WO2024116263A1 - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

ヘテロ接合バイポーラトランジスタ Download PDF

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WO2024116263A1
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拓也 星
佑樹 吉屋
弘樹 杉山
悠太 白鳥
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heterojunction bipolar transistor.
  • Nitride semiconductors have a large band gap, making them promising materials for high-speed, high-voltage electronic devices.
  • Many research institutes are actively researching high-electron mobility transistors that utilize high-density sheet carriers generated by the polarization of AlGaN/GaN, and these transistors have already been put to practical use as amplifying transistors for communication amplifiers and highly efficient power devices.
  • Heterojunction bipolar transistors are capable of achieving high voltage resistance by using high-voltage materials in the collector layer, and are a device structure that can achieve both high speed and high voltage resistance.
  • HBT structures that combine cutoff frequencies of several hundred GHz, maximum oscillation frequencies, and high voltage resistance in III-V group compound semiconductors with InP or GaAs as substrate materials, and IV group materials with SiGe as the base layer.
  • nitride semiconductors such as GaN p-type at a high concentration for the following reasons.
  • the ionization energy of the impurities that function as acceptors is very large.
  • nitride semiconductors are grown using common growth techniques such as MOCVD, there is an essential problem in that the dopants (Mg, Zn, etc.) are inactivated by the H (hydrogen) contained in the carrier gas and raw materials when p-type doping, making it impossible to increase the hole concentration.
  • Nitride semiconductors are materials that have polarization in the c-axis direction, and devices are generally fabricated using nitride semiconductors with a polarity called group III polarity, which grows in the +c-axis direction.
  • group III polarity nitride semiconductors that grow in the +c-axis direction and have group III polarity in the growth direction
  • group V polarity nitride semiconductors that grow in the -c-axis direction and have group V polarity in the growth direction.
  • N-polarity (group V polarity) nitride semiconductors when constructed from N-polarity (group V polarity) nitride semiconductors, the direction of the electric field generated by polarization is reversed from that of group III polarity.
  • group V polarity group V polarity
  • the direction of the electric field generated by polarization is reversed from that of group III polarity.
  • N-polarity AlGaN is formed on N-polarity GaN
  • 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-mentioned two-dimensional hole gas can be used to overcome the issues related to p-type doping control.
  • HBTs that use two-dimensional hole gas at the heterojunction surface of an N-polarity nitride semiconductor
  • a technology is used to obtain two-dimensional hole gas 321 at the interface between emitter layer 305 made of AlGaN and p-base layer 304a made of p-type GaN, thereby increasing the concentration of p-base layer 304a.
  • This HBT includes a buffer layer 307 formed on a substrate 301, a sub-collector layer 302 made of an n-type nitride semiconductor formed on the buffer layer 307, a collector layer 303 made of n-type GaN formed on the sub-collector layer 302, a p-base layer 304a made of p-type GaN formed on the collector layer 303, a base layer 304b made of undoped GaN formed on the p-base layer 304a, an emitter layer 305 formed on the base layer 304b, and an emitter cap layer 306 made of an n-type nitride semiconductor formed on the emitter layer 305.
  • the HBT also includes an emitter electrode 311 formed on the emitter cap layer 306, a base electrode 312 formed on the base layer 304b on the side of the emitter cap layer 306, and a collector electrode 313 connected to the sub-collector layer 302.
  • ohmic contacts must be formed between each metal electrode and the emitter cap layer 306, base layer 304b, and sub-collector layer 302 from the top side (front surface side) of the device.
  • the base layer is highly concentrated by the two-dimensional hole gas 321, so it is important that the emitter layer 305 also exists directly below the base electrode 312, but the emitter layer 305 made of AlGaN has high resistance. For this reason, as shown in FIG. 4A, if the base electrode 312 is formed directly on the emitter layer 305, the ohmic contact resistance will be high. In order to obtain good ohmic contact between the base layer 304b and the base electrode 312, it is necessary to take measures such as partially removing the emitter layer 305b directly below the base electrode 312 by etching to make it thinner, as shown in FIG. 4B.
  • GaN-based HBT structures using nitride semiconductors such as GaN it is not easy to achieve a high concentration of p-type, and there are problems with obtaining good ohmic contact between the base layer and the base electrode.
  • the present invention was made to solve the above problems, and aims to achieve good ohmic contact between the base layer and base electrode in a GaN-based bipolar transistor structure.
  • the heterojunction bipolar transistor according to the present invention comprises a subcollector layer formed on a substrate and made of an n-type nitride semiconductor crystal-grown in the -c-axis direction, a collector layer formed on the subcollector layer and made of n-type InGaN crystal-grown in the -c-axis direction, a base layer formed on the collector layer and made of InGaN with a smaller In composition than the collector layer and made of InGaN crystal-grown in the -c-axis direction, an emitter layer formed on the base layer and made of AlGaN crystal-grown in the -c-axis direction, and
  • the device comprises a base contact layer made of elongated p-type GaN and formed on the base layer around the emitter layer, an emitter contact layer made of an n-type nitride semiconductor crystal-grown in the -c-axis direction and formed on the emitter layer, an emitter electrode formed on the emitter contact layer, a base electrode formed on the base
  • a base contact layer made of p-type GaN is formed on the base layer made of InGaN around the emitter layer made of AlGaN, and a base electrode is then formed on top of this, so that a good ohmic contact between the base layer and the base electrode can be obtained in a GaN-based bipolar transistor structure.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a heterojunction bipolar transistor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a band diagram showing the band state of a heterojunction bipolar transistor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a characteristic diagram showing the results of calculation of the sheet carrier density of the heterojunction bipolar transistor according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing a state of a heterojunction bipolar transistor in the middle of a process for explaining a method for manufacturing a heterojunction bipolar transistor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a heterojunction bipolar transistor according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a band diagram showing the band state of a heterojunction bipolar transistor according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 2B is a characteristic diagram showing the results of
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing a state of the heterojunction bipolar transistor in the middle of a process for explaining the method for manufacturing the heterojunction bipolar transistor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3C is a cross-sectional view showing a state of the heterojunction bipolar transistor in the middle of a process for explaining the method for manufacturing the heterojunction bipolar transistor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3D is a cross-sectional view showing a state of the heterojunction bipolar transistor in the middle of a process for explaining a manufacturing method of the heterojunction bipolar transistor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing a state of the heterojunction bipolar transistor in the middle of a process for explaining the method for manufacturing the heterojunction bipolar transistor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3C is a cross-sectional view showing a state of the heterojunction bipolar transistor in the middle of a process for explaining
  • FIG. 3E is a cross-sectional view showing a state of a heterojunction bipolar transistor in the middle of a process for explaining a manufacturing method of a heterojunction bipolar transistor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3F is a cross-sectional view showing a state of a heterojunction bipolar transistor in the middle of a process for explaining a manufacturing method of a heterojunction bipolar transistor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing a conventional N-polarity GaN-based HBT structure.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view showing a conventional N-polarity GaN-based HBT structure.
  • FIG. 4C is a cross-sectional view showing a conventional N-polarity GaN-based HBT structure.
  • This heterojunction bipolar transistor includes a subcollector layer 102 formed on a substrate 101, and a collector layer 103 formed on the subcollector layer 102.
  • the subcollector layer 102 is formed on a buffer layer 108, and the collector layer 103 is formed on the subcollector layer 102.
  • the subcollector layer 102 is made of an n-type nitride semiconductor with group V polarity (N polarity) crystal grown in the -c-axis direction.
  • the collector layer 103 is made of n-type InGaN with N polarity crystal grown in the -c-axis direction.
  • the buffer layer 108 can also be made of an n-type nitride semiconductor with N polarity crystal grown in the -c-axis direction.
  • the sub-collector layer 102 may be made of a nitride semiconductor (GaN or InGaN) that is highly n-doped.
  • the sub-collector layer 102 may be made of highly n-doped GaN.
  • the sub-collector layer 102 also functions as a contact layer for realizing ohmic contact with the collector electrode 113 described later, so the doping concentration is set to a relatively high concentration (for example, 5 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3 or more).
  • the sub-collector layer 102 is grown relatively thick to the extent that it does not affect the device characteristics.
  • the sub-collector layer 102 is desirably set to 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 made of n-type In x Ga 1-x N (0 ⁇ x ⁇ 1).
  • the doping concentration for making the InGaN constituting the collector layer 103 n-type is set to be smaller than that of the sub-collector layer 102.
  • the collector layer 103 can be made of n-type InGaN with an n-type impurity concentration of about 10 17 cm -3 .
  • the HBT also includes a base layer 104 formed on the collector layer 103, an emitter layer 105 formed on and in contact with the base layer 104, a base contact layer 106 formed on and in contact with the base layer 104 around the emitter layer 105, and an emitter contact layer 107 formed on the emitter layer 105.
  • the HBT also includes an emitter electrode 111 formed on the emitter contact layer 107 and electrically connected to the emitter contact layer 107, a base electrode 112 formed on the base contact layer 106 and electrically connected to the base layer 104, and a collector electrode 113 electrically connected to the sub-collector layer 102.
  • the emitter contact layer 107 and the emitter layer 105 are formed in a mesa shape, and the base electrode 112 is formed on the side of the emitter layer 105 and in contact with the base contact layer 106.
  • the base layer 104 is made of N-polarity InGaN crystal-grown in the -c-axis direction.
  • the base layer 104 is made of InGaN with a smaller In composition than the collector layer 103.
  • the base layer 104 can be made of InGaN with an In composition of 0.1 or more.
  • the base layer 104 can have a thickness of, for example, about 4 nm.
  • the base layer 104 can be undoped.
  • the base layer 104 can be made p-type in part or in its entirety in the thickness direction.
  • the base layer 104 can be configured to have a p-base layer made of p-type InGaN in the center in the thickness direction.
  • the emitter layer 105 is composed of N-polarity AlGaN with crystal growth in the -c-axis direction.
  • the base contact layer 106 is composed of N-polarity p-type GaN with crystal growth in the -c-axis direction.
  • a two-dimensional hole gas 121 is generated in the base layer 104 near the interface between the base layer 104 and the emitter layer 105 due to the polarization effect.
  • a two-dimensional hole gas 121 is generated in the base layer 104 near the interface between the base layer 104 and the base contact layer 106 due to the polarization effect.
  • the emitter layer 105 has a larger band gap than the base layer 104, so that the reverse absorption of holes into the emitter side is suppressed, and the current gain can be increased.
  • the base contact layer 106 is formed between the base layer 104 and the base electrode 112 in the region directly below the base electrode 112. As described above, two-dimensional hole gas 121 is generated at the interface between the base contact layer 106 made of GaN and the base layer 104 made of InGaN. This allows a high hole concentration to be achieved in the region directly below the base electrode 112, thereby reducing the contact resistance.
  • the emitter contact layer 107 is made of an n-type nitride semiconductor with N polarity that has been crystal-grown in the -c-axis direction.
  • the emitter contact layer 107 is a layer for forming an ohmic contact with low contact resistance, and the n-type impurity concentration is set to a high concentration.
  • the emitter contact layer 107 may 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 band gap in order to achieve ohmic contact with a metal. Therefore, the emitter contact layer 107 may be made of, for example, InGaN, not limited to GaN.
  • the emitter contact layer 107 may have a thickness of about 100 nm.
  • the emitter electrode 111 is made of a material that forms an ohmic connection with the emitter contact layer 107.
  • the emitter electrode 111 can be a metal multilayer structure, for example, Ti/Al/Ni/Au.
  • a heat treatment it is recommended to perform a heat treatment. Note that since the heat treatment may deteriorate the morphology and shape of the electrode surface and ends, a protective film can be formed to protect the electrode from these.
  • the base electrode 112 is made of a material that forms an ohmic contact with the base layer 104 via the base contact layer 106 by annealing. In many cases, a metal multilayer structure containing Ni is applied to the base contact layer 106 made of p-type GaN. According to the embodiment, since the base contact layer 106 is made of GaN, the base electrode 112 does not become highly resistant even if it is formed on the base contact layer 106.
  • the collector electrode 113 is formed in contact with the sub-collector layer 102. Because the sub-collector layer 102 is highly doped with n-type impurities, the material is selected so that an ohmic contact can be formed with the sub-collector layer 102. For the sub-collector layer 102 made of n-type GaN, a metal multilayer structure such as Ti/Al/Ni/Au is generally used.
  • the substrate 101 is made of a material used to form a nitride semiconductor device, and a material for the substrate 101 that will be in a state of crystal growth with N polarity (in the -c-axis direction) is selected.
  • the substrate 101 can be sapphire, a C-face SiC substrate, an N-polarity GaN substrate whose main surface is the -c plane, an N-polarity AlN substrate whose main surface is the -c plane, or the like.
  • the buffer layer 108 can be a nitride layer formed on the substrate surface by subjecting the surface of the substrate 101 to high-temperature heat treatment in an atmosphere of a raw material gas such as ammonia.
  • An N-polarity nitride semiconductor can be grown as a crystal on the buffer layer 108 formed by nitriding.
  • an N-polarity nitride semiconductor can be grown as a crystal without using a special buffer layer.
  • the HBT according to the embodiment has two-dimensional hole gas 121 formed in each of the collector layer 103 near the interface between the base layer 104 and the collector layer 103, the base layer 104 near the interface between the base layer 104 and the emitter layer 105, and the base layer 104 near the interface between the base layer 104 and the base contact layer 106.
  • the buffer layer 108, the sub-collector layer 102, the collector-forming layer 203 made of InGaN, the base-forming layer 204 made of InGaN, the emitter-forming layer 205 made of AlGaN, and the emitter contact-forming layer 206 made of an n-type nitride semiconductor (e.g., GaN) are crystal-grown in sequence in the -c-axis direction on the substrate 101.
  • the above-mentioned crystal growth can be performed by well-known techniques such as molecular beam epitaxy (MBE) or metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE).
  • the emitter electrode 111 is formed on the emitter contact formation layer 206.
  • the emitter electrode 111 is formed using materials and conditions that will form an ohmic connection with the emitter contact formation layer 206 (emitter contact layer 107).
  • the emitter electrode 111 can have a layered 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 carrying out a specified heat treatment. Since this heat treatment may deteriorate the morphology and shape of the electrode surface and end, a protective film (not shown) can be formed to protect the emitter electrode 111 from these.
  • the emitter contact formation layer 206 is patterned to form a mesa-shaped emitter contact layer 107 as shown in FIG. 3B.
  • the emitter contact formation layer 206 is etched by a self-aligned dry etching process using the emitter electrode 111 as a mask to form the emitter contact layer 107. In this process, the etching is stopped at the surface of the emitter formation layer 205. It is not easy to stop the etching process of 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 formation layer 206 is made of a material other than AlGaN, and conditions are set that make it easy to obtain an etching selectivity with respect to AlGaN.
  • the electrode shape will become non-uniform due to the heating process for forming the ohmic connection, or that the emitter electrode 111 will be damaged by dry etching, it is not necessarily necessary to use the self-alignment process described above.
  • the emitter-forming layer 205 is patterned to form a mesa-shaped emitter layer 105, as shown in FIG. 3C.
  • a mask pattern (not shown) is formed on the emitter-forming layer 205, covering the emitter electrode 111 and the emitter contact layer 107, and the emitter-forming layer 205 is etched by a dry etching process using this mask pattern as a mask, thereby forming the emitter layer 105. This etching process exposes the surface of the base-forming layer 204 around the emitter layer 105.
  • p-type GaN is regrown on the base formation layer 204 exposed around the emitter layer 105 to form the base contact layer 106 as shown in FIG. 3D.
  • the mask used to form the emitter layer 105 described above is used as a selective growth mask by being made of an insulating material such as silicon oxide, and p-type GaN is regrown on the base formation layer 204 exposed around this selective growth mask.
  • Mg can be used as an impurity.
  • the base contact layer 106 is formed by re-growing p-type GaN, the above-mentioned mask is removed.
  • the mask can be selectively removed by wet etching using hydrofluoric acid.
  • a base electrode 112 is formed on the base contact layer 106 around the mesa-shaped emitter layer 105.
  • the base electrode 112 is formed on and in contact with the base contact layer 106.
  • an ohmic connection is formed between the base formation layer 204 (base layer 104) and the base electrode 112 via the base contact layer 106 made of GaN.
  • the base electrode 112 can be made of a material system that allows such an ohmic contact to be formed.
  • the base contact layer 106 is made of GaN, so even if the base electrode 112 is formed on the emitter layer 105, electrical connection with the base layer 104 is possible without increasing resistance. In addition, because a two-dimensional hole gas 121 is formed in the base layer 104 directly below the base contact layer 106, a high hole concentration and low contact resistance can be achieved even in the region directly below the base electrode 112.
  • the base contact layer 106, the base formation layer 204, and the collector formation layer 203 are patterned to form a mesa consisting of the base contact layer 106, the base layer 104, and the collector layer 103, as shown in FIG. 3F.
  • the collector electrode 113 is formed, and an HBT is obtained, as shown in FIG. 1.
  • a base contact layer made of p-type GaN is formed on a base layer made of InGaN around an emitter layer made of AlGaN, and a base electrode is formed on the base contact layer, so that a good ohmic contact between the base layer and the base electrode can be obtained in a GaN-based bipolar transistor structure.
  • ohmic contact with the base electrode is formed without losing two-dimensional hole gas even in the base electrode formation region, so that the base electrode can be formed while maintaining a high hole concentration, and low ohmic contact resistance and access resistance can be maintained.

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Abstract

ＡｌＧａＮから構成したエミッタ層（１０５）の周囲のＩｎＧａＮから構成したベース層（１０４）の上に、ｐ型のＧａＮから構成したベースコンタクト層（１０６）を形成し、ベースコンタクト層（１０６）の上にベース電極（１１２）を形成する。各窒化物半導体は、－ｃ軸方向に結晶成長することでＶ族極性とする。

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、窒化物半導体をＶ族極性（Ｎ極性）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、＋ｃ軸方向に結晶成長してＩＩＩ族極性と呼ばれる極性の窒化物半導体でデバイス作製が実施される。以下、＋ｃ軸方向に結晶成長して成長方向の極性がＩＩＩ族極性で成長した窒化物半導体は、極性がＩＩＩ族極性であると表現する。また、－ｃ軸方向に結晶成長して成長方向の極性がＶ族極性で成長した窒化物半導体は、極性がＶ族極性であると表現する。
　ＩＩＩ族極性の場合、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、Ｎ極性（Ｖ族極性）の窒化物半導体から構成する場合、分極により発生する電場の方向が、ＩＩＩ族極性の場合と逆転する。例えば、Ｎ極性のＧａＮ上にＮ極性の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極性の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極性の窒化物半導体のヘテロ接合面の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極性の窒化物半導体によるＨＢＴ構造においては、図４Ａ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、エミッタキャップ層３０６の側方のベース層３０４ｂ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４Ａ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４Ａ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４Ｂ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４Ｃ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、－ｃ軸方向に結晶成長したｎ型の窒化物半導体から構成されて基板の上に形成されたサブコレクタ層と、－ｃ軸方向に結晶成長したｎ型のＩｎＧａＮから構成されてサブコレクタ層の上に形成されたコレクタ層と、－ｃ軸方向に結晶成長したＩｎＧａＮから構成されてコレクタ層の上に形成され、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、－ｃ軸方向に結晶成長したＡｌＧａＮから構成されてベース層の上に接して形成されたエミッタ層と、－ｃ軸方向に結晶成長したｐ型のＧａＮから構成されてエミッタ層の周囲のベース層の上に接して形成されたベースコンタクト層と、－ｃ軸方向に結晶成長したｎ型の窒化物半導体から構成されてエミッタ層の上に形成されたエミッタコンタクト層と、エミッタコンタクト層の上に形成されたエミッタ電極と、ベースコンタクト層の上に形成されたベース電極と、サブコレクタ層に接続するコレクタ電極と、ベース層とエミッタ層との界面近傍のベース層、およびベース層とベースコンタクト層との界面近傍のベース層の各々に形成された２次元正孔ガスとを備える。
　以上説明したように、本発明によれば、ＡｌＧａＮから構成したエミッタ層の周囲のＩｎＧａＮから構成したベース層の上に、ｐ型のＧａＮから構成したベースコンタクト層を形成してこの上にベース電極を形成したので、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が得られる。
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２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２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３Ｂは、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３Ｃは、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３Ｄは、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３Ｅは、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３Ｆは、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４Ａは、従来のＮ極性ＧａＮ系ＨＢＴ構造を示す断面図である。 図４Ｂは、従来のＮ極性ＧａＮ系ＨＢＴ構造を示す断面図である。 図４Ｃは、従来のＮ極性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の上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１０８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、－ｃ軸方向に結晶成長したＶ族極性（Ｎ極性）のｎ型の窒化物半導体から構成されている。コレクタ層１０３は、－ｃ軸方向に結晶成長したＮ極性のｎ型のＩｎＧａＮから構成されている。また、バッファ層１０８も、－ｃ軸方向に結晶成長したＮ極性のｎ型の窒化物半導体から構成することができる。
　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、ｎ型のＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）から構成されている。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の上に形成されたベース層１０４と、ベース層１０４の上に接して形成されたエミッタ層１０５と、エミッタ層１０５の周囲のベース層１０４の上に接して形成されたベースコンタクト層１０６と、エミッタ層１０５の上に形成されたエミッタコンタクト層１０７とを備える。
　また、このＨＢＴは、エミッタコンタクト層１０７の上に形成されて、エミッタコンタクト層１０７に電気的に接続するエミッタ電極１１１と、ベースコンタクト層１０６の上に形成されてベース層１０４に電気的に接続するベース電極１１２と、サブコレクタ層１０２に電気的に接続するコレクタ電極１１３とを備える。エミッタコンタクト層１０７およびエミッタ層１０５は、メサ形状に形成され、ベース電極１１２は、エミッタ層１０５の側方で、ベースコンタクト層１０６の上に接して形成されている。
　ベース層１０４は、－ｃ軸方向に結晶成長したＮ極性のＩｎＧａＮから構成されている。また、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。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。ベース層１０４は、アンドープとすることができる。また、ベース層１０４は、厚さ方向に一部または全域がｐ型とされたものとすることができる。例えば、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ベース層を備える構成とすることができる。
　エミッタ層１０５は、－ｃ軸方向に結晶成長したＮ極性のＡｌＧａＮから構成されている。ベースコンタクト層１０６は、－ｃ軸方向に結晶成長したＮ極性のｐ型のＧａＮから構成されている。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が生じる。また、ベース層１０４とベースコンタクト層１０６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。
　ベースコンタクト層１０６は、ベース電極１１２の直下の領域において、ベース層１０４とベース電極１１２との間に形成される。ＧａＮからなるベースコンタクト層１０６とＩｎＧａＮからなるベース層１０４の界面には、前述したように２次元正孔ガス１２１が発生する。このため、ベース電極１１２の直下の領域において高い正孔濃度が実現でき、コンタクト抵抗を低くすることができる。
　エミッタコンタクト層１０７は、－ｃ軸方向に結晶成長したＮ極性のｎ型の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１０７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１０７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１０７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１０７は、厚さ１００ｎｍ程度とすることができる。
　エミッタ電極１１１は、エミッタコンタクト層１０７とオーミック接続が形成される材料から構成する。エミッタ電極１１１は、例えばＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕなどの金属多層構造とすることができる。エミッタ電極１１１とエミッタコンタクト層１０７とのオーミック接続形成のためには、加熱処理を施すとよい。なお、加熱処理によって電極表面や端部のモフォロジや形状が悪化する可能性があるため、これらから電極を保護するための保護膜を形成することができる。
　ベース電極１１２は、アニール処理することにより、ベースコンタクト層１０６を介してベース層１０４オーミック接触が形成される材料から構成する。ｐ型のＧａＮから構成したベースコンタクト層１０６に対しては、多くの場合Ｎｉを含む金属多層構造を適用する場合が多い。実施の形態によれば、ベースコンタクト層１０６がＧａＮから構成されているため、ベース電極１１２をベースコンタクト層１０６の上に形成しても、高抵抗化することがない。
　コレクタ電極１１３は、サブコレクタ層１０２と接して形成される。サブコレクタ層１０２は高濃度にｎ型不純物がドープされているため、サブコレクタ層１０２とオーミック接触が形成可能なように、材料選択を行う。ｎ型のＧａＮからなるサブコレクタ層１０２に対しては、一般的にはＴｉ／Ａｌ／Ｎｉ／Ａｕなどの金属多層構造が用いられる。
　上述した実施の形態に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、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、Ｎ極性で（－ｃ軸方向に）結晶成長する状態となる基板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、および主表面が－ｃ面とされたＮ極性ＧａＮ、主表面が－ｃ面とされたＮ極性ＡｌＮ基板などを使用することができる。
　バッファ層１０８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１０８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１０８の上には、Ｎ極性の窒化物半導体を結晶成長することができる。一方、Ｎ極の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なく、Ｎ極性の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、ベース層１０４とエミッタ層１０５との界面近傍のベース層１０４、およびベース層１０４とベースコンタクト層１０６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。
　図２Ａのバンド図、図２Ｂのキャリア分布図に示すように、ベース層１０４とベース電極１１２との間にベースコンタクト層１０６を設けることで、実線に示すように、ベース電極１１２の直下の２次元正孔ガスが消失することなく維持されていることがわかる。なお、図２Ａ、図２Ｂにおいて、破線は、エミッタ電極１１１直下の状態を示している。
　次に、実施の形態に係るＨＢＴの製造について図３Ａ～図３Ｄを参照して説明する。まず、図３Ａに示すように基板１０１の上に、バッファ層１０８、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、ＡｌＧａＮ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－ｃ軸方向に結晶成長する。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１０７）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や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（不図示）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３Ｂに示すように、メサ形状のエミッタコンタクト層１０７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１０７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のエッチング処理を、ＧａＮから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ＡｌＧａＮ以外の材料から構成し、ＡｌＧａＮとのエッチングの選択比を取りやすい条件とする。
　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、エミッタ形成層２０５をパターニングすることで、図３Ｃに示すように、メサ形状のエミッタ層１０５を形成する。例えば、エミッタ電極１１１およびエミッタコンタクト層１０７を覆ってエミッタ形成層２０５の上にマスクパターン（不図示）を形成し、このマスクパターンをマスクとしたドライエッチング処理でエミッタ形成層２０５エッチング加工することで、エミッタ層１０５が形成できる。このエッチング処理では、エミッタ層１０５の周囲のベース形成層２０４の表面を露出させる。
　次に、エミッタ層１０５の周囲に露出しているベース形成層２０４の上に、ｐ型のＧａＮを再成長させることで、図３Ｄに示すように、ベースコンタクト層１０６を形成する。例えば、上述したエミッタ層１０５の形成に用いたマスクを、酸化シリコンなどの絶縁材料から構成することで選択成長マスクとして用い、この選択成長マスクの周囲に露出するベース形成層２０４の上に、ｐ型のＧａＮを再成長させる。ｐ型とするためには、例えば不純物としてＭｇを用いることができる。ｐ型のＧａＮの再成長によりベースコンタクト層１０６を形成した後、上述したマスクは除去する。例えば、フッ酸を用いたウエットエッチングにより、マスクを選択的に除去することができる。
　次に、図３Ｅに示すように、メサ形状としたエミッタ層１０５の周囲のベースコンタクト層１０６の上に、ベース電極１１２を形成する。ベース電極１１２は、ベースコンタクト層１０６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からなるベースコンタクト層１０６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。
　ベースコンタクト層１０６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、ベースコンタクト層１０６の直下のベース層１０４には、２次元正孔ガス１２１が形成されているため、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、ベースコンタクト層１０６、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３Ｆに示すように、ベースコンタクト層１０６、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。
　以上に説明したように、本発明によれば、ＡｌＧａＮから構成したエミッタ層の周囲のＩｎＧａＮから構成したベース層の上に、ｐ型のＧａＮから構成したベースコンタクト層を形成してこの上にベース電極を形成したので、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が得られるようになる。本発明によれば、ベース電極形成領域においても、２次元正孔ガスを消失させることなくベース電極とのオーミック接触が形成されるので、高い正孔濃度を維持したまま、ベース電極を形成することができ、低いオーミックコンタクト抵抗およびアクセス抵抗を維持することができる。
　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…ベースコンタクト層、１０７…エミッタコンタクト層、１０８…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 (2)

  1. 　－ｃ軸方向に結晶成長したｎ型の窒化物半導体から構成されて基板の上に形成されたサブコレクタ層と、
    　－ｃ軸方向に結晶成長したｎ型のＩｎＧａＮから構成されて前記サブコレクタ層の上に形成されたコレクタ層と、
    　－ｃ軸方向に結晶成長したＩｎＧａＮから構成されて前記コレクタ層の上に形成され、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、
    　－ｃ軸方向に結晶成長したＡｌＧａＮから構成されて前記ベース層の上に接して形成されたエミッタ層と、
    　－ｃ軸方向に結晶成長したｐ型のＧａＮから構成されて前記エミッタ層の周囲の前記ベース層の上に接して形成されたベースコンタクト層と、
    　－ｃ軸方向に結晶成長したｎ型の窒化物半導体から構成されて前記エミッタ層の上に形成されたエミッタコンタクト層と、
    　前記エミッタコンタクト層の上に形成されたエミッタ電極と、
    　前記ベースコンタクト層の上に形成されたベース電極と、
    　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エミッタ層との界面近傍の前記ベース層、および前記ベース層と前記ベースコンタクト層との界面近傍の前記ベース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、
    　前記ベース層は、厚さ方向に一部または全域がｐ型とされている
    　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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