(57)【要約】【課題】使用した基板の種類による電流増幅率のばらつきが抑制され、しかも電流増幅率が向上した化合物半導体エピタキシャル基板を提供する。【解決手段】（１）基板上に、バッファー層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、コンタクト層をこの順序で有する化合物半導体エピタキシャル基板であって、バッファー層が、炭素を含む層であることを特徴とする化合物半導体タエピタキシャル基板。（２）炭素を含む層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ  （０≦ｘ≦１）層であることを特徴とする上記（１）の基板。（３）炭素を含む層の炭素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする上記（１）又は（２）の基板。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、バッファー層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、コンタクト層をこの順序で有する化合物半導体エピタキシャル基板であって、バッファー層が、炭素を含む層であることを特徴とする化合物半導体タエピタキシャル基板。
【請求項２】
炭素を含む層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ  （０≦ｘ≦１）層であることを特徴とする請求項１記載の基板。
【請求項３】
炭素を含む層の炭素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の基板。
【請求項４】
基板上に、バッファー層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、コンタクト層をこの順序で形成させるに当り、バッファー層として、炭素を含む層を形成させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項５】
基板上に、バッファー層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、コンタクト層をこの順序で形成させるに当り、バッファー層として、炭素を含む層を形成させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板の電流増幅率増加方法。
【請求項６】
炭素を含む層が、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ  （０≦ｘ≦１）層であることを特徴とする請求項４又は５記載の方法。
【請求項７】
炭素を含む層の炭素濃度が１×１０１７ｃｍ−３以上である請求項４〜６いずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体エピタキシャル基板に関し、特に、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴと称することがある）の製造用として好適な化合物半導体エピタキシャル基板に関するものである。
【０００２】
ＨＢＴは、エミッタ注入効率を高めるため、エミッタ層にベース層よりもバンドギャップの大きい物質を用いてエミッタ−ベース接合をヘテロ接合としたバイポーラトランジスタであり、マイクロ波帯以上の周波数領域で使用する半導体素子として好適である。
【０００３】
例えばＧａＡｓ系ＨＢＴの場合、一般には半絶縁性ＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いてｎ＋  −ＧａＡｓ層（サブコレクタ層）、ｎ−ＧａＡｓ層（コレクタ層）、ｐ−ＧａＡｓ層（ベース層）、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層あるいはｎ−ＩｎＧａＰ層（エミッタ層）、ｎ−ＧａＡｓ層（サブエミッタ層）を次々に結晶成長させることにより、エミッタ−ベース接合であるｐｎ接合がヘテロ接合の構造となっている化合物半導体エピタキシャル基板を形成し、これを用いてＨＢＴが製造されている。このほか、ＩｎＰ基板を用いたＨＢＴ用の化合物半導体エピタキシャル基板も広く用いられている。
【０００４】
図３は、従来における一般的なＧａＡｓ系ＨＢＴの構造を模式的に示す図である。ＨＢＴ１００は、半絶縁性のＧａＡｓ基板１０１上にｎ＋  −ＧａＡｓから成るサブコレクタ層１０２、ｎ−ＧａＡｓから成るコレクタ層１０３、ｐ−ＧａＡｓから成るベース層１０４、ｎ−ＩｎＧａＰあるいはｎ−ＡｌＧａＡｓから成るエミッタ層１０５及びｎ＋  −ＧａＡｓから成るサブエミッタ層１０６、ｎ＋  −ＩｎＧａＡｓから成るエミッタコンタクト層１０７がこの順序でＭＯＣＶＤ法等の適宜の気相成長法を用いて半導体薄膜結晶層として形成されている。サブコレクタ層１０２上にはコレクタ電極１０８が、ベース層１０４上にはベース電極１０９が、そしてエミッタコンタクト層１０７上にはエミッタ電極１１０がそれぞれ形成された構造となっている。
【０００５】
このように形成されるＨＢＴにあっては、その電流増幅率βは、β＝Ｉｃ／Ｉｂ＝（Ｉｎ−Ｉｒ）／（Ｉｐ＋Ｉｓ＋Ｉｒ）で表される。ここで、Ｉｃはコレクタ電流、Ｉｂはベース電流を示し、Ｉｎはエミッタからベースへの電子注入電流、Ｉｐはベースからエミッタへの正孔注入電流、Ｉｓはエミッタ／ベース界面再結合電流、Ｉｒはベース内での再結合電流を示す。
【０００６】
上式より、電流増幅率βを大きくするには、ベース内での再結合電流Ｉｒを低減させる必要がある。ベース内での再結合電流は、ベース層の結晶性により大きく影響されるが、それ以外にも、サブコレクタ層の結晶性、さらには、成長に使用する基板の結晶性によっても大きく影響を受け、これらの結晶性の影響をうけて電流増幅率βが低下してしまう。
【０００７】
この問題を解決するため、従来、基板上にバッファ層を単に設ける方法が提案されている。例えばＧａＡｓ系の基板の場合、ＧａＡｓやＡｌＧａＡｓ、あるいはＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子構造をバッファ層内に設け、これにより基板内に存在する欠陥が基板上に形成されるエピタキシャル層に伝播するのを防ぐようにした構成が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したバッファ層を単に設ける構成では、基板内の欠陥がその上に形成されるエピタキシャル層に伝播するのを十分に抑制することができないためか、使用する基板の種類によって電流増幅率がなおばらつくことから、基板の欠陥に依り電流増幅率が影響を受けていることが判る。従って、基板内の欠陥に影響されずしかも高い電流増幅率を示す化合物半導体エピタキシャル基板が望まれている。
【０００９】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決し得る化合物半導体エピタキシャル基板を提案することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述の問題点を解決すべく、鋭意検討を重ねた結果、バッファー層として、炭素を含む層を設けることにより、化合物半導体エピタキシャル基板の電流増幅率を向上し得、しかも使用する基板の種類による電流増幅率のばらつきも抑制し得ることを見出すとともに、さらに種々の検討を加え本発明を完成した。
【００１１】
すなわち本発明は、（１）  基板上に、バッファー層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、コンタクト層をこの順序で有する化合物半導体エピタキシャル基板であって、バッファー層が、炭素を含む層であることを特徴とする実用的に優れた化合物半導体タエピタキシャル基板を提供するものである。
【００１２】
また本発明は、（２）  基板上に、バッファー層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、コンタクト層をこの順序で形成させるに当り、バッファー層として、炭素を含む層を形成させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法を提供するものである。
【００１３】
さらに本発明は、（３）基板上に、バッファー層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、コンタクト層をこの順序で形成させるに当り、バッファー層として、炭素を含む層を形成させることを特徴とする化合物半導体エピタキシャル基板の電流増幅率増加方法を提供するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明による実施の形態の一例を模式的に示す層構造図であり、ここでは、ＧａＡｓ系ＨＢＴの製造用薄膜結晶ウエーハとして用いられる化合物半導体エピタキシャル基板が示されている。
【００１６】
図１に示した化合物半導体エピタキシャル基板１の構造は次の通りである。化合物半導体エピタキシャル基板１は半絶縁性のＧａＡｓ単結晶から成るＧａＡｓ基板２上にＭＯＣＶＤ法を用いて複数の半導体薄膜結晶成長層を次々と積層させて構成されたものである。なお、本発明による化合物半導体エピタキシャル基板を作製するための方法は、ＭＯＣＶＤ法に限定されるものではなく、液相エピタキシャル成長法、分子線エピタキシャル法、化学ビームエピタキシャル法、原子層エピタキシャル法等を用いることができる。
【００１７】
ＧａＡｓ基板２の上には、炭素を含む層であるバッファ層３が形成されている。バッファ層３は、一般式Ａｌｘ  Ｇａ  １−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）で示される化合物半導体単結晶層としてＭＯＣＶＤ法により形成されている。本実施の形態では、バッファ層３のＡｌ組成値は０．５である。そしてバッファ層３の炭素濃度は原子濃度で約２×１０１９ｃｍ−３である。バッファ層３への炭素のドーピング方法は、どのような方法であってもよい。例えば、ＣＣｌ４、ＣＢｒ４、ＣＢｒＣｌ３等のハロメタンをバッファ層３の成膜時に反応炉内に供給する方法、あるいはバッファ層３の成長に於いて成長温度をハロメタンを用いる方法よりも低く、例えば４００℃以下とする、３属原料に対する５族原料の供給モル比をハロメタンを用いる方法よりも小さく、例えば３程度以下とする等によりハロメタンなどの炭素原料を供給せずに結晶中に炭素を自動的に取り込ませる方法を用いてもよい。
【００１８】
炭素を含むＡｌＧａＡｓ層若しくはＧａＡｓ層としてのバッファ層３の上に形成されているＨＢＴ機能層４は、該バッファ層３の上に、サブコレクタ層４１として働くｎ＋  −ＧａＡｓ層及びコレクタ層４２として働くｎ−  −ＧａＡｓ層が、順次化合物半導体エピタキシャル成長結晶層として所定の厚さに形成されている。そして、コレクタ層４２の上にベース層４３として働くｐ＋  −ＧａＡｓ層が同じく化合物半導体エピタキシャル成長結晶層として形成されている。ベース層４３の上にはエミッタ層４４として働くｎ−ＩｎＧａＰ層が、エミッタ層４４の上にはｎ＋  −ＧａＡｓ層がサブエミッタ層として、ｎ＋  −ＧａＡｓ層及びｎ＋  −ＩｎＧａＡｓ層がそれぞれエミッタコンタクト層４６、４７として形成されている。なお、バッファ層３は、一つの層のみで形成されている必要はなく、複数の層から形成されていても良く、この場合は、炭素を含むＧａＡｓ層、炭素を含むＡｌＧａＡｓ層、炭素がプレーナ添加された層等の少なくとも一つが、該複数の層中に少なくとも１層形成されていればよい。
【００１９】
上述した各層をＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長半導体薄膜結晶層として形成するための方法について詳しく説明する。
【００２０】
図２には、図１に示した化合物半導体エピタキシャル基板１をＭＯＣＶＤ法により製造するのに使用される気相成長半導体製造装置１０の要部が概略的に示されている。気相成長半導体製造装置１０は、図示しない原料供給系統からの原料ガスが原料供給ライン１１を介して供給される反応器１２を備え、反応器１２内にはＧａＡｓ基板２を載せて加熱するためのサセプタ１３が設けられている。本実施の形態では、サセプタ１３は多角柱体でその表面にはＧａＡｓ基板２が複数枚取り付けられており、サセプタ１３は回転装置１４によって回転できる公知の構成となっている。サセプタ１３内部には、符号１５で示されるサセプタ１３を加熱するための赤外線ランプが備えられている。赤外線ランプ１５に加熱用電源１６から加熱用の電流を流すことによりＧａＡｓ基板２を所要の成長温度に加熱することができる。この加熱により、原料供給ライン１１を介して反応器１２に供給される原料ガスがＧａＡｓ基板２上で熱分解し、ＧａＡｓ基板２上に所望の化合物半導体薄膜結晶を気相成長させることができるようになっている。使用済みのガスは排気ポート１２Ａより外部に排出され、排ガス処理装置へ送られる。
【００２１】
ここで、ＧａＡｓ基板として用いられるのは半絶縁性ＧａＡｓ単結晶基板であり、ＬＥＣ（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ  ）  法、ＶＢ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ）法、ＶＧＦ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｆｒｅｅｚｉｎｇ）法等で製造されたＧａＡｓ基板が好適である。いずれの方法で製造された場合であっても、１つの結晶学的面方位から０．０５°乃至１０°程度の傾きをもった基板を用意するのが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００２２】
上述の如く用意したＧａＡｓ単結晶基板の表面を、脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥処理した後、このＧａＡｓ単結晶基板を反応器１２内のサセプタ１３上にＧａＡｓ基板２として載せる。そして、反応炉１２内を高純度水素で充分置換した後加熱を開始する。温度が６４０℃に安定したところで、キャリアガスとして水素を用い、５族原料としてアルシン、３族原料として、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて３属原料に対する５族原料の供給モル比を１５１とし、炭素原料としてＣＢｒＣｌ３を用い、同温度で炭素を添加したＡｌＧａＡｓ層をＧａＡｓ基板２上に１００ｎｍ成長させてバッファ層３を形成する。
【００２３】
そして、炭素を添加したバッファ層３上にサブコレクタ層４１、コレクタ層４２を６４０℃の成長温度で成長させる。さらに、コレクタ層４２上に、ベース層４３、エミッタ層４４、サブエミッタ層４５を６２０℃の成長温度で成長させ、サブエミッタ層４５上にエミッタコンタクト層４６、４７を形成する。
【００２４】
化合物半導体エピタキシャル基板１において、ＧａＡｓ基板２とサブコレクタ層４１との間に、炭素を含むＡｌＧａＡｓ層であるバッファ層３を炭素を含む層として設けたので、ＧａＡｓ基板２上に各化合物半導体単結晶薄膜層を順次積層する場合に、ＧａＡｓ基板２内に存在する転位等の欠陥がサブコレクタ層４１に伝播するのが炭素を含む層であるバッファ層３により有効に抑えられる。
【００２５】
バッファ層３に含まれる炭素によりＧａＡｓ基板２中の欠陥の伝播が抑制される理由は次の通りであると考えられる。炭素はイオン半径がＧａ、Ａｓよりも小さく、炭素がＡｓ位置に置換されてドープされることによって結晶の格子定数が小さくなる。例えば、約２×１０１９ｃｍ−３の炭素をドープされている場合、通常格子定数が約０．００５％だけＧａＡｓより小さくなる。従って、本実施例では、ＧａＡｓと同じ大きさに面内が引き伸ばされ成長方向に於いて縮んだ、全体的に歪のある層になっている。歪のある層は、欠陥をトラップし易いので、炭素を含む層を含む、バッファ層３の存在によってＧａＡｓ基板２から受け継がれた転位等の欠陥が拡散されるのを有効に抑えることができる。
【００２６】
この結果、バッファ層３内においてＧａＡｓ基板２から受け継がれた欠陥の多くはバッファ層３内で終端してしまい、ＨＢＴ機能層４の形成時にＧａＡｓ基板２内の欠陥の影響を極めて小さくすることができ、ベース層４３の結晶性を著しく良好なものとすることができる。このため、ベース層内での再結合電流を小さくすることができ、炭素を含まない従来のバッファ層を用いた場合と比べ、ＨＢＴの電流増幅率を増加し得る。
【００２７】
上記実施の形態では、化合物半導体エピタキシャル基板１をＭＯＣＶＤ法によって作製する場合について説明したが、本発明はこの方法による場合に限定されるものではなく、他の適宜の方法を用いることもできる。例えば、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等の各種気相成長法を用いることもできる。また、バッファ層３の形成時にＡｌＧａＡｓに炭素を添加するための原料としてＣＢｒＣｌ３を用いたが炭素添加原料はＣＢｒＣｌ３に限定されず、この他、炭素を結晶に取り込むことができる原料であれば、前述した他の原料でもよく、それらを単独あるいは併用して使用することができる。また、ＡｌＧａＡｓ層、ＧａＡｓ層の成長条件を調整し、炭素原料を供給せずに炭素を自然に取り込むこともできる。更に、炭素を自然に取り込む条件に於いて更に炭素原料を供給することにより、より効率的に炭素を取り込むことも出来る。
【００２８】
ここで、バッファ層３のＡｌｘ  Ｇａ１−ｘ  Ａｓ  （０≦ｘ≦１）のＡｌ組成値ｘによる炭素の取り込み効率はＡｌによって差が生じる事が知られている。然しながら、取り込み効率が変わってもそれに伴って炭素ドープ量を調整すれば、本発明の目的の炭素濃度に調整することは容易に可能であり、本発明の目的の効果が容易に得られる。従って、Ａｌの濃度はこの範囲であればどの値でも構わない。
【００２９】
また、本発明においては、ＧａＡｓ基板の代わりにＩｎＰ基板を用いることもできる。ＧａＡｓ基板の代わりにＩｎＰ基板を使用したＨＢＴ用化合物半導体エピタキシャル基板の場合には、ＩｎＰ、ＩｎＰに格子整合するＩｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ等からなるバッファ層に、本発明と同量の炭素をドープすることで、本発明と同様の効果が得られる。
【００３０】
そして、バッファ層に炭素を添加することにより、図１に示した実施の形態の場合と同様の作用、効果を得ることができる。この場合においても、バッファ層全体に炭素がドープされている必要は無く、バッファ層を構成する少なくとも一つ以上の層が炭素を含む層として形成されていればよい。また、プレーナドープによって炭素をドープすることも有効である。この場合の炭素濃度等は前記と略同じである。
【００３１】
ここで、バッファ層３の炭素濃度範囲については、通常１×１０１７ｃｍ−３以上、望ましくは、１×１０１８ｃｍ−３以上、より望ましくは、１×１０１９ｃｍ−３以上である。１×１０１７ｃｍ−３未満では、ＧａＡｓとの格子定数差が殆ど無く本発明の奏する効果が低下する傾向にある。一方、上限については、特に制限するものではない。然しながら、ドープ量として１０２１ｃｍ−３程度に限界があることが知られている。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例及び比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１）
図１に示した構造の化合物半導体エピタキシャル基板を次のようにして作製した。ＶＧＦ法によって作成した半絶縁性のＧａＡｓ基板を用意し、このＧａＡｓ基板の上にＡｌ０．５  Ｇａ０．５  Ａｓのバッファ層を１００ｎｍ成長させた。このとき、炭素供給源としてＣＢｒＣｌ３を用い、バッファ層の炭素濃度を２×１０１９ｃｍ−３とした。このバッファ層の上にＨＢＴ機能層をＭＯＣＶＤ法により形成した。
【００３４】
なお、各層の厚み、Ｉｎ組成等は以下の通りであった。エミッタコンタクト層４７はｎ＋  −ＩｎＧａＡｓ層から成り、Ｉｎ組成が０．５、膜厚が５０ｎｍ、キャリア濃度が２．０×１０１９ｃｍ−３。エミッタコンタクト層４６はｎ＋  −ＩｎＧａＡｓ層から成り、Ｉｎ組成がサブエミッタ層４５の境界では０でエミッタコンタクト層４７の境界では０．５となるように連続的に変化しており、膜厚が５０ｎｍ、キャリア濃度が２．０×１０１９ｃｍ−３。サブエミッタ層４５はｎ＋  −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が１００ｎｍ、キャリア濃度が３．０×１０１８ｃｍ−３。エミッタ層４４はｎ−ＩｎＧａＰ層から成り、Ｉｎ組成が０．４８、膜厚が３０ｎｍ、キャリア濃度が３．０×１０１７ｃｍ−３。ベース層４３はｐ＋  −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が８０ｎｍ、キャリア濃度が４．０×１０１９ｃｍ−３。コレクタ層４２はｎ−  −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が７００ｎｍ、キャリア濃度が５．０×１０１５ｃｍ−３。サブコレクタ層４１はｎ＋  −ＧａＡｓ層から成り、膜厚が５００ｎｍ、キャリア濃度が３．０×１０１８ｃｍ−３。
【００３５】
ここで得られた化合物半導体エピタキシャル基板を用いてＨＢＴ素子を製作した。エミッタサイズは１００μｍ×１００μｍである。このＨＢＴ素子の電流増幅率βを測定したところ１３１であった。ここでは、コレクタ電流１ｋＡ／ｃｍ２  流したときのコレクタ電流／ベース電流を電流増幅率βとした。
【００３６】
（実施例２）
炭素をドープしたバッファ層をＧａＡｓとしたことを除き、実施例１の場合と同様にしてＨＢＴ素子を作製し、その電流増幅率βを測定したところ１３２であった。
【００３７】
（実施例３）
バッファ層の炭素濃度を、１×１０１９ｃｍ−３としたことを除き、実施例２の場合と同様にしてＨＢＴ素子を作製し、その電流増幅率βを測定したところ１３０であった。
【００３８】
（比較例１）
実施例１に用いたＧａＡｓ基板と基板種が同一の基板を用い、該基板の上に炭素を含まないＡｌＧａＡｓから成るバッファ層を１００ｎｍ成長させ、その上に実施例１の場合と同様にして、ＨＢＴ機能層を形成した化合物半導体エピタキシャル基板を作製し、ＨＢＴ素子を作製した。このＨＢＴ素子の電流増幅率βを測定したところ１１７であった。
【００３９】
実施例１〜３及び比較例１から、バッファ層が炭素を含む層である場合、電流増幅率が大きく増加することが理解される。またこの電流増幅率の増加は、炭素を含むバッファ層が、基板に存在する欠陥をエピタキシャル層に伝播することを抑制し得る結果、ベース層の結晶性が向上したことに起因すると理解される。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、基板とサブコレクタ層の間にバッファー層として、炭素を含む層を形成することにより、基板に存在する欠陥の伝播を抑制し得、電流増幅率が向上した化合物半導体エピタキシャル基板を製造し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による化合物半導体エピタキシャル基板の一実施形態を模式的に示す層構造図。
【図２】図１に示した化合物半導体エピタキシャル基板を製造するのに使用される気相成長半導体製造装置の要部を概略的に示す図。
【図３】従来における一般的なＧａＡｓ系ＨＢＴの層構造を模式的に示す図。
【符号の説明】
１  化合物半導体エピタキシャル基板
２  ＧａＡｓ基板
３  バッファ層
４  ＨＢＴ機能層
１０  気相成長半導体製造装置
４１  サブコレクタ層
４２  コレクタ層
４３  ベース層
４４  エミッタ層
４５  サブエミッタ層
４６、４７  エミッタコンタクト層
１００  ＨＢＴ
１０１  ＧａＡｓ基板
１０２  サブコレクタ層
１０３  コレクタ層
１０４  ベース層
１０５  エミッタ層
１０６  サブエミッタ層
１０７  エミッタコンタクト層
１０８  コレクタ電極
１０９  ベース電極
１１０  エミッタ電極
【図１】
2004342952.tif 000003
【図２】
2004342952.tif 000004
【図３】
2004342952.tif 000005