(57)【要約】【課題】熱的安定性に優れた特性を有する電子デバイスを製造することができる半導体材料及びこれを用いた半導体素子を提供すること。【解決手段】ＧａＡｓ基板２の上にコレクタ層３、ベース層４及びエミッタ層５を有するバイポーラトランジスタ構造を備えたエピタキシャル基板において、ベース層４を、所要のキャリア濃度を有する下部ベース層４１及び上部ベース層４２と、下部ベース層４１と上部ベース層４２との間に設けられてバラスト作用を奏するキャリア濃度の小さい低キャリア濃度層４３とから構成した。【選択図】        図１
2004200254.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コレクタ層、ベース層及びエミッタ層を有するバイポーラトランジスタ構造を備えた半導体材料において、前記ベース層が、所要のキャリア濃度を有する第１の層と、該第１の層のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する第２の層とを備えたことを特徴とする半導体材料。
【請求項２】
前記第２の層の層厚が１０００Å以下である請求項１記載の半導体材料。
【請求項３】
バイポーラトランジスタ構造を備えた半導体材料であって、半導体基板上にコレクタ層、ベース層、エミッタ層が形成されており、前記ベース層が、所要のキャリア濃度を有する第１の層と、該第１の層のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する第２の層とを備えたことを特徴とする半導体材料。
【請求項４】
前記半導体基板上に設けられる各層が薄膜層として形成されている請求項３記載の半導体材料。
【請求項５】
前記半導体基板が、ＧａＡｓ基板又はＩｎＰ基板である請求項３記載の半導体材料。
【請求項６】
前記エミッタ層と前記ベース層とが異なる材料を用いて成り、ヘテロ接合されている請求項４記載の半導体材料。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかの半導体材料を用いて作製した半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【特許文献１】
特開平６−２６７８６７号公報
【０００２】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子デバイス用半導体材料及びこれを用いた半導体素子に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
例えば、コレクタ層、ベース層及びエミッタ層を備え、各層間において形成されるｐｎ接合特性を利用する各種の電子デバイスが広く利用されている。このような半導体電子デバイスにあっては、通電によるデバイスの発熱により、同一のコレクタ電流であっても増幅率が低下してしまう、あるいは同一のベース−エミッタ電圧であってもコレクタ電流が増加してしまう等の回路動作に悪影響を及ぼす特性変化を生じさせる。このような熱的要因に基づく特性変化は半導体の一般的特性であり、従来においては、電子デバイス自身の構造はそのままにして、熱的変化による増幅率やコレクタ電流の変動を外部回路における回路上の工夫によりこれを抑えているのが一般的である（特許文献１）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、外部回路における回路上の工夫によって熱的要因における電子デバイスの電気的特性の変化を補償しようとすると、外部回路の規模がその分大きくなり、微細化を妨げ装置の小型化を阻害する一因ともなっている。また、外部回路における回路上の工夫により熱的に安定な動作をさせようとする場合には、広い動作範囲に亘って所要の動作特性を確保することが困難である場合が生じるなど、必ずしも満足のいく結果を得ることができないという問題点も有している。
【０００５】
本発明の目的は、熱的安定性に優れた特性を有する電子デバイスを製造することができる半導体材料、及びこれを用いた半導体素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明者等は、種々実験し検討を重ねた結果、バイポーラトランジスタのベース層内にキャリア濃度の低い層を形成すると、電流増幅率の温度依存性を小さく抑えることができることを見いだし、この知見に基づいて本発明をなすに至ったものである。
【０００７】
請求項１の発明によれば、コレクタ層、ベース層及びエミッタ層を有するバイポーラトランジスタ構造を備えた半導体材料において、前記ベース層が、所要のキャリア濃度を有する第１の層と、該第１の層のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する第２の層とを備えたことを特徴とする半導体材料が提案される。
【０００８】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、前記第２の層の層厚が１０００Å以下である半導体材料が提案される。
【０００９】
請求項３の発明によれば、バイポーラトランジスタ構造を備えた半導体材料であって、半導体基板上にコレクタ層、ベース層、エミッタ層が形成されており、前記ベース層が、所要のキャリア濃度を有する第１の層と、該第１の層のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する第２の層とを備えたことを特徴とする半導体材料が提案される。
【００１０】
請求項４の発明によれば、前記半導体基板上に設けられる各層が薄膜層として形成されている半導体材料が提案される。
【００１１】
請求項５の発明によれば、請求項３の発明において、前記半導体基板が、ＧａＡｓ基板又はＩｎＰ基板である半導体材料が提案される。
【００１２】
請求項６の発明によれば、請求項４の発明において、前記エミッタ層と前記ベース層とが異なる材料を用いて成り、ヘテロ接合されている半導体材料が提案される。
【００１３】
請求項７の発明によれば、請求項１〜６のいずれかの半導体材料を用いて作製した半導体素子が提案される。
【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、本発明による半導体材料の実施の形態の一例を示す断面図である。半導体材料１は、本実施の形態では、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を作製するためのエピタキシャル基板の例であり、半絶縁性ＧａＡｓ基板２の上にはコレクタ層３が形成されている。コレクタ層３は、キャリア濃度が約１０18ｃｍ-3のｎ+ −ＧａＡｓ層３１と、ノンドープＧａＡｓ層３２とが図示の如く成層されて成っている。
【００１６】
そして、コレクタ層３の上には、ベース層４が形成されている。ベース層４は、ベース層として働くのに必要な所要のキャリア濃度を有する下部ベース層４１及び上部ベース層４２と、下部ベース層４１と上部ベース層４２との間に設けられてバラスト作用を奏するキャリア濃度の低い低キャリア濃度層４３とから成っている。
【００１７】
本実施の形態では、下部ベース層４１及び上部ベース層４２（第１の層）はそれぞれｐ+ −ＧａＡｓ層として形成され、キャリア濃度はいずれも通常１×１０19〜１×１０20ｃｍ-3である。一方、低キャリア濃度層４３（第２の層）はドーパント原料を供給せずにＧａＡｓを形成して作製され、キャリア濃度は通常１×１０15ｃｍ-3以下であり、その層厚は２００Åとなっている。しかし、低キャリア濃度層４３の層厚は、これに限定されるものではなく、５０Å〜１０００Åの範囲内とすることができる。
【００１８】
低キャリア濃度層４３はベースのその他の部分（第１の層）である下部ベース層４１及び上部ベース層４２よりもキャリア濃度の低いｐ型の半導体層として作成される。ｐ型キャリアを持つ半導体では、キャリア濃度が低い方がバンドのエネルギーの高さが低くなる。本発明に於ける温度特性の改善は後述するように、バンドエネルギーが低い層を加えたことにより生じると推測している。したがって、ベース層のその他の部分である下部ベース層４１及び上部ベース層４２のキャリア濃度が約４×１０19ｃｍ-3であることから、低キャリア濃度層４３は、下部ベース層４１及び上部ベース層４２のキャリア濃度よりも１桁低い１０18ｃｍ-3以下のキャリア濃度であれば、本発明の目的とする効果が得られると考えられる。またこの場合ｎ型のキャリアを持つ半導体であってもバンドがベース部分よりも低くなることとなり、ｐ型の低キャリア濃度層の場合と同様の効果が予測される。
【００１９】
ベース層４の上には、エミッタ層５が形成されている。エミッタ層５は、キャリア濃度が１０17ｃｍ-3台程度のｎ−ＩｎＧａＰ層５１と、キャリア濃度が１０17ｃｍ-3台程度のｎ+ −ＧａＡｓ層５２と、キャリア濃度が１０18ｃｍ-3台程度のｎ+ −ＧａＡｓ層５３とから成っている。
【００２０】
ＧａＡｓ基板２上に上述の如くして設けられたコレクタ層３、ベース層４及びエミッタ層５は、公知の適宜の手段により形成することができる。すなわち、有機金属熱分解法（ＭＯＣＶＤ法）による気相成長、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）あるいはその他の適宜の気相成長法を各層の形成のために用いることができるし、これらに代えてイオン打ち込み法により形成することもできる。また、単結晶基板としては、ＧａＡｓ基板のみならず、ＩｎＰ基板を用いてもよいことは勿論である。
【００２１】
上記説明から判るように、本実施の形態では、ベース層４の材料とエミッタ層５の材料とは異なっており、これによりベース層４とエミッタ層５とはヘテロ接合されていて、ＧａＡｓ基板２上には、コレクタ層３とベース層４とエミッタ層５とを備えたヘテロ接合トランジスタ（ＨＢＴ）構造が形成されている。
【００２２】
なお、本実施例では、低キャリア濃度層４３を下部ベース層４１と上部ベース層４２との間に設けた構成としたが、本発明はこの三層積層構造に限定されるものではない。例えば、上部又は下部ベース層４１、４２のいずれか一方を省くこともできる。
【００２３】
コレクタ層、ベース層及びエミッタ層を有するＨＢＴ構造において、ベース層に低キャリア濃度層を設けること、例えば図１に示したように、ベース層４の構成を、所要のキャリア濃度を有する層である下部ベース層４１及び上部ベース層４２と、これらの層のキャリア濃度より低いキャリア濃度を有する層である低キャリア濃度層４３とを備えるように形成することにより、電流増幅率（β）の温度依存性、すなわちβの温度特性の変化が、低キャリア濃度層４３が設けられていない場合に比べ、大幅に改善される。
【００２４】
異なるｐ型キャリア濃度の半導体が接合している場合、キャリア濃度の低い方がバンドのエネルギーの高さが低くなる。したがって、本発明においては、低キャリア濃度層４３はベース層４のその他の部分である下部ベース層４１及び上部ベース層４２よりもバンドのエネルギーの高さが低く、電子が滞留し易いと思われる。温度が上昇すると低キャリア濃度層４３に滞留していた電子は熱によるエネルギーを受け、低キャリア濃度層４３から飛出し易くなる。よって低キャリア濃度層４３での電子の滞留が短くなる。
【００２５】
以上から、低キャリア濃度層４３の部分では温度が高いほうが電子が通過し易い。また、ＨＢＴでは電子がベース層中を短時間で通過する方が高い増幅率が得られることが一般に知られている。従って、低キャリア濃度層４３は温度が高くなると増幅率を上昇させるような働きを持つ。このように温度が高いほど増幅率を高くしようとする働きをもつ層を挿入することによって、通常ＨＢＴで問題となる、温度上昇による増幅率の低下を緩和するバラスト効果をもち、よって、温度特性の改善が達成されると推測される。
【００２６】
したがって、低キャリア濃度層４３の層厚及びキャリア濃度は、低キャリア濃度層４３による上述のバラスト効果が得られる範囲内であれば、これらの値を適宜に定めることができる。そして、低キャリア濃度層４３のキャリアドーパントはｐ型、ｎ型何れの極性をもつものでもよい。
【００２７】
【実施例】
（実施例１）
図１に示した構成の、ＨＢＴ製造用エピタキシャル基板を次のようにして作成した。低キャリア濃度層４３の層厚が２００Åとなるように作製した。
【００２８】
ＭＯＣＶＤ薄膜作成装置に半絶縁性のＧａＡｓ基板２を導入し、ＡｓＨ3 ガス及び金属有機化合物を原料としてＧａＡｓ基板２の上にｎ+ −ＧａＡｓ層（キャリア濃度約３×１０18ｃｍ-3）、ノンドープＧａＡｓ層からなるコレクタ層３を形成する。ｎ型のドーパントとしてＳｉをジシランガスの形で導入しｎ型のＧａＡｓを形成した。
【００２９】
次に該コレクタ層３の上に、ベース層４を形成する。該ベース層４は３層に分かれ、下から下部ベース層４１、ベースバラスト層としての低キャリア濃度層４３及び上部ベース層４２からなる。該下部ベース層４１、低キャリア濃度層４３及び上部ベース層４２は其々、ｐ+ −ＧａＡｓ層（キャリア濃度約４×１０19ｃｍ-3）、キャリア濃度の低いＧａＡｓ層、ｐ+ −ＧａＡｓ層（キャリア濃度約４×１０19ｃｍ-3）からなる。ｐ型のドーパントとしては炭素を用いた。低キャリア濃度層４３の膜厚は約２００Åとし、本実施例ではキャリア濃度の低いＧａＡｓ層を、ドーパントガスの供給をしないことで成長した。
【００３０】
該ベース層４上に、ｎ−ＩｎＧａＰ層（キャリア濃度約３×１０17ｍ-3  ）をＰＨ3 及びに有機金属化合物を原料として成長し、その上にｎ−ＧａＡｓ層（キャリア濃度約３×１０17ｍ-3）、ｎ+ −ＧａＡｓ層（キャリア濃度約３×１０18ｃｍ-3）をＡｓＨ3 及び有機金属化合物を原料として成長して、エミッタ層５を形成した。ｎ型のドーパントは該コレクタ層３の場合と同じジシランガスを用いて行った。以上のようにベースバラストを持つＨＢＴを作製しその効果を確認した。
【００３１】
このエピタキシャル基板を用いてのＨＢＴの作製は次のようであり、作製されたＨＢＴの電流増幅率（β）の温度依存性を測定した。その測定結果を図２にグラフとして示した。縦軸は、温度を変えて測定されたＨＢＴの電流増幅率（β）の値を、２３°Ｃのときの電流増幅率（β（２３°Ｃ））で割った値である。
【００３２】
ＨＢＴの作製は、レジストをマスクとして用いエピタキシャル基板にエッチングを行うことによって、サブコレクタ、ベースを露出させる。露出した部分に其々の層とオーミックコンタクトを取る電極を蒸着し、バイポーラトランジスタを形成した。トランジスタ特性の測定はプローバを用いた。
【００３３】
（実施例２）
低キャリア濃度層４３の層厚が１００Åであることを除いては実施例１の場合と全く同様にして作製されたエピタキシャル基板を用いてＨＢＴを同様にして作製し、製作されたＨＢＴの電流増幅率の温度依存性を測定した。その測定結果を図２にグラフとして示した。
【００３４】
（比較例）
図１において、低キャリア濃度層４３が設けられていないことを除いては実施例１の場合と全く同様にして作製されたエピタキシャル基板を用いてＨＢＴを同様にして作製し、製作されたＨＢＴの電流増幅率の温度依存性を測定した。その測定結果を図２にグラフとして示した。
【００３５】
図２に示したグラフから、低キャリア濃度層４３を設けない従来のＨＢＴに比べ、低キャリア濃度層４３を設けたＨＢＴの方が、電流増幅率の最大値βｍａｘの温度安定性が向上していることが判る。また、低キャリア濃度層４３の層厚が２００Åと１００Åとの場合を比べると、層厚が２００Åの場合の方がその温度安定性がより改善されることが判る。
【００３６】
さらに詳細に説明すると、実施例においては低キャリア濃度層４３の膜厚を１００Å及び２００Åにした場合の例を示した。これらの実施例及び比較例についてのＨＢＴの増幅率（β）の温度特性の結果を示す図２から判るように、低キャリア濃度層４３の膜厚が１００Åで既に比較例と比べてβの温度依存性を充分に少なくする効果が現れており、また、低キャリア濃度層４３の膜厚を２００Åにするとよりその効果が大きくなる。したがって、低キャリア濃度層４３の膜厚が１００Åよりも薄い場合から、２００Åよりも厚いところまでβの温度特性の変化を少なくする効果が得られることが判る。低キャリア濃度層４３の膜厚が大きいほうがより効果があるが、低キャリア濃度層４３の膜厚が１０００Å以上になると、この部分で捉えられる電子が抜け出しにくくなり、βが低下したり、βの温度特性の変化を少なくする効果が充分でなくなり、期待する効果が得られなくなる。また、膜厚の制御の点から低キャリア濃度層４３の膜厚を５０Å以下にすることは現実的でなく、その上βの温度依存性を少なくする効果も小さくなり、本発明の目的を到達しなくなる。以上のことから、目的とする効果の得られる低キャリア濃度層４３の膜厚の範囲は、５０Å〜１０００Åである。
【００３７】
以上、本発明を説明してきたが、本発明は上述した一例に限定されるものではない。すなわち、本発明はＨＢＴのみに限定して適用されるのではなく、ホモジャンクションバイポーラトランジスタの場合にも、そのベース層の構造を上述の如く、低キャリア濃度層を含むようにすれば、同様にして、温度依存性の少ないトランジスタ特性の素子とすることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、各種のバイポーラトランジスタ構造のベース層に低キャリア濃度の層を設けることにより、トランジスタ特性の熱的安定性を確保することができるので、温度特性の良好な各種電子デバイスを製作するのに役立つ半導体材料を提供できる。また、この半導体材料を用いてバイポーラトランジスタを製作することにより、動作中の電流による発熱による特性変化を抑制し、温度変化に対して、安定な性能を持つバイポーラトランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体材料の実施の形態の一例を示す断面図。
【図２】本発明の実施例及び比較例におけるＨＢＴ電流増幅率の温度依存性の測定結果を示すグラフ。
【符号の説明】
１  半導体材料
２  ＧａＡｓ基板
３  コレクタ層
３１  ｎ+ −ＧａＡｓ層
３２  ｉ−ＧａＡｓ層
４  ベース層
４１  下部ベース層
４２  上部ベース層４２
４３  低キャリア濃度層
５  エミッタ層
５１  ｎ−ＩｎＧａＰ層
５２  ｎ+ −ＧａＡｓ層
５３  ｎ+ −ＧａＡｓ層
【図１】
2004200254.tif 000003
【図２】
2004200254.tif 000004