(57)【要約】【数１】2005522883.tif 000004  高い炭素ドーパント濃度を有する半導体材料にはガリウム、インジウム、ヒ素および窒素が含まれる。開示された半導体材料は得られた高い炭素ドーパント濃度のために低い面積抵抗率を有する。その材料はガリウムアルセニド基板のヘテロ接合バイポーラトランジスターのベース層であることができ、ベース層中のインジウムおよび窒素の濃度を制御することによりガリウムアルセニドのエミッターおよび／もしくはコレクター層に格子整合させることができる。ベース層は、層のバルクを表わす異なるIII−Ｖ元素に関して、バンドギャップを減少させるために使用された、IIIおよびＶ添加元素の析出期間中に流量を変化させることにより形成される傾斜バンドギャップを有することができる。IIIおよびＶ添加元素の流量は析出期間中、本質的に一定のドーピング−移動プロダクト値を維持し、形成されるトランジスター内の接合部に、前以て選択されたベース−エミッター電圧を得るように制御することができる。
2005522883.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）ｎ−ドープコレクター、
ｂ）III−Ｖ材料がインジウムおよび窒素を含み、そしてベースが約１．５×１０１９ｃｍ−３〜約７．０×１０１９ｃｍ−３の濃度の炭素でドープされている、コレクター上に形成されたIII−Ｖ材料を含んで成るベース、並びに
ｃ）ベース上に形成されたｎ−ドープエミッター
を含んで成るヘテロ接合バイポーラトランジスター。
【請求項２】
ベースが元素のガリウム、インジウム、ヒ素および窒素を含んで成る請求項１のトランジスター。
【請求項３】
コレクターがＧａＡｓであり、エミッターがＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＡｓであり、そしてトランジスターが二重ヘテロ接合バイポーラトランジスターである、請求項２のトランジスター。
【請求項４】
コレクターと接するベース層の表面におけるベース層のバンドギャップが、エミッターと接するベース層の表面におけるバンドギャップより約２０ｍｅＶと約１２０ｍｅＶの間の範囲の量だけ低い、請求項２のトランジスター。
【請求項５】
ベース層のバンドギャップが、コレクターと接するベース層の表面からエミッターと接するベース層の表面に直線的に傾斜する（ｇｒａｄｅｄ）、請求項４のトランジスター。
【請求項６】
傾斜するベース層中の平均バンドギャップの減少がＧａＡｓのバンドギャップよりも約２０ｍｅＶと約３００ｍｅＶの間の範囲内だけ低い、請求項５のベース層。
【請求項７】
傾斜ベース層の平均バンドギャップ減少がＧａＡｓのバンドギャップより約８０ｍｅＶと約３００ｍｅＶの間の範囲内だけ少ない、請求項６のベース層。
【請求項８】
傾斜ベース層の平均バンドギャップ減少がＧａＡｓのバンドギャップより約２０ｍｅＶと約２００ｍｅＶの間の範囲内だけ少ない、請求項６のベース層。
【請求項９】
ベース層が、ｘおよびｙがそれぞれ独立に約１．０×１０−４〜約２．０×１０−１である式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙの層を含んで成る、請求項３のトランジスター。
【請求項１０】
ｘが３ｙにほぼ等しい、請求項９のトランジスター。
【請求項１１】
ｘがエミッターにおけるよりコレクターにおいてより大きいことを条件として、ｘがコレクターにおいて約０．２〜約０．０２の範囲内の値を有し、そしてエミッターにおいて約０．１〜約ゼロの範囲内の値に傾斜する、請求項９のトランジスター。
【請求項１２】
ｘがコレクターにおいて約０．０６であり、エミッターで約０．０１である、請求項１１のトランジスター。
【請求項１３】
ベース層が約４００Å〜約１５００Åの厚さであり、約１００Ω／平方〜約４００Ω／平方の面積抵抗率（ｓｈｅｅｔ  ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）を有する、請求項１０のトランジスター。
【請求項１４】
エミッター中のｎ−ドーパントが約３．５×１０１７ｃｍ−３と約４．５×１０１７ｃｍ−３の間の濃度範囲内に存在し、コレクター中のｎ−ドーパントの濃度が約９×１０１５ｃｍ−３と約２×１０１６ｃｍ−３の間の範囲内にある、請求項１３のトランジスター。
【請求項１５】
エミッターおよびコレクターがケイ素によりドープされている、請求項１４のトランジスター。
【請求項１６】
エミッターが約５００Å〜約７５０Åの厚さであり、コレクターが約３５００Å〜約４５００Åの厚さである、請求項１５のトランジスター。
【請求項１７】
ベースとコレクターの間に配置された第１の遷移層（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ  ｌａｙｅｒ）を更に含んで成り、ここで前記第１の遷移層がベースの第１の面と接する第１面を有し、ここで第１の遷移層がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮから成る群から選択されるｎ−ドープ材料を含む、請求項１６のトランジスター。
【請求項１８】
エミッターの第１の面と接する第１面およびベースの第２の面と接する第２面を有する第２の遷移層を更に含んで成り、ここで第２の遷移層がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮから成る群から選択されるｎ−ドープ材料を含む、請求項１６のトランジスター。
【請求項１９】
コレクターの第１の面と接する第１面および第１の遷移層の第２の面と接する第２面を有する格子整合層（ｌａｔｔｉｃｅ−ｍａｔｃｈｅｄ  ｌａｙｅｒ）を更に含んで成り、ここで格子整合層が広帯域バンドギャップ材料である、請求項１６のトランジスター。
【請求項２０】
格子整合層がＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＧａＡｓから成る群から選択される、請求項１９のトランジスター。
【請求項２１】
第１および第２の遷移層が約４０Å〜約６０Åの厚さである、請求項１８のトランジスター。
【請求項２２】
第１および第２の遷移層が約４０Å〜約６０Åの厚さであり、格子整合層が約１５０Å〜約２５０Åの厚さである、請求項１９のトランジスター。
【請求項２３】
ａ）ガリウム、インジウム、ヒ素および窒素ソースから、ｎ−ドープＧａＡｓコレクター層上にガリウム、インジウム、ヒ素および窒素を含んで成るベース層を成長させること（ここでベース層は外部炭素ソースからの炭素でｐ−ドープされる）、並びに
ｂ）ベース層上にｎ−ドープエミッター層を成長させること、
の段階を含んで成る、ヘテロ接合バイポーラトランジスターの製法。
【請求項２４】
外部炭素ソースが四臭化炭素もしくは四塩化炭素である、請求項２３の方法。
【請求項２５】
ガリウムソースがトリメチルガリウムおよびトリエチルガリウムから選択される、請求項２４の方法。
【請求項２６】
窒素ソースがアンモニア、ジメチルヒドラジンもしくは第三級ブチルアミンである、請求項２５の方法。
【請求項２７】
ガリウムソースに対するヒ素ソースの比率が約２．０〜約３．５である、請求項２６の方法。
【請求項２８】
ベースが約７５０℃未満の温度で成長される、請求項２７の方法。
【請求項２９】
ベースが約５００℃から約６００℃の温度で成長される、請求項２８の方法。
【請求項３０】
ベース層が、ｘおよびｙがそれぞれ独立に約１．０×１０−４〜約２．０×１０−１である式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙの層を含んで成る、請求項２８の方法。
【請求項３１】
ｘが３ｙにほぼ等しい、請求項３０の方法。
【請求項３２】
コレクターがＧａＡｓを含み、エミッターがＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＧａＡｓから成る群から選択される材料を含み、そしてトランジスターが二重ヘテロ接合バイポーラトランジスターである、請求項３０の方法。
【請求項３３】
ベース層を成長させる前にコレクター上にｎ−ドープの第１の遷移層を成長させる段階を更に含んで成り、ここでベース層がｎ−ドープの第１の遷移層上に成長され、そして第１の遷移層が傾斜バンドギャップもしくはコレクターのバンドギャップより小さいバンドギャップを有する、請求項３０の方法。
【請求項３４】
第１の遷移層がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮから成る群から選択される、請求項３３の方法。
【請求項３５】
ｎ−ドープエミッター層を成長させる前に、ベース上に第２の遷移層を成長させる段階を更に含んで成り、ここで第２の遷移層がベースの第１面の面と接する第１面およびエミッターの面と接する第２面を有し、そして第２の遷移層がエミッターのドープ濃度より少なくとも数字１桁小さいドープ濃度を有する、請求項３４の方法。
【請求項３６】
第２の遷移層がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮから成る群から選択される、請求項３５の方法。
【請求項３７】
形成された第１の遷移層、第２の遷移層もしくは第１および第２の遷移層双方がドーピングスパイクを有する、請求項３６の方法。
【請求項３８】
ｎ−ドープされた第１の遷移層を成長させる前に、コレクター上に格子整合層を成長させる段階を更に含んで成り、ここで格子整合層がコレクターの第１の面と接する第１面および第１の遷移層の第２の面と接する第２面を有する、請求項３６の方法。
【請求項３９】
格子整合層がＩｎＧａＰを含む、請求項３８の方法。
【請求項４０】
ガリウム、インジウム、ヒ素および窒素を含んで成る材料であって、約１．５×１０１９ｃｍ−３〜約７．０×１０１９ｃｍ−３の濃度の炭素でドープされている材料。
【請求項４１】
材料の組成を、ｘおよびｙがそれぞれ独立に約１．０×１０−４と約２．０×１０−１の間の範囲内にある式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙにより表わすことができる、請求項４０の材料。
【請求項４２】
ｘが３ｙにほぼ等しい、請求項４１の材料。
【請求項４３】
ｘおよび３ｙが約０．０１である、請求項４２の材料。
【請求項４４】
炭素濃度が少なくとも約３．０×１０１９ｃｍ−３である、請求項４３の材料。
【請求項４５】
その材料の組成が、ｘおよびｙがそれぞれ独立に材料の第１面の比較的大きい値から材料の第２面の比較的小さい値まで直線状に傾斜される式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙにより表わされる、ガリウム、インジウム、ヒ素および窒素を含んで成る材料。
【請求項４６】
材料が炭素でドープされている請求項４５の材料。
【請求項４７】
ｘが材料の第２面から材料の第１面に約０．０１から約０．０６に直線状に傾斜される、請求項４６の材料。
【請求項４８】
材料の組成が式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙにより表わされ、ここでｘは材料の第１面の比較的大きい値から材料の第２面の比較的小さい値まで直線状に傾斜され、そしてｙは材料全体にわたり本質的に一定のままである、ガリウム、インジウム、ヒ素および窒素を含んで成る材料。
【請求項４９】
材料が炭素でドープされている、請求項４８の材料。
【請求項５０】
ｘが約０．０１から約０．０６に直線状に傾斜され、ｙが材料の第２面から材料の第１面まで約０．００１である、請求項４９の材料。
【請求項５１】
ａ）各々が、それにより本質的に一定のドーピング−移動度プロダクト（ｄｏｐｉｎｇ−ｍｏｂｉｌｉｔｙ  ｐｒｏｄｕｃｔ）を形成するために要する相対的有機金属化合物および四ハロゲン化炭素の流量が決定される、周期表の第III族もしくはＶ族からの原子を析出する有機金属化合物もしくは炭素を析出する四ハロゲン化炭素化合物のいずれか１種の明白な流量において形成される校正層（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）のドーピング移動度プロダクトを比較すること、
ｂ）本質的に一定のドーピング移動度プロダクトを形成するために前記の相対的流量で表面上に有機金属および四ハロゲン化炭素化合物を流すこと（ここで前記の流量は析出期間中に変化して、それにより傾斜する半導体層中に本質的に直線状に傾斜したバンドギャップを形成する）、
の段階を含んで成る、本質的にバンドギャップの直線状の傾斜、および第１面から層をとおって第２面まで本質的に一定のドーピング移動度プロダクトを有する傾斜半導体層を形成する方法。
【請求項５２】
接合デバイスの製造中に第２の半導体層上に傾斜層を析出する段階を更に含む、請求項５１の方法。
【請求項５３】
第２の半導体層がコレクター層である、請求項５２の方法。
【請求項５４】
第２の半導体層がエミッター層である、請求項５２の方法。
【請求項５５】
傾斜半導体層がガリウム、インジウムおよびヒ素を含み、そして本質的に一定のドーピング移動度プロダクトを形成するための四ハロゲン化炭素の析出速度を決定する有機金属化合物が有機−インジウム化合物を含む、請求項５１の方法。
【請求項５６】
四ハロゲン化炭素がＣＢｒ４である、請求項５５の方法。
【請求項５７】
有機金属化合物が更に窒素ソースのガスを含む、請求項５６の方法。
【請求項５８】
傾斜半導体層がそこに析出される第２の半導体層がＧａＡｓを含む、請求項５７の方法。
【請求項５９】
ベース層上に第３の半導体層を析出させる段階を更に含む、請求項５８の方法。
【請求項６０】
第３の半導体層がＩｎＧａＰである、請求項５９の方法。
【請求項６１】
各校正層のドーピング−移動度プロダクトがバンドギャップに関連しており、そこでドーピング−移動度プロダクトと組み合わせて、傾斜層の第１面および第２面のバンドギャップが前記の傾斜半導体層の析出に必要な有機金属および四ハロゲン化炭素の流量の相対的比率に校正されるであろう、請求項５８の方法。
【請求項６２】
前記のバンドギャップが、ベース層として前記の校正層を使用することにより、ＧａＡｓに対して接合デバイスのベース−エミッター電圧として校正される、請求項６１の方法。
【請求項６３】
形成される傾斜半導体ベース層がヘテロ接合バイポーラトランジスター中のベース層である、請求項６２の方法。
【請求項６４】
有機金属および四ハロゲン化炭素の流量が、形成される傾斜ベース層のバンドギャップを、前記のヘテロ接合バイポーラトランジスターのベース−エミッター接合部からベース−コレクター接合部に減少させる、請求項６３の方法。
【請求項６５】
請求項５１の方法により製造される半導体材料。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０００年、１１月２７日出願の米国特許仮出願第６０／２５３，１５９号の利益を請求する、２００１年、１１月２７日出願の米国特許出願第０９／９９５，０７９号の部分係属出願である、２００２年４月１０日出願の米国特許出願第１０／１２１，４４４号の係属出願であり、それらすべての教示がそれら全体を本明細書中に取り入れられている。本出願はまた、２００２年、４月５日出願の米国特許仮出願第６０／３７０，７５８号および２００２年、４月１０日出願の米国特許仮出願第６０／３７１，６４８号の利益を請求し、それらすべての教示がそれら全体を本明細書中に取り入れられている。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラ接合トランジスター（ＢＪＴ）およびヘテロ接合バイポーラトランジスター（ＨＢＴ）集積回路（ＩＣ）は様々な用途のために、特にワイアレス携帯電話、マイクロウェーブ計装のための電力増幅器および光ファイバー通信システムのための高速（＞１０Ｇｂｉｔ／ｓ）回路として重要な技術に開発されてきた。将来の需要は、より低い電圧での操作、より高い周波数性能（ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）、より高い電力の付加効率およびより低い価格での生産を伴なうデバイスを必要とすることが期待される。ＢＪＴもしくはＨＢＴのターンオン電圧（ｔｕｒｎ−ｏｎ  ｖｏｌｔａｇｅ）（Ｖｂｅ，ｏｎ）は特定の固定されたコレクター電流密度（Ｊｃ）を達成するのに要するベース−エミッター電圧（Ｖｂｅ）と定義される。ターンオン電圧は、そこで供給電圧がバッテリー工学および他の構成部品の電力需要により拘束される低い電力用途のためのデバイスの有用性を限定する可能性がある。
【０００３】
エミッター、ベースおよびコレクターが１種の半導体材料から製造されるＢＪＴとは異なり、ＨＢＴは、それからベースが製造される半導体材料よりエミッターの半導体材料が大きいバンドギャップ（「エネルギーギャップ」とも呼ばれる）を有する２種の異なる半導体材料から製造される。ベースからエミッターへのキャリヤー（ｃａｒｒｉｅｒ）の逆注入を妨げる障壁が形成されるために、これが、ＢＪＴ上でベースからコレクターへのキャリヤーの優れた注入効率をもたらす。ベースからコレクター中へのキャリヤーの注入効率の増加は、一定のベース−エミッター電圧においてコレクターの電流密度を増加するので、より小さいバンドギャップをもつベースを選択するとターンオン電圧を減少させる。
【０００４】
しかし、ＨＢＴはヘテロ接合における半導体材料のバンドのアラインメントの突然の不連続を有する不都合を被る可能性をもち、ＨＢＴのエミッター−ベース界面の伝導帯スパイクをもたらす可能性がある。この伝導帯スパイクの効果はベースからコレクターへの電子の運搬を阻害することである。従って、電子がベース中により長く滞在し、それが再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）レベルの増加およびコレクター電流増幅率（βｄｃ）の減少をもたらす。前記のように、ヘテロ接合バイポーラトランジスターのターンオン電圧は特定の固定されたコレクターの電流密度を達成するために要するベース−エミッター電圧と定義されるので、コレクターの電流増幅率を減少するとＨＢＴのターンオン電圧を有効に上昇させる。その結果、ターンオン電圧を低下させ、それにより低電圧操作デバイスを改良するためにはＨＢＴの半導体材料の加工における更なる改良が必要とされる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明はｎ−ドープコレクター、コレクター上に形成され、インジウムおよび窒素を含むIII−Ｖ材料から成るベース並びにベース上に形成されたｎ−ドープエミッターを有するＨＢＴを提供する。ベース層のIII−Ｖ材料は約１．５×１０１９ｃｍ−３〜約７．０×１０１９ｃｍ−３の炭素ドーパント濃度を有する。好ましい態様において、ベース層は元素のガリウム、インジウム、ヒ素および窒素を含む。インジウムおよび窒素の存在はＧａＡｓのバンドギャップに対して材料のバンドギャップを減少させる。更に、材料中のドーパント濃度は高く、面積抵抗率（ｓｈｅｅｔ  ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）（Ｒｓｂ）は低い。これらの因子は同等なドーパント濃度をもつＧａＡｓベース層を有するＨＢＴに比較してより低いターンオン電圧をもたらす。
【０００６】
好ましい態様において、III−Ｖ化合物材料系は式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙにより表わすことができる。材料中に少量の窒素が取り込まれると、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓのエネルギーギャップが実質的に低下することが知られている。更に、窒素はインジウムから反対方向に格子定数を押し出すために、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙ合金は、材料に、窒素に対する適当な比率のインジウムを添加することにより、ＧａＡｓに格子整合させて成長させることができる。従って、バンドギャップ増加をもたらす過剰な歪および材料の不適当な転位（ｍｉｓｆｉｔ  ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）を回避することができる。従って、窒素に対するインジウムの比率は歪を減少もしくは回避するように選択される。本発明の好ましい態様において、ＨＢＴのＧａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙベース層中では、ｘ＝３ｙである。
【０００７】
ＧａＡｓを有する通常のＨＢＴにおいては、電流増幅率は具体的にはエミッターへの正孔のより高い注入、より高い空間電荷（ｓｐａｃｅ  ｃｈａｒｇｅ）層の再結合電流およびベース中の可能なより短い拡散距離の結果として温度上昇とともに低下する。ＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＨＢＴにおいては温度上昇に伴なう電流増幅率の有意な増加が認められる（１℃の上昇毎に約０．３％）。この結果は温度上昇に伴なう拡散距離の増加と説明される。このような効果は、バンドの基底部の電子が少なくとも一部は局在化された状態に閉じ込められる場合に期待され、そして温度上昇とともに、それらはこれらの状態から、電子がより容易に拡散することができる他の状態に、熱により励起される。従って、ＧａＩｎＡｓＮを含むベース層を操作すると本発明のＨＢＴの温度特性を改善し、温度を補償するサブ回路の必要性を減少させる。
【０００８】
ＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＨＢＴはＧａＡｓベース層を有する通常のＨＢＴに比較して改善された共通のエミッター出力特性を有する。例えば、ＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＨＢＴはＧａＡｓベース層を有する通常のＨＢＴより低いオフセット電圧および屈曲点電圧（ｋｎｅｅ  ｖｏｌｔａｇｅ）を有する。
【０００９】
１態様において、トランジスターは、エミッターおよびコレクターがそれから加工された半導体材料と異なる半導体材料から成るベースを有する二重ヘテロ接合バイポーラトランジスター（ＤＨＢＴ）である。ＤＨＢＴの好ましい態様において、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙベース層は式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙにより表わすことができ、コレクターはＧａＡｓであり、エミッターはＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＧａＡｓから選択される。
【００１０】
本発明のもう１つの好ましい態様は、ベース層のエネルギーギャップ（Ｅｇｂ）の低下と組み合わせて伝導帯スパイクの高さを低下させるＨＢＴもしくはＤＨＢＴに関する。伝導帯スパイクはベース／エミッターヘテロ接合部もしくはベース／コレクターヘテロ接合部における伝導帯の不連続により誘起される。ベース層をエミッターおよび／もしくはコレクター層に格子整合させることにより格子の歪を減少させると伝導帯スパイクを減少させる。これは具体的にはベース層中の窒素およびインジウムの濃度を制御することにより実施される。ベース層は好ましくは、ｘが３ｙにほぼ等しい式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙを有する。
【００１１】
１態様において、ベースはコレクターでより小さいバンドギャップそしてエミッターでより大きいバンドギャップを有する傾斜バンドギャップ層を形成するように組成を傾斜させることができる。ベース層のバンドギャップは好ましくは、エミッターと接するベース層の表面におけるよりコレクターに接するベース層の表面で約２０ｍｅＶ〜約１２０ｍｅＶ低い。ベース層のバンドギャップはより好ましくは、ベース層を横切ってコレクターからエミッターに向かって直線状に変化する。
【００１２】
ＧａＡｓ半導体材料に対して窒素およびインジウムを添加すると、材料のバンドギャップを低下させる。従ってＧａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙ半導体材料はＧａＡｓより低いバンドギャップを有する。本発明の組成的に傾斜されたＧａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙベース層においては、ベース層のバンドギャップの減少はエミッターにおけるよりコレクターにおいて大きい。しかし、ベース層を横切るバンドギャップＧａＡｓに比較した平均バンドギャップの減少は具体的には約１０ｍｅＶ〜約３００ｍｅＶである。１態様においては、ベース層を横切るバンドギャップＧａＡｓに比較した平均バンドギャップ減少は具体的には約８０ｍｅＶ〜約３００ｍｅＶである。もう１つの態様においては、ベース層を横切るバンドギャップＧａＡｓに比較した平均バンドギャップ減少は、具体的には約１０ｍｅＶ〜約２００ｍｅＶである。この減少されたバンドギャップは、Ｖｂｅ，ｏｎにおける主要な決定因子はベース中の固有キャリヤーの濃度であるため、組成が傾斜されたＧａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙベース層を有するＨＢＴに対して、ＧａＡｓベース層を有するＨＢＴに対するよりも低いターンオン電圧（Ｖｂｅ，ｏｎ）をもたらす。固有キャリヤーの濃度（ｎｉ）は次の式：
ｎｉ＝ＮｃＮｖｅｘｐ（−Ｅｇ／ｋＴ）
から計算される。
【００１３】
前記の式において、Ｎｃは伝導帯状態の有効密度であり、Ｎｖは価電子帯状態の有効密度であり、Ｅｇはバンドギャップであり、Ｔは温度であり、そしてＫはボルツマン定数である。式から見ることができるように、ベース中の固有キャリヤーの濃度はベース中に使用される材料のバンドギャップにより大部分制御される。
【００１４】
ベース−エミッター界面におけるより大きいバンドギャップからベース−コレクター界面におけるより小さいバンドギャップまで、ベース層のバンドギャップを傾斜させることは準電界（ｑｕａｓｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｆｉｅｌｄ）を誘動し、それがｎｐｎバイポーラトランジスター中でベース層を横切って電子を加速させる。電界はベース層中の電子速度を増加し、ベース層移動時間を短縮し、それがＲＦ（高周波）性能を改善し、コレクターの電流増幅率（ｄｃ電流増幅率とも呼ばれる）を増加する。強度にドープされたベース層をもつＨＢＴの場合のｄｃ増幅率（βｄｃ）は中性のベース（ｎ＝１）中のバルク再結合により限定される。ｄｃ電流増幅率は式１：
【００１５】
【数１】
2005522883.tif 000003
【００１６】
から算定することができる。式（１）において、ｖはベース中の平均少数キャリヤーの速度であり、τはベース中の少数キャリヤーの寿命であり、そしてｗｂはベースの厚さである。ＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＨＢＴ中のベース層を適当に傾斜させることは、増加した電子速度により、非傾斜ＧａＩｎＡｓＮベース層に比較してβｄｃの有意な増加をもたらす。
【００１７】
ベース層の厚さにわたって傾斜されたバンドギャップを達成するためには、ベース層を、エミッターにより近位のベース層の第２面におけるより、コレクターにより近位のベース層の第１面のインジウムおよび／もしくは窒素の濃度が高いように調製される。インジウムおよび／もしくは窒素含量の変化は好ましくは、ベース層を横切って直線状に変化して、直線状に傾斜したバンドギャップをもたらす。ドーパント（例えば炭素）の濃度は好ましくは、ベース層中に一定に維持される。１態様において、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙベース層、例えばＤＨＢＴのベース層は、コレクターにおいてｘおよび３ｙが０．０１にほぼ等しく、エミッターにおいてほぼゼロまで傾斜するように傾斜される。もう１つの態様において、ｘの値がエミッターと接するベース層の表面におけるよりもコレクターと接するベース層の表面においてより大きいことを条件として、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙベース層は、コレクターと接するベース層の表面で約０．２〜約０．０２の範囲のｘ値からエミッターと接するベース層の表面の約０．１〜ゼロの範囲のｘ値まで傾斜される。この態様において、ｙはベース層をとおして一定に保つか直線状に傾斜することができる。ｙが直線状に傾斜する時は、ｙの値がエミッターと接するベース層の表面におけるよりもコレクターと接するベース層の表面においてより大きいことを条件として、ベース層はコレクターと接するベース層の表面における約０．２〜約０．０２の範囲のｙ値からエミッターと接するベース層の表面の約０．１〜ゼロの範囲のｙ値まで傾斜する。好ましい態様において、ｘはコレクターにおいて約０．００６であり、エミッターで約０．０１まで直線状に傾斜する。より好ましい態様においては、ｘはコレクターにおいて約０．００６であり，エミッターにおいて約０．０１まで直線状に傾斜し、そしてｙはベース層全体に約０．００１である。
【００１８】
もう１つの態様において、本発明は、本質的に直線状の傾斜したバンドギャップおよび、第１面から層をとおって第２面に本質的に一定のドーピング−移動度プロダクトを有する傾斜半導体層を形成する方法である。その方法は：
ａ）それぞれが周期律表のIII族もしくはＶ族からの原子を析出する有機金属化合物、もしくは炭素を析出する四ハロゲン化炭素化合物のいずれか１種の明確な流量において形成される校正層（ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ  ｌａｙｅｒｓ）のドーピング−移動度プロダクトを比較して、それにより本質的に一定のドーピング−移動度プロダクトを形成するのに要する相対的な有機金属化合物および四ハロゲン化炭素の流量を決定すること、並びに
ｂ）前記の相対的な流量で表面上に有機金属および四ハロゲン化炭素化合物を流して、本質的に一定のドーピング−移動度プロダクトを形成させること（ここで前記流量は析出期間中に変化して、それにより傾斜した半導体層をとおって本質的に直線状に傾斜したバンドギャップを形成する）、
を含む。
【００１９】
ベース層はまた、ドーパント濃度がコレクターの近位でより高く、ベースの厚さをとおしてベースエミッターのヘテロ接合部に向かって漸減するようにドーパント傾斜させることもできる。
【００２０】
伝導帯スパイクを最小にするもう１つの方法はヘテロ接合部に１種もしくはそれ以上の遷移層を含むことである。伝導帯スパイクを最小にするためには、低いバンドギャップ阻害層、傾斜バンドギャップ層、ドーピングスパイクもしくはそれらの組み合わせ物を有する遷移層を使用することができる。更に、ヘテロ接合部における材料上の格子歪を減少させるために、ベースとエミッターもしくはベースとコレクター間に１種もしくはそれ以上の格子−整合層が存在することができる。
【００２１】
本発明はまた、ＨＢＴおよびＤＨＢＴ加工法を提供する。その方法はｎ−ドープＧａＡｓコレクター上にガリウム、インジウム、ヒ素および窒素から成るベース層を成長させることを含む。ベース層は内部および／もしくは外部炭素ソースを使用して成長させて、炭素−ドープベース層を与えることができる。次にｎ−ドープエミッター層をベース層上に成長させる。ベース層に炭素ドーパントを与えるための内部および外部炭素ソースの使用は比較的高い炭素のドーパント濃度をもつ材料を形成する補助になることができる。具体的には、本発明の方法を使用することにより約１．５×１０１９ｃｍ−３〜約７．０×１０１９ｃｍ−３のドーパントレベルが達成される。好ましい態様においては、本発明の方法により約３．０×１０１９ｃｍ−３〜約７．０×１０１９ｃｍ−３のドーパントレベルが達成される。材料中のより高いドーパント濃度は材料の面積抵抗率およびバンドギャップを減少させる。従って、ＨＢＴおよびＤＨＢＴのベース層中のドーパント濃度が高いほど、デバイスのターンオン電圧は低い。
【００２２】
本発明はまた、ｘおよびｙがそれぞれ独立に約１．０×１０−４〜約２．０×１０−１である式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙにより表わされる材料を提供する。好ましくは、ｘは３ｙにほぼ等しい。より好ましくは、ｘおよび３ｙは０．０１にほぼ等しい。１態様において、材料は約１．５×１０１９ｃｍ−３〜約７．０×１０１９ｃｍ−３の濃度で炭素によりドープされる。具体的な態様において、炭素ドーパントの濃度は約３．０×１０１９ｃｍ−３〜約７．０×１０１９ｃｍ−３である。
【００２３】
ターンオン電圧の減少は標準の固定された電圧供給もしくは電池出力のいずれかにより拘束される有線および無線双方のＧａＡｓ−基板のＲＦ回路上の電圧使用量（ｂｕｄｇｅｔ）のより良い管理をもたらすことができる。ターンオン電圧を低下させることはまた、ＧａＡｓ−基板のＨＢＴにおける様々な基準電流のコンポーネント（ｂａｓｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）の相対的数字を変化させることもできる。接合部温度および適用応力の双方の関数としてのＤＣ電流増幅率の安定度は、基準電流コンポーネントの相対的数値に決定的に依存することが以前に示されている。低いターンオン電圧により可能にされた逆正孔注入（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｈｏｌｅ  ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）の減少はデバイスの温度安定性および長期信頼性の双方にとって好ましい。従って、高いドーパント濃度を有する、比較的歪のないＧａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙベース材料はＧａＡｓ−基板のＨＢＴおよびＤＨＢＴにおけるＲＦ性能を有意に高めることができる。
【００２４】
本発明の以上およびその他の目的物、特徴物および利点は、類似の参照文字が異なる図面中の同一部品を表わす付記の図面に示されるように、本発明の好ましい態様の以下のより具体的な説明から明白であろう。図面は必ずしも比例させたものでなく、本発明の原理を表わすことに力点を置いた。
【００２５】
III−Ｖ材料は周期律表のIII（Ａ）列からの少なくとも１種の元素および周期律表のＶ（Ａ）列からの少なくとも１種の元素を含んで成る格子（ｌａｔｔｉｃｅ）を有する半導体である。１態様において、III−Ｖ材料はガリウム、インジウム、ヒ素および窒素を含んで成る格子である。III−Ｖ材料は好ましくは、そこでｘおよびｙがそれぞれ独立に約１．０×１０−４〜約２．０×１０−１である式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙにより表わすことができる。ｘはより好ましくは３ｙにほぼ等しい。もっとも好ましい態様においてはｘおよび３ｙは約０．０１である。
【００２６】
本明細書で使用される用語「遷移層（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ  ｌａｙｅｒ）」はベース／エミッターヘテロ接合部間もしくはベース／コレクターヘテロ接合部間にある層を意味し、ヘテロ接合部の伝導帯スパイクを最小化する機能を有する。伝導帯スパイクを最小にする１方法は、遷移層のバンドギャップがベース／コレクターヘテロ接合部においてコレクターにもっとも近位の遷移層からベースにもっとも近位の遷移層に漸減する、一連の遷移層を使用することである。同様に、エミッター／ベースヘテロ接合部において、遷移層のバンドギャップはエミッターにもっとも近位の遷移層からベースにもっとも近位の遷移層に漸減する。伝導帯スパイクを最小にするもう１つの方法は傾斜バンドギャップを有する遷移層を使用することである。遷移層のバンドギャップは層のドーパント濃度を傾斜させることにより傾斜させることができる。例えば、遷移層のドーパント濃度はベース層の近位でより高く、コレクターもしくはエミッターの近位で漸減させることができる。あるいはまた、傾斜バンドギャップを有する遷移層を提供するために格子歪（ｌａｔｔｉｃｅ  ｓｔｒａｉｎ）を使用することができる。例えば、遷移層をベースと接する層の表面で格子歪を最小にし、コレクターもしくはエミッターと接する表面で格子歪を増加するように組成を傾斜させることができる。伝導帯スパイクを最小にするもう１つの方法はドーパント濃度中にスパイクを有する遷移層を使用することである。本発明のＨＢＴ中には伝導帯スパイクを最小にするための前記の１種もしくはそれ以上の方法を使用することができる。本発明のＨＢＴに適する遷移層にはＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮが含まれる。
【００２７】
格子整合層は異なる格子定数を有する材料上に成長される層である。格子整合層は具体的には約５００Å以下の厚さを有し、下に横たわる層の格子定数に本質的に適合する。それが歪を受けなかった場合には、これが、下に横たわる層のバンドギャップと格子整合材料のバンドギャップ間のバンドギャップ中間物（ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ）をもたらす。格子整合層形成法は当業者には周知であり、その教示が引用により本明細書中に取り入れられている、Ｆｅｒｒｙ外．，Ｇａｌｌｉｕｍ  Ａｒｓｅｎｉｄｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（１９８５），Ｈｏｗａｒｄ  Ｗ．Ｓａｍｓ  ＆  Ｃｏ．，Ｉｎｃ．Ｉｎｄｉａｎａｐｏｌｉｓ，Ｉｎｄｉａｎａのページ３０３〜３２８に見いだすことができる。本発明のＨＢＴの格子整合層に適する材料の１例はＩｎＧａＰである。
【００２８】
一定の組成のベース層をもつＨＢＴおよびＤＨＢＴ
本発明のＨＢＴおよびＤＨＢＴは適当な有機金属化学蒸着法（ＭＯＣＶＤ）のエピタキシャル成長システムを使用して調製することができる。適当なＭＯＣＶＤエピタキシャル成長システムの例はＡＩＸＴＲＯＮ  ２４００およびＡＩＸＴＲＯＮ  ２６００プラットフォームである。本発明の方法により調製されたＨＢＴおよびＤＨＢＴにおいては具体的には、インサイチューの酸化物脱着後に非ドープＧａＡｓバッフアー層を成長させることができる。例えば、高濃度のｎ−ドーパント（例えば、ドーパント濃度約１×１０１８ｃｍ−３〜約９×１０１８ｃｍ−３）を含むサブコレクター層は約７００℃の温度で成長させることができる。低濃度のｎ−ドーパント（例えば、ドーパント濃度約５×１０１５ｃｍ−３〜約５×１０１６ｃｍ−３）を含むコレクター層は約７００℃の温度でサブコレクター上に成長させることができる。サブコレクターおよびコレクターは好ましくは、ＧａＡｓである。サブコレクター層は具体的には約４０００Å〜約６０００Åの厚さを有し、コレクターは具体的には約３０００Å〜約５０００Åの厚さを有する。１態様において、サブコレクターおよび／もしくはコレクター中のドーパントはケイ素である。場合により、格子整合ＩｎＧａＰトンネル層が典型的な成長条件下でコレクター上に成長させることができる。格子整合層は一般に約５００Å以下、好ましくは、約２００Å以下の厚さを有し、約１×１０１６ｃｍ−３〜約１×１０１８ｃｍ−３のドーパント濃度を有する。
【００２９】
格子整合層が使用されない場合、１種もしくはそれ以上の遷移層を場合により格子整合層もしくはコレクター上に典型的な成長条件下で成長させることができる。遷移層はｎ−ドープＧａＡｓ、ｎ−ドープＩｎＧａＡｓもしくはｎ−ドープＩｎＧａＡｓＮから調製することができる。遷移層は場合により組成もしくはドーパントを傾斜させるかまたはドーパントスパイクを含むことができる。遷移層は具体的には約７５Å〜約２５Åの厚さを有する。格子整合もしくは遷移層のいずれも使用されなかった場合には、炭素ドープＧａＩｎＡｓＮベース層をコレクター上に成長させた。
【００３０】
ベース層は約７５０℃未満の温度で成長され、具体的には約４００Å〜約１５００Åの厚さである。好ましい態様においては、ベース層は約５００℃〜６００℃の温度で成長される。遷移層が使用されない場合には、炭素ドープＧａＩｎＡｓＮベース層を場合により遷移層もしくは格子整合層上に成長させることができる。ベース層は適当なガリウムソース（例えばトリメチルガリウムもしくはトリエチルガリウム）、ヒ素ソース（例えば、アルシン、トリブチルアルシンもしくはトリメチルアルシン）、インジウムソース（例えばトリメチルインジウム）および窒素ソース（例えばアンモニアもしくはジメチルヒドラジン）を使用して成長させることができる。ガリウムソースに対する低いモル比のヒ素ソースが好ましい。ガリウムソースに対するヒ素ソースのモル比は具体的には約３．５未満である。その比率はより好ましくは、約２．０〜約３．０である。窒素ソースおよびインジウムソースの量は約０．０１％〜約２０％のインジウムおよび約０．０１％〜約２０％の窒素から成る材料を得るように調整される。好ましい態様において、ベース層のインジウム含量は窒素含量の約３倍高い。より好ましい態様においては、インジウム含量は約１％であり、窒素含量は約０．３％である。本発明において、約１．５×１０１９ｃｍ−３〜約７．０×１０１９ｃｍ−３の高い炭素ドーパント濃度を有するＧａＩｎＡｓＮ層は外部炭素ソースの有機金属ソース、具体的にはガリウムソースを使用することにより得ることができる。適当な外部炭素ソースの１例は四臭化炭素である。四臭化炭素はまた、有効な外部炭素ソースでもある。
【００３１】
場合によりベースとエミッター間にｎ−ドープＧａＡｓ、ｎ−ドープＩｎＧａＡｓもしくはｎ−ドープＩｎＧａＡｓＮの１種もしくはそれ以上の遷移層を成長させることができる。ベースとエミッター間の遷移層は比較的軽くドープ（例えば、約１．５×１０１５ｃｍ−３〜約５．０×１０１６ｃｍ−３）され、場合によりドーパントスパイクを含む。遷移層は好ましくは約２５Å〜約７５Åの厚さである。
【００３２】
エミッター層はベース上、もしくは場合により遷移層上に約７００℃の温度で成長され、具体的には約４００Å〜約１５００Åの厚さである。エミッター層は例えば、ＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＡｓを含む。好ましい態様においては、エミッター層はＩｎＧａＰを含む。エミッター層は約１．０×１０１７ｃｍ−３〜約９．０×１０１７ｃｍ−３の濃度でドープすることができる。高濃度のｎ−ドーパント（例えば、約１．０×１０１８ｃｍ−３〜約９×１０１８ｃｍ−３）を含むＧａＡｓを含むエミッター−接触層は場合により約７００℃の温度でエミッター上に成長される。具体的には、エミッター接触層は約１０００Å〜約２０００Åの厚さである。
【００３３】
勾配をなしたインジウム組成および高濃度のｎ−ドーパント（例えば、約５×１０１８ｃｍ−３〜約５×１０１９ｃｍ−３）をもつＩｎＧａＡｓ層はエミッター接触層上に成長される。この層は具体的には約４００Å〜約１０００Åの厚さである。
【実施例１】
【００３４】
ベース層のバンドギャップを減少し、そして／もしくはエミッター／ベースヘテロ接合部における伝導帯スパイクを最小にする効果を表わすために、３種の異なる型のＧａＡｓ−基板のバイポーラトランジスター構造物：ＧａＡｓエミッター／ＧａＡｓベースＢＪＴ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよび本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ、を比較した。以下の実験に使用したＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ構造物の一般的表示は図１に示される。ベースとコレクターは双方ともＧａＡｓから形成されるのでエミッター／ベース界面に唯一のヘテロ接合部が存在する。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴのＧａＡｓベース層はＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴのベースより大きいバンドギャップを有する。エミッター、コレクターおよびベースはすべてＧａＡｓから製造されているので、ＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴはヘテロ接合部をもたない。従って、ＧａＡｓのＢＪＴ構造物は、たとえあるとしても、ベース−エミッター界面の伝導帯スパイクがＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴのコレクター電流特性にどんな影響を有するかを決定するための参照（ａ  ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）として使用される。図１のＤＨＢＴにおいて、ＩｎＧａＰは広いバンドギャップを有し、その伝導帯がＧａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙベースの伝導帯と整列する（ｌｉｎｅ  ｕｐ）ために、ＩｎＧａＰがＧａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙベースを含むエミッター材料として選択される。図１のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴとＩｎＧａＰを比較する。ＧａＡｓのＨＢＴは、より低いバンドギャップをもつベース層を有するコレクター電流密度に対する効果を決定するために使用される。
【００３５】
以下の考察に使用されるすべてのＧａＡｓデバイスはＭＯＣＶＤ−成長の炭素ドープベース層を有し、そこでドーパント濃度は約１．５×１０１９ｃｍ−３から約６．５×１０１９ｃｍ−３に変動し、厚さは約５００Åから約１５００Åに変動し、１００Ω／□と４００Ω／□間のベース面積抵抗率（Ｒｓｂ）をもたらした。大面積のデバイス（Ｌ＝７５μｍ×７５μｍ）は単純なウェット−エッチング法を使用して加工され、通常のベース形態で試験された。比較的少量のインジウム（ｘ〜１％）および窒素（ｙ〜０．３％）を徐々に添加して、ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴの２種の別の組を形成した。各組に対して、高い、均一な炭素ドーパント量（＞２．５×１０１９ｃｍ−３）、良好な移動度（〜８５ｃｍ２／Ｖ−ｓ）および高いｄｃ電流増幅率（Ｒｓｂ〜３００Ω／□において＞６０）を維持するように成長を最適化された。
【００３６】
匹敵するベースの面積抵抗率をもつＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴ、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴからの具体的なガンメル曲線を図２にプロットし、重ねた。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴのコレクター電流は、有効な一連の抵抗の差が電流−電圧特性に影響を与えるまで、５桁以上の数字（１０進法）の電流に対して識別不能であった。他方、ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴのコレクター電流は広いバイアス領域にわたり、１．７８Ａ／ｃｍ２のコレクター電流密度（Ｊｃ）において２５．０ｍＶのターンオン電圧の減少に相当する、ＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴおよびＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴのコレクター電流より２倍高かった。ＢＪＴにおける低−バイアス基部電流（ｎ＝２コンポーネント）の認められた増加は空間電荷再結合（ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ）におけるエネルギー−ギャップ作動増加と一致する。ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴにおけるベース電流の中性ベースの再結合コンポーネントはコレクター電流の増加、並びに少数キャリヤーの寿命の短縮もしくはキャリヤー速度（Ｉｎｂｒ＝ＩｃＷｂ／ｖｒ）の増加のために、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴにおけるより高く作動された。今日までに調製されたＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴデバイスは１１．５ｍＶのターンオン電圧の減少に相当する２３４Ω／□のベース面積抵抗率を有するデバイスに対し６８のピークｄｃ電流増幅率および２５．０ｍＶのターンオン電圧の減少に相当する、３０３０Ω／□のベース面積抵抗率を有するデバイスに対して６６のピークｄｃ電流増幅率を達成した。これはこれらの型の構造物に対して知られた最高の増幅率対ベースの面積抵抗率比率（β／Ｒｓｂ〜０．２−０．３）を表わす。Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙベースのエネルギー−ギャップの減少は低温（７７°Ｋ）の光ルミネセンスにより示されるようなターンオン電圧の観察された減少の原因である。ＤＣＸＲＤ測定値はベース層の格子不整合が最小（＜２５０ａｒｃｓｅｃ）であることを示す。
【００３７】
拡散限界内で、ベース−エミッター電圧（Ｖｂｅ）の関数としてのバイポーラトランジスターの理想コレクター電流密度は
Ｊｃ＝（ｑＤｎｎ２ｉｂ／ｐｂｗｂ）ｅｘｐ（ｑＶｂｅ／ｋＴ）            （２）
［ここで
ｐｂおよびＷｂはベースドーピングおよび幅であり、
Ｄｎは拡散係数であり、
ｎｉｂはベース中の固有キャリヤー濃度である］
として概算することができる。ベース層のエネルギー−ギャップ（Ｅｇｂ）の関数としてｎｉｂを表わし、ベースの面積抵抗率（Ｒｓｂ）に関してベースのドーピングと厚さの積（ｐｒｏｄｕｃｔ）を書き直すことにより、ターンオン電圧を、
Ａ＝（ｋＴ／ｑ）                                                      （４）
および
Ｖｏ＝Ｅｇｂ／ｑ−（ｋＴ／ｑ）Ｉｎ［ｑ２μＮｃＮｖＤｎ／Ｊｃ］        （５）
を伴なうベースの面積抵抗の対数関数
Ｖｂｅ＝−ＡＩｎ［Ｒｓｂ］＋Ｖｏ                                      （３）
［ここでＮｃおよびＮｖは伝導帯および価電子帯における状態の有効密度であり、μはベース層中の多数（ｍｊｏｒｉｔｙ）キャリヤーの移動度である］
として表わすことができる。
【００３８】
図３は幾つかのＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴおよびＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴに対するベースの面積抵抗率の関数としてＪｃ＝１．７８Ａ／ｃｍ２におけるターンオン電圧をプロットしている。伝導帯スパイクを全くもたないＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴ双方のターンオン電圧は等式（２）から期待されるベースの面積抵抗率に対して定性的に同様な対数依存性を示す。量的にはベースの面積抵抗率を伴なうベース−エミッター電圧（Ｖｂｅ）の変動は等式（３）により表わされたものより軽度である（０．０２５２ｍＶの代わりにＡ＝０．０１７４ｍＶ）。しかし、Ａのこの観察された減少は薄いベースのＧａＡｓバイポーラデバイスをとおる準バリスチック運搬と一致する。
【００３９】
ＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴの特性との比較により、コレクター電流が理想（ｎ＝１）動態を示すと、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴの伝導帯スパイクの有効な高さはゼロであることができるという結論に導く。従って、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴは本質的に全く伝導帯スパイクをもたないように設計することができる。同様な結果がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓのＨＢＴに対する先行する研究により認められた。固定されたベースの面積抵抗率に対するこれらのデバイスのターンオン電圧を更に低下させるためには、より低いエネルギーギャップをもつが伝導帯の連続性を依然として維持するベース材料の使用を必要とする。Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙは格子整合に近い状態を維持しながらＥｇｂを減少させるために使用することができる。図３に見られるように、２組のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴのターンオン電圧は、伝導帯スパイクがほぼゼロであることを示す、ベースの面積抵抗率に対する対数依存に従う。更に、ターンオン電圧は１組では１１．５ｍＶ、そして他の組（点線）では２５．０ｍＶだけＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴに認められたものから下方に移動される。
【００４０】
以上の実験は、ＧａＡｓ−基板のＨＢＴのターンオン電圧はＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ構造物を使用することによりＧａＡｓのＢＪＴのものより下に減少させることができることを示す。低いターンオン電圧は２種のキー段階により達成される。最初に、伝導帯がほぼ同一エネルギー準位にあるベースおよびエミッター半導体材料を選択することにより伝導帯スパイクを抑制するようにベース−エミッター界面を最適化させる。これはエミッター材料としてＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＡｓを、そしてベースとしてＧａＡｓを使用することにより有効に実施される。次にベース層のバンドギャップを低下させることによりターンオン電圧の更なる減少を達成した。これはベース層にインジウムおよび窒素の双方を添加することによりＨＢＴ構造物全体をとおして格子整合を依然として維持しながら達成された。適当な成長パラメーターにより、ベースドーピングもしくは少数キャリヤーの寿命（Ｒｓｂ＝２３４Ω／□においてβ＝６８）を著しく犠牲にすることなしに、コレクターの電流密度の２倍の増加を達成した。これらの結果は、Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙ材料の使用がＧａＡｓ−基板のＨＢＴおよびＤＨＢＴのターンオン電圧を低下させる方法を与えることを示す。ＧａＡｓ中のインジウムおよび窒素の取り込みは材料のバンドギャップを低下させるので、高いｐ−型のドーピング濃度が維持される場合にはより大きい百分率のインジウムおよび窒素がベース中に取り込まれるので、ＧａＡｓ基板のＨＢＴおよびＤＨＢＴ内のターンオン電圧のより大きい減少が期待される。
【００４１】
ターンオン電圧の観察された減少の原因であると推定される、ＧａＩｎＡｓＮベースにおけるエネルギー−ギャップの減少は低温（７７°Ｋ）の光ルミネセンスにより確証された。図４はＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴと通常のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴからの光ルミネセンススペクトルを比較している。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴからのベース層の信号は、高ドーピング−レベルと関連したバンド−ギャップ−狭隘化効果のために、コレクターよりも低エネルギー（１．４５５ｅＶ対１．５０７ｅＶ）において起る。１．４０８ｅＶで現れるＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴからのベース層信号は、バンド−ギャップ狭隘化効果およびベース層中へのインジウムおよび窒素の取り込みにより誘起されるベース層エネルギーギャップの減少のために減少される。この比較において、ドーピングレベルは匹敵するものであり、ベース層信号の位置における４７ｍｅＶの減少は、ＧａＡｓベースのエネルギーギャップと比較して、ＧａＩｎＡｓＮベースにおけるベース層エネルギーギャップの減少と同等であり得ることを示唆している。光ルミネセンス信号のこの移動はターンオン電圧の測定された４５ｍＶの減少と非常に良く相関する。伝導帯スパイクの不在においては、ターンオン電圧減少はベース層のエネルギーギャップの減少に直接相関させることができる。
【００４２】
図５に示したＤＣＲＸＤスペクトルはＧａＡｓ半導体への炭素ドーパントおよびインジウムの添加の効果を表わす。図５は匹敵するベースの厚さのＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴおよび標準のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴの双方からのＤＣＲＸＤスペクトルを示す。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴにおいてベース層は、４×１０１９ｃｍ−３の高い炭素ドーパント濃度から生成された引っ張り歪により、＋９０ａｒｃｓｅｃの位置にほぼ対応する、ＧａＡｓ基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）のピークの右側のショルダーとして認められる。インジウムの添加により、ベース層のピークはこの特定のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ構造物において−４２５ａｒｃｓｅｃにある。概括的に、ＧａＩｎＡｓＮベースと関連したピークの位置はインジウム、窒素および炭素濃度の関数である。ＧａＡｓに対するインジウムの添加は圧縮歪を付加するが、他方、炭素および窒素双方は引っ張り歪を補償する。
【００４３】
インジウム（および窒素）が炭素ドープＧａＡｓに添加される時に高いｐ−型ドーピング−レベルを維持するためには注意深い成長の最適化を必要とする。有効なドーピング−レベルの概算は、測定されたベースの面積抵抗率およびベースの厚さの値の組み合わせから得ることができる。ベースのドーピングはまた、最初にベース層の上部に選択的にエッチングし、次にＰｏｌａｒｏｎＣ−Ｖプロファイルを得ることにより確認することができる。図６はＧａＡｓベース層およびＧａＩｎＡｓＮベース層からのこのようなＰｏｌａｒｏｎＣ−Ｖドーピング−プロファイルを比較する。双方の例において、ドーピング−レベルは３×１０１９ｃｍ−３を越えた。
【００４４】
図７ａはエミッター／ベースとコレクター／ベース接合部間に遷移層（２０および３０）を使用する一定組成のＧａＩｎＡｓＮベース層（１０）を有するＤＨＢＴの代わりの構造物を示す。更に、格子整合ＩｎＧａＰトンネル層（４０）が遷移層とコレクター間に使用されている。
【００４５】
傾斜組成を有するベース層をもつＤＨＢＴ
傾斜組成を有するベース層を有するＤＨＢＴのすべての層は、トランジスターの１接合部から層をとおってもう１つの接合部への傾斜バンドギャップとしてのベース層を除いて、一定の組成をもつベースを有するＤＨＢＴと同様な方法で成長させることができる。例えば、炭素ドープされ、ボンドギャップ傾斜されたＧａＩｎＡｓＮベース層を、格子整合層も遷移層もいずれも使用されない場合には、コレクター上に成長させることができる。炭素ドープの傾斜ＧａＩｎＡｓＮベース層は場合によっては、遷移層が使用されなかった場合に、遷移層もしくは格子整合層上に成長させることができる。ベース層は約７５０℃未満の温度で成長させることができ、具体的には約４００Å〜約１５００Åの厚さである。１態様において、ベース層は約５００℃〜約６００℃の温度で成長させる。ベース層はガリウムソース（例えばトリメチルガリウムもしくはトリエチルガリウム）、ヒ素ソース（例えばアルシン、トリ（ｔ−ブチル）アルシンもしくはトリメチルアルシン）、インジウムソース（例えばトリメチルインジウム）および窒素ソース（例えばアンモニア、ジメチルヒドラジンもしくはｔ−ブチルアミン）を使用して成長させることができる。ガリウムソースに対するヒ素ソースの低いモル比が好ましい。具体的にはガリウムソースに対するヒ素ソースのモル比は約３．５未満である。より好ましくは、その比率は約２．０〜約３．０である。窒素ソースおよびインジウムソースの量はIII族元素の含量が約０．０１％〜約２０％のインジウムであり、Ｖ族元素の含量が約０．０１％〜約２０％の窒素である材料を得るように制御することができる。具体的な態様において、インジウムであるIII族元素の含量はベース−コレクター接合部の約１０％〜２０％から、ベース−エミッター接合部の約０．０１％〜５％に変化し、窒素であるＶ族元素の含量は約０．３％で本質的に一定である。もう１つの態様においては、ベース層の窒素含量はインジウム含量の約１／３に低い。一定の組成を有するＧａＩｎＡｓＮベース層に関して前記のように、約１．５×１０１９ｃｍ−３〜約７．０×１０１９ｃｍ−３の高い炭素ドーパント濃度を有するＧａＩｎＡｓＮ層はガリウムソースに加えて四ハロゲン化炭素のような外部炭素ソースを使用することにより達成することができると考えられる。使用される外部炭素ソースは例えば四臭化炭素であることができる。四塩化炭素も有効な外部炭素ソースである。
【００４６】
インジウムソースガスとして使用される有機インジウム化合物はガリウムソースガスとして使用される有機ガリウム化合物よりもＧａＩｎＡｓＮベース層に対して異なる量の炭素ドーパントをもたらすので、炭素ドーパントソースのガス流は具体的には組成の傾斜されるＧａＩｎＡｓＮベース層中に一定の炭素ドーピング濃度を維持するように、ベース層の成長中に制御される。１態様において、組成の傾斜されるベース層上の炭素ソースガス流の変化は以下に記載の方法を使用して測定される。
【００４７】
傾斜ＧａＩｎＡｓＮおよび／もしくは傾斜ＩｎＧａＡｓ半導体層の炭素およびトリメチルインジウムソースの流量校正法
それぞれの組が少なくとも２メンバーを含む少なくとも２組の校正ＨＢＴを調製する（ＤＨＢＴはＨＢＴの代わりに使用することができる）。ベース層の厚さは理想的には形成されたすべての校正ＨＢＴに対して同一であるが、必須ではなく、各ＨＢＴはＧａＩｎＡｓＮもしくはＧａＩｎＡｓベース層の一定の組成のような一定の組成および層全体にわたり一定の炭素ドーパント濃度を有する。各組は、各組のメンバーが異なる組のメンバーと異なるガリウム、インジウム、ヒ素および窒素組成を有するように、もう１種の組と異なるIII族もしくはＶ族の添加剤（III族のインジウムもしくはＶ族の窒素のような）のソースガス流量において成長される。例により、インジウムはバンドギャップの傾斜に影響を与える添加剤として使用されるであろう。具体的な組の各メンバーは、具体的な組の各メンバーが異なる炭素ドーパント量を有するように異なる外部炭素ソース（例えば四臭化炭素もしくは四塩化炭素）の流量において成長する。ドーピング＊移動度プロダクトは各メンバーにつき決定されて、炭素ソースの流量に対してグラフにされる。ドーピング＊移動度プロダクトは各組のメンバーに対し炭素ソースガスの流量と比例して変動する。５組のＨＢＴに対する、ドーピング＊移動度プロダクト対四臭化炭素の流量を図８にグラフにした。あるいはまた、各組の校正ＨＢＴを四臭化炭素のような炭素ソースガスの一定の流量を維持することにより形成することができ、各組の各別個の試料を他のソースのガスの流量に対する明白なIII族もしくはＶ族の添加剤の流量において形成することができた。
【００４８】
一定のドーピング＊移動度プロダクトを得るために要した炭素ソースガス対インジウムソースガスの流量は一定のドーピング＊移動度プロダクトにおける図８のグラフ上に線（例えば、ｘ−軸に平行な線）を描くことにより得られる。この線が各組の直線と交差する場所が、インジウムソースのガス流がその組の流量に設定される時のこのドーピング＊移動度プロダクト値を得るために要する外部炭素ソース流量を表わす。１個の一定のドーピング＊移動度プロダクトの値に対する外部炭素ソースガス流量対インジウムソースガス流量は図９のグラフに示されている。異なるドーピング＊移動度プロダクトの同様な線も同様にしてグラフにすることができる。
【００４９】
各ＨＢＴのコレクター電流はベース−エミッター電圧（Ｖｂｅ）の関数としてグラフにされ、得られた曲線をＧａＡｓベース層を有するが他の点では、それと匹敵する（例えば、同様のドーパント濃度、同様のベース、エミッターおよびコレクター層の厚さを有する、等）組中のメンバーと同様なＨＢＴのグラフと比較する。具体的なコレクター電流における曲線間の電圧の差異が、ベース層の形成中にインジウムおよび窒素の添加により誘起されたベース層のより低いエネルギーギャップに起因する、ベースエミッター電圧、Ｖｂｅの変化（ΔＶｂｅ）である。図１０はＧａＩｎＡｓＮベース層をもつＨＢＴおよびＧａＡｓのベース層をもつＨＢＴのＶｂｅの関数としてのコレクター電流のプロットを示す。２曲線間に引いた水平の矢印はΔＶｂｅである。すべての組の各メンバーのΔＶｂｅを決定し、炭素ソースガス流量に対してプロットする。図８のグラフを形成するために使用された５組のＨＢＴの各メンバーに対するΔＶｂｅ対四臭化炭素流量を図１１にプロットした。１組のメンバーのΔＶｂｅが、それに直線を適合させることができる組に対するΔＶｂｅの範囲に及ぶ（ｓｐａｎ）ことに注目されたい。次にこれらの線を使用して、具体的な１組の同一のインジウムソースガスの流量を使用して、しかしその組の他のメンバーとは異なる炭素ソースガスの流量により成長させることができる、ＨＢＴのΔＶｂｅ値を決定（外挿）する。
【００５０】
一定のドーピング＊移動度プロダクトのΔＶｂｅは、一定のドーピング＊移動度プロダクトの外挿ΔＶｂｅがインジウムソースガスの流量の関数としてプロットされる時に見られるように、インジウムソースガスの流量の関数として直線状に変化する。図１２は図１１に使用された５組のこのプロットを示す。
【００５１】
図１２に示したグラフはベース−エミッターおよびベース／コレクター接合部における所望のΔＶｂｅを得るために要するインジウムソースガス流を決定するために使用される。インジウムソースガス流が一旦決定されると、図９を使用して、そのインジウムソースガス流において所望のドーパント＊移動度プロダクトを得るために要した炭素ソースガス流を決定する。同様な方法に従って、組成の傾斜されるＧａＩｎＡｓもしくはＧａＩｎＡｓＮ層中に所望の一定のドーパント＊移動度プロダクトを維持するためのベース−コレクター接合部における所望のインジウムソースガス流および炭素ソースガス流を決定する。インジウムソースガス流および炭素ソースガス流は、ベース層が、所望のバンドギャップ傾斜を有する直線状に傾斜するベース層を得るためにこれらの接合部におけるこれらのソースガスに対して決定された値まで、ベース−コレクター接合部からベース−エミッター接合部に成長される時に、ガリウムおよびヒ素量に対して直線状に変化する。
【実施例２】
【００５２】
以下の考察に使用されたすべてのＧａＡｓデバイスは、そこでドーパント濃度が約３．０×１０１９ｃｍ−３から約５．０×１０１９ｃｍ−３迄変化し、その厚さが約５００Åから１５００Å迄変化し、１００Ｗ／□と６５０Ｗ／□の間のベース面積抵抗率（Ｒｓｂ）をもたらす、ＭＯＣＶＤ−成長の、炭素−ドープベース層であった。大面積デバイス（Ｌ＝７５ｍｍ×７５ｍｍ）は単純なウェット−エッチング法を使用して加工され、通常のベース構造において試験された。比較的少量のインジウム（ｘ〜１％〜６％）および窒素（ｙ〜０．３％）は徐々に添加されて、別の２組のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴを形成した。各組に対し、比較的高い、均一な炭素ドーパント量（＞２．５×１０１９ｃｍ−３）、良好な移動度（〜８５ｃｍ２／Ｖ−ｓ）および高いｄｃ電流増幅率（Ｒｓｂ〜３００Ｗ／平方において＞６０）を維持するように成長を最適化した。組成の傾斜するＧａＩｎＡｓＮベース層を有する以下の実験に使用されたＤＨＢＴの構造は図１３に示す。傾斜する組成のベース層を有するＤＨＢＴのそれに代わる構造物は図７ｂおよび７ｃに示す。対照として以下の実験に使用された一定組成のＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴの構造物は図１４に示す。
【００５３】
図１５は匹敵するターンオン電圧およびベース面積抵抗を伴なう一定および傾斜ベースのＤＨＢＴからのガンメルプロットを示す。一定のベース構造物よりファクター２以上も高くなることができるピークｄｃ電流増幅率を示すベース電流のニュートラルの（ｎｅｕｔｒａｌ）のベースコンポーネントは、傾斜するベース構造物におけるものより有意に低い。図１６は様々な厚さを有する同様な一定および傾斜ＤＨＢＴ構造物からのベースの面積抵抗率の関数としてのｄｃ電流増幅率を比較している。増幅率対ベース面積抵抗率の比率の増加は容易に明白である。ＤＨＢＴの増幅率対ベース面積抵抗率の比率は使用された成長条件および構造物全体の具体的な詳細に左右されるが、一定のベース層をもつＤＨＢＴに対して傾斜ベース層をもつＤＨＢＴのｄｃ電流増幅率の恒常的な５０％〜１００％の増加が認められた。
【００５４】
図１７および１８は、２種の一定のベース構造物に対して、傾斜ベース構造物からのガンメルプロットおよび増幅率曲線を比較している。第１の一定のベース構造物のベースの組成はベース−エミッター接合部の傾斜ベースのベース層の組成に対応する。第２の一定のベース構造物のベース組成はベース−エミッター接合部における傾斜ベースのベース層の組成に対応する。傾斜ベース構造物のターンオン電圧は牽引エンドポイント（ｔｏｗ  ｅｎｄｐｏｉｎｔ）構造物間の中間であるが、ベース−エミッターのエンドポイントの方向に加重される。傾斜ベース構造物のｄｃ電流増幅率はエンドポイント構造物より５０％と９５％の間高く、ｄｃ電流増幅率の増加の大部分は電子速度増加からもたらされることを示す。
【００５５】
ウェファー上ＦＦ試験を２フィンガーの４μｍ×４μｍエミッター面積デバイス（ｅｍｉｔｔｅｒ  ａｒｅａ  ｄｅｖｉｃｅｓ）上のＨＰ８５１０Ｃパラメーター分析装置を使用して実施した。開放された短い構造物を使用して寄生パッド（ｐａｄ  ｐａｒａｓｉｔｉｃ）を脱埋め込みし（ｄｅ−ｅｍｂｅｄｄｅｄ）、小信号電流増幅率の−２０ｄＢ／１０進スロープ（Ｈ２１）を使用して電流増幅率カットオフ振動数（ｆｔ）を外挿した。図１９は双方の構造物に対するコレクター電流密度（Ｊｃ）とのｆｔとの関連を要約している。図２０は１つの具体的なバイアス地点における小信号増幅率対振動数を表わす。Ｊｃが増加し、ベース移行時間（ｔｂ）が全移行時間に制限的役割を果たし始ると、傾斜ベース構造物のより厚いベースの厚さにもかかわらず、傾斜ベース構造物のｆｔが一定の組成の構造物よりも著しく大きくなる（一定のベース層は６０ｎｍ厚さであるが傾斜ベース層は８０ｎｍである）。６０ｎｍの一定組成のＧａＩｎＡｓＮベースのピークｆｔは５３ＧＨｚであり、他方８０ｎｍの組成の傾斜するＧａＩｎＡｓＮベースは６０ＧＨｚのピークｆｔを有する。従って、電流増幅率のカットオフ振動数は１３％だけ増加する。
【００５６】
一定および傾斜ＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴのＲＦの結果を相互におよび通常のＧａＡｓのＨＢＴと、より良く比較するために、図１９からのｆｔ値を、トランジスターに適用することができるゼロ−インプット−電流−破壊電圧（ＢＶｃｅｏ）の関数としてプロットした。このプロットを文献に引用された通常のＧａＡｓのＨＢＴのピークもしくはピーク近位のｆｔ値と比較した。このデータは異なるエピタキシャル構造物、デバイスサイズおよび試験条件を使用する多数の群から集計され、現在の産業の標準の意味を与えることのみを意図されるので、通常のＧａＡｓのＨＢＴのｆｔ値のかなり広範な分布が期待された。ＢＶｃｂｏはもっともしばしば、図２１に示されるコレクターの厚さ（Ｘｃ）、ＢＶｃｂｏおよびＢＶｃｅｏ間の関連を想定することにより、引用されたコレクター厚さから算定しなければならなかった。図２１には更に、コレクターの空間電荷層をとおる移行時間（τｓｃｌｃ）が電子飽和（ドリフト）速度（Ｖｓ）を介して単にＸｃに関連すると推定することにより，ＢＶｃｅｏへのｆｔの期待依存性の３種の簡単な計算が示されている。基準線の計算において、１０００ÅのＧａＡｓベース層に対するモンテカルロ（Ｍｏｎｔｅ−Ｃａｒｌｏ）の計算から期待されるように、τｂは１．１１５ｐｓであると推定され、残りのエミッターおよびコレクター移行時間の合計（τｅ＋τｃ）は０．９５ｐｓとして採用された。
【００５７】
図２１の試験は、一定組成のＧａＩｎＡｓＮのｆｔは通常のＧａＡｓ−基板のＨＢＴに期待された範囲の全く外側ではないが、それは明らかに分布の最下端上にあることを示す。傾斜ベース構造物は明らかに改善される。第２の計算（２／３だけ減少されたτｂをもつ基準線）は、一定組成の構造物に対して約５０％だけベースの移行時間が減少されたことを示唆している。これは、１／２×４／３＝２／３のτｂの減少をもたらすためにはベースの厚さの３３％増加と組み合わせた、速度の２×の増加が期待されるので、一定組成のベース層に比較して、傾斜ベース層においてはキャリヤーの速度の２×の増加が達成されたことを示す。第３の計算（τｂは１／３そして（τｅ＋τｃ）は１／２だけ減少された基準線）は、改善されたデバイス配置図およびサイズとともに、薄いそして／もしくは傾斜されたベースの構造物が使用される状況を概算する（τｂ、τｅおよびτｃを最少化するための）。
【実施例３】
【００５８】
増幅器の効率を改善し、それにより運転電圧を低下し、バッテリーの寿命を延長させるために、オフセット電圧（ＶＣＥ，ｓａｔ）およびニー（ｋｎｅｅ）電圧（Ｖｋ）を減少することが望ましい。オフセット電圧の低下の１方法はベース／エミッターおよびベース／コレクターのダイオード対のターンオン電圧の非対称性を最少にすることである。広いバンドギャップコレクターを有するＤＨＢＴは低いＶＣＥ，ｓａｔ値をもたらすことが示されたが、ベース／コレクターヘテロ接合部においてはポテンシャル障壁を制御することは困難なので、これは実際により高いＶｋに導き、効率を減少させる。
【００５９】
高いバンドギャップを有する薄層（トンネリングコレクター）の挿入はＶＣＥ，ｓａｔおよびＶｋにデバイスの効率改善を同時に減少させた。図２２は傾斜ＧａＩｎＡｓＮベース層およびトンネリングコレクターを有するＤＨＢＴのスキーム図を示す。ベース層はエミッターとコレクター接合部間に約４０ｍｅＶのバンドギャップエネルギー差が存在するように傾斜された。１００Å厚さのトンネリングコレクターをベースと、高バンドギャップ材料Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｐから成るコレクター間に製造した。図２３は図２２のＤＨＢＴのバンドギャップ図を示す。ＤＨＢＴは大面積デバイス（Ｌ＝７５μｍ×７５μｍ）として簡単なウェット−エッチング法を使用して製造され、通常のベースおよび通常のエミッター構造で試験された。図２４はガンメルプロットを示し、図２５は図２２のＤＨＢＴに対する共通のエミッターの特性を示す。図２４および２５から見られるように、そのデバイスは約０．１２Ｖの低いオフセット電圧を有する。
均等物
本発明はその好ましい態様に関して示され、具体的に説明されてきたが、付記の特許請求の範囲に包含される本発明の範囲から逸脱せずに、形態および詳細の様々な変更をその中で実施することができることは当業者により理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】ｘが３ｙにほぼ等しい、本発明の好ましい態様のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ構造物を表わす。
【図２】本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ並びに先行技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴに対するターンオン電圧の関数としてのベース電流とコレクター電流をグラフで表わすガンメル（Ｇｕｍｍｅｌ）曲線である。
【図３】本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ並びに先行技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＧａＡｓ／ＧａＡｓのＢＪＴに対するベースの面積抵抗の関数としてのターンオン電圧（Ｊｃ＝１．７８Ａ／ｃｍ２における）のグラフ表示である。
【図４】双方が１０００Åの公称のベース厚さをもつ、本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮＤＨＢＴおよび先行技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴの７７°Ｋにおいて測定された光ルミネセンススペクトルを表わす。光ルミネセンスはＩｎＧａＰエミッターの上部で選択的に停止することにより、ＩｎＧａＡｓおよびＧａＡｓキャップ層をエッチング後に測定した。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴおよびＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ双方のｎ−型ＧａＡｓコレクターのバンドギャップは１．５０７ｅＶであった。ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴのｐ−型ＧａＡｓベース層のバンドギャップは１．４５５ｅＶであり、他方ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのｐ−型ＧａＩｎＡｓＮベース層のバンドギャップは１．４０８ｅＶであった。
【図５】双方が１５００Åの公称のベース厚さを有する、本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴおよび先行技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴの二重結晶ｘ−線回折（ＤＣＸＲＤ）スペクトルを示す。ベース層ピークの位置が際立つ。
【図６】本発明のＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴおよび先行技術のＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴ中のベース層の厚さ中のキャリヤー濃度を表わすポラロン（Ｐｏｌａｒｏｎ）Ｃ−Ｖプロファイルである。ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮＤＨＢＴおよびＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴ双方が１０００Åの公称のベース厚さを有する。双方のポラロンプロファイルはベース層の上部に選択的にエッチング後に得られる。
【図７Ａ】エミッターとベース間の遷移層および遷移層およびコレクターとベース間の格子整合層を有する好ましいＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴを表わす。
【図７Ｂ−７Ｃ】組成が傾斜するベース層を有する、代わりのＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＤＨＢＴ構造物を表わす。
【図８】一定のインジウムソースガスの流量で成長させた炭素ドープされたＧａＩｎＡｓＮベース層中の四臭化炭素の流量の関数としてのドーピング＊移動度プロダクトのグラフである（「ＴＭＩＦ」はトリメチルインジウムの流量である）。
【図９】炭素ドープされた、組成が傾斜するＧａＩｎＡｓＮベース層を成長させる間に一定のドーピング＊移動度プロダクトを得るために必要な、四臭化炭素の流量に対するＴＭＩＦのグラフである。
【図１０】ＩｎＧａＰ／ＧａＩｎＡｓＮのＨＢＴがＩｎＧａＰ／ＧａＡｓのＨＢＴよりも低いターンオン電圧を有することを示すグラフである。
【図１１】一定のＴＭＩＦで成長させた炭素ドープＧａＩｎＡｓＮベース層の四臭化炭素流量に対するΔＶｂｅのグラフである。
【図１２】ＴＭＩＦに対するΔＶｂｅのグラフである。
【図１３】実施例２の実験に使用された、組成が傾斜するベース層を有するＤＨＢＴの構造物である。
【図１４】実施例２の実験に使用された、一定の組成のベース層を有するＤＨＢＴの構造物である。
【図１５】一定の組成のＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴを、組成の傾斜するＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴに比較するガンメル（Ｇｕｍｍｅｌ）曲線である。
【図１６】組成が傾斜するＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴに対する、一定の組成のＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴのベースの面積抵抗の関数としてのＤＣ電流増幅率のグラフである。
【図１７】一定の組成のＧａＩｎＡｓＮベース層を有する２種のＤＨＢＴに対して、組成が傾斜するＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴを比較するガンメル曲線である。
【図１８】一定の組成のＧａＩｎＡｓＮベース層を有する２種のＤＨＢＴに対して、組成が傾斜するＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴのコレクターの電流密度の関数としてのＤＣ電流増幅率を比較するグラフである。
【図１９】組成の傾斜するＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴに対して、一定の組成のＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴのコレクター電流密度の関数としての外挿電流増幅率カットオフ振動数を比較するグラフである。
【図２０】組成の傾斜するＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴに対して、一定の組成のＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴの振動数の関数としての小信号電流増幅率を比較するグラフである。
【図２１】ＧａＡｓベース層を有する通常のＨＢＴに対する一定の組成のＧａＩｎＡｓＮベース層および組成の傾斜するＧａＩｎＡｓＮベース層を有するＤＨＢＴのＢＶｃｅｏの関数としてのピークｆｔのグラフである。
【図２２】傾斜ＧａＩｎＡｓＮベース層およびトンネリングコレクターを有するＤＨＢＴの組成を示す表である。
【図２３】図２２に示したＤＨＢＴのエネルギーバンドギャップの図である。
【図２４】図２２に示したＤＨＢＴのガンメル曲線である。
【図２５】図２２に示したＤＨＢＴの通常のエミッターの特性を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年6月29日(2004.6.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）ｎ−ドープコレクター、
ｂ）III−Ｖ材料がインジウムおよび窒素を含み、ベースが炭素でドープされ、そしてベースがベース層上に一定のドーピング−移動度プロダクトを含み、ここでベースはコレクターでより小さいバンドギャップそしてエミッターでより大きいバンドギャップを有するベース層を形成するように組成が傾斜されており、コレクター上に形成されたIII−Ｖ材料を含んで成るベース、並びに
ｃ）ベース上に形成されたｎ−ドープエミッター、
を含んで成る、ヘテロ接合バイポーラトランジスター。
【請求項２】
ベースが１．５×１０１８ｃｍ−３〜７．０×１０１９ｃｍ−３の濃度の炭素でドープされている、請求項１のトランジスター。
【請求項３】
ベースが元素のガリウム、インジウム、ヒ素および窒素を含んで成る、請求項２のトランジスター。
【請求項４】
コレクターがＧａＡｓであり、エミッターがＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰもしくはＡｌＧａＡｓであり、そしてトランジスターが二重ヘテロ接合バイポーラトランジスターである、請求項３のトランジスター。
【請求項５】
コレクターと接しているベース層の表面におけるベース層のバンドギャップ（ｂａｎｄ  ｇａｐ）が、エミッターと接しているベース層の表面におけるバンドギャップより２０ｍｅＶと１２０ｍｅＶの間の範囲の量だけ低い、請求項３のトランジスター。
【請求項６】
ベース層のバンドギャップがコレクターと接しているベース層の表面からエミッターと接しているベース層の表面に直線状に傾斜される、請求項５のトランジスター。
【請求項７】
傾斜されたベース層の平均バンドギャップの減少がＧａＡｓのバンドギャップよりも２０ｍｅＶと約３００ｍｅＶの間の範囲だけ少ない、請求項６のベース層。
【請求項８】
傾斜されたベース層の平均バンドギャップ減少がＧａＡｓのバンドギャップよりも８０ｍｅＶと３００ｍｅＶの間の範囲内だけ少ない、請求項７のベース層。
【請求項９】
傾斜されたベース層の平均バンドギャップ減少がＧａＡｓのバンドギャップより２０ｍｅＶと２００ｍｅＶの間の範囲だけ少ない、請求項７のベース層。
【請求項１０】
ベース層が、ｘおよびｙがそれぞれ独立に１．０×１０−４〜２．０×１０−１である式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙの層を含んで成る、請求項４のトランジスター。
【請求項１１】
ｘが３ｙに等しい、請求項１０のトランジスター。
【請求項１２】
コレクターにおけるｘがエミッターにおけるものより大きいことを条件として、コレクターにおけるｘが０．２〜０．０２の範囲内の値を有し、そしてエミッターにおいては０．１〜ゼロの範囲内の値に傾斜される、請求項１０のトランジスター。
【請求項１３】
ｘがコレクターで０．０６であり、エミッターで０．０１である、請求項１２のトランジスター。
【請求項１４】
ベース層が４００Å〜１５００Åの厚さであり、１００Ω／平方〜４００Ω／平方の面積抵抗率（ｓｈｅｅｔ  ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）を有する、請求項１１のトランジスター。
【請求項１５】
エミッター中のｎ−ドーパントが３．５×１０１７ｃｍ−３と４．５×１０１７ｃｍ−３の間の濃度範囲内に存在し、コレクター中のｎ−ドーパントの濃度が９×１０１５ｃｍ−３と２×１０１６ｃｍ−３の間の範囲内にある、請求項１４のトランジスター。
【請求項１６】
エミッターおよびコレクターがケイ素によりドープされている、請求項１５のトランジスター。
【請求項１７】
エミッターが５００Å〜７５０Åの厚さであり、コレクターが３５００Å〜４５００Åの厚さである、請求項１６のトランジスター。
【請求項１８】
ベースとコレクターの間に配置された第１の遷移層を更に含んで成り、ここで前記第１の遷移層がベースの第１の面と接する第１面を有し、そしてここで第１の遷移層がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮから成る群から選択されるｎ−ドープ材料を含む、請求項１７のトランジスター。
【請求項１９】
エミッターの第１の面と接する第１面およびベースの第２の面と接する第２面を有する第２の遷移層を更に含んで成り、ここで第２の遷移層がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮから成る群から選択されるｎ−ドープ材料を含む、請求項１７のトランジスター。
【請求項２０】
コレクターの第１の面と接する第１面および第１の遷移層の第２の面と接する第２面を有する格子整合層（ｌａｔｔｉｃｅ−ｍａｔｃｈｅｄ  ｌａｙｅｒ）を更に含んで成り、ここで格子整合層が広帯域バンドギャップ材料である、請求項１７のトランジスター。
【請求項２１】
格子整合層がＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａｐおよびＡｌＧａＡｓから成る群から選択される、請求項２０のトランジスター。
【請求項２２】
第１および第２の遷移層が４０Å〜６０Åの厚さである、請求項１９のトランジスター。
【請求項２３】
第１および第２の遷移層が４０Å〜６０Åの厚さであり、格子整合層が１５０Å〜２５０Åの厚さである、請求項２０のトランジスター。
【請求項２４】
ａ）各校正層が周期律表のIII族もしくはＶ族からの原子を析出する有機金属化合物または炭素を析出する四ハロゲン化炭素化合物のいずれかの明白な流量において形成される少なくとも２枚の校正層を形成すること、
ｂ）周期律表のIII族もしくはＶ族からの原子を析出する前記有機金属化合物または炭素を析出する前記四ハロゲン化炭素化合物のいずれか１種の流量に対して、校正層のドーピング−移動度プロダクトを比較し、それにより一定のドーピング−移動度プロダクトを形成するのに要する相対的有機金属化合物および四ハロゲン化炭素の流量が決定されること、並びに
ｃ）前記の相対的流量で表面上に有機金属および四ハロゲン化炭素化合物を流動して一定のドーピング−移動度プロダクトを形成すること（ここで前記流量は析出中変化して、それにより傾斜半導体層中に直線状に傾斜されたバンドギャップを形成する）、
の段階を含んで成る、第１面から層をとおって第２面への傾斜バンドギャップおよび一定のドーピング−移動度プロダクトを有する、炭素−ドープされた傾斜半導体層の形成法。
【請求項２５】
バンドギャップが直線状に傾斜される、請求項２４の方法。
【請求項２６】
接合デバイスの製造中に第２の半導体層上に傾斜層を析出する段階を更に含む、請求項２５の方法。
【請求項２７】
第２の半導体層がコレクター層である、請求項２６の方法。
【請求項２８】
第２の半導体層がエミッター層である、請求項２６の方法。
【請求項２９】
傾斜半導体層がガリウム、インジウムおよびヒ素を含み、そして一定のドーピング移動度プロダクトを形成するための四ハロゲン化炭素の析出速度を決定する有機金属化合物が有機−インジウム化合物を含む、請求項２４の方法。
【請求項３０】
四ハロゲン化炭素がＣＢｒ４もしくはＣＣｌ４である、請求項２９の方法。
【請求項３１】
有機金属化合物が更に窒素ソースのガスを含む、請求項３０の方法。
【請求項３２】
傾斜半導体層がそれに析出される第２の半導体層がＧａＡｓを含む、請求項３１の方法。
【請求項３３】
ベース層上に第３の半導体層を析出する段階を更に含む、請求項３２の方法。
【請求項３４】
第３の半導体層がＩｎＧａＰである、請求項３３の方法。
【請求項３５】
各校正層のドーピング−移動度プロダクトがバンドギャップに関連しており、そこでドーピング−移動度プロダクトと組み合わせて、傾斜層の第１面および第２面のバンドギャップが前記の傾斜半導体層の析出に必要な有機金属および四ハロゲン化炭素の流量の相対的比率に校正されるであろう、請求項３２の方法。
【請求項３６】
前記のバンドギャップが、ＧａＡｓに関して、ベース層として前記の校正層を使用することにより接合デバイスのベース−エミッター電圧として校正される、請求項３５の方法。
【請求項３７】
形成された傾斜半導体ベース層がヘテロ接合バイポーラトランジスター中のベース層である、請求項３６の方法。
【請求項３８】
有機金属および四ハロゲン化炭素の流量が、生成された傾斜ベース層のバンドギャップを、前記のヘテロ接合バイポーラトランジスターのベース−エミッター接合部からベース−コレクター接合部に向かって減少させる、請求項３７の方法。
【請求項３９】
傾斜半導体ベース層のガリウムソースがトリメチルガリウムおよびトリエチルガリウムから選択される、請求項３７の方法。
【請求項４０】
窒素ソースがアンモニア、ジメチルヒドラジンおよび第三級ブチルアミンである、請求項３９の方法。
【請求項４１】
ガリウムソースに対するヒ素ソースの比率が２．０〜３．５である、請求項４０の方法。
【請求項４２】
ベースが７５０℃未満の温度で成長される、請求項４１の方法。
【請求項４３】
ベースが５００℃から６００℃の温度で成長される、請求項４２の方法。
【請求項４４】
ベース層が、そこでｘおよびｙがそれぞれ独立に１．０×１０−４〜２．０×１０−１である式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙの層を含んで成る、請求項４２の方法。
【請求項４５】
ｘが３ｙに等しい、請求項４４の方法。
【請求項４６】
コレクターがＧａＡｓを含み、エミッターがＩｎＧａＰ、ＡｌＩｎＧａＰおよびＡｌＧａＡｓから成る群から選択される材料を含み、そしてトランジスターが二重ヘテロ接合バイポーラトランジスターである、請求項４４の方法。
【請求項４７】
ベース層を成長させる前にコレクター層上にｎ−ドープの第１の遷移層を成長させる段階を更に含んで成り、そしてここでベース層がｎ−ドープ第１の遷移層上に成長され、そして第１の遷移層が傾斜バンドギャップもしくはコレクターのバンドギャップより小さいバンドギャップを有する、請求項４４の方法。
【請求項４８】
第１の遷移層がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮから成る群から選択される、請求項４７の方法。
【請求項４９】
ｎ−ドープエミッター層を成長させる前に、ベース上に第２の遷移層を成長させる段階を更に含んで成り、ここで第２の遷移層がベースの第１の面と接する第１面およびエミッターの面と接する第２面を有し、そして第２の遷移層がエミッターのドープ濃度より少なくとも数字１桁小さいドープ濃度を有する、請求項４８の方法。
【請求項５０】
第２の遷移層がＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｓＮから成る群から選択される、請求項４９の方法。
【請求項５１】
形成された第１の遷移層、第２の遷移層もしくは第１および第２の遷移層双方がドーピングスパイクを有する、請求項５０の方法。
【請求項５２】
ｎ−ドープされた第１の遷移層を成長させる前に、コレクター上に格子整合層を成長させる段階を更に含んで成り、ここで格子整合層がコレクターの第１の面と接する第１面および第１の遷移層の第２の面と接する第２面を有する、請求項５０の方法。
【請求項５３】
格子整合層がＩｎＧａＰを含む、請求項５２の方法。
【請求項５４】
請求項２４の方法により製造される半導体材料。
【請求項５５】
材料の組成が式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙにより表わされ、ｘおよびｙがそれぞれ独立に材料の第１面の比較的大きい値から材料の第２面の比較的小さい値に傾斜され、そして材料が第１面から層をとおり第２面まで一定の炭素ドーピング−移動度プロダクトを有する、ガリウム、インジウム、ヒ素および窒素を含んで成る材料。
【請求項５６】
ｘおよびｙの少なくとも一方が直線状に傾斜されている、請求項５５の材料。
【請求項５７】
ｘが材料の第２面から材料の第１面に向かって０．０１から０．０６に直線状に傾斜される、請求項５６の材料。
【請求項５８】
材料の組成が式Ｇａ１−ｘＩｎｘＡｓ１−ｙＮｙにより表わされ、ｘが材料の第１面の比較的大きい値から材料の第２の面の比較的小さい値に傾斜され、そしてｙが材料全体にわたり一定のままであり、そして材料が、第１面から層をとおり第２面に炭素ドーピング−移動度プロダクトを有する、ガリウム、インジウム、ヒ素および窒素を含んで成る材料。
【請求項５９】
ｘが直線状に傾斜される、請求項５８の材料。
【請求項６０】
ｘが０．０１から０．０６に直線状に傾斜され、そしてｙが材料の第２面から材料の第１面まで０．００１である、請求項５９の材料。
【国際調査報告】
2005522883.tif 000032
2005522883.tif 000033
2005522883.tif 000034
2005522883.tif 000035