(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）からなる層を含むベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記ベース層は、エミッタ層が直上に形成された内部ベース層と、前記内部ベース層から前記エミッタ層が形成された領域の外へ向かって延在する外部ベース層とを含み、前記内部ベース層中のＣ−Ｈ濃度が前記外部ベース層中のＣ−Ｈ濃度よりも高く、且つ、トランジスタ動作を伴う初期通電を行うことにより、電流増幅率βの増大と安定化処理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。
【請求項２】
前記初期通電前の電流増幅率β0に対し、初期通電後の電流増幅率βの増加率（β／β0）が１１０％以上であることを特徴とする請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項３】
前記初期通電時の通電電流量が１ｋＡ／ｃｍ2以上であることを特徴とする請求項１または２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ＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）からなる層中のＣ−Ｈ濃度がＣ濃度の１０％以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか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ＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）からなる層のキャリア濃度が１．４×１０19ｃｍ-3から６．５×１０19ｃｍ-3であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項６】
ＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）からなる層を含むベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法において、
半導体基板上にＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）からなる層を含むベース層となるIII−Ｖ族化合物半導体層構造を積層する工程と、前記III−Ｖ族化合物半導体層構造の表面が露出する領域を有するように、前記III−Ｖ族化合物半導体層構造上にエミッタ層を形成する工程と、前記III−Ｖ族化合物半導体層構造において前記表面が露出した領域にベース電極を形成する工程とを有し、前記エミッタ層を形成した後、前記ベース電極を形成する前に熱処理工程を行なうことにより、前記III−Ｖ族化合物半導体層構造において前記表面が露出した領域に位置する外部ベース層のＣ−Ｈ濃度を、前記エミッタ層の直下に位置する内部ベース層のＣ−Ｈ濃度よりも低くし、且つ、トランジスタ動作を伴う初期通電を施すことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体材料よりなるヘテロ接合バイポーラトランジスタおよびその製造方法、特にｎｐｎ型ヘテロ接合バイポーラトランジスタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化合物半導体の積層構造からなるＧａＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの結晶成長が容易になったので、ヘテロ接合バイポーラトランジスタなどの高周波で用いられる半導体装置の実用化を目指した研究開発が盛んに行われている。このような半導体デバイスの高周波特性の向上には、より低いベース抵抗Ｒｂとより高い電流増幅率βとの両立が必要である。なお、ベース抵抗Ｒｂは、真性ベース抵抗、外部ベース抵抗と、ベース電極／ベース層間コンタクト抵抗の三成分が考えられる。しかし、真性ベース抵抗は一般的に他の二成分より十分小さく、一般的には無視できる。
【０００３】
一方、高い電流増幅率βを達成するためには、ベース層の膜厚を薄くするか、ベース層のキャリア濃度を低くする必要があり、いずれもベース抵抗成分（外部ベース抵抗とベース電極／ベース層間コンタクト抵抗）を増加させる。このことから高い電流増幅率βとより低いベース抵抗Ｒｂの両立は、難しいことが分かる。
【０００４】
このため、特開平５−３２６５４５号公報に示されているように従来技術では高周波特性を改善するために、外部ベース層を選択成長する必要があった。この従来例を図８を用いて説明する。図８に従来例の半導体装置を示す。この従来例では、半絶縁性ＧａＡｓ基板１１０上に、ｎ型ＧａＡｓコレクタバッファ層１０１、ＧａＡｓコレクタ層１０２、Ｃドープｐ型ＧａＡｓベース層１０３、ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓエミッタ層１０４、ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタキャップ層１０５を順次エピタキシャル成長する。次にこれをメサ型に加工し、適当な成長方法により、選択的にＣドープｐ型ＧａＡｓ外部ベース層１０６を形成した後、エミッタ電極１０７、ベース電極１０８、コレクタ電極１０９を形成する。この従来例においては、より高い高周波特性を得るために、選択的にＣドープｐ型ＧａＡｓ外部ベース層１０６を形成し、低いベース抵抗Ｒｂと高い電流増幅率βの両立を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平５−３２６５４５号公報に示されているように従来技術は、高い電流増幅率βを実現するために、一般的にベース層のキャリア濃度を通常（２×１０19ｃｍ-3）より低い値に設定する必要がある。そのため、高抵抗のＣドープｐ型ＧａＡｓベース層１０３が形成されるので、結局ベース電極／ベース層間コンタクト抵抗は低減されるが外部ベース抵抗成分は高いままであり、効果的な高周波特性の改善は見られなかった。このことからベース抵抗成分の低減には、ベース電極／ベース層間コンタクト抵抗低減にあわせ、外部ベース抵抗の低減が課題であり、ベース電極／ベース層間コンタクト抵抗低減と外部ベース抵抗の低減を両立させる事が良好な高周波特性を与えると考えられる。
【０００６】
このことから、ベース電極／ベース層間コンタクト抵抗値、外部ベース抵抗値と電流増幅率をそれぞれ独立して設定できるとして扱えるようなＣドープＧａＡｓベース層を実現するのが重要課題である。この課題を克服することが、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの高周波特性向上に役立つと考えられる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１のＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）からなる層を含むベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、ベース層は、エミッタ層が直上に形成された内部ベース層と、内部ベース層からエミッタ層が形成された領域の外へ向かって延在する外部ベース層とを含み、内部ベース層中のＣ−Ｈ濃度が外部ベース層中のＣ−Ｈ濃度よりも高く、且つ、トランジスタ動作を伴う初期通電を行うことにより、電流増幅率βの増大と安定化処理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である。具体的には、初期通電により電子を捕獲したＣ−Ｈ結合に起因する電子トラップがベース層中の他のトラップによる再結合を抑制し、ベース電流が減少し、結果、電流増幅率βが向上する。
【０００８】
本発明の請求項２は、前記初期通電前の電流増幅率β0に対し、初期通電後の電流増幅率βの増加率（β／β0）が１１０％以上であることを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項３は、前記初期通電時の通電電流量が少なくとも、１ｋＡ／ｃｍ2以上であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項４の前記ＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層中のＣ−Ｈ濃度がＣ濃度の１０％以上であることを特徴とする。このＣ−Ｈ結合に起因する電子トラップが、電流増幅率の向上に寄与する。
【００１１】
本発明の請求項５のヘテロ接合バイポーラトランジスタは前記ＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層のキャリア濃度が１．４×１０19ｃｍ-3から６．５×１０19ｃｍ-3の範囲であることが望ましい。
【００１２】
本発明の請求項６のＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）からなる層を含むベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法は、半導体基板上にＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）からなる層を含むベース層となるIII−Ｖ族化合物半導体層構造を積層する工程と、III−Ｖ族化合物半導体層構造の表面が露出する領域を有するように、III−Ｖ族化合物半導体層構造上にエミッタ層を形成する工程と、III−Ｖ族化合物半導体層構造において表面が露出した領域にベース電極を形成する工程とを有し、エミッタ層を形成した後、ベース電極を形成する前に熱処理工程を行なうことにより、III−Ｖ族化合物半導体層構造において表面が露出した領域に位置する外部ベース層のＣ−Ｈ濃度を、エミッタ層の直下に位置する内部ベース層のＣ−Ｈ濃度よりも低くし、且つ、トランジスタ動作を伴う初期通電を施すことを特徴とする。これにより該トランジスタは安定した高周波特性を示す。
【００１３】
我々の実験結果では、ＣドープＧａＡｓ層とＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）層では、結晶学的に同等であり、Ａｌ−Ｃの結合エネルギーが高いので、Ａｌ混晶比が高いほど、同成長温度、同Ｖ族ガス・III族ガス流量比に対してキャリア濃度が高くなる特性の違いはあったが、ＧａＡｓ層とＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）層とは同様な効果を奏した。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は本発明の一実施例に係るＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す断面図である。即ち、半絶縁性ＧａＡｓ基板１０上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＡｓコレクタバッファ層１（厚さ５００ｎｍ）、ＧａＡｓコレクタ層２（厚さ７００ｎｍ）、内部Ｃドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓベース層３（厚さ５０ｎｍ）を積層する。内部Ｃドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓベース層３はエミッタ側の混晶比ｘ＝０．２とし、コレクタ側をｘ＝０となる単純傾斜構造とした。これは、ベース層中に内部電界を発生させることによりより高速に電子を加速させ、電流増幅率の向上をねらったものである。次いで、ｎ型ＡｌyＧａ1-yＡｓエミッタ層４（ｙ＝０．３、厚さ２００ｎｍ）、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層エミッタキャップ層５（厚さ１００ｎｍ）を順次エピタキシャル成長する。
【００１６】
Ｃドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓベース層３を成長する成長条件は、成長温度４５０℃〜６５０℃およびＶ／III族ガス流量比２．０〜７．５の範囲で行う。ここで、Ｃドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓベース層３をＭＯＣＶＤ装置（ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）−ＴＭＡｓ（トリメチル砒素））でエピタキシャル成長する際は、成長温度及びIII族ガスに対するＶ族ガスの割合は表面モホロジーが劣化しない程度に低くする方がＣ濃度に対してのＣ−Ｈ濃度の割合を高くすることができる。この実施例１では成長温度５００℃、Ｖ／III族ガス流量比３．０を採用した。本実施例の成長温度５００℃、Ｖ／III流量比を３．０にした場合、ＳＩＭＳ分析によるとＣ濃度が４×１０19ｃｍ-3であったのに対し、Ｃ−Ｈ濃度は１２×１０19ｃｍ-3であった。
【００１７】
以上の各層を成長後、エミッタ層を残してベース層３が露出するまでと、エミッタ、ベース層を残してコレクタ層２が露出するまでの２回エッチングを行い、これをメサ型に加工する。その後、例えばＳｉＮx保護膜を表面に形成し、Ｎ2雰囲気中で４００℃、５分の熱処理を加え、低抵抗外部Ｃドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓベース層６を形成する。保護膜はＳｉＮxに限ったものでなくＳｉＯ2等でもよい。また、熱処理温度と時間も前記条件に限定したものでない。またコレクタを露出するメサ型に加工する前でもよい。この熱処理により低抵抗外部Ｃドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓベース層６のシート抵抗は２００Ω／□となり、熱処理を行わなかった時の６００Ω／□に比べ、約１／３の抵抗値になった。さらにその後、保護膜を除去し、エミッタ電極７、ベース電極８、コレクタ電極９を形成する。以上のようにしてＧａＡｓ系ヘテロ接合バイポーラよりなる半導体装置の形成後、それぞれの電極にプローバ針により１ｋＡ／ｃｍ2に相当する電子をエミッタより注入し、トランジスタ動作させる。
【００１８】
次に、図３〜６を用いて、以上のように製造されたＣ−Ｈ結合を多量に含むＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタが高い電流増幅率を示す作用に関し簡単に説明する。
【００１９】
図３〜６はＣ−Ｈを多量に含んだＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）層をベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタのエネルギーバンド図である。○は電子を示し、→はトランジスタ動作時の電子の拡散方向を模式的に示したものである。☆はＣ−Ｈ結合に起因する電子トラップのうち電子を捕獲していないもの、●はＣ−Ｈ結合に起因する電子トラップのうち電子を捕獲しているものを模式的に示している。□は、格子の欠陥、その他の不純物に起因するその他のトラップを示している。
【００２０】
図３にＣ−Ｈを多量に含んだＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）層をベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタにトランジスタ動作と伴う初期通電前の模式的エネルギーバンド図を示す。
【００２１】
ＭＯＣＶＤ法による４５０〜６９０℃程度の低い成長温度、Ｖ／III族ガス流量比が５．０以下でエピタキシャル成長したＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層は、図３に示すようにヘテロ接合バイポーラトランジスタのベース層の禁制帯中にＣ−Ｈ結合に起因する電子トラップが存在する（☆で示す）。同時にフェルミ準位より上で伝導帯より下に□で示すように材料に固有の格子欠陥・重金属などの不純物に起因するその他のトラップも存在している。
【００２２】
図４にＣ−Ｈを多量に含んだＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）層をベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタにトランジスタ動作を伴う初期通電時の、特に、電流増幅率が増加している初期状態のエネルギバンド図を示す。
【００２３】
図４に示すようにトランジスタ動作を伴う初期通電の始めは、エミッタ層よりベース層中に電子が注入され、Ｃ−Ｈ結合に起因する電子トラップが電子を捕獲する（→で示す）。この電子を捕獲したＣ−Ｈ結合に起因する電子トラップは安定に存在し続け、この電子を捕獲したトラップは、ベース層中でのその他のトラップを介した電子−ホール再結合を抑制すると考えられる。この結果、該トラップによる再結合によるベース電流が減少し、結果電流増幅率は増加する。
【００２４】
図５にＣ−Ｈを多量に含んだＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）層をベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタのトランジスタ動作時の、特に、電流増幅率の増加が飽和している状態の、従って、初期通電終了直前のエネルギーバンド図を示す。
【００２５】
図５に示すように、ベース層に注入された電子は電子トラップ中に捕獲され、安定状態になる。我々の実験結果ではこのトラップから電子を放出するに必要なエネルギは、約２ｅＶであった。このことから、電子はトラップ中に捕獲され続け初期通電の終了後も安定に存在する。このため電子は伝導帯を流れる。しかし、トラップの数には有限であるので、すべてのトラップに電子が捕獲された時点で、再結合ベース電流値の減少も飽和する。この時同時に、材料に固有のその他のトラップを介した再結合電流の抑制の飽和も起こり、その結果電流増幅率の増加も飽和する。
【００２６】
図６にＣ−Ｈを多量に含んだＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）層をベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタの初期通電が完了した後のエネルギーバンド図を示す。
【００２７】
図６に示すようにいったんトラップに捕獲された電子は、エミッタから電子が注入されなくなった後（トランジスタ動作していない時も）トラップの中に捕獲され続け、安定した電圧−電流特性を示すようになる。この結果、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、電子を捕獲したトラップがベース層中での他のトラップに起因する再結合を抑制するので、ベースキャリア濃度、ベース層厚が同じでＣ−Ｈ濃度の少ないベース層としたヘテロ接合バイポーラトランジスタと比較して、高い電流増幅率を実現することが可能になる。初期通電時の通電量としては１ｋＡ／ｃｍ2以上とすることが、上記の効果をもたらすのに有効であった。
【００２８】
次に、Ｃ−Ｈ結合を多量に含むＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタが低い外部ベース抵抗を示す作用に関し簡単に説明する。
【００２９】
上記に説明したように、Ｃ−Ｈ結合を多量に含むＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタに熱処理および初期通電処理を施すことにより、ベースキャリア濃度を高くしても、高い電流増幅率を維持できる。一方、Ｃ−Ｈ結合が多いので、そのＣ−Ｈの結合を切ることにより、より多くのカーボンが活性化するので、キャリア濃度を高濃度化でき、低い外部ベース抵抗を実現することは容易である。
【００３０】
すなわち、ベース層上に層厚５０ｎｍ以下の絶縁層を存在させて、４００℃程度の熱処理を行うことにより簡単にＣ−Ｈ結合を切り離し水素を大気中に開放しカーボンを活性化できる。この結果、外部ベース層上に形成する絶縁体層を５０ｎｍ以下にすることにより、容易に外部ベース層のキャリア濃度を増加させることができる。
【００３１】
本発明では、ＭＯＣＶＤエピタキシャル成長法で形成した半導体多層膜をメサ型加工後、ベース電極形成前にエミッタ層から露出したベース層部分に熱処理を施す事により、低抵抗外部Ｃドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層に含まれているＣ−Ｈ結合を熱処理により切り、水素を半導体層外部に追い出してカーボンを活性化させ、キャリア濃度を高濃度化することができる。高濃度化した外部ベース層により、低いベース抵抗を実現し、半導体装置に良好な高周波特性を与えることができる。
【００３２】
本手法は、ベース層の上層に厚い（５０ｎｍ程度以上）半導体層がある場合は、半導体層からＨを外部に追い出すことができないので、エミッタ層が上層に形成されているＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層部分には適用することができない。
【００３３】
ＭＯＣＶＤエピタキシャル成長法によりＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層にＣ−Ｈを多量に含ませるためには、ＴＭＧａ（トリメチルガリウム）を完全に分解しＧａ原子単独にしない必要がある。ＴＭＧａにおいてはＣ−ＨはＧａ−ＣＨ3、Ａｌ−ＣＨ3の形でガス供給されることが分かっている。このことから、成長温度をなるべく低くした方が良い。しかし、成長温度が低いと一般的にＶ族原料ガスの分解も不十分なことから成長層表面のモフォロジを劣悪化させる。このことから、一般的に原料ガスのＶ／III比を高くとる必要がある。このような条件でエピタキシャル成長したＣドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層は、Ｃ−Ｈ結合を多量に含むことができる。
【００３４】
本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層中のＣ−Ｈ濃度がＣ濃度に対して１０％以上で電流増幅率βの初期通電後の増加を確認でき、電流増幅率βが増加し安定する。
【００３５】
その上、初期通電前の電流増幅率β0に対し初期通電後の電流増幅率βの増加率（β／β0）が１１０％以上であった場合は、電流増幅率に対し外部ベース抵抗の低減及び高周波特性例えば最大発振周波数により有効であった。
【００３６】
ＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層をＣ−Ｈ結合を含む有機金属を原材料とし成長すると、Ｃ−Ｈ結合を作り出す必要がないので成長装置に特別な装置を付加する必要がないため、設備の初期投資の上で有利である。
【００３７】
有機金属気相成長法でＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓベース層を成長する場合、ＴＭＧａおよびＡｓＨ3を原材料とすると、Ｃ−Ｈ濃度をＣ濃度以上にすることも可能であり、電流増幅率に対し外部ベース抵抗を低減し、高い電流増幅率βを維持することができる。
【００３８】
有機金属気相成長法でＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層を成長する場合、ＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層がＴＭＧａおよびＴＭＡｓを原材料とした場合、ＴＭＧａおよびＡｓＨ3を使用したときよりＣ−Ｈ濃度を高くすることができ、より外部ベース抵抗を低減し、高い電流増幅率βを維持することができる。
【００３９】
有機金属気相成長法でＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層を成長する場合、ＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層がＣＢｒ4（四臭化炭素）をドーピング材料とした場合、同様に外部ベース抵抗を低減すると共に、より自由度が高くＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層のキャリア濃度を設定でき有利であることが分かった。
【００４０】
上記成長材料を使用した場合、ＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層のキャリア濃度が１．４×１０19ｃｍ-3から６．５×１０19ｃｍ-3の範囲で電流増幅率βの増加がみられ、Ｃ−Ｈ濃度を高くすることができる。
【００４１】
上記条件で成長したＣドープＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層を含むヘテロ接合バイポーラトランジスタは、メサ型加工後、ベース電極形成前の作製工程中に熱処理工程を含む事により、低い外部ベース抵抗を実現でき、より高い高周波特性を示す。
【００４２】
以上に説明したように、連続的な初期通電によりＣ−Ｈに起因する電子トラップに電子が捕獲され、トラップが中性化され、ベース電流の再結合電流成分が減少し、すべてのトラップが中性化された所で安定し、結果高い電流増幅率βが達成される。例えば、この時のベース電流の減少が分かりやすいようエミッタ接地における、初期通電前の状態とトランジスタ動作初期通電後の安定状態のガンメルプロットを図７に示す。細線は、初期通電前の状態を示し、太線はトランジスタ動作初期通電後の安定状態を示す。図より明らかなように連続初期通電６０秒によりベース電流は減少し、コレクタ電流はその分増加し、電流増幅率βが増加している事が分かる。尚、コレクタ電流は６０秒通電後の方が初期通電前よりも増加しているが、縦軸が対数軸としているので、初期通電前の細線と６０秒通電後の太線とが重なっている。
【００４３】
また、初期通電前の電流増幅率をβ0とし、連続初期通電し安定した電流増幅率をβとし、電流増幅率の増加率を（β）／（β0）と定義すると、（Ｃ−Ｈ濃度）／（Ｃ濃度）が電流増幅率に比例する事が分かった。また、電流増幅率の増加率（β）／（β0）が１１０％以上の時最大発振周波数ｆmaxも向上した。
【００４４】
高周波特性においても、実施例においては最大発振周波数ｆmax＝２３４ＧＨｚであった。一方、熱処理を施さず低抵抗外部Ｃドープｐ型ＧａＡｓベース層６を形成しない場合は最大発振周波数ｆmax＝２０３ＧＨｚであった。また同程度のベースシート抵抗の通常のＣ−Ｈ濃度がＣ濃度の１０％以下のヘテロ接合バイポーラトランジスタでは最大発振周波数ｆmax＝１２１ＧＨｚであったことから、本実施例のヘテロ接合バイポーラトランジスタは良好な高周波特性を有している事が分かる。
【００４５】
実施例は、ＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを例に用い説明したが、同様の効果はエミッタの半導体材料によらずＩｎＧａＰ系でも得ることができる。
【００４６】
（実施例２）
図２は本発明の一実施例に係るＩｎＧａＰ／ＡｌＧａＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す断面図である。即ち半絶縁性ＧａＡｓ基板２０上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ型ＧａＡｓコレクタバッファ層２１（厚さ５００ｎｍ）、ＧａＡｓコレクタ層２２（厚さ７００ｎｍ）、Ｃドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓベース層２３（厚さ５０ｎｍ）、ｎ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐエミッタ層２４（厚さ２００ｎｍ）、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層エミッタキャップ層２５（厚さ１００ｎｍ）を順次エピタキシャル成長する。
【００４７】
本発明の内部Ｃドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓベース層２３の成長条件は、成長温度４５０℃〜６８０℃およびＶ／III族ガス流量比２０〜４３０の範囲で行った。ここで、内部Ｃドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓベース層２３をＭＯＣＶＤ装置（ＴＭＧａ−ＡｓＨ3−ＣＢｒ4）でエピタキシャル成長する際は、成長温度およびIII族ガスに対するＶ族ガス流量の割合を表面モホロジーが劣化しない程度に低くする方がＣ濃度に対してのＣ−Ｈ濃度の割合が高くすることができる。この実施例２では成長温度６００℃、Ｖ／III族ガス流量比８０．０を採用した。成長温度６００℃、Ｖ／III流量比を８０．０にし、ＣＢｒ4の流量を４０ＳＣＣＭにした場合、ＳＩＭＳ分析によるとＣ濃度が５×１０19ｃｍ-3であったのに対し、Ｃ−Ｈ濃度は２×１０19ｃｍ-3であった。
【００４８】
ＣＢｒ4をドーピングガスとして使用した場合は、Ｖ／III族ガス流量比にドーピング濃度が依存せず、ＣＢｒ4の流量により独立にドーピング濃度を設定できるため、より本実施例を施行するにあたり有利である。
【００４９】
成長後、これをメサ型に加工する。その後、適当な保護膜例えばＳｉＮxを表面に形成し、Ｎ2雰囲気中で４００℃、５分の熱処理を加え、低抵抗外部Ｃドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓベース層２６を形成する。この処理により低抵抗外部Ｃドープｐ型Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓベース層２６のシート抵抗は１８０Ω／□となり、熱処理を行わなかった時の２２０Ω／□に比べ約８０％の抵抗値になった。この場合も、保護膜はＳｉＮxに限定したものでなくＳｉＯ2等でもよい。熱処理温度および時間も上記条件に限ったものではない。さらに、その後保護膜を除去し、エミッタ電極２７、ベース電極２８、コレクタ電極２９を形成する。
【００５０】
半導体装置形成後、それぞれの電極にプローバ針により通電し、トランジスタ動作させる。連続通電により、ベース電流が減少し安定し、結果、実施例１の同様高い電流増幅率βが達成される。
【００５１】
またこの実施例のときも、実施例１と同様、初期通電前の電流増幅率をβ0とし、連続通電し安定した初期通電後の電流増幅率をβとし、電流増幅率の増加率を（β）／（β0）と定義すると、（Ｃ−Ｈ濃度）／（Ｃ濃度）に比例する。電流増幅率の増加率（β）／（β0）が１１０％以上の時最大発振周波数ｆmaxも向上する。
【００５２】
高周波特性においても、本実施例においては最大発振周波数ｆmax＝２９１ＧＨｚであった。リファレンスの本実施例のＩｎＧａＰエミッタ層の変わりにＡｌＧａＡｓエミッタ層を採用し、Ｃドープｐ型Ｉｎ0.2Ｇａ0.8Ａｓベース層２６を形成した時のヘテロ接合バイポーラトランジスタの最大発振周波数ｆmax＝２５１ＧＨｚであった事から鑑み、本実施例においても、良好な高周波特性を有している。
【００５３】
この実施例は、ＩｎＧａＰ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを例としているが、リファレンスに用いたＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタと比較し最大発振周波数ｆmaxの向上が顕著であることが分かった。これは、ベース層にＣ−Ｈを多量に含ませた場合、ＡｌxＧａ1-xＡｓエミッタ層に対しＩｎＧａＰエミッタ層がより有利であることが分かった。これは、ＩｎＧａＰエミッタ層がより有効にＣ−Ｈをベース層内に閉じ込めた効果と考えられる。
【００５４】
【発明の効果】
以上に述べたように本発明によれば、ＭＯＣＶＤ装置でエピタキシャル成長する際は、材料ガスにより、適宜成長温度およびIII族ガスに対するＶ族ガスの割合を選択することによりＣ濃度に対してのＣ−Ｈ濃度の割合を高くする。これが、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ素子化しトランジスタ動作させた時には、電流増幅率の増加率（β）／（β0）を与えることになると考えられる。これにより、高い電流増幅率βが得られ、良好な高周波特性を与える。その上低抵抗外部Ｃドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦０．２）ベース層を形成する事により、より良好な高周波特性を与える事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す断面図である。
【図２】本発明の実施例２に係るＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す断面図である。
【図３】本発明に係るＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの初期通電前の簡単なエネルギーバンド図である。
【図４】本発明に係るＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの初期通電中の簡単なエネルギーバンド図である。
【図５】本発明に係るＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの初期通電がほぼ飽和状態の簡単なエネルギーバンド図である。
【図６】本発明に係るＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの通電後の簡単なエネルギーバンド図である。
【図７】本発明の実施例に係るＡｌyＧａ1-yＡｓ／ＡｌxＧａ1-xＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ接地におけるガンメルプロット図である。
【図８】従来の技術に係るＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す断面図である。
【符号の説明】
１  ｎ型ＧａＡｓコレクタバッファ層
２  ＧａＡｓコレクタ層
３  内部Ｃドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓベース層
４  ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓエミッタ層
５  ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタキャップ層
６  低抵抗外部Ｃドープｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓベース層
７  エミッタ電極
８  ベース電極
９  コレクタ電極
１０  半絶縁性ＧａＡｓ基板
２１  ｎ型ＧａＡｓコレクタバッファ層
２２  ＧａＡｓコレクタ層
２３  内部Ｃドープｐ型ＧａＡｓベース層
２４  ｎ型Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐエミッタ層
２５  ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタキャップ層
２６  低抵抗外部Ｃドープｐ型ＧａＡｓベース層
２７  エミッタ電極
２８  ベース電極
２９  コレクタ電極
１１０  半絶縁性ＧａＡｓ基板
１０１  ｎ型ＧａＡｓコレクタバッファ層
１０２  ＧａＡｓコレクタ層
１０３  Ｃドープｐ型ＧａＡｓベース層
１０４  ｎ型Ａｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓエミッタ層
１０５  ｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタキャップ層
１０６  選択再成長Ｃドープｐ型ＧａＡｓベース層
１０７  エミッタ電極
１０８  ベース電極
１０９  コレクタ電極
【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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【図８】
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