(57)【要約】【課題】ＨＢＴの低ターンオン電圧を実現する。【解決手段】ＨＢＴは、ｎ型の伝導を示すコレクタコンタクト層２及びコレクタ層３と、ＧａＡｓ層４ａとＩｎＧａＡｓ層４ｂとを交互に積層したｐ型の伝導を示すベース層４と、前記ベース層４に対して禁制帯が広いｎ型の伝導を示すエミッタ層５及びエミッタコンタクト層６を順次積層した構造を有する。前記ＧａＡｓ層４ａとＩｎＧａＡｓ層４ｂとを交互に積層したベース層４のｐ型ドーパント濃度を、ＧａＡｓ＞ＩｎＧａＡｓとして、バンドギャップが小さく、且つ同程度のキャリア濃度を持つベース層を実現することができるようにする。【選択図】      図１
2005183667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、ｎ型の伝導を示すコレクタコンタクト層及びコレクタ層と、ＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層とを厚さ方向に交互に積層したｐ型の伝導を示すベース層と、前記ベース層に対して禁制帯が広いｎ型の伝導を示すエミッタ層及びエミッタコンタクト層を順次積層したヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、
前記ＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層とを交互に積層したベース層のｐ型ドーパント濃度を
ＧａＡｓ層ドーパント濃度＞ＩｎＧａＡｓ層ドーパント濃度
とし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用エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、前記ベース層のｐ型ドーパントがカーボンであることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
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用エピタキシャルウェハにおいて、厚さ２．５nmのＧａＡｓ層と厚さ２．５nmのＩｎＧａＡｓ層とを交互に１０周期積層し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用エピタキシャルウェハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低消費電力が可能なＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴ用エピタキシャルウェハ構造の一例を図２に示す。図２において半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、コレクタコンタクト層２と、コレクタ層３とが積層されている。上記コレクタコンタクト層２は厚さ５００nm，キャリア濃度５×１０18cm-3のｎ+型ＧａＡｓ層から構成され、また上記コレクタ層３は厚さ５００nm，キャリア濃度２×１０16cm-3のｎ-型ＧａＡｓ層から構成されている。
【０００３】
符号４は上記コレクタ層３上に形成された厚さ５０nm，キャリア濃度が４×１０19cm-3のｐ+型ＧａＡｓベース層で、その上にはエミッタ層５が形成されている。
【０００４】
エミッタ層５は、厚さ１２０nm、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０17cm-3、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．２５）層５ａと、この層５ａの上にＡｌＡｓ混晶比ｘを０．２５から０まで徐々に減少させて成長した、厚さ約３０nm、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０17cm-3から５×１０18cm-3のｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓグレーデッド層５ｂとから構成されている。
【０００５】
そして、エミッタ層５上には、エミッタコンタクト層６として、厚さ１００nm、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０18cm-3のｎ+型ＧａＡｓ層６ａと、この層６ａの上に形成された厚さ５０nm、Ｓｅドープによるキャリア濃度が１×１０19cm-3から４×１０19cm-3のｎ+型ＩｎyＧａ1-yＡｓ（ｙ＝０→０．５）グレーデッド層６ｂと、このグレーデッド層６ｂの上に形成されたＩｎＡｓ混晶比ｙ＝０．５、厚さ５０nm、Ｓｅドープによるキャリア濃度４×１０19cm-3のｎ+型ＩｎyＧａ1-yＡｓ層６ｃとが、順に積層されている。上記ｎ+型ＩｎyＧａ1-yＡｓグレーデッド層６ｂは、ＩｎＡｓ混晶比ｙを下面から上面にかけて０から０．５まで徐々に増加させた構造となっている。このエミッタコンタクト層６は、エミッタ層５とエミッタ電極（図示せず）とのコンタクト抵抗を低減させるものであるため、構成材料として、エミッタ電極との接触抵抗が低く、しかもシート抵抗の低いＩｎＧａＡｓが用いられている。
【０００６】
このように従来は、ベース層４としてＣをドープしたｐ+型ＧａＡｓ層を用いていた。
【０００７】
なお、関連する従来技術として、ベース層が接合面に平行な周期性をもち、不純物をドープした第１の半導体と、第１の半導体より禁制帯幅の狭い高純度の第２の半導体からなる超格子構造を備えたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、ベース層の幅方向の一部に、異なる禁制帯幅を有する２種類以上の半導体層を交互に積層した超格子を挿入したものも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特公平７−１２０６６８号公報
【特許文献２】特開平５−１１４６０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴでは、ベース層のバンドギャップが小さくなるほど、低ターンオン電圧化できることはわかっている。しかし、従来はベース層としてバンドギャップがそれほど小さくないＧａＡｓ層を用いていた。
【００１０】
そこで、今まで用いられてきたＧａＡｓ層に代わって、バンドギャップの小さいインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）層の適用が検討されている。しかしながらＩｎＧａＡｓ層は、ｐ型ドーパントであるカーボンを入れることが非常に難しく、一般的なレベルとして要求されるキャリア濃度４×１０19cm-3を実現できていなかった。また、無理にカーボンを入れようとするとエピタキシャル層自体が曇ってしまう問題があった。
【００１１】
本発明の課題は、低ターンオン電圧を実現することが可能なＨＢＴを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１の発明は、基板上に、ｎ型の伝導を示すコレクタコンタクト層及びコレクタ層と、ＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層とをの厚さ方向に交互に積層したｐ型の伝導を示すベース層と、前記ベース層に対して禁制帯が広いｎ型の伝導を示すエミッタ層及びエミッタコンタクト層を順次積層したヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、前記ＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層とを交互に積層したベース層のｐ型ドーパント濃度を
ＧａＡｓ層ドーパント濃度＞ＩｎＧａＡｓ層ドーパント濃度
とし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用エピタキシャルウェハである。
【００１３】
ベース層を、高キャリア濃度化を担う層と、バンドギャップの狭隘化を担う層と、に分離して交互積層し、ベース層のｐ型ドーパント濃度をＧａＡｓ＞ＩｎＧａＡｓとすることにより、ＧａＡｓ層をベース層としたものと比べて、バンドギャップが小さく、且つ従来例と同程度のキャリア濃度を持つベース層を実現することができる。したがって、ベース抵抗や電流増幅率を維持したまま、低ターンオン電圧を実現できる。
【００１４】
第２の発明は、請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハにおいて、前記ベース層のｐ型ドーパントがカーボンであることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ用エピタキシャルウェハである。ドーパントに拡散定数が小さいカーボンを採用したので、半導体素子の寿命が長く、信頼性が向上する。
【００１５】
第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用エピタキシャルウェハにおいて、厚さ２．５nmのＧａＡｓ層と厚さ２．５nmのＩｎＧａＡｓ層とを交互に１０周期積層し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用エピタキシャルウェハである。ＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層の積層厚さが、１周期あたり５．０nm以下であるので、電子がＧａＡｓ層から隣接するＩｎＧａＡｓ層へ自由に往き来できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、低ターンオン電圧を実現することができ、その結果、低電源電圧化とそれに伴う低消費電力化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
図１に実施の形態によるＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造の一例を示す。これは、ベース層４の厚さ方向の全部を、ｐ+型ＧａＡｓ層４ａとＩｎＧａＡｓ層４ｂとの超格子構造を用いている点で、図２に示した従来のｐ+型ＧａＡｓベース層を持つＨＢＴ用エピタキシャルウェハと構造が異なる。また、ベース層の接合面に平行な方向に周期性をもつ超格子を持つ特許文献１に記載のものとも異なる。さらに、ベース層の幅方向（厚さ方向）の一部に超格子構造をもつ特許文献２に記載のものとも異なる。
【００１９】
図１において、厚さ６００μｍの半絶縁性（Ｓ．Ｉ）ＧａＡｓ基板１上には、厚さ５００nm，Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０18cm-3のｎ+型ＧａＡｓコレクタコンタクト層２と、厚さ５００nm、Ｓｉドープによるキャリア濃度２×１０16cm-3のｎ-型ＧａＡｓコレクタ層３とが積層される。
【００２０】
そのコレクタ層３の上には、ベース層４として、厚さ２．５nm，Ｃドープによるキャリア濃度８×１０19cm-3のｐ+型ＧａＡｓ層４ａと、厚さ２．５nm、ノンドープのＩｎyＧａ1-yＡｓ層４ｂ（ｙ＝０．１）との１０周期からなる超格子が積層される。
【００２１】
そのベース層４の上には、エミッタ層５として、厚さ１２０nm、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０17cm-3のｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５ａ（ｘ＝０．２５）と、この層５ａの上にＡｌＡｓ混晶比ｘを０．２５から０まで徐々に減少させて成長した、厚さ約３０nm、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０17cm-3から５×１０18cm-3のｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓグレーデッド層５ｂとが積層される。
【００２２】
更に、このエミッタ層５の上には、エミッタコンタクト層６として、厚さ１００nm、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０18cm-3のｎ+型ＧａＡｓ層６ａと、この層６ａの上に形成された厚さ５０nm、Ｓｅドープによるキャリア濃度が１×１０19cm-3から４×１０19cm-3のｎ+型ＩｎyＧａ1-yＡｓ（ｙ＝０→０．５）グレーデッド層６ｂと、このグレーデッド層６ｂの上に形成された厚さ５０nm、Ｓｅドープによるキャリア濃度４×１０19cm-3のｎ+型ＩｎyＧａ1-yＡｓ層６ｃ（ｙ＝０．５）とが、順に積層されている。上記ｎ+型ＩｎyＧａ1-yＡｓグレーデッド層６ｂは、ＩｎＡｓ混晶比ｙを下面から上面にかけて０から０．５まで徐々に増加させた構造となっている。
【００２３】
上述したＨＢＴ用エピタキシャルウェハは、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法又は、ガスソース分子線エピタキシー（ＭＢＥ：Molecular beam epitaxy）法を用いて製造することができる。ここでは、ＭＯＶＰＥ法を用いて製造している。
【００２４】
成長原料には、Ｇａの原料としてトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）、Ａｌ原料としてＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）、Ａｓ原料としてＡｓＨ3（アルシン）を用いる。Ｉｎの原料としてＴＥＩ（トリエチルインジウム）を用いる。ドーピング材料は、Ｓｉドープにジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を用いる。また、炭素Ｃドープにカーボンを用いる。Ｓｅドープにセレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）を用いる。
【００２５】
具体的には、コレクタコンタクト層２及びコレクタ層３中のＧａＡｓ層のＧａ源にトリエチルガリウム（ＴＥＧａ）を用いる。コレクタコンタクト層２及びコレクタ層３中のＧａＡｓ層のＡｓ源にＡｓＨ3（アルシン）を用いる。
【００２６】
また、ベース層４中のＧａＡｓ層及びＩｎyＧａ1-yＡｓ層のＧａ原料にＴＥＧａを用いる。また、ベース層４中のＧａＡｓ層のＡｓ原料にＡｓＨ3（アルシン）を用いる。また、ベース層４中のＩｎＧａＡｓ層のＩｎ原料にＴＥＩ（トリエチルインジウム）を用いる。
【００２７】
また、エミッタ層５中のＡｌの原料にＴＥＡｌ（トリエチルアルミニウム）を用いる。エミッタ層５及びエミッタコンタクト層６中のＧａ原料にＴＥＧａを用いる。エミッタ層５及びエミッタコンタクト層６中のＡｌＧａＡｓ層、ＧａＡｓ層、及びＩｎＧａＡｓ層中のＡｓ原料にＡｓＨ3（アルシン）を用いる。また、エミッタコンタクト層６のＩｎＧａＡｓ層中のＩｎ原料にＴＥＩ（トリエチルインジウム）を用いる。
【００２８】
ドーピング材料は、具体的に、コレクタコンタクト層２及びコレクタ層３については、ｎ型のドーパント原料としてジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）を用いてＳｉをドープする。ベース層４については、ｐ型ドーパント原料としてカーボン（Ｃ）を用いる。ベース層４のＧａＡｓ層のｐ型ドーパントとしてカーボン（Ｃ）を採用したのは、Ｃは拡散定数が小さいためＨＢＴ素子の寿命が長く信頼性も高いためである。カーボン源としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）又はハロゲン化炭素を用いる。このハロゲン化炭素として四臭化炭素（ＣＢｒ4）を用いる。
【００２９】
また、エミッタ層５のｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ層５ａについてもＳｉ2Ｈ6を用いてＳｉをドープする。そして、エミッタコンタクト層６のｎ型ＩｎyＧａ1-yＡｓグレーデッド層６ｂ及びｎ+型ＩｎyＧａ1-yＡｓ層６ｃについては、セレン化水素（Ｈ2Ｓｅ）を用いてＳｅをドープする。
【００３０】
上記ベース層４は、ｐ+型ＧａＡｓ層４ａとＩｎyＧａ1-yＡｓ層４ｂとに分離して交互積層して超格子としている。交互にＧａＡｓ層とＩｎＧａＡｓ層とを積層したベース層４とのｐ型ドーパント濃度は
ＧａＡｓ＞ＩｎＧａＡｓ
とする。
【００３１】
実施の形態では、この様な濃度関係を実現するために、ベース層４を形成するｐ+型ＧａＡｓ層４ａに四臭化炭素を用いてｐ型ドーパントのカーボンを７×１０19cm-3〜８×１０19cm-3ドービングしている。また、ＩｎyＧａ1-yＡｓ層４ｂのＩｎ混晶比は０．１として、ＩｎＧａＡｓ層４ｂ中のカーボン濃度は比較的容易に達成できる１×１０19cm-3ないしノンドープとした。ＧａＡｓ層４ａとＩｎＧａＡｓ層４ｂとの一層の厚さはそれぞれ２．５nmとした。
【００３２】
超格子を構成する一方のＩｎyＧａ1-yＡｓ層４ｂでバンドギャップの狭隘化を担うことにより、従来のＧａＡｓベース層よりバンドギャップが小さく、且つ超格子を構成する他方のｐ+型ＧａＡｓ層４ａで高キャリア濃度化を担っているので、同程度のキャリア濃度を持つベース層を実現することができる。
【００３３】
このように構成された実施の形態のＨＢＴ用エピタキシャルウェハをＨＢＴプロセスにかけて評価用ＨＢＴを製作し、図２の従来例のものと、トランジスタ特性を比較評価した。この結果、ベース抵抗や電流増幅率には両者に違いは見られなかったが、ターンオン電圧だけ、従来エピタキシャル構造が１．１Ｖに対して本実施の形態のものは１．０２Ｖと大幅に低減することができた。
【００３４】
本実施の形態によれば、ベース層を、高キャリア濃度化を担う層と、バンドギャップの狭隘化を担う層とに分離して交互積層している。バンドギャップの狭隘化を担う層では、電子の移動度は必要なく、カーボン（Ｃ）がノンドープ、ないしＣのドープ量の少ない高純度層でもよく、したがってバンドギャップの狭隘化を担う層に、バンドギャップの小さいＩｎＧａＡｓ層を用いることができる。また、高キャリア濃度化を担う層では、バンドギャップが小さい必要はなく、高濃度層とすることができ、したがって高キャリア濃度化を担う層に、バンドギャップがそれほど小さくないが、カーボン（Ｃ）を高濃度にドーピングすることが可能なＧａＡｓ層とすることができる。
【００３５】
したがって、ＩｎＧａＡｓ層は従来のＧａＡｓベース層よりバンドギャップが小さいので、ターンオン電圧を低電圧化できる。また、超格子のＧａＡｓ層中にカーボン（Ｃ）を入れるので、一般的なレベルとしてベース層に要求されるキャリア濃度４×１０19cm-3を容易に実現できる。また、ＩｎＧａＡｓ層はノンドープにして、カーボンを入れないか、入れてもその量は少ないので、エピタキシャル層自体が曇るということもない。
【００３６】
なお、上述した実施の形態では、ベース層４を構成するＧａＡｓ層４ａとＩｎＧａＡｓ層４ｂの一層の厚さをそれぞれ２．５nmとしている。このＧａＡｓ層４ａとＩｎＧａＡｓ層４ｂの一層の厚さの数値限定については、次のことが言える。すなわち、適用するＩｎＧａＡｓ層４ｂの混晶比にもよるが、ＩｎＧａＡｓ層４ｂの結晶が壊れない厚さであれば、ＧａＡｓ層４ａとＩｎＧａＡｓ層４ｂとの超格子がサブミニバンドを形成する厚さ、すなわち、ＧａＡｓ層４ａとＩｎＧａＡｓ層４ｂとの積層厚さは、１周期あたり１０nm以下とするのが好ましい。これより厚くなると電子がＧａＡｓ層４ａから隣接するＩｎＧａＡｓ層４ｂへ自由に往き来できなくなるからである。 実施の形態のように１周期あたり５nmとすると、電子はＧａＡｓ層４ａから隣接するＩｎＧａＡｓ層４ｂへより自由に往き来できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施の形態によるＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造例を示す図である。
【図２】従来例によるＨＢＴ用エピタキシャルの構造例を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  半絶縁性ＧａＡｓ基板
２  コレクタコンタクト層
３  コレクタ層
４  ベース層
４ａ  ｐ+型ＧａＡｓ層
４ｂ  ＩｎＧａＡｓ層
５  エミッタ層
６  エミッタコンタクト層
【図１】
2005183667.tif 000003
【図２】
2005183667.tif 000004