JP2002305204A - 半導体構造及びヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents
半導体構造及びヘテロ接合バイポーラトランジスタInfo
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Abstract
及び、その窒化物半導体構造をベース層として用いて、
電流利得が高いヘテロ接合バイポーラトランジスタを構
成すること。 【解決手段】Mgドープp型InGaNで構成されるベ
ース層をエミッタ層とコレクタ層とで挟んで形成したヘ
テロ接合バイポーラトランジスタであって、該ベース層
のIn組成を該エミッタ層から該ベース層に至る間の距
離に応じて変化させて、該ベース層中のアクセプタ準位
の深さをバンドギャップと共に変化させたことを特徴と
するヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。ア
クセプタ準位から高い割合で正孔が放出されるので、該
ベース層の抵抗が低下し、正孔が蓄積された領域が実効
的ベース層となり、その幅Weffが構造上のベース層
幅Wbよりも小であるので、電流利得が(Wb/W
eff)2倍(この倍率は1よりも大)に向上する。
Description
テロ接合バイポーラトランジスタに関する。
くは、不純物をドーピングして抵抗を低くした半導体層
を用いて構成されている。この不純物をドーピングした
半導体層の抵抗が高いと半導体デバイスの特徴を十分に
発揮できない場合がある。現在、このような問題点を持
つ半導体系として、窒化物半導体のp型層が代表例とし
て挙げられる。そこで、p型の窒化物半導体を半導体系
の例とし、npn型のヘテロ接合バイポーラトランジス
タ(HBT)をデバイスの例として、従来技術の説明を
行う。
と正孔の放出の関係を示す。アクセプタ準位が浅い場合
(図中、左側)には、正孔はアクセプタから価電子帯へ
容易に放出されるために、半導体層の抵抗が低くなる。
この抵抗の低い不純物層をnpn型HBTのベース層に
適用した場合には、ベース電流が流れやすいので、HB
Tの持つ本来の特性を発揮しやすい。これに対して、ア
クセプタ準位が深い場合(図中、右側)には、正孔はア
クセプタに捕われているので、価電子帯へ放出されにく
い。このため、半導体層の抵抗が高くなる。この半導体
層をHBTのベース層に適用した場合には、ベース電流
が流れにくいので、正常なトランジスタ動作ができなか
ったり、高周波特性に悪影響が出る。従って、アクセプ
タ準位が深い場合には、何らかの方法によって、正孔濃
度あるいは正孔の移動度を増加させることによって、半
導体層の抵抗を低くすることが必要となる。
めに、超格子中のピエゾ効果を利用して正孔濃度を増加
させる方法が発表されている(K. Kumakura, T. Makimo
to and N. Kobayashi, "Enhanced Hole Generation in
Mg-Doped AlGaN/GaN Superlattices due to Piezoelect
ric Field", Jpn. J. Appl. Phys. vol. 39, pp. 2428-
2430 (2000)など)。ピエゾ効果の存在しない超格子
(通常の超格子)に対するバンド図を図9に、そして、
ピエゾ効果の存在する超格子(窒化物半導体に特有な超
格子)に対するバンド図を図10に示す。ピエゾ効果の
存在しない場合(図9の場合)は、図8の場合と同様
に、熱エネルギーによってアクセプタから正孔が放出さ
れる。ピエゾ効果が存在する場合には、図10で示した
ように、ピエゾ効果によってバンドが変調される。この
ピエゾ電界によってアクセプタからの正孔の放出が促進
されるために、正孔濃度を高くすることができる。しか
しながら、図10からわかるように、超格子の膜厚方向
にはポテンシャルの起伏がある。従って、正孔が膜厚方
向へ走行する際には、そのポテンシャルの起伏が正孔の
走行の妨げとなる可能性がある。さらに、この構造をH
BTのベース層に用いた場合には、膜厚方向に走行する
少数キャリアである電子はポテンシャルのくぼみに落ち
て、多数キャリアである正孔と再結合しやすくなる。こ
のため、電流利得が減少するという問題が起こる。
た超格子では、ピエゾ電界を発生させる必要がある。こ
のピエゾ電界を発生させるためには、結晶に歪が生じて
いる必要がある。しかしながら、超格子を構成する2つ
の層の厚さが厚くなると結晶が歪を緩和する(結晶にヒ
ビが入る)ので、歪がかからなくなる。従って、超格子
を構成する2つの層の厚さには制限がある。この厚さの
制限は、超格子を構成する2つの層の格子定数差に依存
しており、臨界膜厚と呼ばれている。効果的に正孔を放
出するためには、超格子を構成する各層の厚さは、通常
は10nm程度以下である必要がある。
る半導体材料系は、主として、AlGaAs/GaAs
系、InP/InGaAs系、Si/SiGe系である。
これらのHBTの多数が、ベース層にアクセプタをドー
ピングしたp型層を用いている。このようなnpn型H
BTでは、エミッタ層にはn型でバンドギャップの大き
な半導体材料を用い、ベース層にはp型でエミッタ層よ
り小さなバンドギャップを持つ半導体材料が用いられ
る。現在のHBTに利用されている半導体材料系におけ
るエミッタ層とベース層に用いられる材料を表1に示し
た。
すべてのアクセプタから正孔が放出されているので、ア
クセプタ準位の深さは非常に浅い。従って、現在使用さ
れている材料系では、アクセプタ準位が深いことによっ
て高い正孔濃度が得られないという問題は起きていなか
った。
層とした従来のHBTにおいて、ベース層での元素の組
成比を変化させて電流利得を高くする構造がある。この
構造は傾斜ベース構造と呼ばれており、そのバンド図を
図11に示す。傾斜ベース構造では、エミッタ側からコ
レクタ側にかけてバンドギャップが小さくなるように元
素の組成比を変化させるため、ベース層での伝導帯端に
は電界がかかる。この電界によって電子が加速されるた
めに、ベース層中での電子の寿命が長くなり、高い電流
利得が得られる。比較のためにベース層での元素の組成
が一定である、均一ベース構造のバンド図を図12に示
す。この場合に、ベース層における伝導帯端には図12
に示したような傾斜がなく、一定であり、伝導帯端にお
ける電子の加速は起こらない。図11に示したような従
来の傾斜ベース構造では、均一ベース構造に比べて、伝
導帯端でのバンドの傾斜によって電子を加速させる点が
新しい。しかしながら、従来の半導体におけるアクセプ
タ準位が浅いために、ベース層での元素の組成を変化さ
せても価電子帯端を傾斜させることはできなかった。ま
た、価電子帯端を傾斜させる必要も無かった。
ては、ベース層中に浅いアクセプタ準位を形成すること
ができ、そのアクセプタ準位が放出する正孔によってベ
ース層の比抵抗が低下するので、ベース層を厚くするこ
となく、ベース層のシート抵抗(層に沿った方向の抵
抗)を小さくすることが可能である。
半導体では、アクセプタ準位が深いために、室温(20
℃付近)ではアクセプタから正孔が放出されない、とい
う問題がある。例えば、Mgアクセプタをドーピングし
たGaNでは、アクセプタ濃度が2×1019cm−3
に対して、室温における正孔濃度は3×1017cm
−3である。つまり、アクセプタ準位が深いために、室
温では、全体の約1/100のアクセプタしか正孔を放
出していない。このため、窒化物半導体のHBTにおい
て、ベース抵抗を低くするためには、ベース層を厚くす
る必要がある。この場合の「ベース抵抗」とは、ベース
層のシート抵抗のことであり、この抵抗値が高いと、ベ
ース電極からベース層への信号伝達が遅くなり、HBT
の高周波特性が劣化するので、この抵抗値は低いことが
好ましい。しかしながら、この抵抗値を下げるためにベ
ース層を厚くすると、電流利得がベース層の厚さ(ベー
ス層幅)の自乗に反比例して減少するので、トランジス
タ特性が劣化する。そこで、窒化物半導体構造の抵抗を
低下させることが重要な課題となる。
比べて、窒化物半導体では、ベース層を走行する少数キ
ャリアである電子の寿命が短い。従って、高い電流利得
を得るためには、ベース層を薄くする必要がある。この
ように、窒化物半導体で作製したHBTでは、高い電流
利得を保つと同時にベース抵抗を減少させなければなら
ない、という問題がある。
窒化物半導体構造の抵抗を低下させるという課題と、窒
化物半導体で作製したHBTにおいて、高い電流利得を
保つという課題とを解決し、低抵抗の窒化物半導体構造
を実現させること、及び、その窒化物半導体構造をベー
ス層として用いて、電流利得が高いヘテロ接合バイポー
ラトランジスタを構成することである。
に、本発明は、請求項1に記載のように、2種以上のII
I族元素と窒素とで構成される窒化物半導体による半導
体構造であって、前記III族元素のうち、バンドギャッ
プを小さくするIII族元素の組成比が前記半導体構造中
の位置に応じて変化し、前記組成比が大きくなるのに伴
って、アクセプタ又はドナーとしてドーピングされた不
純物の準位が浅くなることを特徴とする半導体構造を構
成する。
に、前記窒化物半導体はInGaNであり、前記バンド
ギャップを小さくするIII族元素はインジウムであり、
前記不純物はマグネシウムであることを特徴とする請求
項1に記載の半導体構造を構成する。
に、前記窒化物半導体はAlGaNであり、前記バンド
ギャップを小さくするIII族元素はガリウムであり、前
記不純物はマグネシウムであることを特徴とする請求項
1に記載の半導体構造を構成する。
に、請求項1、2又は3に記載の半導体構造をベース層
とし、前記ベース層の内部においてエミッタ側からコレ
クタ側に向かって前記組成比を変化させることを特徴と
するヘテロ接合バイポーラトランジスタを構成する。
Tでのベース層にドーピングしたアクセプタ(あるいは
ドナー)準位の深さを制御することによって、抵抗が低
く、キャリアに対するポテンシャル障壁の少ない構造を
提供することを主要な特徴とする。
層あるいはHBTでのベース層を構成する元素の組成を
変化させることにより、アクセプタ(あるいはドナー)
準位を制御し、しかも、価電子帯(あるいは伝導帯)に
電界を印加する点が異なる。
素の組成を変化させることにより、ドーピングしたアク
セプタ(あるいはドナー)準位を制御する。この際、表
面から基板側にかけて不純物準位の深さが変化するよう
にすれば、正孔(あるいは電子)は半導体内に均一に存
在するのではなく、表面側あるいは基板側に偏って蓄積
される。その結果、膜厚方向に走行するキャリアに対す
るポテンシャル障壁が存在することなく、深い不純物準
位からも効果的に正孔(あるいは電子)が放出される。
さらに、マイナスにイオン化したアクセプタをプラスの
正孔が遮蔽する効果(スクリーニング効果)によって移
動度が上昇する。従って、半導体層の抵抗を低くするこ
とができるとともに、キャリアが膜厚方向に円滑に走行
する。
合には、ベース層を構成する元素の組成を変化させるこ
とにより、ドーピングしたアクセプタ(あるいはドナ
ー)準位を制御する。この際、エミッタ層からコレクタ
層にかけて不純物準位の深さが変化するようにすれば、
正孔(あるいは電子)はベース層内に均一に存在するの
ではなく、ベース層内のコレクタ層側あるいはエミッタ
層側に偏って蓄積される。その結果、膜厚方向に走行す
るキャリアに対するポテンシャル障壁が存在することな
く、深い不純物準位からも効果的に正孔(あるいは電
子)が放出されるとともに、実効的なベース層幅が小さ
くなる。従って、ベース層の抵抗を低くすることができ
ると同時に、電流利得を高くすることができる。
明する。
るp型InGaNに本発明を適用した。
OVPE法)を用いてサファイア基板上に作製した。作
製したp型InGaNの構造及びバンド図を、それぞ
れ、図2及び図3に示す。この場合に、図2中のMgド
ープp型InGaNが請求項1に記載の窒化物半導体に
該当する。なお、前記のMgドープp型InGaNは、
図2に示したように、2層のバッファー層の上に形成さ
れている。
g)原子であり、原子濃度は約3×1019cm−3で
ある。この場合に、マグネシウムが請求項1に記載のア
クセプタ又はドナーとしてドーピングされた不純物に該
当する。
て、バンドギャップや、Mgアクセプタ準位の深さが異
なってくることが報告されている。窒化物半導体におけ
るバンドギャップとMgアクセプタ準位の深さの関係を
図4に示す(K. Kumakura, T. Makimoto and N. Kobaya
shi, "Activation Energy and Electrical Activityof
Mg in Mg-Doped InxGa1−xN (x<0.2)", Jpn. J. App
l. Phys. vol. 39, pp. L337-L339 (2000))。図の縦軸
がアクセプタ準位の深さを表している。
ア基板側に向かって、p型InGaN層中のインジウム
(In)組成を0%から6%まで厚さに比例して増加さ
せた。このため、図3で示したように、表面側からサフ
ァイア基板側に向かって、正孔に対するポテンシャルが
低くなるように価電子帯が傾くことになる。従って、表
面側に存在するアクセプタの不純物準位が深くても効率
的に正孔が放出され、p型InGaNの構造の抵抗が低
下する。この場合に、インジウムが請求項1に記載のバ
ンドギャップを小さくするIII族元素に該当する。
組成を徐々に変化させているが、InGaN層全体の膜
厚が厚いので、InGaN層は緩和している(層中の歪
が緩和している)と考えられる。従って、Mgドープp
型InGaNとGaNバッファー層との間にはピエゾ電
荷は存在しない。
おいて行ない、膜厚と垂直な方向(膜面に平行な方向)
の電気伝導特性を調べた。電子ビーム蒸着によって真空
蒸着したPd/Auをオーミック電極として用いた。こ
の結果、シート正孔濃度、移動度及びシート抵抗は、そ
れぞれ、5.8×1013cm−2、2.5cm2/Vs
及び4.3×104Ωであった。ここで、p型GaN、
In濃度が3%のp型InGaN及び6%のp型InG
aNに対するシート正孔濃度、移動度及びシート抵抗
を、本発明の構造に対する値と比較して表2に示す。
の構造と同じ130nmである。また、Mg原子のドー
ピング濃度は、図2の構造で用いたドーピング濃度と同
じにしている(約3×1019cm−3)。この場合の
本発明の構造では、In原子の平均組成は3%である。
In濃度が3%均一のp型InGaNに対するシート抵
抗は、本発明の構造に対する値よりも約2倍も高い。表
2には、p型GaN、In濃度が3%均一のp型InG
aN及び6%均一のp型InGaNに対するシート抵抗
の平均値も示している。この平均値は本発明の構造に対
する値よりも2倍以上もあり、本発明によって抵抗が減
少していることを示している。
n組成を変化させることによって価電子帯のポテンシャ
ルが傾斜した結果、アクセプタから効率的に正孔が放出
されている。そして、正孔が基板側に偏って蓄積した結
果、スクリーニング効果によって、移動度が上昇したも
のと考えられる。これらの2つの効果によって、本発明
の構造に対する抵抗が減少した。そして、抵抗が減少す
る効果は、膜厚が130nmでも現れる。
HBTのバンド図の一例を図1に示す。注目するべき点
は、ベース層内の伝導帯端ではなく、ベース層内の価電
子帯端がエミッタ層からコレクタ層にかけて傾斜してい
る点である。この傾斜のためにエミッタ層側に存在する
深いアクセプタ準位からも正孔が効果的に放出され、コ
レクタ層側に蓄積される。従って、実施の形態例1で述
べたように、スクリーニング効果による移動度の上昇の
効果も出るために、ベース抵抗が低くなる。さらに、こ
の場合には実効的なベース層の幅は図1中のWeffと
なるので、電流利得は均一ベース構造の場合(この場合
には、実効的なベース層の幅は構造上のベース層の幅W
bに等しい)に比べて、(Wb/Weff)2 倍にな
る。この倍率は、Wb>Wef fであるので、1よりも
大きい。
低くすることができ、それと同時に、電流利得を高くす
ることができる。
に作製した本発明に係るHBTの構造を示す。図におい
て、ベース層(図中、Graded−InGaNベース
と表示)に本発明で実施の形態例1の図2に示した構造
を適用した。つまり、ベース層の厚さを130nmとし
て、コレクタ側からエミッタ側にかけてベース層内での
In組成を6%から0%まで減少させた。この構造での
電流利得は23℃において約5であった。これに対し
て、In組成が3%均一のInGaNをベース層とした
均一ベースHBTでは、電流利得が約1であった。この
ように、本発明のp型窒化物半導体をベース層に用いた
場合には、HBTの特性が改善された。
て、エミッタ及びコレクタはSiドープのn-GaNで
あり、エミッタとベースとの間にはGaNのスペーサ層
があり、ベースとコレクタとの間には、In組成が位置
によって変化するSiドープのGaNがあり、エミッタ
上にはエミッタ電極としてAl/Au電極が形成され、
ベース表面の一部にはベース電極としてPd/Au電極
が形成され、コレクタの下層としてSiドープのn-G
aNサブコレクタがあり、このサブコレクタの表面の一
部にはコレクタ電極としてAl/Au電極が形成され、
HBT全体は、図5に示したように、2層のバッファー
層の上に形成されている。
が、図6に示したようにエミッタ側に正孔が蓄積してい
ても良い。また、図1や図6では、ベース層での伝導帯
には電界がかかっていなかったが、電界がかかっても良
い。ただし、この電界の方向は電子がエミッタからコレ
クタに向かって加速される方向が望ましい。
のIn組成がエミッタのベース端でのIn組成と等しく
なっている。しかしながら、ベース層のエミッタ端では
金属との間にオーミック接合を形成しなければならな
い。図4で示したように、In組成が高くなるのに伴っ
てアクセプタ準位が浅くなるので、In組成が高いほう
が良好なオーミック接合を形成しやすい。従って、ベー
ス層のエミッタ端でのIn濃度がエミッタ層のベース端
でのIn組成よりも高くなっても良い。この様子を図7
に示す。エミッタはGaNとし、ベース層のエミッタ端
でのIn組成は3%であり、コレクタ端に向かってIn
組成を6%まで増加させている。
例を示したが、pnp型HBTにも本発明を適用できる
のは明らかである。
おいて、組成を変化させる元素としてInを用いて説明
を行ったが、窒化物半導体であるAlGaNにおいて、
組成を変化させる元素としてのGaの組成を変化させて
も、上記と同様の本発明の効果が現れる。また、InA
lGaNなどの4つの元素から構成される4元系の半導
体では、(InAl)GaNと考えて、2つの元素から
なる(InAl)の組成をGaに対して変化させても良
い。5元系以上の半導体においても同様である。
のIII族元素と窒素とで構成される窒化物半導体による
半導体構造であって、前記III族元素のうち、バンドギ
ャップを小さくするIII族元素の組成比が前記半導体構
造中の位置に応じて変化し、前記組成比が大きくなるの
に伴って、アクセプタ又はドナーとしてドーピングされ
た不純物の準位が浅くなることを特徴とする半導体構造
を構成することによって、低抵抗の窒化物半導体構造を
実現させ、その窒化物半導体構造をベース層として用い
て、ベース抵抗が低く、しかも、電流利得が高いヘテロ
接合バイポーラトランジスタを構成することができる。
接合バイポーラトランジスタにおいては、ピエゾ電界を
利用せず、発生もさせていないので、膜厚方向に走行す
るキャリアに対するポテンシャル障壁が無く、キャリア
の走行が円滑に行われる。従って、このようなポテンシ
ャル障壁に起因する層抵抗の増大や電流利得の低下の問
題が解消される。
半導体構造を実現させること、及び、その窒化物半導体
構造をベース層として用いて、電流利得が高いヘテロ接
合バイポーラトランジスタを構成することが可能とな
る。
タ(HBT)の一例のバンド図を示す図である。
明を適用した半導体構造の一例を示す図である。
クセプタ準位の深さの関係を示す図である。
発明に係るHBTの構造を示す図である。
pn型HBTのバンド図を示す図である。
層のIn組成を3%から6%まで増加させた場合のバン
ド図を示す図である。
の関係を示す図である。
を示す図である。
ンド図を示す図である。
ンド図を示す図である。
ンド図を示す図である。
Claims (4)
- 【請求項1】2種以上のIII族元素と窒素とで構成され
る窒化物半導体による半導体構造であって、前記III族
元素のうち、バンドギャップを小さくするIII族元素の
組成比が前記半導体構造中の位置に応じて変化し、前記
組成比が大きくなるのに伴って、アクセプタ又はドナー
としてドーピングされた不純物の準位が浅くなることを
特徴とする半導体構造。 - 【請求項2】前記窒化物半導体はInGaNであり、前
記バンドギャップを小さくするIII族元素はインジウム
であり、前記不純物はマグネシウムであることを特徴と
する請求項1に記載の半導体構造。 - 【請求項3】前記窒化物半導体はAlGaNであり、前
記バンドギャップを小さくするIII族元素はガリウムで
あり、前記不純物はマグネシウムであることを特徴とす
る請求項1に記載の半導体構造。 - 【請求項4】請求項1、2又は3に記載の半導体構造を
ベース層とし、前記ベース層の内部においてエミッタ側
からコレクタ側に向かって前記組成比を変化させること
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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