(57)【要約】【課題】高速動作特性が改善されたヘテロバイポーラトランジスタを提供すること。【解決手段】半絶縁性基板１の上に、バッファー層２、ｎ型コレクタ層３、ｐ型ベース層４、ｎ型エミッタ層５、ｎ型キャップ層６が順次形成され、コレクタ層３の上にはコレクタ電極７が、ベース層４の上にはベース電極８が、キャップ層６の上にはエミッタ電極９が、それぞれ形成されてなるヘテロバイポーラトランジスタにおいて、半絶縁性基板１およびバッファー層２がＧａＡｓからなり、ｎ型コレクタ層３がＧａＮＡｓからなり、ｐ型ベース層４がＧａＡｓからなり、ｎ型エミッタ層５がＡｌＧａＡｓからなり、ｎ型キャップ層６がＩｎＧａＡｓからなるヘテロバイポーラトランジスタを構成する。【選択図】    図１
2004214576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層及びｐ型ベース層が化合物半導体からなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項２】
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＡｌＧａＡｓからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＡｌＧａＡｓあるいはＧａＡｓからなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項３】
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＡｓからなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項４】
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層及びｐ型ベース層が化合物半導体からなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＩｎＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項５】
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＡｌＧａＡｓからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＡｌＧａＡｓあるいはＧａＡｓからなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＩｎＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項６】
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＡｓからなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＩｎＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項７】
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層及びｐ型ベース層が化合物半導体からなり、前記ｎ型コレクタ層がＩｎＮＰを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項８】
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＩｎＰあるいはＡｌＩｎＰからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＩｎＰ、ＡｌＩｎＰまたはＧａＡｓＳｂからなり、前記ｎ型コレクタ層がＩｎＮＰを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項９】
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層及びｐ型ベース層が化合物半導体からなり、前記ｎ型コレクタ層がＩｎＮＰＡｓあるいはＩｎＮＰＳｂを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項１０】
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＩｎＰあるいはＡｌＩｎＰからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＩｎＰ、ＡｌＩｎＰまたはＧａＡｓＳｂからなり、前記ｎ型コレクタ層がＩｎＮＰＡｓあるいはＩｎＮＰＳｂを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項１１】
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層及びｐ型ベース層が化合物半導体からなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＩｎＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項１２】
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＩｎＰあるいはＡｌＩｎＰからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＧａＩｎＡｓからなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＩｎＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタ。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれかに記載のヘテロバイポーラトランジスタにおける前記ｎ型コレクタ層を、窒素原子組成の異なる半導体を交互に積層した超格子構造あるいは窒素を含む半導体と窒素を含まない半導体を交互に積層した超格子構造からなる層に代えてなることを特徴とするヘテロ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】
本発明はヘテロバイポーラトランジスタに関し、特に、無線通信・光通信・信号計測等に用いられる、高速で動作する半導体デバイスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開平０６−０３７３５５号公報
【特許文献２】特開２０００−２７７８６７号公報
【非特許文献１】論文「Ｍ．  Ｗ．  Ｄｖｏｒａｋ，  ｅｔ  ａｌ．，  ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃ．  Ｄｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  Ｖｏｌ．  ２２（２００１）  ｐ．  ３６１」
【非特許文献２】論文「Ｍａｒｋｕｓ  Ｗｅｙｅｒｓ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．  ３１（１９９２）  ｐ．  Ｌ８５３」
【非特許文献３】論文「Ｍｉｃｈｉｏ  Ｓａｔｏ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｉｎｓｔ．  Ｐｈｙｓ．  Ｃｏｎｆ．  Ｓｅｒ．  Ｎｏ．  １２９：  Ｃｈａｐｔｅｒ  ６  （１９９３）  ｐ．  ５５５」
【非特許文献４】論文「Ｓｈｕｎｉｃｈｉ  Ｓａｔｏ，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｖｏｌ．  ３９（２０００）  ｐ．  ３４０３」
【非特許文献５】論文「Ｍｉｃｈｉｏ  Ｓａｔｏ，  Ｊ．  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｇｒｏｗｔｈ  Ｖｏｌ．  １４５（１９９４）  ｐ．  ９９」
【非特許文献６】論文「Ｍａｓａｈｉｋｏ  Ｋｏｎｄｏｗ，  ｅｔ  ａｌ．，  Ｊｐｎ．  Ｊ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．
Ｖｏｌ．  ３５（１９９６）  ｐ．  １２７３」。
【０００３】
ヘテロバイポーラトランジスタ（以下ＨＢＴと記す）はｎ型エミッタ層のバンドギャッブをｐ型ベース層より大きくすることを特徴とするトランジスタである。
【０００４】
ＨＢＴの構造の概略図を図１に示す。図において、半絶縁性基板１の上に、バッファー層２、ｎ型コレクタ層３、ｐ型ベース層４、ｎ型エミッタ層５、ｎ型キャップ層６が順次形成され、ｎ型コレクタ層３の上にはコレクタ電極７が、ｐ型ベース層４の上にはベース電極８が、キャップ層６の上にはエミッタ電極９が、それぞれ形成されている。
【０００５】
図１において、動作原理は同ー半導体のｎ型、ｐ型、ｎ型を積層したホモ接合トランジスタとほぼ同様であるが、ＨＢＴにおいてはｐ型ベース層４よりｎ型エミッタ層５への少数キャリアであるホールの漏洩がそのバンドギャップ差により抑制される点が異なっている。図４に、従来手法によって作製されたＨＢＴのエネルギー帯構造の一例を示す。図に見られるように、ｎ型エミッタ層とｐ型ベース層との間に価電子帯上端のエネルギー勾配があり、この勾配が少数キャリアであるホールのエミッタ側への漏洩を抑制している。少数キャリアの漏洩が抑制される分、ホモ接合トランジスタよりも利得が大きくなる。
【０００６】
ｎ型エミッタ層５、ｐ型ベース層４の組成を最適化することにより、ＨＢＴ中を走行する電子の速度を増加させることが可能である。例えば、半絶縁性基板１としてＧａＡｓ基板を用い、ＡｌＧａＡｓをｎ型エミッタ層５とするＨＢＴにおいて、ＡｌＧａＡｓで形成されるｐ型ベース層４のＡｌ組成をエミッタ層５側からコレクタ層３に向けて除々に小さくすることが行われている。この組成の傾斜により、ベース層４を横切って走行する電子が加速され、より速い電子速度が得られる。このような構造上の工夫により、ＨＢＴは高速で動作する。
【０００７】
ＧａＡｓ基板を用いたＨＢＴでは、ｎ型エミッタ層５にＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＰ、ｐ型ベース層４にＡｌＧａＡｓまたはＧａＡｓ、ｎ型コレクタ層３にＧａＡｓを用いることが一般的である。
【０００８】
ＩｎＰ基板を用いてもＨＢＴは作製できる。ＩｎＰ基板を用いる場合には、ｎ型エミッタ層５にＡｌＩｎＰ、ｐ型ベース層４にＡｌＩｎＰあるいはＩｎＰ、ｎ型コレクタ層３にＩｎＰの組み合わせか、ｎ型エミッタ層５にＩｎＰ、ｐ型ベース層４にＧａＩｎＡｓ、ｎ型コレクタ層３にＧａＩｎＡｓの組み合わせを用いることが一般的である。ＧａＩｎＡｓ中においてはＩｎＰ中よりも電子の走行速度が速いので、後者の組み合わせで作製したＨＢＴは、前者より高速で動作する。
【０００９】
近年、ｐ型ベース層４にＧａＡｓＳｂを用いたＨＢＴが報告された（上記非特許文献１）。この報告では、ＩｎＰ基板を用い、ｎ型エミッタ層５、ｎ型コレクタ層３ともにＩｎＰを使用している。ＩｎＰとＧａＡｓＳｂとの間のバンドギャップの関係より、ベース層４からエミッタ層５への少数キャリアの漏洩は厳しく抑制されるため動作速度は速く、高速スイッチング時の電流利得の遮断周波数（以下ｆＴと記す）は２００ＧＨｚを超える。
【００１０】
ＧａＡｓに窒素を添加したＧａＮＡｓはＧａＡｓよりも長い波長で発光することが報告されている（上記特許文献１、非特許文献２及び３）。その後、ＧａＮＡｓにＩｎを添加したＧａＩｎＮＡｓを用いた半導体レーザーが報告されている（上記特許文献２及び非特許文献４）。これらの報告例では、ＧａＮＡｓ層あるいはＧａＩｎＮＡｓ層にレーザーなどの励起光の照射あるいは電流注入により電子とホールの両方を形成させ、その電子とホールのペアが再結合する際の発光を観測している。
【００１１】
しかしながら、ＧａＮＡｓ層やＧａＩｎＮＡｓ層中において電子を走行させることについての報告はない。
【００１２】
さらに、ＩｎＰに窒素を添加したＩｎＮＰについては、その作製例すらなく、物性についても明らかになっていない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
無線通信で使用される周波数領域の高周波化、通信需要増加による光通信速度の高速化などにより、高速で動作する電子デバイスが求められている。
【００１４】
ＨＢＴを高速で動作させるためには、ｎ型エミッタ層５の伝導帯のエネルギー位置を高くしてエネルギー差により高速でｐ型ベース層４に電子を注入する従来手法がある。しかしながらＧａＡｓやＩｎＰ基板の上に成長できる材料には限りがあり、ｎ型エミッタ層５のエネルギー位置を高くする手法はすでに限界を迎えている。
【００１５】
ｐ型ベース層４の膜厚を薄くすることは、ベース層４中を電子が走行する時間を短縮する効果により、ＨＢＴを高速で動作させることに有効である。しかしながら、薄い膜においては、分子層レベルの膜厚の変化がＨＢＴの特性に影響を与えるため、エピタキシャル成長において、面内の均一性や再現性を確保することが困難となる。
【００１６】
以上の手法が限界を迎えている現状において、ＨＢＴのさらなる高速化を図ることが、本発明が解決しようとする課題であり、本発明の目的は、高速動作特性が改善されたヘテロバイポーラトランジスタを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、請求項１に記載したように、
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層及びｐ型ベース層が化合物半導体からなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００１８】
また、本発明は、請求項２に記載したように、
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＡｌＧａＡｓからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＡｌＧａＡｓあるいはＧａＡｓからなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００１９】
また、本発明は、請求項３に記載したように、
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＡｓからなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００２０】
また、本発明は、請求項４に記載したように、
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層及びｐ型ベース層が化合物半導体からなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＩｎＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００２１】
また、本発明は、請求項５に記載したように、
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＡｌＧａＡｓからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＡｌＧａＡｓあるいはＧａＡｓからなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＩｎＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００２２】
また、本発明は、請求項６に記載したように、
半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＩｎＰからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰまたはＧａＡｓからなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＩｎＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００２３】
また、本発明は、請求項７に記載したように、
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層及びｐ型ベース層が化合物半導体からなり、前記ｎ型コレクタ層がＩｎＮＰを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００２４】
また、本発明は、請求項８に記載したように、
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＩｎＰあるいはＡｌＩｎＰからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＩｎＰ、ＡｌＩｎＰまたはＧａＡｓＳｂからなり、前記ｎ型コレクタ層がＩｎＮＰを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００２５】
また、本発明は、請求項９に記載したように、
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層及びｐ型ベース層が化合物半導体からなり、前記ｎ型コレクタ層がＩｎＮＰＡｓあるいはＩｎＮＰＳｂを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００２６】
また、本発明は、請求項１０に記載したように、
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＩｎＰあるいはＡｌＩｎＰからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＩｎＰ、ＡｌＩｎＰまたはＧａＡｓＳｂからなり、前記ｎ型コレクタ層がＩｎＮＰＡｓあるいはＩｎＮＰＳｂを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００２７】
また、本発明は、請求項１１に記載したように、
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層及びｐ型ベース層が化合物半導体からなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＩｎＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００２８】
また、本発明は、請求項１２に記載したように、
半絶縁性ＩｎＰ基板上に、ｎ型エミッタ層、ｐ型ベース層及びｎ型コレクタ層を有するヘテロバイポーラトランジスタにおいて、前記ｎ型エミッタ層がＩｎＰあるいはＡｌＩｎＰからなり、前記ｐ型ベース層が前記ｎ型エミッタ層よりバンドギャップが小さいＧａＩｎＡｓからなり、前記ｎ型コレクタ層がＧａＩｎＮＡｓを構成要素として有することを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００２９】
また、本発明は、請求項１３に記載したように、
請求項１乃至１２のいずれかに記載のヘテロバイポーラトランジスタにおける前記ｎ型コレクタ層を、窒素原子組成の異なる半導体を交互に積層した超格子構造あるいは窒素を含む半導体と窒素を含まない半導体を交互に積層した超格子構造からなる層に代えてなることを特徴とするヘテロバイポーラトランジスタを構成する。
【００３０】
【発明の実施の形態】
ｐ型ベース層４とｎ型コレクタ層３の間に、大きな伝導帯のエネルギー位置の差を実現することができれば、ｎ型エミッタ層５から供給されｐ型ベース層４を通過した電子がさらにｎ型コレクタ層３で加速される。この効果により、ＨＢＴの動作速度が向上する。
【００３１】
本発明において、半絶縁性基板１としてＧａＡｓ基板を用いたＨＢＴの場合に、ＧａＡｓに窒素を添加したＧａＮＡｓをｎ型コレクタ層３として用いる。この場合の本発明の効果は、ＧａＡｓに窒素を添加することにより伝導帯のエネルギー位置が大きく下がるという原理に基づいている。
【００３２】
また、この場合の本発明の効果は、ＧａＡｓとＧａＮＡｓとの間に格子不整合による欠陥が生じない窒素添加量では、添加した窒素により結晶の品質が損なわれず、ＧａＮＡｓ層での電子移動度がＧａＡｓと同程度となるという、本発明を実証する過程で発見された事実にも基づいている。
【００３３】
ＧａＡｓ基板とＧａＮＡｓ層との格子不整合により、ＨＢＴの信頼性の低下が危倶されるが、少量のＩｎを併せて添加することにより格子不整合が回避できる。
【００３４】
本発明において、半絶縁性基板１としてＩｎＰ基板を用いたＨＢＴの場合に、ＩｎＰに窒素を添加したＩｎＮＰをｎ型コレクタ層３として用いる。この場合の本発明の効果は、ＩｎＮＰのバンドギャップは窒素の添加により、もとのＩｎＰのバンドギャップより小さくなり、伝導帯のエネルギー位置も大きく下がるという発見に基づいている。ＩｎＰ基板とＩｎＮＰ層との格子不整合により、ＨＢＴの信頼性の低下が危倶されるが、少量のＡｓやＳｂを併せて添加することにより格子不整合が回避できる。
【００３５】
ＩｎＰ基板上にＩｎＰと格子整合するＧａＩｎＡｓをエピタキシャル成長させてｎ型コレクタ層３とｐ型ベース層４を作製してなるＨＢＴにおいては、ｎ型コレクタ層３となるＧａＩｎＡｓに窒素を添加し、ＧａＩｎＮＡｓをｎ型コレクタ層３とすることにより、さらに大きな伝導帯のエネルギー位置の差を実現させることができる。
【００３６】
このように窒素を添加した半導体をｎ型コレクタ層３に用いることにより、ＨＢＴの動作を高速化することができる。
【００３７】
本発明の特徴は、窒素を添加した半導体をｎ型コレクタ層３に用いることにあるので、この特徴が顕著に現われるためには、ｎ型エミッタ層５及びｐ型ベース層４は窒素を含まない化合物半導体で構成されていることが好ましい。
【００３８】
【実施例】
ＨＢＴ用のエピタキシャルウエハーは水素をキャリアガスとする有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）で成長した。ＩＩＩ族元素であるＡｌ、Ｇａ、Ｉｎの原料として、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウムをそれぞれ用いた。Ｖ族元素であるＰ、Ａｓ、Ｓｂの原料として、フォスフィン、アルシン、トリメチルアンチモンをそれぞれ用いた。ｎ型不純物としてＳｉを用い、その原料として、ジシランを用いた。ｐ型不純物としてＣを用い、その原料として四臭化炭素を用いた。
【００３９】
本発明に特徴的であるＮの原料としては、１，１−ジメチルヒドラジンを用いた。
【００４０】
従来の技術で述べた発光材料としてのＧａＮＡｓ或いはＧａＩｎＮＡｓのエピタキシャル結晶成長では、そのＮの原料として、ＭＯＣＶＤにおいてプラズマ分解したアンモニア（前記非特許文献２、３）、ＭＯＣＶＤにおいてプラズマ分解した窒素ガス（前記非特許文献５）、分子線エピタキシー法においてプラズマ分解した窒素ガス（前記非特許文献６）が用いられている。本発明のエピタキシャル結晶成長はＭＯＣＶＤに限定されるものではなく、Ｎの原料は、１，１−ジメチルヒドラジンに限定されるものではない。
【００４１】
本発明において、半絶縁性基板１としてＧａＡｓ基板を用いた場合のＨＢＴ用エピタキシャルウエハーの構造の一例を図２に示す。図中、ｃｍ−３を単位とする数値は不純物濃度を示す。以下に示すすべての実施例において、半絶縁性基板１を用い、結晶性を向上させるために基板と同じ組成のバッファー層２を成長させ、その上にｎ型コレクタ層３、ｐ型ベース層４、ｎ型エミッタ層５を成長させた。ｎ型エミッタ層５の上部には、エミッタ電極９の形成が容易になることを目的としたｎ型キャップ層６を設けている。
【００４２】
以下に詳細に記述するすべての実施例において、トランジスタのサイズ及び各層に接続する電極を同一とし、本発明の特長である窒素の添加の効果が峻別しやすいようにした。
【００４３】
（実施例１）
半絶縁性ＧａＡｓを基板１とし、ｎ型エミッタ層５をＡｌＧａＡｓ（ＩＩＩ族元素に占めるＡｌの割合が２５％、以下Ａｌ：２５％と記す）、ｐ型ベース層４をＧａＡｓ、ｎ型コレクタ層３をＧａＮＡｓ（Ｖ族元素に占めるＮの割合が５％、以下Ｎ：５％と記す）とするＨＢＴを製作した。比較のため、従来手法による、ｎ型コレクタ層３をＧａＡｓとするＨＢＴも製作した。高速スイッチング時の電流利得の遮断周波数（以下ｆＴと記す）を測定し、従来手法と本発明を比較したところ、従来手法のｆＴを１とすると本発明のｆＴは１．３となった。本実施例におけるＨＢＴのエネルギー帯構造を図３に示す。この図に示すように、ｐ型ベース層４とｎ型コレクタ層３の伝導帯エネルギーの差が本発明により、図４に示した従来手法と比較して、大きくなり、電子が、従来手法よりも、さらに加速されることが、ｆＴの向上に寄与している。
【００４４】
伝導帯エネルギー差を図３に示した程度に大きくするために必要なＮの量は僅かに５％である。この場合に、結晶成長の諸条件を変更することなく、ＧａＡｓ層成長中にＮの原料を添加することのみにより、ＧａＮＡｓ層を成長することができた。このように、特殊な成長条件を必要とせず、容易にＧａＮＡｓ層を成長できるため、ＨＢＴ用エピタキシャルウエハーの作製の再現性は、従来手法と同等である。
【００４５】
（実施例２）
半絶縁性ＧａＡｓを基板とし、ｎ型エミッタ層５をＡｌＧａＡｓ（Ａｌ：２５％）、ｐ型ベース層４として組成を、エミッタ層５側よりコレクタ層３へ向けて、Ａｌ：２５％からＡｌ：５％まで連続的に変化させたＡｌＧａＡｓ、ｎ型コレクタ層３をＧａＮＡｓ（Ｎ：５％）とするＨＢＴを製作した。比較のため、従来手法による、ｎ型コレクタ層３をＧａＡｓとするＨＢＴも製作した。高速スイッチング時の電流利得の遮断周波数ｆＴを測定し、従来手法と本発明を比較したところ、従来手法のｆＴを１とすると本発明のｆＴは１．２と向上した。
【００４６】
（実施例３）
半絶縁性ＧａＡｓを基板とし、ｎ型エミッタ層５をＧａＩｎＰ（ＩＩＩ族元素に占めるＧａの割合が５２％、以下Ｇａ：５２％と記す）、ｐ型ベース層４をＧａＡｓ、ｎ型コレクタ層３をＧａＮＡｓ（Ｎ：５％）とするＨＢＴを製作した。比較のため、従来手法による、ｎ型コレクタ層３をＧａＡｓとするＨＢＴも製作した。高速スイッチング時の電流利得の遮断周波数ｆＴを測定し、従来手法と本発明を比較したところ、従来手法のｆＴを１とすると本発明のｆＴは１．２と向上した。
【００４７】
（実施例４）
半絶縁性ＧａＡｓを基板とし、ｎ型エミッタ層５をＡｌＧａＩｎＰ（Ａｌ：１０％、Ｇａ：４２％）、ｐ型ベース層４をＧａＡｓ、ｎ型コレクタ層３をＧａＮＡｓ（Ｎ：５％）とするＨＢＴを製作した。比較のため、従来手法による、ｎ型コレクタ層３をＧａＡｓとするＨＢＴも製作した。高速スイッチング時の電流利得の遮断周波数ｆＴを測定し、従来手法と本発明を比較したところ、従来手法のｆＴを１とすると本発明のｆＴは１．２と向上した。
【００４８】
なお、ｐ型ベース層４の構成材料であるＧａＡｓをｎ型エミッタ層５よりバンドギャップが小さいＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰで置き換えた場合にも、上記と同様のｆＴの向上効果がある。
【００４９】
（実施例５）
実施例１に示したＨＢＴのｎ型コレクタ層３に微量のＩｎを添加し、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｉｎ：３％、Ｎ：５％）をｎ型コレクタ層３とするＨＢＴを製作した。Ｉｎの添加により、ｎ型コレクタ層３とＧａＡｓ基板との格子不整合は軽減される。実施例１に記載した従来手法のＨＢＴのｆＴを１とすると、本発明のＨＢＴのｆＴは１．２５とさらに向上した。ｎ型コレクタ層３にかかっていた引っ張り応力が緩和されたことと、Ｉｎの添加によりさらに伝導帯エネルギー位置が下がったことにより、ＨＢＴの特性が向上した。
【００５０】
なお、ｐ型ベース層４の構成材料であるＧａＡｓをｎ型エミッタ層５よりバンドギャップが小さいＡｌＧａＡｓで置き換えた場合にも、上記と同様のｆＴの向上効果がある。
【００５１】
（実施例６）
実施例３に示したＨＢＴのｎ型コレクタ層３に微量のＩｎを添加し、ＧａＩｎＮＡｓ（Ｉｎ：３％、Ｎ：５％）をｎ型コレクタ層３とするＨＢＴを製作した。実施例３に記載した従来手法のＨＢＴのｆＴを１とすると、本発明のＨＢＴのｆＴは１．２５とさらに向上した。
【００５２】
なお、ｎ型エミッタ層５の構成材料であるＧａＩｎＰをＡｌＧａＩｎＰで置き換え、ｐ型ベース層４の構成材料であるＧａＡｓをｎ型エミッタ層５よりバンドギャップが小さいＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰで置き換えた場合にも、上記と同様のｆＴの向上効果がある。
【００５３】
（実施例７）
実施例１から４におけるｎ型コレクタ層３を超格子構造のものに代えてＨＢＴを作製した。超格子構造として、２ｎｍのＧａＡｓと２ｎｍのＧａＮＡｓ（Ｎ：１０％）を７５周期積層したもの、５ｎｍのＧａＡｓと５ｎｍのＧａＮＡｓ（Ｎ：１０％）を３０周期積層したもの、２ｎｍのＧａＮＡｓ（Ｎ：２％）と２ｎｍのＧａＮＡｓ（Ｎ：８％）を７５周期積層したもの、２ｎｍのＧａＡｓと８ｎｍのＧａＮＡｓ（Ｎ：６％）を３０周期積層したものを用いた。超格子のもつ規則性により電子移動度が向上する効果により、ＨＢＴのｆＴはそれぞれ概ね０．０５ポイント向上した。
【００５４】
なお、一般に、ｎ型コレクタ層３を、窒素原子組成の異なる半導体を交互に積層した超格子構造あるいは窒素を含む半導体と窒素を含まない半導体を交互に積層した超格子構造で置き換えた場合にも、同様のｆＴの向上効果が現れる。
【００５５】
（実施例８）
半絶縁性ＩｎＰを基板とし、ｎ型エミッタ層５をＡｌＩｎＰ（Ａｌ：２５％）、ｐ型ベース層４をＩｎＰ、ｎ型コレクタ層３をＩｎＮＰ（Ｎ：５％）とするＨＢＴを製作した。比較のため、従来手法による、ｎ型コレクタ層３をＩｎＰとするＨＢＴも製作した。高速スイッチング時の電流利得の遮断周波数ｆＴを測定し、従来手法と本発明を比較したところ、従来手法のｆＴを１とすると本発明のｆＴは１．３と向上した。
【００５６】
（実施例９）
半絶縁性ＩｎＰを基板とし、ｎ型エミッタ層５をＡｌＩｎＰ（Ａｌ：２５％）、ｐ型ベース層４として組成をエミッタ層５側よりＡｌ：２５％からＡｌ：５％まで連続的に変化させたＡｌＩｎＰ、ｎ型コレクタ層３をＩｎＮＰ（Ｎ：５％）とするＨＢＴを製作した。比較のため、従来手法による、ｎ型コレクタ層３をＩｎＰとするＨＢＴも製作した。高速スイッチング時の電流利得の遮断周波数ｆＴを測定し、従来手法と本発明を比較したところ、従来手法のｆＴを１とすると本発明のｆＴは１．２と向上した。
【００５７】
（実施例１０）
半絶縁性ＩｎＰを基板とし、ｎ型エミッタ層５をＩｎＰ、ｐ型ベース層４をＧａＡｓＳｂ（Ａｓ：４８％）、ｎ型コレクタ層３をＩｎＮＰ（Ｎ：５％）とするＨＢＴを製作した。比較のため、従来手法による、ｎ型コレクタ層３をＩｎＰとするＨＢＴも製作した。高速スイッチング時の電流利得の遮断周波数ｆＴを測定し、従来手法と本発明を比較したところ、従来手法のｆＴを１とすると本発明のｆＴは１．１５と向上した。
【００５８】
（実施例１１）
実施例８から１０の構造において、ｎ型コレクタ層３に微量のＡｓを添加し、ＩｎＮＰＡｓ（Ｎ：５％、Ａｓ：３％）をｎ型コレクタ層３とするＨＢＴを製作した。ｎ型コレクタ層３にかかっていた引っ張り応力が緩和されたことと、Ａｓの添加によりさらに伝導帯エネルギー位置が下がったことにより、ＨＢＴの特性が向上し、実施例８から１０に記載したｆＴよりそれぞれ概ね０．０５ポイント程度の向上が確認された。
【００５９】
（実施例１２）
実施例８から１０の構造において、ｎ型コレクタ層３に微量のＳｂを添加し、ＩｎＮＰＳｂ（Ｎ：５％、Ｓｂ：１．５％）をｎ型コレクタ層３とするＨＢＴを製作した。ｎ型コレクタ層３にかかっていた引っ張り応力が緩和されたことにより、ＨＢＴの特性が向上し、実施例８から１０に記載したｆＴよりそれぞれ概ね０．０２ポイント程度の向上が確認された。
【００６０】
（実施例１３）
実施例８から１０におけるｎ型コレクタ層３を超格子構造のものに代えて、ＨＢＴを作製した。超格子構造として、２ｎｍのＩｎＰと２ｎｍのＩｎＮＰ（Ｎ：１０％）を７５周期積層したもの、５ｎｍのＩｎＰと５ｎｍのＩｎＮＰ（Ｎ：１０％）を３０周期積層したもの、２ｎｍのＩｎＮＰ（Ｎ：２％）と２ｎｍのＩｎＮＰ（Ｎ：８％）を７５周期積層したもの、２ｎｍのＩｎＰと８ｎｍのＩｎＮＰ（Ｎ：６％）を３０周期積層したものを用いた。超格子のもつ規則性により電子移動度が向上する効果により、ＨＢＴのｆＴはそれぞれ慨ね０．０５ポイント向上した。
【００６１】
なお、一般に、ｎ型コレクタ層３を、窒素原子組成の異なる半導体を交互に積層した超格子構造あるいは窒素を含む半導体と窒素を含まない半導体を交互に積層した超格子構造で置き換えた場合にも、同様のｆＴの向上効果が現れる。
【００６２】
（実施例１４）
半絶縁性ＩｎＰを基板とし、ｎ型エミッタ層５をＩｎＰ、ｐ型ベース層４をＧａＩｎＡｓ（Ｇａ：４８％）、ｎ型コレクタ層３をＧａＩｎＮＡｓ（Ｇａ：４７％、Ｎ：５％）とするＨＢＴを製作した。比較のため、従来手法による、ｎ型コレクタ層３をＧａＩｎＡｓ（Ｇａ：４８％）とするＨＢＴも製作した。高速スイッチング時の電流利得の遮断周波数ｆＴを測定し、従来手法と本発明を比較したところ、従来手法のｆＴを１とすると本発明のｆＴは１．２５と向上した。
【００６３】
なお、ｎ型エミッタ層５の構成材料であるＩｎＰをＡｌＩｎＰで置き換えた場合にも、上記と同様のｆＴの向上効果がある。
【００６４】
以上説明したところから明らかなように、本発明によりＨＢＴのｎ型コレクタ層３にＧａＮＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＩｎＮＰ、ＩｎＮＰＡｓ、ＩｎＮＰＳｂを構成要素として用いることにより、ｐ型ベース層４とｎ型コレクタ層３の間に、従来手法の場合より大きな伝導帯のエネルギー位置の差を実現することができ、ｐ型ベース層４からｎ型コレクタ層３に注入される電子がさらに加速されるため、高速スイッチング時の電流利得の遮断周波数に代表されるＨＢＴの特性が向上した。
【００６５】
大きな伝導帯のエネルギー位置の差を実現するために必要とする窒素量、及び窒素添加により生じる基板との格子不整合を緩和するために添加する原子の量は少ないため、エピタキシャル結晶成長条件を結晶成長中に大きく変更する必要がなく、従来手法と同程度の難易度でエピタキシャルウエハーが作製でき、再現性も確保できた。
【００６６】
なお、本発明の実施の形態においては、窒素含有化合物半導体の複数種類を１つのｎ型コレクタ層の構成要素としてもよいし、すでに述べたように、窒素含有化合物半導体を構成要素とする超格子構造によってｎ型コレクタ層を構成してもよい。
【００６７】
【発明の効果】
本発明の実施により、高速動作特性が改善されたヘテロバイポーラトランジスタを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヘテロバイポーラトランジスタの断面の概略図である。
【図２】本発明に係るヘテロバイポーラトランジスタ用エピタキシャルウエハーの断面の一例を示す図である。
【図３】本発明に係るヘテロバイポーラトランジスタの断面におけるエネルギー帯構造の一例を示す図である。
【図４】従来手法によるヘテロバイポーラトランジスタの断面におけるエネルギー帯構造の一例を示す図である。
【符号の説明】
１…半絶縁性基板、２…バッファー層、３…ｎ型コレクタ層、４…ｐ型ベース層、５…ｎ型エミッタ層、６…ｎ型キャップ層、７…コレクタ電極、８…ベース電極、９…エミッタ電極。
【図１】
2004214576.tif 000003
【図２】
2004214576.tif 000004
【図３】
2004214576.tif 000005
【図４】
2004214576.tif 000006