JPH0334549A - バイポーラトランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、新しい化合物半導体を用いて構成したバイポ
ーラトランジスタに関する。

（従来の技術） ＳｔやＧａＡｊｐＡｓを利用した従来の半導体能動素子
よりも高温で動作し、耐圧の大きい素子として、ＳｉＣ
を用いた素子が注目されている。

しかし、ＳｉＣを用いた場合、格子整合をとりながらバ
ンドギャップを変化させることが不可能であり、ＧａＡ
ｊｌＡｓで試みられているヘテロ接合の形成が困難であ
る。したがって高性能のバイポーラトランジスタを作る
ことができない。

（発明が解決しようとする課題） 高温動作が可能で、高耐圧特性を有し、しかもへテロ接
合による高性能特性をもつバイポーラトランジスタはこ
れまでなかった。

本発明はこの様な点に鑑みなされたもので、高耐圧で高
温動作が可能なバイポーラトランジスタを提供すること
を目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明に係るバイポーラトランジスタは、ＢＰ層と閃亜
鉛鉱型のＧａ１−ｘ　ＡＩＪ＊　Ｎ　（ｏ≦ｘ≦１）層
が交互に積層された超格子層または閃亜鉛鉱型のＧ　ａ
　ｍ　Ａｊｌ　ｙ　Ｂ　Ｉ−＊−ｙ　Ｎ　ｘ＋ｙ　Ｐ　
Ｉ−ｘ−ｙ（０≦ｘ＋Ｙ≦１）層が積層形成されて構成
されたｍｌ導電型のコレクタ層、第２導電型のベース層
および第１導電型のエミッタ層を有し、好ましくはエミ
ッタ層またはコレクタ層の少なくとも一方がベース層よ
りバンドギャップが広くなるように組成が設定されてい
ることを特徴とする。

（作用） ＧａＡＩＮは、ＧａとＡｆＩの組成を変化させることに
より、３〜６ｅＶの広範囲にバンドギャップを変化させ
ることができ、その際、ＧａＮとＡｊｌＮの結合長が略
等しいことから、ヘテロ界面における格子整合条件が変
化し辱いこと、またＧａＡｆＩＮは通常ウルツ鉱型の結
晶構造を示すが、結合長が略等しく閃亜鉛鉱型であるＢ
Ｐと超格子層または混晶を形成することにより、安定な
閃亜鉛鉱型結晶が得られることを本発明者らは見出した
。更に、ＢＰを混入する事により、広範囲のノくンドギ
ャップ制御が可能であるという利点もある。

加えてＢＰは、イオン性が弱く有効質量が小さいため、
高濃度のｐ型ドーピングが可能であり、ｐ型ベース層の
キャリア濃度を十分高くすることができる。従って本発
明の構成により、最低でもＳｉのバンドギャップの２倍
のバンドギャップをもち、高耐圧で高温動作可能なヘテ
ロ接合ノくイボーラトランジスタが得られる。

またベース・コレクタ層間またはベース・エミッタ層間
にこれらの中間のバンドギャップを持つ中間バッファ層
、成るいはバンドギャップを連続的に変化させる遷移層
を介在させることが容易であり、これにより応答速度や
電流増幅率の向上が図られる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は、第１の実施例のバイポーラトランジスタであ
る。半絶縁性の（１００）ＧａＰ基板１１を用いてこの
上にバッファ層として１μｍのアンドープＧａＰ層上２
が形成され、更にバッファ層として１μｍのアンドープ
ＢＰ層１３が形成されている。ＢＰ層１３上に、コレク
タ層として１．５ａｍのｎ型ＧａＡＮＮ／ＢＰ層１４．
ベース層として０．２μｍのｐ型ＢＰ層１５．真性エミ
ッタ層として１μｍのｎ型ＧａＡＩＩＮ／ＢＰ層１６が
順次積層形°成され、ｎ型のＧａＡｌＮｌＢＰ層１６上
にコンタクト層として０．５μｍのｎ型ＢＰ層１７が形
成されている。これらの各半導体層は後述するようにＭ
ＯＣＶＤ法により形成される。各ＧａＡＮＮ／ＢＰ層は
、具体的にはＧａＡｊＪＮ層とＢＰ層とを１０入＋１０
入の繰り返しで交互に多層に積層した超格子層である。

コレクタ層のｎ型ＧａＡＩＩＮ／ＢＰ層１４は、Ｓｉが
２×１０１７／ｃｉＩ３　ドープされ、エミッタ層のｎ
型ＧａＡ、ＱＮ／ＢＰ層１６は層上６ＳｉがＩ×１０１
８７ｃＩ１１３　ドープされ、ベース層のＢＰ層１５は
Ｍｇが２　Ｘ　１０１８／　ｃｍ３　ドープされテイル
。素子ウェハは、ベース電極およびコレクタ電極を取り
出すべくメサエッチングされ、エミッタ・コンタクト層
のＧａＡｊ７Ｎ／ＢＰ層１６にはＡｕＧｅからなるエミ
ッタ電極１８が、ベースのＢＰ層１５にはＡｕＺｅから
なるベース電極１９が、コレクタのＧａＡ、１７Ｎ／Ｂ
Ｐ層１４にはＡｕＧｅからなるコレクタ電極２０がそれ
ぞれ形成されている。

以下に各半導体層の形成に用いたＭＯＣＶＤ法について
説明する。

第９図は、素子製造に用いたマルチチャンバ方式の有機
金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置である。

図において、９１．９２および９３は石英製の反応管で
ありそれぞれの上部に位置するガス導入口から必要な原
料ガスが取入れられる。これらの反応管９１．９２およ
び９３は一つのチャンバ９４にその上蓋を貫通して垂直
に取付けられている。

基板９５はグラファイト製サセプタ９６上に設置され、
各反応管９１，９２．９３の開口に対向するように配置
されて外部の高周波コイル９７により高温に加熱される
。サセプタ９６は、石英製ホルダ９８に取付けられ、磁
性流体シールを介した駆動軸により各反応管９１，９２
．９３の下を高速度で移動できるようになっている。駆
動は、外部に設置されたコンピュータ制御されたモータ
により行われる。サセプタ中央部には熱電対１００が置
かれ、基板直下の温度をモニタして外部に取出す。その
コード部分は回転にょるよじれを防止するためスリップ
リングが用いられる。反応ガスは、上部噴出口１０１か
らの水素ガスのダウンフローの速い流れにより押出され
、互いの混合が極力抑制されながら、排気口１０２から
ロータリーポンプにより排気される。

この様なＭＯＣＶＤ装置により、各反応管９１゜９２．
９３を通して所望の原料ガスを流し、基板９５をコンピ
ュータ制御されたモータで移動させることにより、基板
９５上に任意の積層周期、任意組成を持って多層構造を
作製することができる。

この方式では、ガス切替え方式では得られない鋭い濃度
変化が容易に実現できる。またこの方式では、急峻なヘ
テロ界面を作製するためにガスを高速で切替える必要が
ないため、原料ガスであるＮＨ３やＰＨ，の分解速度が
遅いという問題をガス流速を低く設定することにより解
決することができる。

このＭＯＣＶＤ装置を用いて、具体的に第１図に示す素
子ウェハを作製した。用いた原料ガスは、トリメチルガ
リウム（ＴＭＧ）、）リメチルアルミニウム（ＴＭＡ）
、トリメチル硼素（ＴＥＢ）。

アンモニア（ＮＨ９）、フォスフイン（ＰＨｉ）である
。基板温度は８５０〜１１５０’Ｃ，圧力は０．３気圧
、原料ガスの総流量は１ρ／ｍ１ｎであり、成長速度が
１μｍ　／　ｈとなるようにガス流量を設定した。具体
的な各原料ガスの流量は、ＴＥＢがＩ　Ｘ　１０−’ｍ
ｏｌ　／ｌｌ１ｎ　、　Ｔ　ＭＧが１×１０−”ｓｏｌ
　／ｍ１ｎ　、　ＴＭＡがＩＸ１００６ｍｏｌ／ｍ１ｎ
、ＰＨ，が５　Ｘ　１０−’ｍｏｌ　／ｍ１ｎ　、　Ｎ
Ｈ３がＩ　Ｘ　１０−’ＩＩｏｆ　／　ｗｉｎである。

この実施例のバイポーラトランジスタは、エミッタ・ベ
ース接合およびコレクタ・ベース接合共にヘテロ接合と
なっている。この実施例による素子はエミッタ寸法が１
０μｍＸ１００μｍのもので、室温における電流増幅率
は１０〜１５であった。耐圧Ｖ　（Ｂ□は約１００Ｖで
あり、この値は２００℃以上の高温まで保たれることが
確認された。

第２図は、本発明の第２の実施例のバイポーラトランジ
スタである。第１図と対応する部分には第１図と同一符
号を付して詳細な省略する。この実施例ではコレクタ層
として、Ｓｉをｌ　Ｘ　１０１７／ｃＩ１１３ドープし
た１、５μｍのｎ型ＢＰ層２１を用いている。したがっ
てコレクタ・ベース接合はホモ接合であり、この点を除
けば第１図の実施例と変わらない。この実施例のバイポ
ーラトランジスタも第１図のバイポーラトランジスタと
同様に作られる。

この実施例のトランジスタも高耐圧かつ高温動作可能で
、優れた特性を示す。

第３図は、本発明の第３の実施例のバイポーラトランジ
スタである。この実施例では、バッファ層としてのＢＰ
層１３上にまず、エミッタ層としてＧａＡＮＮ／ＢＰ層
３１を形威し、この上にベース層としてｐ型ＢＰ層１５
を形成し、この上にコレクタ層としてのｎ型ＢＰ層３２
．コレクタ◆コンタクト層としてのｎ型ＢＰ層３３を形
成している。すなわち第１．第２の実施例がエミッタ・
トップ構造であったのに対して、この実施例ではコレク
タ・トップ構造としている。この構造も第１図の実施例
と同様にして作られる。

この実施例によっても先の各実施例と同様の効果が得ら
れる。

第４図は、本発明の第４の実施例のトランジスタである
。この実施例の素子構造は、第１図の実施例のものを基
本として、ベース層としてのｐ型ＢＰ層１５と、コレク
タ層としてのＧａＡρＮ／ＢＰ層１４およびエミッタ層
としてのＧａＡｐＮ／ＢＰ層１６の間にそれぞれ、０．
１μｍのｎ型Ｇ　ａ　Ｎ　／　Ｂ　Ｐ層４１および４２
を中間バッファ層として介在させている。

この実施例によれば、中間バッファ層４１および４２を
設けることによってエミッタおよびコレクタの接合部の
バンドギャップの変化が緩やかになって、より優れた特
性が得られる。

第５図は、本発明の第５の実施例のバイポーラトランジ
スタである。この実施例では、第２図の構造を基本とし
て、ｎ型ＢＰ層からなるコレクタ層２１を高濃度のＢＰ
層２１１と低濃度のＢＰ層２１□の２層構造としている
。高濃度のＢＰ層２１、は例えばＳｉをＩ　Ｘ　１０　
”／ａｎ３　ドープし、低濃度のＢＰ層２１２はＳｔを
Ｉ　Ｘ　１０　”／ｃｍ’ドープする。またベース層と
してのｐ型ＢＰ層１５とエミッタ層としてのＧａＡＮＮ
／ＢＰ層１６の間には、Ａｐ組成がｘ−０〜０．５の範
囲で連続的に変化するバンドギャップ遷移層として、０
．５μｍのｎ型Ｇ　ａ　ｒ−ｘ　ＡＤ　ｍ　Ｎ／Ｂ　Ｐ
層５１が設けられている。さらにベース層としてのｐ型
ＢＰ層１５にはＧａＮが少量添加されて、バンドギャッ
プがコレクタ近傍で比較的小さく、エミッタ近傍で比較
的大きくなるようにグレーティングされている。ＧａＡ
ｊｌＮ／ＢＰ層のバンドギャップを変化させるには例え
ば、ＧａＡＩＮ層とＢＰ層の膜厚比を変化させることに
より可能である。

この実施例によれば、バンドギャップ遷移が更に滑らか
になって良好な特性が得られる。

第６図は、本発明の第６の実施例のバイポーラトランジ
スタである。この実施例は、コレクタ・トップの第３図
の構造を基本として、第５図の実施例と同様にエミッタ
としてのＧａＡｊ！Ｎ／ＢＰ層３１とベースとしてのＢ
Ｐ層１５の間にバンドギャップ遷移層としてｎ型Ｇａ１
−ｔ　Ａｎ　＊　Ｎ／ＢＰ層６１全６１たものである。

この実施例によっても、同様の効果が得られる。

第７図は、本発明の第７の実施例のバイポーラトランジ
スタである。この実施例では、第４図の構成を変形して
、その中間バッファ層としてのＧａＮ／ＢＰ層４１．４
２の部分を、第５固成るいは第６図の実施例と同様にバ
ンドギャップの遷移層としてのＧ　ａ　ｌ−ＡＮ　、　
Ｎ／　Ｂ　Ｐ層７１゜７２に置き換えたものである。

第８図は、本発明の第８の実施例のバイポーラトランジ
スタである。この実施例では、第５図の実施例を基本と
してそのバンドギャップ遷移層としてのＧａｇ−ｘ　Ａ
ｆｔ　Ｍ　Ｎ／ＢＰ層５１部分を、組成固定の中間バッ
ファ層としてのＧａＮ／ＢＰ層８１としている。

これらの実施例によっても同様に優れた特性が得られる
。

本発明は上記実施例に限られるものではない。

実施例では、ベース層としてＢＰ層を用い、これと異な
るバンドギャップのエミッタ成るいはコレフタ層として
ＧａＡｆＩＮ／ＢＰ層を用いたが、コレクタ、ベースお
よびエミッタ層として一般にＧ　ａ　Ｉ−ｘ　Ａｊｌ　
、　Ｎ／　Ｂ　Ｐ層を用いることができる。

この場合、Ｇ　ａ　＋−８ＡｌｘＮ層とＢＰ層の膜厚比
、または組成Ｘを適当に選択することにより、エミッタ
成るいはコレクタ接合のいずれか成るいは両方にヘテロ
接合を形成する事ができる。またＧａＡ４７Ｎ／ＢＰ層
に代わって、Ｇ　ａ　ｗ　Ａ　（ｌ　ｙＢ　１−−−、
　Ｎ−、Ｐ　ｒ−−−（０≦ｘ＋Ｙ≦１）混晶層を用い
ることができるこの場合、例えばＢ組成を変えることに
よりバンドギャップを変えることができる。更にＢＰ層
に少量のＡｌ、Ｇａ、Ｎを添加して所定の半導体層を形
成しても良い。

また実施例では、ｎ型不純物としてＳｉを用いたが、そ
の他Ｓｅ、Ｓｎ、Ｓ、Ｔｅなどを用いることができ、ｐ
ｚ不純物としてはＭｇの他Ｚｎ。

Ｂｅ、Ｃｄなどを用いることができる。

ＭＯＣＶＤ原料としては、Ｇａ原料としてトリエチルガ
リウム（ＴＥＧ）、ＡＪＩＩ原料としてトリエチルアル
ミニウム（ＴＥＡ）、Ｂ原料としてトリメチル硼素（Ｔ
ＭＢ）やジボラン（８２Ｈ６）等を用いることができる
。Ｎ原料としても、アンモニアの他ヒドラジン（Ｎ２Ｈ
４）や、Ｇａ（Ｃ２Ｈ，）、−ＮＨ，、Ｇａ　　（ＣＨ
，）　３Ｎ・　（ＣＨ３）３等のアダクトと呼ばれる有
機金属化合物を用いることができる。更にドーピング原
料として、Ｍｇ化合物であるＭｇ（ｔｈｄ）２　（２，
２，６，６，−Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ−３，５−１１
ｅｐｔａ５−１１ｅｐｔａｎｅｄｉｏｎ＋＊）も有効で
ある。

更に基板としてＧａＰの他にＳｉＣやＢＰ成るいはＳｔ
等を用いることもできるし、ｎｐｎのみならず、ｐｎｐ
トランジスタも同様に構成することができる。

［発明の効果］ 以上のべたように本発明によれば、新しい化合物半導体
材料を用いて、高耐圧で高温動作が可能である高性能の
バイポーラトランジスタを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のバイポーラトランジス
タを示す図、 第２図は本発明の第２の実施例のバイポーラトランジス
タを示す図、 第３図は本発明の第３の実施例のバイポーラトランジス
タを示す図、 第４図は本発明の第４の実施例のバイポーラトランジス
タを示す図、 第５図は本発明の第５の実施例のバイポーラトランジス
タを示す図、 第６図は本発明の第６の実施例のバイポーラトランジス
タを示す図、 第７図は本発明の第７の実施例のバイポーラトランジス
タを示す図、 第８図は本発明の第８の実施例のバイポーラトランジス
タを示す図、 第９図は本発明のバイポーラトランジスタの製造に用い
たＭＯＣＶＤ装置を示す図である。 １１・・・半絶縁性ＧａＰ基板、１２・・・ＧａＰバッ
ファ層、１３・・・ＢＰバッファ層、１４・・・ｎ型Ｇ
ａ／ＩＮ／ＢＰ層（コレクタ層）、１５−ｐ型ＢＰ層（
ベース層）　　１６＝−ｎ型ＧａＡＪ７Ｎ／ＢＰ層（真
性エミッタ層）、１７・・・ｎ型ＢＰ層（エミッタ・コ
ンタクト層）、１８・・・エミッタ電極、１９・・・ベ
ース電極、２ｏ・・・コレクタ電極、２１・・・ｎ型Ｂ
Ｐ層（コレクタ層）　３１・・・ｎ型ＧａＡＩＮ／ＢＰ
層（エミッタ層）、３２−ｎ型ＢＰ層（コレクタ層）、
３３・・・ｎ型ＢＰ層（コレクタ・コンタクト層）　、
４１．４２−ｎ型Ｇ　ａ　Ｎ／ＢＰ層（中間バッファ層
）、５１，６１，７１゜７２−　Ｇ　ａ　ｒ−ＡＮ　　
Ｎ／　Ｂ　Ｐ層（ｘ−０〜０．５．遷移層）　、８ｌ−
ＧａＮ／ＢＰ層（中間バッファ層）。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に、ＢＰ層と閃亜鉛鉱型のＧａ＿１
   ＿−＿ｘＡｌ＿ｘＮ（０≦ｘ≦１）層が交互に積層され
   た超格子層または閃亜鉛鉱型のＧａ＿ｘＡｌ＿ｙＢ＿１
   ＿−＿ｘ＿−＿ｙＮ＿ｘ＿＋＿ｙＰ＿１＿−＿ｘ＿−＿
   ｙ（０≦ｘ、ｙ≦１）層により構成された第１導電型の
   コレクタ層、第２導電型のベース層および第１導電型の
   エミッタ層を有することを特徴とするバイポーラトラン
   ジスタ。
2. （２）エミッタ層またはコレクタ層の少なくとも一方が
   ベース層よりバンドギャップが広くなるように組成が設
   定されていることを特徴とする請求項１記載のバイポー
   ラトランジスタ。
3. （３）ＢＰ層と閃亜鉛鉱型のＧａ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘ
   Ｎ（０≦ｘ≦１）層が交互に積層された超格子層または
   閃亜鉛鉱型のＧａ＿ｘＡｌ＿ｙＢ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙ
   Ｎ＿ｘ＿＋＿ｙＰ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙ（０≦ｘ、ｙ≦
   １）層からなる第１導電型のコレクタ層と、 ＢＰ層からなる第２導電型のベース層と、 ＢＰ層と閃亜鉛鉱型のＧａ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘＮ（０
   ≦ｘ≦１）層が交互に積層された超格子層または閃亜鉛
   鉱型のＧａ＿ｘＡｌ＿ｙＢ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＮ＿ｘ
   ＿＋＿ｙＰ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙ（０≦ｘ、ｙ≦１）層
   からなる第１導電型のエミッタ層と、 を有することを特徴とするバイポーラトランジスタ。
4. （４）ＢＰ層からなる第１導電型のコレクタ層と、 ＢＰ層からなる第２導電型のベース層と、 ＢＰ層と閃亜鉛鉱型のＧａ＿１＿−＿ｘＡｌ＿ｘＮ（０
   ≦ｘ≦１）層が交互に積層された超格子層または閃亜鉛
   鉱型のＧａ＿ｘＡｌ＿ｙＢ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙＮ＿ｘ
   ＿＋＿ｙＰ＿１＿−＿ｘ＿−＿ｙ（０≦ｘ、ｙ≦１）層
   からなる第１導電型のエミッタ層と、 を有することを特徴とするバイポーラトランジスタ。
5. （５）コレクタ・ベース層間またはエミッタ・ベース層
   間の少なくとも一方に、中間のバンドギャップを持つ中
   間バッファ層またはバンドギャップを連続的に変化させ
   る遷移層を介在させた請求項１ないし４のいずれかに記
   載のバイポーラトランジスタ。
6. （６）コレクタ、ベースおよびエミッタ層を含む半導体
   層は半導体基板上にＢＰバッファ層を介して積層形成さ
   れている請求項１ないし４のいずれかに記載のバイポー
   ラトランジスタ。