(57)【要約】【課題】  高周波特性を劣化することなく、コレクタ・エミッタ間の動作時の破壊耐圧を向上させたヘテロ接合バイポーラトランジスタの半導体装置を提供する。【解決手段】  n+ＧａＡｓコレクタコンタクト層１１と、n+ＧａＡｓコレクタコンタクト層１１に接触して形成されたn型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓコレクタ層１２と、n型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓコレクタ層１２の層に接触して形成されたn型ＧａＡｓコレクタ層１４と、n型ＧａＡｓコレクタ層１４に接触して形成されたp型ＧａＡｓベース層１５と、p型ＧａＡｓベース層１５に接触して形成されたn型ＩｎＧａＰエミッタ層１６を備えており、n型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓコレクタ層１２のＡｌの組成比xは、n型ＧａＡｓコレクタ層１４に近づくにつれてコレクタ相４のＧａＡｓの組成に徐々に等しくなるように変化することを特徴とする。【選択図】  図１
2006319062.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1の導電型のコレクタコンタクト層と、
前記コレクタコンタクト層に接触して形成された第１の導電型の第１のコレクタ層と、
前記第１のコレクタ層の層に接触して形成された第１の導電型の第２のコレクタ層と、
前記第２のコレクタ層に接触して形成された第２の導電型のベース層と、
前記ベース層に接触して形成された前記第１の導電型のエミッタ層とを備え、
前記第１のコレクタ層のバンドギャップは、前記第２のコレクタ層側から前記コンタクトコレクタ層側に向って前記第２のコレクタ層のバンドギャップの値から徐々に高くなることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記第１のコレクタ層はＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓで、前記第２のコレクタ層はＧａＡｓで形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓのＡｌの組成比xは、前記第２のコレクタ層に近づくにつれて前記第２のコレクタ層のＧａＡｓの組成に徐々に等しくなるように変化することを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第１のコレクタ層の不純物濃度は、前記コレクタコンタクト層側から前記第２のコレクタ層側に向って徐々に減少し、前記第２のコレクタ層の不純物濃度に徐々に近づくことを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１のコレクタ層の不純物濃度は、前記第２のコレクタ層側よりも前記コレクタコンタクト層側の方が高濃度になることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、半導体装置、例えばヘテロ接合バイポーラトランジスタは、エミッタ層のバンドギャップがベース層のバンドギャップよりも広いことにより、エミッタ注入効率が高く、高利得かつ高速化が期待され、超高速、高出力デバイスとして開発が行われている。
【０００３】
従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、エミッタ層にn型ＩｎＧａＰ、ベース層にp型ＧａＡｓ、コレクタ層にn型ＧａＡｓを用いることで、デバイスの信頼性を向上させていた。しかしながら、上記構造では、イオンインパクト化率が増加し、動作時のコレクタ・エミッタ間の破壊耐性が低下するという問題があった。
【０００４】
そこで、コレクタ層の一部でコレクタコンタクト層と接している高電界が生成しやすい部分に、バンドギャップがＧａＡｓよりも大きいＩｎＧａＰを挿入する構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この構造によれば、高電界が発生しやすいコレクタ層とコレクタコンタクト層との間では、高い電界強度までアバランシェ降伏を起こし難く、動作時の破壊耐性を向上させることができる。しかし、コレクタ層であるＧａＡｓとＩｎＧａＰ間でエネルギーバンドの不連続が生じる。そのため、エネルギーバンドの不連続に起因するキャリアの蓄積・滞在効果により、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのオン抵抗が上昇し、高周波特性が劣化する。つまり、コレクタ・エミッタ間の動作時の破壊耐圧は向上するものの、高周波特性が低下する問題がある。また、InGaP層とGaAs層との接合界面に発生する界面電荷の影響により、ベース・コレクタ間容量が著しく増加し、高周波特性が低下する問題がある。
【特許文献１】特開２００３−２１８１２３公報（第８頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、高周波特性を劣化させることなく、コレクタ・エミッタ間の動作時の破壊耐圧を向上させることが可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタの半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体装置は、第1の導電型のコレクタコンタクト層と、前記コレクタコンタクト層に接触して形成された第１の導電型の第１のコレクタ層と、前記第１のコレクタ層の層に接触して形成された第１の導電型の第２のコレクタ層と、前記第２のコレクタ層に接触して形成された第２の導電型のベース層と、前記ベース層に接触して形成された前記第１の導電型のエミッタ層とを備え、前記第１のコレクタ層のバンドギャップは、前記第２のコレクタ層側から前記コンタクトコレクタ層側に向って前記第２のコレクタ層のバンドギャップの値から徐々に高くなることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高周波特性を劣化させることなく、コレクタ・エミッタ間の動作時の破壊耐圧を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明の実施例１に係る半導体装置であるヘテロ接合バイポーラトランジスタの積層構造を示す断面図である。
【００１０】
図１に示すように、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０上に、厚さ５００ｎｍのn+型ＧａＡｓコレクタコンタクト層１１が積層形成されている。n+型ＧａＡｓコレクタコンタクト層１１は、不純物としてＳｉがドープされており、その濃度は５Ｅ１８ｃｍ−３である。
【００１１】
そのn+型ＧａＡｓコレクタコンタクト層１１上には、第１のコレクタ層である厚さ３００ｎｍのn型ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓコレクタ層１２が積層形成されている。n+型ＧａＡｓコレクタコンタクト層１１の一部は、第1のコレクタ層１２から露出しており、その露出した部分にコレクタ電極１３が形成されている。
【００１２】
その第1のコレクタ層１２の上には、第２のコレクタ層である厚さ７００ｎｍのn型ＧａＡｓコレクタ層１４が積層形成されている。
【００１３】
第１のコレクタ層１２は、不純物としてＳｉがドープされており、その濃度は１Ｅ１６ｃｍ−３である。さらに、第1のコレクタ層１２のＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓのＡｌの組成比xは、固定した値ではなく、第２のコレクタ層１４に接触する部分は、Ａｌの組成比x〜0で、ＧａＡｓに近い組成比になり、コレクタコンタクト層１１側に向かって、Ａｌの組成比ｘは徐々に増加していき、コレクタコンタクト層１１に接触する部分では、Ａｌの組成比x〜０．２５でＡｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓになる。
【００１４】
また、第２のコレクタ層１４は、不純物としてＳｉがドープされており、その濃度は１Ｅ１６ｃｍ−３である。
【００１５】
その第２のコレクタ層１４上には、厚さ５０ｎｍのp型ＧａＡｓベース層１５が積層形成されている。p型ＧａＡｓベース層１５は、不純物としてCがドープされており、その濃度は４Ｅ１６ｃｍ−３である。
【００１６】
さらに、そのp型ＧａＡｓベース層１５上には、厚さ２０ｎｍのn型ＩｎＧａＰエミッタ層１６が積層形成されている。p型ＧａＡｓベース層１５の一部はn型ＩｎＧａＰエミッタ層１６から露出しており、その露出した部分にベース電極１７が形成されている。n型ＩｎＧａＰエミッタ層１６は、不純物としてＳｉがドープされており、その濃度は４Ｅ１７ｃｍ−３である。
【００１７】
そして、n型ＩｎＧａＰエミッタ層１６上には、厚さ１００ｎｍのn型ＧａＡｓエミッタコンタクト層１８が積層形成され、そのn型ＧａＡｓエミッタコンタクト層１８上には、エミッタ電極１９が形成されている。n型ＧａＡｓエミッタコンタクト層１８は、不純物としてＳｉがドープされており、その濃度は５Ｅ１８ｃｍ−３である。
【００１８】
本発明の実施例1のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、以上のような複数の半導体層の積層構造を有しているが、その伝導体のエネルギーバンド図は、図２の実線で示すようになる。上の実線は導電帯のエネルギーバンドを表し、下の実線は価電子帯のエネルギーバンドを表している。縦軸は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエネルギーポテンシャル、横軸は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタコンタクト層１８からコレクタコンタクト層１１にかけての距離を表している。ただし、バイアス点は、コレクタ電圧（コレクタ−エミッタ間電圧）ベース電圧（ベース−エミッタ電圧）は、共に０Vに設定されている。
【００１９】
図２に示すように、コレクタコンタクト層１１と第２のコレクタ層１４の間に、第２のコレクタ層１４のＧａＡｓよりもバンドギャップの高いＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓの第1のコレクタ層１２を形成し、第２のコレクタ層１２側からコレクタコンタクト層１１側に向って、Ａｌの組成比xを０から０．２５に徐々に増やしている。そのため、第1のコレクタ層１２と第２のコレクタ層１４との間でのバンドギャップの変化は、第２のコレクタ層１４のＧａＡｓのバンドギャップから、徐々にバンドギャップが増加していき、第1のコレクタ層１２と第２のコレクタ層１４間ではバンドギャップの不連続は生じず、第１のコレクタ層１２とコレクタコンタクト層１１との間にだけ、バンドギャップの不連続が生じる。
【００２０】
以上に説明したように、本実施例のヘテロ接合バイポーラトランジスタでは、コレクタコンタクト層１１側の第1のコレクタ層１２に第２のコレクタ層１４よりもバンドギャップの高いＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓを形成し、Ａｌの組成比xを第２のコレクタ層１４側からコレクタコンタクト層１１側に向って徐々に増加させている。そのため、第1のコレクタ層１２と第２のコレクタ層１４間のバンドギャップの不連続をなくすことができ、バンドギャップの不連続に起因するキャリアの蓄積・滞在効果によるヘテロ接合バイポーラトランジスタのオン抵抗増加を防ぎ、高周波特性を劣化させることはない。
【００２１】
また、第1のコレクタ層１２にバンドギャップの高いＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓを用いているので、イオンインパクト化率を低減させることができ、エミッタ−コレクタ間の動作時の破壊耐圧の向上を図ることができる。
【実施例２】
【００２２】
図３は、本発明の実施例２の半導体装置であるヘテロ接合バイポーラトランジスタの積層構造を示す断面図である。
【００２３】
本実施例のコレクタコンタクト層１１、第２のコレクタ層１４、ベース層１５、エミッタ層１６、エミッタコンタクト層１８については、上記実施例１と同様の構成を有する。即ち、本実施例と上記実施例１とは、第１のコレクタ層１２を、厚さ３００ｎｍに、また不純物としてＳｉをドープしている点は同じであるが、第１のコレクタ層１２のＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓのＡｌの組成比xを第２のコレクタ層１４側からコレクタコンタクト層１１側に向って、０から０．２５に徐々に変化させるだけでなく、第１のコレクタ層１２にドープされているＳｉの不純物濃度を第２のコレクタ層１４側からコレクタコンタクト層１１側に向って、第２のコレクタ層１４のＳｉの不純物濃度である１Ｅ１６ｃｍ−３から１Ｅ１７ｃｍ−３まで徐々に増加させる点で相違する。
【００２４】
以上説明したように、本実施例のヘテロ接合バイポーラトランジスタでは、第１のコレクタ層１２のＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓのＡｌの組成比xを第２のコレクタ層１４側からコレクタコンタクト層１１側に向って徐々に変化させ、上記実施例1と同様に、第1のコレクタ層１２と第２のコレクタ層１４との間のバンドギャップの不連続をなくしている。そのため、バンドギャップの不連続に起因するキャリアの蓄積・滞在効果によるオン抵抗を増加させることなく、高周波特性の劣化を防ぐことができる。
【００２５】
また、第1のコレクタ層１２のＳｉの不純物濃度を第２のコレクタ層１４側からコレクタコンタクト層１１側に向って、徐々に増加させているので、コレクタ電流密度が、コレクタ空乏層中の空間電荷密度よりも大きくなった場合のコレクタ空乏層中の電界強度を低減することができ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの耐負荷特性を向上させることができる。
【実施例３】
【００２６】
図４は、本発明の実施例３の半導体装置であるヘテロ接合バイポーラトランジスタの積層構造を示す断面図である。
【００２７】
本実施例のコレクタコンタクト層１１、第２のコレクタ層１４、ベース層１５、エミッタ層１６、エミッタコンタクト層１８については、上記実施例１と同様の構成を有する。即ち、本実施例と上記実施例１とは、第１のコレクタ層をさらに２層に分け、第２のコレクタ層１４側にＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓからなり、且つＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓのＡｌの組成比xを第２のコレクタ層１４側からコレクタコンタクト層１１側に向って、０から０．２５に徐々に増加させた第３のコレクタ層１２ａと、コレクタコンタクト層１１側に第３のコレクタ層１２ａよりもＳｉの不純物濃度が高く、Ａｌの組成比x〜０．２５のＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓからなる第４のコレクタ層１２ｂを挿入している点で相違する。
【００２８】
そして、第３のコレクタ層１２ａは、厚さ１００ｎｍで、不純物としてＳｉがドープされており、その濃度は１Ｅ１６ｃｍ−３となっている。また、第4のコレクタ層２１は、厚さ２００ｎｍで、不純物としてＳｉがドープされており、その濃度は５Ｅ１６ｃｍ−３となっている。
【００２９】
本実施例３のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、図５に示すような伝導体のエネルギーバンド図になる。図５に示すように、第３のコレクタ層１２ａと第２のコレクタ層１４間は、第３のコレクタ層１２ａのＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓのＡｌの組成比xを第２のコレクタ層１４側から第４のコレクタ層１２ｂ側に向って、０から０．２５に徐々に変化させているので、バンドギャップの不連続が生じない。
【００３０】
以上に説明したように本実施例のヘテロ接合バイポーラトランジスタでは、第３のコレクタ層１２ａのＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓのＡｌの組成比xを第２のコレクタ層１４側からコレクタコンタクト層１１側に向って、徐々に変化させているので、上記実施例1と同様に、第２のコレクタ層１４と第３のコレクタ層１２ａとの間のバンドギャップの不連続をなくすことができ、オン抵抗を増加による高周波特性の劣化を防ぐことができる。また、第４のコレクタ層１２ｂにバンドギャップの高い組成比x〜０．２５のＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓが挿入されているので、動作時の破壊耐圧の向上も図ることができる。さらに、第４のコレクタ層１２ｂは、第３のコレクタ層１２ａよりもＳｉの不純物濃度が高くなるので、上記実施例２と同様に電界強度を低減することができ、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの耐負荷特性を向上させることができる。
【００３１】
ここで、各実施例において、ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓのＡｌの組成比をx〜０．２５まで増加させたが、この値に限定する必要はなく、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの動作時の破壊耐圧、高周波特性の効率を考慮して、最適値を決めてもかまわない。つまり、Ａｌの組成比xの最大値が小さすぎると動作時の破壊耐圧が悪くなり、Ａｌの組成比xの最大値が大きすぎるとヘテロ接合バイポーラトランジスタの高周波特性が劣化するので、その間の最適値を試験などを行って決定する。
【００３２】
なお、本発明は、上述したような各実施例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。例えば、各実施例では、第1のコレクタ層のＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓのＡｌの組成比xを徐々に変化させていたが、異なるＡｌの組成比をもつＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓ層を複数積層させて、第２のコレクタ層側からコレクタコンタクト層側に向って徐々にＡｌの組成比xを増加させていってもかまわない。また、第1のコレクタ層のＳｉの不純物濃度も、同様で、徐々に濃度変化するだけでなく、異なるＳｉの不純物濃度をもつコレクタ層を複数設け、積層させても、各実施例と同様の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施例１の半導体装置であるヘテロ接合バイポーラトランジスタの積層構造を示す断面図。
【図２】本発明の実施例１に係る半導体装置であるヘテロ接合バイポーラトランジスタの伝導体のエネルギーバンド図。
【図３】本発明の実施例２の半導体装置であるヘテロ接合バイポーラトランジスタの積層構造を示す断面図。
【図４】本発明の実施例３の半導体装置であるヘテロ接合バイポーラトランジスタの積層構造を示す断面図。
【図５】本発明の実施例３に係る半導体装置であるヘテロ接合バイポーラトランジスタの伝導体のエネルギーバンド図。
【符号の説明】
【００３４】
１０  ＧａＡｓ基板
１１  n+ＧａＡｓコレクタコンタクト層
１２  n型ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓコレクタ層（第１のコレクタ層）
１２ａ  n型ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓコレクタ層（第３のコレクタ層）
１２ｂ  n型ＡｌｘＧａｌ−ｘＡｓコレクタ層（第４のコレクタ層）
１３  コレクタ電極
１４  n型ＧａＡｓコレクタ層（第２のコレクタ層）
１５  p型ＧａＡｓベース層
１６  n型ＩｎＧａＰエミッタ層
１７  ベース電極
１８  n型ＧａＡｓエミッタコンタクト層
１９  エミッタ電極
【図１】
2006319062.tif 000003
【図２】
2006319062.tif 000004
【図３】
2006319062.tif 000005
【図４】
2006319062.tif 000006
【図５】
2006319062.tif 000007