(57)【要約】【課題】コレクタ層の膜厚やキャリア濃度を変更することなく、コレクタ層の高耐圧化を図ることのできるＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造を提供すること。【解決手段】半絶縁性基板１上に、ＧａＡｓサブコレクタ層２、ＧａＡｓコレクタ層３、ＧａＡｓベース層５、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＰより成るエミッタ層６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において、前記コレクタ層３の全部もしくは一部を、ＧａＡｓよりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層４で構成し、コレクタ層の高耐圧化を図る。【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、
前記コレクタ層の全部もしくは一部を、ＧａＡｓよりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層で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ＧａＡｓコレクタ層と前記ＧａＡｓベース層の間に、ＧａＡｓよりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層を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。
【請求項３】
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ＧａＡｓよりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層を、前記ＧａＡｓサブコレクタ層と前記ＧａＡｓコレクタ層の間に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。
【請求項４】
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ＧａＡｓよりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層を、前記ＧａＡｓコレクタ層中に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。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか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、
前記ＧａＡｓよりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層が、基板に格子整合してい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６】
請求項１〜４のいずれか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、
前記基板がＧａＡｓからなり、前記ＡｌＩｎＰ層のＡｌ組成範囲が０．３５〜０．６５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７】
請求項１〜４のいずれか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、
基板にＧａＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ基板が使用されてい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。
【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。
【０００２】
【従来の技術】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の動作は基本的には通常のバイポーラトランジスタ（ＢＪＴ）と同様で、ｎｐｎ型ＢＪＴではエミッタからコレクタに向かって流れる電子量を、ベース電流（ホール電流）により制御しトランジスタを動作させている。ホール電流を増やす事によりコレクタ電流が増大する。ホール電流を更に増やすとベースからエミッタに向かってホールが漏れだし、トランジスタの電流増幅率が低下する。
【０００３】
しかし、エミッタにバンドギャップの大きな半導体材料を用いたｎｐｎ型ＨＢＴでは、ベース・エミッタ界面に障壁ができ、ホールのエミッタへの漏れを抑えることができる。ＨＢＴでは電流増幅率を低下させずに、コレクタ電流を大きくできる。
【０００４】
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。
【０００５】
図３にＨＢＴ構造を有するエピタキシャルウェハにおける典型的断面構造を、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴを例にとり示す。
【０００６】
構造は図３に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０上にサブコレクタ層１１となるｎ型ＧａＡｓ層を、コレクタ層１２となるｎ型ＧａＡｓ層を、ベース層１３となるｐ型ＧａＡｓ層を、エミッタ層１４となるｎ−ＩｎｘＧａ１−ｘＰ層（ｘ＝０．４８）を、エミッタコンタト層１５となるｎ＋型ＧａＡｓ層、グレーデットノンアロイ層１６となるｎ＋型ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層（ｘ＝０→０．５）を、均一組成ノンアロイ層１７となるｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．５）を順に積層形成している。
【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、エミッタ−ベース耐圧に関しては、ｎ−ＩｎＧａＰから成る第１エミッタの上に、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成る第２エミッタを厚く形成して、エミッタ−ベース間耐圧を高くする技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】
特開平５−０４１３８８号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開２００１−１５６０７８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
現在、通常用いられているＡｌＧａＡｓ−ＨＢＴやＩｎＧａＰ−ＨＢＴは、コレクタ層にｎ型ＧａＡｓ層が用いられている。更なるコレクタ層の耐圧を高めるためには、「コレクタ層であるｎ−−ＧａＡｓ層の膜厚を厚くする」「コレクタ層であるｎ−−ＧａＡｓ層のキャリア濃度を減らす」しかない。
【００１３】
しかしながら、厚さ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。また、キャリア濃度を減らすと、電圧をかけた際の容量変化が大きくなってしまう。
【００１４】
以上のことより、ＨＢＴの基本的電気特性を劣化させることなく、コレクタ層の膜厚・キャリア濃度を変更して高耐圧化を図ることは困難であった。
【００１５】
また、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。
【００１６】
また、特許文献２は、ｎ−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。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、コレクタ層の膜厚やキャリア濃度を変更することなく、コレクタ層の高耐圧化を図ることのできるＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
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。
【００１９】
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、前記コレクタ層の全部もしくは一部を、ＧａＡｓよりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層で構成したことを特徴とする。
【００２０】
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ＧａＡｓコレクタ層と前記ＧａＡｓベース層の間に、ＧａＡｓよりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層を挿入したことを特徴とする。
【００２１】
請求項３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ＧａＡｓよりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層を、前記ＧａＡｓサブコレクタ層と前記ＧａＡｓコレクタ層の間に挿入したことを特徴とする。
【００２２】
請求項４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ＧａＡｓよりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層を、前記ＧａＡｓコレクタ層中に挿入したことを特徴とする。
【００２３】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか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、前記ＧａＡｓよりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層が、基板に格子整合していることを特徴とする。
【００２４】
請求項６の発明は、請求項１〜４のいずれか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、前記基板がＧａＡｓからなり、前記ＡｌＩｎＰ層のＡｌ組成範囲が０．３５〜０．６５であることを特徴とする。
【００２５】
請求項７の発明は、請求項１〜４のいずれか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、基板にＧａＡｓ、Ｓｉ、ＩｎＰ基板が使用されていることを特徴とする。
【００２６】
＜発明の要点＞
従来技術では、コレクタ層にはｎ−−ＧａＡｓ層が用いられている。コレクタ層を高耐圧化するためには、「コレクタ層ｎ−−ＧａＡｓ層の膜厚を厚くする」「コレクタ層ｎ−−ＧａＡｓ層のキャリア濃度を下げる」ことが挙げられる。しかし、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。また、キャリア濃度を下げると、電圧をかけた際の容量変化が大きくなってしまう、という問題がある。コレクタ層の膜厚・キャリア濃度を変更せずに耐圧を挙げるためには、コレクタ層に用いる材料のバンドギャップを大きくするしかない。
【００２７】
そこで本発明では、コレクタ層を成長する場合に、ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きな材料を用いることにした。すなわち、本発明では、ＧａＡｓコレクタ層（ｎ−−ＧａＡｓ層）の膜厚・キャリア濃度を変更せずに高耐圧化を図るために、ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きな材料であるＡｌＩｎＰを用い、このＡｌＩｎＰ層をＧａＡｓコレクタ層中に挿入することにした。これにより、ＨＢＴの基本電気的特性である電流増幅率を劣化させることなく、コレクタ耐圧、エミッタコレクタ耐圧（ＢＶｅｃｏ）の高耐圧化を図ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
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１上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、サブコレクタ層２となるｎ型ＧａＡｓ層を、コレクタ層３となるｎ型ＧａＡｓ層を、高耐圧コレクタ層となるｕｎ型ＡｌＩｎＰ層４を、ベース層５となるｐ型ＧａＡｓ層を、エミッタ層６となるｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＰ層（ｘ＝０．４８）を、エミッタコンタクト層７となるｎ型ＧａＡｓ層を、グレーデットノンアロイ層８となるｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層（ｘ＝０→０．５）を、均一組成ノンアロイ層９となるｎ型ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ層（ｘ＝０．５）を順に成長して積層したＨＢＴ構造を有する。
【００３０】
なお、ＨＢＴ用エピタキシャルウェハの説明において、エピタキシャル層名称のｎ−はエピタキシャル層がｎ型であることを表し、ｎ＋−、ｎ−−はそれぞれキャリア濃度が大きいｎ型、キャリア濃度が小さいｎ型を表している。ｐ＋−はキャリア濃度が大きいｐ型を表している。
【００３１】
詳述するに、半絶縁性ＧａＡｓ基板１上に、サブコレクタ層２として厚さ５００ｎｍのｎ＋−ＧａＡｓ（キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３）、コレクタ層３として７００ｎｍのｎ−−ＧａＡｓ（キャリア濃度２×１０１６ｃｍ３）が成長されている。
【００３２】
このコレクタ層３上には、高耐圧コレクタ層となる厚さ１００ｎｍのｕｎ−ＡｌＩｎＰ層４（Ａｌ組成範囲０．３５〜０．６５）が成長されている。すなわち、基板のＧａＡｓ層に格子整合し、且つＧａＡｓ層よりもバンドギャップの広いＡｌＩｎＰ層４をコレクタ層部分に挿入する。そして、このＡｌＩｎＰ層４上には、ベース層５として８０ｎｍのｐ＋−ＧａＡｓ（キャリア濃度４×１０１９ｃｍ−３）が成長されている。したがって、ＡｌＩｎＰ層４が、ＧａＡｓコレクタ層３とＧａＡｓベース層５の間に挿入された形態となっている。
【００３３】
さらに、このベース層５上には、エミッタ層６として４０ｎｍのｎ−ＩｎｘＧａ１−ｘＰ層６（Ｉｎ混晶比ｘ＝０．４８、キャリア濃度３×１０１７ｃｍ−３）、エミッタコンタクト層７として１００ｎｍのｎ＋−ＧａＡｓ（キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３）が成長され、さらに、このエミッタコンタクト層７の上に、厚さ５０ｎｍ、キャリア濃度が１×１０１９ｃｍ−３のｎ＋−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（Ｉｎ混晶比ｘ＝０→０．５）から成るグレーデッドノンアロイ層８が成長されている。このグレーデッドノンアロイ層８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。
【００３４】
さらにまた、このグレーデッドノンアロイ層８の上に、ノンアロイ層９として５０ｎｍのｎ＋−ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓ（Ｉｎ混晶比ｘ＝０．５、キャリア濃度２×１０１９ｃｍ−３）が成長されている。
【００３５】
上記のノンアロイ層９、ベース層５及びサブコレクタ層２の上に、それぞれエミッタ電極、ベース電極及びコレクタ電極が形成されて、ヘテロ接合バイポーラトランジスタが構成される。
【００３６】
換言すれば、半絶縁性基板１上にＧａＡｓサブコレクタ層２、ＧａＡｓコレクタ層３、ＧａＡｓベース層５及びＩｎＧａＰエミッタ層６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、ＧａＡｓコレクタ層３とＧａＡｓベース層５の間に、ＧａＡｓよりもバンドギャップの広い材料のＡｌＩｎＰ層４が挿入されている。
【００３７】
上記構成において本発明の効果を確認するため、ＡｌＩｎＰ層４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、コレクタ耐圧（ＢＶｂｃｏ）をそれぞれ測定した。両者の特性の比較結果を、ＨＢＴの基本電気的特性でもある電流利得βとともに表１に示す。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１に示すように、上記比較例（従来技術）ではコレクタ耐圧が２５．３Ｖであったものが、上記実施例（本発明）ではコレクタ耐圧が２８．５Ｖにまで高まった。また、電流利得（電流増幅率β）は上記比較例（従来技術）がβ＝１０２、本実施例（本発明）がβ＝１０４であり、低下がみられなかった。
【００４０】
よって本発明に従い、ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きなＡｌＩｎＰ層４をＧａＡｓコレクタ層中に挿入することで、ＨＢＴの基本電気的特性を劣化させずに高耐圧化を図ることができる。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。
【００４１】
＜他の実施例、変形例＞
上記実施形態では、コレクタ層３とベース層５の間にＡｌＩｎＰ層４を挿入したが、この代わりに、図２に示すように、サブコレクタ層２とコレクタ層３の間にＡｌＩｎＰ層４を挿入することもでき、かかる構成によってもコレクタ層の高耐圧化を図ることができる。またコレクタ層３の全てにＡｌＩｎＰ層４を適用し、コレクタ層３の全てをＡｌＩｎＰ層４で構成することによっても、コレクタ層の高耐圧化を図ることができる。すなわち、コレクタ層の全部もしくは一部にＡｌＩｎＰ層を適用し、ＧａＡｓよりも広いバンドギャップを利用して高耐圧化を図ることができる。
【００４２】
上記実施形態では、エミッタ層をＩｎＧａＰとしたがＡｌＧａＡｓで構成することもできる。また、基板としてＧａＡｓを用いたが、Ｓｉ、ＩｎＰ基板を用いることもできる。
【００４３】
【発明の効果】
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。
【００４４】
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けるＧａＡｓコレクタ層の膜厚・キャリア濃度を変更せずに高耐圧化を図るために、ＧａＡｓよりもバンドギャップの大きな材料ＡｌＩｎＰを用い、このＡｌＩｎＰ層をＧａＡｓコレクタ層中に挿入した。このため、本発明によれば、コレクタ層の膜厚・キャリア濃度を変更しないで、ＨＢＴの基本電気的特性（例えば電流増幅率β）を劣化させることなく、コレクタ耐圧、エミッタコレクタ耐圧（ＢＶｅｃｏ）を高耐圧化することができる。したがって、本発明によりＨＢＴをより高い電圧で使用することが可能になり、ＨＢＴの更なる高出力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるＨＢＴ用エピタキシャルウェハの横断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態にかかるＨＢＴ用エピタキシャルウェハの横断面図である。
【図３】従来のＨＢＴ用エピタキシャルウェハの横断面図である。
【符号の説明】
１  基板
２  サブコレクタ層
３  コレクタ層
４  ＡｌＩｎＰ層（高耐圧コレクタ層）
５  ベース層
６  エミッタ層
７  エミッタコンタクト層
８  グレーデッドノンアロイ層
９  均一組成ノンアロイ層
１７  均一組成ノンアロイ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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