(57)【要約】【課題】ＨＢＴのエミッタ・ベース接合界面において、電子に対するポテンシャル障壁を小さくし、電流増幅率βを向上させる。【解決手段】ＧａＡｓベース層７、ＡｌＧａＡｓエミッタ層６を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、ＧａＡｓベース層７とＡｌＧａＡｓエミッタ層６との間に、ｎ型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ層１２を設ける。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓベース層、ＡｌＧａＡｓエミッタ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
ＧａＡｓベース層とＡｌＧａＡｓエミッタ層との間に、ｎ型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ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】
上記スペーサ層におけるエミッタ層側のｎ型不純物キャリア濃度が４．０×１０１７ｃｍ−３であり、上記スペーサ層におけるベース層側のｎ型不純物キャリア濃度が１．０〜８．０×１０１８ｃｍ−３であるように、ｎ型不純物キャリア濃度に濃度勾配を設けたことを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項３】
上記スペーサ層が、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰのうちのいずれかからなることを特徴とする請求項１又は２に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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）に係り、特にエミッタ／ベース接合がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合により構成されるＨＢＴの電流増幅率βの向上を図る技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＢＴは、低歪みの信号増幅が可能で、単一電源での使用ができる等の優れた特徴を持つことから、デジタル通信、ミリ波システムなどのキーデバイスとして注目されている。
【０００３】
図４に従来のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴの構造の一例を、測定回路の形で示す。このＨＢＴは、図示してない半絶縁性基板上に、ｎ＋−ＧａＡｓより成るコレクタコンタクト層９、ｎ−ＧａＡｓより成るコレクタ層８、及びｐ＋−ＧａＡｓより成るベース層７を順次形成し、ベース層７の上にベース電極２と、ｎ−ＡｌＧａＡｓより成るエミッタ層６とを独立して形成し、エミッタ層６の上のｎ＋−ＧａＡｓより成るエミッタコンタクト層５及びｎ＋−ＩｎＧａＡｓより成るノンアロイ層４と、エミッタ電極１を形成し、コレクタコンタクト層９の上にコレクタ電極３を形成したものである。
【０００４】
測定回路は、このＨＢＴのエミッタ電極１とベース電極２との間にエミッタ電極１がアース側になるように可変電源Ｖを接続し、可変電源Ｖの陽極とベース電極との間に電流計１０を挿入し、可変電源Ｖの陽極とコレクタ電極３との間に電流計１１を挿入した構成である。
【０００５】
エミッタ−ベース間の電圧を増加させれば、コレクタ電流Ｉｃはベース電流Ｉｂで増幅される。この増幅率がＨＢＴの基本的特性である電流増幅率βであり、コレクタ電流Ｉｃとベース電流Ｉｂとの比（Ｉｃ／Ｉｂ）で表される。
【０００６】
ここで、結晶欠陥のない良好な半導体を用い、再結合電流がない場合はβは下記（以後、式（１）と略す）で表される。ここで、Ｎｅはエミッタ層中のｎ型不純物キャリア濃度、Ｐｂはベース層中のｐ型不純物キャリア濃度、Ｖｂｅはベース層における電子の移動度、Ｖｅｈはエミッタ層におけるホールの移動度、△Ｅはホールと電子に対する障壁エネルギーの差、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。
【０００７】
β＝Ｉｃ／Ｉｂ＝（Ｎｅ×Ｖｂｅ）×ｅｘｐ（△Ｅ／ｋＴ）／ＰｂＶｅｈ …式（１）
図２（ｂ）にエミッタ・ベース接合におけるバンド図を示す。バンドギャップの広いｎ型半導体をエミッタ層とし、それよりバンドギャップの狭いｐ型半導体をベース層として両者を接合すると、図２（ｂ）に示すように、エミッタ層からベース層へ注入される電子に対するエネルギー障壁よりもベース層からエミッタ層へ逆注入されるホール（正孔）に対するエネルギー障壁の方が大きくなるため、上記式（１）で示される電流増幅率βを大きくとることができる。すなわち、電流増幅率βは、エミッタ層−ベース層間のバンドギャップ差ΔＥに指数関数的に依存し、バンドギャップ差ΔＥ  が大きいほど電流増幅率βを大きくとることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２（ｂ）に示すように、接合界面においては電子親和力の差から伝導帯底にバンドの不連続（ポテンシャルにおけるノッチ又はスパイク）が生じてしまう。このバンドの不連続により、電子に対するポテンシャル障壁が大きくなり、ヘテロ接合による効果（式（１）における△Ｅ）が相殺され、電流増幅率βが低下してしまう。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ・ベース接合界面において、電子に対するポテンシャル障壁を小さくし、電流増幅率βを向上させることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１１】
請求項１の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ＧａＡｓベース層、ＡｌＧａＡｓエミッタ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、ＧａＡｓベース層とＡｌＧａＡｓエミッタ層との間に、ｎ型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ層を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記スペーサ層におけるエミッタ層側のｎ型不純物キャリア濃度が４．０×１０１７ｃｍ−３であり、上記スペーサ層におけるベース層側のｎ型不純物キャリア濃度が１．０〜８．０×１０１８ｃｍ−３であるように、ｎ型不純物キャリア濃度に濃度勾配を設けたことを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記スペーサ層が、ＩｎＧａＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰのうちのいずれかからなることを特徴とする。
【００１４】
＜発明の要点＞
本発明の要点は、エミッタ・ベース層の界面間にｎ型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ層を挿入したことにあり、これにより、エミッタ・ベース接合界面における電子に対するポテンシャル障壁を小さくし、電流増幅率βを向上させるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００１６】
本実施形態のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ＧａＡｓベース層、ＡｌＧａＡｓエミッタ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、ＧａＡｓベース層とＡｌＧａＡｓエミッタ層との間に、ｎ型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ層を設け、そのスペーサ層におけるエミッタ層側のｎ型不純物キャリア濃度が４．０×１０１７ｃｍ−３であり、上記スペーサ層におけるベース層側のｎ型不純物キャリア濃度が１．０〜８．０×１０１８ｃｍ−３であるように、ｎ型不純物キャリア濃度に濃度勾配を設けたものである。
【００１７】
図１に本発明の実施形態に係るＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴの構造を示す。これは、基本的には図４と同様の構成であり、示してない半絶縁性基板上に、ｎ＋−ＧａＡｓコレクタコンタクト層９、ｎ−ＧａＡｓより成るコレクタ層８、及びｐ＋−ＧａＡｓより成るベース層７を順次形成し、ベース層７の上にベース電極２と、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなるエミッタ層６とを独立して形成し、エミッタ層６の上のｎ＋−ＧａＡｓエミッタコンタクト層５及びｎ＋−ＩｎＧａＡｓからなるノンアロイ層４と、エミッタ電極１を形成し、コレクタコンタクト層９の上にコレクタ電極３を形成している。しかし、図４の場合と異なり、  ＧａＡｓベース層７とＡｌＧａＡｓエミッタ層６との間に、ｎ型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ層１２を設けている。
【００１８】
すなわち、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、コレクタコンタクト層９として厚さ５００ｎｍのｎ＋型ＧａＡｓ（キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３）が成長され、その上にコレクタ層８として５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度４×１０１６ｃｍ−３）が成長されている。そして、このコレクタ層８上にベース層７として７０ｎｍのｐ＋型ＧａＡｓ（キャリア濃度４×１０１９ｃｍ−３）が成長されている。さらに、このベース層７上には、ｎ型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えてスペーサ層１２が成長されている。そして、このスペーサ層１２上には、エミッタ層６として１２０ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓ（キャリア濃度４×１０１７ｃｍ−３）、エミッタコンタクト層５として１２０ｎｍのｎ＋型ＧａＡｓ（キャリア濃度５×１０１８ｃｍ−３）が成長され、さらに、このエミッタコンタクト層５の上に、ノンアロイ層４として１００ｎｍのｎ＋型ＩｎＧａＡｓ（キャリア濃度４×１０１９ｃｍ−３）が成長されている。
【００１９】
コレクタコンタクト層９の上方にはＮｉ／Ａｕ（厚さ４００ｎｍ／１５０ｎｍ）のコレクタ電極３が、ベース層７の上方にはＮｉ／Ａｕ（厚さ４００ｎｍ／１５０ｎｍ）のベース電極２が、そしてエミッタ層６の上方にはＮｉ／Ａｕ（厚さ４００ｎｍ／１５０ｎｍ）のエミッタ電極１が形成されている。
【００２０】
上記のようにエミッタ層とベース層の間にｎ型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ層１２を挿入すると、エミッタ・ベース接合界面における電子に対するポテンシャル障壁が小さくなり、電流増幅率βが向上する。
【００２１】
上記スペーサ層１２を挿入した効果について、その最適条件を確認するため、上記ＨＢＴで、スペーサ層１２のｎ型不純物キャリア濃度をエミッタ層側で一定とし、ベース層側で変えたものを作製した。ＨＢＴの基本構造は図１の通りである。ここで挿入したスペーサ層１２の仕様を下記に示す。
【００２２】
＜スペーサの仕様＞
（ｉ）  エピタキシャル層：ｎ−ＩｎＧａＰ。（ｉｉ）  厚さ：３．０ｎｍ。（ｉｉｉ）  Ｉｎ組成：０．４８。（ｉｖ）  キャリア濃度：エミッタ層側で４．０×１０１７／ｃｍ３、ベース側で４．０×１０１７〜４．０１９／ｃｍ３まで変化させた。（ｖ）  キャリア濃度の深さ方向に対する分布の仕方：均一。
【００２３】
次に、上記仕様で成長したエピタキシャルウェハより、ＨＢＴ素子を作製し電流増幅率βを測定した。スペーサ層１２のベース側のキャリア濃度とβの関係を図３に示す。
【００２４】
図３から判るように、スペーサ層１２のベース側のキャリア濃度が４．０〜８．０×１０１７／ｃｍ３の範囲では、電流増幅率βはほとんど変化しなかった。これに対して１．０〜８．０×１０１８／ｃｍ３の範囲では、βを５〜１５％ほど向上させることができた。これはキャリア濃度を上げることで、接合界面のポテンシャル障壁が小さくなり、なめらかな接合となったためだと考えられる。この状態におけるバンド図を図２（ａ）に示す。また、キャリア濃度が１×１０１９／ｃｍ３以上では逆にβが低下しまった。
【００２５】
従って、スペーサ層１２のベース層側のキャリア濃度は、電流増幅率βが向上する１．０〜８．０×１０１８／ｃｍ３の範囲が最適と考えられる。
【００２６】
上記のように、エミッタ・ベース層間にｎ型不純物キャリア濃度を深さ方向に変化させたｎ−ＩｎＧａＰスペーサ層１２を挿入することにより、電流増幅率βを５〜１５％倍程度向上させることができた。
【００２７】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように種々の変更が可能である。
【００２８】
（１）  ＩｎＧａＰのＩｎ組成は０．４８に限定せず、臨界膜厚内で許容される組成であれば良い。
【００２９】
（２）  スペーサ層はＩｎＧａＰ層に限定せず、ＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層、ＩｎＧａＡｓＰ層でも適用することが可能である。
【００３０】
（３）  スペーサ層のキャリア濃度は、グレーデッド構造だけでなく、ステップ構造に変化させて適用することも可能である。
【００３１】
（４）  スペーサ層のキャリアのドーピング方法は均一ドープ法に限定せず、プレーナドープ法を適用することも可能である。ここでプレーナドープとは、エピタキシャル層界面に不純物を添加することを意味する。
【００３２】
（５）  スペーサ層の厚さは３ｎｍに限定せず、臨界膜厚以内であれば良い。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、エミッタ・ベース層の界面間にｎ型不純物キャリア濃度を深さ方向に変化させたスペーサ層を挿入しているため、これによりＨＢＴのエミッタ・ベース接合界面における電子に対するポテンシャル障壁を小さくし、電流増幅率βを従来よりも向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＨＢＴの構造とトランジスタ特性測定回路を示す図である。
【図２】エミッタ・ベース接合におけるバンド図で、（ａ）はスペーサありの本発明の場合を、（ｂ）はスペーサなしの従来の場合を示す図である。
【図３】本発明のＨＢＴのスペーサ層におけるベース側のキャリア濃度と電流増幅率βの関係を示す図である。
【図４】従来のＨＢＴの構造とトランジスタ特性測定回路を示す図である。
【符号の説明】
４  ノンアロイ層（ｎ＋−ＩｎＧａＡｓ）
５  エミッタコンタクト層（ｎ＋−ＧａＡｓ）
６  エミッタ層（ｎ−ＡｌＧａＡｓ）
７  ベース層（ｐ＋−ＧａＡｓ）
８  コレクタ層（ｎ−ＧａＡｓ）
９  コレクタコンタクト層（ｎ＋−ＧａＡｓ）
１２  スペーサ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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