(57)【要約】【課題】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、コレクタ層の総厚さを変えずに、ベース・コレクタ耐圧を向上させる。【解決手段】ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系又はＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系のＨＢＴ用エピタキシャルウェハにおいて、そのコレクタ層１８を、ＧａＡｓより臨界電界強度の大きいＡｌＧａＩｎＰ等の半導体層とＧａＡｓ層から成る超格子構造とするか、又はＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰのいずれかから成る半導体層を、単層もしくは複数層挿入した構成とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性基板上に、ＧａＡｓサブコレクタ層、ＧａＡｓを含むコレクタ層、ＧａＡｓベース層、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＰより成るエミッタ層が順に積層形成され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、
前記コレクタ層を、ＧａＡｓ層とこれより臨界電界強度の大きいＡｌＧａＩｎＰ等の半導体層の繰り返しから成る超格子構造により構成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、
前記超格子構造をＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層の繰り返しから構成し、そのＡｌＧａＩｎＰ層の厚さを０．５〜５nm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３】
半絶縁性基板上に、ＧａＡｓサブコレクタ層、ＧａＡｓコレクタ層、ＧａＡｓベース層、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＰより成るエミッタ層が順に積層形成され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、
前記コレクタ層中に、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰのいずれかから成る半導体層を、単層もしくは複数層挿入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、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、特にそのコレクタ層の高耐圧化構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
III−Ｖ族化合物半導体はＳｉ（シリコン）半導体に比べて、電子移動度が高いという特長がある。この特長を活かして、高速動作や高効率動作を要求されるデバイスに多く用いられている。そのなかでもエミッタ・ベース接合にヘテロ接合を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）はエミッタ層のバンドギャップがベース層のバンドギャップよりも広いことにより、高周波特性に優れ、低歪みの信号増幅が可能で、単一電源での使用ができる等の優れた特徴を持つことから、デジタル通信、ミリ波システムなどのキーデバイスとして注目されている。
【０００３】
このＨＢＴはエミッタ／ベース接合がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合により構成されるのが一般的である。しかし最近は、デバイス特性向上或いは信頼性向上の観点から、エミッタ層をＡｌＧａＡｓエミッタ層からＩｎＧａＰエミッタ層に置き換えることが検討され、一部においては作製されている。 これは、活性な原子であるＡｌを含むＡｌＧａＡｓ層をエミッタ層として用いた場合には、ＡｌＧａＡｓ層に深い準位に起因する多くの非発光性再結合中心が形成され、この非発光性再結合中心を介してＨＢＴの劣化が進行するためであり、Ａｌを含まないＩｎＧａＰ層をエミッタ層として用いることによって劣化の問題を解決しようとするものである。 
【０００４】
図３に、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴ又はＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴの構造を示す。このＨＢＴは、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＶＰＥやＭＢＥ法といった気相エピタキシャル成長法により結晶成長した、ＧａＡｓコレクタコンタクト層９、ｎ型ＧａＡｓより成るコレクタ層８、ｐ+型ＧａＡｓより成るベース層７、ｎ型ＡｌＧａＡｓまたはｎ型ＩｎＧａＰより成るエミッタ層６、ＧａＡｓエミッタコンタクト層５及びＩｎＧａＡｓノンアロイ層４より形成される。
【０００５】
ＨＢＴおいては、ＩｎＧａＡｓノンアロイ層４の上にエミッタ電極１が、ＧａＡｓベース層７の上にベース電極２が、そしてコレクタコンタクト層９の上にコレクタ電極３が形成される。エミッタ接地の場合は、コレクタ電極３に正の電圧を印加し、ベース電極２よりベース電流Ｉｂを信号入力として流し、出力となるコレクタ電流Ｉｃを制御する。
【０００６】
測定回路は、このＨＢＴのエミッタ電極１とベース電極２との間にエミッタ電極１がアース側になるように可変電源Ｖｂを接続し、可変電源Ｖｂの陽極とベース電極との間に電流計１０を挿入し、可変電源Ｖｂの陽極とコレクタ電極３との間に電流計１１を挿入したものである。可変電源Ｖｂによりエミッタ−ベース間の電圧を増加させれば、コレクタ電流Ｉｃはベース電流Ｉｂで増幅される。この増幅率がＨＢＴの基本的特性であるβであり、コレクタ電流とベース電流の比（Ｉｃ／Ｉｂ）で表される。
【０００７】
上記ＨＢＴにおいて、コレクタ層を高耐圧化することができれば、ＨＢＴを高い電圧で使用することが可能になり、更なる高出力化を図ることができる。
【０００８】
ＨＢＴの高耐圧化に関しては、従来、サブコレクタ層に、不純物を、意図的に予め決められた濃度分にしたがって添加することにより、サブコレクタ層での空間電荷を電気的に補償し、衝突電離を助長させるバンド曲がりによる電解集中効果を解消させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ただし、コレクタ層を直接に高耐圧化するものではない。
【０００９】
また、ＨＢＴの高耐圧化とは関係がないが、コレクタコンタクト層とコレクタ層の間に超格子層を挟む構造として、コンタクト抵抗等の低減化を図る技術が提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。
【特許文献１】特開平５−４１３８８号公報
【特許文献２】特開平６−６１２４５号公報
【特許文献３】特公平−１０７９０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来よりＨＢＴでは、コレクタ層にｎ型ＧａＡｓ層が用いられている。このコレクタ層を高耐圧化することができれば、ＨＢＴにおいてより高い電圧で使用することが可能になり、更なる高出力化を図ることができる。このコレクタ層を高耐圧化するためには、「コレクタ層の膜厚を厚くする」ことが考えられる。
【００１１】
しかしながら、膜厚を厚くすると、多くのノイズが入るようになり、ＨＢＴでの高周波特性が落ちてしまう。
【００１２】
詳述するに、ＨＢＴの高周波性能を表す指標の一つに電流利得遮断周波数ｆTがある。これは次式で表される。
【００１３】
ｆT＝１／｛２π｛ＫＴ／ｑＩc（Ｃbe＋Ｃbc）＋（Ｒe＋Ｒc）Ｃbc＋τＢ＋τＣ｝｝
ここで、Ｃbeはベース・エミッタ接合容量、Ｃbcはベース・コレクタ接合容量、Ｒeはエミッタ抵抗、Ｒcはコレクタ抵抗、τＢはキャリアのベース走行時間、τＣはキャリアのコレクタ走行時間を表す。これよりＨＢＴにおける高周波性能は、キャリアのベース走行時間およびコレクタ走行時間、つまりベース層及びコレクタ層の厚さに大きく依存している。
【００１４】
そこでＩｎＧａＰ−ＨＢＴにおいて、超高周波化を達成するためにベース層およびコレクタ層を薄くする必要がある。ただし、これにより耐圧が低下してしまう。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、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、コレクタ層の総厚さを変えずに、ベース・コレクタ耐圧を向上することにある。
【００１６】
なお、特許文献１の耐圧化技術は、高コレクタ電流注入時での衝突電離による雪崩降伏現象を抑制するコレクタ構造を目的として、サブコレクタ層に不純物を意図的に予め決められた濃度分にしたがって添加するものであり、これによりサブコレクタ層での空間電荷を電気的に補償し、耐圧特性の優れたＨＢＴとするものであって、コレクタ層を直接に高耐圧化するものではない。
【００１７】
また、ｎ型ＩｎＧａＰ層を入れてエミッタ−ベース間耐圧を大きくする技術であり、コレクタ層を直接に高耐圧化するものでも、本発明が扱う材料であるＡｌＩｎＰの適用について論じたものでもない。
【００１８】
また、特許文献２、３は、コンタクト抵抗等の低減化を図る技術であり、コレクタ層を直接に高耐圧化する技術について論じたものではない。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、コレクタ層をＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＡｓ層の超格子構造にすることにある。
【００２０】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００２１】
請求項１の発明に係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は、半絶縁性基板上に、ＧａＡｓサブコレクタ層、ＧａＡｓを含むコレクタ層、ＧａＡｓベース層、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＰより成るエミッタ層が順に積層形成され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、前記コレクタ層を、ＧａＡｓ層とこれより臨界電界強度の大きいＡｌＧａＩｎＰ等の半導体層の繰り返しから成る超格子構造により構成し、コレクタ層の高耐圧化を図ったことを特徴とする。
【００２２】
請求項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、前記超格子構造をＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層の繰り返しから構成し、そのＡｌＧａＩｎＰ層の厚さを０．５〜５nm、好ましくは１．５〜５nmとしたことを特徴とする。
【００２３】
請求項３の発明に係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は、半絶縁性基板上に、ＧａＡｓサブコレクタ層、ＧａＡｓコレクタ層、ＧａＡｓベース層、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＰより成るエミッタ層が順に積層形成され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、前記コレクタ層中に、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰのいずれかから成る半導体層を、単層もしくは複数層挿入し、コレクタ層の高耐圧化を図ったことを特徴とする。
【００２４】
＜発明の要点＞
本発明では、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、そのコレクタ層を、ＧａＡｓより臨界電界強度の大きいＡｌＧａＩｎＰ等の半導体層とＧａＡｓ層の超格子構造とするか、又はＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰのいずれかから成る半導体層を、単層もしくは複数層挿入した構成とするので、コレクタ層の総厚さを変えずに、ベース・コレクタ耐圧を向上することができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００２６】
本発明では、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、そのコレクタ層を、ＧａＡｓより臨界電界強度の大きいＡｌＧａＩｎＰ等の半導体層とＧａＡｓ層から成る超格子構造とするか、又はＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ又はＩｎＧａＡｓＰのいずれかから成る半導体層を、単層もしくは複数層挿入した構成とするので、コレクタ層の総厚さを変えずに、ベース・コレクタ耐圧を向上することができる。
【００２７】
特に、コレクタ層の超格子構造をＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層の繰り返しから構成し、そのＡｌＧａＩｎＰ層の厚さを１．５nm以上とすることにより、ＢＶbcoを２Ｖ以上向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００２９】
図１に本発明の実施形態に係るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造を示す。これは、半絶縁性ＧａＡｓ基板２０上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、ｎ+型ＧａＡｓコレクタコンタクト層９、ｎ型ＧａＡｓ層とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層を繰り返し積層した超格子構造のコレクタ層１８、ｐ＋型ＧａＡｓベース層７、ｎ型ＩｎxＧａ1-xＰ（ｘ＝０．４８）エミッタ層６、ｎ＋型ＧａＡｓエミッタコンタクト層５、ｎ＋型ＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０→０．５）グレーデットノンアロイ層４ｂ、ｎ＋型ＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．５）ノンアロイ層４ａを、順に成長して積層したＨＢＴ構造を有する。
【００３０】
詳述するに、半絶縁性ＧａＡｓ基板２０上に、コレクタコンタクト層９として厚さ４５０nmのｎ+型ＧａＡｓ（キャリア濃度４×１０18cm-3）が成長され、さらにその上に、コレクタ層１８としてｎ型ＧａＡｓ層とｎ型ＡｌＧａＩｎＰ層を交互に繰り返し積層し、４０周期すなわち４０ペア重ねた超格子構造（総厚さ８００nm、キャリア濃度１×１０16cm-3）が形成されている。
【００３１】
この格子構造のコレクタ層１８上には、ベース層７として７０nmのｐ+型ＧａＡｓ（キャリア濃度４×１０19cm-3）が成長されている。さらに、このベース層７上には、エミッタ層６として１２０nmのｎ型ＩｎxＧａ1-xＰ層（Ｉｎ混晶比ｘ＝０．４８、キャリア濃度４×１０17cm-3）、エミッタコンタクト層５として１２０nmのｎ+型ＧａＡｓ（キャリア濃度５×１０18cm-3）が成長され、さらに、このエミッタコンタクト層５の上に、厚さ５０nm、キャリア濃度が１×１０19cm-3のｎ+型ＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０→０．５）から成るグレーデッドノンアロイ層４ｂが成長されている。このグレーデッドノンアロイ層４ｂは、Ｉｎ混晶比ｘ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。
【００３２】
さらにまた、このグレーデッドノンアロイ層４ｂの上に、コンタクト上層として５０nmのｎ+型ＩｎxＧａ1-xＡｓ（Ｉｎ混晶比ｘ＝０．５、キャリア濃度２×１０19cm-3）のノンアロイ層４ａが成長されている。
【００３３】
上記のノンアロイ層４ａ、ベース層７及びコレクタコンタクト層９の上に、それぞれエミッタ電極１、ベース電極２及びコレクタ電極３が形成されて、ヘテロ接合バイポーラトランジスタが構成される。
【実施例】
【００３４】
上記構成において本発明の効果を確認するため、図１に示す構造で、コレクタ層１８にｎ型ＧａＡｓ／ｎ型ＡｌＧａＩｎＰの超格子層の挿入のあるもの（実施例）と、無いもの（比較例）をＭＯＶＰＥ法にて成長した。
【００３５】
ここで、コレクタ層１８の超格子構造は｛ｎ型ＧａＡｓ ２０-ｄ（nm）／ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ ｄ（nm）｝×４０周期、コレクタ層の厚さは８００nm、キャリア濃度は１×１０16／cm3とした。なお、このときｄは０．５nm≦ｄ≦１９．５nmの範囲の値をとる。
【００３６】
コレクタ層１８の超格子構造におけるｎ型のＧａＡｓ層の成長は、減圧ＭＯＶＰＥ法により、原料ガスにトリメチルガリウム（以後ＴＭＧと略す）とアルシンガス（以後ＡｓＨ3と略す。）、Ｓｉドーパントにジシランガス（以後、Ｓｉ2Ｈ6と略す）を用いて行った。
【００３７】
また、コレクタ層１８の超格子構造において、上記のｎ型のＧａＡｓ層と対をなすｎ型のＡｌＧａＩｎＰ層の成長は、原料ガスにＴＭＧとトリメチルアルミニウム（以後、ＴＭＡと略す）とフォスフィンガス（以後ＰＨ3と略す。）、ＳｉドーパントにＳｉ2Ｈ6を用いて行った。
【００３８】
コレクタ層１８の超格子構造におけるｎ型のＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＰ層は交互に４０周期成長するが、その方法は以下の(1) (2) (3) の通りである。
【００３９】
(1) ＧａＡｓ層の原料ガスであるＴＭＧ、ＡｓＨ3、Ｓｉ2Ｈ6を供給する。２０-ｄ（nm）まで成長した時点で、各原料ガスの供給を一時中断する。中断時間は５秒、この間はＨ2のみを供給する。
【００４０】
(2) ＡｌＧａＩｎＰ層の原料ガスであるＴＭＧ、ＴＭＡ、ＰＨ３、Ｓｉ2Ｈ6を供給する。ｄ（nm）まで成長した時点で、各原料ガスの供給を一時中断する。中断時間は５秒、この間はＨ2のみを供給する。
【００４１】
(3) 上記の(1) (2) を計４０回繰り返す。
【００４２】
ここで、実施例としては、超格子をＧａＡｓ層と共に構成するＡｌＧａＩｎＰ層の厚さを０．５〜５nmまで０．５nmずつ変えたＨＢＴ用エピタキシャルウェハを作製し、また比較例として、ＡｌＧａＩｎＰ層の厚さがゼロのＨＢＴ用エピタキシャルウェハを作製した。
【００４３】
このＡｌＧａＩｎＰ層の厚さを０〜５nmまで変えて成長したエピタキシャルウェハより、それぞれＨＢＴ素子を作製し、そのベース・コレクタ間の耐圧測定を行った。ＡｌＧａＩｎＰ層の厚さとベース・コレクタ間耐圧（以後、ＢＶbcoと略す。）の関係を図２に示す。
【００４４】
図２から分かるように、ＡｌＧａＩｎＰの厚さが０．５〜１nmの範囲では、ＢＶbcoを０．５〜０．７Ｖ程度向上させることができた。これに対してＡｌＧａＩｎＰが１．５nm以上の範囲では、ＢＶbcoを２Ｖ以上向上させることができた。
【００４５】
よって、ＡｌＧａＩｎＰの厚さが０．５〜５nmの範囲であれば、いずれでの厚さでも、ベース・コレクタ間の耐圧ＢＶbcoを向上させる効果がある。しかし、ＡｌＧａＩｎＰの厚さは、ＢＶbcoが飛躍的に向上する１．５nm以上の範囲（１．５〜５nm）が最適と考えられる。
【００４６】
このようにコレクタ層を、ＡｌＧａＩｎＰ層とＧａＡｓ層の所定周期分の繰り返しから成る超格子構造にすることにより、ＢＶbcoを２Ｖ以上向上させることが出来た。
【００４７】
＜変形例＞
上記実施例では、コレクタ層１８の超格子構造における一方の構成要素であるＡｌＧａＩｎＰ層の厚さを０．５〜５nmの範囲としたが、５nm以上でも良い。
【００４８】
上記実施例では、コレクタ層１８を超格子構造としたが、超格子構造でなく、ＡｌＧａＩｎＰをＧａＡｓコレクタ層中に単層もしくは複数層挿入しても良い。
【００４９】
また、コレクタ層１８の超格子構造において、一方のＧａＡｓ層と対をなす他方の構成要素はＡｌＧａＩｎＰ層に限定せず、ＧａＡｓよりも臨界電解強度が大きい材料であれば良い。この材料としては、ＡｌＧａＩｎＰの他に、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ等が挙げられる。
【００５０】
上記実施例ではＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴについて説明したが、本発明は、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴについても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明のＨＢＴ用エピタキシャルウェハ及びＨＢＴの構造を示す図である。
【図２】本発明におけるＡｌＧａＩｎＰ層の厚さとベース・コレクタ間耐圧の関係を示す図である。
【図３】従来のＨＢＴの構造とトランジスタ特性測定回路を示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
４  ノンアロイ層
４ａ  ノンアロイ層
４ｂ  グレーデッドノンアロイ層
５  エミッタコンタクト層
６  エミッタ層
７  ベース層
１８  超格子構造のコレクタ層
９  コレクタコンタクト層
【図１】
2005093506.tif 000003
【図２】
2005093506.tif 000004
【図３】
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