(57)【要約】【課題】結晶性が良く、低抵抗なｐ型窒化物半導体層を用いた半導体素子を提供する。【解決手段】本発明の一実施例によれば、ｃ面サファイア基板１０２上に、ＥＣＲプラズマ成膜装置によりＡｌ２Ｏ３、ＡｌＯＮ、ＡｌＮ系の緩衝層１０４を堆積する。この緩衝層上に有機金属気相成長法により、１０００℃の水素雰囲気において、ＧａＮ層１０６を２μｍ成長する。その後、５ｎｍ厚のＭｇドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ１３０と５ｎｍ厚のＧａＮ１５０とを交互に積層した超格子サブコレクタ１０８を０．５μｍ成長する。Ｍｇのドーピング濃度は、３×１０１９ｃｍ−３程度である。結晶成長後、Ｍｇ原子の活性化のために、窒素雰囲気において７００℃で１０分間の熱処理を行う。このようにして得られたｐ型窒化物半導体層は、正孔濃度が高く、大きな格子不整合を有するＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ系においてもクラックを生じることなく、高いＡｌ組成のＡｌＧａＮを成長することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化物半導体素子の構造であって、
ｐ型のＡｌＧａＮ系の超格子を備え、室温における正孔濃度が５×１０１８ｃｍ−３であることを特徴とする構造。
【請求項２】
請求項１に記載の構造であって、
前記超格子のＡｌ組成は、０．２以上であることを特徴とする構造。
【請求項３】
窒化物半導体素子の構造であって、
ｐ型または半絶縁性の第１の窒化物半導体層と、
前記第１の窒化物半導体層上に形成された第２の窒化物半導体層と、
前記第２の窒化物半導体層上に形成されたｎ型の第３の窒化物半導体層とを備え、
前記第３の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層よりも大きな格子定数を有し、前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層から前記第３の窒化物半導体層に向けて格子定数が増加したことを特徴とする構造。
【請求項４】
窒化物半導体によるｐｎｐ型ダブルへテロ接合バイポーラトランジスタであって、
請求項１または２に記載の構造を有するエミッタを備えたことを特徴とするバイポーラトランジスタ。
【請求項５】
請求項４に記載のバイポーラトランジスタであって、
請求項３に記載の構造を有するコレクタおよびベースをさらに備えたことを特徴とするバイポーラトランジスタ。
【請求項６】
窒化物半導体によるｐｎｐ型へテロ接合バイポーラトランジスタであって、
請求項１または２に記載の構造を有するエミッタを備えたことを特徴とするバイポーラトランジスタ。
【請求項７】
窒化物半導体素子の作製方法であって、
９５０℃以下の窒素を多く含む雰囲気においてｐ型のＡｌＧａＮ系の超格子を結晶成長することを特徴とする作製方法。
【請求項８】
請求項７に記載の作製方法であって、
９５０℃以下の窒素を多く含む雰囲気においてｎ型のＧａＮ層を結晶成長し、
前記ｐ型のＡｌＧａＮ系の超格子は、前記ｎ型のＧａＮ層上に結晶成長することを特徴とする作製方法。
【請求項９】
請求項７に記載の作製方法であって、
９５０℃以下の窒素を多く含む雰囲気において、ＧａＮコレクタ層上にＩｎ組成を増加させながらＩｎＧａＮグレーデッド層を結晶成長し、
９５０℃以下の窒素を多く含む雰囲気において、前記ＩｎＧａＮグレーデッド層上にｎ型のＩｎＧａＮ層を結晶成長し、
前記ｐ型のＡｌＧａＮ系の超格子は、前記ｎ型のＩｎＧａＮ層上に結晶成長することを特徴とする作製方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の作製方法であって、
前記ｎ型のＩｎＧａＮ層は、１０１８ｃｍ−３以上のｎ型の不純物をドープして結晶成長することを特徴とする作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、窒化物半導体素子ならびにその構造および作製方法に関する。より詳細には、本発明は、結晶性の良い低抵抗のｐ型窒化物半導体層を用いた半導体素子ならびにその構造および作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体は、大きなバンドギャップを有し、絶縁破壊電界が大きく、飽和電子速度も高いため、高温・高出力・高周波用途の電子デバイス等の材料として非常に有望である。しかし、ｐ型の窒化物半導体は、アクセプタ凖位が深いことから、室温において高い正孔濃度を有する低抵抗なｐ型半導体層を作製するのが困難である。とりわけ、大きなバンドギャップを有するＡｌＧａＮ系におけるｐ型層の実現は、紫外発光素子や高出力電子デバイスの発展に大きく寄与する。
【０００３】
電子デバイスを考えると、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、電流密度が大きく、閾値の均一性が良いなど、様々な特性を有している。したがって、窒化物半導体ＨＢＴは、将来の高出力の電子デバイスとして期待されている。また、ＨＢＴにおいては、ベース層のバンドギャップよりもコレクタ層のバンドギャップを大きくしたダブルヘテロ接合を高い出力を得るための構造として用いる場合がある。
【０００４】
このように、窒化物半導体のＨＢＴあるいはＤＨＢＴは、高出力・高温動作・高周波素子として非常に有望である。しかし、窒化物半導体がプロセス（ドライエッチング）時のダメージにより、窒素が脱離し、ダメージ層が高濃度のｎ型になってしまう問題などがあり、ＨＢＴ（ＤＨＢＴ）の作製は非常に困難である。また、窒化物半導体においては、アクセプタ凖位が深いことや、自己補償効果のためにｐ型で高い正孔濃度（低抵抗）を実現することが困難である。したがって、一般的にベース層を薄膜化することでＨＢＴの特性は向上するが、窒化物半導体、特にｐ型のベースを用いた場合、薄膜化によりベース抵抗が高くなる。また、ｐ型窒化物半導体は、プロセスダメージにより表面に高濃度のｎ型層が形成され、これを取り除いてオーミック接触を取る必要があるため、ｐ型ベース層の薄膜化には限界がある。
【０００５】
一方、高い電子濃度のｎ型層は容易に作製可能である。また、ｎ型層をベースにすると、エミッタ−ベース接合において、大きな伝導帯不連続があるため、ＨＢＴの逆方向電流を抑制する働きがある。しかしながら、ｎ型層をベース層とした窒化物半導体ＨＢＴも作製されているが、上述のダメージの問題により、露出させたｐ型のサブコレクタ層の表面近傍が高濃度のｎ型になってしまうため、コレクタへのオーミック接触の形成が困難であった。したがって、これまで報告されたｐｎｐ型ＨＢＴの動作例は少ない（非特許文献１）。
【０００６】
ｐ型で高い正孔濃度を実現する方法としては、ｐ型不純物をドーピングした超格子構造が挙げられる（特許文献１）。この方法では、超格子内に発生する分極電界を利用し、高濃度の正孔を得ている。特に、ＧａＮあるいはＩｎＧａＮ上に、ＧａＮやＩｎＧａＮよりも格子定数の小さな高いＡｌ組成のＡｌＧａＮを成長する場合、強い引っ張り応力がかかるため、クラックが発生しやすい。クラックは、耐圧の低下や漏れ電流の原因となり、デバイス特性の劣化につながる。特許文献１には、クラックが発生せず、高い正孔濃度を得るための各組成と膜厚の関係が示されている。一方、窒化物半導体において、ｐ型の不純物を高濃度にドーピングすると、深いドナーが形成され、その結果、自己補償効果により正孔濃度が減少する問題がある。超格子構造においても同様であり、十分に抵抗の低いエミッタ層を得るには至っていない。
【０００７】
なお、ＧａＡｓやＩｎＰ系でもＨＢＴやＤＨＢＴの作製は試みられている。これらの材料系においては、ドナーあるいはアクセプタの凖位が室温のエネルギーと比較しても浅いため、容易に抵抗の低いｎ型あるいはｐ型伝導層が得られる。したがって、上述した窒化物半導体ｐ型層に関連するような問題は、ＧａＡｓ、ＩｎＰ系では発生しない。また、窒化物半導体においては、ヘテロ構造を作製した場合、非常に大きな分極電界が発生する。しかしながら、ＧａＡｓやＩｎＰ系では、窒化物半導体と結晶構造が異なるため、分極電界は発生しない。
【０００８】
ＤＨＢＴにおいて、ベース−コレクタ界面におけるバンド不連続は、キャリアの走行の妨げになる。ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系ＤＨＢＴにおいては、ベース−コレクタ間に組成傾斜したＩｎＧａＡｓを導入しキャリアがバンド不連続を感じないようにしている（非特許文献２)。なお、この組成傾斜層には２×１０１７ｃｍ−３程度のドーピングを行っている。
【０００９】
【特許文献１】特許第３５３９８９６号公報
【非特許文献１】K. Kumakura et al., “High-voltage operation with high current gain of pnp AlGaN/GaN heterojunction bipolar transistors with thin n-type GaN base,” Applied Physics Letters 86, 023506 (2005)
【非特許文献２】H. Itoh et al., “GaAs/In0.08Ga0.92As Double Heterojunction Bipolar Transistors with a Lattice-Mismatched Base,” Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 25, No. 5, May 1986, pp. L421-L424
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように、ｐ型窒化物半導体およびその製造プロセスには種々の問題があった。また、ｐ型窒化物半導体を用いたＨＢＴおよびＤＨＢＴでは、デバイス特性上の問題があった。これらの問題は、デバイスの短寿命化、デバイスのリーク電流の増大、低耐圧化といった特性の劣化に結びつく。
【００１１】
本願発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、結晶性が良く、低抵抗なｐ型窒化物半導体層を用いた半導体素子ならびにその構造および作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、窒化物半導体素子の構造であって、ｐ型のＡｌＧａＮ系の超格子を備え、室温における正孔濃度が５×１０１８ｃｍ−３であることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の構造であって、前記超格子のＡｌ組成は、０．２以上であることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、窒化物半導体素子の構造であって、ｐ型または半絶縁性の第１の窒化物半導体層と、前記第１の窒化物半導体層上に形成された第２の窒化物半導体層と、前記第２の窒化物半導体層上に形成されたｎ型の第３の窒化物半導体層とを備え、前記第３の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層よりも大きな格子定数を有し、前記第２の窒化物半導体層は、前記第１の窒化物半導体層から前記第３の窒化物半導体層に向けて格子定数が増加したことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項４に記載の発明は、窒化物半導体によるｐｎｐ型ダブルへテロ接合バイポーラトランジスタであって、請求項１または２に記載の構造を有するエミッタを備えたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のバイポーラトランジスタであって、請求項３に記載の構造を有するコレクタおよびベースをさらに備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、窒化物半導体によるｐｎｐ型へテロ接合バイポーラトランジスタであって、請求項１または２に記載の構造を有するエミッタを備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明は、窒化物半導体素子の作製方法であって、９５０℃以下の窒素を多く含む雰囲気においてｐ型のＡｌＧａＮ系の超格子を結晶成長することを特徴とする。
【００１９】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の作製方法であって、９５０℃以下の窒素を多く含む雰囲気においてｎ型のＧａＮ層を結晶成長し、前記ｐ型のＡｌＧａＮ系の超格子は、前記ｎ型のＧａＮ層上に結晶成長することを特徴とする。
【００２０】
また、請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の作製方法であって、９５０℃以下の窒素を多く含む雰囲気において、ＧａＮコレクタ層上にＩｎ組成を増加させながらＩｎＧａＮグレーデッド層を結晶成長し、９５０℃以下の窒素を多く含む雰囲気において、前記ＩｎＧａＮグレーデッド層上にｎ型のＩｎＧａＮ層を結晶成長し、前記ｐ型のＡｌＧａＮ系の超格子は、前記ｎ型のＩｎＧａＮ層上に結晶成長することを特徴とする。
【００２１】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の作製方法であって、前記ｎ型のＩｎＧａＮ層は、１０１８ｃｍ−３以上のｎ型の不純物をドープして結晶成長することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
有機金属気相成長法により、低温で窒素雰囲気においてｐ型の窒化物半導体層を成長させることにより、窒素原子の脱利を抑制し、窒素空孔に起因する自己補償効果を低減し、正孔濃度を増加させることが可能となる。また、窒素雰囲気での成長により、水素雰囲気の場合とは異なる応力が結晶にかかり、大きな格子不整合を有するＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ系においてもクラックが発生することなく、高いＡｌ組成のＡｌＧａＮを成長することが可能となる。
【００２３】
これらの結果、ｐｎｐ型のＨＢＴあるいはＤＨＢＴの動作において、エミッタ層からのキャリアの注入効率が向上し、デバイスの特性も向上する。また、ＤＨＢＴのベース層に分極電界を導入することにより、エミッタから注入されたキャリアのベース輸送時間が短縮され、電流利得などの特性が向上する。ｐ型サブコレクタを露出するためのドライエッチングにおいても、ＩｎＧａＮは、その反応生成物がエッチング面の平坦性を悪くし、オーミック接触における金属との接触面積を増大させる役割を果たしている。これにより、低抵抗のオーミック接触を得ることができる。
【００２４】
このように本発明では、高い正孔濃度を有するｐ型窒化物半導体に関する特有の問題を解決することができる。また、これにより、ｎ型ベースを有するｐｎｐ型窒化物半導体ＨＢＴおよびＤＨＢＴについて良好なデバイス特性を得ることができる。また、このようなＨＢＴやＤＨＢＴを実現することは、大電流・高耐圧・ハイパワー素子にとって非常に重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、クラックを抑制した高濃度ｐ型窒化物半導体素子ならびにその構造および作製方法を対象とする。また、本発明は、このような高濃度ｐ型窒化物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）あるいはダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＤＨＢＴ）の特性向上を対象としている。
【００２６】
本発明によれば、ｐｎｐ型窒化物半導体ＨＢＴおよびＤＨＢＴにおいてワイドバンドギャップであるエミッタ層は、ＡｌＧａＮ／（Ａｌ）ＧａＮ超格子から構成される。従来、エミッタ層の超格子は、ｐ型不純物の自己補償効果によって、エミッタ層の正孔濃度は５×１０１８ｃｍ−３以上にならなかった。本発明では、従来技術と異なり、有機金属気相成長法により、低温（９５０℃以下）において窒素を多く含む雰囲気で結晶成長を行うことを特徴としている。この方法により、クラックのない高Ａｌ組成で厚膜のＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子において、深いドナー凖位の形成を抑制し、自己補償効果を抑えることで、超格子中の正孔濃度を１０１９ｃｍ−３以上と飛躍的に高くすることができる。
【００２７】
従来は、有機金属気相成長法による高温（１０００℃以上）で、水素を主体としており、正孔濃度は１０１８ｃｍ−３台であった。また、ｐｎｐ型窒化物半導体では、エミッタ−ベース界面における伝導帯不連続が大きいため、逆方向電流を大幅に抑制できるという特徴を有している。本発明では、ＤＨＢＴのベース層に高濃度のｎ型ＩｎＧａＮを用いることで、ベース層中に分極電荷を導入し、エミッタから注入されたキャリアが加速され、ベース中の輸送時間を短くし、電流利得や高速応答といった特性を改善することができる。
【００２８】
本発明による成長温度に関しては、４００℃から９５０℃程度とし、特に、７００℃から８５０℃であることが好ましい。７００℃以下では、有機金属気相成長において使用する窒素の原料であるアンモニアの分解効率が下がり、窒素不足となり、８５０℃以上では、Ｉｎが離脱し、ＩｎＧａＮの成長が困難になるためである。８５０℃以上の成長温度でも、ＩｎＧａＮ中にＩｎは取り込まれるが、成長温度の上昇にともない、Ｉｎは％オーダーからドーピング濃度（１０２０ｃｍ−３以下）となる。また、窒化物半導体では、アクセプタの活性化のために、窒素雰囲気で７００℃程度でアニールを行うので、成長温度が低すぎると、成長した結晶がアニール中に脱離するため上記の温度範囲とするのが望ましい。
【００２９】
また、ＩｎＧａＮは、ドライエッチングにおいて反応生成物（ＩｎＣｌｘ）の蒸気圧が低いため、試料表面に生成物が残存しやすい。このことを利用して、本発明では、サブコレクタ面をエッチングで出す場合に意図的に平坦な面を出さず、ｐ型のオーミック接触における接触面積を増加させ、オーミック特性を改善している。
【００３０】
さらに、本発明におけるＤＨＢＴでは、高濃度ｎ型ＩｎＧａＮベース−ＧａＮコレクタ間に組成傾斜したＩｎＧａＮを用いているが、従来技術のＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ系などに見られる意図的なドーピングを行っていない。
【００３１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について具体的に説明する。なお、実施例は１つの例示であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更あるいは改善を行い得ることは言うまでもない。
【実施例１】
【００３２】
図１に、本発明の第１の実施例によるｐ型窒化物半導体層を作製した試料の模式断面図を示す。この試料１００は、ｃ面サファイア基板１０２上に、ＥＣＲプラズマ成膜装置によりＡｌ２Ｏ３、ＡｌＯＮ、ＡｌＮ系の緩衝層１０４を堆積したものを基板として用いた。この基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、成長温度１０００℃の水素雰囲気において、ＧａＮ層１０６を２μｍ成長した。その後、５ｎｍ厚のＭｇドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ１３０と５ｎｍ厚のＧａＮ１５０とを交互に５０周期積層した超格子サブコレクタ１０８を０．５μｍ成長した。ここで、試料Ａは、成長温度１０００℃の水素雰囲気で結晶成長し、試料Ｂは、成長温度７９０℃の窒素雰囲気で結晶成長した。Ｍｇのドーピング濃度は、３×１０１９ｃｍ−３程度である。結晶成長後、Ｍｇ原子の活性化のために、窒素雰囲気において７００℃で１０分間の熱処理を行っている。なお、有機金属気相成長における供給原料は、トリメチルガリウム、トリエチルガリウム、トリメチルアルミニウム、トリエチルアルミニウム、トリメチルインジウム、トリエチルインジウム、アンモニアであり、この原料に水素または窒素を主体としたキャリアガスを用いている。
【００３３】
図２に、ＭｇドープＧａＮ単層でのフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定の結果を示す。このＭｇドープＧａＮ層は、図１のＧａＮ層の上に上記２つの成長条件で０．５μｍ成長したものである。具体的には、図２（ａ）に、成長温度１０００℃の水素雰囲気で成長した試料Ｃの結果を示し、図２（ｂ）に、成長温度７９０℃の窒素雰囲気で成長した試料Ｄの結果を示している。１０００℃の水素雰囲気で成長したＭｇドープＧａＮでは、波長４５０ｎｍ程度に発光が観測されるが、７９０℃の窒素雰囲気で成長したＭｇドープＧａＮではそれが観測されていない。１０００℃の水素雰囲気で成長したＭｇドープＧａＮにおける波長４５０ｎｍの発光は、一般に深いドナー凖位とＭｇアクセプタ凖位間の発光とされており、窒素空孔に起因した深いドナーは、アクセプタを補償し、正孔濃度が低下する原因とされている。７９０℃の窒素雰囲気で成長したＭｇドープＧａＮにおいて、波長４５０ｎｍ程度の発光が観測されないのは、窒素空孔に関連した欠陥が減少したためと考えられる。また、深いドナーが減少することで、アクセプタの減少も抑えることができる。この結果は、ＭｇドープＧａＮ層に関しての結果であるが、図１のＭｇドープＡｌＧａＮ／ＧａＮ超格子１０８においても、同様な現象がおきると考えられる。
【００３４】
次に、図１の試料１００の電気的特性を評価するために、試料表面にＰｄ（２０ｎｍ）／Ａｕ（１３０ｎｍ）電極を４個形成し、ホール効果測定を行った。このホール効果測定による上記試料ＡとＢの室温における、正孔濃度、移動度および抵抗率を表１に示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１に示すように、低温の窒素雰囲気において成長した試料Ｂの正孔濃度は、高温の水素雰囲気において成長した試料Ａよりも１桁程度高く、抵抗率は１桁程度低い。これは、低温の窒素雰囲気で成長したことにより、結晶から窒素の脱離が抑制され、窒素空孔に関連する欠陥が減少したためと考えられる。このように、結晶中の欠陥が低減し、ｐ型の電気伝導特性が大幅に改善されている。
【実施例２】
【００３７】
図３は、本発明の第２の実施例によるｐｎｐ型窒化物半導体ＤＨＢＴ３００の模式断面図である。このＤＨＢＴ３００は、ｃ面サファイア基板３０２上に、ＥＣＲプラズマ成膜装置によりＡｌ２Ｏ３、ＡｌＯＮ、ＡｌＮ系の緩衝層３０４を堆積したものを基板として用いた。この基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、成長温度１０００℃の水素雰囲気において、ＧａＮ３０６を２μｍ、ＭｇドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（２０ｎｍ）／ＧａＮ（２０ｎｍ）超格子サブコレクタ３０８を２μｍ、ＧａＮコレクタ３１０を０．８μｍ成長した。ＧａＮコレクタ３１０には、意図的に不純物をドーピングしてはいないが、超格子サブコレクタ３０８にドーピングしたＭｇが拡散したり、偏析するために、ＧａＮコレクタ３１０自体はｐ型になる場合もあるし、半絶縁性になる場合もある。その後、成長温度７９０℃の窒素雰囲気において、Ｉｎ組成を０％から３％まで変化させたＩｎＧａＮグレーデッド層３１２を３０ｎｍ、ＳｉドープＩｎ０．０３Ｇａ０．９７Ｎベース層３１４を５０ｎｍ、ＭｇドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ（５ｎｍ）／ＧａＮ（５ｎｍ）超格子エミッタ３１６を５０ｎｍ成長した。ＩｎＧａＮ層３１４のＩｎ組成を増加させると、エミッタ−ベース接合における伝道体不連続が大きくなり、ＤＨＢＴの逆方向電流が抑制され、特性が向上する。一方、Ｉｎ組成を増加しすぎると、ＩｎＧａＮ層中の少数キャリアの拡散長が減少し、特性が劣化する。サブコレクタ３０８およびエミッタ３１６のＭｇのドーピング濃度は３×１０１９ｃｍ‐３程度であり、Ｓｉドーピング濃度は、４×１０１９ｃｍ‐３程度である。結晶成長後、Ｍｇ原子の活性化のために、７００℃の窒素雰囲気で１０分間の熱処理を行っている。その後、電極作製のために、フォトリソグラフィとＥＣＲプラズマエッチングにより、結晶成長層を加工してベース層３１４およびサブコレクタ層３０８を露出させた。さらに、フォトリソグラフィと電子ビーム蒸着により、それぞれの層に電極３４０，３６０を作製した。ｐ型のエミッタ３１６およびサブコレクタ３０８へのオーミック電極３２０，３６０にはＰｄ／Ａｕを、ｎ型のベース３１４へのオーミック電極３４０にはＡｌ／Ａｕを用いた。このような方法により、図３に示すＤＨＢＴ３００を作製した。
【００３８】
図４は、エッチング後のサブコレクタ表面の光学顕微鏡像と、オーミック接触を確認するためにサブコレクタへ形成した２つの電極間の電流−電圧特性を示している。図４（ａ）は、図３のようにｎ型ベースにＩｎＧａＮを用いた場合のサブコレクタ表面の光学顕微鏡像であり、図４（ｂ）は、図３と異なりｎ型ベースにＧａＮを用いた場合のサブコレクタ表面の光学顕微鏡像である。図４（ｃ）は、これら２つの場合のサブコレクタ上の２つの電極間の電流−電圧特性を示している。図４（ａ）からｎ型ＩｎＧａＮベースを有する試料の表面が荒れていることが分かる。これは、ＩｎＧａＮの場合、ドライエッチング時に発生する反応生成物（ＩｎＣｌｘ）の蒸気圧が低いため、試料表面に生成物が残存しやすいためである。また、図４（ｃ）の電流−電圧特性から、ｎ型ＩｎＧａＮベースを有する試料の方が、金属−サブコレクタ間の伝導特性が良好なことがわかる。このように、ベース３１４にｎ型ＩｎＧａＮを使いドライエッチング時に発生する反応生成物を利用することで、サブコレクタ表面の平坦性を意図的に悪くし、電極金属と接触する面積を増加させることで、金属−サブコレクタ間の伝導特性を改善することができる。
【００３９】
図５は、図３のＤＨＢＴの室温におけるエミッタ接地の電流−電圧特性である。エミッタ３１６の正孔濃度が高いため、ベース濃度が４×１０１９ｃｍ‐３と高いにもかかわらず、電流利得が２０程度あることが分かった。これは、窒化物半導体ＤＨＢＴのベース中に分極電界を導入したことにより、エミッタから注入された正孔が、分極電界によって加速されてベース輸送時間を短縮していることも一つの要因となっている。また、ベース３１４に高濃度にＳｉドーピングしているため、ベース幅を薄くしても電極３４０との良好なオーミック接触が得られ、ベース抵抗を低減することができる。
【実施例３】
【００４０】
図６は、本発明の第３の実施例によるｐｎｐ型窒化物半導体ＨＢＴ６００の模式断面図である。このＨＢＴ６００は、ｃ面サファイア基板６０２上に、ＥＣＲプラズマ成膜装置によりＡｌ２Ｏ３、ＡｌＯＮ、ＡｌＮ系の緩衝層６０４を堆積したものを基板として用いた。この基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、成長温度１０００℃の水素雰囲気において、ＧａＮ６０６を２μｍ、ＭｇドープＡｌ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ（２０ｎｍ）／ＧａＮ（２０ｎｍ）超格子サブコレクタ６０８を２μｍ、ＧａＮコレクタ６１０を０．８μｍ成長した。ＧａＮコレクタ６１０には、意図的な不純物をドーピングしてはいないが、超格子サブコレクタ６０８にドーピングしたＭｇが拡散したり、偏析するために、ＧａＮコレクタ６１０自体はｐ型になる場合もあるし、半絶縁性になる場合もある。その後、成長温度７９０℃の窒素雰囲気において、ＳｉドープＧａＮベース層６１２を５０ｎｍ、ＭｇドープＡｌ０．６Ｇａ０．４Ｎ（５ｎｍ）／ＧａＮ（５ｎｍ）超格子エミッタ６１４を５０ｎｍ成長した。サブコレクタ６０８およびエミッタ６１４のＭｇのドーピング濃度は３×１０１９ｃｍ‐３程度であり、Ｓｉのドーピング濃度は、５×１０１８ｃｍ‐３程度である。結晶成長後、Ｍｇ原子の活性化のために、７００℃の窒素雰囲気で１０分間の熱処理を行っている。その後、フォトリソグラフィとＥＣＲプラズマエッチングにより、結晶成長層を加工した。さらに、フォトリソグラフィと電子ビーム蒸着により、電極を作製した。ｐ型のエミッタおよびサブコレクタへのオーミック電極６２０，６６０にはＰｄ／Ａｕを、ｎ型のベースへのオーミック電極６４０にはＡｌ／Ａｕを用いた。このような方法により、図６に示すＨＢＴ６００を作製した。このように、低温の窒素雰囲気で超格子６１４を作製しているため、ＨＢＴのような複雑な構造においてもクラックが発生していない。
【００４１】
図７は、図６のＨＢＴの室温におけるエミッタ接地の電流−電圧特性である。エミッタ６１４の正孔濃度が高いため、ベース濃度が１×１０１９ｃｍ‐３と高いにもかかわらず、電流利得が２０程度あることが分かった。また、ベース６１２に高濃度にＳｉドーピングしているため、ベース幅を薄くしても電極６４０との良好なオーミック接触が得られ、ベース抵抗を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上、説明したように、本発明による窒化物半導体素子において、高いＡｌ組成で高正孔濃度のＡｌＧａＮ系超格子を利用し、クラックのないＨＢＴあるいはＤＨＢＴ構造を作製し、エミッタ接地での動作に成功した。またＤＨＢＴのベースに分極電界を導入し、キャリアのベース輸送時間を短縮し、電流利得などの特性が改善している。
【００４３】
このように、窒化物半導体によるバイポーラトランジスタの実現は、材料特性に起因する高耐圧、高温動作だけでなく、素子構造に起因する高い電流密度、高周波動作の優位性が加わり、高温・高出力動作の実現が期待できる。また、高速動作の可能性も秘めており、新デバイスの実現など多岐にわたり波及効果が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施例によるｐ型窒化物半導体層を作製した試料の模式断面図である。
【図２】ＭｇドープＧａＮ層のフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定の結果を示す図であり、図２（ａ）は、１０００℃の水素雰囲気で結晶成長した場合の結果を示し、図２（ｂ）は、７９０℃の窒素雰囲気で結晶成長した場合（試料Ｂ）の結果を示している。
【図３】本発明の第２の実施例によるｐｎｐ型窒化物半導体ＤＨＢＴの模式断面図である。
【図４】サブコレクタ表面の光学顕微鏡像と、サブコレクタへ形成した２つの電極間の電流−電圧特性を示す図であり、図４（ａ）は、ｎ型ベースにＩｎＧａＮを用いた場合のサブコレクタ表面の光学顕微鏡像であり、図４（ｂ）は、ｎ型ベースにＧａＮを用いた場合のサブコレクタ表面の光学顕微鏡像であり、図４（ｃ）は、これら２つの場合の２つの電極間の電流−電圧特性を示している。
【図５】図３のＤＨＢＴの室温におけるエミッタ接地の電流−電圧特性を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施例によるｐｎｐ型窒化物半導体ＨＢＴの模式断面図である。
【図７】図６のＨＢＴの室温におけるエミッタ接地の電流−電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
１００  試料
３００  ｐｎｐ型窒化物半導体ＤＨＢＴ
６００  ｐｎｐ型窒化物半導体ＨＢＴ
【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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