JP2004071669A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＨＢＴのＰＡ特性を向上させる。
【解決手段】ＧａＡｓ系またはＩｎＰ系ＨＢＴのベース層にＢｉを添加したＩＩＩ−Ｖ化合物半導体を用いる。例えば、単結晶ＧａＡｓよりなる基板１の上に、ｎ^＋−ＧａＡｓよりなるサブコレクタ層２、ｎ⁻−ＧａＡｓよりなるコレクタ層３、ｐ^＋−ＧａＡｓＢｉよりなるベース層１９、ｎ−ＩｎＧａＰよりなるエミッタ層５、ｎ−ＧａＡｓよりなる第１キャップ層６、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓよりなる第２キャップ層７を順次積層してＧａＡｓ系ＨＢＴを構成する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置に係り、特にヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＨＢＴ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＨＢＴは、エミッタ層にベース層よりもバンドギャップが広い材料を用いたバイポーラトランジスタであり、エミッタ層よりもベース層の不純物濃度を濃くしてもエミッタ層からベース層への電子の注入効率（エミッタ効率）を高く保つことができる。したがって、ベース層厚を縮小してもベース層の抵抗を低く保ち、またベース層のパンチスルーを抑えてエミッタ・コレクタ間の耐圧を高く保つことができる。基本的に高速・高耐圧性能に優れたデバイスである。
【０００３】
また、ＨＢＴは高い電流駆動能力を有することから、パワーアンプ（ＰＡ）用デバイスとして優れ、さらに単一電源動作が容易であるというメリットから、近年、移動体通信端末用ＰＡとして広範に使用されてきている。
【０００４】
パワーアンプ（電力増幅器）における効率の良さを示す指標として、電力付加効率（Ｐｏｗｅｒ−Ａｄｄｅｄ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ：ＰＡＥ）が知られている。ＰＡＥは、付加電力、つまり出力パワーＰ_ｏｕｔと入力パワーＰ_ｉｎの差の、直流投入電力Ｐ_ｄｃに対する比として定義され、この値が大きいほどパワーアンプの消費電力を抑制することが可能であるため、この値はパワーアンプにおける重要な指標のひとつとなっている。移動体通信端末では全消費電力のうち送信側パワーアンプによる電力消費が大きな割合を占めるため、特に重要である。
【０００５】
図７に従来のＧａＡｓ系ＨＢＴの一構成例を示す。この半導体装置は、例えば、半絶縁性の単結晶ＧａＡｓよりなる基板１の一面に、例えばｎ^＋−ＧａＡｓよりなるサブコレクタ層２、ｎ⁻−ＧａＡｓよりなるコレクタ層３、ｐ^＋−ＧａＡｓよりなるベース層４、例えばｎ−ＩｎＧａＰよりなるエミッタ層５、ｎ−ＧａＡｓよりなる第１キャップ層６、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓよりなる第２キャップ層７が順次積層されている。第２キャップ層７の上にはエミッタ電極８が形成されている。また、ベース、コレクタへのオーミックコンタクト形成のためにメサ構造が形成され、ベース層４、サブコレクタ層２の一部が、それぞれ、ベース電極９、コレクタ電極１０と接するようになっている。これらの電極は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕにより形成されている。また、電極と接していない半導体表面は、例えばＳｉ_３Ｎ_４よりなる絶縁膜１１により覆われている。
【０００６】
図８に従来のＩｎＰ系ＨＢＴの一構成例を示す。この半導体装置は、例えば、半絶縁性の単結晶ＩｎＰよりなる基板１２の一面に、例えばｎ^＋−ＩｎＧａＡｓよりなるサブコレクタ層１３、ｎ⁻−ＩｎＰよりなる第２コレクタ層１４、ｎ⁻−ＩｎＧａＡｓＰよりなる第１コレクタ層１５、ｐ^＋−ＩｎＧａＡｓよりなるベース層１６、例えばｎ−ＩｎＰよりなるエミッタ層１７、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓよりなるキャップ層１８が順次積層されている。キャップ層１８の上にはエミッタ電極８が形成されている。また、ベース、コレクタへのオーミックコンタクト形成のためにメサ構造が形成され、ベース層１６、サブコレクタ層１３の一部が、それぞれ、ベース電極９、コレクタ電極１０と接するようになっている。これらの電極は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕにより形成されている。また、電極と接していない半導体表面は、例えばＳｉ_３Ｎ_４よりなる絶縁膜１１により覆われている。
【０００７】
図８において、コレクタ層にはＩｎＧａＡｓを用いることもできるが、ＩｎＧａＡｓは狭バンドギャップのためベース・コレクタ間の耐圧が低くなる。ここでは、高耐圧化のためにＩｎＰをコレクタ層に用いた二重へテロ接合バイポーラトランジスタ（ＤＨＢＴ）を例として示した。このＤＨＢＴでは、ＩｎＧａＡｓベース層とＩｎＰコレクタ層の間に伝導帯端エネルギーの不連続が生じ、ベース層からコレクタ層への電流が阻害される。そのため、ＩｎＰコレクタ層とＩｎＧａＡｓベース層の間にＩｎＧａＡｓＰ層を第１コレクタ層１５として挿入し、ＩｎＧａＡｓベース層とＩｎＰコレクタ層の間に生じるポテンシャル不連続の影響を少なくしている。第１コレクタ層としてはＡｌＩｎＧａＡｓやアンドープのＩｎＧａＡｓを用いることもできる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらＨＢＴを用いてパワーアンプを構成する場合、そのＰＡＥを向上させるためにデバイス側に要求されることのひとつは、Ｉ_ｃ−Ｖ_ｃｅ特性におけるニー（Ｋｎｅｅ）電圧Ｖ_ｋの低減である。ニー電圧を低減するには、Ｉ_ｃ−Ｖ_ｃｅ特性におけるＩ_ｃの立ち上がり電圧であるオフセット電圧Ｖ_{ｏｆｆｓｅｔ}を小さくする必要がある。このＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}は、エミッタ・ベース間の順方向立ち上がり電圧Ｖ_ｔｅｂとベース・コレクタ間の順方向立ち上がり電圧Ｖ_ｔｂｃの差、Ｖ_ｔｅｂ−Ｖ_ｔｂｃでほぼ決まる。したがって、エミッタ層とベース層の間に生じる伝導帯端のエネルギー不連続（ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ−ｂａｎｄ　ｏｆｆｓｅｔ）ΔＥｃができるだけ小さいことが望ましい。
【０００９】
ΔＥｃの影響を少なくする為に、エミッタ層とベース層の間に材料組成が緩やかに変化するグレーディド（ｇｒａｄｅｄ）ヘテロ接合を挿入する方法がしばしば用いられる。しかしながら、グレーディドヘテロ接合を制御性良くまた再現性良く作製することが必ずしも容易でないこと、ΔＥｃの影響を消し去るには厚いグレーディド層が必要になり、ホールのベース層への閉じ込めも不完全になることから、ΔＥｃの低減によってＶ_{ｏｆｆｓｅｔ}を下げることが望ましいといえる。ＨＢＴなので勿論、エミッタ層とベース層の価電子帯端のエネルギー不連続（ｖａｌｅｎｃｅ−ｂａｎｄｏｆｆｓｅｔ）ΔＥｖはホールを十分にブロックする程度に大きい必要がある。
【００１０】
図７に示したＧａＡｓ系ＨＢＴでは、エミッタ層であるＩｎＧａＰとベース層であるＧａＡｓの間のΔＥｃが０．２ｅＶ程度、また、図２に示したＩｎＰ系ＨＢＴでも、エミッタ層であるＩｎＰとベース層であるＩｎＧａＡｓの間のΔＥｃは０．２ｅＶ程度と、大きすぎはしないが、さらに小さな値となることが望まれる。
【００１１】
ＨＢＴの基本性能向上という観点からは、ベース抵抗の低減が重要な課題である。ベース抵抗が高いと、最大発振周波数ｆ_ｍａｘが劣化したり、電流密度の高いところで、エミッタ・ベース間に加わる電圧が不均一になる（エミッタクラウディング）などの不都合が生じる。したがって、パワーアンプ応用の観点からも、ベース抵抗はできるだけ低減しておきたい。
【００１２】
このためには、一般にベース層へ高濃度ドーピングを施してベースシート抵抗ならびにベースコンタクト抵抗の低減を図るが、ドーピング濃度に上限があることに加えて、ドーピング濃度が高すぎると、電流利得が低下する、キャリアの移動度が低下するという問題が生じるので、ドーピング濃度を無制限に高くすることはできない。
【００１３】
図７に示したようなＧａＡｓ系ＨＢＴのベース層材料としては、ＧａＡｓベースが一般的であり、最近では拡散の少ないｐ型不純物としてＣ（カーボン）が用いられることが多い。Ｃによって１０^１９ｃｍ^−３以上のドーピングが可能であるが、一方で移動度は５０ｃｍ^２／（ｖ・ｓ）程度以下になる。
【００１４】
また、図８に示したようなＩｎＰ系ＨＢＴでは、ベース層には一般にＩｎＧａＡｓが使用されているが、ＩｎＧａＡｓ中ではＣが両性になりやすく、ｐ型不純物濃度をＧａＡｓほど高くはできない。そのため、ベースのシート抵抗は、同じベース層厚で比較して、一般にＧａＡｓ系ＨＢＴよりも高くなっている。
【００１５】
そこで、現在主流のＧａＡｓ系ＨＢＴならびにＩｎＰ系ＨＢＴ以上のパフォーマンスを確保するためには、少なくともＧａＡｓと同程度以上のドーピングが可能か、あるいはＧａＡｓよりもホールの移動度が高い層をベース層に用いることが望ましい。
【００１６】
本発明は、ＨＢＴをＰＡ用素子として用いた場合の高効率化、ならびにベース抵抗低減等ＨＢＴの基本性能向上に向けた課題に対してなされたもので、従来のＧａＡｓ系ＨＢＴ、あるいはＩｎＰ系ＨＢＴのＰＡ特性を凌駕する半導体装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１の発明は、エミッタ層とベース層とコレクタ層を有し、エミッタ層のバンドギャップと電子親和力の和がベース層のバンドギャップと電子親和力の和よりも大きい半導体装置において、ベース層がＢｉを含むことを特徴とする。
【００１８】
本発明において、Ｂｉを含むベース材料として、例えば、ＧａＡｓＢｉ、ＧａＡｓＢｉＮ、ＩｎＰＢｉ等が挙げられる。このようなＩＩＩ−Ｖ化合物半導体は、Ｂｉの添加によって、価電子帯端のエネルギー準位が上がり、さらに、ホールの移動度が大きくなる。価電子帯端のエネルギー準位が上がることにより、ベース層へのショットキー障壁が低くなり、ベースコンタクト抵抗の低減が可能となる。また、ホールの移動度が大きくなることにより、ベースのシート抵抗の低減が可能となる。さらに、価電子帯端のエネルギー準位が上がることにより、エミッタ層とベース層の価電子帯端のエネルギー差が大きくなり、ベース層へのホールの閉じ込め効果を大きくすることが可能となる。したがって、Ｂｉを含むベース層を用いることにより、ＨＢＴの基本性能を向上させることが可能となる。
【００１９】
また、Ｂｉの添加によって、ベース層の価電子帯端のエネルギー準位が上がり、ベース層とエミッタ層の価電子帯端エネルギーの差が大きくなることから、伝導帯端エネルギーのより低いエミッタ層の選択が可能となり、その結果、エミッタ層とベース層の伝導帯端のエネルギー差を低減することが可能となる。これにより、ニー電圧の低減が可能となり、パワーアンプを構成した際のＰＡＥを向上させることが可能となる。
【００２０】
なお、エミッタ層としては、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＰ等が用いられる。また、コレクタ層としては、例えば、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＰ等が用いられる。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項１の半導体装置において、ベース層に含まれるＢｉの量が、エミッタ側からコレクタ側に向かって増加することを特徴とする。この発明においては、ベース層において電子の移動を加速するポテンシャル勾配が形成され、ベース層からコレクタ層への電子の移動速度を向上させることが可能となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示すもので、ベース層にＧａＡｓＢｉを用い、その他の構成は図７に示す構造と同じである。図１において、図７と共通する部分には同一符号を付している。
【００２４】
図１に示すように、本実施の形態の半導体装置は、例えば、半絶縁性の単結晶ＧａＡｓよりなる基板１の上に、例えばｎ^＋−ＧａＡｓよりなるサブコレクタ層２、ｎ⁻−ＧａＡｓよりなるコレクタ層３、ｐ^＋−ＧａＡｓＢｉよりなるベース層１９、例えばｎ−ＩｎＧａＰよりなるエミッタ層５、ｎ−ＧａＡｓよりなる第１キャップ層６、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓよりなる第２キャップ層７が順次積層されている。
【００２５】
第２キャップ層７の上にはエミッタ電極８が形成されている。ベースコンタクト形成のために、第１および第２キャップ層の一部が除去され、メサ構造が形成されている。ベース電極９とベース層１９の間にはエミッタ層５が介在してもいいが、エミッタ層５のうちでベース電極９直下の部分だけが、あるいはその近傍だけがエッチングで除去され、その結果、ベース電極９とベース層１９が直接コンタクトしていてもよい。コレクタ電極１０の形成のためにもメサ構造が形成され、サブコレクタ層２の上部にコレクタ電極１０が形成されている。エミッタ電極８、ベース電極９、コレクタ電極１０は、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕにより形成されている。また、電極と接していない半導体表面は、例えばＳｉ_３Ｎ_４よりなる絶縁膜１１により覆われている。
【００２６】
上記構成において、ベース層１９にはＧａＡｓＢｉを用いた。その理由は、一般にＩＩＩ−Ｖ化合物半導体において、Ｖ族元素の原子番号が大きくなればなるほど価電子帯端のエネルギー準位が上がり（例えば、Ａ．Ｐ．Ｌ．　Ｖｏｌ．６０，　Ｎｏ．５，　ｐ．６３１に記載された各種半導体のバンド端と格子定数の関係を参照）、さらにホールの移動度が高くなる傾向にあるからである（例えば、Ｃｏｍｐｏｕｎｄ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ｂｙ　ＴｉｗａｒｉのＡｐｐｅｎｄｉｘを参照）。これによって、第１に、ｐ型半導体に対するショットキー障壁が低くなり、ベースコンタクト抵抗を低減しやすくなる。第２に、ホール移動度を大きくでき、ベースのシート抵抗を低減しやすくなる。第３に、ベース層とエミッタ層の価電子帯端のエネルギー差を拡大することができるため、ベース層へのホール閉じ込め効果を高めることができる。第４に、ＩＩＩ族元素にはＧａを用いているため、Ｖ族元素のＢｉを添加してもベース層の伝導帯端エネルギー位置は大きな影響を受けにくい。つまり、ＩＩＩ族元素のＩｎを添加したＩｎＧａＡｓをベース層に用いた場合に比べて、ベース・コレクタ間の電流の流れを阻害するようなポテンシャル障壁が形成されにくいので好都合である。しかしながら、ＧａＡｓＢｉとコレクタ層３のＧａＡｓとの格子定数が一致しないという問題があり、ＧａＡｓＢｉ層（ベース層１９）の膜厚を、臨界膜厚以下の厚さに選ぶことが必要になるので、その適用範囲は若干狭くなる。
【００２７】
上記の説明からも明らかなように、本実施の形態によれば、図７に示す従来のＧａＡｓ系ＨＴＢと比較して、ベース抵抗を低減することができ、ＨＢＴの基本性能を向上させることができる。
【００２８】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を示すもので、ここではベース層にＧａＡｓＢｉＮを用いている。すなわち、図１に示す第１の実施の形態と比較して、ｐ^＋−ＧａＡｓＢｉよりなるベース層１９が、ｐ^＋−ＧａＡｓＢｉＮよりなるベース層２０に置き換えられており、その他の部分は第１の実施の形態と同じである。
【００２９】
この構成においては、ＧａＡｓへのＢｉ添加が結晶の格子定数をＧａＡｓよりも伸ばす方向に作用するのに対して、Ｎの添加は縮小する方向に作用するため、第１の実施の形態で生じるベース層とＧａＡｓ層（コレクタ層）との格子不整合が緩和される。したがって、第１の実施の形態で述べた利点はそのままに、ＧａＡｓＢｉの場合よりもベース層を厚くしたり、Ｂｉの量を多くして、価電子帯端のエネルギー準位をより高くすることが可能になる。これによって、ベース設計の自由度が高くなり、ベース層の組成を変化させてポテンシャル勾配をつけることなども容易になる。例えば、ベース層のＢｉの量をエミッタ側からコレクタ側に向かって増加させることにより、電子の移動を加速するポテンシャル勾配をつけることができ、ベース層からコレクタ層への電子の移動速度を向上させることができる。
【００３０】
上記したように、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様にベース抵抗を低減することができるとともに、第１の実施の形態におけるベース層とコレクタ層の格子不整合を緩和することができる。
【００３１】
（第３の実施の形態）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置を示すもので、ここではベース層にＧａＡｓＢｉＮを用い、エミッタ層にＧａＡｓを用いている。すなわち、第２の実施の形態と比較して、ｐ^＋−ＧａＡｓＢｉＮよりなるベース層２０の上に、ｎ−ＧａＡｓよりなるエミッタ層２１、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓよりなるキャップ層２２が順次積層されている。その他の構成は、第１および第２の実施の形態と同じである。
【００３２】
上記構成においては、第１および第２の実施の形態で用いたＩｎＧａＰ層のエミッタと比べて、エミッタの伝導帯端エネルギーが低くなるので、エミッタ・ベース接合のターンオン電圧が下がり、Ｉ_ｃ−Ｖ_ｃｅ特性におけるニー電圧を下げることができる。このニー電圧の低減は、電力増幅器の電力付加効率ＰＡＥを高くする効果があり、重要である。なお、ＧａＡｓ層のエミッタが有効になるのは、この場合、ベース層にＧａＡｓＢｉＮを用いたからである。ベース層がＧａＡｓの場合、ＧａＡｓ層のエミッタではＨＢＴを構成できない。また、ＩｎＧａＡｓをベース層に用いた場合、ＨＢＴを構成できるが、エミッタ層とベース層の界面において価電子帯端エネルギーの不連続よりも伝導帯端エネルギーの不連続のほうが大きくなること、エミッタ層・コレクタ（ベース）層界面における伝導帯端エネルギーの不連続が大きくなるので好ましくない。ベース層にＧａＡｓＢｉＮを用いた場合、ベース層とＧａＡｓエミッタ層の界面における伝導帯端エネルギーの不連続は小さくして、価電子帯端エネルギーの不連続は大きくすることができる。なお、ベース層にＧａＡｓＢｉを用いても同様の効果は得られる。
【００３３】
上記の説明からも明らかなように、第３の実施の形態によれば、ベース抵抗を低減することができるとともに、ニー電圧を低減することができ、パワーアンプに用いたときの電力付加効率を高めることができる。
【００３４】
（第４の実施の形態）
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置を示すもので、第３の実施の形態の変形例を示している。すなわち、第３の実施の形態におけるｎ−ＧａＡｓよりなるエミッタ層２１とｎ^＋−ＩｎＧａＡｓよりなるキャップ層２２の積層構成が、ベース電極９近傍で一部エッチングされているｎ−ＧａＡｓよりなる第１エミッタ層２３と、ｎ−ＩｎＧａＰよりなるエッチング停止層２４と、ｎ−ＧａＡｓよりなる第２エミッタ層２５と、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓよりなるキャップ層２６の積層構成に変更されている。
【００３５】
図３に示す第３の実施の形態においては、エミッタメサのコーナー部でエミッタ・ベース間のｐ−ｎ接合が表面に露出しやすい構造のため、表面再結合の影響を受けやすい。これを解決するためにはＧａＡｓよりなるエミッタの一部を残してやればよいが、制御性良くエミッタの一部をエッチングするためにはエッチング停止層が必要となる。そこで、本実施の形態は、そのようなエッチング停止層としてＩｎＧａＰをＧａＡｓよりなるエミッタに挿入したものである。
【００３６】
上記したように、第４の実態の形態によれば、制御性良くエミッタの一部をエッチングすることが可能となり、エミッタメサのコーナー部でのエミッタ・ベース間のｐ−ｎ接合の表面露出を防止した構造を容易に形成することができる。
【００３７】
（第５の実施の形態）
図５は、本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置を示すもので、図８に示す従来のＩｎＰ系ＤＨＢＴと比較して、ベース層にＧａＡｓＢｉを用い、ＩｎＰ層がベース層に接合している。なお、図５において、図８と共通する部分には同一符号を付している。
【００３８】
図５に示すように、本実施の形態の半導体装置は、例えば、半絶縁性のＩｎＰよりなる基板１２の上に、例えばｎ^＋−ＩｎＧａＡｓよりなるサブコレクタ層１３、ｎ⁻−ＩｎＰよりなるコレクタ層２７、ｐ^＋−ＧａＡｓＢｉよりなるベース層２８、例えばｎ−ＩｎＰよりなるエミッタ層１７、ｎ^＋−ＩｎＧａＡｓよりなるキャップ層１８が順次積層されている。
【００３９】
キャップ層１８の上には、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕよりなるエミッタ電極８が形成されている。ベースコンタクト形成のためにエミッタ層１７、キャップ層１８の一部が除去され、メサ構造が形成され、ベース層２８上に例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕよりなるベース電極９が形成されている。コレクタ電極形成のためにもメサ構造が形成され、サブコレクタ層１３の上部には、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕよりなるコレクタ電極１０が形成されている。また、電極と接していない半導体表面は、例えばＳｉ_３Ｎ_４よりなる絶縁膜１１により覆われている。
【００４０】
本実施の形態の特徴はＩｎＰ系ＤＨＢＴのベース層にＧａＡｓＢｉを用いたことであり、図８に示した標準的なＩｎＰ系ＤＨＢＴと比べて、以下のような特長を有する。まず、Ｂｉ添加によって価電子帯端のエネルギーが上昇するので、第１に、ベース層へのショットキー障壁が低くなり、ベースコンタクト抵抗を低減しやすくなる。第２に、エミッタ層とベース層の価電子帯端エネルギーの差が大きくなるので、ベース層へのホールの閉じ込め効果を大きくすることができる。第３に、Ｖ族元素の原子番号が大きくなればなるほどホールの移動度が大きくなり、また不純物も高濃度にドープしやすくなるという傾向があるので、ベース抵抗を下げやすくなる。また、第４に、ＩｎＰ系ＨＢＴのベース層材料として最も良く用いられているＩｎＧａＡｓと比較すると、ＧａＡｓＢｉはＩｎＧａＡｓよりも伝導帯端のエネルギーが高くなり、ベース層とコレクタ層の間に生じる伝導帯端エネルギーの不連続量を減少させることができる可能性もある。第５に、同様に、ベース層とエミッタ層の間に生じる伝導帯端エネルギーの不連続量を減少させることができるので、エミッタ・ベース間のターンオン電圧を下げることができ、ニー電圧を低減することができる。
【００４１】
なお、ＧａＡｓＢｉは、組成を適切に選ぶことでコレクタ層２７のＩｎＰに格子整合させることができる。また、ＧａＡｓＢｉにＡｌやＩｎ等のＩＩＩ族材料を加えたＡｌＧａＡｓＢｉやＩｎＧａＡｓＢｉ、Ｓｂを加えたＧａＡｓＳｂＢｉ等の４元化合物を用いることで、ベース層とエミッタ層およびベース層とコレクタ層の間のバンドアラインメントを調整したりベース層に傾斜層を設けたりすることが容易になる。
【００４２】
上記の説明から明らかなように、第５の実施の形態によれば、図８に示す従来のＩｎＰ系ＤＨＢＴと比較して、ベース抵抗を低減することができ、ＨＢＴの基本性能を向上させることができるとともに、ニー電圧を低減することができ、パワーアンプに用いたときの電力付加効率を高めることができる。
【００４３】
（第６の実施の形態）
図６は、本発明の第６の実施の形態に係る半導体装置を示すもので、ここではＩｎＰ系ＤＨＢＴ構造のベース層にＩｎＰＢｉを用いている。すなわち、第５の実施の形態と比較して、ＩｎＰＢｉよりなるベース層２９のみ異なっている。
【００４４】
上記構成においては、ＩｎＰにＢｉを添加することにより、ＩｎＰからなるエミッタ層１７よりベース層２９の価電子帯端のエネルギーを上昇させ、それによってエミッタ層１７とベース層２９の価電子帯端にエネルギー不連続量が発生し、ＨＢＴ構造となる。エミッタ層１７、コレクタ層２７はＩｎＰ、ベース層にはＩｎＰにＢｉを添加しただけなので構造が単純で製造上有利である。ＩＩＩ族元素はエミッタ、ベース、コレクタで共通なので伝導帯のエネルギー不連続量も大きくならないと考えられ、ニー電圧低減の点でも有利である。ただし、ＩｎＰＢｉはＩｎＰと格子整合しないのでベース層の厚さを臨界膜厚以下とする必要がある。
【００４５】
上記の説明からも明らかなように、第６の実施の形態によれば、図８に示す従来のＩｎＰ系ＤＨＢＴと比較して、構造を単純化することができるとともに、ニー電圧を低減することができ、パワーアンプに用いたときの電力付加効率を高めることができる。また、Ｂｉ添加によるベース抵抗の低減効果も得ることができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１の発明によれば、ベース層材料にＢｉを添加することにより、ベース抵抗を低減することができ、ＨＢＴの基本性能を向上させることができる。また、ベース層との伝導帯端のエネルギー差の小さなエミッタ層を用いることができ、これにより、ニー電圧を低減して、パワーアンプの高効率化を図ることができる。
【００４７】
請求項２の発明によれば、ベース層にＧａＡｓＢｉを用いることにより、ＧａＡｓ系あるいはＩｎＰ系ＨＢＴのベース抵抗を低減することができる。さらに、伝導帯端エネルギーの低いエミッタ層との組合せにより、エミッタとベースの界面における伝導帯端エネルギー不連続を小さくして、ニー電圧の低減を図ることができ、パワーアンプの高効率化に寄与することができる。また、ＩｎＰ系ＨＢＴにおいては、より一般的なＩｎＧａＡｓベースと比較して、伝導帯端エネルギーが高くなるため、エミッタとベースの界面における伝導帯端エネルギー不連続を小さくすることができ、ニー電圧を低減することができる。
【００４８】
請求項３の発明によれば、ベース層にＧａＡｓＢｉＮを用いることにより、ＧａＡｓＢｉの場合と同様の効果を奏することができるとともに、ＧａＡｓ系ＨＢＴにおいて、コレクタ層のＧａＡｓと格子整合させることができる。
【００４９】
請求項４の発明によれば、ベース層にＩｎＰＢｉを用いることにより、より単純化された構造のＩｎＰ系ＨＢＴを実現することができとともに、ニー電圧の低減が可能となり、パワーアンプの高効率化に寄与することができる。
【００５０】
請求項５の発明によれば、ベース層のＢｉの量をエミッタ側からコレクタ側に向かって増加させることにより、ベース層からコレクタ層への電子の移動速度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図６】本発明の第６の実施の形態に係る半導体装置を示す断面図である。
【図７】従来のＧａＡｓ系ＨＢＴの一例を示す断面図である。
【図８】従来のＩｎＰ系ＨＢＴの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１，１２……基板、２，１３……サブコレクタ層、３，２７……コレクタ層、４，１６，１９，２０，２８，２９　……ベース層、５，１７，２１……エミッタ層、６……第１キャップ層、７……第２キャップ層、１４……第２コレクタ層、１５……第１コレクタ層、１８，２２，２６……キャップ層、２３……第１エミッタ層、２４……エッチング停止層、２５……第２エミッタ層

Claims (7)

1. エミッタ層とベース層とコレクタ層を有し、前記エミッタ層のバンドギャップと電子親和力の和が前記ベース層のバンドギャップと電子親和力の和よりも大きい半導体装置において、前記ベース層がＢｉを含むことを特徴とする半導体装置。
2. 前記ベース層がＧａＡｓＢｉを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記ベース層がＧａＡｓＢｉＮを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記ベース層がＩｎＰＢｉを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 前記ベース層に含まれるＢｉの量が、エミッタ側からコレクタ側に向かって増加することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
6. 前記エミッタ層が、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰおよびＩｎＰから選ばれた少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
7. 前記コレクタ層が、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＰから選ばれた少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

Images