(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子を供給するためのエミッタ層と、
上記エミッタ層上に設けられ、供給される電子の移動が可能に構成された電子移動層と、
上記電子移動層を上記エミッタ層との間に挟むように設けられ、上記エミッタ層から上記電子移動層への電子供給量を制御する電圧を印加するための制御電極と、
上記エミッタ層から供給された電子の少なくとも一部を集めるための収集電極と、
上記制御電極と上記収集電極との間に介在し、上記電子移動層の上記制御電極に隣接する側の端部の電子親和力と同等あるいはより大きい電子親和力を有する絶縁体層とを備え、
前記エミッタ層はｎ−ＧａＮからなり、
前記電子移動層は、ＡｌＧａＮからなり、
前記電子移動層に含まれるＡｌ含有量は、前記エミッタ層から前記制御電極に向けて増加しており、
上記電子移動層から上記絶縁体層に注入された電子が上記絶縁体層の伝導帯を伝導して上記収集電極に到達するように構成されていることを特徴とする接合型トランジスタ。
【請求項２】
請求項１記載の接合型トランジスタにおいて、
上記電子移動層の電子親和力は、上記エミッタ層から上記制御電極に向かう方向に小さくなるように調整されていることを特徴とする接合型トランジスタ。
【請求項３】
請求項２記載の接合型トランジスタにおいて、
上記電子移動層は、上記エミッタ層から上記制御電極に向かう方向に拡大するバンドギャップを有することにより、電子親和力が調整されていることを特徴とする接合型トランジスタ。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の接合型トランジスタにおいて、
上記絶縁体層は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化シリコン（ＳｉＯx）及び窒化シリコン（ＳｉＮx）のうち少なくともいずれか１つを含むことを特徴とする接合型トランジスタ。
【請求項５】
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の接合型トランジスタにおいて、
上記絶縁体層は、ＡｌＮ，ＡｌxＧａ1-xＮ（０．６５≦ｘ≦１）及びこれらの酸化物のうち少なくともいずれか１つを含んでいることを特徴とする接合型トランジスタ。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか１つに記載の接合型トランジスタにおいて、
上記電子移動層と上記制御電極との間に設けられ、電子親和力が負あるいは０である材料により構成される表面層をさらに備えていることを特徴とする接合型トランジスタ。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか１つに記載の接合型トランジスタにおいて、
上記電子移動層における電子の流れる領域を電子移動層の断面の一部に制限するための埋め込み層をさらに備えていることを特徴とする接合型トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば携帯無線の基地局等に用いられる高出力のパワートランジスタに関するものものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、携帯電話の基地局に用いられる高周波信号用の高出力パワートランジスタや、無線ＬＡＮにおける高周波信号用の高出力パワートランジスタは、ＧａＡｓ基板を利用したＭＥＳＦＥＴやバイポーラトランジスタによって構成されている。これらの素子は、ＧａＡｓ基板中における電子の高移動度を利用した高周波信号に対する追随性と、ＧａＡｓがＳｉよりも広いバンドギャップを有することを利用した高耐圧性とを有することが利点である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＭＥＳＦＥＴやバイポーラトランジスタでは、ゲート−ドレイン間の耐圧やベース−コレクタ間の耐圧が、電圧の印加時に生じる空乏層によって規定されるので、半導体材料（ＧａＡｓ）の物性により定まる限界を超えた耐圧性を発揮することができない、例えば、現存する高出パワートランジスタにおいては、３０Ｖ以上の電圧下で動作させることが困難である。そのために、高出力（高電力）を得ようとすると、電流量を稼ぐ必要があるが、電流量を増大させた場合には、電圧を高くする場合に比べると電力損失が大きくなるという不具合がある。
【０００４】
本発明の目的は、絶縁体中を電子がトンネルではなく伝導帯を伝導して通過しうることを利用して、絶縁体という材料が本来有する絶縁性を利用して、耐圧の大きい高出力パワートランジスタとして機能しうる接合型トランジスタを実現することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の接合型トランジスタは、電子を供給するためのエミッタ層と、上記エミッタ層上に設けられ、供給される電子の移動が可能に構成された電子移動層と、上記電子移動層を上記エミッタ層との間に挟むように設けられ、上記エミッタ層から上記電子移動層への電子供給量を制御する電圧を印加するための制御電極と、上記エミッタ層から供給された電子の少なくとも一部を集めるための収集電極と、上記制御電極と上記収集電極との間に介在し、上記電子移動層の上記制御電極に隣接する側の端部の電子親和力と同等あるいはより大きい電子親和力を有する絶縁体層とを備え、前記エミッタ層はｎ−ＧａＮからなり、前記電子移動層は、ＡｌＧａＮからなり、前記電子移動層に含まれるＡｌ含有量は、前記エミッタ層から前記制御電極に向けて増加しており、上記電子移動層から上記絶縁体層に注入された電子が上記絶縁体層の伝導帯を伝導して上記収集電極に到達するように構成されている。
【０００６】
これにより、制御電極とエミッタ層との間に電圧を印加すると、電子供給層から電子移動層を通過させて、電子移動層の表面から電子を注入させることができる。そのとき、絶縁体層の電子親和力が電子移動層の最表面部の電子親和力よりも小さいので、注入された電子が絶縁体層の伝導帯を伝導して収集電極に到達する。また、制御電極と収集電極との間に絶縁体層が介在することで、収集電極−制御電極間の耐圧値を大きく確保することができる。したがって、電圧を高くして電力損失の小さい高出力パワートランジスタとして機能する接合型トランジスタが得られることになる。
【０００７】
上記電子移動層の電子親和力は、上記エミッタ層から上記制御電極に向かう方向に小さくなるように調整されていることにより、絶縁体層への電子の注入が容易になる。
【０００８】
上記電子移動層は、上記エミッタ層から上記制御電極に向かう方向に拡大するバンドギャップを有することにより、電子親和力が調整されていることが好ましい。
【００１１】
上記絶縁体層は、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化シリコン（ＳｉＯx）及び窒化シリコン（ＳｉＮx）のうち少なくともいずれか１つを含んでいるか、ＡｌＮ，ＡｌxＧａ1-xＮ（０．６５≦ｘ≦１）及びこれらの酸化物のうち少なくともいずれか１つを含んでいることが好ましい。
【００１２】
上記電子移動層と上記制御電極との間に設けられ、電子親和力が負あるいは０である材料により構成される表面層をさらに備えていることが好ましい。
【００１４】
上記電子移動層における電子の流れる領域を電子移動層の断面の一部に制限するための埋め込み層をさらに備えていることにより、電流の集中により電子の注入効率を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態におけるおける接合型トランジスタの構造を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の接合型トランジスタは、サファイア基板１１と、サファイア基板１１の上に設けられたエミッタ層として機能するｎ−ＧａＮ層１２と、ｎ−ＧａＮ層１２の上に設けられ、組成がほぼ連続的に変化する，電子移動層として機能するＡｌxＧａ1-xＮ層１３と、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３の上に設けられ、表面層として機能するＡｌＮ層１４と、ＡｌＮ層１４の上に設けられ、フィルタ層として機能するＡｌ2Ｏ3層１５と、Ａｌ2Ｏ3層１５の上に設けられた制御電極１６と、制御電極１６と電気的に接続される引出電極１９と、ｎ−ＧａＮ層１２上に設けられたオ−ミック電極１７と、ＡｌＮ層１４とＡｌ2Ｏ3層１５及び引出電極１９との間に介在するシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）からなる絶縁体層１８と、制御電極１６及び引出電極１９を覆うシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）からなる絶縁体層２０と、絶縁体層２０の上に設けられた収集電極２１とから構成されている。また、オーミック電極１７と引出電極５１との間に交流電圧を印加するための交流電源２２と、引出電極１９と収集電極２１との間に直流のバイアスを印加するための直流電源２３とが設けられている。
【００１７】
本実施形態の接合型トランジスタは、制御電極１６とオ−ミック電極１７の間に印加された信号に対応して絶縁体層２０に注入される電子２５を加速して、収集電極２１で受けるものであり、絶縁性が高く、内部損失が小さく、温度依存性も小さい高出力パワートランジスタとして機能する。
【００１８】
図２（ａ），（ｂ）は、本実施形態の接合型トランジスタの各部、つまり、ｎ−ＧａＮ層１２（エミッタ層）、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３（電子移動層）、ＡｌＮ層１４（表面層）、Ａｌ2Ｏ3層１５（フィルタ層）、制御電極１６、絶縁体層２０及び収集電極２１の電圧を印加していない状態（平衡状態）及び電圧Ｖの順バイアスを印加した時のエネルギーバンド図である。
【００１９】
電子移動層であるＡｌxＧａ1-xＮ層１３は、表面に向かって徐々に電子親和力χが小さくなるような材料から選択されるが、その材料を巧く選択することにより、その材料の組成比を変化させることによって電子親和力がほぼ連続的に小さくなる構造を実現することができる。
【００２０】
本構成例においては、エミッタ層としてｎ型にドープされたｎ−ＧａＮ層１２（キャリア密度：〜４×１０18個／cm3 ）を、電子移動層としてドープしていない傾斜組成のＡｌxＧａ1-xＮ層１３（０≦ｘ≦１）を、表面層としてＡｌＮ層１４を、フィルタ層としてＡｌ2Ｏ3層１５を用いている。
【００２１】
ここで、傾斜組成のＡｌxＧａ1-xＮ層１３は、ＧａＮ層１２と接する部分ではｘ＝０、つまりＡｌを含んでおらず、ＡｌＮ層１４と接する部分ではｘ＝１、つまりＧａを含んでいない構成としている。また、その途中はｘ値を徐々に増加させた、つまりＡｌ含有量が表面に向かって増加していくように組成を傾斜させている。このような構造にすることにより、図２（ａ）に示すように、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３のＧａＮ層１２と接する部分における電子親和力は正であるが、表面に向かうにつれてＡｌ含有量の増加に伴って電子親和力値は小さくなり、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３のＡｌＮ層１４と接する部分ではＡｌＮと同様に電子親和力が負となる。したがって、この実施形態では、電子移動層（ＡｌxＧａ1-xＮ層１３）の電子親和力はエミッタ層（ＧａＮ層１２）から表面層（ＡｌＮ層１４）に至るまでほぼ連続的に減少していることとなる。また、電子移動層として組成傾斜ＡｌxＧａ1-xＮを用いた場合、上記のような構成はバンドギャップの連続的な拡大ともとらえることもできる。
【００２２】
そして、本実施形態においては、Ａｌ2Ｏ3層１５の電子親和力はＡｌＮ層１４の電子親和力よりも所定値Δχ1だけ大きく、絶縁体層２０の電子親和力はＡｌＮ層１４の電子親和力よりも所定値Δχ2だけ大きい。
【００２３】
さて、図２（ａ）に示したような平衡状態では、ＧａＮ層１２（エミッタ層）の伝導帯には多数の電子が存在しているが、ＡｌＮ層１４（表面層）の伝導帯端のエネルギーレベルが高いため、電子が最表面に到達することはない。一方、このような構造に順バイアス（制御電極側に正電圧）を印加すると、図２（ｂ）に示すようにエネルギーバンドが曲がる。その結果、ＧａＮ層１２（エミッタ層）に存在する電子は濃度勾配及び電位勾配によってＡｌxＧａ1-xＮ層１３（電子移動層）を経てＡｌＮ層１４（表面層）に輸送される。つまり、電子電流が流れる。また、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３や、ＡｌＮ層１４はノンドープであることから、ＧａＮ層１２（エミッタ層）からＡｌxＧａ1-xＮ層１３（電子移動層）を経てＡｌＮ層１４（表面層）に注入された電子は、正孔等との再結合によって捕捉されることなく移動することができる。また、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３での組成傾斜を連続的に行なうことで、電子移動の障害となるエネルギー障壁が伝導帯端には形成されないため、効率的に電子を表面まで送るという点で有利である。
【００２４】
そして、収集電極２１と制御電極１６とに印加される電圧に応じて、絶縁体層２０のバンドが曲げられるので、絶縁体層２０に注入された電子は伝導帯を伝導して、収集電極２１に集められることになる。このときの電子は、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３内を移動する場合と同様に、正孔等との再結合によって捕捉されることがない。しかも、このトランジスタの耐圧値は、制御電極１６と収集電極２１との間に介在する絶縁体層２０の厚みそのものによって調整できるので、従来のＧａＡｓ基板の空乏層を利用したＭＥＳＦＥＴやバイポーラトランジスタに比べて、自由に大きな耐圧値に調整することができる。そして、大電圧を印加することができるので、電力損失をできるだけ小さくすることが可能である。そして、例えば携帯電話の基地局における高出力パワートランジスタや、無線ＬＡＮにおける高出力半導体パワートランジスタとして機能することになる。
【００２５】
本発明における絶縁体層２０を構成する材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化シリコン（ＳｉＯx）、窒化シリコン（ＳｉＮx），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ガリウム−窒化アルミニウム混晶半導体（ＡｌxＧａ1-xＮ）（０．６５≦ｘ≦１），これらの酸化物などを用いることができる。また、絶縁体層２０を各種絶縁体材料の積層膜によって構成してもよい。
【００２６】
本発明における電子移動層の構造は、このような構造に限定されるものではなく、電子親和力が正であってもよいが、本実施形態のごとく電子親和力が負の材料いわゆるＮＥＡ材料により構成することで、電子が容易に絶縁体層２０の伝導帯を伝導して収集電極２１に到達するように構成することができる。
【００２７】
また、表面層は必ずしもなくてもよいが、ＮＥＡ材料からなる表面層が設けられていることで、電子が容易に絶縁体層２０の伝導帯を伝導して収集電極２１に到達するように構成することができる。
【００２８】
また、フィルタ層は必ずしもなくてもよいが、フィルタ層（Ａｌ2Ｏ3層１５）が設けられていることで、リーク電流のみが抑制され、制御電極１６とｎ−ＧａＮ層１２（あるいはオーミック電極１１）との間に印加される正の電圧に応じてＡｌＮ層１４から有効に電子が注入される。
【００２９】
その場合、フィルタ層は、表面層（表面層がない場合は電子移動層の最表面部）よりも所定値Δχ1だけ電子親和力が大きい絶縁性材料により構成され、表面層をＡｌＮにより構成する場合には、フィルタ層を構成する材料として、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）、酸化シリコン（ＳｉＯx）、窒化シリコン（ＳｉＮx）などを用いることができる。
【００３０】
なお、これまで知られているＮＥＡ材料としては、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）やガリウム隣（ＧａＰ）、シリコン（Ｓｉ）などの半導体表面に低仕事関数材料であるセシウム（Ｃｓ）や酸化セシウム（Ｃｓ−Ｏ）、セシウムアンチモン（Ｃｓ−Ｓｂ）、酸化ルビジウム（Ｒｂ−Ｏ）等を薄くコートした構成が知られている。これらの材料を用いた場合、表面層が安定性に乏しいため、一般的には高真空下でないとＮＥＡ状態を維持することができない。
【００３１】
また、上記構成例においては、電子移動層の組成が連続的に変化することで、電子親和力が連続的に小さくなる（あるいはバンドギャップが連続的に大きくなる）場合について説明したが、本発明の電子移動層の構成は、かかる構成例に限定されるものではなく、その組成がステップ状に変化した場合や多少不連続に変化する場合においても、電子の移動に関して大きな障害とならない程度であれば問題はない。
【００３２】
ここで、本実施形態のＮＥＡ接合型トランジスタの製造方法について説明する。
【００３３】
まず、サファイア基板１１の上に、ＭＯＣＶＤ法により、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）＋アンモニア（ＮＨ3）とを反応させて、ＧａＮバッファ層（図示せず）を形成した後、同様の反応ガスにシラン（ＳｉＨ4）を添加してエミッタ層であるｎ−ＧａＮ層１２を形成する。次に、ド−プガスであるＳｉＨ4の供給を停止した後、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を導入して、Ａｌの添加量を徐々に増大させながら、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３を形成し始め、途中からＴＭＧの供給を徐々に減少させていくことによって、上方に向かってＡｌ含有比がほぼ連続的に高くなっていくＡｌxＧａ1-xＮ層１３を形成する。そして、最終的にＡｌ含有比ｘを１、つまりＧａ含有比を０にすることで、表面層であるＡｌＮ層１４をＡｌxＧａ1-xＮ層１３の上に形成する。この時、高品質なＡｌxＧａ1-xＮ層１３を成長させるために、反応温度も徐々に変化させる場合もある。このような手法により、エミッタ層であるｎ−ＧａＮ層１２と、電子移動層であるＡｌxＧａ1-xＮ層１３と、表面層であるＡｌＮ層１４とを連続的に、かつ高品質に形成することができる。本実施形態においては、ｎ−ＧａＮ層１２の厚みを４μｍとし、ＡｌxＧａ1-xＮ層の厚みを０.０７μｍとし、ＡｌＮ層の厚みを０.０１μｍとした。
【００３４】
なお、ｎ−ＧａＮ層１２、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３、及びＡｌＮ層１４の形成方法は、上述の方法に限定されるものではない。例えば、ＭＯＣＶＤ法に代わってＭＢＥ法などを用いることも可能である。また、傾斜組成を有するＡｌxＧａ1-xＮ層を形成する他の方法としては、例えば、ＧａＮ層の上に薄いＡｌ層をエピタキシャル成長させて、これを熱処理することによって下方に行くほどＡｌ含有比が小さく、表面に近いほどＡｌ含有比が大きいＡｌxＧａ1-xＮ層を形成することも可能である。
【００３５】
次に、エミッタ層であるｎ−ＧａＮ層１２にオ−ミック電極１７を形成する。このとき、基板として用いたサファイアは絶縁体であることから、サファイア基板１１の裏面に電極を設けることができない。そこで、ｎ−ＧａＮ層１２の一部を露出するために表面からある深さまでエッチングし、このエッチング処理によって露出したｎ−ＧａＮ層１２の領域上にオ−ミック電極１７（材質：Ｔｉ／Ａｌ／Ｐｔ／Ａｕ）を電子ビ−ム蒸着法により形成した。
【００３６】
次に、ＡｌＮ層１４上に絶縁体層１８を形成し、ＡｌＮ層４の一部を開口させるようにパタ−ニングした後、開口部に露出したＡｌＮ層１４の上に、アルミナ層１５と、引出電極１９とを形成する。その材質は適宜選択されるが、絶縁体層１８を構成する材料としてＳｉＯ2等が好ましく、引出電極１９を構成する材料としてＴｉ，Ａｌ等が好ましく用いられる。本実施形態では、ＳｉＯ2膜の膜厚を１００ｎｍとし、Ａｌ電極の膜厚を２００ｎｍとした。
【００３７】
さらに、表面層であるＡｌＮ層１４の上に制御電極１６を形成する。その材質についても適宜選択されるが、Ｐt、Ｎｉ、Ｔｉ等が好適である。また形成方法についても、限定されるものではないが、電子ビ−ム蒸着法が一般的である。なお制御電極１６は電子注入部となるので、電子の注入効率を高めるため、できる限り薄いことが好ましい。本実施形態では、制御電極１６の膜厚を５ｎｍとし、大きさをφ２０μｍとした。
【００３８】
さらに、その上にＳｉＯ2膜及びＰt膜（又はＮｉ膜，Ｔｉ膜など）を堆積した後、これらをパターニングして、収集電極２１及び絶縁体層２０を形成する。
【００３９】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態における接合型トランジスタの構造を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態の接合型トランジスタは、第１の実施形態における接合型トランジスタの構造に加えて、ｎ−ＧａＮ層１２とＡｌxＧａ1-xＮ層１３との境界付近に配置された埋込絶縁層２６（あるいは、埋込ｐ型層）を備えている。本実施形態では、ｎ−ＧａＮ層１２／ＡｌxＧａ1-xＮ層１３の境界付近に設けられた埋込絶縁層２６によって電子移動層であるＡｌxＧａ1-xＮ層１３を移動する電子流を狭窄して、表面電極である制御電極１６に到達する電子密度を高めるものである。
【００４０】
なお、埋込絶縁層２６（又は埋込ｐ型層）は、プロセスの容易性を考慮すると、本実施形態のごとく、図３に示す位置に設けられていることが好ましいが、場合によっては、ＡｌxＧａ1-xＮ層１３内やｎ−ＧａＮ層１２内に同様の機能を有する部材が設けられていてもよい。
【００４１】
（その他の実施形態）
上記各実施形態において、基板はサファイアを用いたため、エッチングによって表面からオ−ミック制御電極を設けたが、ＳｉＣなどの導電性基板を用いた場合、裏面よりオ−ミック制御電極を形成することができるので、より簡便な構成／プロセスとすることができる。
【００４２】
また、上記各実施形態においては、表面層をＡｌＮまたはＡｌxＧａ1-xＮにより構成したが、それ以外のＮＥＡ材料であるダイヤモンド等によって表面層を構成しても良い。
【００４３】
上記各実施形態におけるＡｌxＧａ1-xＮ層内にｎ型不純物をド−プして、ｎ型半導体として機能させても良い。
【００４４】
上記各実施形態における電子注入部（表面層）は、１つの素子に複数個設けられていても良い。
【００４５】
上記ＡｌxＧａ1-xＮ層を利用した実施形態においては、ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ含有比ｘが連続的に変化する構造としたが、ＡｌxＧａ1-xＮ層のＡｌ含有比ｘが、例えば階段状に変化するものがあってもよい。
【００４６】
【発明の効果】
本発明の接合型トランジスタによれば、エミッタ層から電子をスム−ズに移動させるための電子移動層とを設け、さらに、電子移動層の上に電子親和力が電子移動層よりも大きい絶縁体層を設けたので、耐圧の大きい高出力パワートランジスタとして機能する接合型トランジスタを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるＮＥＡ材料を用いた接合型トランジスタの構造を示す断面図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は、電子移動層としてＡｌxＧａ1-xＮ（０≦ｘ≦ｙ、かつｙ＜１）を適用したＮＥＡ接合型トランジスタの平衡状態と順バイアス印加時におけるエネルギー状態を示すエネルギーバンド図である。
【図３】本発明の第２の実施形態における接合型トランジスタの構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１１  サファイア基板
１２  ｎ−ＧａＮ層(エミッタ層)
１３  ＡｌxＧａ1-xＮ層(電子移動層)
１４  ＡｌＮ層(表面層)
１５  Ａｌ2Ｏ3層(フィルタ層)
１６  制御電極
１７  オ−ミック電極
１８  絶縁体層
１９  引出電極
２０  絶縁体層
２１  収集電極
２２  交流電源
２３  直流電源
２５  電子
２６  埋込
【図１】
0003862486.tif 000002
【図２】
0003862486.tif 000003
【図３】
0003862486.tif 000004