(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともエミッタ層とベース層とコレクタ層とを有し、
前記コレクタ層及び前記エミッタ層の双方が、高濃度に不純物が添加された高濃度薄  層をそれぞれ有し、これらの高濃度薄層の不純物濃度は隣接する半導体層の不純物濃度  よりも高く、
前記エミッタ層に含まれる前記高濃度薄層と前記ベース層との間、及び、前記コレク  タ層に含まれる前記高濃度薄層と前記ベース層との間には、半導体組成の変調によって  電子親和力が変化した組成変調層がそれぞれ設けられ、
これらの組成変調層のうち、前記エミッタ層に含まれる前記高濃度薄層と前記ベース  層との間に設けられる組成変調層は１５ｎｍ以下の厚さを有すると共に、前記ベース層  の表面上を外部ベース領域までも覆い、この外部ベース領域にてベース電極と合金化さ  れることによって前記ベース層と前記ベース電極とのオーミックコンタクト部を形成し  ている、
半導体装置。
【請求項２】
前記エミッタ層に含まれる前記高濃度薄層のシートキャリア濃度は３×１０11ｃｍ-2以上であり、前記コレクタ層に含まれる前記高濃度薄層のシートキャリア濃度は１．５×１０11ｃｍ-2以上である、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記エミッタ層に含まれる前記高濃度薄層のシートキャリア濃度が、前記コレクタ層に含まれる前記高濃度薄層のシートキャリア濃度よりも高い、請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記組成変調層がＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ａｓ（但し、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなる、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記組成変調層がＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ａｓ（但し、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなり、互いに組成の異なる複数層の積層構造として形成されている、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記組成変調層が、ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＡｌＡｓ層とが積層された超格子層からなっている、請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記エミッタ層及び前記コレクタ層は、電子親和力とバンドギャップとの和が前記ベース層のそれよりも大きいホールブロック層をそれぞれ有する、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記エミッタ層及び前記コレクタ層に含まれる前記高濃度薄層が前記ホールブロック層と同じ組成の材料によって形成されている、請求項７に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特にヘテロ接合型バイポーラトランジスタを有する半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラトランジスタの一種であるヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（Heterojunction Bipolar Transistor：以下、ＨＢＴとも称する。）は、エミッタ層にベース層よりもバンドギャップが広い材料を用いたバイポーラトランジスタであって、エミッタ層よりもベース層の不純物濃度を濃くしてもエミッタ層からベース層への電子の注入効率（エミッタ効率）を高く保つことができる。従って、エミッタ効率の劣化による電流利得の減少を引き起こすことなく、エミッタ・ベース間容量、ベース抵抗を低減でき、ベース層のパンチスルーを抑制できる等の基本的な利点を有する。
【０００３】
図２４について、従来のＨＢＴの一例７４ａを説明する（後記の特許文献１を参照）。
【０００４】
このヘテロ接合型バイポーラトランジスタ７４ａにおいては、半絶縁性ＧａＡｓ基板（図示せず）上に、ｎ+型ＧａＡｓサブコレクタ層（図示せず）、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層５３、ｐ型ＧａＡｓベース層５４、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層５５、ｎ+型ＧａＡｓエミッタコンタクト層５５ｂ、ベース電極６５及びエミッタ電極６６を積層して形成し、エミッタ層５５、エミッタコンタクト層５５ｂ及びエミッタ電極６６の側面を絶縁膜７０で覆っている。
【０００５】
そして、コレクタ層５３上のベース層に、濃度１×１０20ｃｍ-3のカーボンが添加された真性ベース領域５４ｂが形成されているが、このカーボンは水素によりパッシベーションされるため、正孔濃度は５×１０19ｃｍ-3である。
【０００６】
更に、ベース層周辺の表面部には、同じく濃度１×１０20ｃｍ-3のカーボンが添加された外部ベース領域（ベースコンタクト領域）５４ｃが形成されているが、このカーボンはほぼ１００％活性化しているため、正孔濃度は１×１０20ｃｍ-3になっている。なお、真性ベース領域５４ｂ上にエミッタ層５５がヘテロ結合して形成され、外部ベース領域５４ｃ上に、ベース電極６５がオーミック接触して形成されている。
【０００７】
図２５には、ヘテロ接合型バイポーラトランジスタの別の例７４ｂが示されている（後記の特許文献２を参照）。
【０００８】
このヘテロ接合型バイポーラトランジスタ７４ｂは、半絶縁性ＧａＡｓ基板５１上に、積層されたサブコレクタ層５２、ＧａＡｓコレクタ層５３、ｐ型ＡｌＧａＡｓベース層５４、ｎ型ＡｌＧａＡｓエミッタ層５５、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタキャップ層７６、エミッタコンタクト層５５ｂ、コレクタ電極６７、ベース電極６５及びエミッタ電極６６が形成されたものである。
【０００９】
そして、非合金型電極材料よりなるエミッタ電極６６がＨＢＴ７４ｂの作製工程の最初の段階で形成され、このエミッタ電極６６に対して、エミッタメサ及びベース電極６５がセルフアライン（自己整合的）に形成され、更に、ベース電極６５に対してベース、コレクタメサがセルフアライン的に形成される。
【００１０】
このＨＢＴ７４ｂは、エミッタレッジ構造を有していて、エミッタ層５５の下部が延設され、この延設部上にベース電極６５が形成され、その下部にＰｔ拡散領域（ベースコンタクト）７３が形成されていると、ベース層５４の表面が被覆され、その表面での再結合を効果的に防止できるものである。
【００１１】
こうしたＨＢＴは高い電流駆動能力を有することから、電力増幅器（パワーアンプ：以下、ＰＡとも称する。）用デバイスとして優れ、さらに単一電源動作が容易であるというメリットから、近年、移動体通信端末用ＰＡとして使用されている
【００１２】
ＰＡにおける重要な指標のひとつに電力付加効率（Power-Added Efficiency：ＰＡＥ）がある。ＰＡＥは出力パワーＰoutと入力パワーＰinとの差の、直流投入電力Ｐdcに対する比：(Ｐout−Ｐin)／Ｐdcとして定義される。ＰＡＥはＰＡの効率の良さを表す指標であり、この値が大きいほどパワーアンプの消費電力が抑制される。移動体通信の端末では、全消費電力のうち送信側パワーアンプによる電力消費が大きな割合を占めるため、この値を大きくすることは特に重要である。
【００１３】
このＰＡＥを大きくするには、ＨＢＴのコレクタ電流Ｉc−コレクタ・エミッタ間電圧Ｖce特性におけるニー電圧（Ｖk）をできるだけ小さくする必要がある。図２６は、そのＩc−Ｖce特性とニー電圧（Ｖk）を模式的に示したものである。この図から、ニー電圧（Ｖk）を小さくするには、Ｉc−Ｖce特性においてＩc＝０となる電圧、いわゆるオフセット電圧（Ｖoff）と、Ｉcの立ち上がり部の抵抗（Ｒon）をできるだけ小さくすることが必要である。
【００１４】
Ｖoffを下げるには、エミッタ・ベース間ｐｎ接合の順方向ターン・オン電圧（Ｖbe-on）と、ベース・コレクタ間ｐｎ接合の順方向ターン・オン電圧（Ｖbc-on）との差：（Ｖbe-on）−（Ｖbc-on）をできるだけ小さくする必要がある。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓなどのｔｙｐｅＩのヘテロ接合をエミッタ・ベース接合に用いたＨＢＴでは、伝導帯端にエネルギー不連続が生じ、これがＶbe-onを大きくする。そこで、Ｖbe-onを下げる目的で、エミッタ層とベース層との間に、バンドギャップをなめらかにつなぐ組成変調層（Graded Layer）を挿入することがしばしば行われる。
【００１５】
また、例えば、ベース層とコレクタ層が同じ組成の半導体からなるＨＢＴにおいては、ベース層に正の電圧を印加した際、ベース層からコレクタ層へのホール注入によってコレクタ層からベース層への順方向電流が増えるため、Ｖoffが増加する。コレクタ側にも広いバンドギャップの半導体を用いたいわゆるダブルへテロ接合構造は、このようなホール注入を抑制するのに有効である（後記の非特許文献１を参照）。
【００１６】
しかしながら、一般には、ベース・コレクタ接合においても伝導帯端エネルギーの不連続が生じ、特にベース層よりもコレクタ層の電子親和力が小さい場合には、その伝導帯端エネルギーの不連続が電流の流れを阻害し、Ｒonを劣化させる要因となる。このような問題をできるだけ回避するため、ベース層とコレクタ層との間にベース層と同じ組成のアンドープ層や組成変調層を挿入することが知られている。
【００１７】
一方、実用的なＨＢＴでは、信頼性確保の観点から、後記の特許文献２に示されるように、エミッタ・ベース間の表面再結合を抑制するために、ベース電極形成領域において、エミッタ層を完全には除去せずにエミッタ層の一部を残す、いわゆるエミッタレッジ構造とするのが一般的である。このような構造とすることによって、エミッタ・ベース接合が表面に露出しないので、表面欠陥の増加による信頼性劣化の抑制に役立つ。
【００１８】
【特許文献１】特開平７−２１１７２９号公報（第５頁左欄１７行〜第５頁右欄６行、図１）
【特許文献２】特開平５−１３６１５９号公報（第４頁右欄１７行〜第６頁左欄９行、図１）
【非特許文献１】APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.83, No.26, 29 December, 2003,P5545-5547
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
上述したように、ダブルへテロ構造のＨＢＴ（ＤＨＢＴ）において、エミッタ・ベース間及びベース・コレクタ間に組成変調層をそれぞれ挿入することにより、一般にオフセット電圧（Ｖoff）は下がり、ニー電圧（Ｖk）も低減される。しかしながら、これらのパラメータの値を最小化するため、また同時に、上述したレッジ構造を作り易くするためには、構造の最適化が必要である。これについて以下に詳細に説明する。
【００２０】
ベース層よりもコレクタ層の電子親和力が小さく、ベース・コレクタ間に伝導帯不連続がある場合、そのままではベース層からコレクタ層への電流の流れが阻害される。これを避けるために、例えばベース・コレクタ間に一様な組成変調層を挿入してベース・コレクタ間の伝導帯端のポテンシャルをなめらかに接続した場合を考える。
【００２１】
この場合、ベース・コレクタ間のｐｎ接合に逆方向バイアスを印加した場合は特に問題ないが、順方向にバイアスした場合には、伝導帯端の不連続の影響が現れ、ニー電圧（Ｖk）が増大する。このような問題は、エミッタ層とベース層との間に伝導帯端のエネルギー不連続があり、エミッタ層からベース層に熱電子が注入される場合にはそれほど重要ではない可能性はある。それは、エミッタ層からベース層に注入される電子がベース層で充分にはエネルギーを失わず、ベース・コレクタ間に生じるポテンシャルの山が小さければそれを越えていく可能性があるからである。
【００２２】
しかしながら、エミッタ・ベース間に一様な組成変調層を挿入した場合には、上記の例と比べて、ベース層に注入される電子の平均エネルギーが少なくなり、その結果、ベース・コレクタ間に生じるポテンシャルの山の影響がより大きくなる。つまり、エミッタ・ベース間、ベース・コレクタ間に組成変調層を挿入した場合、それだけではＶkの低減には不充分ということになる。
【００２３】
また、エミッタ・ベース間に挿入した組成変調層を先に述べたエミッタレッジ構造として用いる場合、次のような問題が生じる。つまり、ベースコンタクト形成の観点からは、この層は薄ければ薄いほどよいが、薄くなるに従って、エミッタ・ベース間のターン・オン電圧（Ｖbe-on）が増加し、その結果、Ｖoff、Ｖkが大きくなる。逆に、この層を厚くしていくと、アロイ化によるベースコンタクト形成の困難さが増す。
【００２４】
なお、上記のダブルへテロ構造のＨＢＴにおいては、一般にコレクタ層の速度性能が劣化し易いという問題も生じる。
【００２５】
本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、信頼性に優れたヘテロ接合型バイポーラトランジスタ等又はこれを含む半導体装置において、ニー電圧（Ｖk）の充分な低減を可能としながら、ベースコンタクト形成が容易であり、コレクタの速度性能が劣化し難いデバイス構造（更には、このデバイス構造を主要な構成要素とするＭＭＩＣ(Micro-wave-monolithic-Integrated Circuit)）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
即ち、本発明は、上記の目的を達成するため、少なくともエミッタ層とベース層とコレクタ層（更には、サブコレクタ層）とを有するヘテロ接合バイポーラトランジスタ等又はそれを主要な構成要素とする半導体装置において、前記エミッタ層及び前記コレクタ層の双方が、高濃度に不純物が添加された高濃度薄層をそれぞれ有し、これらの高濃度薄層の不純物濃度は隣接する半導体層の不純物濃度よりも高いことを特徴とする半導体装置に係るものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、前記コレクタ層及び前記エミッタ層の双方が、隣接する半導体層よりも不純物濃度が高い高濃度薄層をそれぞれ有しているので、前記ベース層と前記エミッタ層及び前記コレクタ層との間に組成変調層をそれぞれ挿入した場合に、これらの組成変調層による上述した利点を生かしながらその挿入による上述した問題点を効果的に解消して、オフセット電圧（Ｖoff）及びニー電圧（Ｖk）を充分に低減し、かつ信頼性の低下を抑制しながら、ベースコンタクトの形成も容易にすることができる。
【００２８】
本発明のこうした効果を具体的な構造例について更に詳細に説明すると、次の通りである。
【００２９】
ベース層よりもコレクタ層の電子親和力が小さく、ベース・コレクタ間に伝導帯不連続がある場合、そのままではベース層からコレクタ層への電流の流れが阻害される。これを避けるために、例えばベース・コレクタ間に一様な組成変調層を挿入して、伝導帯端のポテンシャルをなめらかに接続する必要がある。ここでは、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓを主要な構成材料とするＨＢＴを例に説明を行う。
【００３０】
図３は、エミッタ層（Ｅ）にＩｎＰ、ベース層（Ｂ）にＩｎＧａＡｓ、コレクタ層（Ｃ）にＩｎＰを用いたＨＢＴにおいて、エミッタ・ベース間、ベース・コレクタ間に組成変調層等が挿入されていない場合（ｔｙｐｅ−ＡのＨＢＴ）のエネルギーバンド図（Ｅｃ：伝導帯のエネルギーレベル、Ｅｖ：価電子帯のエネルギーレベル）を示す。また、図４（Ａ）、（Ｂ）は、ベース・コレクタ間に組成変調層を挿入した場合（ｔｙｐｅ−ＢのＨＢＴ）であって、図４（Ｂ）は電圧印加時のエネルギーバンド図であるが、この図に示すように、組成変調層を挿入してもベース・コレクタ間が順方向にバイアスされた場合、ベース・コレクタ間のポテンシャル障壁が少し復活し、これがＩc−Ｖce特性に多少影響する。
【００３１】
この問題は、ベース・コレクタ間に組成変調層とともに前記高濃度薄層を挿入することによって回避できるが、ベース・コレクタ間のｐｎ接合の順方向ターン・オン電圧（Ｖbc-on）が減少し、オフセット電圧（Ｖoff）が増大するという問題が生じる。
【００３２】
このようにベース・コレクタ間に組成変調層とともに高濃度薄層を挿入したＨＢＴ（ｔｙｐｅ−ＣのＨＢＴ）のバンド図を図５（Ａ）、（Ｂ）に、ｔｙｐｅ−ＢのＨＢＴとｔｙｐｅ−ＣのＨＢＴのＩc−Ｖce特性を図６に示す。図５（Ｂ）に示すように、ｔｙｐｅ−ＣのＨＢＴでは、ベース・コレクタ間に順方向バイアスが印加された状態でもベース・コレクタ間のポテンシャル障壁の復活が抑制され、その結果、図６に示すように、立ち上がりの抵抗が多少低くなるがＶoffが増加する。
【００３３】
そして、Ｖoffを下げるため、ｔｙｐｅ−ＢのＨＢＴのエミッタ・ベース間に組成変調層を挿入した場合（ｔｙｐｅ−ＤのＨＢＴ）、図７のＩc−Ｖce特性に示すように、ｔｙｐｅ−ＢのＨＢＴに比べてＶoffは下がるが、立ち上がりの抵抗が増大する。
【００３４】
一方、エミッタ・ベース間に組成変調層を挿入した場合、先に述べたエミッタレッジとして用いる場合、次の問題が生じる。つまり、ベースコンタクト形成の観点からは、この層は薄ければ薄いほどよい（ｔｙｐｅ−ＦのＨＢＴ）が、薄くなるに従ってエミッタ・ベース間のターン・オン電圧（Ｖbe-on）が増加し、Ｖoff、Ｖkが大きくなる（この具体例については後述する実施の形態で説明する）。逆に、この層を厚くしていくと、ベース電極材料のアロイ化によるベースコンタクトの形成が困難となる。
【００３５】
しかしながら、このようにエミッタ・ベース間の組成変調層が薄くなることによりＶoffが増大することは、エミッタ・ベース間にも前記高濃度薄層を挿入することによって防止することができる。このようにエミッタ・ベース間に組成変調層とともに高濃度薄層を挿入したＨＢＴ（ｔｙｐｅ−ＧのＨＢＴ）のエネルギーバンド図を図１３に、そのＩc−Ｖce特性をｔｙｐｅ−ＦのＨＢＴと比較したのが図１４である。この図に示すように、ｔｙｐｅ−ＧのＨＢＴでは、ｔｙｐｅ−ＦのＨＢＴよりもＶoffが低下したＩc−Ｖce特性が得られ、本発明の目的を実現できるＨＢＴとなることが分る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明においては、上記した効果を奏する上で、前記エミッタ層に含まれる前記高濃度薄層のシートキャリア濃度は３×１０11ｃｍ-2以上であり、前記コレクタ層に含まれる高濃度薄層のシートキャリア濃度は１．５×１０11ｃｍ-2以上であることが望ましい。この場合、前記エミッタ層に含まれる前記高濃度薄層のシートキャリア濃度が、前記コレクタ層に含まれる前記高濃度薄層のシートキャリア濃度よりも高いのがよい。
【００３７】
また、前記エミッタ層及び前記コレクタ層は、電子親和力とバンドギャップとの和が前記ベース層のそれよりも大きい層を含むのがよい。これらの層は、前記ベース層から前記エミッタ層又は前記コレクタ層へのホールの注入を抑制する働きを持つので、ここではホールブロック層と称し、前記エミッタ層側のホールブロック層を第１エミッタ層、前記コレクタ層側のホールブロック層を第１コレクタ層と呼ぶことにする。前記エミッタ層に含まれる高濃度薄層は前記第１エミッタ層に接し、この第１エミッタ層と同じ材料で構成されていることが望ましい。また、前記コレクタ層に含まれる高濃度薄層は前記第１コレクタ層に接し、この第１コレクタ層と同じ材料で構成されていることが望ましい。
【００３８】
また、前記エミッタ層側の前記高濃度薄層と前記ベース層との間、及び、前記コレクタ側の前記高濃度薄層と前記ベース層との間には、半導体組成が一様に変化し、これ（半導体組成の変調）によって電子親和力が一様に変化した組成変調層がそれぞれ挿入されているのが望ましい。
【００３９】
即ち、これらの組成変調層の電子親和力は前記ベース層に近づくにつれて前記ベース層の電子親和力に近づき、前記ホールブロック層に近づくにつれてホールブロック層の電子親和力に近づき、それぞれの層の境界では電子親和力がなめらかにつながるのが望ましい。少なくともそれに近い構造をとるのがよい。
【００４０】
この場合、前記エミッタ層と前記ベース層との間に挟まれた前記組成変調層の厚さは１５ｎｍ以下とするのがよい。この層は、エミッタ・ベース接合表面を露出させないという目的にも使用されるので、極端に薄くすることはできないが、ベースコンタクト形成の観点からは薄ければ薄いほど良い。１０ｎｍ程度がそれらの目的に適したものであることが確認されている。
【００４１】
なお、前記第１コレクタ層は移動度が低いという問題が生じる場合もある。この場合、第１コレクタ層とサブコレクタ層との間に、第１コレクタ層よりも移動度が高い第２コレクタ層を挿入してもよい。
【００４２】
本発明に基づくＨＢＴは、次の基本構成からなっているのがよい。
【００４３】
まず、前記エミッタ層は、一般的には、前記組成変調層と、前記高濃度薄層と、前記第１エミッタ層と、この第１エミッタ層よりも高濃度に不純物が添加された第２エミッタ層と、この第２エミッタ層とは異なる組成又は材料からなり、やはり高濃度に不純物が添加されたエミッタキャップ層とからなるが、これ以外の層が挿入されていてもよい。例えば、第２エミッタ層とエミッタキャップ層との間に、第２エミッタ層よりも高濃度の第３エミッタ層が挿入されてもよい。
【００４４】
また、前記ベース層には、前記エミッタ層や前記サブコレクタ層とは反対の導電性を生じる不純物が高濃度に添加されている。
【００４５】
また、前記コレクタ層は、一般に、前記組成変調層と、前記高濃度薄層と、前記第１コレクタ層とからなるが、これ以外の層が含まれていてもよい。例えば、前記第１コレクタ層と前記サブコレクタ層との間に、前記第１コレクタ層とは異なる組成又は材料からなる第２コレクタ層が挿入されていてもよい。また、前記組成変調層と前記ベース層との間に、組成が一定で低濃度の層を挿入してもよいし、前記第１コレクタ層と前記第２コレクタ層との間に、これらの層をなめらかに接続する層が挿入されていてもよい。
【００４６】
このＨＢＴにおいては、半導体基板上に、高濃度に不純物が添加された低抵抗のサブコレクタ層が形成され、この上に、前記コレクタ層、前記ベース層、前記エミッタ層が形成され、これらのエミッタ層、ベース層、コレクタ層にはそれぞれオーミックコンタクトの電極が形成されている。
【００４７】
半導体基板には、半絶縁性のＧａＡｓ基板を用いることが望ましいが、ＩｎＰやＳｉを用いることもできる。
【００４８】
また、本発明に基づくＭＭＩＣは、上記ＨＢＴを主要な構成要素として、抵抗素子や容量素子、インダクタなどの受動素子を含む集積素子である。
【００４９】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面の参照下に説明する。
【００５０】
第１の実施の形態
本実施の形態によるダブルへテロ構造のＨＢＴの断面図を図１及び図２に示す。
【００５１】
例えば、半絶縁性のＩｎＰからなる半導体基板１上に、バッファ層２を介してｎ+型のＩｎＧａＡｓからなるサブコレクタ層３、ｎ-型のＩｎＰからなる第１コレクタ層（ホールブロック層）４、ｎ+型のＩｎＰからなる高濃度薄層５、例えばｎ-型のＡｌＩｎＧａＡｓからなる組成変調層６、ｐ+型のＩｎＧａＡｓからなるベース層７、例えばｎ-型のＡｌＩｎＧａＡｓからなる厚さ１０ｎｍ程度の組成変調層８、ｎ+型のＩｎＰからなる高濃度薄層９、ｎ-型のＩｎＰからなる第１エミッタ層（ホールブロック層）１０、ｎ+型のＩｎＰからなる第２エミッタ層１１、ｎ+型のＩｎＧａＡｓからなるエミッタキャップ層１２が順次積層され、更に表面上が電極形成部を除いてＳｉ3Ｎ4等からなる絶縁膜１６で覆われている。
【００５２】
エミッタキャップ層１２の上にはエミッタ電極１３が形成されている。また、ベースコンタクト形成のために、エミッタキャップ層１２、第２エミッタ層１１、第１エミッタ層１０、高濃度薄層９の一部が除去され、メサ構造が形成されている。ベース電極１４は、図１に示すように、ベース層７の表面上を組成変調層８が覆うエミッタレッジ構造にメサ加工した後に、組成変調層８の上に形成し、更に熱処理等によってベース電極１４の一部と組成変調層８を合金化させ、ベース層７とのオーミックコンタクト部１４ａを形成してもよいし、或いは図２に示すように、ベース電極１４が形成される領域に存在する組成変調層８を除去してからベース電極１４を形成してもよい。
【００５３】
コレクタ電極１５の形成においてもメサ構造が形成され、サブコレクタ層３の上部にコレクタ電極１５が形成される。
【００５４】
エミッタ電極１３、ベース電極１４、コレクタ電極１５には、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層体を用いることができる。
【００５５】
バッファ層２は、例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＰなど、あるいは、これらの組み合わせからなる。
【００５６】
サブコレクタ層３は厚さ３００〜５００ｎｍ、濃度５×１０18〜２×１０19ｃｍ-3であって、ｎ+型のＩｎＧａＡｓ以外にｎ+型のＩｎＰを用いることもできる。ｎ-型のＩｎＰからなる第１コレクタ層４は厚さ１００〜７００ｎｍ、濃度１×１０17ｃｍ-3以下（シートドーピング（キャリア）濃度で５×１０12ｃｍ-2以下）であり、ｎ+型のＩｎＰからなる高濃度薄層５は厚さ５ｎｍ程度以下、シートドーピング（キャリア）濃度５×１０11ｃｍ-2程度であり、ｎ-型の組成変調層６は厚さ５〜２００ｎｍ、濃度１×１０17ｃｍ-3以下（シートドーピング（キャリア）濃度で１×１０12ｃｍ-2以下）であって、ＡｌＩｎＧａＡｓの他に、ＩｎＧａＡｓＰを用いることもできる。
【００５７】
ｐ+型のＩｎＧａＡｓからなるベース層７は厚さ３０〜１００ｎｍ、濃度１×１０19〜５×１０19ｃｍ-3であって、そのＩｎの組成は０〜０．６であり、ｎ-型のＡｌＩｎＧａＡｓからなる組成変調層８は厚さ１０ｎｍ程度（１５ｎｍ程度以下）、濃度１×１０17ｃｍ-3以下（シートドーピング（キャリア）濃度で２×１０11ｃｍ-2以下）であり、ｎ+型のＩｎＰからなる高濃度薄層９は厚さ５ｎｍ程度以下、シートドーピング（キャリア）濃度は１×１０12ｃｍ-2程度である。
【００５８】
ｎ-型のＩｎＰからなる第１エミッタ層１０は厚さ５〜１００ｎｍ、濃度１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3（シートドーピング（キャリア）濃度で５×１０10〜１×１０13ｃｍ-2）であり、ｎ+型のＩｎＰからなる第２エミッタ層１１は厚さ５０ｎｍ程度、濃度５×１０18〜２×１０19ｃｍ-3であり、ｎ+型のＩｎＧａＡｓからなるエミッタキャップ層１２は厚さ５０〜１００ｎｍ程度、濃度１×１０19〜２×１０19ｃｍ-3程度である。
【００５９】
ただし、上記各層の膜厚、濃度等の数値は典型的なものであり、これらの値に限定されるものではない。
【００６０】
なお、第１エミッタ層１０及び第１コレクタ層４は、電子親和力（基準ゼロレベルから伝導帯レベルＥｃまでのエネルギー差）とバンドギャップ（伝導帯レベルＥｃと価電子帯レベルＥｖとの差）の和がベース層７のそれよりも大きいホールブロック層として機能する。
【００６１】
図１３は、図１又は図２のＨＢＴに対応する、基板に垂直な方向（図のＹ）のエネルギーバンド図であり、伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖのエネルギー準位を示す。
【００６２】
次に、上記した構造を案出するに至った理由について説明する。
【００６３】
既述したように、ｔｙｐｅ−ＡのＨＢＴのベース・コレクタ間界面に生じるポテンシャル障壁の影響は、図４（Ａ）に示したｔｙｐｅ−ＢのＨＢＴのように、例えばＩｎＧａＡｓベース層とＩｎＰコレクタ層の間に組成変調層を挿入することによってある程度回避できるが、ベース層に正の電圧を印加し、ベース・コレクタ間のｐｎ接合を順方向にバイアスした場合には、図４（Ｂ）に示したようにポテンシャル障壁が復活する。
【００６４】
この問題は、このようなｔｙｐｅ−ＢのＨＢＴでは大きな問題とはならない可能性がある。それは、エミッタ層からベース層にホットエレクトロン注入された電子がベース・コレクタ界面まで十分にはエネルギー緩和せず、ポテンシャル障壁の影響を受けにくくなっている可能性があるからである。言い換えると、エミッタ層とベース層との間に組成変調層を挿入した場合（ｔｙｐｅ−ＤのＨＢＴ）、ベース・コレクタ間のｐｎ接合を順方向にバイアスすると、図８（Ａ）、（Ｂ）のバンド図から推察されるように、このポテンシャル障壁の影響をより受け易くなる。図７に示す結果はそのことを物語っている。
【００６５】
つまり、エミッタ・ベース間に組成変調層を挿入した場合には、ベース・コレクタ間に組成変調層とともに高濃度薄層を挿入することの必要性が高まる。実際、そのようにした場合（ｔｙｐｅ−ＥのＨＢＴ）、ニー電圧が大きく低減することを図９のＩc−Ｖce特性は示している。ｔｙｐｅ−ＥのＨＢＴのバンド図を図１０（Ａ）、（Ｂ）に示す。この場合、ベース・コレクタ間にポテンシャル障壁は生じていないのが分る。
【００６６】
このように、エミッタ・ベース間に組成変調層を挿入した場合、上述したように、ベース・コレクタ間に組成変調層を挿入しても生じるポテンシャルの山の影響をより受け易くなるが、これは、ベース・コレクタ間に高濃度薄層５を挿入することによって解消される。この理由は、エミッタ・ベース間に組成変調層を挿入した場合、エミッタ層からベース層に注入される電子の平均エネルギーが低くなり、上記のポテンシャルの山の影響をより受け易くなるが、高濃度薄層５によってそのポテンシャルの山がなくなり、エミッタ層からベース層に電子が低エネルギーで注入されても、ベース層からコレクタ層へ容易に移動できるからであると考えられる。その時のＲon又はＶbc-onは適度な値となり、Ｖoff又はＶkを低く保持できる。
【００６７】
ところで、ＨＢＴでは、信頼性確保の観点から、エミッタ・ベース界面が表面に露出することを避けるための構造、いわゆるエミッタレッジ構造が一般には必要とされる。即ち、エミッタ・ベース間の組成変調層を外部ベース領域で完全には除去せず、ベースコンタクトをこの組成変調層を通して形成することが考えられる。
【００６８】
この場合、コンタクト形成を容易にするには、エミッタ・ベース間の組成変調層を薄くする必要がある。例えば、この組成変調層を１０ｎｍまで薄くした場合（ｔｙｐｅ−ＦのＨＢＴ）のバンド図を図１１（Ａ）、（Ｂ）に示す。この図に示すように、エミッタ・ベース間に順方向バイアスが印加された場合、エミッタ・ベース間にもポテンシャル障壁が復活する。このため、図１２に示すように、Ｖoffが増大する。
【００６９】
このように、エミッタ・ベース間の組成変調層が薄くなった場合、Ｖoff増大を抑制するために、エミッタ・ベース間にも高濃度薄層を挿入することが望ましい。図１３（Ａ）、（Ｂ）は、エミッタ・ベース間にも組成変調層とともに高濃度薄層を挿入したＨＢＴ（ｔｙｐｅ−ＧのＨＢＴ）のバンド図を示し、また図１４は、ｔｙｐｅ−ＧのＨＢＴのＩc−Ｖce特性をｔｙｐｅ−ＦのＨＢＴと比較して示すものである。この図に示すように、ｔｙｐｅ−ＧのＨＢＴではｔｙｐｅ−ＥのＨＢＴと同レベルのＩc−Ｖce特性が得られる。このｔｙｐｅ−ＧのＨＢＴが第１の実施の形態によるＨＢＴである。
【００７０】
エミッタ・ベース間の組成変調層は、先にも述べたように、コンタクト形成の容易さから１０ｎｍ程度（１５ｎｍ程度以下）であることが望ましい。また、エミッタ・ベース間及びベース・コレクタ間の高濃度薄層のシートドーピング濃度は、それぞれ、３×１０11ｃｍ-2以上、１．５×１０11ｃｍ-2以上であることが望ましい。これは、オフセット電圧の顕著な劣化を抑制するために必要な最低限の濃度として、シミュレーションにより求めた値である。
【００７１】
本実施の形態においては、組成変調層６、高濃度薄層５、第１コレクタ層４によってコレクタ層を構成したが、組成変調層６とベース層７との間、第１コレクタ層４とサブコレクタ層３との間に新たな層を挿入することも可能である。
【００７２】
第２の実施の形態
本実施の形態によるダブルへテロ構造のＨＢＴの断面図を図１５に示す。
【００７３】
例えば、半絶縁性のＧａＡｓからなる半導体基板１７の上に、ｎ+型のＧａＡｓからなるサブコレクタ層１９、ｎ-型のＧａＡｓからなる第２コレクタ層２０、ｎ-型のＡｌＧａＡｓからなる第１コレクタ層（ホールブロック層）２１、ｎ+型のＡｌＧａＡｓからなる高濃度薄層２２、例えばｎ-型のＡｌＧａＡｓからなる組成変調層２３、ｐ+型のＧａＡｓからなるベース層２４、例えばｎ-型のＡｌＧａＡｓからなる厚さ１０ｎｍ程度の組成変調層２５、ｎ+型のＩｎＧａＰからなる高濃度薄層２６、ｎ-型のＩｎＧａＰからなる第１エミッタ層（ホールブロック層）２７、ｎ-型のＡｌＧａＡｓからなる第２エミッタ層２８、ｎ+型のＧａＡｓからなる第３エミッタ層２９、ｎ+型のＩｎＧａＡｓからなるエミッタキャップ層３０が順次積層されている。
【００７４】
エミッタキャップ層３０の上にはエミッタ電極１３が形成され、ベースコンタクト形成のために、エミッタキャップ層３０、第３エミッタ層２９、第２エミッタ層２８、第１エミッタ層２７、高濃度薄層２６の一部が除去され、メサ構造が形成されている。ベース電極１４は、図１に示したと同様に、組成変調層２５の上に形成した後、熱処理によってベース電極１４と組成変調層２５の構成元素を主要な成分とする合金化層をベース電極１４とベース層２４との間に形成し、これによってベース層２４とのオーミックコンタクトを形成してもよいし、或いは図２に示したと同様に（図１５のように）、ベース電極１４直下の組成変調層２５を除去し、ベース層２４に直接オーミックコンタクトを形成してもよい。
【００７５】
コレクタ電極１５の形成のためにもメサ構造が形成され、サブコレクタ層１９の上部にはコレクタ電極１５が形成されている。
【００７６】
エミッタ電極１３、ベース電極１４、コレクタ電極１５は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層体から形成されている。
【００７７】
また、電極と接していない半導体表面は、例えばＳｉ3Ｎ4からなる絶縁膜１６により覆われている。
【００７８】
サブコレクタ層１９はｎ+型のＧａＡｓからなり、厚さ３００〜５００ｎｍ程度、濃度５×１０18〜２×１０19ｃｍ-3程度である。ｎ-型のＧａＡｓからなる第２コレクタ層２０は厚さ１００〜７００ｎｍ程度、濃度１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3程度であり、ｎ-型のＡｌＧａＡｓからなる第１コレクタ層２１は、厚さ１０〜１００ｎｍ程度、濃度１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3程度（シートドーピング濃度で１×１０10〜１×１０12ｃｍ-2程度）であり、ｎ+型のＡｌＧａＡｓからなる高濃度薄層２２は厚さ５ｎｍ以下、シートドーピング濃度５×１０11ｃｍ-2程度であり、ｎ-型のＡｌＧａＡｓからなる組成変調層２３は厚さ１０〜５０ｎｍ程度、濃度１×１０16ｃｍ-3〜１×１０17ｃｍ-3程度（シートドーピング濃度で１×１０10〜５×１０11ｃｍ-2程度）である。
【００７９】
ｐ+型のＧａＡｓからなるベース層２４は厚さ３０〜１００ｎｍ程度、濃度１×１０19〜５×１０19ｃｍ-2程度であり、ｎ-型のＡｌＧａＡｓからなる組成変調層２５は厚さ１０ｎｍ程度、濃度１×１０17ｃｍ-3（シートドーピング濃度で２×１０11ｃｍ-2）以下であり、ｎ+型のＩｎＧａＰからなる高濃度薄層２６は厚さ５ｎｍ程度以下、シートドーピング濃度１×１０12ｃｍ-2程度である。
【００８０】
ｎ-型のＩｎＧａＰからなる第１エミッタ層２７は厚さ５〜１００ｎｍ程度、濃度１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3（シートドーピング濃度で１×１０11〜１×１０13ｃｍ-2）程度であり、ｎ-型のＡｌＧａＡｓからなる第２エミッタ層２８は厚さ５０〜２００ｎｍ程度、濃度１×１０17ｃｍ-3程度以上であって、第１エミッタ層２７と第３エミッタ層２９のポテンシャルがなめらかにつながるようにＡｌ組成が変調されており、濃度も一様でなくてよい。ｎ+型のＧａＡｓからなる第３エミッタ層２９は厚さ５０ｎｍ程度、濃度５×１０18〜２×１０19ｃｍ-3程度であり、ｎ+型のＩｎＧａＡｓからなるエミッタキャップ層３０は厚さ５０ｎｍ程度、濃度１×１０19〜２×１０19ｃｍ-3程度である。
【００８１】
図１６（Ａ）、（Ｂ）は、図１５に示すＨＢＴに対応する、基板に垂直な方向のエネルギーバンド図であり、伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖのエネルギー準位を示している。
【００８２】
なお、第１エミッタ層２７及び第１コレクタ層２１は、電子親和力（基準ゼロレベルから伝導帯レベルＥｃまでのエネルギー差）とバンドギャップ（伝導帯レベルＥｃと価電子帯レベルＥｖとの差）の和がベース層２４のそれよりも大きいホールブロック層として機能する。
【００８３】
また、第１コレクタ層２１は移動度が低いという問題があるが、第１コレクタ層２１とサブコレクタ層１９との間に、第１コレクタ層２１よりも移動度が高い第２コレクタ層２０を挿入しているので、コレクタ層の移動度（動作速度）は十分となる。これは、コレクタ層が、電子親和力とバンドギャップとの和が、ベース層２４のそれよりも大きなホールブロック層２１と、このホールブロック層２１よりも電子親和力とバンドギャップとの和が小さな層２０とからなっているからである。
【００８４】
その他、上述した第１の実施の形態で述べたと同様の作用及び効果が得られる。
【００８５】
第３の実施の形態
本実施の形態によるダブルヘテロ構造のＨＢＴの断面図を図１７に示す。
【００８６】
本実施の形態では、ＧａＡｓ基板上に形成され、ＧａＡｓを主たる構成要素としながらベース層の電子親和力がＧａＡｓよりも大きな場合を示す。例えば、半絶縁性のＧａＡｓからなる半導体基板３１の上に、ｎ+型のＧａＡｓからなるサブコレクタ層３３、ｎ-型のＧａＡｓからなるコレクタ層３４、ｎ+型のＧａＡｓからなる高濃度薄層３６、例えばｎ-型のＩｎＧａＡｓ層からなる組成変調層３７、ｐ+型のＩｎＧａＡｓからなるベース層３８、例えばｎ-型のＡｌＩｎＧａＡｓからなる厚さ１０ｎｍ程度の組成変調層３９、ｎ+型のＩｎＧａＰからなる高濃度薄層４０、ｎ-型のＩｎＧａＰからなる第１エミッタ層４１、ｎ型のＧａＡｓからなる第２エミッタ層４２、ｎ+型のＩｎＧａＡｓからなるエミッタキャップ層４３が順次積層されている。
【００８７】
エミッタキャップ層４３の上にはエミッタ電極１３が形成され、ベースコンタクト形成のために、エミッタキャップ層４３、第２エミッタ層４２、第１エミッタ層４１、高濃度薄層４０の一部が除去され、メサ構造が形成されている。ベース電極１４は、図１に示したと同様に、組成変調層３９の上に形成した後、熱処理によってベース電極１４と組成変調層３９の構成元素を主要な成分とする合金化層をベース電極１４とベース層３８との間に形成し、これによってベース層３８とのオーミックコンタクトを形成してもよいし、或いは図２に示したと同様に（図１７のように）、ベース電極１４直下の組成変調層３９を除去し、ベース層３８に直接オーミックコンタクトを形成してもよい。
【００８８】
コレクタ電極１５の形成のためにもメサ構造が形成され、サブコレクタ層３３の上部にはコレクタ電極１５が形成されている。
【００８９】
エミッタ電極１３、ベース電極１４、コレクタ電極１５は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層体から形成されている。
【００９０】
また、電極と接していない半導体表面は、例えばＳｉ3Ｎ4からなる絶縁膜１６により覆われている。
【００９１】
サブコレクタ層３３はｎ+型のＧａＡｓからなり、厚さ３００〜５００ｎｍ程度、濃度５×１０18〜２×１０19ｃｍ-3程度、ｎ-型のＧａＡｓからなるコレクタ層３４は厚さ３００〜７００ｎｍ程度、濃度１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3程度であり、ｎ+型のＧａＡｓからなる高濃度薄層３６は厚さ５ｎｍ程度以下、シートドーピング濃度は５×１０11ｃｍ-2程度であり、ｎ-型のＩｎＧａＡｓからなる組成変調層３７は厚さ１０〜５０ｎｍ程度、濃度１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3程度（シートドーピング濃度で１×１０10〜５×１０11ｃｍ-2程度）である。
【００９２】
ｐ+型のＩｎＧａＡｓからなるベース層３８は厚さ３０〜１００ｎｍ程度、濃度１×１０19〜５×１０19ｃｍ-3程度、ｎ-型のＡｌＩｎＧａＡｓからなる組成変調層３９は厚さ１０ｎｍ程度、濃度１×１０17ｃｍ-3以下（シートドーピング濃度で２×１０11ｃｍ-2以下）であり、ｎ+型のＩｎＧａＰからなる高濃度薄層４０は厚さ５ｎｍ程度以下、シートドーピング濃度１×１０12ｃｍ-2程度である。
【００９３】
ｎ-型のＩｎＧａＰからなる第１エミッタ層４１は厚さ５〜５０ｎｍ程度、濃度１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3（シートドーピング濃度で５×１０10〜５×１０12ｃｍ-2）であり、ｎ型のＧａＡｓからなる第２エミッタ層４２は厚さ５０〜２００ｎｍ程度、濃度は１×１０17ｃｍ-3程度以上であるが、一様でなくてもよい。第１エミッタ層４１とポテンシャルがなめらかにつながるように第１エミッタ層４１と第２エミッタ層４２との間にＡｌＧａＡｓ層を挿入してもよい。ｎ+型のＩｎＧａＡｓからなるエミッタキャップ層４３は厚さ５０ｎｍ程度、濃度１×１０19〜２×１０19ｃｍ-3程度である。
【００９４】
本実施の形態では、ベース層にＩｎＧａＡｓを使用した場合を示したが、ＧａＡｓよりも電子親和力が大きなその他の材料、例えば、ＧａＩｎＮＡｓやＧａＡｓＳｂなどを用いることもできる。また、本実施の形態では、ＧａＡｓ基板上に形成されたＧａＡｓを主たる構成要素とする場合を示したが、ＧａＡｓ基板３１とサブコレクタ層３３との間に適切なバッファ層を挿入することにより、ＧａＡｓとは格子定数が異なる材料を主たる構成要素とすることもできる。
【００９５】
図１８（Ａ）、（Ｂ）は、図１７に示すＨＢＴに対応する、基板に垂直な方向のエネルギーバンド図であり、伝導帯Ｅｃと価電子帯Ｅｖのエネルギー準位を示している。
【００９６】
なお、第１エミッタ層４１は、電子親和力（基準ゼロレベルから伝導帯レベルＥｃまでのエネルギー差）とバンドギャップ（伝導帯レベルＥｃと価電子帯レベルＥｖとの差）の和がベース層３８のそれよりも大きいホールブロック層として機能する。
【００９７】
その他、上述した第１の実施の形態で述べたと同様の作用及び効果が得られる。
【００９８】
第４の実施の形態
図１９〜図２３は、図１又は図２に示した組成変調層の材質と層構成を変更した本発明の第４の実施の形態によるＤＨＢＴの概略構成を示し、クラスＡＢのＣＤＭＡ動作における非急峻接合ＩｎＰ系ＤＨＢＴ電力増幅器に係わるものである。
【００９９】
まず、この電力増幅器の概要を説明する。この例では、伝導帯における急峻なバリアを除去するのに、エミッタ・ベース接合及びベース・コレクタ接合にＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層（superlattice layer）を挿入する。この非急峻接合は、コレクタ電流−電圧特性における低いニー電圧をもたらして、高効率、低歪み動作を可能にする。
【０１００】
本発明者は、例えば、３２０μｍ2の大エミッタ−面積デバイスを作製し、９００ＭＨｚのＷＣＤＭＡクラスＡＢ動作における隣接チャネル漏洩パワー比（ＡＣＬＲ）−４１ｄＢｃ及び供給電圧３．５ＶでＰＡＥ５４％、出力パワー１６．０ｄＢｍを得た。全コレクタ消費電流は２１ｍＡであった。これによって、ＩｎＰ関連材料を用いて、未来型モバイルコミュニケーションシステム用の低供給電圧のＰＡモジュールを実現することができる。
【０１０１】
Ｉ．はじめに
開発中の次世代モバイルコミュニケーションシステムは、電力増幅器のハンドセット（handset）において、特に低出力パワーレベルでの高効率及び線形性を同時に達成することが要求されている。ＲＦモバイルシステムにとっての通常アプローチは、ＲＦ電力増幅器にガリウム−ヒ素（ＧａＡｓ）又はシリコンＬＤＭＯＳを用いることである［ [1]T.B.Nishimura et al.; 2001 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium MON2B-1. [2]D.M.H.Hartskeerl et al.; 2001 IEEE Radio Frequency Integrated Circuits Symposium RTU3A-3］。ＩｎＰを基本としたダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＤＨＢＴ）は、ＧａＡｓ又はシリコンに対しターン・オン電圧が６５％低いため、低電源電圧動作を実現することができる。ＩｎＰを基本としたダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＤＨＢＴ）は高周波特性の検討は数多くされてきたが、８００ＭＨｚ〜２１００ＭＨｚの周波数帯域のモバイルハンドセット用の大エミッタ−面積デバイスでの高効率特性についての検討は数少ない。
【０１０２】
本発明者は、これらの接合にＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層を挿入し、適度なドーピングプロファイルを形成することによって、コレクタ電流−電圧特性における低ニー電圧が可能なことを見い出した。そして、３２０μｍ2の大エミッタ−面積デバイスを用いて、９００ＭＨｚのＷ−ＣＤＭＡクラスＡＢ動作における隣接チャネル漏洩パワー比（ＡＣＬＲ）−４１ｄＢｃ及び供給電圧３．５ＶでＰＡＥ５４％、出力パワー１６．０ｄＢｍを得た。全コレクタ消費電流は２１ｍＡであった。これらの結果は、ＩｎＰ系ＤＨＢＴについてモバイルコミュニケーションシステムにおける高効率ＰＡの実現を保証する。
【０１０３】
II．ＨＢＴ構造及び実験
図１９には、半絶縁性のＳ．Ｉ．ＩｎＰ基板１’上にＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ  ＤＨＢＴを設けたデバイス構造を示す。ＩｎＧａＡｓを下層、ＩｎＡｌＡｓを上層とするＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓからなる超格子層８’及び６’がそれぞれ、エミッタ・ベース及びベース・コレクタ接合における伝導帯バリアを除去するために挿入される。即ち、例えば、ｎ+−ＩｎＰからなる高濃度薄層９’と、ｐ+−ＩｎＧａＡｓからなるベース層７’との間、及びベース層７’とｎ+−ＩｎＰからなる高濃度薄層５’との間に挿入されるＡｌＩｎＧａＡｓ組成変調層として、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ａｓ組成変調層（但し、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、好ましくは０≦ｘ≦０．５、０．５≦ｙ≦０．６である。）が、組成割合の異なる複数の層、例えば、厚さ２ｎｍのＩｎＧａＡｓと厚さ２ｎｍのＩｎＡｌＡｓとが互いに積層された構造８’及び６’からなっている。
【０１０４】
ここで、高濃度ドープされた薄いＩｎＰ高濃度薄層９’及び５’が、上部超格子層の上及び下部超格子層の下に挿入されることによって、バイアス中の伝導帯バリアが低減される。コレクタ層４’の全厚は、１５Ｖ以上の高破壊電圧を得るために５００ｎｍとされる。なお、図中の３’はｎ+−ＩｎＧａＡｓサブコレクタ層、４’はｎ-−ＩｎＰコレクタ層、１０’はｎ-−ＩｎＰ第１エミッタ層、１１’はｎ+−ＩｎＰ第２エミッタ層、１２’はｎ+−ＩｎＧａＡｓエミッタキャップ層であり、バッファ層は図示省略している。
【０１０５】
こうしたデバイスを構築する上で、非セルフアライン法及びウェット化学エッチングを用い、また、オーミック電極のために合金化されたＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを用いる（ここでは図示せず）及び金めっきされたエアブリッジ相互接続を用いる（ここでは図示せず）。ＤＣ及びＲＦパワー性能は、３２０μｍ2のエミッタ−面積デバイス（４μｍ×２０μｍ×４本）を用いることによって測定された。このパワー性能は、効率マッチング条件下でロードプルシステムで測定された。
【０１０６】
III．結果及び考察
Ａ．ＤＣ特性
図２０は、非急峻エミッタ・ベース（ＥＢ）及びベース・コレクタ（ＢＣ）接合と、急峻ＥＢ接合及び非急峻ＢＣ接合をそれぞれ有するＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ  ＤＨＢＴの共通エミッタＩ−Ｖ特性を示す。ベースバイアス電圧は、急峻ＥＢ接合デバイスでは０．７０〜０．８６Ｖ、非急峻ＥＢ接合デバイスでは０．７０〜０．７８Ｖとした。ここで、コレクタ電流がゼロのときの電流をＶoffset、コレクタ電流が１０ｋＡ／ｃｍ2となったときの電圧をＶxと定義した。
【０１０７】
図１９に示した如きエミッタ・ベース接合及びベース・コレクタ接合が非急峻なＤＨＢＴは６０ｍＶのＶoffsetを示すが、これは急峻ＥＢ接合デバイスのそれよりも８０ｍＶも低い。Ｖxは２３４ｍＶであり、急峻ＥＢ接合デバイスのそれよりも１５０ｍＶ低い。このことは、エミッタ・ベース及びベース・コレクタ接合での伝導帯バリアが超格子層８’、６’の挿入によって効果的に除去されることを示している。
【０１０８】
図２１は、この非急峻接合のＩｎＰ系ＤＨＢＴのＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ  ＤＨＢＴのガンメルプロット（Gummel Plot）を示す。この測定ではコレクタ電圧を１Ｖに固定したところ、電流ゲイン（β）９３を得た。エミッタ・ベース接合及びやや厚くて高ドーピングのベース層（７５ｎｍ厚、２×１０19ｃｍ-3のＣドーピング）においてＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子層を挿入したにも拘らず、上記のβはモバイルシステムでの電力増幅器への応用にとって十分に高いものである。
【０１０９】
Ｂ．ＲＦ小信号特性
図２２は、３２０μｍ2のエミッタ−周辺デバイスに適用した図１９のＩｎＰ系ＤＨＢＴについてのコレクタ電流を関数とした電流カットオフ周波数ｆＴ及び最大発振周波数ｆmaxを示す。このＤＨＢＴのコレクタバイアス電圧は３．５Ｖと１．５Ｖに固定して、バイアス電圧低減時のｆＴとｆmaxの減少を確認した。このＤＨＢＴのコレクタバイアス電圧を３．５Ｖとし、電流が３ｍＡになったときのパワー測定点において、ｆＴが８．８ＧＨｚ、ｆmaxが１５．１ＧＨｚとなる。コレクタバイアス電圧を１．５Ｖに下げると、ｆＴが８．５ＧＨｚ、ｆmaxが１０．７ＧＨｚとなった。このデバイスは、Ｗ−ＣＤＭＡへの応用にとって十分なｆＴ及びｆmaxを実現した。
【０１１０】
Ｃ．パワー性能
このＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ  ＤＨＢＴ（３２０μｍ2）のパワー性能が、Ｉc＝３ｍＡとしたときの効率マッチング条件下でＶce＝３．５Ｖにおいて測定された。９００ＭＨｚのＷ−ＣＤＭＡ（Release 99）変調下で、線形パワー効率及びＡＣＬＲが入力パワーの関数として測定された。ここで、入力インピーダンスを４７．１＋ｊ４．８Ω、出力インピーダンスを１４１−ｊ３３Ωに固定して、適切な出力パワー下でのＰＡＥを最大とした。
【０１１１】
図２３に示す結果から、この測定でのＰsat点を決めることができなかったが、入力パワー０．７９ｄＢｍでのＰＡＥ最大値６６．４％を得た。４．４ｄＢ（ＰＡＥ最大値からのバックオフレベル(back-off level)）において低ＡＣＬＲ−４１ｄＢｃで出力パワー１６．０ｄＢｍ、ＰＡＥ５４％を得た。このＰＡＥの測定値は、効率マッチング測定条件下で急峻ＥＢ接合のＨＢＴのそれよりも４％高かった。この入力レベルにおいてコレクタ電流は２１ｍＡに増加したが、なお少ないものであった。これらの結果はモバイルコミュニケーションシステムにおいて、このＩｎＰ系ＤＨＢＴはＧａＡｓ系ＤＨＢＴと競合し、高効率、高線形性のＰＡを達成するための強力な候補の１つであることを示す。
【０１１２】
IV．結論
上記したように、エミッタ・ベース及びベース・コレクタ接合の双方において、超格子層を挿入した非急峻ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ  ＤＨＢＴを作製し、これを３２０μｍ2の大エミッタ−面積デバイスに適用すると、９００ＭＨｚのＷ−ＣＤＭＡクラスＡＢ動作においてＡＣＬＲ−４１ｄＢｃ及び供給電圧３．５ＶでＰＡＥ５４％、出力パワー１６．０ｄＢｍを示した。ＰＡＥの向上は、非急峻接合のＤＨＢＴのＩ−Ｖ特性における低Ｖoffset及びＶxの低減によるものであった。低コレクタ電流と高ＰＡＥとの組み合せは、ＩｎＰ系ＨＢＴがモバイルコミュニケーションシステムでのＰＡの高性能化にとって好適であることを示している。
【０１１３】
以上に述べた実施の形態は、本発明の技術的思想に基づいて種々に変形可能である。
【０１１４】
例えば、上述の高濃度薄層をはじめ各層の不純物濃度や厚さは変更してよい。上述の第１〜第３の実施の形態における組成変調層について、ＡｌxＩｎyＧａ(1-x-y)Ａｓ（但し、０≦ｘ＜１、０＜ｙ＜１）の範囲で組成比を変化させてよい。
【０１１５】
また、コレクタ層、ベース層及びエミッタ層の積層体のメサ構造の形状や各層に接続する電極の配置などは、上述の実施の形態に限定されず、種々の形状、配置を採用することができる。
【０１１６】
また、上述の実施形態においてはｎｐｎ型のバイポーラトランジスタについて説明しているが、本発明はｐｎｐ型に適用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
高い電流駆動能力を有し、電力増幅器用デバイスとして優れ、単一電源動作が容易であり、移動体通信端末用電力増幅器等に有用であって、ニー電圧（Ｖk）の充分な低減を可能としながら、ベースコンタクト形成が容易であり、コレクタの速度性能が劣化しないデバイス構造のＨＢＴ。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるＨＢＴの断面図である。
【図２】同、別の構造のＨＢＴの断面図である。
【図３】本発明に基づくＨＢＴを説明するためのｔｙｐｅ−ＡのＨＢＴのバンド図である。
【図４】本発明に基づくＨＢＴを説明するためのｔｙｐｅ−ＢのＨＢＴのバンド図である。
【図５】本発明に基づくＨＢＴを説明するためのｔｙｐｅ−ＣのＨＢＴのバンド図である。
【図６】本発明に基づくＨＢＴを説明するためのｔｙｐｅ−Ｂ及びｔｙｐｅ−ＣのＨＢＴの電流−電圧特性図である。
【図７】本発明に基づくＨＢＴを説明するためのｔｙｐｅ−Ｂ及びｔｙｐｅ−ＤのＨＢＴの電流−電圧特性図である。
【図８】本発明に基づくＨＢＴを説明するためのｔｙｐｅ−ＤのＨＢＴのバンド図である。
【図９】本発明に基づくＨＢＴを説明するためのｔｙｐｅ−Ｄ及びｔｙｐｅ−ＥのＨＢＴの電流−電圧特性図である。
【図１０】本発明に基づくＨＢＴを説明するためのｔｙｐｅ−ＥのＨＢＴのバンド図である。
【図１１】本発明に基づくＨＢＴを説明するためのｔｙｐｅ−ＦのＨＢＴのバンド図である。
【図１２】本発明に基づくＨＢＴを説明するためのｔｙｐｅ−Ｅ及びｔｙｐｅ−ＦのＨＢＴの電流−電圧特性図である。
【図１３】本発明に基づくｔｙｐｅ−ＧのＨＢＴのバンド図である。
【図１４】本発明に基づくｔｙｐｅ−ＧのＨＢＴ及びｔｙｐｅ−ＦのＨＢＴの電流−電圧特性図である。
【図１５】本発明の第２の実施の形態によるＨＢＴの断面図である。
【図１６】同、ＨＢＴのバンド図である。
【図１７】本発明の第３の実施の形態によるＨＢＴの断面図である。
【図１８】同、ＨＢＴのバンド図である。
【図１９】本発明の第４の実施の形態によるＨＢＴの概略断面図である。
【図２０】同、ＨＢＴのＩc−Ｖce特性図である。
【図２１】同、ＨＢＴのＩ−Ｖb特性図である。
【図２２】同、ＨＢＴのｆ−Ｉc特性図である。
【図２３】同、ＨＢＴのパワー特性図である。
【図２４】従来のＨＢＴの断面図である。
【図２５】従来の他のＨＢＴの断面図である。
【図２６】ＨＢＴの電流−電圧特性図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１、１７、３１…半導体基板、２…バッファ層、３、１９、３３…サブコレクタ層、
４、２１…第１コレクタ層、５、９、２２、２６、３６、４０…高濃度薄層、
６、８、２３、２５、３７、３９…組成変調層、７、２４、３８…ベース層、
１０、２７、４１…第１エミッタ層、１１、２８、４２…第２エミッタ層、
１２、３０、４３…エミッタキャップ層、１３…エミッタ電極、１４…ベース電極、
１４ａ…オーミックコンタクト部、１５…コレクタ電極、１６…絶縁膜、
２０、３４…第２コレクタ層、２９…第３エミッタ層
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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