成された、ｎ型とされた窒化物半導体からなるサブコレクタ層と、
    　前記サブコレクタ層のＶ族極性面の側に形成された、ＩｎＧａＮから構成されてｎ型とされたコレクタ層と、
    　前記コレクタ層のＶ族極性面に接して形成され、前記コレクタ層よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮからなるベース層と、
    　前記ベース層のＶ族極性面に接して形成され、前記ベース層よりＩｎ組成を小さくしたＩｎＧａＮまたはＧａＮからなるエミッタ層と、
    　前記エミッタ層のＶ族極性面の側に形成された、ｎ型とされた窒化物半導体からなるエミッタコンタクト層と、
    　前記エミッタコンタクト層に接続するエミッタ電極と、
    　前記ベース層に接続するベース電極と、
    　前記サブコレクタ層に接続するコレクタ電極と、
    　前記ベース層と前記コレクタ層との界面近傍の前記ベース層、および前記コレクタ層と前記ベース層との界面近傍の前記コレクタ層の各々に形成された２次元正孔ガスと
    　を備えるヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
  2. 　請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
    　前記コレクタ層は、前記ベース層を構成するＩｎＧａＮよりＩｎ組成が０．０５以上大きいＩｎＧａＮから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。
  3. 　請求項１または２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
    　前記ベース層は、Ｉｎ組成が０．１以上とされたＩｎＧａＮから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。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
    　前記ベース層は、ｐ型とされたＩｎＧａＮから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。
  5. 　請求項１～３のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
    　前記ベース層は、厚さ方向の中央部に、ｐ型とされたＩｎＧａＮからなるｐベース層を備え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１～５のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
    　前記サブコレクタ層、前記コレクタ層、前記ベース層、前記エミッタ層、前記エミッタコンタクト層は、これらの順に、主表面をＶ族極性面とした状態で前記基板の上に積層され、
    　前記エミッタコンタクト層は、メサ形状に形成され、
    　前記ベース電極は、前記エミッタコンタクト層の側方の前記エミッタ層の上に形成されている
    　ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
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