(57)【要約】【課題】キャリア濃度の制御が可能なようにして結晶性のよいベース層を形成すること。【解決手段】ベース層４３の成長条件をＶ／ＩＩＩ　比を１．０〜０．３の範囲内にすることにより５族ガス流量供給律速成長となる条件とし、成長したベース層４３の結晶性を向上させ、これにより電流増幅率βの大幅改善を図るようにした。成長時に５族原料と３族原料との供給に加えて流すＣＢｒＣｌ３　の流量を制御してベース層４３のキャリア濃度を調整するようにした。【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体基板上にサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、及びエミッタ層を（この順序で）ＭＯＣＶＤ法を用いて気相成長させてＨＢＴ製造用の化合物半導体ウェーハを製造するための方法であって、
前記ベース層を、３族元素としてＧａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも一種を含み５族元素としてＡｓを含むｐ型化合物半導体薄膜層として、成長速度が５族ガス流量供給律速成長となる条件で成長させるようにしたことを特徴とする化合物半導体ウェーハの製造方法。
【請求項２】
Ｖ／ＩＩＩ　比を０．３〜１．０の範囲内として前記ベース層を成長させるようにした請求項１記載の化合物半導体ウェーハの製造方法。
【請求項３】
前記ベース層のキャリア濃度の調整をハロゲン化メタンの流量で制御するようにした請求項１又は２記載の化合物半導体ウェーハの製造方法。
【請求項４】
前記ベース層のキャリア濃度の調整をＣＢｒＣｌ３　の流量で制御するようにした請求項１又は２記載の化合物半導体ウェーハの製造方法。
【請求項５】
化合物半導体基板上にサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層及びエミッタ層が気相成長によりこの順序で薄膜結晶層として形成されて成る化合物半導体素子において、
前記ベース層の少数キャリアの寿命が２００ｐｓｅｃ以上であることを特徴とする化合物半導体素子。
【請求項６】
化合物半導体基板上にサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層及びエミッタ層が気相成長によりこの順序で薄膜結晶層として形成されて成るヘテロ接合バイポーラトランジスタを含む化合物半導体素子において、
前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタの電流増幅率／ベースシート抵抗の割合が０．６０以上であることを特徴とする化合物半導体素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロ接合パイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の製造のための化合物半導体ウェーハの製造方法及び化合物半導体素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（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なため、次世代携帯電話用の半導体素子として期待されている。
【０００３】
ＨＢＴの構造は、例えばＧａＡｓ系ＨＢＴの場合、一般的には半絶縁性ＧａＡｓ基板上に有機金属熱分解法（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−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上述した層構造の薄膜結晶ウェーハを形成し、これを用いてＨＢＴが製造されている。
【０００４】
図７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層から成るサブコレクタ層１０２、ｎ−ＧａＡｓ層から成るコレクタ層１０３、ｐ−ＧａＡｓ層から成るベース層１０４、ｎ−ＩｎＧａＰ層から成るエミッタ層１０５及びｎ＋　−ＧａＡｓ層から成るサブエミッタ層１０６、ｎ＋　−ＩｎＧａＡｓ層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おり、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】
このように構成される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、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である。
【０００６】
したがって、電流増幅率βを大きくするには、上式より、ベース内での再結合電流であるＩｒを低減させる必要があることが判る。このベース内での再結合電流はベース層の結晶性に敏感であり、ベース層における結晶欠陥が多いとベース内での再結合電流が大きくなり、電流増幅率βは低下してしまう。したがって、ＨＢＴの電流増幅率の特性を改善するにはそのベース層の結晶性を良好なものとする必要がある。
【０００７】
このような目的を達成する従来技術の１つとして、特開平３−１１０８２９号公報には、化合物半導体薄膜の成長時の基板温度を４５０〜６５０℃、５族原料と３族原料との供給モル比を０．３〜２．５の範囲内で設定するようにした化合物半導体薄膜の製造方法が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この提案された従来方法によると、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３で制御できるとされているが、５族原料と３族原料との供給モル比及び成長温度を決定するとキャリア濃度はこれらにより決定されてしまうのでキャリア濃度を所望の値に制御するのが難しいという問題点を有している。
【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することができるようにした化合物半導体ウェーハの製造方法及び化合物半導体素子を提案することにある。
【００１０】
本発明の目的は、外部からの不純物の添加によりキャリア濃度の制御が可能なようにして結晶性のよいベース層を形成することができる化合物半導体ウェーハの製造方法及び化合物半導体素子を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明においては、ベース層の成長条件を５族ガス流量供給律速成長となる条件とすることによりベース層の結晶性を向上させ、これにより電流増幅率の大幅改善を図るようにしたものである。Ｖ／ＩＩＩ　比を１．０〜０．３の範囲内にすることにより５族ガス流量供給律速成長とすることができる。
【００１２】
ここで、Ｖ／ＩＩＩ　比とは３−５族化合物半導体結晶成長時における５族原料と３族原料の供給量比である。一般に有機金属気相成長法においては、原料供給はガスボンベやバブラーからガスの状態で供給される。ガスボンベからのガスの供給量は供給ラインに設置されたマスフローコントローラーなどの流量制御装置によって制御され、（ボンベ内のガス濃度）×（ガス流量）が原料の実流量となる。バブラーからのガスの供給量はバブラーに流すキャリアガス供給ラインに設置されたマスフローコントローラーなどの流量制御装置によって制御され、（キャリアガス流量）×（バブラー内原料蒸気圧）／（バブラー内圧）が原料の実流量となる。これらの方式によって供給された原料実流量について５族原料と３族原料の供給量比をとったものを一般にＶ／ＩＩＩ　比と称している。本明細書においてもＶ／ＩＩＩ　比という用語を上述の定義に従うものとして使用している。
【００１３】
請求項１の発明によれば、化合物半導体基板上にサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、及びエミッタ層を（この順序で）ＭＯＣＶＤ法を用いて気相成長させてＨＢＴ製造用の化合物半導体ウェーハを製造するための方法であって、前記ベース層を、３族元素としてＧａ、Ａｌ、Ｉｎのうちの少なくとも一種を含み５族元素としてＡｓを含むｐ型化合物半導体薄膜層として、成長速度が５族ガス流量供給律速成長となる条件で成長させるようにしたことを特徴とする化合物半導体ウェーハの製造方法が提案される。
【００１４】
ベース層の成長条件を上述の如く選ぶことにより成長したベース層の結晶性が良好なものとなり、ベース層内での再結合電流を小さくすることができ、ＨＢＴの電流増幅率を大きくすることができる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明において、Ｖ／ＩＩＩ　比を０．３〜１．０の範囲内として前記ベース層を成長させるようにした化合物半導体ウェーハの製造方法が提案される。
【００１６】
請求項３の発明によれば、請求項１又は２記載の発明において、前記ベース層のキャリア濃度の調整をハロゲン化メタンの流量で制御するようにした化合物半導体ウェーハの製造方法が提案される。
【００１７】
請求項４の発明によれば、請求項１又は２記載の発明において、前記ベース層のキャリア濃度の調整をＣＢｒＣｌ３　の流量で制御するようにした化合物半導体ウェーハの製造方法が提案される。
【００１８】
請求項５の発明によれば、化合物半導体基板上にサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層及びエミッタ層が気相成長によりこの順序で薄膜結晶層として形成されて成る化合物半導体素子において、前記ベース層の少数キャリアの寿命が２００ｐｓｅｃ以上であることを特徴とする化合物半導体素子が提案される。
【００１９】
請求項６の発明によれば、化合物半導体基板上にサブコレクタ層、コレクタ層、ベース層及びエミッタ層が気相成長によりこの順序で薄膜結晶層として形成されて成るヘテロ接合バイポーラトランジスタを含む化合物半導体素子において、前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタの電流増幅率／ベースシート抵抗の割合が０．６０以上であることを特徴とする化合物半導体素子が提案される。
【００２０】
【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。
【００２１】
図１は、本発明の方法によって製造されたＨＢＴ用薄膜結晶ウェーハの一例を模式的に示す層構造図である。この薄膜結晶ウェーハはＧａＡｓ系ＨＢＴの製造に用いる化合物半導体ウェーハであり、図１に示した層構造の半導体ウェーハを本発明の方法により製造する場合の実施の形態の一例について説明する。したがって、本発明の方法を図１に示した構造の化合物半導体ウェーハの製造にのみ限定する趣旨ではない。
【００２２】
図１に示した半導体ウェーハ１の構造は次の通りである。半導体ウェーハ１は、半絶縁性のＧａＡｓ化合物半導体結晶である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。図１を参照して半導体ウェーハ１について説明すると、ＧａＡｓ基板２は半絶縁性ＧａＡｓ（００１）層から成り、ＧａＡｓ基板２上にｉ−ＧａＡｓ層から成るバッファ層３が形成されている。
【００２３】
次に、バッファ層３の上に形成されているＨＢＴ機能層４の構成について説明する。ＨＢＴ機能層４は、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層が同じく半導体エピタキシャル成長結晶層として形成されており、ベース層４３の上にはエミッタ層４４として働くｎ−ＩｎＧａＰ層が形成されている。そしてエミッタ層４４の上にはｎ−　−ＧａＡｓ層がサブエミッタ層４５として、ｎ＋　−ＧａＡｓ層及びｎ＋　−ＩｎＧａＡｓ層がエミッタコンタクト層４６、４７として形成されている。
【００２４】
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。
【００２５】
図２には、図１に示した半導体ウェーハ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。符号１５で示されるのはサセプタ１３を高周波誘導加熱するためのコイルである。コイル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を介してバッファ層３内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。
【００２６】
反応器１２内のサセプタ１３上にＧａＡｓ基板２を載せた後、キャリアガスとして水素を用い、原料としてアルシン、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、６５０℃でＧａＡｓをバッファ層３として約５００ｎｍ成長させる。しかる後、バッファ層３上にサブコレクタ層４１、コレクタ層４２を成長温度６２０℃の条件で成長させる。
【００２７】
そして、コレクタ層４２の上には、３族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、５族原料としてアルシン（ＡｓＨ３　）を用い、ｐ型化のドーパントとしてＣＢｒＣｌ３　を用い、６２０℃の成長温度でベース層４３を成長させる。ここで、ベース層４３の成長時に５族ガス流量供給律速成長となるようＶ／ＩＩＩ　比を１．０〜０．３の範囲内としてベース層４３を成長させる。Ｖ／ＩＩＩ　比が１．０より大きい場合には成長速度が３族ガス流量供給律速成長であり、Ｖ／ＩＩＩ　比が１．０以下の場合には５族ガス流量供給律速成長となって、成長速度が低下する。
【００２８】
図３には、３族ガス流量を一定にし５族ガス流量を変化させたＶ／ＩＩＩ　比と成長速度（ａ．ｕ．）との関係が示されており、この図には上記で説明したことが示されている。Ｖ／ＩＩＩ　比が１．０より大きい領域では、成長速度が３族ガス流量で決定されるため成長速度が一定である。Ｖ／ＩＩＩ　比が１．０より小さい領域では、成長速度が５族ガス流量で決定されるが、５族ガス流量はＶ／ＩＩＩ　比が小さくなるに従って減少するため、Ｖ／ＩＩＩ　比が小さくなるに従って成長速度が低下する。なお、Ｖ／ＩＩＩ　比が０．３より小さくなると結晶の平坦性が悪化してしまう。したがって、Ｖ／ＩＩＩ　比を０．３より小さくすることは非現実的であり、以上の理由により、Ｖ／ＩＩＩ　比は１．０〜０．３の範囲内の適宜の値とするのが好ましい。
【００２９】
このようにしてベース層４３を成長させた後、ベース層４３の上に、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の上にエミッタコンタクト層４６、４７を形成する。
【００３０】
半導体ウェーハ１は、ＨＢＴを構成するベース層４３を、上述の如く、５族ガス流量供給律速成長となるよう、Ｖ／ＩＩＩ　比を１．０〜０．３の範囲内として成長させたので、ベース層４３の結晶性は極めて良好なものとなり、これによりベース層内での再結合電流を小さくすることができ、ＨＢＴの電流増幅率の大幅改善を図ることができる。
【００３１】
上記実施の形態では、３族原料としてＴＭＧ、すなわちＧａを用いたが、この他、Ａｌ、Ｉｎを用いることができる。Ｇａ、Ａｌ、Ｉｎは単独に用いてもよいが、これらのうちのいくつかを併用することもできる。また、５族原料としてはＡｓほか、Ａｓを含む適宜の５族原料を用いてベース層４３の成長を行ってもよい。
【００３２】
そして、ドーパントとしてＣＢｒＣｌ３　を用い、炭素（Ｃ）をドープしてベース層４３をｐ型としているので、ベース層４３の成長時におけるＣＢｒＣｌ３　の流量を適宜に調整することにより炭素（Ｃ）のドープ量を加減し、これによりベース層４３のキャリア濃度を成長条件とは独立して調節できる。
【００３３】
成長温度６２０℃で、Ｖ／ＩＩＩ　比を０．９、０．７とした場合、図４に示すように、ドーパントであるＣＢｒＣｌ３　を１０℃とし、ＣＢｒＣｌ３　バブラーに供給するキャリアガスの流量（ｓｃｃｍ）を調節することにより、キャリア濃度を１．０×１０１９ｃｍ−３〜１．０×１０２０ｃｍ−３の範囲で独立して制御できることが分かる。また、温度を６２０℃以外とした場合も同様である。
【００３４】
なお、ベース層４３におけるキャリア濃度の制御は、ＣＢｒＣｌ３　の流量調節のほか、成長時にハロゲン化メタンを流し、この流量を制御することにより同様にして行うことができる。ハロゲン化メタンとしては、上記以外に、例えばＣＢｒ４　、ＣＢｒ３　Ｃｌ、ＣＢｒ２　Ｃｌ２　、ＣＣｌ４　などを用いることができる。
【００３５】
このようにして、図１に示す層構成の半導体ウェーハ１を製造し、この半導体ウェーハ１を用いてＨＢＴを製造すれば、ベース層４３の結晶性が向上するので、電流増幅率の大きな増幅素子を作ることができる。この場合、ベース層４３の少数キャリアの寿命は２００ｐｓｅｃ以上であることが望まれる。また、電流増幅率／ベースシート抵抗の割合は０．６０以上であることが好ましい。
【００３６】
【実施例】
図１に示した構造の半導体ウェーハを製造し、これにより得られた半導体ウェーハを用いてＨＢＴ素子を次のように製作した。エミッタサイズは１００μｍ×１００μｍである。ここでは、コレクタ電流を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とする。
【００３７】
時間分解ＰＬ測定は、ＨＢＴ構造ではベース層の膜厚が薄いため測定できない。そこで、ＨＢＴベース層作製条件と同条件でｐ−ＧａＡｓの薄膜を１μｍ積層した試料で測定を実施した。
【００３８】
（実施例１）
ベース層４３の成長条件を、成長温度が６２０℃で、３族原料としてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用い、５族原料としてアルシン（ＡｓＨ３　）を用い、ｐ型化のドーパントとしてＣＢｒＣｌ３　を用い、Ｖ／ＩＩＩ　比を０．９とした。上記成長条件の下で、ドーパントであるＣのドープ量を調節してベース層４３のキャリア濃度を３．６×１０１９ｃｍ−３とした。このときのＨＢＴ素子の電流増幅率βを測定したところ１８０であった。また、電流増幅率β／ベースシート抵抗ＢＲｓの割合を測定したところ０．６０であった。
【００３９】
（実施例２）
Ｖ／ＩＩＩ　比を０．７とした以外は実施例１と全く同一の条件でＨＢＴ素子を製作し、電流増幅率βを測定したところ２１５であった。ベース層４３における少数キャリアの寿命を測定したところ、２３０ｐｓｅｃであった。電流増幅率β／ベースシート抵抗ＢＲｓの割合を測定したところ０．７０であった。
【００４０】
（比較例）
Ｖ／ＩＩＩ　比を１．０以上の１．３、３．３、２５として実施例１と同一の成長条件で比較のためのＨＢＴ素子を製作した。
Ｖ／ＩＩＩ　比が１．０以上では、電流増幅率βはいずれも１５０であった。また、電流増幅率β／ベースシート抵抗ＢＲｓの割合を測定したところ０．５０であった。Ｖ／ＩＩＩ　比が２５の場合の少数キャリアの寿命を測定したところ、１６０ｐｓｅｃであった。
【００４１】
図５及び図６にこれらの測定結果を示す。Ｖ／ＩＩＩ　比が１．０以下のＶ族ガス供給律速度の成長条件では、ベース層が欠陥の少結晶品質が良いため、少数キャリアの寿命が長くなった。この結果、βが向上したものと考えられる。
【００４２】
実施例１、２及び比較例における、Ｖ／ＩＩＩ　比、電流増幅率β／ベースシート抵抗ＢＲｓの値、及び少数キャリアの寿命τの値はそれぞれ下記に示す通りであった。
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【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、ベース層の成長条件を５族ガス流量供給律速成長となる条件とすることによりベース層の結晶性を向上させることができ、少数キャリアの寿命を長くすることができると共に、電流増幅率／ベースシート抵抗の割合を高い値とし、これにより電流増幅率の大幅改善を図ることができる。さらに、ベース層のキャリア濃度を成長条件とは独立して制御することができるので、キャリア濃度を所望の値に制御するのが容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の方法によって製造されたＨＢＴ用薄膜結晶ウェーハの一例を模式的に示す層構造図。
【図２】図１に示した半導体ウェーハ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】Ｖ／ＩＩＩ　比と成長速度との関係を示す図。
【図４】ＣＢｒＣｌ３　の流量とキャリア濃度との間の関係を示すグラフ。
【図５】ベース層におけるＶ／ＩＩＩ　比と電流増幅率との間の関係を示すグラフ。
【図６】本発明による電流増幅率とベース抵抗との間の関係を従来例の場合と比較して示すグラフ。
【図７】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　半導体ウェーハ
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
【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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