(57)【要約】【課題】ベース・エミッタのへテロ接合における伝導帯下端のバンド不連続（ΔＥｃ）を無くすことが可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供する。【解決手段】半絶縁性ＧａＡｓから構成される基板１０１と、基板１０１に格子整合するエピタキシャル層１００とからなるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、エピタキシャル層１００は、ｎ+−ＧａＡｓから構成されるサブコレクタ層１０２と、ｎ−ＧａＡｓから構成されるコレクタ層１０３と、ｐ+−ＧａＰＳｂから構成されるベース層１０４と、ＧａＰＳｂと電子親和力が同じで、ＧａＰＳｂよりもバンドギャップエネルギーが大きいＩｎＧａＰから構成されるエミッタ層１０５とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半絶縁性ＧａＡｓから構成される基板と、前記基板に格子整合するエピタキシャル層とからなるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、
前記エピタキシャル層は、ＧａＰＳｂから構成されるベース層と、前記ＧａＰＳｂと電子親和力が同じで、前記ＧａＰＳｂよりもバンドギャップエネルギーが大きい半導体材料から構成されるエミッタ層とを有する
ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項２】
前記エピタキシャル層は、さらに、ＧａＰＳｂから構成されるコレクタ層を有する
ことを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項３】
前記エミッタ層は、ＩｎＧａＰから構成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項４】
前記ベース層を構成するＧａＰＳｂの組成は、ＧａＰXＳｂ1-X（０．３０≦Ｘ≦０．３５）である
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項５】
前記エミッタ層は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ及びＡｌＧａＰＳｂのいずれかにより構成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の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、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに関し、特にヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成するエピタキシャル基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下ＨＢＴという）は、電界効果トランジスタに比べて低歪増幅動作、単一電源動作が可能であり、近年の移動体通信や光通信システムのキーデバイスとなっている。
【０００３】
ホモ接合のバイポーラトランジスタでは、高電流ゲインを得るために、エミッタ層からベース層へのキャリアの注入効率を高くしなければならず、ベース層のアクセプタ濃度よりエミッタ層のドナー濃度を高くする必要がある。このためベース層に高濃度の不純物をドーピングすることができない。一方、ＨＢＴでは、ベース層よりバンドギャップエネルギーが大きな材料をエミッタ層に用いることによって、ベース・エミッタのヘテロ接合において価電子帯上端のバンド不連続（ΔＥｖ）を発生させ、ベース層のホールがエミッタ層に流入するのを抑圧するような構成が可能である（例えば、特許文献１参照）。そのため、ＨＢＴでは、高い電流ゲインを維持でき、ホモ接合バイポーラトランジスタの様なドーピング濃度に関する制限はなくなる。従って、ＨＢＴではベース層に高濃度の不純物をドーピングすることができ、ベース層の厚みを薄くしてもベース抵抗を低く保つことができるので、入力抵抗を下げて高周波特性を向上させることができる。
【０００４】
図５に従来のＧａＡｓ系ＨＢＴの断面図を例示する。
このＨＢＴでは、半絶縁性ＧａＡｓから構成される基板５０１上に、ｎ+−ＧａＡｓから構成されるサブコレクタ層５０２（膜厚＝６０００Å、ｎ型不純物の濃度＝５×１０18ｃｍ-3）、ｎ-−ＧａＡｓから構成されるコレクタ層５０３（膜厚＝６０００Å、ｎ型不純物の濃度＝５×１０16ｃｍ-3）、ｐ+−ＧａＡｓから構成されるベース層５０４（膜厚＝１０００Å、ｐ型不純物の濃度＝４×１０19ｃｍ-3）、ＧａＡｓの格子定数に整合したｎ−ＩｎＧａＰから構成されるエミッタ層５０５（膜厚＝３００Å、ｎ型不純物の濃度＝３×１０17ｃｍ-3）、ｎ−ＧａＡｓから構成されるエミッタ層５０６（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝３×１０18ｃｍ-3）、ｎ+−ＧａＡｓから構成されるエミッタ層５０７（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝５×１０18ｃｍ-3）、ｎ+−ＩｎＧａＡｓから構成されるグレーディング（Ｇｒａｄｉｎｇ）層５０８（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝０．５×１０19ｃｍ-3から１×１０19ｃｍ-3に変化）、及びｎ+−ＩｎＧａＡｓから構成されるキャップ層５０９（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝１×１０19ｃｍ-3）を順次積層してエピタキシャル層が形成されるＨＢＴ構造になっている。このとき、コレクタ電極５１０、ベース電極５１１及びエミッタ電極５１２は、トランジスタ製造工程においてサブコレクタ層５０２、ベース層５０４及びキャップ層５０９上にそれぞれ形成されている。なお、従来のＨＢＴとして、エミッタ層５０５がＩｎＧａＰから構成されるものを例示したが、ＧａＡｓよりバンドギャップエネルギーが大きいＡｌＧａＡｓからエミッタ層５０５が構成されるものもある。
【特許文献１】特開２００４−７１６６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来例として示した図５で示されるＨＢＴでは、ベース層５０４を構成するＧａＡｓに対しバンドギャップエネルギーが大きいＩｎＧａＰがエミッタ層５０５に用いられている。従って、ヘテロ接合でのエネルギーバンド図（図５のＡ−Ａ‘線におけるエネルギーバンド図）は図６に示されるようなものとなる。図６から、ベース層を構成する材料よりバンドギャップエネルギーが大きい材料でエミッタ層を構成した場合、ベース・エミッタのヘテロ界面において、ΔＥｖだけではなく、スパイク状の伝導帯下端のバンド不連続（ΔＥｃ）も生じることがわかる。すなわち、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＰヘテロ接合部では、約０．３ｅＶのΔＥｖと約０．２ｅＶのΔＥｃが発生することが分かる。このとき、前述の通り電流ゲインを向上させるために、ベース層のホールがエミッタ層に逆流入するのを抑圧するように作用するΔＥｖはできるだけ大きいほうが望ましい。一方、トランジスタの電気特性の一つであるオフセット電圧を減少させるために、エミッタ層からベース層への電子の注入に対して障壁として作用するスパイク状のΔＥｃはできるだけ小さい又は無いほうが望ましい。
【０００６】
そこで、本発明は、かかる問題点に鑑み、ベース・エミッタのヘテロ接合における伝導帯下端のバンド不連続（ΔＥｃ）を無くすことが可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することを第１の目的とする。
【０００７】
また、ベース・エミッタのヘテロ接合における価電子帯上端のバンド不連続（ΔＥｖ）を大きくすることが可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、半絶縁性ＧａＡｓから構成される基板と、前記基板に格子整合するエピタキシャル層とからなるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、前記エピタキシャル層は、ＧａＰＳｂから構成されるベース層と、前記ＧａＰＳｂと電子親和力が同じで、前記ＧａＰＳｂよりもバンドギャップエネルギーが大きい半導体材料から構成されるエミッタ層とを有することを特徴とする。ここで、前記エミッタ層は、ＩｎＧａＰから構成されてもよい。また、前記ベース層を構成するＧａＰＳｂの組成は、ＧａＰXＳｂ1-X（０．３０≦Ｘ≦０．３５）であってもよいし、前記エミッタ層は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ及びＡｌＧａＰＳｂのいずれかにより構成されてもよい。
【０００９】
この構成によれば、ベース層を構成する半導体材料として、ＧａＡｓ系で構成された従来のＧａＡｓ系ＨＢＴのようにＧａＡｓが用いられるのでは無く、ＧａＡｓに格子整合するＧａＰＳｂが用いられる。よって、ベース層とエミッタ層とのヘテロ界面の伝導帯（ΔＥｃ）にスパイク状の不連続が生じず、尚且つ価電子帯の不連続（ΔＥｖ）が大きくなる。その結果、電子はΔＥｃの影響は受けずにエミッタ層からベース層に到達し、またベース層の正孔はエミッタ層に逆流入するのが抑圧されるので、オフセット電圧が小さく、尚且つ電流ゲインの高いＨＢＴを実現できる。
【００１０】
また、前記エピタキシャル層は、さらに、ＧａＰＳｂから構成されるコレクタ層を有してもよい。
【００１１】
この構成によれば、コレクタ層にＧａＰＳｂが用いられ、コレクタ層をＧａＡｓで形成する場合に対して、ベース・コレクタの界面がＧａＰＳｂ／ＧａＡｓからＧａＰＳｂ／ＧａＰＳｂと同じＶ族元素からなるホモ接合となるため、作製上、混合しやすい原料ソースの切り替えが生じない。よって、元素の混合のない急峻なベース・コレクタ界面を形成することが可能になり、良好なｐｎ接合を形成することができるので、界面での再結合の少ないベース・コレクタ界面を作製することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ベース・エミッタのへテロ界面のおける伝導帯下端のバンド不連続（ΔＥｃ）が無くなるので、動作上ΔＥｃの影響を受けないＨＢＴを実現できる。すなわち、オフセット電圧が小さなＨＢＴを実現できる。
【００１３】
また、ベース層がＧａＡｓから構成される従来のＨＢＴと比べて、ベース・エミッタのへテロ界面における価電子帯上端のバンド不連続（ΔＥｖ）が大きくなるので、電流ゲインが向上する。また、電流ゲインの温度依存性が小さくなる。
【００１４】
また、ベース・コレクタの界面がＧａＰＳｂ／ＧａＡｓからＧａＰＳｂ／ＧａＰＳｂと同じＶ族元素からなるホモ接合となるので、作製上、元素の混合のない急峻なベース・コレクタ界面を形成することが可能になる。その結果、界面での再結合を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態におけるＨＢＴについて、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態におけるＨＢＴの断面図である。
【００１７】
このＨＢＴでは、エピタキシャル結晶成長技術を用いて、半絶縁性ＧａＡｓから構成される基板１０１上に、ｎ+−ＧａＡｓから構成されるサブコレクタ層１０２（膜厚＝６０００Å、ｎ型不純物の濃度＝５×１０18ｃｍ-3）、ｎ−ＧａＡｓから構成されるコレクタ層１０３（膜厚＝６０００Å、ｎ型不純物の濃度＝５×１０16ｃｍ-3）、カーボンのドープにより形成されたｐ+−ＧａＰＳｂから構成されるベース層１０４（膜厚＝１０００Å、ｐ型不純物の濃度＝４×１０19ｃｍ-3）、ＧａＡｓの格子定数に整合したｎ−ＩｎＧａＰから構成されるエミッタ層１０５（膜厚＝３００Å、ｎ型不純物の濃度＝３×１０17ｃｍ-3）、ｎ−ＧａＡｓから構成されるエミッタ層１０６（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝３×１０18ｃｍ-3）、ｎ+−ＧａＡｓから構成されるエミッタ層１０７（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝５×１０18ｃｍ-3）、ｎ+−ＩｎＧａＡｓから構成されるグレーディング（Ｇｒａｄｉｎｇ）層１０８（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝０．５×１０19ｃｍ-3から１×１０19ｃｍ-3に変化）、及びｎ+−ＩｎＧａＡｓから構成されるキャップ層１０９（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝１×１０19ｃｍ-3）を順次積層してエピタキシャル層１００が形成されるＨＢＴ構造になっている。このとき、コレクタ電極１１０、ベース電極１１１及びエミッタ電極１１２は、トランジスタ製造工程においてサブコレクタ層１０２、ベース層１０４及びキャップ層１０９上にそれぞれ形成されている。また、ベース層１０４を構成するＧａＰＳｂがＧａＡｓに格子整合する格子定数となるように、ＧａＰＳｂの組成は、ＧａＰXＳｂ1-X（０．３０≦Ｘ≦０．３５）とされる。
【００１８】
なお、エミッタ層１０５は、ＩｎＧａＰから構成されるとした。しかし、ベース層１０４を構成する半導体材料であるＧａＰＳｂと電子親和力が同じで、ＧａＰＳｂよりバンドギャップエネルギーが大きな材料であればこれに限られず、ベース層１０４は例えばＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＰＳｂ等により構成されても同じ効果が得られることはいうまでもない。
【００１９】
また、エミッタ層１０６及びエミッタ層１０７は、ＧａＡｓから構成されるとした。しかし、エミッタ層１０６及びエミッタ層１０７は、それぞれＧａＰＳｂから構成されてもよい。
【００２０】
図２は、本実施の形態におけるＨＢＴのヘテロ接合におけるエネルギーバンド図（図１のＡ−Ａ‘線におけるエネルギーバンド図）を示したものである。
【００２１】
図２から、ベース・エミッタのへテロ界面で、伝導帯のバンド不連続（ΔＥｃ）が解消され、価電子帯では、従来のＨＢＴより大きなバンド不連続（ΔＥｖ＝約０．６ｅＶ）となっていることがわかる。
【００２２】
以上のように本実施の形態のＨＢＴによれば、ベース層１０４はＧａＰＳｂから構成され、エミッタ層１０５は、ベース層を構成するＧａＰＳｂと電子親和力が同じで、ＧａＰＳｂよりもバンドギャップエネルギーが大きいＩｎＧａＰから構成される。よって、ベース・エミッタのへテロ界面における伝導帯下端のバンド不連続（ΔＥｃ）が無くなり、エミッタ層からベース層へ注入される電子はΔＥｃの影響を受けずにベース層に到達することができるので、動作上ΔＥｃの影響を受けないＨＢＴを実現できる。すなわち、オフセット電圧が小さなＨＢＴを実現できる。
【００２３】
また、本実施の形態のＨＢＴによれば、ベース層１０４を構成するＧａＰＳｂ（Ｅｇ＝１．３９ｅＶ）は、ＧａＡｓ（Ｅｇ＝１．４２ｅＶ）と殆ど同じエネルギーギャップを有している。よって、ベース層がＧａＡｓから構成される従来のＨＢＴと比べてΔＥｃが低減されると共に、ベース・エミッタのへテロ界面における価電子帯下端のバンド不連続（ΔＥｖ）が大きくなる。その結果、大きなΔＥｖの効果で、ベース層のホールがエミッタ層に逆流入するのが抑圧され、電流ゲインが向上する。また、ベース層のホールがエミッタ層に逆注入することによる電流成分は、温度上昇で増加して電流ゲインが低下するが、大きなΔＥｖの効果でそのような電流成分は小さくなるため、ベース層がＧａＡｓで構成される場合と比べて電流ゲインの温度依存性が小さくなる。
【００２４】
（第２の実施の形態）
図３は本実施の形態におけるＨＢＴの断面図である。
【００２５】
このＨＢＴでは、エピタキシャル結晶成長技術を用いて、半絶縁性ＧａＡｓから構成される基板３０１上に、ｎ+−ＧａＰＳｂから構成されるサブコレクタ層３０２（膜厚＝６０００Å、ｎ型不純物の濃度＝５×１０18ｃｍ-3）、ｎ−ＧａＰＳｂから構成されるコレクタ層３０３（膜厚＝６０００Å、ｎ型不純物の濃度＝５×１０16ｃｍ-3）、カーボンのドープにより形成されたｐ+−ＧａＰＳｂから構成されるベース層３０４（膜厚＝１０００Å、ｐ型不純物の濃度＝４×１０19ｃｍ-3）、ＧａＡｓの格子定数に整合したｎ−ＩｎＧａＰから構成されるエミッタ層３０５（膜厚＝３００Å、ｎ型不純物の濃度＝３×１０17ｃｍ-3）、ｎ−ＧａＡｓから構成されるエミッタ層３０６（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝３×１０18ｃｍ-3）、ｎ+−ＧａＡｓから構成されるエミッタ層３０７（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝５×１０18ｃｍ-3）、ｎ+−ＩｎＧａＡｓから構成されるグレーディング（Ｇｒａｄｉｎｇ）層３０８（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝０．５×１０19ｃｍ-3から１×１０19ｃｍ-3に変化）、及びｎ+−ＩｎＧａＡｓから構成されるキャップ層３０９（膜厚＝５００Å、ｎ型不純物の濃度＝１×１０19ｃｍ-3）を順次積層してエピタキシャル層３００が形成されるＨＢＴ構造になっている。このとき、コレクタ電極３１０、ベース電極３１１及びエミッタ電極３１２は、トランジスタ製造工程においてサブコレクタ層３０２、ベース層３０４及びキャップ層３０９上にそれぞれ形成されている。また、ベース層３０４を構成するＧａＰＳｂがＧａＡｓに格子整合する格子定数となるように、ＧａＰＳｂの組成は、ＧａＰXＳｂ1-X（０．３０≦Ｘ≦０．３５）とされる。
【００２６】
なお、エミッタ層３０５は、ＩｎＧａＰから構成されるとした。しかし、ベース層３０４を構成する半導体材料であるＧａＰＳｂと電子親和力が同じで、ＧａＰＳｂよりバンドギャップエネルギーが大きな材料であればこれに限られず、ベース層３０４は例えばＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＰＳｂ等により構成されても同じ効果が得られることはいうまでもない。
【００２７】
また、エミッタ層３０６及びエミッタ層３０７は、ＧａＡｓから構成されるとした。しかし、エミッタ層３０６及びエミッタ層３０７は、それぞれＧａＰＳｂから構成されてもよい。
【００２８】
図４は本実施の形態におけるＨＢＴのヘテロ接合におけるエネルギーバンド図（図３のＡ−Ａ’線におけるエネルギーバンド図）を示したものである。
【００２９】
図４から、ベース・エミッタのへテロ界面で、伝導帯のバンド不連続ΔＥｃが解消され、価電子帯では、従来のＨＢＴより大きなバンド不連続、ΔＥｖ＝約０．６ｅＶとなっていることがわかる。
【００３０】
以上のように本実施の形態のＨＢＴによれば、ベース層３０４はＧａＰＳｂから構成され、エミッタ層３０５は、ベース層を構成するＧａＰＳｂと電子親和力が同じで、ＧａＰＳｂよりもバンドギャップエネルギーが大きいＩｎＧａＰから構成される。よって、ベース・エミッタのへテロ界面における伝導帯下端のバンド不連続（ΔＥｃ）を無くすことができ、エミッタ層からベース層へ注入される電子はΔＥｃの影響を受けずにベース層に到達することができるので、動作上ΔＥｃの影響を受けないＨＢＴを実現できる。すなわち、オフセット電圧が小さなＨＢＴを実現できる。
【００３１】
また、本実施の形態のＨＢＴによれば、ベース層３０４を構成するＧａＰＳｂ（Ｅｇ＝１．３９ｅＶ）は、ＧａＡｓ（Ｅｇ＝１．４２ｅＶ）と殆ど同じエネルギーギャップを有している。よって、ベース層がＧａＡｓから構成される従来のＨＢＴと比べてΔＥｃが低減されると共に、ベース・エミッタのへテロ界面における価電子帯上端のバンド不連続（ΔＥｖ）が大きくなる。その結果、大きなΔＥｖの効果で、ベース層のホールがエミッタ層に逆流入するのが抑圧され、電流ゲインが向上する。また、ベース層のホールがエミッタに逆注入することによる電流成分は、温度上昇で増加して電流ゲインが低下するが、大きなΔＥｖの効果でそのような電流成分は小さくなるため、ベース層がＧａＡｓで構成される場合と比べて電流ゲインの温度依存性が小さくなる。
【００３２】
また、本実施の形態のＨＢＴによれば、コレクタ層３０３にＧａＰＳｂを用いることによって、コレクタ層３０３をＧａＡｓで形成する場合に対して、ベース・コレクタの界面がＧａＰＳｂ／ＧａＡｓからＧａＰＳｂ／ＧａＰＳｂと同じＶ族元素からなるホモ接合となるため、作製上、混合しやすい原料ソースの切り替えが生じない。よって、元素の混合のない急峻なベース・コレクタ界面を形成することが可能になり、コレクタ層をＧａＡｓで形成する場合と比較して、良好なｐｎ接合を形成することができるので、界面での再結合の少ないベース・コレクタ界面を作製することができる。
【００３３】
以上、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態の限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。
【００３４】
例えば、エピタキシャル層を構成する半導体層の膜厚及びキャリア濃度は一例であってこれに限られない。
【００３５】
また、ベース層のドーパントはカーボンであるとしたが、ベース層がｐ型になるドーパントであればこれに限られない。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに利用でき、特に移動体通信や光通信システム等に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施の形態のＨＢＴの断面図である。
【図２】同実施の形態のＨＢＴのヘテロ接合でのエネルギーバンド図（図１のＡ−Ａ‘線におけるエネルギーバンド図）である。
【図３】本発明の第２の実施の形態のＨＢＴの断面図である。
【図４】同実施の形態のＨＢＴのヘテロ接合でのエネルギーバンド図（図３のＡ−Ａ‘線におけるエネルギーバンド図）である。
【図５】従来のＨＢＴの断面図である。
【図６】従来のＨＢＴのヘテロ接合でのエネルギーバンド図（図５のＡ−Ａ‘線におけるエネルギーバンド図）である。
【符号の説明】
【００３８】
１００、３００    エピタキシャル層
１０１、３０１、５０１    基板
１０２、３０２、５０２    サブコレクタ層
１０３、３０３、５０３    コレクタ層
１０４、３０４、５０４    ベース層
１０５、１０６、１０７、３０５、３０６、３０７、５０５、５０６、５０７    エミッタ層
１０８、３０８、５０８    グレーディング（Ｇｒａｄｉｎｇ）層
１０９、３０９、５０９    キャップ層
１１０、３１０、５１０    コレクタ電極
１１１、３１１、５１１    ベース電極
１１２、３１２、５１２    エミッタ電極
【図１】
2007128989.tif 000003
【図２】
2007128989.tif 000004
【図３】
2007128989.tif 000005
【図４】
2007128989.tif 000006
【図５】
2007128989.tif 000007
【図６】
2007128989.tif 000008