JP2005109368A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】ヘテロ接合バイポーラトランジスタのコレクタ層の耐圧を高め、高出力のＨＢＴとする。
【解決手段】コレクタ層１６の全体もしくは一部に、ＧａＡｓよりもバンドギャップの広い酸素ドープＡｌＧａＡｓを使用し、又は、第一コレクタ層１６ｂと第二コレクタ層１６ａの一方又は双方を、ＧａＡｓよりもバンドギャップの広い酸素ドープしたＡｌＧａＡｓ層で構成する。このＡｌＧａＡｓ層の酸素ドープ濃度は好ましくは２×１０¹⁷cm^-3以上とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、III−Ｖ族化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）に係り、特にそのコレクタ層を高耐圧化する構造に関するものである。

III−Ｖ族化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、低損失性、低歪性、単一電源可能といった特性を有し、ＣＤＭＡ（ｃｏｄｅ−ｄｉｖｉｓｉｏnmｕｌｔｉｐｌｅ ａｃｃｅｓｓ：符号分割多重アクセス）等のデジタル携帯電話機の出力アンプとして注目されている。

ＨＢＴはエミッタ／ベース接合がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合により構成されるのが一般的である。しかし最近は、デバイス特性向上或いは信頼性向上の観点から、エミッタ層をＡｌＧａＡｓエミッタ層からＩｎＧａＰエミッタ層に置き換えることが検討され、一部においては作製されている。 これは、活性な原子であるＡｌを含むＡｌＧａＡｓ層をエミッタ層として用いた場合には、ＡｌＧａＡｓ層に深い準位に起因する多くの非発光性再結合中心が形成され、この非発光性再結合中心を介してＨＢＴの劣化が進行するためであり、Ａｌを含まないＩｎＧａＰ層をエミッタ層として用いることによって劣化の問題を解決しようとするものである。

従来のＧａＡｓ系ＨＢＴを図３を参照して説明する。同図に示すＨＢＴは大きく分けて、エミッタ層３、コレクタ層５及びベース層４という３層から構成される。すなわち、半絶縁性ＧａＡｓ基板６上に、ｎ⁺型ＧａＡｓサブコレクタ層５ｂとｎ^-型ＧａＡｓコレクタ層５ａから成るコレクタ層５を形成すると共に、その上に、ｐ型ＧａＡｓベース層４、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＰより成るｎ型のエミッタ層３、ｎ⁺型ＧａＡｓエミッタコンタクト層２、ｎ⁺型ＩｎＧａＡｓノンアロイ層１を順に積層形成している。換言すれば、ベース層４と不純物濃度の高い第一の導電型のサブコレクタ層（第一コレクタ層）５ｂとの間に、不純物濃度の低い第一の導電型のコレクタ層（第二コレクタ層）５ａを挟んだ構造となっている。エミッタ層３は電子を注入する層で、ｎ型のＡｌＧａＡｓもしくはＩｎＧａＰから成る。コレクタ層５はエミッタから注入された電子を集める層で、主としてｎ型のＧａＡｓから成る。ベース層４はエミッタ−コレクタ間の電流を調節するための層で、ｐ型のＧａＡｓから成る。尚、コレクタ層５は、キャリア濃度が高い第一コレクタ層（サブコレクタ層）５ｂと、キャリア濃度が低い第二コレクタ層（コレクタ層）５ａから構成される。

ＨＢＴおいては、ＩｎＧａＡｓノンアロイ層１の上にエミッタ電極７が、ＧａＡｓベース層４の上にベース電極８が、そしてサブコレクタ層５ｂの上にコレクタ電極９が形成される。エミッタ接地の場合は、コレクタ電極９に電源１０の正の電圧Ｖ_Cを印加し、電源１１の電圧Ｖ_Bを付与して、ベース電極８よりベース電流Ａを信号入力として流し、出力となるコレクタ電流Ｂを制御する（図３）。

前述したＨＢＴの動作を同図を参照して説明する。ベース電流Ａを流さない時には、ベース−コレクタ間に電源１０による逆方向電圧Ｖ_Cが掛かるため、空乏層が生じ、エミッタ−コレクタ間に電流は流れない。よって、トランジスタはオフ状態になる。

ベース電流Ａを流す時には、エミッタ−ベース間に順方向電圧が掛かるので、エミッタ−ベース間に電流が流れる。ところがエミッタ領域の電子がベースに流れ込むとき、ベースが薄いために結合相手の正孔が少なく、電子の大部分はベースを通り抜けてコレクタ領域に入り込む。その結果、エミッタ−コレクタ間に電流（コレクタ電流Ｂ）が流れることになり、よって、トランジスタはオン状態になる。

トランジスタがオフの時には、前述した通り、電源１０の電圧Ｖ_Cがエミッタ−ベース−コレクタ間に掛かる。ベース−エミッタ間の電圧降下分は小さいため、電源電圧Ｖ_Cの殆どがベース層とコレクタ層に掛かる。従って、電源電圧の設定はトランジスタのベースとコレクタ間の逆バイアス時の降伏電圧（＝耐圧）で制限される。トランジスタの性能としては耐圧が高いことが望まれている。

ＨＢＴの高耐圧化に関しては、従来、ベース層と第一コレクタ層との間に不純物濃度の低い第二コレクタ層を挟んだ構造を有するＨＢＴにおいて、第二のコレクタ層に、不純物（Ｓｉ等のドナーイオン）を、意図的に予め決められた濃度分にしたがって添加することにより、第二のコレクタ層での空間電荷を電気的に補償し、衝突電離を助長させるバンド曲がりによる電解集中効果を解消させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、ＨＢＴの高耐圧化とは関係がないが、電流増幅率βがサブコレクタ濃度の上昇と共に低下するという問題に鑑み、サブコレクタ層に酸素を添加して電子トラップとして作用させる技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開平０５−０４１３８８号公報 特開２００１−３１９９３７号公報

しかしながら、特許文献１の耐圧化技術は、高コレクタ電流注入時での衝突電離による雪崩降伏現象を抑制するコレクタ構造を目的として、第二コレクタ層に不純物を意図的に予め決められた濃度分にしたがって添加するものであり、特許文献１にはＨＢＴの各層の具体的な構造（構成材料）についての説明はない。

また、特許文献２は、サブコレクタ層に酸素を添加しているが、コレクタ層を直接に高耐圧化するものでも、本発明が扱う材料であるＡｌＧａＡｓの適用について論じたものでもない。

上述したように、トランジスタがオフの時には、電源１０の電圧Ｖ_Cがエミッタ−ベース−コレクタ間に掛かる。ベース−エミッタ間の電圧降下分は小さいため、電源電圧の殆どがベース層とコレクタ層に掛かる。従って、電源電圧の設定はトランジスタのベースとコレクタ間の逆バイアス時の降伏電圧（＝耐圧）で制限される。トランジスタの性能としては耐圧が高いことが望まれている。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、耐圧が高く、高出力での使用が可能なコレクタ層構造を持つヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することにある。

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。

請求項１の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、半絶縁性基板上に、コレクタ層、ベース層、エミッタ層が順に積層形成されたIII−Ｖ族化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記コレクタ層の全部もしくは一部を、酸素ドープしたＡｌＧａＡｓ層で構成したことを特徴とする。

請求項２の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、半絶縁性基板上に、ベース層と第一の導電型の第一コレクタ層との間に、第一コレクタ層よりも不純物濃度の低い第一の導電型の第二コレクタ層を挟んだ構造を有する、III−Ｖ族化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記第一コレクタ層と第二コレクタ層の一方又は双方を、酸素ドープしたＡｌＧａＡｓ層で構成したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記ＡｌＧａＡｓ層の酸素ドープ濃度が２×１０¹⁷cm^-3以上であることを特徴とする。

＜発明の要点＞
本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、コレクタ層の全体もしくは一部に、酸素ドープＡｌＧａＡｓを使用したものである。具体的には、III−Ｖ族化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、酸素ドープ（２×１０¹⁷cm^-3以上）ＡｌＧａＡｓ領域を有するコレクタ層とするものである。

ＡｌＧａＡｓ層を通常より低いＶ／III比（Ｖ族とIII族のモル流量比）において有機金属化学気相成長法で成長すると、ＡｌＧａＡｓ層中に酸素が取り込まれやすくなる。また成長温度を通常より低くして成長しても同様に、ＡｌＧａＡｓ層中に酸素が取り込まれやすくなる。

酸素ドープをすることによりＡｌＧａＡｓのバンドギャップは、ＧａＡｓのバンドギャップより広くなり、より深いｎ型が実現する。コレクタ層全体もしくは一部に、ＡｌＧａＡｓを使用することにより、耐圧が高くなる。

本発明のバイポーラトランジスタは、コレクタ層の全体もしくは一部に、ＧａＡｓよりもバンドギャップの広い酸素ドープＡｌＧａＡｓを使用し、又は、第一コレクタ層と第二コレクタ層の一方又は双方を、ＧａＡｓよりもバンドギャップの広い酸素ドープしたＡｌＧａＡｓ層で構成したので、コレクタの耐圧を高め、高出力での使用が可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタを得ることができる。

またこの耐圧を向上させる効果は、上記ＡｌＧａＡｓ層の酸素ドープ濃度を２×１０¹⁷cm^-3以上とすることにより、顕著に高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図１と図２を用いて説明する。

図１に本実施形態に係るＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ系ＨＢＴの構造を示す。これは、半絶縁性ＧａＡｓ基板１７上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）により、コレクタ層１６、ベース層１５、エミッタ層１４、エミッタコンタクト層１３、ノンアロイ層１２を順次成長した構造を有する。

コレクタ層１６は、図１に示すように、半絶縁性ＧａＡｓ基板１７上に、不純物濃度の高い第一の導電型の第一コレクタ層（サブコレクタ層）１６ｂとして厚さ６００nmのｎ⁺型ＡｌＧａＡｓ（キャリア濃度５×１０¹⁸cm^-3）、また不純物濃度の低い第一の導電型の第二コレクタ層１６ａとして５００nmのｎ^-型ＡｌＧａＡｓ（キャリア濃度１×１０¹⁶cm^-3）が成長されている。このＡｌＧａＡｓコレクタ層１６ａ、１６ｂは、低いＶ／III比で成長することにより、Ｖ族原料費を低減することが出来る。また、ＡｌＧａＡｓコレクタ層１６ａ、１６ｂの成長温度を通常より低くすることにより、コレクタ層の結晶性が向上する。

上記第二コレクタ層１６ａ上には、ベース層１５として７０nmのｐ⁺型ＧａＡｓ（キャリア濃度４×１０¹⁹cm^-3）が成長されている。したがって、ベース層１５と第一の導電型の第一コレクタ層１６ｂとの間に不純物濃度の低い第一の導電型の第二コレクタ層１６ａを挟んだ構造となっている。

さらに、このベース層１５上には、エミッタ層１４として１００nmのｎ型ＩｎＧａＰ（Ｉｎ混晶比０．４９、キャリア濃度５×１０¹⁷cm^-3）、エミッタコンタクト層１３として１００nmのｎ⁺型ＧａＡｓ（キャリア濃度５×１０¹⁸cm^-3）、ノンアロイ層１２として５０nmのｎ⁺型ＩｎＧａＡｓ（Ｉｎ混晶比０．５、キャリア濃度１×１０¹⁹cm^-3）が成長されている。

上記のノンアロイ層１２、ベース層１５及びサブコレクタ層１６ｂの上に、それぞれエミッタ電極１８、ベース電極１９及びコレクタ電極２０が形成されて、ヘテロ接合バイポーラトランジスタが構成される。そして、エミッタ接地の場合は、コレクタ電極２０に電源２１の正の電圧Ｖ_Cを印加し、ベース電極１９に電源２２の電圧Ｖ_Bを付与して、ベース電極１９よりベース電流Ａを信号入力として流し、出力となるコレクタ電流Ｂを制御する。

かかる構成のＨＢＴとすることにより、ＨＢＴのコレクタ層の耐圧を高くすることができ、これにより高い出力での使用が可能なバイポーラトランジスタを実現することが出来る。

次に、本発明の効果を確認するため、従来構造のＨＢＴと本実施構造のＨＢＴのＩ−Ｖ_B特性（入力特性）を測定し比較した。図２にこの測定結果を示す。横軸のＶ_Bはベース電圧、縦軸のＩはベース電流である。なお、縦軸の単位は、例えば「８．０Ｅ−０２」で８．０×１０^-2を表す。

図２中、曲線ａは従来構造のＨＢＴにおけるＩ−Ｖ_B特性（入力特性）であり、曲線ｂは本実施構造のＨＢＴでＡｌＧａＡｓコレクタ層１６中の酸素濃度を２×１０¹⁷cm^-3とした場合のＩ−Ｖ_B特性（入力特性）、そして曲線ｃは１×１０¹⁸cm^-3とした場合のＩ−Ｖ_B特性（入力特性）である。

曲線ａと曲線ｂ、ｃの比較から分かるように、ＡｌＧａＡｓコレクタ層１６中の酸素濃度が高い構造の方が、ベース−コレクタ間の降伏電圧が高くなっている。これは本発明を適用したことにより、ＨＢＴのコレクタ耐圧が向上したことを意味している。

＜他の実施例、変形例＞
上記実施の形態では、コレクタ層１６を構成する２層（第二コレクタ層１６ａ、第一コレクタ層１６ｂ）の両方に酸素ドープＡｌＧａＡｓに使用しているが、２層のうちの片方だけに酸素ドープＡｌＧａＡｓを使うことや、各層の一部に酸素ドープＡｌＧａＡｓを使うことも可能である。

また上記実施形態では、エミッタ層をＩｎＧａＰとしたがＡｌＧａＡｓで構成することもできる。

＜使用方法、応用システムなど＞
本発明で用いた酸素ドープＡｌＧａＡｓはＧａＡｓと比べて耐圧が高い。本発明は、ＨＢＴのコレクタ層だけに限らず、電界効果トランジスタＦＥＴ、高電子移動度トランジスタＨＥＭＴの各層の高耐圧に応用することが出来る。

本発明の実施形態に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの構造を示す概略断面図である。 本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタのＩ−Ｖ_B特性（入力特性）を、従来例と比較して示した図である。 従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタの構造を示す概略断面図である。

符号の説明

１２ ノンアロイ層
１３ エミッタコンタクト層
１４ エミッタ層
１５ ベース層
１６ コレクタ層
１６ａ 第二コレクタ層（コレクタ層）
１６ｂ 第一コレクタ層（サブコレクタ層）
１７ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
１８ エミッタ電極
１９ ベース電極
２０ コレクタ電極
Ａ ベース電流
Ｂ コレクタ電流

Claims (3)

1. 半絶縁性基板上に、コレクタ層、ベース層、エミッタ層が順に積層形成されたIII−Ｖ族化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
   前記コレクタ層の全部もしくは一部を、酸素ドープしたＡｌＧａＡｓ層で構成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。
2. 半絶縁性基板上に、ベース層と第一の導電型の第一コレクタ層との間に、第一コレクタ層よりも不純物濃度の低い第一の導電型の第二コレクタ層を挟んだ構造を有する、III−Ｖ族化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
   前記第一コレクタ層と第二コレクタ層の一方又は双方を、酸素ドープしたＡｌＧａＡｓ層で構成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。
3. 請求項１又は２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
   前記ＡｌＧａＡｓ層の酸素ドープ濃度が２×１０¹⁷cm^-3以上であ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。

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