(57)【要約】【課題】臨界膜厚を厚くすることができるバイポーラトランジスタを提供することにある。【解決手段】基板１上に核形成層２を形成し、核形成層２上にコレクタ電極層１１を形成し、コレクタ電極層１１上にノンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるコレクタ層１２を形成し、コレクタ層１２上にＭｇドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎからなるベース層１３を形成し、ベース層１３上にＳｉドープＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎからなるエミッタ層１４を形成し、エミッタ層１４上にエミッタ電極層１５を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、
前記基板の表面と平行な方向に対する前記コレクタ層の格子定数と前記ベース層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴とするバイポーラトランジスタ。
【請求項２】
前記コレクタ層は、基板上に形成された第１のコレクタ層と、前記第１のコレクタ層上に形成され、前記ベース層と接合する第２のコレクタ層を備え、
前記第２のコレクタ層は、組成傾斜構造を有することを特徴とする請求項１に記載のバイポーラトランジスタ。
【請求項３】
基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、
前記基板の表面と平行な方向に対する前記コレクタ層の格子定数と前記ベース層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下で、かつ、前記基板の表面と平行な方向に対する前記ベース層の格子定数と前記エミッタ層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴とするバイポーラトランジスタ。
【請求項４】
基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、
前記基板の表面と平行な方向に対する前記ベース層の格子定数と前記エミッタ層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴とするバイポーラトランジスタ。
【請求項５】
前記エミッタ層は、前記ベース層上に形成された第１のエミッタ層と、前記第１のエミッタ層上に形成された第２のエミッタ層を備え、
前記第１のエミッタ層は、組成傾斜構造を有することを特徴とする請求項４に記載のバイポーラトランジスタ。
【請求項６】
前記コレクタ層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎｘｃ（ＡｌｙｃＧａ１−ｙｃ）１−ｘｃＮ（ただし、０≦ｘｃ≦１かつ０≦ｙｃ≦１）を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のバイポーラトランジスタ。
【請求項７】
前記ベース層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎｘｂ（ＡｌｙｂＧａ１−ｙｂ）１−ｘｂＮ（ただし、０≦ｘｂ≦１かつ０≦ｙｂ≦１）を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のバイポーラトランジスタ。
【請求項８】
前記エミッタ層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎｘｅ（ＡｌｙｅＧａ１−ｙｅ）１−ｘｅＮ（ただし、０≦ｘｅ≦１および０≦ｙｅ≦１）を含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のバイポーラトランジスタ。
【請求項９】
前記エミッタ層を形成する窒化物半導体材料が、ＩｎｚｅＡｌ１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）であり、前記コレクタ層および前記ベース層を形成する窒化物半導体材料が、ＩｎｚｂＧａ１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のバイポーラトランジスタ。
【請求項１０】
前記エミッタ層および前記コレクタ層を形成する窒化物半導体材料が、ＩｎｚｅＡｌ１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）であり、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料が、ＩｎｚｂＧａ１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の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、窒化物半導体から形成されたヘテロ接合を有するバイポーラトランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
エミッタ層にベース層よりもエネルギー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（以下、ＨＢＴとする。）は、高速・高周波素子として優れた特性を有しており、さまざまな応用が期待されている。ＧａＡｓ基板上にＨＢＴを形成する場合、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの組み合わせやＩｎＧａＰとＧａＡｓの組み合わせを基本とする半導体材料の形成が、実用上最も重要度が高くかつ広範に用いられている。また、ＩｎＰ基板上にＨＢＴを形成する場合には、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓの組み合わせを基本とする半導体材料の形成が、実用上最も重要度が高くかつ広範に用いられている。
【０００３】
一方、ＧａＮをはじめとした窒化物半導体は、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有しており、高周波のハイパワーデバイス向けの材料として優れている。したがって、窒化物半導体でＨＢＴを形成した場合、デバイス面および材料面から、高周波領域で極めて高い出力を発揮するデバイスを作製することが期待できる。窒化物半導体でＨＢＴを形成する場合、他のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成されたＨＢＴと同様にエミッタ層およびコレクタ層をｎ型、ベース層をｐ型とするのが一般的である。窒化物半導体系ＨＢＴにおいては、コレクタ層をｎ型ＧａＮ、ベース層をｐ型ＩｎＧａＮ、そしてエミッタ層をｎ型ＡｌＧａＮで形成することが多い。広く用いられている窒化物半導体系ＨＢＴの形成においては、ベース層であるＩｎＧａＮのＩｎ組成は０．１前後であり、また、エミッタ層であるＡｌＧａＮのＡｌ組成は０．２前後である（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】T.Makimoto et al. Phys. Stat. Sol.(c), vol.Opp.95-98,(2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
コレクタ層をｎ型ＧａＮ、ベース層をｐ型ＩｎＧａＮ、そしてエミッタ層をｎ型ＡｌＧａＮで形成した窒化物半導体系ＨＢＴでは、基板表面に平行な方向に対するコレクタ層、ベース層およびエミッタ層の各格子定数（通常用いられる窒化物は六方晶であり、かつ、基板表面はいわゆるＣ面であるから、ここでいう格子定数はａ軸方向の格子定数である）は、０．３１８９ｎｍ、０．３２２４ｎｍ、０．３１７４ｎｍである。すなわち、ベース層とエミッタ層の格子定数差は−１．５％である。このため、ＩｎＧａＮベース層上にＡｌＧａＮエミッタ層を形成する場合、上記の格子定数差に起因して、ある一定の厚さ（臨界膜厚）以上のＡｌＧａＮエミッタ層を形成すると、ＡｌＧａＮ層にヒビ（クラック）が入り、電気特性が劣化する。
【０００５】
一方、コレクタ層とベース層の格子定数差は＋１％であることから、コレクタ層であるＧａＮ層上にＩｎ組成０．１であるＩｎＧａＮベース層を形成する場合、上記の格子定数差に起因して、ある一定の厚さ（臨界膜厚）以上のＩｎＧａＮベース層を形成すると、ＩｎＧａＮベース層が２次元的に堆積せず、局所的に凝集して島状の構造を形成する。または、ピット状の陥没領域を形成する。よって、ＩｎＧａＮベース層の厚さが基板面内において不均一になる。また、ｎ型ＧａＮコレクタ層およびｐ型ＩｎＧａＮベース層の各格子定数が０．３１８９ｎｍ、０．３２２４ｎｍである場合、ｐ型ＩｎＧａＮベース層の臨界膜厚の厚さは１００ｎｍ程度と薄く、ベース抵抗を充分に下げることができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、臨界膜厚を厚くすることができるバイポーラトランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的達成のため、本発明に係るバイポーラトランジスタでは、基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、前記基板の表面と平行な方向に対する前記コレクタ層の格子定数と前記ベース層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２に記載のように、前記コレクタ層は、基板上に形成された第１のコレクタ層と、前記第１のコレクタ層上に形成され、前記ベース層と接合する第２のコレクタ層を備え、前記第２のコレクタ層は、組成傾斜構造を有することを特徴としている。
【０００９】
また、本発明に係るバイポーラトランジスタでは、基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、前記基板の表面と平行な方向に対する前記コレクタ層の格子定数と前記ベース層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下で、かつ、前記基板の表面と平行な方向に対する前記ベース層の格子定数と前記エミッタ層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明に係るバイポーラトランジスタでは、基板上に形成された窒化物半導体材料からなるコレクタ層と、前記コレクタ層上に形成された窒化物半導体材料からなるベース層と、前記ベース層上に形成され、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料よりもエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料からなるエミッタ層を少なくとも備えたバイポーラトランジスタにおいて、前記基板の表面と平行な方向に対する前記ベース層の格子定数と前記エミッタ層の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項５に記載のように、前記エミッタ層は、前記ベース層上に形成された第１のエミッタ層と、前記第１のエミッタ層上に形成された第２のエミッタ層を備え、前記第１のエミッタ層は、組成傾斜構造を有することを特徴としている。
【００１２】
また、請求項６に記載のように、前記コレクタ層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎｘｃ（ＡｌｙｃＧａ１−ｙｃ）１−ｘｃＮ（ただし、０≦ｘｃ≦１かつ０≦ｙｃ≦１）を含むことを特徴としている。
【００１３】
また、請求項７に記載のように、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎｘｂ（ＡｌｙｂＧａ１−ｙｂ）１−ｘｂＮ（ただし、０≦ｘｂ≦１かつ０≦ｙｂ≦１）を含むことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項８に記載のように、前記エミッタ層を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎｘｅ（ＡｌｙｅＧａ１−ｙｅ）１−ｘｅＮ（ただし、０≦ｘｅ≦１および０≦ｙｅ≦１）を含むことを特徴としている。
【００１５】
また、請求項９に記載のように、前記エミッタ層を形成する窒化物半導体材料が、ＩｎｚｅＡｌ１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）であり、前記コレクタ層および前記ベース層を形成する窒化物半導体材料が、ＩｎｚｂＧａ１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）であることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項１０に記載のように、前記エミッタ層および前記コレクタ層を形成する窒化物半導体材料が、ＩｎｚｅＡｌ１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）であり、前記ベース層を形成する窒化物半導体材料が、ＩｎｚｂＧａ１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、コレクタ層の格子定数とベース層の格子定数との差を±０．３％以内にすることで、ベース層の臨界膜厚を厚くすることができる。そのため、ベース層の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。同様に、ベース層の格子定数とエミッタ層の格子定数との差を±０．３％以内にすることで、エミッタ層の臨界膜厚を厚くすることができる。そのため、エミッタ層の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。
【００１８】
また、コレクタ層において、第２のコレクタ層を組成傾斜構造とすることにより、コレクタ層とベース層の接合部分に存在するエネルギー禁制帯幅の不連続部分、すなわち、走行する電子にとってのエネルギー障壁を除去することができ、電子ブロッキング効果の発生を抑制することができる。
【００１９】
また、エミッタ層において、第１のエミッタ層を組成傾斜構造とすることにより、ベース層とエミッタ層の接合部分に存在するエネルギー禁制帯幅の不連続部分を除去することができる。よって、エミッタ層からベース層に電子を注入するのに必要な電圧（オン電圧）を低減することができ、低電力動作が可能となる。
【００２０】
また、エミッタ層を形成する窒化物半導体材料とコレクタ層を形成する窒化物半導体材料を同一の材料とし、ベース層を形成する窒化物半導体材料をエミッタ層およびコレクタ層を形成する窒化物半導体材料と相違させることで、ベース層を中心としてコレクタ層とエミッタ層が対称に形成されるので、コレクタ層とエミッタ層の非対称性に起因する、トランジスタ動作がオンになるコレクタ層−エミッタ層間の印加電圧（オフセット電圧）を低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の第１乃至第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０乃至５０について、図１乃至図６を参照して説明する。まず、窒化物半導体材料の３元混晶および４元混晶の格子定数について説明する。図１は、ＧａＮ、ＡｌＮおよびＩｎＮとそれらを組み合わせて形成される３元混晶および４元混晶の格子定数とエネルギー禁制帯幅の関係を示す図である。図１の境界の実線上は３元混晶、内部は４元混晶の値を示す。例えば、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＮから形成されるベース層１３（図２参照）上に、図１中の破線で示した領域（格子定数０．３２１４〜０．３２３４ｎｍの範囲）にある組成を持った３元混晶もしくは４元混晶の窒化物半導体材料から形成されるエミッタ層１４（図２参照）を形成する場合、ベース層１３とエミッタ層１４の接合部分のａ軸方向、すなわち、基板１（図２参照）の表面と平行な方向の格子定数の差が±０．３％以内となる。これから、ベース層１３およびエミッタ層１４の臨界膜厚を厚くすることができる。同様に、Ｉｎ組成０．１のＩｎＧａＮから形成されるコレクタ層１２（図２参照）上に、図１中の破線で示した領域（格子定数０．３２１４〜０．３２３４ｎｍの範囲）にある組成を持った３元混晶もしくは４元混晶の窒化物半導体材料から形成されるベース層１３を形成する場合、コレクタ層１２とベース層１３の接合部分のａ軸方向の格子定数の差が±０．３％以内となる。これから、コレクタ層１２およびベース層１３の臨界膜厚を厚くすることができる。
【００２２】
（第１の実施形態）
次に、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０について図２を参照して説明する。図２は、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０の積層構造を示す構造図である。第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０は、基板１、基板１上に形成された核形成層２、核形成層２上に形成されたコレクタ電極層１１、コレクタ電極層１１上に形成されたコレクタ層１２、コレクタ層１２上に形成されたベース層１３、ベース層１３上に形成されたエミッタ層１４およびエミッタ層１４上に形成されたエミッタ電極層１５から形成されている。ここで、コレクタ電極層１１は窒化物半導体材料であるＳｉドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎから形成され、コレクタ層１２は窒化物半導体材料であるノンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎから形成され、ベース層１３は窒化物半導体材料であるＭｇドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎから形成されている。また、エミッタ層１４は、ベース層１３を形成するＭｇドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりエネルギー禁制帯幅の大きい窒化物半導体材料であるＳｉドープＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎから形成され、エミッタ電極層１５は窒化物半導体材料であるＳｉドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎから形成されている。これより、バイポーラトランジスタ１０はベース層１３とエミッタ層１４間にヘテロ接合を含んでいる。
【００２３】
ここで、図１に示したように、ＡｌＮ−ＩｎＮ間曲線（境界の実線）が、ＧａＮ−ＩｎＮ間曲線より、全体的に上方にあり、エネルギー禁制帯幅が大きいことから、Ｉｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎのエネルギー禁制帯幅が、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎのエネルギー禁制帯幅より大きいことがわかる。また、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎのａ軸方向（基板１の表面と平行な方向）の格子定数は、０．３２２４ｎｍであり、Ｉｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数は、０．３２２４ｎｍである。すなわち、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎのａ軸方向の格子定数とＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数との差は０であり、いわゆる格子整合条件を満たしている。従って、ベース層１３のａ軸方向の格子定数とエミッタ層１４のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、エミッタ層１４の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、エミッタ層１４の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。
【００２４】
また、コレクタ層１２とベース層１３は同じ窒化物半導体材料、すなわち、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎから形成されているので、いわゆる格子整合条件を満たしている。よって、コレクタ層１２のａ軸方向の格子定数とベース層１３のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、ベース層１３の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、ベース層１３の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。更に、通常１００ｎｍ程度までしか形成できないベース層１３の厚さを２００ｎｍ程度まで厚くすることができ、バイポーラトランジスタ１０のベース抵抗を充分下げることも可能となる。また、コレクタ層１２、ベース層１３およびエミッタ層１４を窒化物半導体材料で形成することで、上記の効果を備えつつ、更に、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有するバイポーラトランジスタ１０を提供することができる。
【００２５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０ついて、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０と異なる点を中心に図３を参照して説明する。また、第２に実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０について、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。
【００２６】
図３は、第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０の積層構造を示す構造図である。第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０は、基板１、基板１上に形成された核形成層２、核形成層２上に形成されたコレクタ電極層１１、コレクタ電極層１１上に形成されたコレクタ層２１、コレクタ層２１上に形成されたベース層１３、ベース層１３上に形成されたエミッタ層１４およびエミッタ層１４上に形成されたエミッタ電極層１５から形成されている。第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０が、第１の実施形態と異なる点は、コレクタ層２１を形成する窒化物半導体材料が、ノンドープＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎであることだけである。よって、第１の実施形態と同様に、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎのａ軸方向の格子定数は、０．３２２４ｎｍであり、Ｉｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数も０．３２２４ｎｍであるので、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎのａ軸方向の格子定数とＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数との差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。
【００２７】
これから、コレクタ層２１のａ軸方向の格子定数とベース層１３のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、ベース層１３の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、ベース層１３の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。更に、通常１００ｎｍ程度までしか形成できないベース層１３の厚さを２００ｎｍ程度まで厚くすることができ、バイポーラトランジスタ２０のベース抵抗を充分下げることも可能となる。また、ベース層１３のａ軸方向の格子定数とエミッタ層１４のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、エミッタ層１４の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、エミッタ層１４の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。また、コレクタ層２１、ベース層１３およびエミッタ層１４を窒化物半導体材料で形成することで、上記の効果を備えつつ、更に、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有するバイポーラトランジスタ２０を提供することができる。
【００２８】
更に、第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０においては、コレクタ層２１を、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりエネルギー禁制帯幅の大きい材料であるＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎで形成することにより、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０よりも、高い破壊耐圧を備えている。また、第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０においては、ベース層１３を中心としてコレクタ層２１とエミッタ層１４が対称に形成されている。そのため、コレクタ層２１とエミッタ層１４の非対称性に起因する、バイポーラトランジスタ２０の動作がオンになるコレクタ層２１−エミッタ層１４間の印加電圧（オフセット電圧）を低減させることができる。このことにより、バイポーラトランジスタ２０は、バイポーラトランジスタ１０と比較して、低電力での動作が可能となる。
【００２９】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０ついて、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０および第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ２０と異なる点を中心に図４を参照して説明する。また、第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０について、第１および第２の実施形態と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。
【００３０】
図４は第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０の積層構造を示す構造図である。第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０は、基板１、基板１上に形成された核形成層２、核形成層２上に形成されたコレクタ電極層１１、コレクタ電極層１１上に形成された第１のコレクタ層３１、第１のコレクタ層３１上に形成された第２のコレクタ層３２、第２のコレクタ層３２上に形成されたベース層１３、ベース層１３上に形成されたエミッタ層１４およびエミッタ層１４上に形成されたエミッタ電極層１５から形成されている。第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０が、第２の実施形態と異なる点は、コレクタ層が２層構造となっていることだけである。
【００３１】
ここで、第１のコレクタ層３１は、第２の実施形態におけるコレクタ層２１と同じ窒化物半導体材料、すなわち、ノンドープＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎで形成されている。一方、第１のコレクタ層３１とベース層１３の接合部分である第２のコレクタ層３２は、ノンドープＩｎ０．２６−０．１６ｙＧａ０．９ｙＡｌ０．７４−０．７４ｙＮ（ｙは第１のコレクタ層３１からベース層１３に向かって０→１と変化する。）から形成されている。すなわち、第２のコレクタ層３２とベース層１３の接合面（ｙ＝１）では、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料はＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとなり、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料と同じである。これから、ａ軸方向の格子定数の差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。よって、第２のコレクタ層３２のベース層１３との接合面におけるａ軸方向の格子定数とベース層１３のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、ベース層１３の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、ベース層１３の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。更に、通常１００ｎｍ程度までしか形成できないベース層１３の厚さを２００ｎｍ程度まで厚くすることができ、バイポーラトランジスタ３０のベース抵抗を充分下げることも可能となる。一方、第１のコレクタ層３１と第２のコレクタ層３２の接合面（ｙ＝０）では、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料はＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎとなり、第１のコレクタ層３１を形成する窒化物半導体材料と同じである。
【００３２】
また、第１および第２の実施形態と同様に、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎのａ軸方向の格子定数は、０．３２２４ｎｍであり、Ｉｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数も０．３２２４ｎｍであるので、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎのａ軸方向の格子定数とＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数との差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。これから、ベース層１３のａ軸方向の格子定数とエミッタ層１４のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、エミッタ層１４の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、エミッタ層１４の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。また、第１のコレクタ層３１、第２のコレクタ層３２、ベース層１３およびエミッタ層１４を窒化物半導体材料で形成することで、上記の効果を備えつつ、更に、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有するバイポーラトランジスタ３０を提供することができる。
【００３３】
また、第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０では、第１のコレクタ層３１とベース層１３の接合部分である第２のコレクタ層３２を組成傾斜構造としている。これにより、第２のコレクタ層３２とベース層１３の接合面（ｙ＝１）では、第２のコレクタ層３２はＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとなり、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料と同じである。よって、第２のコレクタ層３２とベース層１３の接合面にエネルギー禁制帯幅の不連続部分が発生せず、エネルギー障壁（△Ｅｃ）を除去している。これにより、電子ブロッキング効果によるデバイス特性の劣化を抑制することが可能である。また、第２の実施形態と同様に、第１のコレクタ層３１を、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりエネルギー禁制帯幅の大きい材料であるＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎで形成することにより、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０よりも、高い破壊耐圧を備えている。
【００３４】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ４０ついて、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０および第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０と異なる点を中心に図５を参照して説明する。また、第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ４０について、第１乃至第３の実施形態と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。
【００３５】
図５は、第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ４０の積層構造を示す構造図である。第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ４０は、基板１、基板１上に形成された核形成層２、核形成層２上に形成されたコレクタ電極層１１、コレクタ電極層１１上に形成された第１のコレクタ層３１、第１のコレクタ層３１上に形成された第２のコレクタ層３２、第２のコレクタ層３２上に形成されたベース層１３、ベース層１３上に形成された第１のエミッタ層４１、第１のエミッタ層４１上に形成された第２のエミッタ層４２および第２のエミッタ層４２上に形成されたエミッタ電極層１５から形成されている。第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ４０が、第３の実施形態と異なる点は、エミッタ層が２層構造となっていることだけである。
【００３６】
ここで、第２のエミッタ層４２は、第１乃至第３の実施形態におけるエミッタ層１４と同じ窒化物半導体材料、すなわち、ＳｉドープＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎで形成されている。一方、第２のエミッタ層４２とベース層１３の接合部分である第１のエミッタ層４１は、ＳｉドープＩｎ０．２６−０．１６ｚＧａ０．９ｚＡｌ０．７４−０．７４ｚＮ（ｚはベース層１３から第２のエミッタ層４２に向かって１→０と変化する。）から形成されている。すなわち、第１のエミッタ層４１とベース層１３の接合面（ｚ＝１）では、第１のエミッタ層４１を形成する窒化物半導体材料はＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとなり、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料と同じである。これから、ａ軸方向の格子定数の差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。よって、第１のエミッタ層４１のベース層１３との接合面におけるａ軸方向の格子定数とベース層１３のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、第１のエミッタ層４１の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、第１のエミッタ層４１の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。一方、第１のエミッタ層４１と第２のエミッタ層４２の接合面（ｚ＝０）では、第１のエミッタ層４１を形成する窒化物半導体材料はＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎとなり、第２のエミッタ層４２を形成する窒化物半導体材料と同じである。
【００３７】
更に、第４の実施形態のバイポーラトランジスタ４０においては、エミッタ層を２層構造とし、ベース層に近い側のエミッタ層である第１のエミッタ層４１を組成傾斜構造としている。これによって、第１のエミッタ層４１とベース層１３の接合面（ｚ＝１）では、第１のエミッタ層４１を形成する窒化物半導体材料はＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとなり、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料と同じとなる。よって、ベース層１３と第１のエミッタ層４１間に存在するエネルギー禁制帯幅の不連続部分（△Ｅｃ）が発生せず、第１のエミッタ層４１からベース層１３に電子を注入するのに必要な電圧（オン電圧）を低減させることができ、低電力動作が可能となる。
【００３８】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ５０ついて、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０および第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ３０と異なる点を中心に図６を参照して説明する。また、第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ５０について、第１乃至第４の実施形態と同様の構造には同じ番号を付し、説明を省略する。
【００３９】
図６は、第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ５０の積層構造を示す構造図である。第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ５０は、基板１、基板１上に形成された核形成層２、核形成層２上に形成されたコレクタ電極層１１、コレクタ電極層１１上に形成された第１のコレクタ層３１、第１のコレクタ層３１上に形成された第２のコレクタ層３２、第２のコレクタ層３２上に形成されたベース層５１、ベース層５１上に形成されたエミッタ層１４およびエミッタ層１４上に形成されたエミッタ電極層１５から形成されている。第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ５０が、第３の実施形態と異なる点は、ベース層５１を形成する窒化物半導体材料がＭｇドープＩｎ０．２６−０．１６ｗＧａ０．９ｗＡｌ０．７４−０．７４ｗＮ（ｗは第２のコレクタ層３２からエミッタ層１４に向かって１→０．９と変化する。）となっていることだけである。すなわち、ベース層５１とエミッタ層１４の接合面（ｗ＝０．９）では、ベース層５１を形成する窒化物半導体材料は、Ｉｎ０．１１６Ｇａ０．８１Ａｌ０．０７４Ｎとなる。そして、Ｉｎ０．１１６Ｇａ０．８１Ａｌ０．０７４Ｎのａ軸方向の格子定数は０．３２２４ｎｍである。また、エミッタ層１４を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数も０．３２２４ｎｍである。これから、ａ軸方向の格子定数の差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。よって、ベース層５１のエミッタ層１４との接合面におけるａ軸方向の格子定数とエミッタ層１４のａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、エミッタ層１４の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、エミッタ層１４の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。なお、図１より、Ｉｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎのエネルギー禁制帯幅は、Ｉｎ０．１１６Ｇａ０．８１Ａｌ０．０７４Ｎのエネルギー禁制帯幅よりも大きいことがわかる。
【００４０】
また、第２のコレクタ層３２とベース層５１の接合面（ｙ＝１、ｗ＝１）では、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料はＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとなり、ベース層５１を形成する窒化物半導体材料もＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとなる。これから、ａ軸方向の格子定数の差は０となり、いわゆる格子整合条件を満たしている。よって、第２のコレクタ層３２のベース層５１との接合面におけるａ軸方向の格子定数と、ベース層５１の第２のコレクタ層３２との接合面におけるａ軸方向の格子定数との差が−０．３％以上＋０．３％以下であるので、ベース層５１の臨界膜厚を厚くすることができる。よって、ベース層５１の厚さを、デバイス動作や回路動作に必要な所望の厚さに設定することが可能となる。更に、通常１００ｎｍ程度までしか形成できないベース層５１の厚さを２００ｎｍ程度まで厚くすることができ、バイポーラトランジスタ５０のベース抵抗を充分下げることも可能となる。一方、第１のコレクタ層３１と第２のコレクタ層３２の接合面（ｙ＝０）では、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料はＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎとなり、第１のコレクタ層３１を形成する窒化物半導体材料と同じである。また、第１のコレクタ層３１、第２のコレクタ層３２、ベース層５１、エミッタ層１４を窒化物半導体材料で形成することで、上記の効果を備えつつ、更に、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率および高い電子飽和速度等の特性を有するバイポーラトランジスタ５０を提供することができる。
【００４１】
また、第３の実施形態と同様に、第１のコレクタ層３１とベース層５１の接合部分である第２のコレクタ層３２を組成傾斜構造としている。これにより、第２のコレクタ層３２とベース層５１の接合面（ｙ＝１、ｗ＝１）では、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料はＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとなり、ベース層５１を形成する窒化物半導体材料もＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとなる。よって、第２のコレクタ層３２とベース層５１の接合面にエネルギー禁制帯幅の不連続部分が発生せず、よって、エネルギー障壁（△Ｅｃ）を除去している。これにより、電子ブロッキング効果によるデバイス特性の劣化を抑制することが可能である。また、第２の実施形態と同様に、第１のコレクタ層３１を、Ｉｎ０．１Ｇａ０．９Ｎよりエネルギー禁制帯幅の大きい材料であるＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎで形成することにより、第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ１０よりも、高い破壊耐圧を備えている。
【００４２】
また、第５の実施形態のバイポーラトランジスタ５０では、ベース層５１に組成傾斜構造を採用することにより、ベース層５１内の電子輸送にドリフト効果を加え、それによりベース層５１内の電子の滞在時間および走行時間を短縮することができる。よって、電流利得の低下および高周波特性の劣化を抑制することができる。
【００４３】
なお、以上に述べた実施形態は、本発明の実施の一例であり、本発明の範囲はこれらに限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載した範囲内で、他の様々な実施形態に適用可能である。例えば、第１乃至第５の実施形態では、各層を形成する窒化物半導体材料として、ＩｎＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＮを使用しているが、特にこれに限定されるものでなく、他の窒化物半導体材料を使用することもできる。
【００４４】
また、第１乃至第４の実施形態では、各層の接合面におけるＩｎＧａＮのＩｎ組成比を０．１とし、ＩｎＡｌＮのＩｎ組成比を０．２６としているが、特にこれに限定されるものでなく、ａ軸方向の格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下になれば、如何なる組成比であっても適用可能である。同様に、第５の実施形態でも、ａ軸方向の格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下になれば、各層の接合面におけるＩｎＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮおよびＩｎＡｌＮの組成比は、如何なる比であっても適用可能である。
【００４５】
また、第１の実施形態では、コレクタ層１２を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎのａ軸方向の格子定数と、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎのａ軸方向の格子定数を同じにして、格子定数差を０としているが、特にこれに限定されるものでなく、格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下であれば、格子定数差が０でなくても適用可能である。
【００４６】
同様に、第１乃至第３の実施形態では、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎのａ軸方向の格子定数とエミッタ層１４を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数を同じにして、格子定数差を０としているが、特にこれに限定されるものでなく、格子定数差が０でなくても適用可能である。
【００４７】
同様に、第２の実施形態では、コレクタ層２１を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎのａ軸方向の格子定数と、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料であるＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎのａ軸方向の格子定数を同じにして、格子定数差を０としているが、特にこれに限定されるものでなく、格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下であれば、格子定数差が０でなくても適用可能である。
【００４８】
同様に、第３乃至第５の実施形態では、コレクタ層を第１のコレクタ層３１および第２のコレクタ層３２からなる２層構造とし、第２のコレクタ層３２を組成傾斜構造とすることで、第２のコレクタ層３２とベース層１３の接合面における格子定数差を０としているが、特にこれに限定されるものでなく、格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下であれば、格子定数差が０でなくても適用可能である。
【００４９】
同様に、第４の実施形態では、エミッタ層を第１のエミッタ層４１および第２のエミッタ層４２からなる２層構造とし、第１のエミッタ層４１を組成傾斜構造とすることで、ベース層１３と第１のエミッタ層４１の接合面における格子定数差を０としているが、特にこれに限定されるものでなく、格子定数差が−０．３％以上＋０．３％以下であれば、格子定数差が０でなくても適用可能である。
【００５０】
また、第１乃至第５の実施形態では、コレクタ電極層１１およびコレクタ層１２を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとし、コレクタ層２１および第１のコレクタ層３１を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎとし、第２のコレクタ層３２を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．２６−０．１６ｙＧａ０．９ｙＡｌ０．７４−０．７４ｙＮ（ｙ＝０→１）としているが、特にこれに限定されるものでなく、Ｉｎｘｃ（ＡｌｙｃＧａ１−ｙｃ）１−ｘｃＮ（ただし、０≦ｘｃ≦１かつ０≦ｙｃ≦１）を満足する窒化物半導体材料であれば、組成比ｘｃおよびｙｃをいずれの値にしても適用可能である。
【００５１】
また、第１乃至第５の実施形態では、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとし、ベース層５１を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．２６−０．１６ｗＧａ０．９ｗＡｌ０．７４−０．７４ｗＮ（ｗ＝１→０．９）としているが、特にこれに限定されるものでなく、Ｉｎｘｂ（ＡｌｙｂＧａ１−ｙｂ）１−ｘｂＮ（ただし、０≦ｘｂ≦１かつ０≦ｙｂ≦１）を満足する窒化物半導体材料であれば、組成比ｘｂおよびｙｂをいずれの値にしても適用可能である。
【００５２】
また、第１乃至第５の実施形態では、エミッタ電極層１５を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとし、エミッタ層１４および第２のエミッタ層４２を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎとし、第１のエミッタ層４１を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．２６−０．１６ｚＧａ０．９ｚＡｌ０．７４−０．７４ｚＮ（ｚ＝１→０）としているが、特にこれに限定されるものでなく、Ｉｎｘｅ（ＡｌｙｅＧａ１−ｙｅ）１−ｘｅＮ（ただし、０≦ｘｅ≦１および０≦ｙｅ≦１）を満足する窒化物半導体材料であれば、組成比ｘｅおよびｙｅをいずれの値にしても適用可能である。
【００５３】
また、第１の実施形態では、エミッタ層１４を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎとし、コレクタ層１２およびベース層１３を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとしているが、特にこれに限定されるものでなく、エミッタ層を形成する窒化物半導体材料がＩｎｚｅＡｌ１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）を満足し、コレクタ層およびベース層を形成する窒化物半導体材料がＩｎｚｂＧａ１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）を満足すれば、組成比ｚｅおよびｚｂをいずれの値にしても適用可能である。
【００５４】
また、第２の実施形態では、コレクタ層２１およびエミッタ層１４を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎとし、ベース層１３を形成する窒化物半導体材料をＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎとしているが、特にこれに限定されるものでなく、コレクタ層およびエミッタ層を形成する窒化物半導体材料がＩｎｚｅＡｌ１−ｚｅＮ（ただし、０≦ｚｅ≦１）を満足し、ベース層を形成する窒化物半導体材料がＩｎｚｂＧａ１−ｚｂＮ（ただし、０≦ｚｂ≦１）を満足すれば、組成比ｚｅおよびｚｂをいずれの値にしても適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】ＧａＮ、ＡｌＮおよびＩｎＮとそれらを組み合わせて形成される３元混晶および４元混晶の格子定数とエネルギー禁制帯幅の関係を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタの積層構造を示す構造図である。
【図３】第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタの積層構造を示す構造図である。
【図４】第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタの積層構造を示す構造図である。
【図５】第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタの積層構造を示す構造図である。
【図６】第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタの積層構造を示す構造図である。
【符号の説明】
【００５６】
１  基板、２  核形成層、
１０  第１の実施形態に係るバイポーラトランジスタ、
１１  コレクタ電極層（ＳｉドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ）、
１２  コレクタ層（ノンドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ）、
１３  ベース層（ＭｇドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ）、
１４  エミッタ層（ＳｉドープＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎ）、
１５  エミッタ電極層（ＳｉドープＩｎ０．１Ｇａ０．９Ｎ）、
２０  第２の実施形態に係るバイポーラトランジスタ、
２１  コレクタ層（ノンドープＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎ）、
３０  第３の実施形態に係るバイポーラトランジスタ、
３１  第１のコレクタ層（ノンドープＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎ）、
３２  第２のコレクタ層（ノンドープＩｎ０．２６−０．１６ｙＧａ０．９ｙＡｌ０．７４−０．７４ｙＮ）（ｙ＝０→１）、
４０  第４の実施形態に係るバイポーラトランジスタ、
４１  第１のエミッタ層（ＳｉドープＩｎ０．２６−０．１６ｚＧａ０．９ｚＡｌ０．７４−０．７４ｚＮ）（ｚ＝１→０）、
４２  第２のエミッタ層（ＳｉドープＩｎ０．２６Ａｌ０．７４Ｎ）、
５０  第５の実施形態に係るバイポーラトランジスタ、
５１  ベース層（ＭｇドープＩｎ０．２６−０．１６ｗＧａ０．９ｗＡｌ０．７４−０．７４ｗＮ）（ｗ＝１→０．９）
【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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