(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＧａＡｓ基板上に、コレクタの抵抗を下げる為のｎ＋型のＧａＡｓサブコレクタ層と、Ｓｉがドープされたｎ−型のＧａＡｓコレクタ層と、Ｃがドープされたｐ＋型のＧａＡｓベース層と、ｎ型のＡｌＧａＡｓエミッタ層と、エミッタ層のオーミックコンタクト抵抗を低減させる為のｎ＋型のＧａＡｓ層又はこれとＩｎＧａＡｓ層から成るエミッタキャップ層とで構成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
上記ＧａＡｓコレクタ層に、上記ｎ型ドーパントのＳｉよりも低い濃度でＣ（カーボン）をドーピングし、且つ、前記Ｃのドーピング濃度を５×１０１５ｃｍ−３〜２×１０１６ｃｍ−３とした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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、特にそのβ（電流増幅率）及び素子の信頼性を向上させる技術の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エミッタ・ベース接合にヘテロ接合を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、エミッタ層のバンドギャップがベース層のバンドギャップよりも広いことにより、エミッタ注入効率を高くすることができるため、超高速、高出力デバイスとしての利用が期待されている。特に、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓを材料とするＨＢＴは、高速性・高電流駆動能力に優れているため、光通信用の高速電子デバイスとして開発が盛んに行われている。
【０００３】
図４は従来のＨＢＴの構造を示したものである。従来のＨＢＴ構造は、最下層から説明すると、半絶縁ＧａＡｓ基板１１上に、コレクタの抵抗を低減させる為にあるサブコレクタ層１２のｎ+−ＧａＡｓ層（キャリア濃度５×１０18cm-3）と、コレクタ層１３のｎ-−ＧａＡｓ層（キャリア濃度３×１０16cm-3）と、ベース層１４のｐ+−ＧａＡｓ層（キャリア濃度４×１０19cm-3）と、エミッタ層１５を構成するｎ−ＡｌＧａＡｓグレーデット層１５ａ、ｎ−ＡｌＧａＡｓ層１５ｂ、及びｎ−ＡｌＧａＡｓグレーデット層１５ｃ（各エミッタ層のキャリア濃度５×１０17cm-3）と、エミッタ層のオーミックコンタクト抵抗を低減させる為のエミッタキャップ層１６を構成するｎ+−ＧａＡｓ層１６ａ（キャリア濃度５×１０18cm-3）、ｎ+−ＩｎＧａＡｓグレーデット層１６ｂ（キャリア濃度２×１０19cm-3）、ｎ+−ＩｎＧａＡｓ層１６ｃ（キャリア濃度２×１０19cm-3）とを、順次に積層した構成となっている。
【０００４】
サブコレクタ層１２、コレクタ層１３、エミッタ層１５、及びエミッタキャップ層１６におけるｎ+−ＧａＡｓ層１６ａには、ドナーつまりｎ型ドーパントとしてＳｉ（シリコン）をドーピングし、またエミッタキャップ層１６のｎ+−ＩｎＧａＡｓグレーデット層１６ｂ、ｎ+−ＩｎＧａＡｓ層１６ｃにはｎ型ドーパントとしてＳｅ（セレン）をドーピングし、そしてベース層１４のアクセプタつまりｐ型ドーパントとしてはＣ（カーボン）をドーピングしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところでＨＢＴは、電流増幅率βを向上させること及び、素子の信頼性を高める事が重要課題である。その為、従来より多くの研究が行われ、ＨＢＴ各層についてもその特性改善が行われてきた。
【０００６】
しかしながら、電流増幅率β及び信頼性ともいまひとつ低く、より一層の改善が必要であった。特に素子の信頼性が悪く、通電時間の増加とともに電流増幅率βが大幅に低下する事が問題になっていた。
【０００７】
図５は従来のＨＢＴの通電時間と電流増幅率βの変動を示す。図５に示す様に従来のＨＢＴは、通電時間が増えるに従い電流増幅率βが大幅に低下して通電時間６００時間で当初の値の７０％であった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの電流増幅率βの向上と安定化及び素子の信頼性を向上させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１０】
本発明は、ＧａＡｓ（ガリウム砒素）基板上に、コレクタの抵抗を下げる為のｎ＋型のＧａＡｓサブコレクタ層と、Ｓｉがドープされたｎ−型のＧａＡｓコレクタ層と、Ｃがドープされたｐ＋型のＧａＡｓベース層と、ｎ型のＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）エミッタ層と、エミッタ層のオーミックコンタクト抵抗を低減させる為のｎ＋型のＧａＡｓ層又はこれとＩｎＧａＡｓ層から成るエミッタキャップ層とで構成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記ＧａＡｓコレクタ層に、上記ｎ型ドーパントのＳｉよりも低い濃度でＣ（カーボン）をドーピングし、且つ、前記Ｃのドーピング濃度を５×１０１５ｃｍ−３〜２×１０１６ｃｍ−３としたことを特徴とする。
【００１５】
＜発明の要点＞
ｎ型のＧａＡｓであるコレクタ層はドナーとして、通常、例えばＳｉをドーピングしている。本発明は、上記問題を解決する手段として、このＳｉをドープしたコレクタ層に更にアクセプタであるＣ（カーボン）をドーピングするものである。ただし、ドーピング量はアクセプタ濃度がドナー濃度よりも小さい関係（ドナー濃度＞アクセプタ濃度）を保つようにする。
【００１６】
これにより、電流増幅率βが増大すると共に、通電時間が増えても電流増幅率βが大幅に低下しなくなって安定化し、ＨＢＴ素子の信頼性が向上する。
【００１７】
コレクタ層にドーピングするＣ濃度は５×１０15cm-3〜２×１０16cm-3の範囲とする。５×１０15cm-3のＣ濃度から電流増幅率βの増加が顕著に認められ、以降電流増幅率βは徐々に増加するが、２×１０16cm-3を超えると実測できなくなるためである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【００１９】
図１に本発明のＨＢＴのエピタキシャルウェハの構造を示す。
【００２０】
図１において、１は半絶縁性ＧａＡｓ基板であり、その上に、コレクタの抵抗を低減させる為のＳｉドープｎ+型ＧａＡｓサブコレクタ層２（厚さ５００ｎｍ、キャリア濃度５×１０18cm-3）と、Ｓｉ及びＣドープのｎ-型ＧａＡｓコレクタ層３（厚さ１０００ｎｍ、キャリア濃度３×１０16cm-3）と、電子の流れを制御するＣドープのｐ+型ＧａＡｓベース層４（キャリア濃度４×１０19cm-3）と、前述ベース層に対してヘテロ接合を形成し、電子をベース層へ注入しベース層からの正孔の注入を抑止するＳｉドープのｎ型エミッタ層５と、エミッタ層のオーミックコンタクト抵抗を低減させ金属電極とのオーミックコンタクトを形成する為のＳｅドープのｎ型エミッタキャップ層６とを、順次に積層した構成となっている。
【００２１】
ベース層のｐ型不純物に炭素Ｃを用いたのは、Ｃ（カーボン）は、亜鉛（Ｚｎ）やベリリウム（Ｂｅ）などと較べて、拡散定数が小さく、コレクタ層及びエミッタ層との境界で急峻な濃度勾配のｐ型不純物層を作りやすいという理由からである。
【００２２】
エミッタ層５は、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０→０．３）グレーデッド層５ａ（ＡｌＡｓ混晶比ｘを０から０．３まで徐々に増大させて成長した、厚さ約２０ｎｍ、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０17cm-3）と、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３）層５ｂ（厚さ約８０ｎｍ、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０17cm-3）と、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．３→０）グレーデッド層５ｃ（ＡｌＡｓ混晶比ｘを０．３から０まで徐々に減少させて成長した、厚さ約２０ｎｍ、Ｓｉドープによるキャリア濃度５×１０17cm-3）とで構成される。
【００２３】
またエミッタキャップ層６は、ｎ+型ＧａＡｓ層６ａ（厚さ１００ｎｍ、キャリア濃度５×１０18cm-3）、ｎ+型ＩｎyＧａ1-yＡｓグレーデット層６ｂ（ＩｎＡｓ混晶比ｙを０から０．５まで徐々に増大させて成長した、厚さ約５０ｎｍ、Ｓｅドープによるキャリア濃度２×１０19cm-3）、ｎ+型ＩｎyＧａ1-yＡｓ層６ｃ（ｙ＝０．５、厚さ約５０ｎｍ、キャリア濃度２×１０19cm-3）で構成される。
【００２４】
上記ｎ型のＧａＡｓコレクタ層３には、ドナーＳｉとアクセプタＣの各１種類、計２種類の不純物を、そのドナー濃度よりもアクセプタ濃度の方が低くなる関係でドーピングする。ここでは、キャリア濃度が1×１０16cm-3になる量のドナーＳｉをドーピングすると共に、そのコレクタ層３に、キャリア濃度２×１０16cm-3となる量のアクセプタのＣをドーピングし、この２種類の不純物のドーピングによる合計のキャリア濃度が３×１０16cm-3となるようにした。
【００２５】
上記ＨＢＴ用エピタキシャルウェハは有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：metal organic vapor phase epitaxy）を用いて作製した。その際、ドーパントガスの種類として、ＣにはＣＢｒ4（四臭化炭素）、ＳiにはＳｉ2Ｈ6（ジシラン）を使用した。
【００２６】
上記ＨＢＴ用エピタキシャルウェハを用い、そのサブコレクタ層、ベース層及びエミッタ層に、それぞれ金属電極を設けてＨＢＴを作製した。
【００２７】
従来の構造のＨＢＴと本実施形態の構造のＨＢＴとで電流増幅率βを比較したところ、従来構造のＨＢＴの場合、電流増幅率βは１２０であったが、本発明の構造のＨＢＴでは電流増幅率βが１７０であり、大幅に電流増幅率βが改善された。
【００２８】
そこで、本実施形態に係るＨＢＴの信頼性試験をおこなった。図２に、この信頼性試験（ＨＢＴの通電時間の経過に伴う電流増幅率βの変動）の結果を示す。図示するように、本実施形態に係るＨＢＴの電流増幅率βは、通電時間６００時間で当初の値の９８％、２０００時間でも当初の値の９４％であり大幅に改善された。
【００２９】
次に、コレクタ層３のＣ濃度（アクセプタ濃度）が電流増幅率βに与える程度について調べた。
【００３０】
図３に、このコレクタ層３のＣ濃度と電流増幅率βの関係を示す。横軸のＣ濃度の目盛は、例えば５Ｅ＋１５で５×１０15cm-3を意味する。
【００３１】
Ｃ濃度は、１×１０14cm-3、５×１０14cm-3、１×１０15cm-3、５×１０15cm-3、１×１０16cm-3、２×１０16cm-3で実験した。なお、２×１０16cm-3以上のＣ濃度に関しては、ｎ型のキャリア濃度の調整（３×１０15cm-3）が不可能となることから実験は行えない（ドナーとアクセプタが同じ濃度になるとコレクタ層が空乏化、或いはｐ型となる）。
【００３２】
実験の結果、図３に示すように、５×１０15cm-3以上からＣ濃度が上がるにつれ徐々に電流増幅率βも上がることかわかった。すなわち、上記コレクタ層３のアクセプタたるＣ濃度を５×１０15cm-3〜２×１０16cm-3の範囲とすることで、電流増幅率βを高めることができる。下限を５×１０15cm-3としたのは、この値のＣ濃度から電流増幅率βの増加が顕著に認められるためであり、また上限を２×１０16cm-3としたのは、上記理由から実測しうる最大値であるという制約を受けるためである。
【００３３】
この実験結果より、コレクタ層３にアクセプタたるＣをドーピングすることで、コレクタ層の膜質が改善されることがわかった。また、そのことで電流増幅率β及び素子の信頼性が向上したと考えられる。
【００３４】
上記実施形態では、ＣのドーパントガスにＣＢｒ4を用いたが、その他使用できるものとして、ＢｒＣＣｌ3（ブロモトリクロロメタン）がある。
【００３５】
またコレクタ層を原料ガスのＴＭＧ（トリメチルガリウム砒素：化学式（ＣＨ3）3Ｇａ）を使用して成長している場合は、アルシンの流量調整で、ドーパントガスを使用しなくとも、容易にＣ濃度を調整することができる（オートドーピングとも言う）。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、ＧａＡｓ基板上に、コレクタの抵抗を下げる為のｎ型のＧａＡｓサブコレクタ層と、ｎ型のＧａＡｓコレクタ層と、ｐ型のＧａＡｓベース層と、ｎ型のＡｌＧａＡｓエミッタ層と、エミッタ層のオーミックコンタクト抵抗を低減させる為のｎ型の伝導を示すＧａＡｓ層又はこれとＩｎＧａＡｓ層から成るエミッタキャップ層とを積層して構成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記ＧａＡｓコレクタ層に、ドナーとアクセプタの各１種類、例えばドナーとしてＳｉ、アクセプタとしてＣの計２種類の不純物を、そのドナーのＳｉ濃度よりもアクセプタのＣ濃度の方が低くなる関係で特定のＣ濃度のドーピングをしたものである。
【００３７】
これにより、電流増幅率βが増大すると共に、ＨＢＴ素子の信頼性に関しても、通電時間の増加に伴って電流増幅率βが大幅に低下することがなくなって安定化する。従って、本発明により、電流増幅率β及び信頼性の高いＨＢＴを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造を示す図である。
【図２】本発明のＨＢＴの信頼性（通電時間と電流増幅率βの関係）の試験結果を示す図である。
【図３】コレクタ層のＣ濃度（アクセプタ濃度）と電流増幅率βの関係を示す図である。
【図４】従来品のＨＢＴ用エピタキシャルウェハの構造を示す図である。
【図５】従来品のＨＢＴの信頼性（通電時間と電流増幅率βの関係）を示す図である。
【符号の説明】
１  ＧａＡｓ基板
２  サブコレクタ層
３  コレクタ層
４  ベース層
５  エミッタ層
５ａ  ＡｌＧａＡｓグレーデット層
５ｂ  ＡｌＧａＡｓ層
５ｃ  ＡｌＧａＡｓグレーデット層
６  エミッタキャップ層
６ａ  ＧａＡｓ層
６ｂ  ＩｎＧａＡｓグレーデット層
６ｃ  ＩｎＧａＡｓ層
【図１】
0003952815.tif 000002
【図２】
0003952815.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003952815.tif 000005
【図５】
0003952815.tif 000006