(57)【要約】    【課題】  本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、高速化，大電流動作化，および電流利得の低下，素子抵抗増加によるＫｎｅｅ電圧の増加，Ｉ−Ｖ特性におけるキング現象の発現などを抑制すると共に、ベース抵抗をＧａＡｓＳｂ単一ベースに比べ低くしながら移動度を高くすることを目的とする。    【解決手段】  ベース２をＩｎＧａＡｓ層４ｂとＧａＡｓＳｂ層４ａを交互に積層した超格子構造にすることにより、ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ  ＨＢＴ構造を有するため、高速化，大電流動作化が可能となると共に電流利得の低下，素子抵抗増加によるＫｎｅｅ電圧の増加，Ｉ−Ｖ特性におけるキング現象の発現などを抑制することができる。同時に、低ベース抵抗層であるＩｎＧａＡｓ層４ｂを有するためベース抵抗をＧａＡｓＳｂ単一ベースに比べ低くすることができると共に移動度を高くすることができる。【選択図】  図２
2005123278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の半導体層と最大層厚が６０ｎｍ以下である第２の半導体層とを交互に積層した超格子構造からなるベースと、
第３の半導体層からなるコレクタと、
を有し、前記第１の半導体層の電子親和力は前記第３の半導体層の電子親和力よりも小さく、前記第２の半導体層の電子親和力は前記第１の半導体層の電子親和力よりも大きく、前記第２の半導体層の正孔移動度は前記第１の半導体層の正孔移動度よりも大きいことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項２】
第１の半導体層と第２の半導体層とから構成されるベースと、
第３の半導体層からなるコレクタと、
第３の半導体層からなるエミッタと
を有し、前記第１の半導体層の電子親和力は前記第３の半導体層の電子親和力よりも小さく、前記第２の半導体層の電子親和力は前記第１の半導体層の電子親和力よりも大きく、前記第２の半導体層の正孔移動度は前記第１の半導体層の正孔移動度よりも大きく、前記エミッタとの接合面に位置する前記ベースおよび前記コレクタとの接合面に位置する前記ベースは前記第１の半導体層が配置され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。
【請求項３】
前記第１の半導体層はＧａＡｓＳｂからなり、前記第２の半導体層はＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＳｂ、ＩｎＡｓおよびＩｎＳｂより選ばれた一つの材料からなり、前記第３の半導体層はＩｎＰからなることを特徴とする請求項１または請求項２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。
【請求項４】
前記第１の半導体層はＩｎＡｌＡｓからなり、前記第２の半導体層はＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＳｂ、ＩｎＡｓおよびＩｎＳｂより選ばれた一つの材料からなり、前記第３の半導体層はＩｎＰからなることを特徴とする請求項１または請求項２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。
【請求項５】
前記第１の半導体層はＩｎＡｌＳｂからなり、前記第２の半導体層はＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓおよびＩｎＳｂより選ばれた一つの材料からなり、前記第３の半導体層はＩｎＰからなることを特徴とする請求項１または請求項２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。
【請求項６】
ＩｎＰからなるコレクタと、ＩｎＡｌＡｓもしくはＩｎＡｌＳｂからなるベースとを有す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物半導体を用いた超高速ヘテロ接合バイポーラトランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エミッタ層にベース層よりもバンドギャップの大きい半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＢＴ）は、高速・高周波素子として優れた特性を有しており、様々な応用が期待されている。ＨＢＴの構成する材料として、ＧａＡｓ基板上であればＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの組み合わせやＩｎＧａＰとＧａＡｓの組み合わせが、また、ＩｎＰ基板上であればＩｎＰとＩｎＧａＡｓの組み合わせなどが用いられている。近年では、通信市場の大容量・高速化に伴い、ＧａＡｓ系よりも高速動作が可能となるＩｎＰ系ＨＢＴが注目されるようになってきている。特にエミッタ層とコレクタ層に、ベース層よりもバンドギャップの大きな材料を用いたダブルへテロ構造ＨＢＴ（ＤＨＢＴ）はデバイスの高耐圧化が可能となるため、近年検討が進められている。ＩｎＰ系ＨＢＴにおいては、エミッタ層およびコレクタ層にはＩｎＰあるいはＩｎＡｌＡｓが、ベース材料にはＩｎＧａＡｓがよく用いられる。
【０００３】
ところで異なる材料を接合させた場合、材料の持つ電子親和力の違いにより伝導電子帯にバンド不連続が生じる。例として、エミッタ層およびコレクタ層にＩｎＰを、ベース層にＩｎＧａＡｓを用いた場合のＤＨＢＴのバンド図を図４に示す。ＩｎＧａＡｓの電子親和力がＩｎＰの電子親和力より大きいため、図４に示すようにエミッタ・ベース界面およびベース・コレクタ界面にバンド不連続が生じる。ＨＢＴの動作時には、電子は伝導電子帯上をエミッタ、ベース、コレクタの順に移動する。この時、図４に示すようなバンド不連続が存在すると、特にベース・コレクタ界面におけるバンド不連続はエネルギー障壁となり電子の移動を妨げる。このため素子抵抗の増加や利得・効率の低下を引き起こし、デバイス特性に悪影響を与える。
【０００４】
この欠点を解決するものとして近年注目されているのが、ベース層にＧａＡｓＳｂを用いたＤＨＢＴである。この場合のバンド図を図５に示す。ＧａＡｓＳｂの電子親和力はＩｎＰの電子親和力より小さいため伝導電子帯のバンド不連続は障壁とはならない。逆にＧａＡｓＳｂベースの伝導電子帯のエネルギーはＩｎＰ電子帯のエネルギーより高くなるため、コレクタには大きなエネルギーを持った電子が注入されるホットエレクトロン注入構造になる。このようなホットエレクトロン注入構造は電子がコレクタ中を高速で移動することが可能となり高速動作に有利である。また、ベース・コレクタ界面付近に電子が溜まるとベース中を移動してきた電子がコレクタに注入されにくくなり利得の低下を引き起こすｋｉｒｋ効果と呼ばれる現象が生じるが、ホットエレクトロン注入構造においてはベース・コレクタ界面付近に電子が溜まり難くなるため、ｋｉｒｋ効果の抑制が可能となり大電流動作に有利である。
【０００５】
しかしながら、ＧａＡｓＳｂはＩｎＧａＡｓに比べて正孔移動度が低く、ベース層の不純物濃度や層厚が同じであっても、ＩｎＧａＡｓベースＤＨＢＴよりもベースのシート抵抗が高くなってしまうという欠点があった。例えば、典型的な例として、層厚５０ｎｍ、不純物濃度４Ｘ１０１９ｃｍ−３のベース層を形成した場合、ＩｎＧａＡｓベースではシート抵抗は５００〜６００Ω／□程度であるのに対し、ＧａＡｓＳｂベースでは１０００〜１５００Ω／□程度となる。そのため、同程度のシート抵抗を得るためにはＩｎＧａＡｓベースの場合よりもおよそ２−３倍の高濃度に不純物を添加する必要がある。このような高濃度の不純物添加はベース層の結晶品質の劣化を招き、素子特性そのものを低下させ、長期信頼性を含めた素子特性も良好ではない（例えば、特許文献１，特許文献２，特許文献３参照）。
【０００６】
ＧａＡｓＳｂベースには前記問題点があるにも係わらず、ベース・コレクタ間におけるＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰヘテロ構造の有利なバンド構造により、ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ  ＤＨＢＴの高周波特性はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ  ＤＨＢＴより優れている。実際ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ  ＤＨＢＴでは電流利得遮断周波数、電力利得遮断周波数ともに３００ＧＨｚ以上の高性能ＤＨＢＴが報告されている（非特許文献１参照）。
【０００７】
前記ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ  ＤＨＢＴの高周波特性のさらなる向上のためには、ベース・コレクタ間のＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰのバンド構造を維持しながら、ベース抵抗を低減する必要がある。そこで、エミッタとコレクタにＩｎＰ、ベースにＩｎＧａＡｓを用いて、ＩｎＧａＡｓベースとＩｎＰコレクタの間に薄いＧａＡｓＳｂ層を挿入したＤＨＢＴ構造が提案された。この構造のバンド図を図６に示す。前記発明では、正孔移動度の大きなＩｎＧａＡｓベースを用いることによりベース抵抗を下げ、かつベース・コレクタ間に薄いＧａＡｓＳｂ層を挿入することによりベース・コレクタ間においてＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰの有利なバンド構造特徴を生かすという概念である。
【０００８】
しかしながら、この構造においては図６に示すようにベース・コレクタ間に、ＧａＡｓＳｂとＩｎＰの電子親和力の差ＶＡと、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓの電子親和力の差ＶＢの和の大きさを持つエネルギー障壁が存在する。この場合、ＧａＡｓＳｂの厚さを極端に薄くし電子に障壁をトンネリングさせることによりエネルギー障壁ＶＡを通りぬけることは可能である（例えば、特許文献４参照）。ところが、ＧａＡｓＳｂを薄層化してもエネルギー障壁ＶＢが存在するため、ベース・コレクタ間に従来のバンド不連続に起因するエネルギー障壁が生じるという問題点が残る。
【特許文献１】特開２００２−７６０１２
【特許文献２】特願２００２−４９３９５
【特許文献３】特願２００２−５０００５
【特許文献４】特開２００３−８６６０２
【非特許文献１】Ｍ．Ｗ．  Ｄｖｏｒａｋ他“３００  ＧＨｚ  ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ  ｄｏｕｂｌｅ  ＨＢＴｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｇｈ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ  ａｎｄ  ＢＶＣＥＯ  ６Ｖ”，  ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒ，  ２００１年、Ｖｏｌ  ２２，ページ３６１―３６３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように、ＩｎＧａＡｓベースＤＨＢＴにおいては、ベース・コレクタ層間に形成されるエネルギー障壁により良好な素子特性が得られない。また、ＧａＡｓＳｂベースＤＨＢＴにおいては、ＩｎＧａＡｓベースＤＨＢＴに比べてベースのシート抵抗が高くなるため、シート抵抗低減のためにＧａＡｓＳｂベースに高濃度の不純物ドーピングを行う必要があり、素子特性や長期信頼性特性が低下するという問題点があった。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するもので、バンド不連続に起因するエネルギー障壁の形成を防ぎ、同時にベース中における平均的な正孔の移動度を向上させることでシート抵抗を低減する。これにより、素子抵抗の増加や利得・効率の低下を抑制し、ＨＢＴの高周波特性を向上させることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、第１の半導体層と最大層厚が６０ｎｍ以下である第２の半導体層とを交互に積層した超格子構造からなるベースと、第３の半導体層からなるコレクタとを有し、前記第１の半導体層の電子親和力は前記第３の半導体層の電子親和力よりも小さく、前記第２の半導体層の電子親和力は前記第１の半導体層の電子親和力よりも大きく、前期第２の半導体層の正孔移動度は前期第１の正孔移動度よりも大きくなるように構成する。これによりバンド不連続に起因するエネルギー障壁の形成を防ぎ、かつベース中における平均的な正孔の移動度を向上させることが可能となり、素子抵抗の増加や利得・効率の低下を抑制し、ＨＢＴの高周波特性を向上させることが可能である。
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の請求項２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、第１の半導体層と第２の半導体層とから構成されるベースと、第３の半導体層からなるコレクタと、第３の半導体層からなるエミッタとを有し、前記第１の半導体層の電子親和力は前記第３の半導体層の電子親和力よりも小さく、前記第２の半導体層の電子親和力は前記第１の半導体層の電子親和力よりも大きく、前期第２の半導体層の正孔移動度は前期第１の半導体層の正孔移動度よりも大きく、前記エミッタとの接合面に位置する前記ベースおよび前記コレクタとの接合面に位置する前記ベースは前記第１の半導体層が配置されるように構成する。これによりバンド不連続に起因するエネルギー障壁の形成を防ぎ、かつベース中における平均的な正孔の移動度を向上させることが可能となり、素子抵抗の増加や利得・効率の低下を抑制し、ＨＢＴの高周波特性を向上させることが可能である。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の請求項３記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、請求項１または請求項２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において、前記第１の半導体層はＧａＡｓＳｂからなり、前記第２の半導体層はＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＳｂ、ＩｎＡｓおよびＩｎＳｂより選ばれた一つの材料からなり、前記第３の半導体層はＩｎＰからなるように構成する。これによりバンド不連続に起因するエネルギー障壁の形成を防ぎ、かつベース中における平均的な正孔の移動度を向上させることが可能となり、素子抵抗の増加や利得・効率の低下を抑制し、ＨＢＴの高周波特性を向上させることが可能である。
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の請求項４記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、請求項１または請求項２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において、前記第１の半導体層はＩｎＡｌＡｓからなり、前記第２の半導体層はＩｎＧａＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＳｂ、ＩｎＡｓおよびＩｎＳｂより選ばれた一つの材料からなり、前記第３の半導体層はＩｎＰからなるように構成する。これによりバンド不連続に起因するエネルギー障壁の形成を防ぎ、かつベース中における平均的な正孔の移動度を向上させることが可能となり、素子抵抗の増加や利得・効率の低下を抑制し、ＨＢＴの高周波特性を向上させることが可能である。
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の請求項５記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、請求項１または請求項２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において、前記第１の半導体層はＩｎＡｌＳｂからなり、前記第２の半導体層はＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＡｓＳｂ、ＩｎＡｓおよびＩｎＳｂより選ばれた一つの材料からなり、前記第３の半導体層はＩｎＰからなるように構成する。これによりバンド不連続に起因するエネルギー障壁の形成を防ぎ、かつベース中における平均的な正孔の移動度を向上させることが可能となり、素子抵抗の増加や利得・効率の低下を抑制し、ＨＢＴの高周波特性を向上させることが可能である。
【００１６】
本発明を達成するために、本発明の請求項６記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ＩｎＰからなるコレクタと、ＩｎＡｌＡｓもしくはＩｎＡｌＳｂからなるベースとを有するように構成する。これによりバンド不連続に起因するエネルギー障壁の形成を防ぎ、かつベース中における平均的な正孔の移動度を向上させることが可能となり、素子抵抗の増加や利得・効率の低下を抑制し、ＨＢＴの高周波特性を向上させることが可能である。
【発明の効果】
【００１７】
従来のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰを用いたＤＨＢＴでは、ベース・コレクタ界面に電子親和力の差によるバンドの不連続が生じ、これが電子の移動を妨げる電位障壁となり素子特性を悪化させるという問題があった。また、従来のＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰを用いたＤＨＢＴではＧａＡｓＳｂ中の正孔の移動度がＩｎＧａＡｓに比べて小さいため、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰを用いたＤＨＢＴに比べてベースのシート抵抗が増加するという問題があった。本発明により、ベース層にコレクタ層に用いられる材料よりも電子親和力の小さな材料を用いることで、バンド不連続に起因する電位障壁の形成を防ぐ。同時に正孔移動度の大きな材料を挟み込む構造とすることで、ベース中における平均的な正孔の移動度を向上させベース抵抗の低減を行う。これにより素子抵抗の増加や利得・効率の低下を抑制し、ＨＢＴの高周波特性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態１におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造のバンドプロファイルを示す図、図２は本発明の実施の形態１におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタの構造を例示した図である。
（実施の形態１）
図２に示すように、ＩｎＰ基板１上にＳｉをドープしたＩｎＰコレクタコンタクト層２（層厚４００ｎｍ、Ｓｉ濃度  １Ｘ１０１９ｃｍ−３）、ＳｉをドープしたＩｎＰコレクタ層３（層厚３００ｎｍ、１０１６ｃｍ−３）、ＣドープＧａＡｓＳｂ層４ａ（層厚２ｎｍ、Ｃ濃度  ４Ｘ１０１９ｃｍ−３）とＣドープＩｎＧａＡｓ層４ｂ（層厚３ｎｍ、Ｃ濃度  ４Ｘ１０１９ｃｍ−３）が交互に積層された、総層厚５０ｎｍの超格子構造ベース４、ＳｉをドープしたＩｎＰエミッタ層５（層厚５０ｎｍ、Ｓｉ濃度  ３Ｘ１０１７ｃｍ−３）、ＳｉをドープしたＩｎＰエミッタコンタクト層６ａ（層厚２０ｎｍ、Ｓｉ濃度  ２Ｘ１０１９ｃｍ−３）およびＳｉをドープしたＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層６ｂ（層厚１００ｎｍ、Ｓｉ濃度  ３Ｘ１０１９ｃｍ−３）を形成する。
【００１９】
この構造により図１に示されるバンド図が実現される。ベース層においてＧａＡｓＳｂの電子親和力がＩｎＧａＡｓの電子親和力よりも小さいため、図１に示すように伝導電子帯はＧａＡｓＳｂ層が山、ＩｎＧａＡｓ層が谷となる。ＨＢＴの動作時には、電子が伝導電子帯上をエミッタ、ベース、コレクタの順に移動する。この時、ＩｎＧａＡｓ層の厚さＴ１を電子の平均自由行程以下の厚さにすると、ＧａＡｓＳｂ層を移動しＸ１に到達した電子はＩｎＧａＡｓ層における伝導電子帯の谷に落ちることなくＸ２に到達する。もし、ベース超格子構造を構成する全てのＩｎＧａＡｓ層の厚さＴ１，Ｔ２，…・Ｔｎを電子の平均自由行程以下の厚さにすると、電子はベースを移動する間、伝導電子帯の谷に落ちることがなく、そのため、等価的にはＧａＡｓＳｂの伝導体を走行することになる。
【００２０】
ＳｔｏｎｅｒとＭａｒｉｓの計算によると、ＧａＡｓ系材料において電子の平均自由行程は６０ｎｍである（Ｒ．Ｊ．Ｓｔｏｎｅｒ  ａｎｄ  Ｈ．Ｊ．ｍａｒｉｓ，によるＰｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、１９９３年度、４７号、ページ１１８２６参照）。したがって、エミッタから移動してきた電子が伝導電子帯の谷に落ちることなくベースを移動するためには、全てのＩｎＧａＡｓの厚さを６０ｎｍ以下にする。これにより電子親和力の差により生じる伝導電子帯の不連続性に起因する電位障壁の影響を抑制することが可能である。
【００２１】
また、この構造におけるベース層は、ＧａＡｓＳｂよりも正孔移動度の大きなＩｎＧａＡｓからなる層を含むため、ベース層における平均的な正孔の移動度はＧａＡｓＳｂのみからなるベース層に比べて大きくなる。このためＧａＡｓＳｂのみからなるベース層に比べベース抵抗の低減が可能である。
【００２２】
以上のように、ベースにＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓとを交互に積層した超格子構造を用いることにより、バンド不連続に起因する電位障壁の影響を抑制し、かつベース中における平均的な正孔の移動度を向上させることが可能となり、素子抵抗の増加や利得・効率の低下を抑制し、ＨＢＴの高周波特性を向上させることが可能である。
【００２３】
ここで、ベースを構成する材料はＧａＡｓＳｂとＩｎＧａＡｓ以外にも考えられる。図３（ａ）にＩｎＰの、図３（ｂ）にベースに用いる材料の物性定数を示す。図３（ｂ）に示した材料の内、電子親和力がＩｎＰよりも小さい材料をベース材料として用いることにより、ベースからコレクタへ大きなエネルギーを持った電子が注入することができるホットエレクトロン注入構造を構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタ構造のバンドプロファイルを示す図
【図２】本発明の実施の形態１におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタの構造を例示した図
【図３】（ａ）ＩｎＰの物性定数を示す図（ｂ）ベース材料の物性定数を示す図
【図４】従来の基板をＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓで構成されたＨＢＴのバンドプロファイルを示す図
【図５】従来の基板をＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂで構成されたＨＢＴのバンドプロファイルを示す図
【図６】従来のベースに薄いＧａＡｓＳｂ層を挿入したＤＨＢＴのバンドプロファイルを示す図
【符号の説明】
【００２５】
１    ＩｎＰ基板
２    ＩｎＰコレクタ電極層
３    ＩｎＰコレクタ層
４    超格子構造ベース層
４ａ    ＧａＡｓＳｂ層
４ｂ    ＩｎＧａＡｓ層
４０    ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＳｂ多層ベース
４０ａ    ＧａＡｓＳｂ層
４０ｂ    ＩｎＧａＡｓ層
４０ｃ    ＧａＡｓＳｂ層
５    ＩｎＰエミッタ層
６ａ    ＩｎＰエミッタ電極層
６ｂ    ＩｎＧａＡｓエミッタ電極層
【図１】
2005123278.tif 000003
【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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