(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長され、前記ＧａＡｓ基板上にコレクタ、前記コレクタ上にベース、前記ベース上にエミッタを形成する複数の半導体層を備えたヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、
前記ベースは、インジウム含有量ｍが０＜ｍ＜１の範囲内であるＩｎｍＧａ１−ｍＡｓからなる第１ベース層を備え、
前記エミッタはＧａＡｓに格子整合した第１エミッタ層を備え、
前記エミッタは、さらに、前記第１ベース層と前記第１エミッタ層との間に挿入された第２エミッタ層を備え、
前記第２エミッタ層は、インジウム含有量ｖが０．４８〜０．８であるＩｎｖＧａ１−ｖＰからなり、前記第１エミッタ層はＩｎＧａＰからなり、前記第１エミッタ層の厚さは前記第２エミッタ層の厚さより大きく、
前記第１エミッタ層は、インジウム含有量が約０．４８であるＩｎＧａＰからなり、前記第２エミッタ層のインジウム含有量ｖは前記第１ベース層側から前記第１エミッタ層側にかけて０．５３〜０．８の範囲から約０．４８まで傾斜し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。
【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関し、特に、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長した化合物半導体層からなるＧａＡｓ基板上擬似格子整合型ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ｐｓｅｕｄｏｍｏｒｐｈｉｃ  ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｂｉｏｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）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（以下、ＨＢＴと略す）は、内部のエミッタとベースとの間のヘテロ接合を形成するために異種の半導体材料を用いるバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）の一種である。ＨＢＴの利点は、高い電流増幅率及び低いベース抵抗である。さらに、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長した化合物半導体層からなるＨＢＴ（以下、ＧａＡｓＨＢＴと略す）は、これらの層の材料特性により電子移動度が高く、高周波用途に非常に有利である。例えば、ＧａＡｓＨＢＴは、一般に、ＲＦ電力増幅器や他のモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）として、携帯電話端末機、ＷｉＦｉ端末及びそれらのベースステーションにおいて使用される。ＧａＡｓＨＢＴの性能は、歪み（擬似格子整合型）半導体層又は傾斜組成を有する半導体層を用いた、ベース、エミッタ、及び／又はコレクタのバンドギャップエンジニアリングにより著しく向上する。これにより、ＨＢＴの伝導電子走行時間が減少し、より高い電流利得遮断周波数（以下、ｆＴ）や最大振動周波数（以下、ｆｍａｘ）等の高周波性能の改善をもたらす。
【０００３】
二重ＨＢＴ（以下、ＤＨＢＴと略す）もＨＢＴの一種であり、エミッタ及びコレクタのバンドギャップがともにベースのバンドギャップよりも広くなっている。ＧａＡｓ基板上に形成されるＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＨＢＴは、コレクタ−エミッタ間電圧（Ｖｃｅ）が小さく、且つコレクタ電流（Ｉｃ）が高いバイアス領域（即ち、ニー（ｋｎｅｅ）領域）におけるベース−コレクタ間容量Ｃｂｃを低減させることができることが知られている。Ｃｂｃの低減は、例えばＷｉＦｉ信号変調における低いエラーベクトル振幅（ＥＶＭ）といった、電力増幅器における高い線形性をもたらす（第１３回ＧＡＡＳシンポジウム、パリ、２００５年、２０５−２０８頁を参照）。Ｃｂｃの低減は、ベース−コレクタ接合での価電子帯オフセットによる正孔阻止に起因すると説明されている。コレクタのバンドギャップはベースのバンドギャップより大きいため、ＤＨＢＴのベース−コレクタ接合に価電子帯オフセットが存在し、これがコレクタ内への正孔の拡散を妨げて拡散容量を低減させる。しかしながら、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＨＢＴのｆＴ及びｆｍａｘはそれぞれ３０ＧＨｚ及び５７ＧＨｚであり、典型的なＧａＡｓＨＢＴのｆＴ及びｆｍａｘ（ｆＴは４０ＧＨｚを上回り、ｆｍａｘは１００ＧＨｚを上回る）より小さい。ＨＢＴのｆＴ及びｆｍａｘは、ベースの形成に用いる材料の電子移動度及びコレクタの形成に用いる材料の飽和電子速度（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ）に依存する。ＤＨＢＴの動作速度を改善するためには、電子移動度がより高い材料を用いてベースを形成し、飽和電子速度がより高い材料を用いてコレクタを形成することが不可欠である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＨＢＴはＩ−Ｖ曲線のニー領域におけるＣｂｃを低減させることができ、これによりＨＢＴの線形性の改善がもたらされる。ＩｎＧａＡｓやＧａＡｓＳｂ等の擬似格子整合型ベース層を備えるＧａＡｓＨＢＴも、それら材料のバンドギャップがＧａＡｓのバンドギャップより小さいため、コレクタの材料がＧａＡｓであってもＤＨＢＴと似た構造を形成する。電子飽和速度はＡｌＧａＡｓよりもＧａＡｓの方が高いため、擬似格子整合型ベース層及びＧａＡｓコレクタ層を用いることにより、高周波性能と線形性の両方を同時に改善することができる。特に、擬似格子整合型ＩｎＧａＡｓベース層を備えるＧａＡｓＨＢＴは、ＩｎＧａＡｓの電子移動度が高いため、高周波性能を実質的に改善できる。そこで、線形性が改善された高速ＧａＡｓＨＢＴを得るために、本発明は、擬似格子整合型の層を用いてベース層を形成することを提案する。擬似格子整合型ベース層、例えばＩｎＧａＡｓ、を用いたＧａＡｓＨＢＴ（以下、擬似格子整合型ＧａＡｓＨＢＴ）では、ベース層が所与のインジウム含有量に対する臨界厚さより薄くなるように、インジウム含有量及びベース層の厚さを自己矛盾なく最適化しなければならない。インジウム含有量の増加に伴い、ＩｎＧａＡｓのバルク格子定数が増加する。ここで、「バルク格子定数」とは、バルク形態である、即ち、歪んでいない場合の材料の固有の格子定数を意味する。ＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓの擬似格子整合成長に対する臨界厚さは、２つの材料間のバルク格子定数の違いにより決まるものであり、このバルク格子定数の違いは、格子不整合とも呼ばれ、ＩｎＧａＡｓのインジウム含有量の関数である。１）ベース層とＧａＡｓ基板との格子不整合に起因した、半導体層の成長中のミスフィット転位の形成を可能な限り避けるため、また、２）長期間のデバイス動作中のミスフィット転位の増殖を防ぐため、ベース層は臨界厚さよりも薄くなければならない。
【０００５】
高周波動作及び高い線形性の潜在的な利点にもかかわらず、ＩｎＧａＡｓがベース材料として用いられる限り、Ｖｃｅオフセット（以下、Ｖｃｅｏｆｆと略す）を低減させることは困難である。Ｖｃｅｏｆｆは、Ｉｃ−Ｖｃｅ特性において電流がターンオンするオフセット電圧、即ち、図１５に図示したように、ＩｃがゼロとなるＶｃｅである。デバイスが電力増幅器として使用される場合、Ｖｃｅｏｆｆは小さいほど望ましい。図１５に示すように、Ｖｃｅｏｆｆが小さいほど、電流−電圧平面のより広い領域を増幅動作における負荷線に使用することができる。このとき、線形性、最大出力電力及び電力付加効率を改善することができる。一般に、ＤＨＢＴは、通常のＨＢＴと比較して、より低いＶｃｅｏｆｆをもたらすと考えられている。しかしながら、本願発明者は、エミッタ材料としてＩｎＧａＰを用いたＧａＡｓＨＢＴのベース材料としてＩｎＧａＡｓを用いることにより、実際にはＶｃｅｏｆｆが増加することを見出した。図６Ｄは、Ｖｃｅｏｆｆの二次元シミュレーションの結果を示している。格子整合したＩｎＧａＰとＧａＡｓをそれぞれエミッタとベースとして備えた従来のＧａＡｓＨＢＴにおいて、Ｖｃｅｏｆｆは１９７ｍＶである。しかしながら、ＩｎＧａＡｓベースが用いると、Ｖｃｅｏｆｆは、インジウム含有量が１０％の場合は２２３ｍＶ、インジウム含有量が１２％の場合は２２８ｍＶに増加する。これは、ベース層に組み込まれたＩｎＧａＡｓが、エミッタ−ベース接合とコレクタ−ベース接合での順方向接合電子流間のバランスポイントを変えてしまうためである。図１６は、ＧａＡｓベースを用いたＧａＡｓＨＢＴ（実線）とＩｎＧａＡｓベースを用いたＧａＡｓＨＢＴ（破線）の伝導帯端（ＥＣＢＭ）プロファイルを示している。太矢印は、エミッタ−ベース接合とコレクタ−ベース接合を通る順方向接合電子流を示す。順方向接合電子流は、伝導電子に対するエネルギー障壁により決まる。エミッタ−ベース接合では、エネルギー障壁はＩｎＧａＰエミッタの伝導帯端によって決まり、これは、ＧａＡｓベースでもＩｎＧａＡｓベースでも同じである。しかしながら、コレクタ−ベース接合では、ＩｎＧａＡｓベースの場合は、伝導帯端は組成傾斜したＩｎＧａＡｓ層によって滑らかに接続されている。結果として、ＩｎＧａＡｓベースの場合、順方向接合電子流に対するエネルギー障壁が低減し、順方向接合電子流の不均衡が増す。かくして、Ｖｃｅｏｆｆが増大する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の目的は、ミスフィット転位の減少又は消滅、ベース−コレクタ容量Ｃｂｃの低減、及びＤＣ電流増幅率の増加を同時に行うように設計された組成傾斜を有する擬似格子整合型ベース層を備えたＧａＡｓＨＢＴの提供であり、これにより、ＨＢＴのＤＣ・ＲＦ性能が大幅に改善される。
【０００７】
本発明の第２の目的は、オフセット電圧Ｖｃｅｏｆｆを低減させるように設計された組成プロファイルを有する擬似格子整合型ベース層を備えたＧａＡｓＨＢＴの提供である。
【０００８】
本発明の第３の目的は、ＧａＡｓのバルク格子定数より大きいバルク格子定数でＧａＡｓに擬似格子整合したベース層と、ＧａＡｓのバルク格子定数より小さいバルク格子定数でＧａＡｓに擬似格子整合したエミッタ層とを備えたＧａＡｓＨＢＴの提供である。このとき、ＨＢＴ構造の機械的不安定性を低減させることができる。かくして、長期間のデバイス動作中のミスフィット転位の形成及び増殖を防止することができる。
【０００９】
上記第１の目的を達成するために、本発明は、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長され、前記ＧａＡｓ基板上にコレクタ、該コレクタ上にベース、該ベース上にエミッタを形成する複数の半導体層を備えたＨＢＴであって、前記ベースは、さらに、インジウム含有量ｉが０＜ｉ＜１の範囲であるＩｎｉＧａ１−ｉＡｓからなる第１ベース層と、前記第１ベース層と前記エミッタとの間に挿入され、インジウム含有量ｊが０＜ｊ＜１の範囲であるＩｎｊＧａ１−ｊＡｓからなる第２ベース層とをさらに備え、前記インジウム含有量ｉは、該インジウム含有量ｉがエミッタ側からコレクタ側に向けて増加するときを正と定義した第１傾斜ｓ１で前記エミッタ側から前記コレクタ側にかけて変動し、前記インジウム含有量ｊは、該インジウム含有量ｊがエミッタ側からコレクタ側に向けて増加するときを正と定義した第２傾斜ｓ２で前記エミッタ側から前記コレクタ側にかけて変動し、前記インジウム含有量ｉの平均は前記インジウム含有量ｊの平均より大きく、前記第２傾斜ｓ２の平均は正であり、前記第１傾斜ｓ１の平均は前記第２傾斜ｓ２より小さい正であり、その値は前記第２傾斜ｓ２の平均の２分の１以下であることを特徴とするＨＢＴを提供する。
【００１０】
実施において、第１傾斜ｓ１はゼロである。
【００１１】
実施において、第１ベース層のインジウム含有量ｉは０．０３〜０．２である。
【００１２】
上記第２の目的を達成するために、本発明は、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長し、前記ＧａＡｓ基板上にコレクタ、該コレクタ上にベース、該ベース上にエミッタを形成する複数の半導体層を備えたヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、前記ベースは、さらに、インジウム含有量ｍが０＜ｍ＜１の範囲であるＩｎｍＧａ１−ｍＡｓからなる第１ベース層と、前記第１ベース層と前記エミッタとの間に挿入され、インジウム含有量ｎが０＜ｎ＜１の範囲であるＩｎｎＧａ１−ｎＡｓからなる第２ベース層とを備え、前記第２ベース層のインジウム含有量ｎの平均は、前記第１ベース層内の第２ベース層側のインジウム含有量ｍより大きいことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供する。
【００１３】
実施において、第２ベース層のインジウム含有量ｎは第１ベース層側からエミッタ側にかけて増加する。
【００１４】
実施において、第１ベース層のインジウム含有量ｍは０．０３〜０．２である。
【００１５】
実施において、エミッタは、ＧａＡｓに格子整合した第１エミッタ層を備え、さらに、第２ベース層と第１エミッタ層との間に挿入された第２エミッタ層を備え、第２エミッタ層は、インジウム含有量ｖが０．５３〜０．８であるＩｎｖＧａ１−ｖＰからなる。
【００１６】
上記第３の目的を達成するために、本発明は、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長し、前記ＧａＡｓ基板上にコレクタ、該コレクタ上にベース、該ベース上にエミッタを形成する複数の半導体層を備えたヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、前記ベースは、ＧａＡｓのバルク格子定数より０．１５％以上大きい第１バルク格子定数でＧａＡｓに擬似格子整合した第１ベース層を備え、前記エミッタは、ＧａＡｓのバルク格子定数より０．１５％以上小さい第２バルク格子定数でＧａＡｓに擬似格子整合した第１エミッタ層を備え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を提供する。
【００１７】
実施において、第１エミッタ層は、インジウム含有量ｘ及びリン含有量ｙが０〜１であるＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＰｙであって、第１エミッタ層のバルク格子定数はＧａＡｓのバルク格子定数より０．１５％以上小さいという条件を満たすようｘとｙとを組み合わせたＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＰｙからなる。
【００１８】
実施において、第１エミッタ層は、インジウム含有量ｘが０．１〜０．４４であるＩｎｘＧａ１−ｘＰからなる。
【００１９】
実施において、第１エミッタ層は、インジウム含有量ｘが０．１〜０．４４であるＩｎｘＧａ１−ｘＰからなり、エミッタは、さらに、第１ベース層と第１エミッタ層との間に挿入された第２エミッタ層を備え、第２エミッタ層は、インジウム含有量ｚが０．５３〜０．８であるＩｎｚＧａ１−ｚＰからなる。
【００２０】
実施において、第１エミッタ層は、リン含有量ｙが０．０３〜０．５であるＧａＡｓ１−ｙＰｙからなる。
【００２１】
実施において、第１ベース層は、インジウム含有量ｏ及びアンチモン含有量ｐが０〜１のＩｎｏＧａ１−ｏＡｓ１−ｐＳｂｐであって、第１ベース層のバルク格子定数はＧａＡｓのバルク格子定数より０．１５％以上大きいという条件を満たすようｏとｐとを組み合わせたＩｎｏＧａ１−ｏＡｓ１−ｐＳｂｐからなる。
【００２２】
実施において、第１ベース層は、インジウム含有量ｏが０．０３〜０．２であるＩｎｏＧａ１−ｏＡｓからなる。
【００２３】
実施において、第１ベース層は、インジウム含有量ｏが０．０３〜０．２であるＩｎｏＧａ１−ｏＡｓからなり、ベースは、さらに、第１ベース層と第１エミッタ層との間に挿入された第２ベース層を備え、第２ベース層は、平均インジウム含有量ｑが第１ベース層内の第２ベース層側のインジウム含有量ｏより大きいＩｎｑＧａ１−ｑＡｓからなる。
【００２４】
実施において、第１ベース層のインジウム含有量ｑは第１ベース層側からエミッタ側にかけて増加する。
【００２５】
実施において、第１ベース層は、アンチモン含有量ｐが０．０３〜０．２であるＧａＡｓ１−ｐＳｂｐからなる。
【００２６】
本発明は、以下の、図面及び好ましい実施形態についての詳細な説明を参照することにより、より深く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴの断面図である。
【図２Ａ】図１に示したＧａＡｓＨＢＴの一実施形態におけるベース層のインジウム含有量の分布を半導体層の積層方向に沿って示した図である。
【図２Ｂ】図１に示したＧａＡｓＨＢＴの一実施形態におけるベース層のインジウム含有量の分布を半導体層の積層方向に沿って示した図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴの断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示したＨＢＴの実施形態におけるベース層のインジウム含有量の分布を半導体層の積層方向に沿って示した図である。
【図３Ｃ】Ｃｂｃの二次元デバイスシミュレーションの結果を、図３Ａに示したＧａＡｓＨＢＴの第２ベース層の厚さｔｇｒａｄの関数としてプロットして示した図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴを示した図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ構造（円）とＧａＡｓベースを有するＧａＡｓＨＢＴ（三角形）について、測定されたＣｂｃをＩｃの関数としてプロットして示した図である。
【図４Ｃ】図４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ（実線）とＧａＡｓベースを有するＧａＡｓＨＢＴ（破線）について、測定された電力付加効率（ＰＡＥ）を出力電力（Ｐｏｕｔ）の関数としてプロットして示した図である。
【図４Ｄ】図４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ（実線）とＧａＡｓベースを有するＧａＡｓＨＢＴ（破線）について、ＷｉＦｉＩＥＥＥ８０２．１１変調に対して測定されたエラーベクトル振幅（ＥＶＭ）を示した図である。
【図５Ａ】本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴの断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示したＧａＡｓＨＢＴの一実施形態におけるベース層のインジウム含有量の分布を半導体層の積層方向に沿って示した図である。
【図５Ｃ】図５Ａに示したＧａＡｓＨＢＴの一実施形態におけるベース層のインジウム含有量の分布を半導体層の積層方向に沿って示した図である。
【図５Ｄ】図５Ａに示したＧａＡｓＨＢＴの一実施形態におけるベース層のインジウム含有量の分布を半導体層の積層方向に沿って示した図である。
【図６Ａ】本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴの断面図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示したＧａＡｓＨＢＴの実施形態における第１及び第２ベース層のインジウム含有量の分布を半導体層の積層方向に沿って示した図である。
【図６Ｃ】図６Ａに示したＧａＡｓＨＢＴの実施形態における第１及び第２エミッタ層中のインジウム含有量の分布を半導体層の積層方向に沿って示した図である。
【図６Ｄ】５つの従来のＧａＡｓＨＢＴと本発明の２つの実施形態について、二次元デバイスシミュレーションによって算出されたＶｃｅｏｆｆを示した図である。
【図７Ａ】本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴを示した図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ（実線）とＧａＡｓベースを有するＧａＡｓＨＢＴ（破線）について、測定されたコレクタ電流Ｉｃをコレクタ電圧Ｖｃｅの関数としてプロットして示した図である。
【図７Ｃ】図７Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ（円）とＧａＡｓベースを有するＧａＡｓＨＢＴ（三角形）について、測定されたＣｂｃの曲線をＩｃの関数としてプロットして示した図である。
【図７Ｄ】図７Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ（円）とＧａＡｓベースを有するＧａＡｓＨＢＴ（三角形）について、測定された電力付加効率（ＰＡＥ）を出力電力（Ｐｏｕｔ）の関数としてプロットして示した図である。
【図８】本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴの断面図である。
【図９】（ａ）は本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したＧａＡｓＨＢＴの実施形態における、半導体層の積層方向に沿った第１エミッタ層中のインジウム含有量の分布及びそれに伴う伝導帯端ＥＣＢＭのプロファイルを示した図である。
【図１０】（ａ）は本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したＧａＡｓＨＢＴの実施形態における、半導体層の積層方向に沿った第１エミッタ層中のインジウム含有量の分布及びそれに伴う伝導帯端ＥＣＢＭのプロファイルを示した図である。
【図１１】（ａ）は本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したＧａＡｓＨＢＴの実施形態における、半導体層の積層方向に沿った第１エミッタ層中のインジウム含有量の分布及びそれに伴う伝導帯端ＥＣＢＭのプロファイルを示した図である。
【図１２】（ａ）は本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴの断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示したＧａＡｓＨＢＴの実施形態における第１及び第２エミッタ層中のインジウム含有量の分布を半導体層の積層方向に沿って示した図である。
【図１３Ａ】従来のＩｎＧａＡｓベースを有するＧａＡｓＨＢＴを示した図である。
【図１３Ｂ】本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴを示した図である。
【図１３Ｃ】本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴを示した図である。
【図１３Ｄ】図１３Ａに示したＧａＡｓＨＢＴについての高温動作寿命（ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｌｉｆｅｔｉｍｅ，ＨＴＯＬ）試験の結果を示した図である。
【図１３Ｅ】図１３Ｂに示したＧａＡｓＨＢＴについてのＨＴＯＬ試験の結果を示した図である。
【図１３Ｆ】図１３Ｃに示したＧａＡｓＨＢＴについてのＨＴＯＬ試験の結果を示した図である。
【図１４Ａ】本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴを示した図である。
【図１４Ｂ】従来のＩｎＧａＡｓベースを有する擬似格子整合型ＧａＡｓＨＢＴを示した図である。
【図１４Ｃ】図１４Ａに示した本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴについてのＨＴＯＬ試験の結果を示した図である。
【図１４Ｄ】図１４Ｂに示した従来のＩｎＧａＡｓベースを有するＧａＡｓＨＢＴについてのＨＴＯＬ試験の結果を示した図である。
【図１４Ｅ】図１４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ（円）とＧａＡｓベースを有するＧａＡｓＨＢＴ（三角形）について、測定されたＣｂｃをＩｃの関数としてプロットして示した図である。
【図１５】Ｖｃｅオフセット（Ｖｃｅｏｆｆ）を示すコレクタ電流（Ｉｃ）・コレクタ電圧（Ｖｃｅ）特性を図示しており、ＲＦ電力増幅器として動作するデバイスにかかる負荷線も併せて図示している。
【図１６】ＧａＡｓベースを有する従来のＧａＡｓＨＢＴとＩｎＧａＡｓベースを有する従来の擬似格子整合型ＧａＡｓＨＢＴの伝導帯端（ＥＣＢＭ）プロファイルを図示しており、矢印は順方向接合電子流の流れを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明にかかる実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図１は、本発明により提供されるＧａＡｓヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）１００の実施形態を示す。このＧａＡｓＨＢＴ１００は、ＧａＡｓ基板１１０と、該ＧａＡｓ基板１１０上にエピタキシャル成長した複数の半導体層とを備える。複数の半導体層は、サブコレクタ１２０、コレクタ１３０、ベース１４０及びエミッタ１５０を連続的に形成しており、ベース１４０は、第１ベース層１４１と、第２ベース層１４２とを備える。第１ベース層１４１はコレクタ１３０上に形成され、第２ベース層１４２は第１ベース層１４１とエミッタ１５０との間に形成される。
【００３０】
第１ベース層１４１は、インジウム含有量ｉが０＜ｉ＜１の範囲であるＩｎｉＧａ１−ｉＡｓからなり、第２ベース層１４２は、インジウム含有量ｊが０＜ｊ＜１の範囲であるＩｎｊＧａ１−ｊＡｓからなる。第１ベース層１４１のインジウム含有量ｉは、第１傾斜ｓ１でエミッタ側からコレクタ側にかけて変動し、第２ベース層１４２のインジウム含有量ｊは、第２傾斜ｓ２でエミッタ側からコレクタ側にかけて変動する。ここで、傾斜ｓ１及びｓ２の符号は、インジウム含有量がエミッタ側からコレクタ側に向けて増加するときを正として定義される。第２ベース層１４２は、平均が正となる傾斜ｓ１を有するように設計される。一方、第１ベース層１４１は、本発明においては、第２ベース層１４２よりはるかに大きい平均インジウム含有量とはるかに小さい正の組成傾斜を有するように構成される。本発明の好ましい実施形態では、第１傾斜ｓ１の平均は第２傾斜ｓ２の平均の２分の１以下である。極端な場合、第１傾斜ｓ１はゼロである。他の極端な場合、第１傾斜ｓ１はごくわずかに負であっても良い。いくつかの実施形態では、第１ベース層１４１のインジウム含有量ｉは０．０３〜０．２である。図１に示すように、ｙ軸は、複数の半導体層の積層方向に沿ってエミッタ側からコレクタ側に向けられている。
【００３１】
図２Ａ及び図２Ｂは、ｙ軸に沿ったインジウム含有量ｉ及びｊの分布について２つの実施形態を示す。図２Ａに示した実施形態において、第２傾斜ｓ２の平均は正であり、第１傾斜ｓ１の平均は第２傾斜ｓ２の平均の２分の１を下回っている。図２Ｂは極端な実施形態を示しており、インジウム含有量の傾斜は第２ベース層１４２にのみ存在し、第１ベース層１４１中のインジウム含有量は均一であり、これは第１傾斜ｓ１の平均がゼロであることを示している。ベース全体が第１ベース層の平均インジウム含有量と同じ平均インジウム含有量を有する単一のＩｎＧａＡｓ層から構成される場合と比較すると、本発明により提供されるベース１４０中のインジウムの総量は減少している。結果として、ミスフィット転位が減少又は消滅する。ベースの全厚さは変わらないため、ベースのシート抵抗も変わらない。さらに、第２ベース層１４２の第２傾斜ｓ２により生じる内蔵ドリフト電界は、エミッタ／ベース接合での電子と正孔の再結合を防止することで電流増幅率の増加に寄与する。一方、インジウム含有量の大きい第１ベース層１４１は、ベース−コレクタ容量Ｃｂｃを低減させる。これは、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓＤＨＢＴに関して示唆したように、拡散容量が低減すること、及び／又は、ベース開始電圧Ｖｂｅの低減により空乏層容量が低減することによるものである。かくして、ＲＦ性能が改善される。
【００３２】
図３Ａは、本発明により提供されるＧａＡｓＨＢＴ１００の他の実施形態を示しており、エミッタ１５０は、ＩｎＧａＡｓコンタクト層１５１と、ＧａＡｓ層１５２と、インジウム含有量が０．４８である格子整合したＩｎＧａＰ層１５３から構成される。０．４８又は０．４９が、ＧａＡｓと整合した格子定数を与えるインジウム含有量と考えられている。本発明においては、０．４８を格子整合したＩｎＧａＰのインジウム含有量とする。ＩｎＧａＰ層１５１の厚さ及びドーピング濃度は、それぞれ４０ｎｍ及び２×１０１７ｃｍ−３である。第２ベース層１４２の厚さｔｇｒａｄは変動するが、全ベース厚さは７０ｎｍで固定されている。図３Ｂに示すように、インジウム含有量は、第２ベース層１４２では０から０．１まで直線的に傾斜しており、第１ベース層１４１では０．１で固定されている。ベース−コレクタ接合には、ベース側からコレクタ側にかけて０．１から０まで傾斜したインジウム含有量を有する薄いＩｎＧａＡｓコレクタ層１３１が存在する。この層は、ベースとコレクタとの間の伝導帯端を滑らかに接続するために導入される。ＩｎＧａＡｓコレクタ層１３１の厚さは通常５ｎｍ〜３０ｎｍである。コレクタ層１３２は厚さが１μｍのＧａＡｓからなる。
【００３３】
図３Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ構造について、ニー領域（低コレクタ電圧／高コレクタ電流領域）におけるベース−コレクタ容量Ｃｂｃのシミュレーションを行う。図３Ｃに、エミッタサイズが３μｍ×４０μｍ×３指、Ｖｃｅ＝０．５Ｖ、及びＩｃ＝１００ｍＡの場合のＣｂｃの二次元デバイスシミュレーションの結果を第２ベース層１４２の厚さｔｇｒａｄの関数としてプロットして示す。ベース層全体が直線的に傾斜している（即ち、ｔｇｒａｄ＝７０ｎｍ）極端な場合と比較して、均一な組成を有するベース層（第１ベース層）の厚さが増加すると、Ｃｂｃが低減する。ｔｇｒａｄが０を上回り且つ７０ｎｍを下回るときは、Ｃｂｃが低減すると同時にミスフィット転位も減少又は消滅させることができる。
【００３４】
図４Ａは、図３Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ１００の実施形態を示しており、半導体層は、有機金属気相成長法によってＧａＡｓ基板上に成長したエピタキシャルウェハを用いて構成されている。第２ベース層１４２のインジウム含有量は、第１ベース層側からエミッタ側にかけて０．０７から０まで直線的に傾斜している。第１ベース層１４１のインジウム含有量は０．０７で固定されている。コレクタ層１３１は、コレクタ側から第１ベース層側にかけて０から０．０７まで傾斜したインジウム含有量を有する。図４Ａ及び、デバイス構造を示す他の表において、２つの数の間の矢印、例えば０．０７→０は、当該成分の含有量が層の最下部から最上部にかけて０．０７から０まで連続的に傾斜していることを意味する。第１及び第２ベース層の厚さを最適化すると、第１ベース層及び第２ベース層がそれぞれ５０ｎｍ及び２０ｎｍであるときに、１４０というＤＣ電流増幅率が達成される。図４Ｂに、エミッタサイズが３μｍ×４０μｍ×３指でありＶｃｅ＝０．５Ｖの場合の、図４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ（円）とベース材料がＧａＡｓである従来のＧａＡｓＨＢＴ（三角形）について、測定されたＣｂｃをＩｃの関数としてプロットして示す。Ｃｂｃは、特にＩｃが大きいとき、即ち、ニー領域にあたるときに、従来のＧａＡｓＨＢＴより本発明のＧａＡｓＨＢＴの方が小さいことが示されている。
【００３５】
図４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴのＲＦ性能を評価する。周波数を０．９ＧＨｚ、エミッタサイズを３μｍ×４０μｍ×３指、Ｖｃを３．６Ｖ、Ｉｃを１０ｍＡとして、デバイスのロードプル測定を行う。図４Ｃに、本発明（実線）とベース材料がＧａＡｓであるＧａＡｓＨＢＴ（破線）について、電力付加効率（ＰＡＥ）を出力電力（Ｐｏｕｔ）の関数としてプロットして示す。本発明にかかるＧａＡｓＨＢＴについては、高電力領域における最大ＰＡＥが向上している。これはニー領域におけるＣｂｃの低減によるものであり、これにより高電力での利得抑制が低減されるためである。
【００３６】
図４Ｄは、ＷｉＦｉＩＥＥＥ８０２．１１ａ変調で動作する電力増幅器のエラーベクトル振幅（ＥＶＭ）を示す。ＥＶＭは、周波数を５．８ＧＨｚ、エミッタサイズを３μｍ×４０μｍ×３指、Ｖｃを５Ｖ、Ｉｃを２３ｍＡとして、図４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴを用いて製造された電力増幅器（実線）とベース材料がＧａＡｓであるＧａＡｓＨＢＴを用いて製造された電力増幅器（破線）に関して評価されている。本発明のＧａＡｓＨＢＴを用いて製造された電力増幅器の、所与のＥＶＭにおける出力電力（Ｐｏｕｔ）は、ＥＶＭがＩＥＥＥ８０２．１１規格において要求される１．８％〜３％であるとき、約０．８ｄＢ改善している。
【００３７】
図５Ａは、本発明により提供されるＧａＡｓＨＢＴ２００の実施形態を示す。ＧａＡｓＨＢＴ２００は、ＧａＡｓ基板２１０と、該ＧａＡｓ基板２１０上にエピタキシャル成長した複数の半導体層とを備える。複数の半導体層は、サブコレクタ２２０、コレクタ２３０、ベース２４０及びエミッタ２５０を連続的に形成しており、ベース２４０は、さらに、第１ベース層２４１と第２ベース層２４２とを備える。第１ベース層２４１はコレクタ２３０上に形成されており、第２ベース層２４２は第１ベース層２４１とエミッタ２５０の間に形成されている。
【００３８】
第１ベース層２４１は、インジウム含有量ｍが０＜ｍ＜１の範囲であるＩｎｍＧａ１−ｍＡｓからなり、第２ベース層２４２は、インジウム含有量ｎが０＜ｎ＜１の範囲であるＩｎｎＧａ１−ｎＡｓからなる。第２ベース層２４２の平均インジウム含有量ｎは、第１ベース層２４１内の第２ベース層側のインジウム含有量ｍより大きい。図５Ａに示すように、ｙ軸は、複数の半導体層の積層方向に沿ってエミッタ側からコレクタ側に向けられている。いくつかの実施形態では、第２ベース層２４２のインジウム含有量ｎは、図５Ｂ、図５Ｃ及び図５Ｄに示すように、第１ベース層側からエミッタ側にかけて連続的に増加する。一方、第１ベース層のインジウム含有量ｍは、均一であっても、第２ベース層側からコレクタ層側にかけて増加又は減少しても良い。いくつかの好ましいインジウム含有量プロファイルを図５Ｂ、図５Ｃ及び図５Ｄに示す。図５Ｂにおいて、第１ベース層のインジウム含有量ｍは均一である。図５Ｃにおいて、インジウム含有量ｍは第２ベース層側からコレクタ層側にかけて増加している。図５Ｄにおいて、インジウム含有量ｍは、第２ベース層側から増加し、その後、コレクタ側の近傍で均一になっている。図５Ｄに示した第１ベース層中のインジウム含有量プロファイルは、その組成プロファイルが図２Ｂに示されている本発明の他の実施形態（ＧａＡｓＨＢＴ１００）における第１及び第２ベース層に相当する。本実施形態においては、ＩｎＧａＡｓベースのインジウム含有量は、該ベース内部よりもエミッタ−ベース接合の近傍でインジウムを多く含むように設計されている。いくつかの実施形態では、第１ベース層２４１のインジウム含有量ｍは０．０３〜０．２である。
【００３９】
図６Ａは、本発明により提供されるＧａＡｓＨＢＴ２００の他の実施形態を示しており、エミッタ２５０は、ＩｎＧａＡｓコンタクト層２５１、ＧａＡｓ層２５２及び第１エミッタ層２５３を備える。第１エミッタ層２５３は、インジウム含有量０．４８でＧａＡｓに格子整合している。第１エミッタ層２５３の厚さ及びドーピング濃度は、それぞれ４０ｎｍ及び２×１０１７ｃｍ−３である。インジウム含有量のプロファイルは、図６Ｃに示したインジウム含有量ｖのプロファイルを有するインジウムを多く含むＩｎｖＧａ１−ｖＰからなる第２エミッタ層２５４を形成するように変更されてもよい。一方、図６Ｂに示すように、ＩｎnＧａ１−nＡｓからなる第２ベース層２４２のインジウム含有量ｎは、エミッタ側から第１ベース層側にかけて０．１２から０．１まで直線的に傾斜しており、ＩｎｍＧａ１−ｍＡｓからなる第１ベース層２４１ではインジウム含有量ｍは０．１で固定されている。ベース−コレクタ接合には、ベース側からコレクタ側にかけて０．１０から０まで傾斜したインジウム含有量を有する薄いＩｎＧａＡｓコレクタ層２３１が存在する。この層は、ベースとコレクタとの間の伝導帯端を滑らかに接続するために導入される。コレクタ層２３１の厚さは通常５ｎｍ〜３０ｎｍである。コレクタ層２３２は厚さが１μｍのＧａＡｓからなる。
【００４０】
図６Ｄは、種々のデバイスについてのＶｃｅｏｆｆの二次元デバイスシミュレーションの結果である。図６Ｄにおけるベース層及びエミッタ層は図６Ａに示したＨＢＴ構造を参照している。図６ＤにおけるＴは各層の厚さである。ベースが４４ｎｍのＧａＡｓからなり、エミッタが４０ｎｍの格子整合したＩｎＧａＰからなる従来のＧａＡｓベースＧａＡｓＨＢＴにおいて、シミュレーションされたＶｃｅｏｆｆは１９７ｍＶである。ベースをインジウム含有量が０．１であるＩｎＧａＡｓと置き換えると、Ｖｃｅｏｆｆは２２３ｍＶに増加する。インジウム含有量が０．１２であれば、Ｖｃｅｏｆｆはより一層大きくなる（２２８ｍＶ）。一方、図６Ｄに示した実施形態１では、全ベース厚さは変えずに第２ベース層を導入しており、Ｖｃｅｏｆｆは２１４ｍＶに低減している。実施形態２では、インジウムを多く含むＩｎＧａＰ第２エミッタ層も導入しており、Ｖｃｅｏｆｆは１８１ｍＶに低減している。尚、第２エミッタ層のみを導入すると、Ｖｃｅｏｆｆは、第２ベース層のインジウム含有量が０．１の場合には１９０ｍＶ、０．１２の場合には１９６ｍＶという結果になる。Ｖｃｅｏｆｆのは、デバイスが第２ベース層と第２エミッタ層の両方を備える場合に最も著しい。
【００４１】
図７Ａは、図６Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ２００の実施形態を示しており、ＧａＡｓＨＢＴは、有機金属気相成長法によりＧａＡｓ基板上に成長したエピタキシャルウェハを用いて構成されている。第２ベース層２４２のインジウム含有量は、第１ベース層側からエミッタ側にかけて０．１から０．１２まで直線的に傾斜している。第１ベース層２４１のインジウム含有量は０．１０で固定されている。図７Ｂは、エミッタサイズが３μｍ×４０μｍ×３指である図７ＡのＧａＡｓＨＢＴ（実線）とベース材料がＧａＡｓである従来のＧａＡｓＨＢＴ（破線）について、測定されたＩｃをＶｃｅの関数としてプロットして示している。Ｖｃｅｏｆｆは従来のデバイスよりも本発明の方が小さい。図７Ｃは、エミッタサイズが３μｍ×４０μｍ×３指、Ｖｃｅ＝０．５Ｖの場合の、図７Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ（円）とベース材料がＧａＡｓである従来のＧａＡｓＨＢＴ（三角形）について、測定されたＣｂｃをＩｃの関数としてプロットして示している。Ｃｂｃは、特にＩｃが大きいとき、即ち、ニー領域にあたるときに、従来のデバイスよりも、ベース材料がＩｎＧａＡｓである本発明のＧａＡｓＨＢＴの方が小さい。
【００４２】
図７Ａに示したＧａＡｓＨＢＴのＲＦ性能を評価する。周波数を１．９５ＧＨｚ、Ｖｃを３．４Ｖ、Ｉｃを６．４ｍＡとして、エミッタサイズが３μｍ×４０μｍ×３指であるデバイスについてロードプル測定を行う。図７Ｄは、本発明（円）とベース材料がＧａＡｓであるＧａＡｓＨＢＴ（三角形）について、電力付加効率（ＰＡＥ）を出力電力（Ｐｏｕｔ）の関数としてプロットして示している。最大ＰＡＥは、本発明にかかるＧａＡｓＨＢＴの場合に増加している。これは、ニー領域におけるＣｂｃの低減によるものであり、これにより高電力動作での利得抑制が低減されるためである。
【００４３】
図８は、本発明により提供されるＧａＡｓＨＢＴ３００の実施形態を示している。ＧａＡｓＨＢＴ３００は、ＧａＡｓ基板３１０と、該ＧａＡｓ基板３１０上にエピタキシャル成長した複数の半導体層とを備える。複数の半導体層は、サブコレクタ３２０、コレクタ３３０、ベース３４０及びエミッタ３５０を連続的に形成している。ベース３４０は、ＧａＡｓのバルク格子定数より０．１５％以上大きい第１バルク格子定数でＧａＡｓに擬似格子整合した第１ベース層３４１を備える。エミッタ３５０は、ＧａＡｓのバルク格子定数より０．１５％以上小さい第２バルク格子定数でＧａＡｓに擬似格子整合した第１エミッタ層３５１を備える。擬似格子整合型エミッタ層は、擬似格子整合型ベース層内の圧縮歪みを相殺する引張歪みを発生させる。かくして、機械的不安定性が低減され、デバイス動作中のミスフィット転位の形成及び増幅を回避できる。
【００４４】
実施形態において、第１エミッタ層３５１は、インジウム含有量ｘ及びリン含有量ｙが０〜１であり、且つ第１エミッタ層３５１のバルク格子定数はＧａＡｓのバルク格子定数より０．１５％以上小さいという条件を満たすＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ１−ｙＰｙで構成してもよい。
【００４５】
実施形態において、第１エミッタ層３５１は、インジウム含有量ｘが０．１〜０．４４であるＩｎｘＧａ１−ｘＰで構成してもよい。インジウム含有量ｘが０．１であるＩｎｘＧａ１−ｘＰ及びインジウム含有量ｘが０．４４であるＩｎｘＧａ１−ｘＰは、それぞれＧａＡｓより２．８％及び０．３％小さいバルク格子定数を有する。
【００４６】
実施形態において、第１エミッタ層３５１は、リン含有量ｙが０．０３〜０．５であるＧａＡｓ１−ｙＰｙで構成してもよい。ＧａＡｓ１−ｙＰｙは、リン含有量ｙが０．５を下回ると直接バンドギャップを有する。したがって、ＧａＡｓ１−ｙＰｙ層を通過する伝導電子に対する高い抵抗を回避できる。
【００４７】
実施形態において、第１ベース層３４１は、インジウム含有量ｏ及びアンチモン含有量ｐが０〜１であり、且つ第１ベース層３４１のバルク格子定数はＧａＡｓのバルク格子定数より０．１５％以上大きいという条件を満たすＩｎｏＧａ１−ｏＡｓ１−ｐＳｂｐで構成してもよい。
【００４８】
実施形態において、第１ベース層３４１はインジウム含有量ｏが０．０３〜０．２であるＩｎｏＧａ１−ｏＡｓで構成される。インジウム含有量が０．０３であるＩｎｏＧａ１−ｏＡｓ及びインジウム含有量が０．２であるＩｎｏＧａ１−ｏＡｓは、それぞれバルク状態のＧａＡｓより０．２％及び１．４％大きいバルク格子定数を有する。
【００４９】
実施形態において、第１ベース層３４１は、アンチモン含有量ｐが０．０３〜０．２であるＧａＡｓ１−ｐＳｂｐで構成される。
【００５０】
上記のエミッタ材料とベース材料のいかなる組み合わせにおいても、ベース層内の圧縮歪みはエミッタ層内の引張歪みにより相殺される。
【００５１】
図９（ａ）は、図８に示したＧａＡｓＨＢＴの実施形態を示している。この実施形態において、第１エミッタ層３５１は、ガリウムを多く含むＩｎｘＧａ１−ｘＰからなる。ガリウムを多く含むＩｎｘＧａ１−ｘＰは、第１ベース層３４１内の圧縮歪みを相殺する引張歪みを有する。インジウム含有量ｘは、第１エミッタ層３５１の一方から他方にかけて変動する。例えば、インジウム含有量ｘは、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ層の中央で最小となるように傾斜させてもよい。図９（ｂ）は、ｙ軸を複数の半導体層の積層方向に沿ってエミッタ側からコレクタ側に向けて定義して、第１エミッタ層の中心付近が最小となるようｙ軸に沿って傾斜したインジウム含有量ｘ及びそれに伴う伝導帯端ＥＣＢＭのプロファイルを示している。この実施形態において、図９（ｂ）に示すように、インジウム含有量ｘは０．３以上である。これは、ＩｎＧａＰは、インジウム含有量が０．３を下回ると間接バンドギャップを有するためである。かくして、ＩｎＧａＰ層を通過する伝導電子に対する高い抵抗を回避できる。
【００５２】
伝導帯端のプロファイルを滑らかにするために、高ガリウム含有量領域に高濃度のｎ型ドーピングを導入してもよい。図１０（ａ）は、図８に示したＧａＡｓＨＢＴ３００の実施形態であり、さらに、インジウム含有量プロファイルが最小となる位置、即ち、ガリウム含有量プロファイルが最大となる位置に高濃度のｎ型ドーピング３６０が導入されている。図１０（ｂ）は、インジウム含有量の分布が図９（ｂ）に示したものと同じであり、且つインジウム含有量プロファイルが最小となる位置に平面的なｎ型ドーピング３６０がある場合に生じる伝導帯端ＥＣＢＭのプロファイルを示している。図９（ｂ）に示した結果と比較すると、伝導電子はより滑らかにエミッタからベースに流れることができ、その結果、より良い高周波動作が得られる。
【００５３】
図１１（ａ）は、図８に示したＧａＡｓＨＢＴ３００の他の実施形態であり、第１エミッタ層３５１は、インジウム含有量ｘが０．３である、ガリウムを多く含む厚いＩｎｘＧａ１−ｘＰ層を備える。第１エミッタ層３５１は、さらに、図１１（ｂ）に示す如く伝導帯端プロファイルを滑らかにするために、インジウム含有量ｘが０．３である層の両側に２つの平面的なｎ型ドーピング３６０を備える。ガリウムを多く含む厚いＩｎＧａＰ層は、擬似格子整合型ベース層内に生じる圧縮歪みを強力に相殺する。デバイス動作中のミスフィット転位の形成及び増殖がより効果的に防止される。
【００５４】
図１２（ａ）は、図８に示したＧａＡｓＨＢＴ３００の他の実施形態を示している。図１２（ａ）において、第１エミッタ層３５１とベース３４０との間に、ＩｎｚＧａ１−ｚＰからなる第２エミッタ層３５２が導入されている。第２エミッタ層３５２において、Ｖｃｅｏｆｆを低減させるために、ベース側のインジウム含有量ｚは、図１２（ｂ）に示すように、ＧａＡｓに整合した格子を有する層よりも大きくなっている。この場合、第２エミッタ層３５２は付加的な圧縮歪みを導入する。しかしながら、機械的不安定性は、第１エミッタ３５１内のガリウムを多く含む領域の引張歪みにより低減させることができる。ガリウムを多く含む厚いＩｎＧａＰにより生じる強力な引張歪みは、第１ベース３４１と第２エミッタ３５２の両方における圧縮歪みを相殺し、これにより機械的安定性が確保される。エミッタからベースまでの伝導帯端プロファイルを滑らかにするために、２つの平面的なｎ型ドーピング領域３６０が導入されている。
【００５５】
図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃは、本発明の引張歪エミッタ層による歪み補償の効果を試験するために構成されたＧａＡｓＨＢＴの半導体層構造を示している。図１３Ｂ及び図１３Ｃは、本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴを示している。半導体層は、有機金属気相成長法によるエピタキシャル層成長を用いて構成されている。図１３Ａに示したＧａＡｓＨＢＴでは、エミッタは、インジウム含有量が０．４８である格子整合したＩｎＧａＰ層と、該格子整合したＩｎＧａＰエミッタとベースとの間の付加的なインジウムを多く含むＩｎｚＧａ１−ｚＰ層とを備える。インジウムを多く含むエミッタ層のインジウム含有量ｚは、ベース側からエミッタ側にかけて０．６５から０．４８まで傾斜している。図１３Ｂに示したＧａＡｓＨＢＴでは、ベース及びインジウムを多く含むＩｎｚＧａ１−ｚＰエミッタ内で生じる圧縮歪みを補償するために、インジウム含有量プロファイルが図９（ｂ）に示したものと類似したガリウムを多く含むＩｎｘＧａ１−ｘＰエミッタ層が導入されている。ガリウムを多く含むＩｎｘＧａ１−ｘＰからなるこの２つの層は、図９（ａ）の第１エミッタ層３５１に相当し、インジウムを多く含むＩｎｚＧａ１−ｚＰ層は、図１２（ａ）の第２エミッタ３５２に相当する。この実施形態のＩｎｏＧａ１−ｏＡｓからなるベースは第１ベース層に相当する。図１３Ｃに示したＧａＡｓＨＢＴでは、第１エミッタ層は、より強力に歪みを補償するために、ガリウムを多く含む厚いＩｎｘＧａ１−ｘ
Ｐ層を備える。携帯端末機器用電力増幅器の一般的な動作条件において、高温動作寿命（ＨＴＯＬ）試験を行う。このＨＴＯＬ試験におけるバイアス条件は、Ｖｃｅ＝３Ｖ、Ｉｃ＝２０ｍＡである。試験デバイスのエミッタサイズは、２μｍ×２０μｍ×２指である。試験中の接合温度は約２１０℃である。各デバイスについて、４５のサンプルを試験する。図１３Ｄ、図１３Ｅ及び図１３Ｆは、それぞれ図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃに示したＧａＡｓＨＢＴについてのＨＴＯＬ試験の結果を示した図である。初期値に正規化したＤＣ電流増幅率がストレス時間の関数としてプロットされている。歪み補償を行わない場合、図１３Ｄに示すように、１６０時間の試験後に多数のサンプルが不具合を示している。しかしながら、歪み補償を行う場合、図１３Ｅ及び図１３Ｆに示すように、不具合の数は補償の度合いの強さの順に減少している。
【００５６】
図１４Ａは、図１２に示したＧａＡｓＨＢＴ３００の実施形態を示しており、半導体層は、有機金属気相成長法によるエピタキシャル成長を用いて構成されている。第１エミッタ層は、インジウム含有量ｘが０．３であるガリウムを多く含む厚いＩｎｘＧａ１−ｘＰ層と、２つの平面的なｎ型ドーピング領域とを備える。ＧａＡｓＨＢＴは、さらに、インジウム含有量ｚが０．６５から０．４８まで傾斜したＩｎｚＧａ１−ｚＰからなる第２エミッタ層を備える。ベースは、０．１の均一なインジウム含有量を有するＩｎｏＧａ１−ｏＡｓ層（第１ベース層）と、図７Ａに示した第２ベース層と同様の、０．１から０．１２まで傾斜したインジウム含有量ｑを有するＩｎｑＧａ１−ｑＡｓ層（第２ベース層）とを備える。第２ベース層を挿入した目的は、Ｖｃｅｏｆｆを低減させるためである。ＩｎＧａＡｓからなる第１ベース層を用いるのは、ＧａＡｓＨＢＴ１００及びＧａＡｓＨＢＴ２００のＩｎＧａＡｓベース層と同様に、Ｃｂｃを低減させるためである。この実施形態において、第１及び第２ベース層並びに第２エミッタ層により生じる大きな圧縮歪みは、ガリウムを多く含む厚いＩｎｘＧａ１−ｘＰ層を備えた第１エミッタ層により効果的に補償される。携帯端末機器用電力増幅器の一般的な動作条件でのＨＴＯＬ試験を、図１４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴに対して行う。また、従来技術に基づく擬似格子整合型ＩｎＧａＡｓベースを有するＧａＡｓＨＢＴである、図１４Ｂに示したＧａＡｓＨＢＴに対してもＨＴＯＬ試験を行う。図１４Ｂにおいて、ベース層はインジウム含有量を０．１０で固定したＩｎＧａＡｓから構成されており、エミッタは格子整合したＩｎＧａＰを備える。本発明についてのＨＴＯＬ試験の結果を図１４Ｃに示し、従来技術についてのＨＴＯＬ試験の結果を図１４Ｄに示す。従来技術のいくつかのサンプルは２００時間後に機能しなくなる一方、本発明の実施形態にかかるＧａＡｓＨＢＴは、１０００時間後でさえも全く不具合を示していない。全ベース厚さが同じであっても、図１４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴのベース層中のインジウムの総量は、図１４Ｂに示したＧａＡｓＨＢＴのそれよりも大きいことに注目すべきである。さらに、エミッタ−ベース接合近傍のＩｎＧａＰエミッタのインジウム含有量は、図１４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴの方が大きい。したがって、全圧縮歪みは、図１４Ｂに示したＧａＡｓＨＢＴよりも図１４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴも方がはるかに大きい。それにもかかわらず、図１４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴは試験を通過する。
【００５７】
図１４Ｅは、図１４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴ（円）とベース材料がＧａＡｓである従来のＨＢＴ（三角形）について、測定されたＣｂｃをＩｃの関数としてプロットして示している。エミッタサイズは３μｍ×４０μｍ×３指であり、Ｖｃｅは０．５Ｖである。図１４Ｅに示すように、ベースがＩｎＧａＡｓからなる図１４Ａに示したＧａＡｓＨＢＴのＣｂｃは、特にＩｃが大きいとき、即ち、ニー領域にあたるときに、ベースがＧａＡｓからなる従来のＨＢＴのＣｂｃよりはるかに低い。
【００５８】
要約すると、本発明は以下の利点を有する。
１．擬似格子整合型ＩｎＧａＡｓベース層を備えたＧａＡｓＨＢＴにおいて、エミッタ側からコレクタ側にかけて増加するインジウム含有量の傾斜を変化させたため、インジウムの総量が均一の、又は直線的に傾斜したインジウム含有量を有する単一のベース層と比較して少ない。結果として、格子不整合に起因するミスフィット転位が減少又は消滅する。しかも、コレクタ側に位置する高いインジウム含有量を有する第１ベース層により、Ｃｂｃが低減する。かくして、ＲＦ性能が改善される。一方、エミッタ側に位置する、インジウム含有量の傾斜が大きい第２ベース層にかかるドリフト電界は、ＤＣ電流増幅率の増加に寄与する。
２．エミッタ−ベース接合近傍にインジウムを多く含む領域を持つ擬似格子整合型ＩｎＧａＡｓベース層を備えたＧａＡｓＨＢＴでは、Ｉｃ−Ｖｃｅ特性におけるターンオン電圧オフセットＶｃｅｏｆｆが低減されるが、一方、擬似格子整合型ＩｎＧａＡｓベースを有する従来のＧａＡｓＨＢＴではこれは低減されない。かくして、電力増幅器のＲＦ性能が改善される。ＩｎＧａＡｓベースは、Ｃｂｃも低減させ、ＲＦ性能を改善する。
３．ＧａＡｓのバルク格子定数より大きいバルク格子定数でＧａＡｓに擬似格子整合したベース層と、ＧａＡｓのバルク格子定数より小さいバルク格子定数でＧａＡｓに擬似格子整合したエミッタ層とを備えたＨＢＴでは、擬似格子整合型エミッタ層が、擬似格子整合型ベース層内の圧縮歪みを相殺する引張歪みを発生させる。かくして、機械的不安定性が低減し、長期間のデバイス動作中のミスフィット転位の形成及び増殖が防止される。
【００５９】
要約すると、本発明により提供されるＨＢＴは、ＤＣ・ＲＦ特性が改善され、長期間動作中の機械的安定性が向上し、高周波動作が良くなったＧａＡｓＨＢＴとして、実際に、期待された目的を達成することができる。
【００６０】
図面についての上述の説明は、本発明の好ましい実施形態に関するものに過ぎない。依然として、当業者により本発明の主旨から逸脱しない多くの同等の局所的変形及び修正が可能であり、これらの変形及び修正は添付の特許請求の範囲によって定義される範囲に含まれると見なされるべきである。
【符号の説明】
【００６１】
１００    ＧａＡｓＨＢＴ
１１０    ＧａＡｓ基板
１２０    サブコレクタ
１３０    コレクタ
１４０    ベース
１４１    第１ベース層
１４２    第２ベース層
１５０    エミッタ
【図１】
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【図２Ａ】
0006676008.tif 000003
【図２Ｂ】
0006676008.tif 000004
【図３Ａ】
0006676008.tif 000005
【図３Ｂ】
0006676008.tif 000006
【図３Ｃ】
0006676008.tif 000007
【図４Ａ】
0006676008.tif 000008
【図４Ｂ】
0006676008.tif 000009
【図４Ｃ】
0006676008.tif 000010
【図４Ｄ】
0006676008.tif 000011
【図５Ａ】
0006676008.tif 000012
【図５Ｂ】
0006676008.tif 000013
【図５Ｃ】
0006676008.tif 000014
【図５Ｄ】
0006676008.tif 000015
【図６Ａ】
0006676008.tif 000016
【図６Ｂ】
0006676008.tif 000017
【図６Ｃ】
0006676008.tif 000018
【図６Ｄ】
0006676008.tif 000019
【図７Ａ】
0006676008.tif 000020
【図７Ｂ】
0006676008.tif 000021
【図７Ｃ】
0006676008.tif 000022
【図７Ｄ】
0006676008.tif 000023
【図８】
0006676008.tif 000024
【図９】
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【図１０】
0006676008.tif 000026
【図１１】
0006676008.tif 000027
【図１２】
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【図１３Ａ】
0006676008.tif 000029
【図１３Ｂ】
0006676008.tif 000030
【図１３Ｃ】
0006676008.tif 000031
【図１３Ｄ】
0006676008.tif 000032
【図１３Ｅ】
0006676008.tif 000033
【図１３Ｆ】
0006676008.tif 000034
【図１４Ａ】
0006676008.tif 000035
【図１４Ｂ】
0006676008.tif 000036
【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
0006676008.tif 000038
【図１４Ｅ】
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【図１５】
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【図１６】
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