(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓからなるコレクタ層とＧａＡｓに格子整合するＧａＡｓＮＳｂからなるベース層との間にＧａＡｓからＧａＡｓＮＳｂまで組成が緩徐に変化する組成傾斜層を介在させてなること
を特徴とするヘテロ・バイポーラ半導体装置。
【請求項２】
ＧａＡｓＮＳｂ層にカーボンをドーピングしてなること
を特徴とする請求項１記載のヘテロ・バイポーラ半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低電圧動作が可能であるように改良したヘテロ・バイポーラ半導体装置に関する。
【０００２】
現在、携帯電話が急速に普及しつつあり、その一因は、携帯電話端末の低価格化及び大幅な小型化にある。
【０００３】
一般に、携帯電話端末に於ける出力段トランジスタとしては、ＧａＡｓ系ＦＥＴ（ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が多用されてきたが、近年、単一電源で動作し、効率が高く、低歪み特性をもつＧａＡｓ系ヘテロ・バイポーラ・トランジスタ（ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＢＴ）が使用される傾向にある。
【０００４】
携帯電話端末が小型化された要因の多くは、電池の高効率化と増幅段数の削減に負うていて、例えば初期に於いては、電池の出力電圧は７．２〔Ｖ〕を必要としたが、徐々に低下して、現在は３．６〔Ｖ〕で済んでいる。
【０００５】
今後、電源電圧が更に下がってきた場合、低電圧に於いても効率良く動作するトランジスタが必要であり、その点でＨＢＴが注目されている。
【０００６】
ＨＢＴに於いて、動作電圧の下限を決定付ける最も大きな因子は、ベース・エミッタ間電圧Ｖbeの如何である。
【０００７】
例えばｎｐｎ型ＨＢＴのベース・エミッタ間電圧Ｖbeは、主としてベース層の価電子帯に於ける最大ポテンシャル・エネルギ（価電子帯の上端）とエネルギ層の伝導帯に於ける最小ポテンシャル・エネルギ（伝導帯の下端）との差に依って決定される。
【０００８】
従って、ベース層の材料として、エネルギ・バンド・ギャップが小さいものを使用すれば、ベース・エミッタ間電圧Ｖbeを小さくすることができ、その場合、材料に関する制限事項として、半導体の格子定数が基板の格子定数に比較して大きく異ならないことが必要であり、若し、両者の格子定数が大きく異なった場合には、ベース層に転移が発生してＨＢＴの特性は劣化する。
【０００９】
ところで、ＧａＡｓに格子整合し、且つ、ＧａＡｓに比較してエネルギ・バンド・ギャップが小さい半導体材料として、近年、ＧａＩｎＮＡｓが注目されている。
【００１０】
ＧａＩｎＮＡｓに於いては、Ｉｎの量とＮの量とを適切に調製することに依って、ＧａＡｓに格子整合させながらエネルギ・バンド・ギャップを大幅に小さくできるとされている。
【００１１】
然しながら、ＧａＩｎＮＡｓに於いては、ＩｎとＮの量を増加させてゆくと、ＧａＡｓに比較し、価電子帯の位置は殆ど動かず、伝導帯の位置のみが大きく下がってくる。
【００１２】
従って、ＧａＩｎＮＡｓをＨＢＴのベース層に用いた場合には、エネルギ・バンド・ギャップは小さくなるものの、ベース・エミッタ間電圧Ｖbeは低くならない。因みに、ベース・エミッタ間電圧Ｖbeを低くする為には、価電子帯の上端を上昇させることが必要である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、ＨＢＴに於けるベース層を構成する材料としてＧａＡｓに格子整合する適切な材料を用い、しかも、ベース・エミッタ間電圧Ｖbeを充分に低下させることができるようにする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明では、ＨＢＴに於けるベース層を構成する材料としてＧａＡｓに格子整合するＧａＡｓＮＳｂを採用することが基本になっている。
【００１５】
一般に、ＧａＡｓに略格子整合するＧａＡｓＮＳｂには、ＮとＳｂとの比が対の比を維持して含まれ、両者の割合が増加するとエネルギ・バンド・ギャップが小さくなる。
【００１６】
通常、Ｎの増加に依って伝導帯の下端は下がってくるが、同時にＳｂも添加するので、Ｓｂの割合に応じて価電子帯の上端は上がり、結果として、ＮとＳｂの増加でＨＢＴに於けるベース・エミッタ間電圧Ｖbeが小さくなるのである。
【００１７】
ところで、本発明では、ＨＢＴのベース層の材料として、制御された量のＮ及びＳｂを含むＧａＡｓＮＳｂを用いることが基本になっているが、化合物半導体にＮやＳｂを含有させることは従来から行なわれている。
【００１８】
ここで、本発明に関する従来の技術とは成り得ないが、関連する公知技術を挙げておくことは、本発明の特許性を確認する上で無益ではないので、先行発明を例示して極簡単に説明する。
【００１９】
（１）  特願平１０−１１８４６６号の発明
この発明は、ＨＢＴのベース層に炭素ドープＩｎＧａＡｓ或いは炭素ドープＧａＡｓＳｂを用い、また、ベース引き出し層に炭素ドープＧａＡｓＳｂ或いは炭素ドープＧａＩｎＡｓＳｂを用いることを開示しているが、本発明のようにＧａＡｓＮＳｂを用い、且つ、ＮとＳｂとの組成比を制御する点については何も開示乃至示唆がない。
【００２０】
（２）  特開平１０−１２９０５号公報の発明
太陽電池に於けるｐ型半導体層或いはｎ型半導体層にＧａＮＡｓＳｂを用いることを開示しているが、エネルギ・バンド・ギャップを狭くすると共に価電子帯の上端を上昇させる旨の認識の下にＮとＳｂとの組成比を制御する点については何も開示乃至示唆がない。
【００２１】
（３）  特開平７−１６２０９７号公報の発明
レーザダイオードの活性層にＧａＡｓＮＳｂを用いることを開示しているが、ここでもエネルギ・バンド・ギャップを狭くすると共に価電子帯の上端を上昇させる旨の認識の下にＮとＳｂとの組成比を制御する点については何も開示乃至示唆がない。
【００２２】
（４）  特開平８−１９５５２２号公報の発明
レーザダイオードの活性層にＧａＡｓＮＳｂを用いることを開示しているが、ここでもエネルギ・バンド・ギャップを狭くすると共に価電子帯の上端を上昇させる旨の認識の下にＮとＳｂとの組成比を制御する点については何も開示乃至示唆がない。
【００２４】
本発明に依るヘテロ・バイポーラ半導体装置に於いては、
（１）
ＧａＡｓからなるコレクタ層とＧａＡｓに格子整合するＧａＡｓＮＳｂからなるベース層との間にＧａＡｓからＧａＡｓＮＳｂまで組成が緩徐に変化する組成傾斜層（例えばｉ−ＧａＡｓＮＳｂ組成傾斜層５）を介在させてなることを特徴とするか、又は、
【００２５】
（２）
前記（１）に於いて、ＧａＡｓＮＳｂ層にカーボンをドーピングしてなることを特徴とする。
【００２６】
前記手段を採ることに依り、ＨＢＴのベース層に於けるエネルギ・バンド・ギャップは狭くなり、しかも、価電子帯の上端は上昇するので、ベース・エミッタ間電圧Ｖbeを小さくすることができ、従って、ＨＢＴは低電圧動作が可能となって、例えば携帯電話端末などは更に小型化することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に於ける一実施の形態を説明する為のＨＢＴを表す要部切断側面図である。
【００２８】
図に於いて、１は基板、２はバッファ層、３はサブ・コレクタ層、４はコレクタ層、５は組成傾斜層、６はベース層、７はエミッタ層、８及び９はエミッタ・コンタクト層、１０はエミッタ電極、１１はベース電極、１２はコレクタ電極をそれぞれ示している。
【００２９】
前記各要素について主要なデータを例示すると次の通りである。
（１）  基板１について
材料：ＧａＡｓ
（２）  バッファ層２について
材料：ｉ−ＧａＡｓ
厚さ：１００〔ｎｍ〕
（３）  サブ・コレクタ層３について
材料：ｎ−ＧａＡｓ
不純物濃度：４×１０18〔cm-3〕
厚さ：５００〔ｎｍ〕
（４）  コレクタ層４について
材料：ｉ−ＧａＡｓ
厚さ：１０００〔ｎｍ〕
（５）  組成傾斜層５について
材料：ｉ−ＧａＡｓＮＳｂ
（コレクタ層４側からベース層６に向かって、ＧａＡｓ→ＧａＡｓＮＳｂとなるように組成を変化させる）
厚さ：５０〔ｎｍ〕
（６）  ベース層６について
材料：ｐ−ＧａＡｓＮＳｂ
不純物濃度：４×１０19〔cm-3〕
厚さ：１００〔ｎｍ〕
（７）  エミッタ層７について
材料：ｎ−ＩｎＧａＰ
不純物濃度：４×１０17〔cm-3〕
厚さ：５０〔ｎｍ〕
（８）  エミッタ・コンタクト層８について
材料：ｎ−ＧａＡｓ
不純物濃度：１×１０18〔cm-3〕
厚さ：３００〔ｎｍ〕
（９）  エミッタ・コンタクト層９について
材料：ｎ−ＩｎＧａＡｓ
不純物濃度：３×１０19
厚さ：１００〔ｎｍ〕
（１０）  エミッタ電極１０について
材料：ＷＳｉ
（１１）  ベース電極１１について
材料：Ｐｔ（ベース層６側）／Ｔｉ／Ａｕ（表面側）
（１２）  コレクタ電極１２について
材料：Ｎｉ（サブ・コレクタ層３側）／Ａｕ／Ｇｅ（表面側）
【００３０】
このＨＢＴは、従来の技法を適用して容易に製造することができ、次に、その工程を簡単に説明する。
【００３１】
（１）  ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｕｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を適用することに依り、バッファ層２、サブ・コレクタ層３、コレクタ層４、組成傾斜層５、ベース層６、エミッタ層７、エミッタ・コンタクト層７、エミッタ・コンタクト層８、エミッタ・コンタクト層９を成長させる。
【００３２】
（２）  エミッタ・コンタクト層９上にエミッタ電極１０を形成する。
【００３３】
（３）  エミッタ・コンタクト層９の表面からベース層６の表面に達するエッチングを行なってベース電極コンタクト部分を表出させる。
【００３４】
（４）  ベース電極コンタクト部分上にベース電極１１を形成する。
【００３５】
（５）  エミッタ・コンタクト層９の表面からサブ・コレクタ層３の表面に達するエッチングを行なってコレクタ電極コンタクト部分を表出させる。
【００３６】
（６）  コレクタ電極コンタクト部分にコレクタ電極１２を形成する。この後、通常の配線工程などを経てＨＢＴを完成させる。
【００３７】
図２は図１に示されたＨＢＴのエネルギ・バンド・ダイヤグラムであって、図１に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【００３８】
図に於いて、実線はベース層にＧａＡｓを用いた従来の技術に依るＨＢＴのエネルギ・バンドを示し、また、ベース層及びその近傍に於いては前記実線に連なる破線で表されているエネルギ・バンドがベース層にＧａＡｓＮＳｂ、具体的にはＧａＡｓ0.685 Ｎ0.075 Ｓｂ0.24  を用いた本発明に依るＨＢＴに関するものである。
【００３９】
ベース層６にＧａＡｓＮＳｂを用いた場合、伝導帯の下端は下がり、コレクタ層４と接している構造であれば、その界面に於いて、図に一点鎖線で示してあるように急激に立ち上がるのでベース・コレクタ間の伝導帯不連続は大きくなってベース層は恰も井戸のような状態となってしまう。
【００４０】
従って、エミッタ層７から放出された電子は前記不連続に依ってトラップされてしまい再結合電流が増加する懸念がある為、本実施の形態に依るＨＢＴでは、ｐ−ＧａＡｓＮＳｂからなるベース層６とｉ−ＧａＡｓからなるコレクタ層４との間にＧａＡｓ→ＧａＡｓＮＳｂまでグレーデッドに変化させたｉ−ＧａＡｓＮＳｂ組成傾斜層５を介挿してある。
【００４１】
この構成を採ることに依ってエネルギ・バンドに於ける伝導帯下端は図に破線で示してあるようにベース層６からコレクタ層４に向かって連続的に緩徐に立ち下がっている状態となり、エミッタ層７から放出された電子がトラップされることはなくなる。
【００４２】
図３はＧａＡｓＮＳｂに於けるポテンシャル・エネルギの組成依存性を説明する為の線図である。
【００４３】
図１に示されたＨＢＴに於いて、ＧａＡｓからなる基板１に格子整合する組成のＧａＡｓＮＳｂを用いてベース層６を構成し、そのＧａＡｓＮＳｂに於いて、ＳｂとＮとの組成比を増してゆくときに価電子帯上端及び伝導帯下端のポテンシャル・エネルギが変化する様子を示している。
【００４４】
ＧａＡｓＮＳｂに於いて、Ｓｂの組成を２４〔％〕、Ｎの組成を７．５〔％〕としたとき、価電子帯上端はＧａＡｓの場合に比較して１８０〔ｍｅＶ〕高く位置することになり、この組成をもつＧａＡｓＮＳｂをベース層とするＨＢＴに於けるベース・エミッタ間電圧ＶbeはＧａＡｓの場合に比較して１８０〔ｍｅＶ〕だけ小さくなる。
【００４５】
前記説明したＨＢＴに於いては、ｐ−ＧａＡｓＮＳｂベース層６に於けるアクセプタの原料として拡散速度が小さいカーボンを用いているので、電流を流した場合にもアクセプタの移動は抑えられる。
【００４６】
本発明では、前記説明した実施の形態に限られることなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱しない程度で多くの改変を実現することができ、例えば、前記実施の形態では、ベース層６を構成するＧａＡｓＮＳｂとして、Ｓｂ：２４〔％〕、Ｎ：７．５〔％〕の組成のものを挙げたが、Ｓｂ組成を１５〔％〕乃至３０〔％〕の範囲で選択することに依って価電子帯下端を１００〔ｍｅＶ〕乃至２５０〔ｍｅＶ〕も押し上げることが可能である。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に依るヘテロ・バイポーラ半導体装置に於いては、ＧａＡｓに格子整合するＧａＡｓＮＳｂからなる層を含むベース層を備える。
【００４８】
前記構成を採ることに依り、ＨＢＴのベース層に於けるエネルギ・バンド・ギャップは狭くなり、しかも、価電子帯の上端は上昇するので、ベース・エミッタ間電圧Ｖbeを小さくすることができ、従って、ＨＢＴは低電圧動作が可能となって、例えば携帯電話端末などは更に小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に於ける一実施の形態を説明する為のＨＢＴを表す要部切断側面図である。
【図２】図１に示されたＨＢＴのエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【図３】ＧａＡｓＮＳｂに於けるポテンシャル・エネルギの組成依存性を説明する為の線図である。
【符号の説明】
１  基板
２  バッファ層
３  サブ・コレクタ層
４  コレクタ層
５  組成傾斜層
６  ベース層
７  エミッタ層
８及び９  エミッタ・コンタクト層
１０  エミッタ電極
１１  ベース電極
１２  コレクタ電極
【図１】
0004774137.tif 000002
【図２】
0004774137.tif 000003
【図３】
0004774137.tif 000004