JP2009231594A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

Abstract

【課題】コレクタ電流が流れている状態でのオン抵抗および耐圧を両方同時に向上させることが可能なＨＢＴを提供する。
【解決手段】ｎ型のＧａＡｓサブコレクタ層１０１と、ＧａＡｓサブコレクタ層１０１上に形成されたＩｎＧａＰコレクタ層１０２と、ＩｎＧａＰコレクタ層１０２上に形成されたｎ型のＧａＡｓスペーサ層１０３と、ＧａＡｓスペーサ層１０３上に形成されたｎ型のＧａＡｓ第２コレクタ層１０４およびＧａＡｓ第１コレクタ層１０５と、ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５上に形成されたｐ型のＧａＡｓベース層１１０と、ＧａＡｓベース層１１０上に形成されたｎ型のＩｎＧａＰエミッタ層１１１とを備え、ＧａＡｓサブコレクタ層１０１は、ＧａＡｓ第２コレクタ層１０４およびＧａＡｓ第１コレクタ層１０５より高いキャリア濃度を有し、ＧａＡｓ第２コレクタ層１０４はＧａＡｓ第１コレクタ層１０５より高いキャリア濃度を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに関する。

電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと記す）又はヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下、Heterojunction Bipoiar Transistor：ＨＢＴと記す）等の化合物半導体デバイスは、例えば、携帯電話機の部品の一つである送信用高出力電力増幅器等に用いられている。近年、ＨＢＴに対して、高出力特性、高利得特性、および低歪み特性が求められており、これらを実現するために、高い耐圧であって且つ低いオン抵抗を有するＨＢＴの実現が要求されている。

ＨＢＴのエミッタ層に使われる材料としてＡｌＧａＡｓに代わり、近年ＩｎＧａＰが主流になりつつある。ＩｎＧａＰの利点として、Ｉｎ組成０．５付近でＧａＡｓに格子整合すること、ＧａＡｓに対するウェットエッチングの選択比が高いこと、ＧａＡｓベース層に接合した時の価電子帯不連続量がＡｌＧａＡｓの場合に比べ大きいこと、ＡｌＧａＡｓに見られたＤＸセンターのような深い不純物準位が無いこと、表面再結合速度が小さいこと等が挙げられる。

次に、従来のＨＢＴのデバイス構造について、図１２の断面図を参照しながら説明する（例えば特許文献１参照）。

ＧａＡｓ基板５００上に、電子濃度５Ｅ１８ｃｍ^-3で膜厚６００ｎｍのｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層５０１、アンドープで膜厚１００ｎｍのＩｎＧａＰコレクタ層５０２、電子濃度２Ｅ１８ｃｍ^-3で膜厚１０ｎｍのｎ型ＧａＡｓスペーサ層５０３、電子濃度１Ｅ１６ｃｍ^-3で膜厚５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓコレクタ層５０４、ホール濃度４Ｅ１９ｃｍ^-3で膜厚８０ｎｍのｐ型ＧａＡｓベース層５１０、電子濃度３Ｅ１７ｃｍ^-3で膜厚３０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層５１１、電子濃度３Ｅ１８ｃｍ^-3で膜厚２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓエミッタキャップ層５１２、および電子濃度１Ｅ１９ｃｍ^-3で膜厚１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層５１３が各々この順で成長されている。ＧａＡｓサブコレクタ層５０１上にはコレクタ電極５２０、ＧａＡｓベース層５１０上にはベース電極５２１、およびＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層５１３上にはエミッタ電極５２２がそれぞれ形成されている。

ＩｎＧａＰコレクタ層５０２を導入している意味は、特許文献１に詳細に記されているように、コレクタ電流が流れている状態でのエミッタコレクタ間耐圧（ＢＶｃｅｘ）を向上させるためである。このときの電界強度のピークはコレクタ層とサブコレクタ層との間に発生しており、この位置に衝突イオン化係数がＧａＡｓより小さいＩｎＧａＰを導入することにより、耐圧を向上させている。

ＩｎＧａＰは成長条件に応じて、結晶での原子の配列状態およびバンドギャップが変化するという性質を持つ。ＩｎＧａＰの成長温度を変化させると、III族元素のＩｎとＧａがIII族原子層面内で規則的に配列してオーダー型（ＣｕＰｔ型自然超格子構造）を形成する場合と、不規則に配列してディスオーダー型を形成する場合とが観測される。ＩｎＧａＰがディスオーダー型で成長されているならば、ＩｎＧａＰとＧａＡｓとの間にはおよそ０．２ｅＶの伝導帯不連続（ΔＥｃ）が発生してしまう。そのため、コレクタ電圧に対するコレクタ電流の立ち上がり具合を示すオン抵抗（Ｒｏｎ）が増大する。特許文献１のＨＢＴにおけるＩｎＧａＰコレクタ層５０２は、ディスオーダー型を想定しており、この問題を防止するため、特許文献１のＨＢＴではｎ型ＧａＡｓスペーサ層５０３を導入することにより、実効的なΔＥｃを小さくし、Ｒｏｎの増大を防止している。

一方、ＩｎＧａＰが仮にオーダー型で成長されているならば、ＩｎＧａＰとＧａＡｓとの間には伝導帯不連続は殆ど存在せず、それを原因としたオン抵抗の増大は発生しない。ところが、オーダー型ではＩｎＧａＰとＧａＡｓとの界面に濃度分布状態の異常が発生することが知られているが、原因は明確にされていない。界面準位の密度はおよそ２Ｅ１２ｃｍ^-2と言われているが定かでは無い。このため、ＩｎＧａＰ層とその上方の層との界面（ＩｎＧａＰのＧａＡｓとの界面）でキャリアの空乏化が起こり、プラスに帯電した状態となる。一方、ＩｎＧａＰ層とその下方の層との界面でキャリアの蓄積が起こり、マイナスに帯電した状態となる。その結果、ＩｎＧａＰとＧａＡｓとの間の伝導帯のフラット性に変調が起こされ、この変調はコレクタ電流が流れている場合の障害になるので、オン抵抗が増大する。

なお、図１２と同様な構造が特許文献２にも開示されているが、特許文献２ではオーダー型のＩｎＧａＰを想定している。特許文献２でも、ｎ型スペーサ層をＩｎＧａＰコレクタ層上に導入している。さらに特許文献３においても、ＩｎＧａＰコレクタ層とＧａＡｓコレクタ層との間にｎ型スペーサ層を導入する構造が開示されている。なお、ｎ型スペーサ層の電子濃度は耐圧低下の防止から１Ｅ１８ｃｍ^-3以下の制限がかけられている。
特開２００７−１０３７８４号公報（第６図） 特許第３５７３７３７号公報 特開２００５−３９１６９号公報

ところで、従来の技術である図１２のＨＢＴにおいて、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層５０３の電子濃度は、Ｒｏｎを低下させるために、無制限に高くすることは出来ない。なぜなら、電子濃度を仮に５Ｅ１８ｃｍ^-3のような高濃度に設定した場合、ＢＶｃｅｘが低下してしまうからである。これについて詳述する。

図１２のＨＢＴにおいて、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層５０３の電子濃度を高くしたときの、コレクタ電流が十分に流れている場合での、コレクタ層内のキャリア濃度（電子濃度）および電界強度（絶対値）の分布を各々図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示す。なお、図１３（ａ）において、横軸はＧａＡｓベース層５１０表面からの距離、縦軸はキャリア濃度を示し、図１３（ｂ）において、横軸はＧａＡｓベース層５１０表面からの距離、縦軸は電界強度を示している。

図１３（ａ）に示すように、ＧａＡｓコレクタ層５０４の領域で、エミッタから注入された電子の濃度が設定濃度を上回りマイナスに帯電している。一方、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層５０３の領域で、設定された電子濃度（設定濃度）の方が実際の電子濃度を上回りプラスに帯電している。また、ＩｎＧａＰコレクタ層５０２の領域ではアンドープのためマイナスに帯電している。その結果、図１３（ｂ）に示すように、電界強度はｎ型ＧａＡｓスペーサ層５０３の領域で大きく低下してしまい、ＩｎＧａＰコレクタ層５０２には僅かしか電界がかからず、ＩｎＧａＰの高耐圧性が生かされていない。この場合、耐圧はＧａＡｓコレクタ層５０４とｎ型ＧａＡｓスペーサ層５０３との境界の電界強度で決定されるが、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層５０３がこのような高濃度のときは、アンドープ領域で同じ電界強度が発生する場合に比べ、低い臨界電界強度で破壊に至ってしまう。そのため、図１２のＨＢＴにおいて、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層５０３の電子濃度を高く設定した場合には、十分に高い耐圧を得ることが出来ない。

しかしながら、耐圧を上げようと、図１２のＨＢＴにおいてｎ型ＧａＡｓスペーサ層５０３の電子濃度を例えば５Ｅ１７ｃｍ^-3のような低濃度にすると、電界強度のピークはＩｎＧａＰコレクタ層５０２にかかり、高耐圧が得られることが期待されるが、逆にオン抵抗が悪化してしまう。ここで、ＩｎＧａＰコレクタ層５０２をオーダー型とした場合は、前述したようにＩｎＧａＰ層とその上方の層との界面でキャリアの空乏化が起こり、プラスに帯電した状態となる。その結果、ＩｎＧａＰとＧａＡｓとの間の伝導帯のフラット性に変調が起こされ、この変調はコレクタ電流が流れている場合の障害になるので、オン抵抗が増大する。

そこで、本発明は、コレクタ電流が流れている状態でのオン抵抗および耐圧を両方同時に向上させることが可能なＨＢＴを提供することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ｎ型のＧａＡｓサブコレクタ層と、前記ＧａＡｓサブコレクタ層上に形成されたＩｎＧａＰコレクタ層と、前記ＩｎＧａＰコレクタ層上に形成されたｎ型のＧａＡｓスペーサ層と、前記ＧａＡｓスペーサ層上に形成されたｎ型のＧａＡｓコレクタ層と、前記ＧａＡｓコレクタ層上に形成されたｐ型のベース層と、前記ベース層上に形成されたｎ型のエミッタ層とを備え、前記ＧａＡｓサブコレクタ層のキャリア濃度は、前記ＧａＡｓコレクタ層のキャリア濃度より高く、前記ＧａＡｓコレクタ層のキャリア濃度は、前記ベース層と向き合う部分から前記ＧａＡｓスペーサ層と向き合う部分に向けて高くなることを特徴としている。ここで、前記ＧａＡｓスペーサ層のキャリア濃度は、前記ＧａＡｓコレクタ層の最大のキャリア濃度より高くてもよい。

これにより、臨界電界強度が高い低キャリア濃度のＧａＡｓコレクタ層で、耐圧を決める電界強度のピークを発生させることができるので、ＨＢＴの高耐圧化を図ることができる。同時に、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層内に電界強度のピークが発生しないので、耐圧の低下を考慮することなくｎ型ＧａＡｓスペーサ層のキャリア濃度を高くし、オン抵抗を低減することができる。その結果、コレクタ電流が流れている状態でのオン抵抗および耐圧を両方同時に向上させることが可能なＨＢＴを実現できる。

上述したように、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、コレクタ電流が流れている状態でのオン抵抗および耐圧を両方同時に向上させることが出来る。

以下、本発明の実施の形態におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタについて、図面を参照しながら説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態のＨＢＴの構造を示す断面図である。

図１に示すように、ＧａＡｓ基板１００上に、電子濃度５Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚６００ｎｍのｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層１０１、アンドープで膜厚１００ｎｍのＩｎＧａＰコレクタ層１０２、電子濃度５Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚１０ｎｍのｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３、電子濃度４Ｅ１６ｃｍ^-3および膜厚４００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ第２コレクタ層１０４、電子濃度１．４Ｅ１６ｃｍ^-3および膜厚６００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５、ホール濃度４Ｅ１９ｃｍ^-3および膜厚８０ｎｍのｐ型ＧａＡｓベース層１１０、電子濃度３Ｅ１７ｃｍ^-3および膜厚３０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層１１１、電子濃度３Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓエミッタキャップ層１１２、ならびに電子濃度１Ｅ１９ｃｍ^-3および膜厚１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層１１３が各々この順で成長されている。これら半導体層のエッチングおよび電極の蒸着処理により、オーミック電極として、ＧａＡｓサブコレクタ層１０１上にコレクタ電極１２０、ＧａＡｓベース層１１０上にベース電極１２１、およびＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層１１３上にエミッタ電極１２２が形成されている。

このとき、ＩｎＧａＰコレクタ層１０２はディスオーダー型で成長している。従って、ＩｎＧａＰコレクタ層１０２の結晶状態は、自然超格子状態となっておらずディスオーダー状態となっている。

次に上記構造を有するＨＢＴの耐圧について考察する。図２（ａ）および図２（ｂ）は各々十分に高いコレクタ電流が流れている時のコレクタ層内のキャリア濃度（電子濃度）および電界強度（絶対値）の分布を表す図である。なお、図２（ａ）において、横軸はＧａＡｓベース層１１０表面からの距離、縦軸はキャリア濃度を示し、図２（ｂ）において、横軸はＧａＡｓベース層１１０表面からの距離、縦軸は電界強度を示している。

図２（ａ）に示すように、ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５の領域およびＩｎＧａＰコレクタ層１０２の領域では、実際の電子濃度が設定された電子濃度（設定濃度）を上回っており、マイナスに帯電している。一方、ＧａＡｓ第２コレクタ層１０４およびｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３の領域では、反対にプラスに帯電している。そのため、図２（ｂ）に示すように、電界強度はＧａＡｓ第２コレクタ層１０４とＧａＡｓ第１コレクタ層１０５との境界においてピークを持つ。このように、臨界電界強度の高い低濃度のＧａＡｓコレクタ層の領域で電界強度のピークを発生させることにより、電界強度の占める面積（図２（ｂ）において電界強度を積分した値）である耐圧が大きくなる。ｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３の領域で電界強度が低下しているため、ＩｎＧａＰコレクタ層１０２の領域で殆ど電界がかかっていない。そのため、ＩｎＧａＰの高耐圧性は生かされているとは言えない。しかし、ＩｎＧａＰはＧａＡｓに対しウェットエッチングの選択性がある。高耐圧型のＨＢＴでは、コレクタ層が１μｍ程度の厚膜を有しているため、このような厚膜になる程、ＨＢＴの製造プロセスの難易度が増大していく。従って、エッチング選択性のあるＩｎＧａＰを用いることにより、ＨＢＴの製造プロセスが容易になるため、ＨＢＴに対するＩｎＧａＰの使用は必須といえる。

ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５およびＧａＡｓ第２コレクタ層１０４の電子濃度の設定について、図３および図４を用いて説明する。

図３は、ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５の電子濃度をパラメータとした、ＢＶｃｅｘとＧａＡｓ第１コレクタ層１０５およびＧａＡｓ第２コレクタ層１０４の電子濃度の比（コレクタ層濃度比）との関係を表す図である。図４は、コレクタ電流が流れていない状態での、ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５の電子濃度をパラメータとした、エミッタコレクタ間の耐圧（ＢＶｃｅｏ）とコレクタ層濃度比との関係を表す図である。

図３に示すように、ＢＶｃｅｘは所定のコレクタ層濃度比でピークを持ち、その値はＧａＡｓ第１コレクタ層１０５の電子濃度が高いほど大きい。ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５の電子濃度が所定値で、ＧａＡｓ第２コレクタ層１０４の電子濃度が低いときは、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３上に電界強度のピークが来て、この電界強度のピークにより耐圧が決定される。一方、ＧａＡｓ第２コレクタ層１０４の電子濃度が高いときは、ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５とＧａＡｓ第２コレクタ層１０４との境界に電界強度のピークがきて、この電界のピークにより耐圧が決定される。ＢＶｃｅｘがピークを持つ濃度条件では、前述した２つの位置で同時に破壊が起きていると考えられる。

図４に示すように、今度は、ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５の電子濃度が低いほど、ＢＶｃｅｏは高くなる。ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５が所定の電子濃度を有するとき、ＧａＡｓ第２コレクタ層１０４の電子濃度が高くなる程、ＢＶｃｅｏは低くなっていく。

図３および図４から、ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５の電子濃度の範囲を１．０Ｅ１６ｃｍ^-3以上１．８Ｅ１６ｃｍ^-3以下とし、ＧａＡｓ第２コレクタ層１０４の電子濃度の範囲を１．０Ｅ１６ｃｍ^-3以上７．０Ｅ１６ｃｍ^-3以下と設定した。

以上のように、本実施の形態のＨＢＴによれば、コレクタ層にキャリア濃度の異なるＧａＡｓ第１コレクタ層１０５およびＧａＡｓ第２コレクタ層１０４が設けられ、ＧａＡｓ第２コレクタ層１０４のキャリア濃度がＧａＡｓ第１コレクタ層１０５のキャリア濃度より高くなるように設定される。従って、低キャリア濃度のコレクタ層の領域で電界のピークが発生するので、ＨＢＴの高耐圧化を実現できる。また、高濃度のｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３に耐圧を決める電界のピークが発生しないので、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３のキャリア濃度を高くし、低オン抵抗のＨＢＴを実現できる。

なお、本実施の形態において、ＧａＡｓ第２コレクタ層１０４にはそのキャリア濃度が４Ｅ１６ｃｍ^-3となるように、ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５にはそのキャリア濃度が１．４Ｅ１６ｃｍ^-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、ＧａＡｓ第２コレクタ層１０４のキャリア濃度がＧａＡｓ第１コレクタ層１０５のキャリア濃度より高くなるように不純物が添加されればこれに限られない。

また、本実施の形態において、ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５およびＧａＡｓ第２コレクタ層１０４というキャリア濃度の異なる２つの半導体層を積層することで、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３側のキャリア濃度がＧａＡｓベース層１１０側のキャリア濃度より高くなる濃度分布をコレクタ層内に形成するとした。しかし、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３とＧａＡｓベース層１１０との間に１つのＧａＡｓ層のみを形成し、ＧａＡｓベース層１１０側の部分からｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３側の部分に向けてキャリア濃度が高くなる濃度分布をこの１つのＧａＡｓ層内に形成してもよい。この場合、ＧａＡｓベース層１１０側の部分からｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３側の部分に向けて不純物濃度が高くなるように、半導体層に不純物を段階的もしくは連続的に注入することで濃度分布が形成される。

また、本実施の形態において、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３には、そのキャリア濃度が５Ｅ１８ｃｍ^-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３には、伝導帯不連続によるオン抵抗の増大を防止することが可能で、かつｎ型ＧａＡｓスペーサ層１０３の領域で電界強度のピークを発生させないキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。具体的には、２Ｅ１８ｃｍ^-3以上という高濃度で、かつＧａＡｓコレクタ層（ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５およびＧａＡｓ第２コレクタ層１０４）の最大のキャリア濃度である４Ｅ１６ｃｍ^-3よりも高いキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。

また、本実施の形態において、ＧａＡｓサブコレクタ層１０１のキャリア濃度は５Ｅ１８ｃｍ^-3であるとしたが、ＧａＡｓ第１コレクタ層１０５およびＧａＡｓ第２コレクタ層１０４のキャリア濃度より高ければこれに限られない。

（第２の実施の形態）
図５は、本実施の形態のＨＢＴの構造を示す断面図である。

図５に示すように、ＧａＡｓ基板２００上に、電子濃度５Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚６００ｎｍのｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層２０１、アンドープで膜厚１００ｎｍのＩｎＧａＰコレクタ層２０２、電子濃度５Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚１０ｎｍのｎ型ＧａＡｓスペーサ層２０３、電子濃度４Ｅ１６ｃｍ^-3および膜厚２５０ｎｍのｎ型ＧａＡｓ第４コレクタ層２０４、電子濃度３Ｅ１６ｃｍ^-3および膜厚２５０ｎｍのｎ型ＧａＡｓ第３コレクタ層２０５、電子濃度２Ｅ１６ｃｍ^-3および膜厚２５０ｎｍのｎ型ＧａＡｓ第２コレクタ層２０６、電子濃度１Ｅ１６ｃｍ^-3および膜厚２５０ｎｍのｎ型ＧａＡｓ第１コレクタ層２０７、ホール濃度４Ｅ１９ｃｍ^-3および膜厚８０ｎｍのｐ型ＧａＡｓベース層２１０、電子濃度３Ｅ１７ｃｍ^-3および膜厚３０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層２１１、電子濃度３Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓエミッタキャップ層２１２、ならびに電子濃度１Ｅ１９ｃｍ^-3および膜厚１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層２１３が各々この順で成長されている。これら半導体層のエッチングおよび電極の蒸着処理により、オーミック電極として、ＧａＡｓサブコレクタ層２０１上にコレクタ電極２２０、ＧａＡｓベース層２１０上にベース電極２２１、およびＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層２１３上にエミッタ電極２２２が形成されている。

このとき、図１と同様にＩｎＧａＰコレクタ層２０２は、ディスオーダー型で成長している。従って、ＩｎＧａＰコレクタ層２０２の結晶状態は、自然超格子状態となっておらずディスオーダー状態となっている。

次に上記構造を有するＨＢＴの耐圧について考察する。図６（ａ）および図６（ｂ）は各々十分に高いコレクタ電流が流れている時のコレクタ層内のキャリア濃度（電子濃度）および電界強度（絶対値）の分布を表す図である。なお、図６（ａ）において、横軸はＧａＡｓベース層２１０表面からの距離、縦軸はキャリア濃度を示し、図６（ｂ）において、横軸はＧａＡｓベース層２１０表面からの距離、縦軸は電界強度を示している。

図２（ａ）および図２（ｂ）について行ったのと同様な考察から、この場合は電界強度のピークはＧａＡｓ第２コレクタ層２０６とＧａＡｓ第３コレクタ層２０５との境界で発生している。このように、コレクタ層内で設定濃度が多段階で少しずつ変化している構造では、電界強度のピークからの電界強度の変化が図２（ｂ）に比べてなだらかであるため、電界強度が占める面積で表される耐圧がさらに大きくなる。

以上のように本実施の形態のＨＢＴによれば、第１の実施の形態のＨＢＴと同様の理由により、高耐圧および低オン抵抗のＨＢＴを実現できる。

なお、本実施の形態において、ＧａＡｓ第４コレクタ層２０４にはそのキャリア濃度が４Ｅ１６ｃｍ^-3となるように、ＧａＡｓ第３コレクタ層２０５にはそのキャリア濃度が３Ｅ１６ｃｍ^-3となるように、ＧａＡｓ第２コレクタ層２０６にはそのキャリア濃度が２Ｅ１６ｃｍ^-3となるように、ＧａＡｓ第１コレクタ層２０７にはそのキャリア濃度が１Ｅ１６ｃｍ^-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、ＧａＡｓ第１コレクタ層２０７、ＧａＡｓ第２コレクタ層２０６、ＧａＡｓ第３コレクタ層２０５、およびＧａＡｓ第４コレクタ層２０４の順で電子濃度が高くなるように不純物が添加されればこれに限られない。

また、本実施の形態において、ＧａＡｓ第１コレクタ層２０７、ＧａＡｓ第２コレクタ層２０６、ＧａＡｓ第３コレクタ層２０５、およびＧａＡｓ第４コレクタ層２０４というキャリア濃度の異なる４つのＧａＡｓ層を積層することで、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層２０３側のキャリア濃度がＧａＡｓベース層２１０側のキャリア濃度より高くなる濃度分布をコレクタ層内に形成するとした。しかし、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層２０３とＧａＡｓベース層２１０との間に１つのＧａＡｓ層のみを形成し、ＧａＡｓベース層２１０側の部分からｎ型ＧａＡｓスペーサ層２０３側の部分に向けてキャリア濃度が高くなる濃度分布をこの１つのＧａＡｓ内に形成してもよい。この場合、ＧａＡｓベース層２１０側の部分からｎ型ＧａＡｓスペーサ層２０３側の部分に向けて不純物濃度が高くなるように、ＧａＡｓ層に不純物を段階的もしくは連続的に注入することで濃度分布が形成される。

また、本実施の形態において、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層２０３には、そのキャリア濃度が５Ｅ１８ｃｍ^-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層２０３には、伝導帯不連続によるオン抵抗の増大を防止することが可能で、かつｎ型ＧａＡｓスペーサ層２０３の領域で電界強度のピークを発生させないキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。具体的には、２Ｅ１８ｃｍ^-3以上という高濃度で、かつＧａＡｓコレクタ層（ＧａＡｓ第１コレクタ層２０７、ＧａＡｓ第２コレクタ層２０６、ＧａＡｓ第３コレクタ層２０５、およびＧａＡｓ第４コレクタ層２０４）の最大のキャリア濃度である４Ｅ１６ｃｍ^-3よりも高いキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。

また、本実施の形態において、ＧａＡｓサブコレクタ層２０１のキャリア濃度は５Ｅ１８ｃｍ^-3であるとしたが、ＧａＡｓ第１コレクタ層２０７、ＧａＡｓ第２コレクタ層２０６、ＧａＡｓ第３コレクタ層２０５、およびＧａＡｓ第４コレクタ層２０４のキャリア濃度より高ければこれに限られない。

（第３の実施の形態）
図７は、本実施の形態のＨＢＴの構造を示す断面図である。

図７に示すように、ＧａＡｓ基板３００上に、電子濃度５Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚６００ｎｍのｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層３０１、アンドープで膜厚１００ｎｍのＩｎＧａＰコレクタ層３０２、電子濃度１Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚１０ｎｍのｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３、電子濃度１．４Ｅ１６ｃｍ^-3および膜厚１０００ｎｍのｎ型ＧａＡｓコレクタ層３０４、ホール濃度４Ｅ１９ｃｍ^-3および膜厚８０ｎｍのｐ型ＧａＡｓベース層３１０、電子濃度３Ｅ１７ｃｍ^-3および膜厚３０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層３１１、電子濃度３Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓエミッタキャップ層３１２、ならびに電子濃度１Ｅ１９ｃｍ^-3および膜厚１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層３１３が各々この順で成長されている。これら半導体層のエッチングおよび電極の蒸着処理により、オーミック電極として、ＧａＡｓサブコレクタ層３０１上にコレクタ電極３２０、ＧａＡｓベース層３１０上にベース電極３２１、およびＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層３１３上にエミッタ電極３２２が形成されている。

このとき、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２はオーダー型で成長している。従って、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２の結晶状態は、部分的にまたは完全に（ＣｕＰｔ型）自然超格子状態となっておりオーダー状態となっている。ＩｎＧａＰコレクタ層３０２がオーダー型であるため、伝導帯不連続によるオン抵抗の悪化は発生しない。しかし、前述したように、オーダー型の場合は、ＩｎＧａＰ層とその上方の層との界面でキャリアの空乏化が起こり、プラスに帯電した状態となる。このプラスの帯電を無くすために、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２とその上方のＧａＡｓコレクタ層３０４との間に低濃度のｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３が導入される。ｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３からのフリーな電子が空乏領域のプラス電荷と相殺して消滅する。またドナーは電子不足によりプラスに帯電しているわけであるが、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２の下方のＧａＡｓサブコレクタ層３０１との界面に発生している電子がｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３（ドナーの領域）に移動し、ドナーのプラス電荷を解消する。こうすることで、プラスの帯電と電子とが打ち消し合い、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２のプラス帯電が消滅する。従って、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３の電子濃度は、伝導帯不連続によるオン抵抗の増大を防止する程度に高いものである必要はなく、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２のプラス帯電が消滅する程度、つまり少なくとも１Ｅ１８ｃｍ^-3以上で２Ｅ１８ｃｍ^-3より下であればよいため、低濃度とされる。

次に上記構造を有するＨＢＴの耐圧について考察する。図８（ａ）および図８（ｂ）は各々十分に高いコレクタ電流が流れている時のコレクタ層内のキャリア濃度（電子濃度）および電界強度（絶対値）の分布を表す図である。なお、図８（ａ）において、横軸はＧａＡｓベース層３１０表面からの距離、縦軸はキャリア濃度を示し、図８（ｂ）において、横軸はＧａＡｓベース層３１０表面からの距離、縦軸は電界強度を示している。

ｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３の設定濃度が低いことから、このｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３内で電界強度の傾きが殆ど発生しない。そのため、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２に高電界をかけることが出来て、ＩｎＧａＰの高耐圧性を生かしているといえる。この時、耐圧を決定している電界の位置は、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２とＧａＡｓサブコレクタ層３０１との界面か、またはｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３のどちらかである。この位置はＩｎＧａＰコレクタ層３０２内、またはｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３内のキャリア濃度の大小条件により変化する。キャリア濃度が高いところでは、低い電界強度で破壊して耐圧が決定されてしまうため、電界強度が最も高い位置で耐圧を決めているとは限らない。このように、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２がオーダー型の場合は、ΔＥｃによるオン抵抗の悪化現象は発生しないため、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３の電子濃度を従来のＨＢＴの構造（図１２のＨＢＴの構造）より低濃度にすることで、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２に高電界を掛けることが出来て、ＩｎＧａＰの高耐圧性が生かされている状況になっている。

以上のように本実施の形態のＨＢＴによれば、オーダー型のＩｎＧａＰコレクタ層３０２の上方にはｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３が設けられる。従って、ＩｎＧａＰとＧａＡｓとの間の伝導帯のフラット性の変調に基づくオン抵抗の増大を解消することができる。また、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３のキャリア濃度は低く設定される。従って、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２に高電界がかかるので、ＨＢＴを高耐圧化することができる。

また、本実施の形態において、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３には、そのキャリア濃度が１Ｅ１８ｃｍ^-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３には、ＩｎＧａＰコレクタ層３０２のプラス帯電が消滅することが可能で、かつｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３の領域で電界強度のピークを発生させないキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。具体的には、１Ｅ１８ｃｍ^-3以上で２Ｅ１８ｃｍ^-3より下という低濃度で、かつＧａＡｓコレクタ層３０４のキャリア濃度である１．４Ｅ１６ｃｍ^-3よりも高いキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。

また、本実施の形態において、ＧａＡｓサブコレクタ層３０１のキャリア濃度は５Ｅ１８ｃｍ^-3であるとしたが、ＧａＡｓコレクタ層３０４のキャリア濃度より高ければこれに限られない。

（第４の実施の形態）
図９は、本実施の形態のＨＢＴの構造を示す断面図である。

図９に示すように、ＧａＡｓ基板４００上に、電子濃度５Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚６００ｎｍのｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層４０１、アンドープで膜厚１００ｎｍのＩｎＧａＰコレクタ層４０２、電子濃度１Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚１０ｎｍのｎ型ＧａＡｓスペーサ層４０３、電子濃度４Ｅ１６ｃｍ^-3および膜厚４００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ第２コレクタ層４０４、電子濃度１．４Ｅ１６ｃｍ^-3および膜厚６００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ第１コレクタ層４０５、ホール濃度４Ｅ１９ｃｍ^-3および膜厚８０ｎｍのｐ型ＧａＡｓベース層４１０、電子濃度３Ｅ１７ｃｍ^-3および膜厚３０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＰエミッタ層４１１、電子濃度３Ｅ１８ｃｍ^-3および膜厚２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓエミッタキャップ層４１２、ならびに電子濃度１Ｅ１９ｃｍ^-3および膜厚１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層４１３が各々この順で成長されている。これら半導体層のエッチングおよび電極の蒸着処理により、オーミック電極として、ＧａＡｓサブコレクタ層４０１上にコレクタ電極４２０、ＧａＡｓベース層４１０上にベース電極４２１、およびＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層４１３上にエミッタ電極４２２が形成されている。

このとき、ＩｎＧａＰコレクタ層４０２はオーダー型で成長している。従って、ＩｎＧａＰコレクタ層４０２の結晶状態は、部分的にまたは完全に（ＣｕＰｔ型）自然超格子状態となっておりオーダー状態となっている。ＩｎＧａＰコレクタ層４０２はオーダー型であるため、伝導帯不連続によるオン抵抗の悪化は発生しない。また、ＩｎＧａＰコレクタ層４０２の上方にはｎ型ＧａＡｓスペーサ層４０３が設けられるため、ＩｎＧａＰとＧａＡｓとの間の伝導帯のフラット性の変調に基づくオン抵抗の増大を解消することができる。

次に上記構造を有するＨＢＴの耐圧について考察する。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は各々十分に高いコレクタ電流が流れている時のコレクタ層内のキャリア濃度（電子濃度）および電界強度の分布を表す図である。なお、図１０（ａ）において、横軸はＧａＡｓベース層４１０表面からの距離、縦軸はキャリア濃度を示し、図１０（ｂ）において、横軸はＧａＡｓベース層４１０表面からの距離、縦軸は電界強度を示している。

図２（ａ）および図２（ｂ）について行ったのと同様な考察から、臨界電界強度が高い低濃度のコレクタ層の領域で電界強度のピークが発生しており、電界強度の占める面積である耐圧が大きくなる。耐圧を決定している電界強度のピークの位置は、ＩｎＧａＰコレクタ層４０２とＧａＡｓサブコレクタ層４０１との界面、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層４０３、および低濃度のコレクタ層のうちのどれかである。この位置はＩｎＧａＰコレクタ層４０２、またはｎ型ＧａＡｓスペーサ層４０３、またはｎ型ＧａＡｓ第１コレクタ層４０５とｎ型ＧａＡｓ第２コレクタ層４０４との境界領域のキャリア濃度の大小条件により異なってくる。仮に図７のＨＢＴにおいてｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３で耐圧が決まっていたのなら、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層３０３での電界強度が図８（ｂ）および図１０（ｂ）で等しくなり、両図の電界強度の占める面積を比較すると、耐圧は少なくとも図７のＨＢＴよりは図９のＨＢＴの方が大きくなるといえる。

なお、本実施の形態において、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層４０３には、そのキャリア濃度が１Ｅ１８ｃｍ^-3となるように不純物が添加されるとした。しかし、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層４０３には、ＩｎＧａＰコレクタ層４０２のプラス帯電を消滅することが可能で、かつｎ型ＧａＡｓスペーサ層４０３の領域で電界強度のピークを発生させないキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。具体的には、１Ｅ１８ｃｍ^-3以上２Ｅ１８ｃｍ^-3以下という低濃度で、かつＧａＡｓコレクタ層（ＧａＡｓ第２コレクタ層４０４およびＧａＡｓ第１コレクタ層４０５）の最大のキャリア濃度である４Ｅ１６ｃｍ^-3よりも高いキャリア濃度となるように不純物が添加されればこれに限られない。

また、本実施の形態において、ＧａＡｓサブコレクタ層４０１のキャリア濃度は５Ｅ１８ｃｍ^-3であるとしたが、ＧａＡｓ第２コレクタ層４０４およびＧａＡｓ第１コレクタ層４０５のキャリア濃度より高ければこれに限られない。

これまで検討したＨＢＴについて、電気測定結果を図１１に示す。図１１は、図１、図５、図７および図９のＨＢＴについて、所定のＩｂにおけるＩｃｅ−Ｖｃｅ測定結果を表す図である。なお、図１１において、横軸はＶｃｅ、縦軸はＩｃｅを示している。

前述したように図１、図５および図１２のＨＢＴはＩｎＧａＰコレクタ層がディスオーダー型であり、図７および図９のＨＢＴはオーダー型である。図１２のＨＢＴでは、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層のキャリア濃度が適切なものでなく、ＩｎＧａＰのΔＥｃのためＩｃｅの立ち上がりが悪く、オン抵抗が図１、図５、図７および図９に比べ高い。図１および図５のＨＢＴでは、ｎ型ＧａＡｓスペーサ層のキャリア濃度が高いため、Ｉｃｅの立ち上がりが良く、オン抵抗が低い。また図７および図９のＨＢＴではＩｎＧａＰがオーダー型であり、かつｎ型ＧａＡｓスペーサ層のキャリア濃度が低いため、ΔＥｃの問題およびＩｎＧａＰとＧａＡｓとの間の伝導帯のフラット性の変調の問題が無く、同様にオン抵抗が低い。

また耐圧については、コレクタ層をより多層化した図５のＨＢＴの方が、図１のＨＢＴより高い。図７および図９のＨＢＴと図１および図５のＨＢＴの耐圧の大小は、ＩｎＧａＰコレクタ層、またはｎ型ＧａＡｓスペーサ層、またはｎ型ＧａＡｓコレクタ層内のキャリア濃度の大小条件により変化するが、少なくとも従来の図１２のＨＢＴよりは、どのＨＢＴも高い。このようなコレクタ層を多層化する技術については、特開２００７−１７３６２４号公報および特開２００６−６０２２１号公報でも紹介されているが、いずれも本発明のような高濃度のｎ型ＧａＡｓスペーサ層については、触れられていない。

以上、本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。

本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに利用でき、特に携帯電話機等に用いられる送信用高出力電力増幅器等に利用することができる。

本発明の第１の実施形態によるＨＢＴのデバイス構造を表す断面図である。 （ａ）本発明の第１の実施の形態によるＨＢＴのキャリア濃度分布を表す図である。（ｂ）本発明の第１の実施の形態によるＨＢＴの電界強度分布を表す図である。 本発明の第１の実施の形態によるＨＢＴのコレクタ層濃度を変化させた時の、ＢＶｃｅｘとコレクタ層濃度比との関係を表す図である。 本発明の第１の実施の形態によるＨＢＴのコレクタ層濃度を変化させた時の、ＢＶｃｅｏとコレクタ層濃度比との関係を表す図である。 本発明の第２の実施の形態によるＨＢＴのデバイス構造を表す断面図である。 （ａ）本発明の第２の実施の形態によるＨＢＴのキャリア濃度分布を表す図である。（ｂ）本発明の第２の実施の形態によるＨＢＴの電界強度分布を表す図である。 本発明の第３の実施の形態によるＨＢＴのデバイス構造を表す断面図である。 （ａ）本発明の第３の実施の形態によるＨＢＴのキャリア濃度分布を表す図である。（ｂ）本発明の第３の実施の形態によるＨＢＴの電界強度分布を表す図である。 本発明の第４の実施の形態によるＨＢＴのデバイス構造を表す断面図である。 （ａ）本発明の第４の実施の形態によるＨＢＴのキャリア濃度分布を表す図である。（ｂ）本発明の第４の実施の形態によるＨＢＴの電界強度分布を表す図である。 本発明の第１〜第４の実施の形態および従来技術によるＨＢＴのＩｃｅ−Ｖｃｅ電気特性を表す図である。 従来の技術によるＨＢＴのデバイス構造を表す断面図である。 （ａ）従来の技術によるＨＢＴのキャリア濃度分布を表す図である。（ｂ）従来の技術によるＨＢＴの電界強度分布を表す図である。

符号の説明

１００、２００、３００、４００、５００ ＧａＡｓ基板
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１ ＧａＡｓサブコレクタ層
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２ ＩｎＧａＰコレクタ層
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３ ＧａＡｓスペーサ層
１０４、２０６、４０４ ＧａＡｓ第２コレクタ層
１０５、２０７、４０５ ＧａＡｓ第１コレクタ層
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０ ＧａＡｓベース層
１１１、２１１、３１１、４１１、５１１ ＩｎＧａＰエミッタ層
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２ ＧａＡｓエミッタキャップ層
１１３、２１３、３１３、４１３、５１３ ＩｎＧａＡｓエミッタコンタクト層
１２０、２２０、３２０、４２０、５２０ コレクタ電極
１２１、２２１、３２１、４２１、５２１ ベース電極
１２２、２２２、３２２、４２２、５２２ エミッタ電極
２０４ ＧａＡｓ第４コレクタ層
２０５ ＧａＡｓ第３コレクタ層
３０４、５０４ ＧａＡｓコレクタ層

Claims (6)

1. ｎ型のＧａＡｓサブコレクタ層と、
   前記ＧａＡｓサブコレクタ層上に形成されたＩｎＧａＰコレクタ層と、
   前記ＩｎＧａＰコレクタ層上に形成されたｎ型のＧａＡｓスペーサ層と、
   前記ＧａＡｓスペーサ層上に形成されたｎ型のＧａＡｓコレクタ層と、
   前記ＧａＡｓコレクタ層上に形成されたｐ型のベース層と、
   前記ベース層上に形成されたｎ型のエミッタ層とを備え、
   前記ＧａＡｓサブコレクタ層のキャリア濃度は、前記ＧａＡｓコレクタ層のキャリア濃度より高く、
   前記ＧａＡｓコレクタ層のキャリア濃度は、前記ベース層と向き合う部分から前記ＧａＡｓスペーサ層と向き合う部分に向けて高くなる
   ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
2. 前記ＧａＡｓスペーサ層のキャリア濃度は、前記ＧａＡｓコレクタ層の最大のキャリア濃度より高い
   ことを特徴とする請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
3. 前記ＧａＡｓコレクタ層は、前記ＧａＡｓスペーサ層と向き合うＧａＡｓ第２コレクタ層と、前記ベース層と向き合うＧａＡｓ第１コレクタ層とから構成され、
   前記ＧａＡｓ第２コレクタ層のキャリア濃度は、前記ＧａＡｓ第１コレクタ層のキャリア濃度より高い
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
4. 前記ＧａＡｓ第１コレクタ層のキャリア濃度は、１．０Ｅ１６ｃｍ^-3以上１．８Ｅ１６ｃｍ^-3以下であり、
   前記ＧａＡｓコ第２レクタ層のキャリア濃度は、１．０Ｅ１６ｃｍ^-3以上７．０Ｅ１６ｃｍ^-3以下である
   ことを特徴とする請求項３記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
5. 前記ＩｎＧａＰコレクタ層の結晶状態は、ディスオーダー状態となっており、
   前記ＧａＡｓスペーサ層のキャリア濃度は、２Ｅ１８ｃｍ^-3以上である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
6. 前記ＩｎＧａＰコレクタ層の結晶状態は、自然超格子状態となっており、
   前記ＧａＡｓスペーサ層のキャリア濃度は、１Ｅ１８ｃｍ^-3以上で２Ｅ１８ｃｍ^-3より下である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。

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