(57)【要約】  ベース−エミッタターンオン電圧が低いこと、ベース−コレクタ接合に電子ブロッキング不連続性がないことという所望の特性を持つダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造体。これらの特性は、両方の階段遷移が、バンドギャップの伝導帯端部ではなくバンドギャップの価電子帯端部の遷移によるようにベース、エミッタ及びコレクタ材料を選択して、ヘテロ接合で階段遷移を示すバンドギャッププロフィールを提供することによって達成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造体であって、
基板；
前記基板上に形成された半導体コレクタ層；
前記コレクタ層の上に形成された半導体ベース層；及び
前記ベース層の上に形成された半導体エミッタ層を含み、
前記ベース−エミッタヘテロ接合は、前記ベース層と前記エミッタ層との間に形成され、ベース−コレクタヘテロ接合は前記ベース層と前記コレクタ層との間に形成される；
前記構造体は、伝導帯端部と価電子帯端部によって画定されるバンドギャッププロフィールをもつ；
前記バンドギャッププロフィールは、前記ベース層、エミッタ層及びコレクタ層が隔離されているとみなされる場合、ベース−エミッタへテロ接合とベース−コレクタヘテロ接合で階段遷移を形成し、この階段遷移は、それぞれの場合で価電子帯端部であるが、伝導帯端部ではない階段遷移によって画定される；
構造体層が接合しているとみなされる場合、バンドギャッププロフィールは、低いベース−エミッタターンオン電圧を提供し、ベース−コレクタヘテロ接合では電子トラッピングがない、前記構造体。
【請求項２】
請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造体であって、
前記エミッタとコレクタ層がn-型燐化インジウム(InP)である；及び
前記ベース層が、p-型砒化インジウムアルミニウムガリウム(InAlGaAs)である、前記構造体。
【請求項３】
請求項２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造体であって、前記ベース層が所望のバンドギャッププロフィールを提供するために、In0.53(Al0.42Ga0.58)0.47Asとして配合される、前記構造体。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
本発明は、一般にヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)、特にダブルHBT構造体及びかかる構造体で所望の特性を達成するための方法に関する。手短に言えば、背景として、ヘテロ構造体とは、その化学組成が構造体の場所によって異なる半導体構造体として定義することができる。もっとも簡単なヘテロ構造はたった一つのヘテロ接合、すなわち半導体結晶内にひとつの界面をもち、化学組成がその界面を横切って変化する。例としては、アンチモン化ガリウム(GaSb)と砒化インジウム(InAs)半導体の間の接合と、燐化インジウム(InP)と砒化インジウムガリウム(InGaAs)との間の接合とが挙げられる。二つのヘテロ接合をもつ一般的なヘテロ構造体は、ダブルHBT(double  HBT)、すなわちDHBTと称される。DHBTの電気的性能特性は、デバイスのヘテロ接合の性質に大きく依存する。
【０００２】
理論的には、理想的なヘテロ接合は、ある平面が存在し、それを横切って結晶中で関連する原子の同一性が急激に変わる半導体結晶からなる。実際には、結晶系によっては、原子的に急激な界面に近いもの(close  approximation)になる。他の結晶では、界面付近に結晶欠陥を含む急峻でない界面(非階段界面：non-abrupt  interface)がある場合がある。半導体へテロ接合界面は、界面付近で物質のひとつの化学組成が徐々に変化することによって、設計によって急峻でないようにすることができる。そのような界面は、傾斜ヘテロ接合(graded  heterojunction)と称される。
【０００３】
HBT構造体の理論及び設計における重要な概念は、エネルギーバンド構造である。特に、「伝導帯」、「価電子帯」及び「バンドギャップ」の概念及び相互関係を定義することが重要である。半導体において、伝導帯は、伝導に寄与するために電子を促進しなければならない最初の空のエネルギー帯である。価電子帯は、電子の価電子結合(valence  bonding)のプロセスで共有される電子を含むエネルギーバンドである。半導体では、価電子帯は満たされており、その中の電子は伝導帯のレベルに励起されなければ、伝導に有意に寄与することはできない。このバンドギャップは、価電子帯の上部と伝導帯の底部との間の「禁止」エネルギー帯である。通常、電子はバンドギャップ内のエネルギーと安定な状態ではない。HBT性能を予想し分析するのに有用なツールは、エネルギーバンド線図(diagram)であり、これはデバイス内のバンドギャップエネルギーの量対位置をプロットする。バンドギャップの上部端(伝導帯の底部)は通常、一般的なエネルギー基準(reference)に対して測定してエネルギーEcを有するものと称され、バンドギャップの下部端(価電子帯の上部)は、通常、同一エネルギー基準に対して、エネルギーEvを有するものと称される。
【０００４】
ヘテロ接合の両側の材料では、バンドギャップは通常異なっている。したがって、バンドギャップの端の少なくともひとつにおける電荷キャリヤエネルギーは、これらのキャリヤがヘテロ接合を通して通過するときに変化しなければならない。これらの不連続性は、ヘテロ接合にこれらのバンドが整列するまたは位置がずれる様式に依存して、伝導帯、価電子帯または両方に存在することがある。ヘテロ接合アライメント（位置合わせ）は、タイプＩ、タイプIIまたはタイプIIIとして技術文献では分類されることがある。タイプIヘテロ接合は、材料のひとつのバンドギャップが他方のバンドギャップ内に完全に含まれているものである。これは、「ストラドリング(straddling)」関係と称されることがある。タイプIIのヘテロ接合では、ひとつのバンドギャップが部分的に他方のバンドギャップと重なり、これは「ねじれ型(staggered)」関係と称されることがある。タイプIIIのヘテロ接合では、隣接するバンドギャップはまったく重ならず、これは「損傷ギャップ(broken-gap)」関係と称されることがある。
【０００５】
図１〜３は、従来法のDHBT構造体のバンドギャップ線図の例である。図１は、エミッタとコレクタ材料が両方とも燐化インジウム(InP)であり、ベース材料が砒化インジウムガリウム(InGaAs)である、タイプI階段（abrupt）接合npn  DHBT構造体のバンドギャップ線図の対である。バンドギャップ線図の左側部分には、材料が隔離されているときの材料のバンドギャップを示し、線図の右側部分には、二つのヘテロ接合で「接合」されたときの材料のバンドギャップを示す。もちろん、エピタキシャルプロセスによって単結晶として構造全体が形成されるので、そのままでは「接合(joining)」段階はないことは理解されよう。それぞれの場合において、水平軸はヘテロ接合界面に対して法線方向で測定した、デバイス内の位置をプロットする。
【０００６】
ヘテロ接合の両側の材料が「接合されている」とき、電荷キャリヤは接合を横切ってながれ、フェルミエネルギーが材料の中の何処においても同一になるまで、空間電荷をつくる。接合から遠く離れた位置では、バンドギャップ線図は変わらないままである。バンドギャップ線図のこの状態を表すためには、最初に、二つのフェルミエネルギーレベルを並べる(図には示されていないが、常にバンドギャップ内のどこかに落ちる)。ついで、バンドギャップの端部を新しい配列に適応させなければならないが、それぞれの材料のバンドギャップを一定に維持する。図１に示されているように、場合によっては、伝導バンド端部または価電子バンド端部に不連続性または尖点(cusp)を導入することなく、これを実施することは不可能である。ベース−エミッタ接合の尖点によって、高いベース−エミッタターンオン（turn-on）電圧となる。というのも、接合を横切って伝導される前に、電子は特定のエネルギーを持たなければならないからである。ベース−コレクタ接合の尖点によって、電子遮蔽効果(electron  blocking  effect)が生じ、電子が低いベース−コレクタ電圧でベース領域からコレクタに輸送されないようにする。これらの現象のどれもがデバイス性能では不都合な作用である。というのも、これらはエミッタ−ベースとベース−コレクタ接合の両方で大きなバイアス電圧を必要とするからである。
【０００７】
タイプＩデバイスの傾斜接合を図２に示す。この構造体では、エミッタ材料は砒化インジウムアルミニウム(InAlAs)であり、ベース材料は砒化インジウムガリウム（InGaAs）であり、コレクタ材料は燐化インジウム(InP)である。エミッタ−ベース接合の漸進的な材料の遷移によって、電源導入時の電圧が低くなり、傾斜ベース−コレクタ接合によって電子遮蔽作用が軽減する。しかしながら、得られたバンドギャップ線図は、コレクタの伝導帯でかなり落下して、コレクタ出口に通過してしまうような電子を遮蔽することがある。したがって、このデバイス構造体の重大な欠点は、ベースからコレクタへの電子遮蔽が、小さなベース−エミッタバイアス電圧でもまだ起きるということである。実際には、傾斜接合を使用すると、尖点または不連続の大きさが小さくなるが、ある程度まではまだ存在している。
【０００８】
タイプIIヘテロ接合HBT構造体を図３に示す。このエミッタ材料は燐化インジウム(InP)であり、ベース材料はアンチモン化ガリウム砒素(GaAsSb)であり、コレクタ材料は燐化インジウム(InP)である。ベース材料の選択によって、エミッタとコレクタ伝導帯レベルの伝導帯よりも上にベース伝導帯が上昇する。これによって電子がベースからコレクタへもっと自由に通過できる。しかしながら、欠点は、階段InP/GaAsSbヘテロ接合を製造するのが困難であることと、エミッタ−ベースターンオン電圧が上昇するため、大きなエミッタ−ベースバイアス電圧を使用しなければならない。
【０００９】
これらの記載してきたような従来法のDHBT構造体の全てが重大な欠点をもつことが理解されよう。したがって、これらの欠点を持たないDHBT構造体がいまだに必要とされている。本発明はこの要求に応えるものである。
【００１０】
発明の概要
本発明は、従来法の問題点を回避する所望のバンドギャッププロフィールをもつダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタ(DHBT)に関する。手短に言えば、そして一般用語では、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造体は、基板；前記基板上に形成された半導体コレクタ層；前記コレクタ層の上に形成された半導体ベース層；及び前記ベース層の上に形成された半導体エミッタ層を含む。ベース−エミッタヘテロ接合は、ベース層とエミッタ層との間に形成され、ベース−コレクタヘテロ接合は、ベース層とコレクタ層との間に形成される。この構造体は、伝導帯端部と価電子帯端部によって画定されるバンドギャッププロフィールをもつ。ベース層、エミッタ層及びコレクタ層が隔離されているとみなされる場合、バンドギャッププロフィールは、ベース−エミッタヘテロ接合とベース−コレクタへテロ接合で急峻な遷移となり、この急峻な遷移はそれぞれの場合において、価電子帯端部中ではあるが、伝導帯端部ではない急峻な遷移によって画定される。この構造体層が接合されているとみなされる場合、バンドギャッププロフィールは、低いベース−エミッタターンオン電圧を提供し、ベース−コレクタ層で電子を遮蔽しない。
【００１１】
より具体的には、エミッタ層とコレクタ層はn-型燐化インジウム(InP)であり；ベース層は、その伝導帯端部で実質的に接合遷移(junction  transition)を持たない所望のバンドギャッププロフィールを提供するように配合された、p-型砒化インジウムアルミニウムガリウム(InAlGaAs)である。本発明の、現在好ましい態様では、ベース層は所望のバンドギャッププロフィールを提供するためにIn0.53(Al0.42Ga0.58)0.47Asとして配合される。
【００１２】
本発明が、DHBT構造体の分野で重要な技術的躍進を遂げることは上記のことから理解されよう。特に、本発明は、低いベース−エミッタターンオン電圧であり、ベース−コレクタ接合で電子を遮蔽しないDHBT構造体を提供する。本発明の他の側面及び好都合な点は、付記図面と組み合わせて、以下の本発明の詳細な記載から明らかになるだろう。
【００１３】
発明の詳細な説明
説明の目的のために図面に示されているように、本発明は、ダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタ(DHBT)構造体に関する。本明細書の背景の部分に記載したように、DHBT構造体の重要な特徴は、構造体の中のさまざまな場所での伝導帯と価電子帯エネルギーレベルを示す、バンドギャップ線図またはプロフィールを構築することによって説明することができ、理解することができる。特に、これらの線図は、構造体のヘテロ接合の中でバンドギャップがどのように変化しているかを示す。すでに上述したように、図１〜３に説明されたような従来法のDHBT構造体には大きな欠点がある。特に、図１のタイプI階段接合構造体は、比較的大きなベース−エミッタターンオン電圧であり、ベース−コレクタ接合の中の電子の流れを完全に遮蔽する。したがって両方の接合で比較的大きなバイアス電圧が必要である。図２のタイプI傾斜接合構造体は、これらの問題の作用を軽減するが、ベース−エミッタ電子をまだかなり遮蔽するので、ベース−コレクタ接合で大きなバイアス電圧が必要である。図３のタイプII階段接合構造体は、ベース−コレクタ接合での電子の遮蔽を防ぐが、まだ、ベース−エミッタ接合で大きなターンオン電圧が必要なので、高品質で成長させるのは難しい。
【００１４】
本発明にしたがって、バンドギャップの伝導帯端部を両方のヘテロ接合を通して比較的一定レベルに維持しつつ、バンドギャップの価電子帯端部でのみ階段接合不連続をもつバンドギャッププロフィールがDHBT構造体に提供される。
【００１５】
説明のために、図４は、DHBT構造体の典型的な断面図を示す。好適な半導体基板１０から出発して、特に燐化インジウム(InP)のn-型コレクタ層１２がエピタキシャル的に形成される。p-型ベース層１４はコレクタ層１２の上に形成され、n-型エミッタ層１６は前記ベース層の上に成長する。電気的接触は、エミッタ接触層１８、コレクタ接触層２０とベース接触層２２を介してデバイスで形成される。好ましくはこのエミッタ層１６も燐化インジウムであり、ベースは、式：In0.53(Al0.42Ga0.58)0.47As中に砒化インジウムアルミニウムガリウムを含む。図４に示されている層のエピタキシャル成長は、当業界で公知の多くの具体的な半導体製造法のどれによっても実施することができる。
【００１６】
本発明の構造体のバンドギャップ線図を図５に示す。図５の左側の部分から、エミッタ、ベース及びコレクタが隔離されたとみなされる場合、バンドギャップの伝導帯端部は、構造体の二つのヘテロ接合で本質的に同じであることに注目すべきである。バンドギャップの価電子帯端部は、エミッタからベースへの接合を通して急峻なエネルギー増加を示し、ベースからコレクタへの接合を通しては同じように急激に減少する。図面の右側に示されている「接合」構造体のバンドギャッププロフィールはエミッタからベースへの遷移で伝導帯で比較的にスムーズな上昇を示し、低いターンオン電圧となり、ベースからコレクタへの遷移の伝導帯ではスムーズに降下する。どの遷移にも尖点も不連続もなく、ベース−コレクタ接合での電子遮蔽作用もないので、小さなバイアス電圧で非常に効率的な操作が可能になる。実際、本発明の構造体では、図１と図２に示されている二つのタイプI構造体の好都合な点を組み合わせている。さらに、選択的エッチング剤がInPとInAlGaAs材料の両方に関して利用可能であるので、このデバイスは、傾斜接合デバイスよりも製造しやすい。デバイスは、GaAgSb層及びInP/GaAgSbヘテロ接合を成長させるときに発生する実際的な問題点のため、図３に示されているタイプII構造体よりも成長させるのも容易である。
【００１７】
本発明はDHBT構造体の分野で大きな技術的前進を示すことが上記より理解されるだろう。特に、本発明は、低いベース−エミッタターンオン電圧と、ベース−エミッタ接合付近で電子を遮蔽しないという望ましい特徴を持つデバイスを提供する。本発明の具体的な態様を説明の目的のために詳細に説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく種々の変形が可能であることは理解されよう。したがって、本発明は付記請求の範囲によってのみ制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、従来法のタイプＩの階段接合ＤＨＢＴに関するバンドギャップ線図である。
【図２】図２は、従来法のタイプＩの傾斜接合ＤＨＢＴに関するバンドギャップ線図である。
【図３】図３は、従来法のタイプII階段接合ＤＨＢＴに関するバンドギャップ線図である。
【図４】図４は、典型的なＤＨＢＴ構造体の断面図である。
【図５】図５は、本発明に従った階段接合ＤＨＢＴのバンドギャップ線図である。
【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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【国際調査報告】
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