(57)【要約】【課題】ベース層へのＨ＋の混入を抑え、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）のコレクタ電流初期通電時に電流ゲインが良化する電流ゲイン初期変動を抑制する。【解決手段】半絶縁性ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ＋−ＧａＡｓサブコレクタ層１０２、ｎ−ＧａＡｓコレクタ層１０３、カーボンをドープしたｐ＋−ＧａＡｓベース層１０４、ＧａＡｓの格子定数に整合したｎ−ＩｎＧａＰ水素ストッパ層１０５、ｎ−ＩｎＧａＰエミッタ層１０６、ｎ−ＧａＡｓエミッタ層１０７、ｎ＋−ＧａＡｓエミッタ層１０８、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ−Ｇｒａｄｉｎｇ層１０９、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓキャップ層１１０のエピタキシャル層を順に形成してＨＢＴを構成する。【選択図】図１
2008098414.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に対して、少なくともコレクタ層とベース層とエミッタ層とが順に積層されてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記ベース層よりも上層に水素ストッパ層を設けたことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項２】
基板に対して、少なくともコレクタ層とベース層とエミッタ層とが順に積層されてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記ベース層よりも上層に水素トラップ層を設けたことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項３】
前記水素ストッパ層が、前記ベース層と該ベース層よりエネルギーギャップが大きな前記エミッタ層との間に挿入され、燐を用いた材料からなり、前記エミッタ層よりキャリア濃度が高くｎ型ドーピングされたものであることを特徴とする請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項４】
前記水素トラップ層が、ベース層上に形成され、かつ該ベース層よりエネルギーギャップが大きなＩｎＧａＰからなり、該ＩｎＧａＰにｎ型ドーパントの他にカーボンがドーピングしたものであることを特徴とする請求項２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項５】
前記水素ストッパ層のキャリア濃度を、５×１０１７乃至５×１０１８ｃｍ−３であり、かつ膜厚が５０乃至２５０Åの範囲に設定したことを特徴とする請求項３記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項６】
前記水素ストッパ層の材料が、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＡｌＧａＰのいずれか１つであることを特徴とする請求項３または５記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項７】
前記水素トラップ層におけるカーボンのドーピング濃度を５×１０１７乃至５×１０１９ｃｍ−３の範囲に設定したことを特徴とする請求項４記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項８】
前記水素ストッパ層に、前記ｎ型ドーパントの他にカーボンを５×１０１７乃至５×１０１９ｃｍ−３をドーピングしたことを特徴とする請求項３，５または６記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに係り、特に、そのエピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、電界効果トランジスタに比べて低歪増幅動作、かつ単一電源動作が可能であり、近年の移動体通信や光通信システムのキーデバイスとなっている。
【０００３】
ＨＢＴのエピタキシャル基板は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）や有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）などの方法により作製される。特に、ＭＯＣＶＤで成長したエピタキシャル基板を用いたＨＢＴでは、コレクタ電流の初期通電時に電流ゲイン（ベース電流に対するコレクタ電流利得）が良化する現象（以下、電流ゲイン初期変動という）が見られる。この電流ゲイン初期変動は、デバイスの信頼性の問題やＨＢＴを回路に用いたときに、バイアスポイントの変動が生じるなど、回路動作上の不安定性の原因となってしまう。
【０００４】
図４は従来のＧａＡｓ系ＨＢＴの断面図であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板４０１上に、ｎ＋−ＧａＡｓサブコレクタ層４０２（膜厚＝６０００Å、ｎ＝５×１０１８ｃｍ−３）、ｎ−ＧａＡｓコレクタ層４０３（膜厚＝６０００Å、ｎ＝５×１０１６ｃｍ−３）、カーボンをドープしたｐ＋−ＧａＡｓベース層４０４（膜厚＝１０００Å、ｐ＝４×１０１９ｃｍ−３）、ＧａＡｓの格子定数に整合したｎ−ＩｎＧａＰエミッタ層４０５（膜厚＝３００Å、ｎ＝３×１０１７ｃｍ−３）、ｎ−ＧａＡｓエミッタ層４０６（膜厚＝５００Å、ｎ＝３×１０１８ｃｍ−３）、ｎ＋−ＧａＡｓエミッタ層４０７（膜厚＝５００Å、ｎ＝５×１０１８ｃｍ−３）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ−Ｇｒａｄｉｎｇ層４０８（膜厚＝５００Å、ｎ＝０．５〜１×１０１９ｃｍ−３）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓキャップ層４０９（膜厚＝５００Å、ｎ＝１×１０１９ｃｍ−３）のエピタキシャル層を順に形成することにより構成されている。
【０００５】
さらに、トランジスタ製造工程において、コレクタ電極４１０、ベース電極４１１およびエミッタ電極４１２を形成している。また、エミッタ層４０５をＩｎＧａＰとして説明したが、ベース層４０４のＧａＡｓよりエネルギーギャップが広いＡｌＧａＡｓを用いている従来例もある。
【０００６】
このＨＢＴのエピタキシャル基板のエピタキシャル層を作製する原料としては、例えば、ＧａにはＧａ（ＣＨ３）３（トリメチルガリュウム）、ＩｎにはＩｎ（ＣＨ３）３（トリメチルインジウム）、ＡｓにはＡｓＨ３（アルシン）、ＰにはＰＨ３（フォスフィン）を使用できる。サブコレクタ層４０２からエミッタ層４０７のｎ型のドーパントにはＳｉ２Ｈ６（ジシラン）あるいはＳｉＨ４（シラン）、また、Ｇｒａｄｉｎｇ層４０８からキャップ層４０９のｎ型のドーパントの原料としてはＳｉ２Ｈ６（ジシラン）、Ｈ２Ｓｅ（セレン化水素）、Ｔｅ（ＣＨ３）２（ジメチルテルル）を使用できる。また、ベース層４０４のｐ型ドープにはＣＢｒ４（テトラブロモメタン）あるいはＩＩＩ族原料のメチル基からＣ（カーボン）を取り込むドーピングを使用できる。
【非特許文献１】「ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ  ＯＮ  ＥＬＥＣＴＲＯＮ  ＤＥＶＩＣＥＳ」  ＶＯＬ．４４  ＮＯ．１１．  Ｎｏｖ．  １９９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来例として例示したＨＢＴでは、前述のようにコレクタ電流の初期通電によって、電流ゲイン初期変動を生じてしまう。この電流ゲイン初期変動は、非特許文献１によると、ベース層にはａｓ−ｇｒｏｗｎ状態ではＣ−とＨ＋からなる中性のカーボン−水素複合体（Ｃ−Ｈ）および水素イオン（Ｈ＋）が存在し、コレクタ電流の初期通電時に、エミッタ層からベース層に少数キャリアである電子が注入されることにより、ベース層におけるＣ−Ｈ複合体が２つの電子と反応してＨ＋はＨ−となり（式１参照）、ベース層のその他のＨ＋と水素分子を形成し、エピタキシャル層中から放出されるのが原因と記載されている。したがって、ＨＢＴでの電流ゲイン初期変動は、コレクタ電流の初期通電のときのこれらの現象によって、ベース層内の状態が変化し、電流ゲインが良化すると考えられる。
Ｃ−＋Ｈ＋＋２ｅ−→Ｃ−＋Ｈ−‥‥‥‥（式１）
また、前述のベース層中のＣ−はドーパントで意図的にドーピングしたものであるが、Ｈ＋は意図せず混入したものであって、これはベース層成長時やエミッタ層４０５以上のエミッタ層を成長する際、ここではエミッタ層４０６からエミッタ層４０７のＧａＡｓエミッタ層成長時に、原料として使用するＡｓＨ３を起源とする水素ラジカルが、ベース層４０４へ拡散することが原因していると考えられている。
【０００８】
以上より、電流ゲイン初期変動を抑制するためには、ベース層へのＨ＋の混入を抑えなければならない。
【０００９】
本発明の目的は、前記従来の技術の課題を解決し、ベース層へのＨ＋の混入を抑え、ＨＢＴのコレクタ電流初期通電時に電流ゲインが良化する電流ゲイン初期変動を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明は次の手段を用いる。
【００１１】
第１の手段は、請求項１に記載のＨＢＴであって、ベース層よりも上層に水素ストッパ層を設けることを特徴とし、第２の手段は、請求項２に記載のＨＢＴであって、ベース層よりも上層に水素トラップ層を設けることを特徴とする。
【００１２】
第１の手段について、水素ストッパ層は、請求項３に記載のように、ベース層と該ベース層よりエネルギーギャップが大きなエミッタ層との間に挿入され、燐を用いた材料からなり、前記エミッタ層よりキャリア濃度が高くｎ型ドーピングされたことを特徴とする。これによって、ベース層上にエミッタ層を成長する際に、原料として使用するＡｓＨ３を起源とする水素ラジカルが水素ストッパ層で進入抑制され、ベース層へ拡散することを抑制する。
【００１３】
なお、請求項５に記載のように、水素ストッパ層のキャリア濃度は５×１０１７乃至５×１０１８ｃｍ−３であり、かつ膜厚が５０乃至２５０Åの範囲にあることが効果の点で望ましい。
【００１４】
また、請求項６に記載のように、ベース直上に用いる水素ストッパ層の材料としては、ＡｓＨ３を用いずに成長できるＩｎＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＡｌＧａＰなど燐系の材料を用いる。
【００１５】
第２の手段について、水素トラップ層は、請求項４に記載のように、ベース層上にあり、ベース層よりエネルギーギャップが大きなＩｎＧａＰからなり、該ＩｎＧａＰにｎ型ドーパントの他にカーボンをドーピングしたことを特徴とする。これにより、ベース層上にエミッタ層を成長する際に、原料として使用するＡｓＨ３を起源とする水素ラジカルが、ＩｎＧａＡＰにドーピングしたカーボンにトラップされ、ベース層へ拡散することを抑制する。
【００１６】
また、請求項７に記載のように、ドーピングするカーボンの濃度は、５×１０１７乃至５×１０１９ｃｍ−３の範囲にあることが効果の点で望ましい。
【００１７】
なお、請求項８に記載のように、第１の手段の水素ストッパ層に第２の手段におけるカーボンをドーピングすることによって、第１の手段の水素ラジカルのクーロン力の増大によるベース層への拡散抑制効果と、第２の手段の効果であるカーボンによるトラップの効果の相乗効果によって、さらに水素ラジカルがベース層へ拡散することを抑制するため、電流ゲイン初期変動の抑制効果が増す。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るＨＢＴでは、ベース層とベース層よりエネルギーギャップが大きなエミッタ層との間に、このエミッタ層よりキャリア濃度が高くｎ型ドーピングされたエピタキシャル層を挿入することによって、このエピタキシャル層が水素ストッパ層として作用するため、水素ラジカルがベース層へ拡散することを抑制することができる。
【００１９】
また、ベース層上のＩｎＧａＰエミッタ層に対しｎ型ドーパントの他に、カーボンをドーピングすることによって、ＩｎＧａＰエミッタ層を水素トラップ層として作用させ、水素ラジカルが水素トラップ層でトラップされ、ベース層へ拡散することを抑制することができる。
【００２０】
このように本発明によれば、ベース層上に水素ストップ層または水素トラップ層を設けることによって、水素ラジカルがベース層へ拡散することを抑制することにより、電流ゲインＨＢＴのコレクタ電流初期時の電流ゲインの初期変動を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に本発明の実施形態に関して、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施形態１）
図１は本発明に係るＨＢＴの実施形態１の断面図である。図１において、ＭＯＣＶＤを用いて、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ＋−ＧａＡｓサブコレクタ層１０２（膜厚＝６０００Å、ｎ＝５×１０１８ｃｍ−３）、ｎ−ＧａＡｓコレクタ層１０３（膜厚＝６０００Å、ｎ＝５×１０１６ｃｍ−３）、カーボンをドープしたｐ＋−ＧａＡｓベース層１０４（膜厚＝１０００Å、ｐ＝４×１０１９ｃｍ−３）、ＧａＡｓの格子定数に整合したｎ−ＩｎＧａＰ水素ストッパ層１０５（膜厚＝２５０Å、ｎ＝４×１０１８ｃｍ−３）、ｎ−ＩｎＧａＰエミッタ層１０６（膜厚＝５０Å、ｎ＝３×１０１７ｃｍ−３）、ｎ−ＧａＡｓエミッタ層１０７（膜厚＝５００Å、ｎ＝３×１０１８ｃｍ−３）、ｎ＋−ＧａＡｓエミッタ層１０８（膜厚＝５００Å、ｎ＝５×１０１８ｃｍ−３）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ−Ｇｒａｄｉｎｇ層１０９（膜厚＝５００Å、ｎ＝０．５〜１×１０１９ｃｍ−３）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓキャップ層１１０（膜厚＝５００Å、ｎ＝１×１０１９ｃｍ−３）のエピタキシャル層が順に形成されることで構成されている。
【００２３】
さらに、トランジスタ製造工程においてコレクタ電極１１１、ベース電極１１２およびエミッタ電極１１３を形成している。
【００２４】
以上の各エピタキシャル層の膜厚およびキャリア濃度は一例であって、この限りではない。実施形態１のｎ−ＩｎＧａＰ水素ストッパ層１０５は、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＡｌＧａＰのいずれかでもよい。
【００２５】
図２は本発明の実施形態１および従来例の図４におけるＡ−Ａ’間のヘテロ接合の電界の状態を示したものである。実施形態１では、従来例の電界に対してベース層−エミッタ層へテロ界面近傍の電界が増大していることが分る。この電界の増大によって、水素ラジカルはクーロン力が増大し、水素ストッパ層より下層に進入し難くなるため、ベース層へ拡散することを抑制される。その結果、ＨＢＴの電流ゲイン初期変動が低減する。
【００２６】
実施形態１によれば、水素ストッパ層は、ベース層と該ベース層よりエネルギーギャップが大きなエミッタ層との間に、キャリア濃度が５×１０１７乃至５×１０１８ｃｍ−３で、膜厚が５０乃至２５０Åの燐系エピタキシャル層を挿入する構成となる。この構成では、水素ストッパ層は、燐系の材料をベース層直上に用いるため、ＡｓＨ３に対するベース層のキャップとして作用するため、ベース層はＡｓＨ３を起源とする水素ラジカルの影響を受けない。
【００２７】
また、キャリア濃度と膜厚を前記構成とすることにより、ベース層とエミッタ層のヘテロ界面近傍での電界を向上させることができる（図２参照）。ＡｓＨ３を起源とする水素ラジカルは、この電界に比例してクーロン力を受けるため、電界が向上するとクーロン力は大きくなり、水素ストッパ層より下層に進入し難くなるため、水素ラジカルがベース層へ拡散することを抑制することができる。
【００２８】
（実施形態２）
図３は本発明に係るＨＢＴの実施形態２の断面図である。図３において、ＭＯＣＶＤを用いて、半絶縁性ＧａＡｓ基板３０１上に、ｎ＋−ＧａＡｓサブコレクタ層３０２（膜厚＝６０００Å、ｎ＝５×１０１８ｃｍ−３）、ｎ−ＧａＡｓコレクタ層３０３（膜厚＝６０００Å、ｎ＝５×１０１６ｃｍ−３）、カーボンをドープしたｐ＋−ＧａＡｓベース層３０４（膜厚＝１０００Å、ｐ＝４×１０１９ｃｍ−３）、ＧａＡｓの格子定数に整合しカーボンをＣ＝２×１０１９ｃｍ−３ドープしたｎ−ＩｎＧａＰ水素トラップ層３０５（膜厚＝３００Å、ｎ＝３×１０１７ｃｍ−３）、ｎ−ＧａＡｓエミッタ層３０６（膜厚＝５００Å、ｎ＝３×１０１８ｃｍ−３）、ｎ＋−ＧａＡｓエミッタ層３０７（膜厚＝５００Å、ｎ＝５×１０１８ｃｍ−３）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ−Ｇｒａｄｉｎｇ層３０８（膜厚＝５００Å、ｎ＝０．５〜１×１０１９ｃｍ−３）、ｎ＋−ＩｎＧａＡｓキャップ層３０９（膜厚＝５００Å、ｎ＝１×１０１９ｃｍ−３）のエピタキシャル層で構成するＨＢＴ構造になっている。
【００２９】
さらに、トランジスタ製造工程においてコレクタ電極３１０、ベース電極３１１およびエミッタ電極３１２を形成している。
【００３０】
以上の各エピタキシャル層の膜厚およびキャリア濃度は一例であって、この限りではない。
【００３１】
実施形態２では、ＩｎＧａＰ水素トラップ層３０５にカーボンをドープする構成となっているが、これによって、ｎ−ＧａＡｓエミッタ層３０６からｎ＋−ＧａＡｓエミッタ層３０７の成長時に使用するＡｓＨ３から発生する水素ラジカルは、ｎ−ＩｎＧａＰ水素トラップ層３０５にＣ−Ｈ複合体を形成してトラップされ、水素ラジカルがベース層へ拡散することを抑制される。その結果、ＨＢＴの電流ゲイン初期変動が低減する。
【００３２】
実施形態２によれば、水素トラップ層はベース層上にあり、ベース層よりエネルギーギャップが大きなＩｎＧａＰからなり、このＩｎＧａＰにｎ型ドーパントの他に、カーボンを５×１０１７乃至５×１０１９ｃｍ−３ドーピングした構成となっている。カーボンは半導体中では、水素を捕獲しやすくＣ−Ｈ複合体を形成するため、この構成ではＩｎＧａＰ中にカーボンドーピングすることによって積極的に水素を捕獲する。
【００３３】
一方、ＩｎＧａＰ中のカーボンはキャリアが活性化しないため、カーボンをドーピングしても、ｎ型のキャリアに影響を与えない。したがって、ＩｎＧａＰにカーボンをドーピングした場合には、ｎ型のキャリアに影響を与えず水素トラップ層として作用するため、水素ラジカルがベース層へ拡散することを抑制することができる。
【００３４】
なお、実施形態１における水素ストッパ層に、実施形態２のようにカーボンをドーピングすれば、実施形態１の水素ラジカルのクーロン力の増大によるベース層への拡散抑制効果と、実施形態２の効果であるカーボンによるトラップの効果の相乗効果によって、さらに、水素ラジカルがベース層へ拡散することを抑制するため、電流ゲイン初期変動の抑制効果が増すことになる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、ＨＢＴの動作の信頼性向上や安定化に寄与し、電流ゲインの初期変動を抑えることが要求されるＨＢＴに適用される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係るＨＢＴの実施形態１の断面図
【図２】実施形態１および従来例の図４におけるＡ−Ａ’間のヘテロ接合の電界の状態を示した図
【図３】本発明に係るＨＢＴの実施形態２の断面図
【図４】従来のＧａＡｓ系ＨＢＴの断面図
【符号の説明】
【００３７】
１０１，３０１  半絶縁性ＧａＡｓ基板
１０２，３０２  ｎ＋−ＧａＡｓサブコレクタ層
１０３，３０３  ｎ−ＧａＡｓコレクタ層
１０４，３０４  ｐ＋−ＧａＡｓベース層
１０５  ｎ−ＩｎＧａＰ水素ストッパ層
１０６  ｎ−ＩｎＧａＰエミッタ層
１０７  ｎ−ＧａＡｓエミッタ層
１０８，３０７  ｎ＋−ＧａＡｓエミッタ層
１０９，３０８  ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ＿Ｇｒａｄｉｎｇ層
１１０，３０９  ｎ＋−ＩｎＧａＡｓキャップ層
１１１，３０１  コレクタ電極
１１２，３１１  ベース電極
１１３，３１２  エミッタ電極
３０５  ｎ−ＩｎＧａＰ水素トラップ層
３０６  ｎ−ＧａＰエミッタ層
【図１】
2008098414.tif 000003
【図２】
2008098414.tif 000004
【図３】
2008098414.tif 000005
【図４】
2008098414.tif 000006