JP2015065294A - Semiconductor device and power amplifier - Google Patents
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Abstract
【課題】温度特性の改善が図られるバイポーラトランジスタを備えた半導体装置と、その半導体装置を適用した電力増幅器を提供する。
【解決手段】バイポーラトランジスタBTを備えた半導体装置では、p型ベース層4は、p型GaAsSbベース層4aとp型GaAsベース層4bとから形成されている。そのp型GaAsベース層4bに接するように、n型InGaPエミッタ層5が形成されている。n型InGaPエミッタ層5は、秩序化されているとともに、引張り歪(1.36%)を有している。
【選択図】図2A semiconductor device including a bipolar transistor with improved temperature characteristics and a power amplifier to which the semiconductor device is applied.
In a semiconductor device including a bipolar transistor BT, a p-type base layer 4 is formed of a p-type GaAsSb base layer 4a and a p-type GaAs base layer 4b. An n-type InGaP emitter layer 5 is formed in contact with the p-type GaAs base layer 4b. The n-type InGaP emitter layer 5 is ordered and has a tensile strain (1.36%).
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、半導体装置および電力増幅器に関し、特に、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置と、そのような半導体装置を適用した電力増幅器とに関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device and a power amplifier, and particularly to a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor and a power amplifier to which such a semiconductor device is applied.
近年、携帯端末機等のパワーアンプモジュールを構成するトランジスタとして、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタが適用されている。この種のバイポーラトランジスタは、HBT(Hetero junction Bipolar Transistor)と称されている。 In recent years, heterojunction bipolar transistors have been applied as transistors constituting power amplifier modules such as portable terminals. This type of bipolar transistor is called HBT (Hetero junction Bipolar Transistor).
ここで、そのようなバイポーラトランジスタを備えた半導体装置の一例として、特許文献1に挙げられている半導体装置について説明する。図32に示すように、バイポーラトランジスタでは、半絶縁性GaAs基板101に接するようにn型GaAsサブコレクタ層102が形成され、そのn型GaAsサブコレクタ層102に接するように、n型GaAsコレクタ層103が形成されている。n型GaAsコレクタ層103に接するように、p型GaAsベース層104が形成され、そのp型GaAsベース層104に接するように、n型InGaPエミッタ層105が形成されている。
Here, as an example of a semiconductor device including such a bipolar transistor, a semiconductor device described in
n型InGaPエミッタ層105に接するようにn型GaAs層106が形成され、そのn型GaAs層106に接するように、n型AlGaAsバラスト抵抗層107が形成されている。n型AlGaAsバラスト抵抗層107に接するようにn型GaAsコンタクト層108が形成され、そのn型GaAsコンタクト層108に接するようにn型InGaAsコンタクト層109が形成されている。n型InGaAsコンタクト層109に接するように、エミッタ電極113が形成されている。
An n-
エミッタ電極113にはエミッタ配線116の一端が電気的に接続され、そのエミッタ配線116の他端は、金属パッド117に電気的に接続されている。金属パッド117は、半絶縁性GaAs基板101の表面に形成されている。p型ベース層104に接するようにベース電極112が形成され、n型GaAsサブコレクタ層102に接するようにコレクタ電極111が形成されている。コレクタ電極111には、コレクタ配線114が電気的に接続されている。背景技術の一例に係る半導体装置は、上記のように構成される。
One end of an
ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタにおいては、エミッタ層からベース層への電子注入に対するエネルギー障壁を小さくして動作電圧を低くするために、n型InGaPエミッタ層105では、In−PとGa−Pとが交互に隣接して配列された秩序化(Ordered)された層であることが求められる。
In a heterojunction bipolar transistor, an n-type
また、バイポーラトランジスタの動作電圧を下げるための手法として、ベース層にアンチモン(Sb)を添加する手法がある。特許文献2には、アンチモン(Sb)を添加したベース層を有するバイポーラトランジスタが提案されている。
As a technique for reducing the operating voltage of the bipolar transistor, there is a technique of adding antimony (Sb) to the base layer.
ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタが適用される、携帯端末機等の電子機器においては小型化が進められており、この要求に対応するため、バイポーラトランジスタを含むチップサイズの縮小化が強く求められている。チップサイズの縮小化に伴って、バイポーラトランジスにおいて発生する熱の密度(発熱密度)は高くなり、バイポーラトランジスタの温度が上昇することになる。このため、バイポーラトランジスタには、温度が上昇した場合においても、所望の動作をすることが求められる。すなわち、バイポーラトランジスタの温度特性を改善することが求められている。 Electronic devices such as portable terminals, to which heterojunction bipolar transistors are applied, are being reduced in size, and in order to meet this demand, there is a strong demand for reduction in chip size including bipolar transistors. . As the chip size is reduced, the density of heat generated in the bipolar transistor (heat generation density) increases and the temperature of the bipolar transistor rises. For this reason, the bipolar transistor is required to perform a desired operation even when the temperature rises. That is, it is required to improve the temperature characteristics of the bipolar transistor.
本発明は、そのような開発の一環でなされたものであり、一つの目的は、温度特性の改善が図られるバイポーラトランジスタを備えた半導体装置を提供することであり、他の目的は、そのような半導体装置を適用した電力増幅器を提供することである。 The present invention has been made as part of such development, and one object is to provide a semiconductor device including a bipolar transistor that can improve temperature characteristics, and another object is to provide such a device. A power amplifier to which a simple semiconductor device is applied is provided.
本発明に係る半導体装置は、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置であって、バイポーラトランジスタは、コレクタ層とベース層とエミッタ層とを有している。ベース層は、コレクタ層上に形成されている。エミッタ層は、ベース層上に形成されている。ベース層は、構成元素としてアンチモン(Sb)を含有する第1ベース層を含んでいる。エミッタ層は、構成元素としてインジウム(In)、ガリウム(Ga)およびリン(P)を少なくとも含有し、引張り歪を有する。 A semiconductor device according to the present invention is a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor, and the bipolar transistor has a collector layer, a base layer, and an emitter layer. The base layer is formed on the collector layer. The emitter layer is formed on the base layer. The base layer includes a first base layer containing antimony (Sb) as a constituent element. The emitter layer contains at least indium (In), gallium (Ga) and phosphorus (P) as constituent elements and has tensile strain.
本発明に係る半導体装置によれば、エミッタ層が引張り歪を有していることで、温度特性の改善を図ることができる。 According to the semiconductor device of the present invention, the temperature characteristics can be improved because the emitter layer has tensile strain.
ベース層は、第1ベース層上に形成された、構成元素としてガリウム(Ga)およびヒ素(As)を含有し、アンチモン(Sb)を含有しない第2ベース層を含み、エミッタ層は、第2ベース層上に形成されていることが好ましい。 The base layer includes a second base layer that is formed on the first base layer and contains gallium (Ga) and arsenic (As) as constituent elements and does not contain antimony (Sb). It is preferably formed on the base layer.
これにより、エミッタ層が秩序化されて、動作電圧が高くなるのを防止することができる。 Thereby, it is possible to prevent the emitter layer from being ordered and the operating voltage from being increased.
エミッタ層は、具体的には、インジウム・ガリウム・リン(InGaP)層から形成されていることが好ましい。 Specifically, the emitter layer is preferably formed of an indium gallium phosphorus (InGaP) layer.
インジウム・ガリウム・リン(InGaP)層におけるインジウム・リン(InP)のモル比は0.48よりも小さく設定されていることが好ましい。 The molar ratio of indium phosphide (InP) in the indium gallium phosphide (InGaP) layer is preferably set to be smaller than 0.48.
これにより、エミッタ層は引張り歪を有することができる。
モル比は0.46以下であることがより好ましい。
Thereby, the emitter layer can have a tensile strain.
The molar ratio is more preferably 0.46 or less.
これにより、エミッタ層は引張り歪を確実に有することができる。
エミッタ層に接するようにエミッタ層上に形成され、エミッタ層の導電型を規定する不純物の不純物濃度よりも高い不純物濃度を有する電荷補償層を備えていることが好ましい。
Thereby, the emitter layer can surely have tensile strain.
It is preferable to include a charge compensation layer formed on the emitter layer so as to be in contact with the emitter layer and having an impurity concentration higher than the impurity concentration of the impurity defining the conductivity type of the emitter layer.
これにより、エミッタ層の引張り歪に伴う分極を緩和させて、エミッタ抵抗が高くなるのを抑制することができる。 Thereby, the polarization accompanying the tensile strain of the emitter layer can be relaxed and the emitter resistance can be prevented from increasing.
電荷補償層は、具体的には、ガリウム・ヒ素(GaAs)層から形成されていることが好ましい。 Specifically, the charge compensation layer is preferably formed of a gallium arsenide (GaAs) layer.
他の不純物の前記不純物濃度は、1×1018/cm-3以上であることが好ましい。
これにより、引張り歪に伴うエミッタ層の分極を確実に緩和させることができる。
The impurity concentration of other impurities is preferably 1 × 10 18 / cm −3 or more.
Thereby, the polarization of the emitter layer accompanying the tensile strain can be surely relaxed.
バイポーラトランジスタを複数備え、その複数のバイポーラトランジスタは電気的に並列に接続されていることが好ましい。 Preferably, a plurality of bipolar transistors are provided, and the plurality of bipolar transistors are electrically connected in parallel.
これにより、半導体装置として大電力を扱うことができる。
本発明に係る電力増幅器は、上述した半導体装置を実装した電力増幅器である。
Thereby, large power can be handled as a semiconductor device.
The power amplifier according to the present invention is a power amplifier in which the above-described semiconductor device is mounted.
本発明に係る電力増幅器によれば、大電力に対応することができる。 According to the power amplifier of the present invention, it is possible to cope with a large power.
実施の形態1
ここでは、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置の第1例について説明する。
Here, a first example of a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor will be described.
図1および図2に示すように、バイポーラトランジスタBTを備えた半導体装置では、半絶縁性GaAs基板1の表面に接するようにn型GaAsサブコレクタ層2(Si濃度:5×1018cm-3、膜厚:0.6μm)が形成されている。n型GaAsサブコレクタ層2に接するように、n型GaAsコレクタ層3(Si濃度:1×1016cm-3、膜厚:1.0μm)が形成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the semiconductor device including the bipolar transistor BT, the n-type GaAs subcollector layer 2 (Si concentration: 5 × 10 18 cm −3) is in contact with the surface of the
n型GaAsコレクタ層3に接するように、p型ベース層4が形成されている。p型ベース層4は、第1ベース層としてのp型GaAsSbベース層4a(GaSbモル比:0.1、C濃度:4×1019cm-3、膜厚:50nm)と、第2ベース層としてのp型GaAsベース層4b(C濃度:4×1019cm-3、膜厚:50nm)とからなる。p型GaAsSbベース層4aがn型GaAsコレクタ層3に接する。
A p-
p型ベース層4(p型GaAsベース層4b)に接するように、n型InGaPエミッタ層5(InPモル比:0.30、Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:15nm)が形成されている。n型InGaPエミッタ層5は、秩序化されているとともに、引張り歪(1.36%)を有している。秩序化と引張り歪については後述する。
An n-type InGaP emitter layer 5 (InP molar ratio: 0.30, Si concentration: 3 × 10 17 cm −3 , film thickness: 15 nm) is in contact with the p-type base layer 4 (p-type
そのn型InGaPエミッタ層5に接するように、n型GaAs層6(Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:90nm)が形成されている。n型GaAs層6に接するように、n型AlGaAsバラスト抵抗層7(AlAsモル比:0.33、Si濃度:1×1017cm-3、膜厚:120nm)が形成されている。n型AlGaAsバラスト抵抗層7により、バイポーラトランジスタBTの熱暴走による破壊が抑制される。
An n-type GaAs layer 6 (Si concentration: 3 × 10 17 cm −3 , film thickness: 90 nm) is formed so as to be in contact with the n-type
そのn型AlGaAsバラスト抵抗層7に接するように、n型GaAsコンタクト層8(Si濃度:1×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成されている。n型GaAsコンタクト層8に接するように、n型InGaAsコンタクト層9(InAsモル比:0.5、Si濃度:1×1016cm-3、膜厚:50nm)が形成されている。エミッタサイズは、3μm×20μmであり、矩形のエミッタとされる。
An n-type GaAs contact layer 8 (Si concentration: 1 × 10 19 cm −3 , film thickness: 50 nm) is formed so as to be in contact with the n-type AlGaAs
n型InGaAsコンタクト層9に接するように、エミッタ電極13が形成されている。n型GaAsサブコレクタ層2に接するように、コレクタ電極11が形成されている。p型ベース層4に接するようにベース電極12が形成されている。コレクタ電極11は、AuGe膜(膜厚:60nm)/Ni膜(膜厚:10nm)/Au膜(膜厚:200nm)を積層することによって形成されている。ベース電極12は、Ti膜(膜厚:50nm)/Pt膜(膜厚:50nm)/Au膜(膜厚:200nm)を積層することによって形成されている。エミッタ電極13は、WSi膜(Siモル比:0.3、膜厚:0.3μm)によって形成されている。
An
半絶縁性GaAs基板1の周辺部には、バイポーラトランジスタBTの外部との電気的な接続を行うための金属パッド17、18、19が形成されている。コレクタ電極11と金属パッド19とが、コレクタ配線14によって電気的に接続されている。ベース電極12と金属パッド18とが、ベース配線15によって電気的に接続されている。エミッタ電極13と金属パッド17とが、エミッタ配線16によって電気的に接続されている。
上述したバイポーラトランジスタBTを備えた半導体装置では、秩序化されたn型InGaPエミッタ層5が引張り歪を有していることで、p型ベース層4とn型InGaPエミッタ層5との界面における、価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEvを増大させることができ、これにより、バイポーラトランジスタBTの温度特性を向上させることができる。このことについて、詳しく説明する。
In the semiconductor device including the bipolar transistor BT described above, the ordered n-type
まず、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタにおいて、直流電流増幅率(hfe)の温度依存性を決定する大きな要素(パラメータ)は、n型エミッタ層とp型ベース層との界面に形成される価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEvである。このバンドオフセット量ΔEvが小さい場合には、バイポーラトランジスタの温度が上昇して高温になった際に、正孔がp型ベース層からn型エミッタ層へ逆注入しやすくなるため、直流電流増幅率(hfe)の温度依存性は大きくなる。 First, in the heterojunction bipolar transistor, a large factor (parameter) that determines the temperature dependence of the direct current amplification factor (hfe) is a valence band formed at the interface between the n-type emitter layer and the p-type base layer. This is the band offset amount ΔEv at the end (upper end). When this band offset amount ΔEv is small, when the temperature of the bipolar transistor rises and becomes high, holes are easily injected back from the p-type base layer to the n-type emitter layer. The temperature dependency of (hfe) increases.
一方、バンドオフセット量ΔEvが大きい場合には、p型ベース層からn型エミッタ層への正孔の逆注入は、高温になった際においても抑制されるため、直流電流増幅率(hfe)の温度依存性は小さくなり、温度が上昇しても直流電流増幅率(hfe)の変動が抑えられる。その結果、バイポーラトランジスタの温度特性を改善することができる。このように、温度特性に優れたヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを得るには、価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEvを増大させることが必要とされる。 On the other hand, when the band offset amount ΔEv is large, the reverse injection of holes from the p-type base layer to the n-type emitter layer is suppressed even at a high temperature, so that the direct current amplification factor (hfe) The temperature dependency is reduced, and fluctuations in the DC current gain (hfe) can be suppressed even when the temperature rises. As a result, the temperature characteristics of the bipolar transistor can be improved. Thus, in order to obtain a heterojunction bipolar transistor having excellent temperature characteristics, it is necessary to increase the band offset amount ΔEv at the valence band edge (upper end).
上述した半導体装置のバイポーラトランジスタBTでは、秩序化されたInGaPエミッタ層5が引張り歪を有していることで、価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEvを増大させることができる。
In the bipolar transistor BT of the semiconductor device described above, since the ordered
ここで、InGaPエミッタ層5の引張り歪(%)と、価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEv(eV)との具体的な関係(グラフ)を図4に示す。図4では、有効質量の重い正孔の場合がグラフAに示され、有効質量が軽い正孔の場合がグラフBに示されている。グラフAおよびグラフBに示されるように、引張り歪が高くなるにしたがい、価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEvが増大することがわかる。
Here, FIG. 4 shows a specific relationship (graph) between the tensile strain (%) of the
次に、バンドオフセット量ΔEvを増大させる引張り歪について説明する。引張り歪を有するn型InGaPエミッタ層5は、n型InGaPエミッタ層5におけるインジウム(In)とガリウム(Ga)の組成を変えることによって形成される。すなわち、InPのモル比とGaPのモル比を変えることによって、n型InGaPエミッタ層5に引張り歪を与えることができる。
Next, the tensile strain that increases the band offset amount ΔEv will be described. The n-type
ここで、n型InGaPエミッタ層5におけるInPのモル比をxとし、GaPのモル比を1−xとする。上述したバイポーラトランジスタBTのn型InGaPエミッタ層5では、モル比xが0.3になるように形成されている。モル比xが0.48よりも小さい値になるように形成することで、n型InGaPエミッタ層5の格子定数は、下地のp型GaAsベース層4bの格子定数よりも小さくなって、n型InGaPエミッタ層5は引張り歪を有することになる。
Here, the molar ratio of InP in the n-type
こうして、上述した半導体装置では、n型InGaPエミッタ層5が引張り歪を有することで、価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEvを増大させることができ、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタBTの温度特性を改善することができる。
Thus, in the semiconductor device described above, since the n-type
また、引張り歪を有するn型InGaPエミッタ層5は秩序化されている。次に、その秩序化について説明する。一般に、バイポーラトランジスタを備えた半導体装置では、エミッタからベースへの電子の注入に対するエネルギー障壁を小さくするために、エミッタ層は秩序化された層であることが求められる。エミッタ層が、III−V族混晶半導体としてn型InGaP層から形成されている場合において、その単位結晶格子の模式図を図5(A)に示す。単位結晶格子では、通常、III族元素のガリウム(Ga)とインジウム(In)が、同族元素のみからなる結晶格子に無秩序で配置されている。
Further, the n-type
ところが、成長条件により、その結晶格子において、ガリウム(Ga)とインジウム(In)が、秩序配列(秩序化)されることが知られている。秩序化された単位結晶格子において、点線枠を含む平面の法線方向(成長方向に直交する方向)から見た結晶構造の模式図を図5(B)に示す。図5(B)に示すように、秩序化されたInGaPの結晶構造では、インジウム(In)とリン(P)の結合(配列)と、ガリウム(Ga)とリン(P)の結合(配列)とが、隣接して存在することになる。上述したバイポーラトランジスタBTでは、n型InGaPエミッタ層5が秩序化されていることで、エミッタからベースへの電子の注入に対するエネルギー障壁を小さくすることができ、動作電圧を下げることができる。
However, it is known that gallium (Ga) and indium (In) are ordered (ordered) in the crystal lattice depending on the growth conditions. FIG. 5B shows a schematic diagram of the crystal structure of the ordered unit crystal lattice as viewed from the normal direction of the plane including the dotted frame (direction orthogonal to the growth direction). As shown in FIG. 5B, in the ordered crystal structure of InGaP, the bond (arrangement) of indium (In) and phosphorus (P), and the bond (arrangement) of gallium (Ga) and phosphorus (P). Are adjacent to each other. In the bipolar transistor BT described above, since the n-type
そのn型InGapエミッタ層5となるn型InGaP層は、後述するように、p型GaAsベース層4bとなるp型GaAs層の表面に形成されることになる。これにより、n型InGaP層を形成する際に、p型GaAsSb層4aとなるp型GaAsSb層のアンチモン(Sb)と接触することはなく、n型InGaP層が無秩序化するのを抑制して秩序化することができ、動作電圧を下げるのに寄与することができる。
As will be described later, the n-type InGaP layer serving as the n-type
なお、秩序化されたn型InGaPエミッタ層5は、必ずしも必須ではなく、n型InGaPエミッタ層5が秩序化されていなくても、引張り歪を有していれば、バイポーラトランジスタBTの温度特性を改善することが可能である。
Note that the ordered n-type
また、p型ベース層4bも、必ずしも必須ではなく、p型GaAsSbベース層4a上に引張り歪を有するn型InGaPエミッタ層5を形成した構成においても、バイポーラトランジスタBTの温度特性を改善することが可能である。
Further, the p-
ただし、バイポーラトランジスタBTとして、秩序化されたn型InGaPエミッタ層5とp型ベース層4bを備えていることがより好ましいことは、言うまでもない。
However, it is needless to say that the bipolar transistor BT preferably includes an ordered n-type
なお、引張り歪を有するn型InGaPエミッタ層5では、膜厚が厚くなると、ミスフィット転位が発生してしまうことがある。このため、臨界膜厚よりも薄くなるように、n型InGaPエミッタ層5を形成する必要がある。臨界膜厚dは、引張り歪をε(%)とすると、d=49.9ε-1.18を満たす膜厚であることが、発明者らの評価によって求められている。その臨界膜厚d(nm)と引張り歪との関係(グラフ)を図6に示す。n型InGaPエミッタ層5にミスフィット転位を発生させないようにするには、n型InGaPエミッタ層5の膜厚として、引張り歪(%)に対してグラフよりも下方の領域の膜厚に設定する必要がある。
In the n-type
実施の形態2
ここでは、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置の第2例として、第1例に係る半導体装置におけるn型GaAs層6を省いた構造の半導体装置について説明する。
Here, as a second example of a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor, a semiconductor device having a structure in which the n-
図7および図8に示すように、バイポーラトランジスタBTを備えた半導体装置では、p型ベース層4に接するように、n型InGaPエミッタ層5(InPモル比:0.3、Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:15nm)が形成されている。そのn型InGaPエミッタ層5に接するように、n型AlGaAsバラスト抵抗層7(AlAsモル比:0.33、Si濃度:1×1017cm-3、膜厚:120nm)が形成されている。
As shown in FIGS. 7 and 8, in the semiconductor device including the bipolar transistor BT, the n-type InGaP emitter layer 5 (InP molar ratio: 0.3, Si concentration: 3 ×) is in contact with the p-
n型AlGaAsバラスト抵抗層7に接するように、n型GaAsコンタクト層8(Si濃度:1×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成されている。なお、これ以外の構成については、図1および図2に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。
An n-type GaAs contact layer 8 (Si concentration: 1 × 10 19 cm −3 , film thickness: 50 nm) is formed in contact with the n-type AlGaAs
上述した半導体装置では、n型InGaPエミッタ層5が引張り歪(約1.36%)を有している。これにより、実施の形態1において説明したように、価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEvを増大させることができる。その結果、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタBTの温度が上昇しても、直流電流増幅率の変動が抑えられて、バイポーラトランジスタBTの温度特性を改善することができる。
In the semiconductor device described above, the n-type
また、その引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5となるn型InGaP層は、p型GaAsベース層4bとなるp型GaAs層の表面に形成されることになる。これにより、p型GaAsSb層4aとなるp型GaAsSb層のアンチモン(Sb)と接触することはなく、n型InGaP層が無秩序化するのを抑制することができる。その結果、n型InGaPエミッタ層5が秩序化されて、バイポーラトランジスタBTの動作電圧を下げることができる。
Further, the n-type InGaP layer that becomes the n-type
また、すでに説明したように、引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5にミスフィット転位を発生させないようにするには、n型InGaPエミッタ層5は、臨界膜厚d(図6参照)を超えないように形成する必要がある。
Further, as described above, in order to prevent misfit dislocations from occurring in the n-type
実施の形態3
ここでは、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置の第3例として、第1例に係る半導体装置におけるn型AlGaAsバラスト抵抗層7を省いた構造の半導体装置について説明する。
Here, a semiconductor device having a structure in which the n-type AlGaAs
図9および図10に示すように、バイポーラトランジスタBTを備えた半導体装置では、p型ベース層4に接するように、n型InGaPエミッタ層5(InPモル比:0.3、Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:15nm)が形成されている。そのn型InGaPエミッタ層5に接するように、n型GaAs層6(Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:90nm)が形成されている。
As shown in FIGS. 9 and 10, in the semiconductor device including the bipolar transistor BT, the n-type InGaP emitter layer 5 (InP molar ratio: 0.3, Si concentration: 3 ×) is in contact with the p-
n型GaAs層6に接するように、n型GaAsコンタクト層8(Si濃度:1×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成されている。なお、これ以外の構成については、図1および図2に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。
An n-type GaAs contact layer 8 (Si concentration: 1 × 10 19 cm −3 , film thickness: 50 nm) is formed in contact with the n-
上述した半導体装置では、n型InGaPエミッタ層5が引張り歪を有している。これにより、実施の形態1において説明したように、価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEvを増大させることができる。その結果、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタBTの温度が上昇しても、直流電流増幅率の変動が抑えられて、バイポーラトランジスタBTの温度特性を改善することができる。
In the semiconductor device described above, the n-type
また、その引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5となるn型InGaP層は、p型GaAsベース層4bとなるp型GaAs層の表面に形成されることになる。これにより、p型GaAsSb層4aとなるp型GaAsSb層のアンチモン(Sb)と接触することはなく、n型InGaP層が無秩序化するのを抑制することができる。その結果、n型InGaPエミッタ層5が秩序化されて、バイポーラトランジスタBTの動作電圧を下げることができる。
Further, the n-type InGaP layer that becomes the n-type
また、すでに説明したように、引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5にミスフィット転位を発生させないようにするには、n型InGaPエミッタ層5は、臨界膜厚d(図6参照)を超えないように形成する必要がある。
Further, as described above, in order to prevent misfit dislocations from occurring in the n-type
また、この第3例に係る、n型AlGaAsバラスト抵抗層を省いた半導体装置は、より高度な情報通信を行うことが求められている携帯端末機に搭載されることが予定されている。 The semiconductor device according to the third example, which omits the n-type AlGaAs ballast resistor layer, is scheduled to be mounted on a portable terminal that is required to perform more advanced information communication.
実施の形態4
ここでは、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置の第4例として、電荷補償層を備えた半導体装置について説明する。
Here, a semiconductor device including a charge compensation layer will be described as a fourth example of a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor.
図11および図12に示すように、バイポーラトランジスタBTを備えた半導体装置では、p型ベース層4に接するように、n型InGaPエミッタ層5(InPモル比:0.3、Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:15nm)が形成されている。そのn型InGaPエミッタ層5に接するように、n型GaAs電荷補償層20(Si濃度:3×1018cm-3、膜厚:5nm)が形成されている。n型GaAs電荷補償層20に接するように、n型GaAs層6(Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:90nm)が形成されている。
As shown in FIGS. 11 and 12, in the semiconductor device including the bipolar transistor BT, the n-type InGaP emitter layer 5 (InP molar ratio: 0.3, Si concentration: 3 ×) is in contact with the p-
n型GaAs層6に接するように、n型AlGaAsバラスト抵抗層7(AlAsモル比:0.33、Si濃度:1×1017cm-3、膜厚:120nm)が形成されている。n型AlGaAsバラスト抵抗層7に接するように、n型GaAsコンタクト層8(Si濃度:1×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成されている。なお、これ以外の構成については、図1および図2に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。
An n-type AlGaAs ballast resistor layer 7 (AlAs molar ratio: 0.33, Si concentration: 1 × 10 17 cm −3 , film thickness: 120 nm) is formed so as to be in contact with the n-
上述した半導体装置では、n型InGaPエミッタ層5とn型GaAs層6との間に、n型GaAs電荷補償層20が形成されていることで、エミッタ抵抗の増大を伴うことなく、温度特性を改善することができる。このことについて説明する。
In the semiconductor device described above, since the n-type GaAs
すでに説明したように、価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEvを増大させるために、n型InGaPエミッタ層5は引張り歪を有している。そうすると、n型InGaPエミッタ層5には、引張り歪に伴う圧電効果(ピエゾ効果)によって、分極が生じることが想定される。この場合、図13に示すように、n型InGaPエミッタ層5におけるp型ベース層4(p型GaAs層4b)との界面付近ではプラス電荷が生じ、n型GaAs層6との界面付近ではマイナス電荷が生じることが想定される。
As described above, the n-type
n型InGaPエミッタ層5に分極が生じると、n型InGaPエミッタ層5の上に形成されたn型GaAs層6におけるキャリアの減少や空乏化を招き、エミッタ抵抗の増大につながることになる。
When polarization occurs in the n-type
上述した半導体装置では、n型InGaPエミッタ層5とn型GaAs層6との間に、比較的高い濃度(3×1018cm-3)のシリコン(Si)を不純物として含有するn型GaAs電荷補償層20が形成されている。これにより、仮に、n型InGaPエミッタ層5に分極が生じるようなことがあったとしても、n型InGaPエミッタ層5上のn型GaAs層6におけるキャリアの減少や空乏化が補償されて、エミッタ抵抗が増大するのを抑制できることになる。
In the semiconductor device described above, an n-type GaAs charge containing a relatively high concentration (3 × 10 18 cm −3 ) of silicon (Si) as an impurity between the n-type
このことに加え、上述した半導体装置では、n型InGaPエミッタ層5が引張り歪を有していることで、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタBTの温度上昇に対しても、直流電流増幅率の変動が抑えられて、バイポーラトランジスタBTの温度特性を改善することができる。こうして、上述した半導体装置では、エミッタ抵抗の増大を伴うことなく、温度特性を改善することができる。
In addition to this, in the semiconductor device described above, since the n-type
また、すでに説明したように、その引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5となるn型InGaP層は、p型GaAsベース層4bとなるp型GaAs層の表面に形成されることで、n型InGaP層が無秩序化するのを抑制して、n型InGaPエミッタ層5を秩序化することができ、バイポーラトランジスタBTの動作電圧を下げることができる。
Further, as already described, the n-type InGaP layer that becomes the n-type
なお、上述したn型GaAs電荷補償層20の導電型を規定する不純物として含有するシリコン(Si)の濃度(3×1018cm-3)は一例であって、これに限られるものではなく、発明者らの評価によれば、約1×1018cm-3以上の濃度であれば、電荷補償層としての機能を発揮させることができることが判明した。
The concentration (3 × 10 18 cm −3 ) of silicon (Si) contained as an impurity that defines the conductivity type of the n-type GaAs
また、すでに説明したように、引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5にミスフィット転位を発生させないようにするには、n型InGaPエミッタ層5は、臨界膜厚d(図6参照)を超えないように形成する必要がある。
Further, as described above, in order to prevent misfit dislocations from occurring in the n-type
実施の形態5
ここでは、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置の第5例として、第4例に係る半導体装置におけるn型GaAs層6(図12参照)を省いた構造の半導体装置について説明する。
Here, a semiconductor device having a structure in which the n-type GaAs layer 6 (see FIG. 12) in the semiconductor device according to the fourth example is omitted will be described as a fifth example of the semiconductor device including the heterojunction bipolar transistor.
図14および図15に示すように、バイポーラトランジスタBTを備えた半導体装置では、p型ベース層4に接するように、n型InGaPエミッタ層5(InPモル比:0.3、Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:15nm)が形成されている。そのn型InGaPエミッタ層5に接するように、n型GaAs電荷補償層20(Si濃度:3×1018cm-3、膜厚:5nm)が形成されている。n型GaAs電荷補償層20に接するように、n型AlGaAsバラスト抵抗層7(AlAsモル比:0.33、Si濃度:1×1017cm-3、膜厚:120nm)が形成されている。
As shown in FIGS. 14 and 15, in the semiconductor device including the bipolar transistor BT, the n-type InGaP emitter layer 5 (InP molar ratio: 0.3, Si concentration: 3 ×) is in contact with the p-
n型AlGaAsバラスト抵抗層7に接するように、n型GaAsコンタクト層8(Si濃度:1×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成されている。なお、これ以外の構成については、図11および図12に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。
An n-type GaAs contact layer 8 (Si concentration: 1 × 10 19 cm −3 , film thickness: 50 nm) is formed in contact with the n-type AlGaAs
上述した半導体装置では、n型InGaPエミッタ層5とn型GaAs層6との間に、n型GaAs電荷補償層20が形成されている。これにより、実施の形態4において説明したように、n型InGaPエミッタ層5に分極が生じるようなことがあったとしても、n型InGaPエミッタ層5上のn型GaAs層6におけるキャリアの減少や空乏化が補償されて、エミッタ抵抗が増大するのを抑制できることになる。
In the semiconductor device described above, the n-type GaAs
このことに加えて、n型InGaPエミッタ層5が引張り歪(約1.36%)を有していることで、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタBTの温度上昇に対しても、直流電流増幅率の変動を抑えることができ、バイポーラトランジスタBTの温度特性を改善することができる。これらの結果、バイポーラトランジスタBTでは、エミッタ抵抗の増大を伴うことなく、温度特性を改善することができる。
In addition to this, since the n-type
また、すでに説明したように、その引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5となるn型InGaP層は、p型GaAsベース層4bとなるp型GaAs層の表面に形成されることで、n型InGaP層が無秩序化するのを抑制して、n型InGaPエミッタ層5を秩序化することができ、バイポーラトランジスタBTの動作電圧を下げることができる。
Further, as already described, the n-type InGaP layer that becomes the n-type
なお、引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5にミスフィット転位を発生させないようにするには、n型InGaPエミッタ層5は、臨界膜厚d(図6参照)を超えないように形成する必要がある。
In order to prevent misfit dislocations from occurring in the n-type
実施の形態6
ここでは、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置の第6例として、第4例に係る半導体装置におけるn型AlGaAsバラスト抵抗層7(図12参照)を省いた構造の半導体装置について説明する。
Here, as a sixth example of a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor, a semiconductor device having a structure in which the n-type AlGaAs ballast resistor layer 7 (see FIG. 12) in the semiconductor device according to the fourth example is omitted will be described. .
図16および図17に示すように、バイポーラトランジスタBTを備えた半導体装置では、p型ベース層4に接するように、n型InGaPエミッタ層5(InPモル比:0.3、Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:15nm)が形成されている。そのn型InGaPエミッタ層5に接するように、n型GaAs電荷補償層20(Si濃度:3×1018cm-3、膜厚:5nm)が形成されている。
As shown in FIGS. 16 and 17, in the semiconductor device including the bipolar transistor BT, the n-type InGaP emitter layer 5 (InP molar ratio: 0.3, Si concentration: 3 ×) is in contact with the p-
n型GaAs電荷補償層20に接するように、n型GaAs層6(Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:90nm)が形成されている。n型GaAs層6に接するように、n型GaAsコンタクト層8(Si濃度:1×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成されている。なお、これ以外の構成については、図11および図12に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除き、その説明を繰り返さないこととする。
An n-type GaAs layer 6 (Si concentration: 3 × 10 17 cm −3 , film thickness: 90 nm) is formed so as to be in contact with the n-type GaAs
上述した半導体装置では、n型InGaPエミッタ層5とn型GaAs層6との間に、n型GaAs電荷補償層20が形成されている。これにより、実施の形態4において説明したように、n型InGaPエミッタ層5に分極が生じるようなことがあったとしても、n型InGaPエミッタ層5上のn型GaAs層6におけるキャリアの減少や空乏化が補償されて、エミッタ抵抗が増大するのを抑制できることになる。
In the semiconductor device described above, the n-type GaAs
このことに加えて、n型InGaPエミッタ層5が引張り歪(約1.36%)を有していることで、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタBTの温度上昇に対しても、直流電流増幅率の変動を抑えることができ、バイポーラトランジスタBTの温度特性を改善することができる。これらの結果、バイポーラトランジスタBTでは、エミッタ抵抗の増大を伴うことなく、温度特性を改善することができる。
In addition to this, since the n-type
また、すでに説明したように、その引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5となるn型InGaP層は、p型GaAsベース層4bとなるp型GaAs層の表面に形成されることで、n型InGaP層が無秩序化するのを抑制して、n型InGaPエミッタ層5を秩序化することができ、バイポーラトランジスタBTの動作電圧を下げることができる。
Further, as already described, the n-type InGaP layer that becomes the n-type
また、引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5にミスフィット転位を発生させないようにするには、n型InGaPエミッタ層5は、臨界膜厚d(図6参照)を超えないように形成する必要がある。
In order to prevent misfit dislocations from occurring in the n-type
実施の形態7
ここでは、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置の第7例として、第1例に係る半導体装置を複数備えた半導体装置について説明する。
Here, as a seventh example of a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor, a semiconductor device including a plurality of semiconductor devices according to the first example will be described.
比較的大きな電力が扱われる、携帯端末機のパワーアンプでは、並列接続された複数のバイポーラトランジスタによってパワーアンプが構成される。この場合、図18に示すように、複数のバイポーラトランジスタBTでは、それぞれのベース、エミッタおよびコレクタが互いに電気的に接続される態様で並列接続される。 In a power amplifier of a portable terminal that handles relatively large power, the power amplifier is composed of a plurality of bipolar transistors connected in parallel. In this case, as shown in FIG. 18, in the plurality of bipolar transistors BT, their bases, emitters and collectors are connected in parallel in such a manner that they are electrically connected to each other.
次に、第1例に係る半導体装置のバイポーラトランジスタBTを単位バイポーラトランジスタとして、このバイポーラトランジスタBTを複数備えた半導体装置について具体的に説明する。 Next, the bipolar transistor BT of the semiconductor device according to the first example is used as a unit bipolar transistor, and a semiconductor device including a plurality of bipolar transistors BT will be specifically described.
図19および図20に示すように、複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれでは、pベース層4に接するように、秩序化され引張り歪を有するn型InGaPエミッタ層5(InPモル比:0.3、Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:15nm)が形成されている。そのn型InGaP層5に接するように、n型GaAs層6(Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:90nm)が形成されている。
As shown in FIGS. 19 and 20, in each of the plurality of bipolar transistors BT, an n-type InGaP emitter layer 5 (InP molar ratio: 0.3; Si concentration: 3 × 10 17 cm −3 , film thickness: 15 nm). An n-type GaAs layer 6 (Si concentration: 3 × 10 17 cm −3 , film thickness: 90 nm) is formed in contact with the n-
n型GaAs層6に接するように、n型AlGaAsバラスト抵抗層7(AlAsモル比:0.33、Si濃度:1×1017cm-3、膜厚:120nm)が形成されている。n型AlGaAsバラスト抵抗層7に接するように、n型GaAsコンタクト層8(Si濃度:1×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成されている。半絶縁性GaAs基板1の周辺部には、金属パッド17、18、19が形成されている。
An n-type AlGaAs ballast resistor layer 7 (AlAs molar ratio: 0.33, Si concentration: 1 × 10 17 cm −3 , film thickness: 120 nm) is formed so as to be in contact with the n-
複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれのコレクタ電極11が、コレクタ配線14によって金属パッド19に電気的に接続されている。複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれのベース電極12が、ベース配線15によって金属パッド18に電気的に接続されている。複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれのエミッタ電極13が、エミッタ配線16によって金属パッド17に電気的に接続されている。なお、これ以外の構成については、図1および図2に示す半導体装置と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
Each
上述した、複数のバイポーラトランジスタBTを備えた半導体装置では、複数のバイポーラトランジスタBTが並列に接続されていることで、半導体装置として大電力を扱うことができる。 In the semiconductor device including the plurality of bipolar transistors BT described above, a large amount of power can be handled as a semiconductor device because the plurality of bipolar transistors BT are connected in parallel.
そのバイポーラトランジスタBTのそれぞれでは、n型InGaPエミッタ層5が引張り歪(約1.36%)を有している。これにより、実施の形態1において説明したように、価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEvを増大させることができる。その結果、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタBTの温度が上昇しても、直流電流増幅率の変動が抑えられて、バイポーラトランジスタBTの温度特性を改善することができる。
In each of the bipolar transistors BT, the n-type
また、その引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5となるn型InGaP層は、p型GaAsベース層4bとなるp型GaAs層の表面に形成されることになる。これにより、p型GaAsSb層4aとなるp型GaAsSb層のアンチモン(Sb)と接触することはなく、n型InGaP層が無秩序化するのを抑制することができる。その結果、n型InGaPエミッタ層5が秩序化されて、バイポーラトランジスタBTの動作電圧を下げることができる。
Further, the n-type InGaP layer that becomes the n-type
また、すでに説明したように、引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5にミスフィット転位を発生させないようにするには、n型InGaPエミッタ層5は、臨界膜厚d(図6参照)を超えないように形成する必要がある。
Further, as described above, in order to prevent misfit dislocations from occurring in the n-type
また、上述した半導体装置における複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれとして、実施の形態1において説明した半導体装置のバイポーラトランジスタBTを例に挙げて説明したが、実施の形態2〜実施の形態6において説明した半導体装置のバイポーラトランジスタBTを適用しても、同様の効果を得ることができる。 Further, as each of the plurality of bipolar transistors BT in the semiconductor device described above, the bipolar transistor BT of the semiconductor device described in the first embodiment has been described as an example, but has been described in the second to sixth embodiments. The same effect can be obtained even when the bipolar transistor BT of the semiconductor device is applied.
実施の形態8
ここでは、実施の形態7において説明した半導体装置の製造方法の一例について説明する。
Here, an example of a method for manufacturing the semiconductor device described in
まず、半絶縁性GaAs基板の表面上に、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層およびコンタクト層等となる所定の層が、それぞれ有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)法等のエピタキシャル成長法によって形成される。 First, predetermined layers to be a subcollector layer, a collector layer, a base layer, an emitter layer, a contact layer, and the like are formed on the surface of a semi-insulating GaAs substrate, respectively, by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). ) Method or the like.
図21に示すように、半絶縁性GaAs基板1の上に、サブコレクタ層となるn型GaAs層2a(Si濃度:5×1018cm-3、膜厚:0.6μm)が形成される。n型GaAs層2aに接するように、コレクタ層となるn型GaAs層3a(Si濃度:1×1016cm-3、膜厚:1.0μm)が形成される。n型GaAs層3aに接するように、ベース層となる、p型GaAsSb層4aa(GaSbモル比:0.1、C濃度:4×1019cm-3、膜厚:50nm)とp型GaAs層4bb(C濃度:4×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成される。
As shown in FIG. 21, an n-
次に、p型GaAs層4bbに接するように、エミッタ層となるn型InGaP層5a(Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:15nm)が形成される。ここで、InPモル比が0.30になるようにn型InGaP層5aを形成することで、n型InGaP層5aは約1.36%の引張り歪を有することになる。また、アンチモン(Sb)を含有しないp型GaAs層4bbの表面にn型InGaP層5aを形成することで、n型InGaP層5aを秩序化することができる。
Next, an n-
そのn型InGaP層5aに接するように、n型GaAs層6a(Si濃度:3×1017cm-3、膜厚:90nm)が形成される。n型GaAs層6aに接するように、バラスト抵抗層となるn型AlGaAs層7a(AlAsモル比:0.33、Si濃度:1×1017cm-3、膜厚:120nm)が形成される。n型AlGaAs層7aに接するように、コンタクト層の一部となるn型GaAs層8a(Si濃度:1×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成される。n型GaAs層8aに接するように、コンタクト層の他の一部となるn型InGaAs層9a(InAsモル比:0.5、Si濃度:1×1019cm-3、膜厚:50nm)が形成される。
An n-type GaAs layer 6a (Si concentration: 3 × 10 17 cm −3 , film thickness: 90 nm) is formed in contact with the n-
次に、図22に示すように、高周波スパッタ法を用いてタングステンシリサイド(WSi)膜(Siモル比:0.3、膜厚:0.3μm)13aが、n型InGaAs層9a上の全面に堆積される。次に、所定のフォトリソグラフィー処理と、CF4を含むガスを用いたドライエッチング処理を施すことにより、図23に示すように、複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれのエミッタ電極13が形成される。
Next, as shown in FIG. 22, a tungsten silicide (WSi) film (Si molar ratio: 0.3, film thickness: 0.3 μm) 13a is formed on the entire surface of the n-
次に、所定のフォトリソグラフィー処理と、ウェットエッチング処理を施すことにより、図24に示すように、エミッタとなる、n型InGaAsコンタクト層9、n型GaAsコンタクト層8、n型AlGaAsバラスト抵抗層7およびn型GaAs層6が所望の形状にパターニングされる。ここで、ウェットエッチング液として、たとえば、リン酸、過酸化水素水および水を混合させた薬液が用いられ、その組成比は、たとえば、リン酸:過酸化水素水:水=1:2:40に設定される。
Next, by performing a predetermined photolithography process and a wet etching process, as shown in FIG. 24, an n-type
次に、図25に示すように、蒸着法およびリフトオフ法により、p型GaAs層4bbに接してn型InGaP層5aを貫通するように、ベース電極12が形成される。ベース電極12は、Ti(膜厚:50nm)/Pt(膜厚:50nm)/Au(膜厚:200nm)の積層構造からなる。
Next, as shown in FIG. 25, the
次に、所定のホトリソグラフィー処理と、ウェットエッチング処理を施すことにより、図26に示すように、複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれの、n型InGaPエミッタ層5、p型ベース層4およびn型GaAsコレクタ層3が形成される。ここで、n型InGaP層5aをエッチングする際のエッチング液として塩酸が用いられる。p型GaAsSb層4aa、p型GaAs層4bbおよびn型GaAs層3aをエッチングする際のエッチング液として、リン酸、過酸化水素水および水を混合させた薬液が用いられ、その組成比は、たとえば、リン酸:過酸化水素水:水=1:2:40に設定される。
Next, by performing a predetermined photolithography process and a wet etching process, as shown in FIG. 26, each of the n-type
次に、図27に示すように、蒸着法およびリフトオフ法によって、複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれのコレクタ電極11が形成される。その後、温度350℃のもとで30分間のアロイが施される。コレクタ電極11は、AuGe(膜厚:60nm)/Ni(膜厚:10nm)/Au(膜厚:200nm)の積層体からなる。これにより、複数のバイポーラトランジスタBTのそれぞれが形成されることになる。
Next, as shown in FIG. 27, the
次に、所定のウェットエッチング処理を施すことにより、図28に示すように、アイソレーション溝10が形成される。ここで、ウェットエッチング液として、リン酸、過酸化水素水および水を混合させた薬液が用いられ、その組成比は、たとえば、リン酸:過酸化水素水:水=1:2:40に設定される。次に、半絶縁性GaAs基板における所定の領域に、金属パッド17、18、19(図13参照)が形成される。
Next, by performing a predetermined wet etching process, the
次に、図29に示すように、バイポーラトランジスタBTのそれぞれのエミッタ電極13と金属パッド17とを電気的に接続するエミッタ配線16が形成される。ベース電極12と金属パッド18(図19参照)とを電気的に接続するベース配線15が形成される。コレクタ電極11と金属パッド19(図19参照)とを電気的に接続するコレクタ配線14が形成される。これにより、複数のバイポーラトランジスタBTを備えた半導体装置の主要部分が形成される。
Next, as shown in FIG. 29, an
上述した半導体装置の製造方法では、複数のバイポーラトランジスタBTを並列に接続させることで、大電力を扱うことができる半導体装置を製造することができる。 In the semiconductor device manufacturing method described above, a semiconductor device capable of handling high power can be manufactured by connecting a plurality of bipolar transistors BT in parallel.
また、バイポーラトランジスタBTのそれぞれでは、n型InGaPエミッタ層5が引張り歪(約1.36%)を有している。これにより、実施の形態1において説明したように、価電子帯端(上端)のバンドオフセット量ΔEvを増大させることができる。その結果、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタBTの温度が上昇しても、直流電流増幅率の変動が抑えられて、バイポーラトランジスタBTの温度特性を改善することができる。
In each of the bipolar transistors BT, the n-type
また、その引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5となるn型InGaP層は、p型GaAsベース層4bとなるp型GaAs層の表面に形成されることになる。これにより、p型GaAsSb層4aとなるp型GaAsSb層のアンチモン(Sb)と接触することはなく、n型InGaP層が無秩序化するのを抑制することができる。その結果、n型InGaPエミッタ層5が秩序化されて、バイポーラトランジスタBTの動作電圧を下げることができる。
Further, the n-type InGaP layer that becomes the n-type
なお、上述した半導体装置の製造方法では、バイポーラトランジスタとして、第1例に係る半導体装置のバイポーラトランジスタBTを例に挙げたが、第2例〜第6例に半導体装置のバイポーラトランジスタBTの製造も可能である。特に、第4例に係るバイポーラトランジスタBTのように、電荷補償層を備えたバイポーラトランジスタBTでは、エミッタ層となるn型InGaP層5aを形成した後n型GaAs層6aを形成する前に、電荷補償層となるn型GaAs層(Si濃度:3×1018cm-3、膜厚:5nm)が形成されることになる。
In the semiconductor device manufacturing method described above, the bipolar transistor BT of the semiconductor device according to the first example is given as an example of the bipolar transistor. However, the bipolar transistor BT of the semiconductor device is also manufactured in the second to sixth examples. Is possible. In particular, in a bipolar transistor BT having a charge compensation layer, such as the bipolar transistor BT according to the fourth example, after the n-
実施の形態9
ここでは、実施の形態7において説明した半導体装置を実装した電力増幅器について説明する。
Here, a power amplifier in which the semiconductor device described in
図30に、電力増幅器(モジュール)30の回路のブロック図を示す。図30に示すように、電力増幅器30では、第1増幅回路34と第2増幅回路35との2段の増幅回路を備えている。第1増幅回路34と第2増幅回路35のそれぞれに、複数のバイポーラトランジスタBTが並列接続された半導体装置が適用されている。
FIG. 30 shows a block diagram of a circuit of the power amplifier (module) 30. As shown in FIG. 30, the
電力増幅器30では、高周波入力端子32から入力された高周波信号が、第1増幅回路34と第2増幅回路35とを経て増幅され、増幅された高周波信号は、高周波出力端子33から出力される。
In the
また、インピーダンス整合を図るため、高周波入力端子32と第1増幅回路34との間には入力整合回路36が設けられ、第1増幅回路34と第2増幅回路35との間には段間整合回路37が設けられ、第2増幅回路35と高周波出力端子33との間には出力整合回路38が設けられている。
In order to achieve impedance matching, an
次に、第1増幅回路34および第2増幅回路35に適用されている半導体装置のバイポーラトランジスタBTの周辺の構造について簡単に説明する。図31に示すように、電力増幅器30では、複数の実装基板41、42、43が積層されている。実装基板42上にバイポーラトランジスタBTが形成されている。
Next, a structure around the bipolar transistor BT of the semiconductor device applied to the
また、実装基板43上には、インピーダンスの整合を図る、たとえば、コンデンサやインダクタ等の受動素子48、49が形成されている。さらに、実装基板41、42、43には、バイポーラトランジスタBTや受動素子48、49を電気的に接続するための所定の導体層44、45、46、47が形成されている。なお、図31では、複数のバイポーラトランジスタBTを、一つのバイポーラトランジスタBTで代表させている。
Further,
上述した電力増幅器30では、第1増幅回路34と第2増幅回路35のそれぞれに、複数のバイポーラトランジスタBTが並列接続された半導体装置が適用されている。これにより、実施の形態7において説明したように、半導体装置として大電力を扱うことができる。
In the
また、バイポーラトランジスタBTのそれぞれでは、n型InGaPエミッタ層5が引張り歪(約1.36%)を有していることで、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタBTの温度が上昇しても、直流電流増幅率の変動が抑えられて、バイポーラトランジスタBTの温度特性を改善することができる。
In each of the bipolar transistors BT, since the n-type
さらに、引張り歪を有するn型InGapエミッタ層5となるn型InGaP層は、p型GaAsベース層4bとなるp型GaAs層の表面に形成されることで、n型InGaPエミッタ層5が秩序化されて、バイポーラトランジスタBTの動作電圧を下げることができる。
Furthermore, the n-type InGaP layer that becomes the n-type
なお、上述した各実施の形態に係るバイポーラトランジスタBTのエミッタ層として、1.36%の引張り歪を有するn型InGaPエミッタ層5を例に挙げて説明した。発明者らの評価によれば、1.36%の引張り歪を有するn型InGaPエミッタ層5では、InPのモル比は0.3になる。
The n-type
n型InGaPエミッタ層5におけるInPのモル比は、0.3に限られるものではない。バンドオフセット量ΔEvを増大させて温度特性を改善する観点から、InPのモル比は、0.48より小さいことが好ましく、温度特性をより確実に改善するには、InPのモル比は0.46以下であることが好ましい。
The molar ratio of InP in the n-type
また、エミッタ層として、n型InGaPエミッタ層5を例に挙げたが、エミッタ層としては、少なくともインジウム(In)、ガリウム(Ga)およびリン(P)を構成元素として含有していればよく、この他に、たとえば、窒素(N)を含有したInGaNP層を含んでいてもよい。
In addition, the n-type
さらに、p型ベース層4におけるp型GaAsSbベース層4aでは、GaSbのモル比が0.1である場合について説明した。p型GaAsSbベース層4aにおけるGaAsのモル比としては、0より高く0.1以下(0<GaAsのモル比≦0.1)であればよい。
Further, in the p-type
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time is an example, and the present invention is not limited to this. The present invention is defined by the terms of the claims, rather than the scope described above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
本発明は、ヘテロ接合型のバイポーラトランジスタを備えた半導体装置に有効に利用される。 The present invention is effectively used for a semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor.
BT バイポーラトランジスタ、1 半絶縁性GaAs基板、2 n型GaAsサブコレクタ層、2a n型GaAs層、3 n型GaAsコレクタ層、3a n型GaAs層、4 p型ベース層、4a p型GaAsSbベース層、4aa p型GaAsSb層、4b p型GaAsベース層、4bb p型GaAs層、5 n型InGaPエミッタ層、5a n型InGaP層、6 n型GaAs層、6a n型GaAs層、7 n型AlGaAsバラスト抵抗層、7a n型AlGaAs層、8 n型GaAsコンタクト層、8a n型GaAs層、9 n型InGaAsコンタクト層、9a n型InGaAs層、10 アイソレーション溝、11 コレクタ電極、12 ベース電極、13 エミッタ電極、13a タングステンシリサイド膜、14 コレクタ配線、15 ベース配線、16 エミッタ配線、17、18、19 金属パッド、20 n型GaAs電荷補償層、30 電力増幅器、31 電力増幅回路ブロック、32 高周波入力端子、33 高周波出力端子、34 第1増幅回路、35 第2増幅回路、36 入力整合回路、37 段間整合回路、38 出力整合回路、41、42、43 実装基板、44、45、46、47 導体層、48、49 受動素子。 BT bipolar transistor, 1 semi-insulating GaAs substrate, 2 n-type GaAs subcollector layer, 2a n-type GaAs layer, 3 n-type GaAs collector layer, 3a n-type GaAs layer, 4 p-type base layer, 4a p-type GaAsSb base layer 4aa p-type GaAsSb layer, 4b p-type GaAs base layer, 4bb p-type GaAs layer, 5n type InGaP emitter layer, 5a n type InGaP layer, 6n type GaAs layer, 6a n type GaAs layer, 7n type AlGaAs ballast Resistance layer, 7a n-type AlGaAs layer, 8n type GaAs contact layer, 8a n type GaAs layer, 9n type InGaAs contact layer, 9a n type InGaAs layer, 10 isolation groove, 11 collector electrode, 12 base electrode, 13 emitter Electrode, 13a tungsten silicide film, 14 Rector wiring, 15 Base wiring, 16 Emitter wiring, 17, 18, 19 Metal pad, 20 n-type GaAs charge compensation layer, 30 Power amplifier, 31 Power amplification circuit block, 32 High frequency input terminal, 33 High frequency output terminal, 34 1st Amplifier circuit, 35 Second amplifier circuit, 36 Input matching circuit, 37 Interstage matching circuit, 38 Output matching circuit, 41, 42, 43 Mounting substrate, 44, 45, 46, 47 Conductive layer, 48, 49 Passive element.
Claims (10)
前記バイポーラトランジスタは、
コレクタ層と、
前記コレクタ層上に形成されたベース層と、
前記ベース層上に形成されたエミッタ層と
を有し、
前記ベース層は、構成元素としてアンチモン(Sb)を含有する第1ベース層を含み、
前記エミッタ層は、構成元素としてインジウム(In)、ガリウム(Ga)およびリン(P)を少なくとも含有し、引張り歪を有する、半導体装置。 A semiconductor device including a heterojunction bipolar transistor,
The bipolar transistor is:
A collector layer;
A base layer formed on the collector layer;
An emitter layer formed on the base layer;
The base layer includes a first base layer containing antimony (Sb) as a constituent element,
The emitter layer contains at least indium (In), gallium (Ga), and phosphorus (P) as constituent elements, and has a tensile strain.
前記エミッタ層は、前記第2ベース層上に形成されている、請求項1記載の半導体装置。 The base layer includes a second base layer formed on the first base layer, containing gallium (Ga) and arsenic (As) as constituent elements and not containing antimony (Sb),
The semiconductor device according to claim 1, wherein the emitter layer is formed on the second base layer.
複数の前記バイポーラトランジスタは電気的に並列に接続された、請求項1〜8のいずれかに記載の半導体装置。 A plurality of the bipolar transistors;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the plurality of bipolar transistors are electrically connected in parallel.
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