(57)【要約】【課題】ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴにおいて、エミッタ／ベース間ダイオードの立ち上がり電圧が高いという問題点を解決し、この立ち上がり電圧をバンドギャップから予想される値まで低くする構造を提供する。さらに、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における降伏電圧をコレクタ層のバンドギャップから予想される値に近い値まで高くする構造を提供する。【解決手段】エミッタ層にＡｌ原子を含むｎ型窒化物半導体を用い、ｎ型窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、かつＩｎを含むｐ型窒化物半導体をベース層に用い、コレクタ層としてｎ型窒化物半導体を用いた構造の窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとする。すなわち、エミッタ層のｎ型窒化物半導体をｎ型ＡｌＧａＮ（１）とし、ベース層のｐ型窒化物半導体をｐ型ＩｎＧａＮ（２）とし、コレクタ層のｎ型窒化物半導体をｎ型ＧａＮ（３）とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エミッタ層にＡｌ原子を含むｎ型窒化物半導体を用い、上記ｎ型窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、かつＩｎを含むｐ型窒化物半導体をベース層に用い、コレクタ層としてｎ型窒化物半導体を用いてなることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項２】
請求項１において、上記エミッタ層のｎ型窒化物半導体がｎ型ＡｌＧａＮであることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、上記ベース層のｐ型窒化物半導体がｐ型ＩｎＧａＮであることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、上記コレクタ層のｎ型窒化物半導体がｎ型ＧａＮであることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、上記エミッタ層のＡｌ組成は原子比率で１５％であり、上記ベース層のＩｎ組成は原子比率で１２％であることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項６】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、上記エミッタ層のＡｌ組成は原子比率で１５％であり、上記ベース層のＩｎ組成は原子比率で７％であることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項７】
エミッタ層にＡｌ原子を含むｎ型窒化物半導体を用い、上記ｎ型窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、かつＩｎを含むｐ型窒化物半導体をベース層に用い、コレクタ層としてｎ型窒化物半導体を用いてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、上記Ｉｎを含むｐ型窒化物半導体よりなるベース層と、上記ｎ型窒化物半導体よりなるコレクタ層の間に、伝導帯不連続の影響を無くするＩｎ組成を変化させた窒化物半導体よりなるグレーデッド層を挿入してなることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項８】
請求項７において、上記Ａｌ原子を含むｎ型窒化物半導体よりなるエミッタ層はｎ型ＡｌＧａＮであり、上記Ｉｎを含むｐ型窒化物半導体よりなるベース層はｐ型ＩｎＧａＮであり、上記ｎ型窒化物半導体よりなるコレクタ層はｎ型ＧａＮであり、上記グレーデッド層はＩｎＧａＮであることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項９】
エミッタ層にＡｌ原子を含むｎ型窒化物半導体を用い、上記ｎ型窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、かつＩｎを含むｐ型窒化物半導体をベース層に用い、コレクタ層としてｎ型窒化物半導体を用いてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、上記Ｉｎを含むｐ型窒化物半導体よりなるベース層を成長する際に発生した窪みを、バンドギャップの大きいＡｌを含むｎ型窒化物半導体よりなるエミッタ層で埋め込まれた構造としてなることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項１０】
請求項９において、上記Ａｌ原子を含むｎ型窒化物半導体よりなるエミッタ層はｎ型ＡｌＧａＮであり、上記Ｉｎを含むｐ型窒化物半導体よりなるベース層はｐ型ＩｎＧａＮであり、上記ｎ型窒化物半導体よりなるコレクタ層はｎ型ＧａＮであり、上記ｐ型ＩｎＧａＮベース層を成長する際に発生した窪みを、バンドギャップの大きいＡｌを含むｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層で埋め込まれた構造としてなることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
高周波通信用の高出力パワーアンプなどに利用される窒化物半導体のｎｐｎ型ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に比べて、バンドギャップが大きい、飽和電子速度が大きい、および化学的に安定であることから、高周波・高出力用電子デバイスの材料として注目されている。一方、電子デバイスの一種であるＨＢＴは、電流密度が高い、および降伏電圧が大きい、という特徴を持つために、高周波領域で高い出力を発揮することができるデバイスである。
以上のことから、窒化物半導体でＨＢＴを作製することができれば、材料面からも、デバイス面からも高周波領域で極めて高い出力を発揮するデバイスを作製することができる。このため、窒化物半導体ＨＢＴの開発が行われている。しかしながら、このＨＢＴに関しては、以下のような三つの大きな問題点がある。
【０００３】
第１の問題点は、「ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系ｐ−ｎ接合ダイオードでは、ｎ型層の上にｐ型層を作製したｐ−ｎ接合ダイオードの特性は良好であるのに対して、ｐ型層の上にｎ型層を作製したｐ−ｎ接合ダイオードの順方向電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性における立ち上がり電圧は、バンドギャップから予想される値よりも高い。」ということである。特に、「窒化物半導体のｎｐｎ型ＨＢＴにおいては、ｎ型エミッタ層とｐ型ベース層から構成されるｐ−ｎ接合ダイオードの順方向Ｉ−Ｖ特性の立ち上がり電圧が予想される値よりも高い。」という問題である。このｎｐｎ型ＨＢＴとは、エミッタ層がｎ型、ベース層がｐ型、コレクタ層がｎ型であることを示している。
図２に、ｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴのｎ型ＧａＮエミッタ層とｐ型ＩｎＧａＮベース層から構成されるｐ−ｎ接合ダイオードのＩ−Ｖ特性を実線で示した。合わせて、理想的なＩ−Ｖ特性も点線で示した。窒化物半導体のバンドギャップから予想されるように、理想的なＩ−Ｖ特性の立ち上がり電圧は約３（Ｖ）である。これに対して、実際のエミッタ／ベース間ダイオードでは、順方向電流が流れにくくなっており、立ち上がり電圧が高くなっている。
【０００４】
第２の問題点は、「べ一ス層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性において、立ち上がり電圧がバンドギャップから予想される値よりも大きい。」という点である。ｐ型ＩｎＧａＮ層は、ｐ型ＧａＮ層よりも抵抗が低いために、ＨＢＴの高速化に対して有利である。
図３は、ｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性の一例を示している。［Ｔ．Ｍａｋｉｍｏｔｏ，Ｋ．Ｋｕｍａｋｕｒａ　ａｎｄ　Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７９，ｐｐ．３８０−３８１（２００１）．］。このＨＢＴでは、エミッタ層にｎ型ＧａＮを、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いている。図３の中で示した「立ち上がり電圧」は、エミッタ層を構成する半導体のバンドギャップとベース層を構成する半導体のバンドギャップの差に対応する。したがって、通常のＨＢＴの立ち上がり電圧は、１（Ｖ）程度となる。しかしながら、図３での立ち上がり電圧は６（Ｖ）であるので、予想される値よりもかなり大きいことが分かる。この立ち上がり電圧が高いと、その分だけ電流を流すための電圧が高くなるので効率が悪くなる。したがって、立ち上がり電圧は低いほうが望ましい。
エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性での立ち上がり電圧は、エミッタ／ベース間ダイオードとベース／コレクタ間ダイオードにおける立ち上がり電圧の差となる。したがって、エミッタ／べ一スダイオードの立ち上がり電圧を低く抑えることによって、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性の立ち上がり電圧を低くできる可能性がある。つまり、上記の第１の問題点が解決できれば、第２の問題点は自動的に解決する可能性もある。
【０００５】
第３の問題点は、Ｉｎを含むｐ型窒化物半導体をベース層に用いたＨＢＴにおいて、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における降伏電圧が窒化物半導体のバンドギャップから予想される値ほど高くなっていない点である。窒化物半導体ＨＢＴの特徴の一つは、出力が大きい、ということである。この出力は降伏電圧に比例するので、降伏電圧は高いことが望ましい。ｐ型ＩｎＧａＮをべース層に、ｎ型ＧａＮをエミッタに用いた従来のＨＢＴでは、その降伏電圧は２０（Ｖ）程度であった。〔Ｔ．Ｍａｋｉｍｏｔｏ，Ｋ．Ｋｕｍａｋｕｒａ　ａｎｄ　Ｎ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．７９，ｐｐ．３８０−３８１（２００１．）〕この降伏電圧は、コレクタ層の厚さと降伏電界強度の積で決まる。この従来のＨＢＴにおけるコレクタ層の厚さは５００ｎｍであるので、降伏電界強度は、
２０（Ｖ）÷５００（ｎｍ）＝０．４（ＭＶ／ｃｍ）
となる。これに対して、ＧａＮのバンドギャップから予想される降伏電圧は３（ＭＶ／ｃｍ）である。〔Ｊ．Ｃ．Ｚｏｌｐｅｒ，Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏｌ．４２，ｐｐ．２１５３−２１５６（１９９８）．〕このように、従来のＨＢＴでは、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性の降伏電圧が予想される値よりもかなり低く、窒化物半導体の特徴を十分に生かしきっていない、という問題点があった。
【０００６】
従来のＨＢＴの一般的な作製プロセスを図４に示す。このプロセスでは、まず、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）などによって、ＨＢＴ用のウエハを結晶成長する〔工程（ａ）〕。すなわち、ｎ型ＧａＮエミッタ層９、ｐ型ＩｎＧａＮベース層１０およびｎ型コレクタ層１１を積層する。
次に、上記ウエハをエッチングしてべース層の面だし〔工程（ｂ）〕、およびコレクタ層の面出し〔工程（ｃ）〕を行う。そして、ベース層へのｐ型電極１２の形成〔工程（ｄ）〕、エミッタ層にｎ型電極１３、コレクタ層にもｎ型電極１３をそれぞれ形成する〔工程（ｅ）〕。
ここで、ｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴのエミッタ／ベースダイオードの立ち上がり電圧が高い原因、および、降伏電圧が予想される値よりも低い原因は次のように考えられる。まず、ｎ型ＧａＮコレクタ層１１の上に、グレーデッドＩｎＧａＮ層４およびｐ型ＩｎＧａＮベース層１０を成長すると、ｎ型ＧａＮコレクタ層１１の表面に存在する欠陥１４の周囲ではＩｎＧａＮが成長しないために窪み１５が形成される。そして、エミッタ層であるｎ型ＧａＮ層９を成長する際にも、その窪み１５の部分には成長しない（図５参照）。
【０００７】
次に、ｐ型ＩｎＧａＮベース層１０の面出しを行うために、この層構造に対してエッチングを行うと、図５に示す窪み１５の部分がエッチングされて、大きく削られｎ型ＧａＮコレクタ層１１の内部まで到達した窪み１６が形成される（図６参照）。上記窪み１６が形成されたベース面に対して、ベース電極１９を形成すると、ベース電極１９の一部はｎ型ＧａＮコレクタ層１１に接触することになる（図７参照）。したがって、電圧をかけると、この部分でリーク電流が流れることになる。このリーク電流分だけ、エミッタ／ベースダイオードには電流が流れにくくなるので、立ち上がり電圧が高くなったものと考えられる。さらに、このリーク電流によってエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性の降伏電圧が低くなったものと考えられる。ここで、図５で示した窪み１５の発生は、ｐ型ＩｎＧａＮベース層１０を利用することによって、初めて観察された問題点である。ｐ型ＩｎＧａＮベース層を利用しないＡ１ＧａＮ／ＧａＮ系ＨＢＴでは、この窪みが問題とはならなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、へテロ接合バイポーラトランジスタでは、エミッタ層に用いた材料のバンドギャップとベース層に用いた材料のバンドギャップとの差によって電流利得を大きく取ることができる。この電流利得（β）と両者のバンドギャップ差（△Ｅ）には、次に示す（数１）式の関係がある。
【０００９】
β〜ｅｘｐ（ｑ△Ｅ／ｋＴ）………（数１）
式中、〜　は比例を表す。
【００１０】
ｑ：電荷素量〔＝１．６×１０−１９（Ｃ）〕
ｋ：ボルツマン定数〔＝１．３８×１０−２３（Ｊ／Ｋ）〕
Ｔ：温度〔室温であれば、約３００（Ｋ）〕
上記した（数１）式は、βは△Ｅの指数に比例することを示している。例えば、エミッタ層がｎ型ＧａＮ、ベース層がｐ型ＩｎＧａＮであるＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴにおいて、Ｉｎ組成が１２％（原子比率）のベース層を用いると△Ｅ＝４００（ｍｅＶ）となる。したがって、（数１）式を用いるとβは△Ｅ＝０の場合（ヘテロ接合を用いないホモ接合のバイポーラトランジスタ）に比べて、５×１０６（５百万）倍にも達する。実用上、βはこの程度あれば十分である。
【００１１】
また、ｐ型ＩｎＧａＮではＩｎ組成が高いほど抵抗が低くなる。ベース層の抵抗が低いとＣＲ時定数が小さくなり、遅延時間が少なくなるので、高速化に有利である。したがって、ｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴでは、ベース層のＩｎ組成を高くすることによって、▲１▼βを高くする、▲２▼ＣＲ時定数を小さくする、ことが最も良い方法である。
ここで、高いβだけを得るためには、確かに、エミッタ層にｎ型ＧａＮよりもバンドギャップが大きなｎ型ＡｌＧａＮを利用することも考えられる。しかしながら、ＡｌＧａＮエミッタ層を用いた場合、以下のような問題がある。
（１）上述したように、βはある程度高ければ良いので、高いβを得るだけでは実用上の意味が無い。
（２）ｐ型ＩｎＧａＮを成長する最適な温度は、ＡｌＧａＮを成長するのに適した成長温度よりも２００℃以上も低い。したがって、ｐ型ＩｎＧａＮの上に結晶品質の良好なＡｌＧａＮ層を成長することができないために、かえって、電流利得が低くなる可能性がある。
（３）Ａｌを含む化合物半導体は、酸化され易いのでＨＢＴの動作が不安定になる可能性がある。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴでは、ＡｌＧａＡｓが酸化され易く、ドナー準位が深い、ことが報告されている。このことから、エミッタ層として、Ａｌを含むＡｌＧａＡｓの代わりに、ＩｎＧａＰが用いられることが多い。
以上のような問題点があるため、ｐ型ＩｎＧａＮをベース層に用いたＨＢＴでは、ＡｌＧａＮをエミッタに用いる積極的な理由は無かった。このように、ＡｌＧａＮエミッタ層を用いたｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ　ＨＢＴ開発のメリットは無かったので、その開発は行われていなかった。今後、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ　ＨＢＴの開発を行うためには、ここで示した３つの問題点を凌駕するような新しい特徴が必要であった。
【００１２】
ｐ型ＧａＮをベース層に用いたｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴの報告例がある。このＨＢＴでは、ベース層にＧａＮを用いているために、必然的に、エミッタ層はＧａＮよりもバンドギャップの大きなＡｌＧａＮを用いなければならない。ただし、このＨＢＴではＩｎＧａＮベース層を使用していないので、ＡｌＧａＮを成長するための温度を低くする必要は無い。したがって、上記（２）の項で指摘した問題点、つまり、ＡｌＧａＮ層の結晶品質が劣化する問題点を考慮する必要は無い。さらに、従来のｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴでは、ベース層にＧａＮを用いているので、ベース層には図５で示したような窪み１５は発生しない。このため、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴで問題となった図７に示す、エッチングされた窪みにも形成されたベース電極１７を介したリーク電流を考慮することは無かった。このように、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴでは、電流利得を高くするためだけにＡｌＧａＮエミッタ層を使用していた。
【００１３】
本発明の目的は、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴにおいて、エミッタ／ベース間ダイオードの立ち上がり電圧が高いという問題点を解決し、この立ち上がり電圧をバンドギャップから予想される値まで低くする構造を提供することにある。
【００１４】
さらに、本発明の目的は、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における立ち上がり電圧が高いという問題点を解決し、この立ち上がり電圧をバンドギャップから予想される値まで低くする構造を提供することにある。
【００１５】
さらに、本発明の目的は、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性の降伏電圧がコレクタ層のバンドギャップから予想される値よりも大幅に低いという問題点を解決し、この降伏電圧を予想値に近い値まで高くする構造を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
本発明は請求項１に記載のように、エミッタ層にＡｌ原子を含むｎ型窒化物半導体を用い、上記ｎ型窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、かつＩｎを含むｐ型窒化物半導体をベース層に用い、コレクタ層としてｎ型窒化物半導体を用いてなる窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００１７】
また、請求項２に記載のように、請求項１において、上記エミッタ層のｎ型窒化物半導体がｎ型ＡｌＧａＮであるヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００１８】
また、請求項３に記載のように、請求項１または請求項２において、上記ベース層のｐ型窒化物半導体がｐ型ＩｎＧａＮであるヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００１９】
また、請求項４に記載のように、請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、上記コレクタ層のｎ型窒化物半導体がｎ型ＧａＮであるヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００２０】
また、請求項５に記載のように、請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、上記エミッタ層のＡｌ組成は原子比率で１５％であり、上記ベース層のＩｎ組成は原子比率で１２％であるヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００２１】
また、請求項６に記載のように、請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、上記エミッタ層のＡｌ組成は原子比率で１５％であり、上記ベース層のＩｎ組成は原子比率で７％であることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００２２】
また、請求項７に記載のように、エミッタ層にＡｌ原子を含むｎ型窒化物半導体を用い、上記ｎ型窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、かつＩｎを含むｐ型窒化物半導体をベース層に用い、コレクタ層としてｎ型窒化物半導体を用いてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、上記Ｉｎを含むｐ型窒化物半導体よりなるベース層と、上記ｎ型窒化物半導体よりなるコレクタ層の間に、伝導帯不連続の影響を無くするＩｎ組成を変化させた窒化物半導体よりなるグレーデッド層を挿入してなる窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００２３】
また、請求項８に記載のように、請求項７において、上記Ａｌ原子を含むｎ型窒化物半導体よりなるエミッタ層はｎ型ＡｌＧａＮであり、上記Ｉｎを含むｐ型窒化物半導体よりなるベース層はｐ型ＩｎＧａＮであり、上記ｎ型窒化物半導体よりなるコレクタ層はｎ型ＧａＮであり、上記グレーデッド層はＩｎＧａＮである窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００２４】
また、請求項９に記載のように、エミッタ層にＡｌ原子を含むｎ型窒化物半導体を用い、上記ｎ型窒化物半導体よりもバンドギャップが小さく、かつＩｎを含むｐ型窒化物半導体をベース層に用い、コレクタ層としてｎ型窒化物半導体を用いてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、上記Ｉｎを含むｐ型窒化物半導体よりなるベース層を成長する際に発生した窪みを、バンドギャップの大きいＡｌを含むｎ型窒化物半導体よりなるエミッタ層で埋め込まれた構造としてなる窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００２５】
また、請求項１０に記載のように、請求項９において、上記Ａｌ原子を含むｎ型窒化物半導体よりなるエミッタ層はｎ型ＡｌＧａＮであり、上記Ｉｎを含むｐ型窒化物半導体よりなるベース層はｐ型ＩｎＧａＮであり、上記ｎ型窒化物半導体よりなるコレクタ層はｎ型ＧａＮであり、上記ｐ型ＩｎＧａＮベース層を成長する際に発生した窪みを、バンドギャップの大きいＡｌを含むｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層で埋め込まれた構造としてなる窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００２６】
本発明は、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴにおいて、エミッタ層にＡｌ原子を含んだｎ型窒化物半導体を使用することを最も主要な特徴とする。従来の技術とは、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴにおいて、エミッタ層にｎ型ＧａＮの代わりにＡｌ原子を含む窒化物半導体を用いた点が異なる。
【００２７】
また、後述する実施の形態で示されるように、エミッタ層にＡｌを含んだｎ型窒化物半導体を用いるとｐ型ＩｎＧａＮベース層を含むＩｎＧａＮを成長する際に発生した窪みをＡｌを含む窒化物半導体が覆い尽くす。この窪みの部分では、バンドギャップの大きなＡｌＧａＮが存在するので、窪みを介したリーク電流が流れにくくなる。このため、ｎｐｎ型窒化物半導体ＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードの立ち上がり電圧をバンドギャップから予想される値まで低くすることができる。さらに、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における立ち上がり電圧をバンドギャップから予想される値まで低くすることができる効果がある。また、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における降伏電圧をコレクタ層のバンドギャップから予想される値に近い値まで高くすることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
〈実施の形態１〉
図８に、本発明の実施の形態で作製したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴの層構造の一例を示す。なお、組成を示す％はすべて原子％（原子比率）を表わす。
ｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴの構造は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、ＳｉＣ基板２７上に作製した。
図８において、２１はｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層（Ａｌ：１５％、Ｓｉ：５×１０１８ｃｍ−３、５０ｎｍ）、２２はｐ型ＩｎＧａＮベース層（Ｉｎ：１２％、Ｍｇ：１×１０１９ｃｍ−３、１００ｎｍ）、２３はグレーデッドＩｎＧａＮ層（３０ｎｍ）、２４はｎ型ＧａＮコレクタ層（Ｓｉ：２×１０１７ｃｍ−３、５００ｎｍ）、２５はｎ型ＧａＮサブ・コレクタ層（Ｓｉ：３×１０１８ｃｍ−３、１μｍ）、２６はＡｌＮバッファー層（１００ｎｍ）、２７はＳｉＣ基板、２８はＡｌ／Ａｕ（エミッタ電極）、２９はＰｄ／Ａｕ（ベース電極）、３０はＡｌ／Ａｕ（コレクタ電極）である。
【００２９】
エミッタ層、ベース層、およびコレクタ層には、それぞれ、ｎ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮ、およびｎ型ＧａＮを用いている。ｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層のＡｌ組成は１５％、ｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は１２％である。また、ｐ型ＩｎＧａＮベース層とｎ型ＧａＮコレクタ層の間には、ＩｎＧａＮとＧａＮの伝導帯不連続の影響を無くすために、Ｉｎ組成を変化させたＩｎＧａＮ層（グレーデッドＩｎＧａＮ層）を挿入している。
【００３０】
まず、水素ガスをキャリアガスとして、ＳｉＣ基板２７上に、１１００℃で、ＡｌＮバッファー層２６を成長し、その後、１０００℃で、ｎ型ＧａＮサブ・コレクタ層２５を成長する。
次に、キャリアガスを窒素に変えて、７８０℃でグレーデッドＩｎＧａＮ層２３、ｐ型ＩｎＧａＮベース層２３、ｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層２１を成長する。このようにして成長したＨＢＴ用ウエハを、フォトリソグラフィーとドライエッチング法を用いて加工した。そして、電子ビーム蒸着法によって、各電極層〔Ａｌ／Ａｕ（エミッタ電極）２８、Ｐｄ／Ａｕ（ベース電極）２９、Ａｌ／Ａｕ（コレクタ電極）３０〕を形成した。
【００３１】
図９には、作製したＨＢＴ構造の平面図を示した。図において、２１ａは露出したエミッタ層、２２ａは露出したベース層、２５ａは露出したコレクタ層を示す。なお、エミッタ電極サイズは約３０μｍ×約５０μｍ、ベース電極サイズは約８０μｍ×約８０μｍである。
【００３２】
図１０は、ｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードのＩ−Ｖ特性（実線で示す）、および、図２で示したｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードのＩ−Ｖ特性（点線で示す）の比較を示した。ＡｌＧａＮエミッタ層を用いたエミッタ／ベース間ダイオードでは、ＧａＮエミッタ層を用いた場合に比べて、大幅に電流が流れ易くなっていることが分かる。
【００３３】
図１１は、ｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ　ＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオード、およびベース／コレクタ間ダイオードのＩ−Ｖ特性の比較を示す。図１１から、エミッタ／ベース間ダイオード、およびベース／コレクタ間ダイオードの立ち上がり電圧は、それぞれ約５（Ｖ）および約３（Ｖ）である。このエミッタ／ベース間ダイオード、およびベース／コレクタ間ダイオードの立ち上がり電圧は、それぞれ、１５％のＡｌＧａＮおよび１２％のＩｎＧａＮのバンドギャップに対応する。１５％のＡｌＧａＮおよび１２％のＩｎＧａＮのバンドギャップは、それぞれ、約４（Ｖ）および約３（Ｖ）であるので、図１１のＩ−Ｖ特性における立ち上がり電圧は、バンドギャップから予想される値にほぼ等しいことが分かる。ＡｌＧａＮエミッタ層を用いたエミッタ／ベース間ダイオードにおいて、その立ち上がり電圧がバンドギャップに比べて１（Ｖ）程度大きくなったのは、電極層のオーミック特性が良くなかったことが原因だと考えられる。
【００３４】
図１２は、ｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性を示す。ＡｌＧａＮエミッタ層を用いたのにもかかわらず、電流利得βの最大値は１２であった。ＧａＮエミッタ層を１５％のＡｌＧａＮエミッタ層に変えた場合、両者のバンドギャップ差は約０．４（Ｖ）である。したがって、（数１）式から、図３で得られてたＧａＮエミッタ層のβに比べて、ＡｌＧａＮエミッタ層では約５×１０６（５百万）倍も高いβが得られることが予想されるが、実際のβは図３のβと同程度であった。この理由は、上述したように、ＩｎＧａＮの成長に適した低い温度（７８０℃）でＡｌＧａＮを成長したために、ＡｌＧａＮの結晶品質が劣化したためである。一方、ＧａＮよりもバンドギャップの大きなＡｌＧａＮをエミッタ層に用いたのにもかかわらず、図１２の特性における立ち上がり電圧は約２（Ｖ）であり、ＧａＮエミッタ層に用いた図３の特性における立ち上がり電圧（約６（Ｖ））に比べて十分に小さくなっている。また、図１２の特性における立ち上がり電圧は、エミッタ層に用いたＡｌＧａＮとベース層に用いたＩｎＧａＮのバンドギャップ差〔約１（Ｖ）〕にほぼ等しい。この立ち上がり電圧がバンドギャップ差に一致しない理由は、各電極のオーミック特性が完全でないことに起因するものと考えられる。この理由は、図１１のダイオード特性における立ち上がり電圧とバンドギャップ差が一致しない理由と同様である。
【００３５】
ここで、ＡｌＧａＮエミッタ層を用いたＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性において、立ち上がり電圧が減少した理由について考察する。図１３は、ＭＯＶＰＥ法で成長したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ　ＨＢＴ用のウエハを示す。エミッタ層にＡｌＧａＮを用いるとｐ型ＩｎＧａＮベース層を形成する際に発生した窪みをＡｌＧａＮが覆い尽くす。この点が、図５に示したＧａＮをエミッタ層に用いたＨＢＴウエハとの大きな違いである。ｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ　ＨＢＴ用ウエハを加工して、電極を形成したＨＢＴ構造を図１に示す。
【００３６】
本発明では、窪みの部分がバンドギャップの大きなｎ型ＡｌＧａＮで埋め込まれている。したがって、ベース電極からの電流は、バンドギャップの大きなＡｌＧａＮ層には流れにくく、バンドギャップの小さなＩｎＧａＮに有効に流れることになる。したがって、窪みを介したリーク電流が流れにくくなる。このため、ＡｌＧａＮエミッタ層を用いることにより、ｎｐｎ型窒化物半導体ＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードの立ち上がり電圧をバンドギャップから予想される値まで低くすることができ、さらに、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における立ち上がり電圧もバンドギャップから予想される値まで低くすることができたものと考えられる。
【００３７】
〈実施の形態２〉
本発明の実施の形態のもう一つの例を示す。図１４は、本発明を適用したＨＢＴ構造である。構造の成長および作製方法は、上述した〈実施の形態１〉で述べた通りである。エミッタ層はｎ型ＡｌＧａＮであり、ベース層はｐ型ＩｎＧａＮである。このｐ型ＩｎＧａＮのＭｇ原子濃度は、１．５×１０１９ｃｍ−３であり、〈実施の形態１〉の図８で示したベース層のＭｇ不純物よりも高くしてある。このように、Ｍｇ濃度を高くした場合には、バイアス電圧を高くしても、ｐ型ＩｎＧａＮは空乏化しにくくなる。つまり、ｐ型ＩｎＧａＮ層の空乏化による降伏現象を避けることができる。また、Ｉｎ組成は７％である。図１５は、このＨＢＴの室温におけるエミッタ接地Ｉ−Ｖの一例を示す。ベース電流は、１ｍＡずつ変化させている。コレクタ／エミッタ間電圧が７０（Ｖ）でもＨＢＴが正常に動作していることが分かる。図１６も室温におけるエミッタ接地Ｉ−Ｖのもう一つの例である。ここでは、ベース電流が０の時の降伏電圧を調べるために、ベース電流の値を低くし、コレクタ電流も低くしている。ベース電流は０．５ｍＡずつ変化させている。図１６からわかるように、ベース電流が０の時の降伏電圧は１００（Ｖ）である。このＨＢＴにおけるコレクタ層の厚さは５００ｎｍであるので、降伏電界強度は、
１００（Ｖ）÷５００（ｎｍ）＝２（ＭＶ／ｃｍ）
となる。このように、本発明を適用したＨＢＴでは、その降伏電圧がＧａＮのバンドギャップから予想される降伏電圧〔３（ＭＶ／ｃｍ）〕に匹敵する値まで高くすることができる。
【００３８】
従来の技術で説明したように、ＩｎＧａＮ、あるいは、それに引き続き成長するＧａＮでは、コレクタ表面に存在する欠陥によって発生した窪みを埋め込むことはできない。これに対して、本発明では、エミッタ層にＡｌＧａＮを用いることによって、窪みを埋め込むことが可能となった。したがって、窪みを埋め込むためには、エミッタ層にＡｌ原子を含むＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮなどの混晶でも同様な効果が期待できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴにおいて、エミッタ層にＡｌを含む窒化物半導体を用いる。その結果、コレクタ表面に存在する結晶欠陥によって形成された窪みを介するリーク電流を抑えることができるので、エミッタ／ベース間ダイオードの立ち上がり電圧をバンドギャップから予想できる値まで低くできるという利点がある。さらに、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における立ち上がり電圧もバンドギャップから予想できる値まで低くできるという利点がある。また、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における降伏電圧をコレクタ層のバンドギャップから予想される値に近い値まで高くすることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ　ＨＢＴ構造を示す模式図。
【図２】従来のｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴのｎ型ＧａＮエミッタ層とｐ型ＩｎＧａＮベース層から構成されるｐ−ｎ接合ダイオードのＩ−Ｖ特性と理想的なＩ−Ｖ特性を示す図。
【図３】従来のｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性を示す図。
【図４】従来のＨＢＴの一般的な作製プロセスを示す工程図。
【図５】従来のｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴ用ウエハを示す模式図。
【図６】従来のエッチング後のＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴ用ウエハを示す模式図。
【図７】従来のｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴ構造を示す模式図。
【図８】本発明の実施の形態１で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴの層構造を示す模式図。
【図９】本発明の実施の形態１で例示したＨＢＴ構造の平面図を示す。
【図１０】本発明の実施の形態１で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードのＩ−Ｖ特性（実線）、および図２で示したｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードのＩ−Ｖ特性（点線）の比較を示す図。
【図１１】本発明の実施の形態１で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオード、およびベース／コレクタ間ダイオードのＩ−Ｖ特性の比較を示す図。
【図１２】本発明の実施の形態１で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性を示す図。
【図１３】本発明の実施の形態１で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴ用ウエハの構造を示す模式図。
【図１４】本発明の実施の形態２で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴの層構造を示す模式図。
【図１５】本発明の実施の形態２で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性を示す図。
【図１６】本発明の実施の形態２で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における降伏電圧を示す図。
【符号の説明】
１…ｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層
２…ｐ型ＩｎＧａＮベース層
３…ｎ型ＧａＮコレクタ層
４…グレーデッドＩｎＧａＮ層
５…ｎ型ＡｌＧａＮで埋め込まれた窪み
６…エミッタ電極
７…ベース電極
８…コレクタ電極
９…ｎ型ＧａＮエミッタ層
１０…ｐ型ＩｎＧａＮベース層
１１…ｎ型ＧａＮコレクタ層
１２…ｐ型電極
１３…ｎ型電極
１４…コレクタ表面に存在する欠陥
１５…窪み
１６…エッチングされてコレクタ内部まで到達した窪み
１７…エッチングされた窪みにも形成されたベース電極
１８…エミッタ電極
１９…ベース電極
２０…コレクタ電極
２１…ｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層（Ａｌ：１５％、Ｓｉ：５×１０１８ｃｍ−３、５０ｎｍ）
２１ａ…露出したエミッタ層
２２…ｐ型ＩｎＧａＮベース層（Ｉｎ：１２％、Ｍｇ：１×１０１９ｃｍ−３、１００ｎｍ）
２２ａ…露出したベース層
２３…グレーデッドＩｎＧａＮ層（３０ｎｍ）
２４…ｎ型ＧａＮコレクタ層（Ｓｉ：２×１０１７ｃｍ−３、５００ｎｍ）
２５…ｎ型ＧａＮサブ・コレクタ層（Ｓｉ：３×１０１８ｃｍ−３、１μｍ）
２５ａ…露出したコレクタ層
２６…ＡｌＮバッファー層（１００ｎｍ）
２７…ＳｉＣ基板
２８…Ａｌ／Ａｕ（エミッタ電極）
２９…Ｐｄ／Ａｕ（ベース電極）
３０…Ａｌ／Ａｕ（コレクタ電極）
３１…ｎ−ＧａＮキャッップ（２０ｎｍ）
３２…ｎ−ＡｌＧａＮエミッタ（Ａｌ：１５％、Ｓｉ：２×１０１９ｃｍ−３、３０ｎｍ）
３３…ｐ−ＩｎＧａＮベース（Ｉｎ：７％、Ｍｇ：１．５×１０１９ｃｍ−３、１００ｎｍ）
３４…傾斜ＩｎＧａＮ（３０ｎｍ）
３５…ｎ−ＧａＮコレクタ（Ｓｉ：１×１０１７ｃｍ−３、５００ｎｍ）
３６…ｎ−ＧａＮサブ・コレクタ（１μｍ）
３７…ＡｌＮバッファー層（１００ｎｍ）
３８…ＳｉＣ基板
３９…Ａｌ／Ａｕ（エミッタ電極）
４０…Ｐｄ／Ａｕ（ベース電極）
４１…Ａｌ／Ａｕ（コレクタ電極）
【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７】
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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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