JP3801963B2

JP3801963B2 - Nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor

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Publication number: JP3801963B2
Application number: JP2002209841A
Authority: JP
Inventors: 俊樹牧本; 一英熊倉; 小林　　直樹
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-04-30
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2022-07-18
Also published as: JP2004031879A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
高周波通信用の高出力パワーアンプなどに利用される窒化物半導体のｎｐｎ型ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒化物半導体は、他のIII-V族化合物半導体に比べて、バンドギャップが大きい、飽和電子速度が大きい、および化学的に安定であることから、高周波・高出力用電子デバイスの材料として注目されている。一方、電子デバイスの一種であるＨＢＴは、電流密度が高い、および降伏電圧が大きい、という特徴を持つために、高周波領域で高い出力を発揮することができるデバイスである。
以上のことから、窒化物半導体でＨＢＴを作製することができれば、材料面からも、デバイス面からも高周波領域で極めて高い出力を発揮するデバイスを作製することができる。このため、窒化物半導体ＨＢＴの開発が行われている。しかしながら、このＨＢＴに関しては、以下のような三つの大きな問題点がある。
【０００３】
第１の問題点は、「ＩｎＧａＮ／ＧａＮ系ｐ−ｎ接合ダイオードでは、ｎ型層の上にｐ型層を作製したｐ−ｎ接合ダイオードの特性は良好であるのに対して、ｐ型層の上にｎ型層を作製したｐ−ｎ接合ダイオードの順方向電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性における立ち上がり電圧は、バンドギャップから予想される値よりも高い。」ということである。特に、「窒化物半導体のｎｐｎ型ＨＢＴにおいては、ｎ型エミッタ層とｐ型ベース層から構成されるｐ−ｎ接合ダイオードの順方向Ｉ−Ｖ特性の立ち上がり電圧が予想される値よりも高い。」という問題である。このｎｐｎ型ＨＢＴとは、エミッタ層がｎ型、ベース層がｐ型、コレクタ層がｎ型であることを示している。
図２に、ｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴのｎ型ＧａＮエミッタ層とｐ型ＩｎＧａＮベース層から構成されるｐ−ｎ接合ダイオードのＩ−Ｖ特性を実線で示した。合わせて、理想的なＩ−Ｖ特性も点線で示した。窒化物半導体のバンドギャップから予想されるように、理想的なＩ−Ｖ特性の立ち上がり電圧は約３（Ｖ）である。これに対して、実際のエミッタ／ベース間ダイオードでは、順方向電流が流れにくくなっており、立ち上がり電圧が高くなっている。
【０００４】
第２の問題点は、「べ一ス層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性において、立ち上がり電圧がバンドギャップから予想される値よりも大きい。」という点である。ｐ型ＩｎＧａＮ層は、ｐ型ＧａＮ層よりも抵抗が低いために、ＨＢＴの高速化に対して有利である。
図３は、ｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性の一例を示している。[T.Makimoto,K.Kumakura and N.Kobayashi,Appl.Phys.Lett.Vol.79,pp.380-381(2001).]。このＨＢＴでは、エミッタ層にｎ型ＧａＮを、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いている。図３の中で示した「立ち上がり電圧」は、エミッタ層を構成する半導体のバンドギャップとベース層を構成する半導体のバンドギャップの差に対応する。したがって、通常のＨＢＴの立ち上がり電圧は、１（Ｖ）程度となる。しかしながら、図３での立ち上がり電圧は６（Ｖ）であるので、予想される値よりもかなり大きいことが分かる。この立ち上がり電圧が高いと、その分だけ電流を流すための電圧が高くなるので効率が悪くなる。したがって、立ち上がり電圧は低いほうが望ましい。
エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性での立ち上がり電圧は、エミッタ／ベース間ダイオードとベース／コレクタ間ダイオードにおける立ち上がり電圧の差となる。したがって、エミッタ／べ一スダイオードの立ち上がり電圧を低く抑えることによって、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性の立ち上がり電圧を低くできる可能性がある。つまり、上記の第１の問題点が解決できれば、第２の問題点は自動的に解決する可能性もある。
【０００５】
第３の問題点は、Ｉｎを含むｐ型窒化物半導体をベース層に用いたＨＢＴにおいて、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における降伏電圧が窒化物半導体のバンドギャップから予想される値ほど高くなっていない点である。窒化物半導体ＨＢＴの特徴の一つは、出力が大きい、ということである。この出力は降伏電圧に比例するので、降伏電圧は高いことが望ましい。ｐ型ＩｎＧａＮをべース層に、ｎ型ＧａＮをエミッタに用いた従来のＨＢＴでは、その降伏電圧は２０（Ｖ）程度であった。〔T.Makimoto,K.Kumakura and N.Kobayashi,Appl.Phys.Lett.Vol.79,pp.380-381(2001.)〕この降伏電圧は、コレクタ層の厚さと降伏電界強度の積で決まる。この従来のＨＢＴにおけるコレクタ層の厚さは５００ｎｍであるので、降伏電界強度は、
２０（Ｖ）÷５００（ｎｍ）＝０.４（ＭＶ／ｃｍ）
となる。これに対して、ＧａＮのバンドギャップから予想される降伏電圧は３（ＭＶ／ｃｍ）である。〔J.C.Zolper,Solid-State Electronics Vol.42,pp.2153-2156(1998).〕このように、従来のＨＢＴでは、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性の降伏電圧が予想される値よりもかなり低く、窒化物半導体の特徴を十分に生かしきっていない、という問題点があった。
【０００６】
従来のＨＢＴの一般的な作製プロセスを図４に示す。このプロセスでは、まず、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）などによって、ＨＢＴ用のウエハを結晶成長する〔工程（ａ）〕。すなわち、ｎ型ＧａＮエミッタ層９、ｐ型ＩｎＧａＮベース層１０およびｎ型コレクタ層１１を積層する。
次に、上記ウエハをエッチングしてべース層の面だし〔工程（ｂ）〕、およびコレクタ層の面出し〔工程（ｃ）〕を行う。そして、ベース層へのｐ型電極１２の形成〔工程（ｄ）〕、エミッタ層にｎ型電極１３、コレクタ層にもｎ型電極１３をそれぞれ形成する〔工程（ｅ）〕。
ここで、ｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴのエミッタ／ベースダイオードの立ち上がり電圧が高い原因、および、降伏電圧が予想される値よりも低い原因は次のように考えられる。まず、ｎ型ＧａＮコレクタ層１１の上に、グレーデッドＩｎＧａＮ層４およびｐ型ＩｎＧａＮベース層１０を成長すると、ｎ型ＧａＮコレクタ層１１の表面に存在する欠陥１４の周囲ではＩｎＧａＮが成長しないために窪み１５が形成される。そして、エミッタ層であるｎ型ＧａＮ層９を成長する際にも、その窪み１５の部分には成長しない（図５参照）。
【０００７】
次に、ｐ型ＩｎＧａＮベース層１０の面出しを行うために、この層構造に対してエッチングを行うと、図５に示す窪み１５の部分がエッチングされて、大きく削られｎ型ＧａＮコレクタ層１１の内部まで到達した窪み１６が形成される（図６参照）。上記窪み１６が形成されたベース面に対して、ベース電極１９を形成すると、ベース電極１９の一部はｎ型ＧａＮコレクタ層１１に接触することになる（図７参照）。したがって、電圧をかけると、この部分でリーク電流が流れることになる。このリーク電流分だけ、エミッタ／ベースダイオードには電流が流れにくくなるので、立ち上がり電圧が高くなったものと考えられる。さらに、このリーク電流によってエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性の降伏電圧が低くなったものと考えられる。ここで、図５で示した窪み１５の発生は、ｐ型ＩｎＧａＮベース層１０を利用することによって、初めて観察された問題点である。ｐ型ＩｎＧａＮベース層を利用しないＡ１ＧａＮ／ＧａＮ系ＨＢＴでは、この窪みが問題とはならなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、へテロ接合バイポーラトランジスタでは、エミッタ層に用いた材料のバンドギャップとベース層に用いた材料のバンドギャップとの差によって電流利得を大きく取ることができる。この電流利得（β）と両者のバンドギャップ差（△Ｅ）には、次に示す（数１）式の関係がある。
【０００９】
β〜ｅｘｐ（ｑ△Ｅ／ｋＴ）………（数１）
式中、〜は比例を表す。
【００１０】
ｑ：電荷素量〔＝１.６×１０^−１９（Ｃ）〕
ｋ：ボルツマン定数〔＝１.３８×１０^−２３（Ｊ／Ｋ）〕
Ｔ：温度〔室温であれば、約３００（Ｋ）〕
上記した（数１）式は、βは△Ｅの指数に比例することを示している。例えば、エミッタ層がｎ型ＧａＮ、ベース層がｐ型ＩｎＧａＮであるＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴにおいて、Ｉｎ組成が１２％（原子比率）のベース層を用いると△Ｅ＝４００（ｍｅＶ）となる。したがって、（数１）式を用いるとβは△Ｅ＝０の場合（ヘテロ接合を用いないホモ接合のバイポーラトランジスタ）に比べて、５×１０^６（５百万）倍にも達する。実用上、βはこの程度あれば十分である。
【００１１】
また、ｐ型ＩｎＧａＮではＩｎ組成が高いほど抵抗が低くなる。ベース層の抵抗が低いとＣＲ時定数が小さくなり、遅延時間が少なくなるので、高速化に有利である。したがって、ｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴでは、ベース層のＩｎ組成を高くすることによって、▲１▼βを高くする、▲２▼ＣＲ時定数を小さくする、ことが最も良い方法である。
ここで、高いβだけを得るためには、確かに、エミッタ層にｎ型ＧａＮよりもバンドギャップが大きなｎ型ＡｌＧａＮを利用することも考えられる。しかしながら、ＡｌＧａＮエミッタ層を用いた場合、以下のような問題がある。
（１）上述したように、βはある程度高ければ良いので、高いβを得るだけでは実用上の意味が無い。
（２）ｐ型ＩｎＧａＮを成長する最適な温度は、ＡｌＧａＮを成長するのに適した成長温度よりも２００℃以上も低い。したがって、ｐ型ＩｎＧａＮの上に結晶品質の良好なＡｌＧａＮ層を成長することができないために、かえって、電流利得が低くなる可能性がある。
（３）Ａｌを含む化合物半導体は、酸化され易いのでＨＢＴの動作が不安定になる可能性がある。ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＨＢＴでは、ＡｌＧａＡｓが酸化され易く、ドナー準位が深い、ことが報告されている。このことから、エミッタ層として、Ａｌを含むＡｌＧａＡｓの代わりに、ＩｎＧａＰが用いられることが多い。
以上のような問題点があるため、ｐ型ＩｎＧａＮをベース層に用いたＨＢＴでは、ＡｌＧａＮをエミッタに用いる積極的な理由は無かった。このように、ＡｌＧａＮエミッタ層を用いたｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮＨＢＴ開発のメリットは無かったので、その開発は行われていなかった。今後、ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮＨＢＴの開発を行うためには、ここで示した３つの問題点を凌駕するような新しい特徴が必要であった。
【００１２】
ｐ型ＧａＮをベース層に用いたｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＢＴの報告例がある。このＨＢＴでは、ベース層にＧａＮを用いているために、必然的に、エミッタ層はＧａＮよりもバンドギャップの大きなＡｌＧａＮを用いなければならない。ただし、このＨＢＴではＩｎＧａＮベース層を使用していないので、ＡｌＧａＮを成長するための温度を低くする必要は無い。したがって、上記（２）の項で指摘した問題点、つまり、ＡｌＧａＮ層の結晶品質が劣化する問題点を考慮する必要は無い。さらに、従来のｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＢＴでは、ベース層にＧａＮを用いているので、ベース層には図５で示したような窪み１５は発生しない。このため、ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴで問題となった図７に示す、エッチングされた窪みにも形成されたベース電極１７を介したリーク電流を考慮することは無かった。このように、従来のＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＢＴでは、電流利得を高くするためだけにＡｌＧａＮエミッタ層を使用していた。
【００１３】
本発明の目的は、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴにおいて、エミッタ／ベース間ダイオードの立ち上がり電圧が高いという問題点を解決し、この立ち上がり電圧をバンドギャップから予想される値まで低くする構造を提供することにある。
【００１４】
さらに、本発明の目的は、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における立ち上がり電圧が高いという問題点を解決し、この立ち上がり電圧をバンドギャップから予想される値まで低くする構造を提供することにある。
【００１５】
さらに、本発明の目的は、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性の降伏電圧がコレクタ層のバンドギャップから予想される値よりも大幅に低いという問題点を解決し、この降伏電圧を予想値に近い値まで高くする構造を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
本発明は請求項１に記載のように、基板上に、コレクタ層、ベース層、エミッタ層をこの順に積層した構造を有し、上記エミッタ層にＡｌ原子を含むｎ型窒化物半導体を用い、上記ｎ型窒化物半導体よりもバンドギャップが小さいｐ型ＩｎＧａＮをベース層に用い、コレクタ層としてｎ型ＧａＮを用いてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、上記ベース層と上記コレクタ層との間に、伝導帯不連続の影響を無くするＩｎ組成を変化させたＩｎＧａＮよりなるグレーデッド層を挿入してなる窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００１７】
また、請求項２に記載のように、請求項１に記載の窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記ベース層を成長する際に発生した窪みを上記エミッタ層の構成要素であるｎ型窒化物半導体で埋め込み、かつ上記エミッタ層の一部をエッチング除去することによって露出した上記ベース層にベース電極を形成してなる窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００１８】
また、請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層の構成要素であるｎ型窒化物半導体がｎ型ＡｌＧａＮである窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００１９】
また、請求項４に記載のように、請求項１または２に記載の窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層の構成要素であるｎ型窒化物半導体がｎ型ＩｎＡｌＧａＮまたはｎ型ＩｎＡｌＮである窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００２０】
また、請求項５に記載のように、請求項１ないし３のいずれかに記載の窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層のＡｌ組成は原子比率で１５％であり、上記ベース層のＩｎ組成は原子比率で１２％である窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００２１】
また、請求項６に記載のように、請求項１ないし３のいずれかに記載の窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層のＡｌ組成は原子比率で１５％であり、上記ベース層のＩｎ組成は原子比率で７％であることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタとするものである。
【００２６】
本発明は、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴにおいて、エミッタ層にＡｌ原子を含んだｎ型窒化物半導体を使用することを最も主要な特徴とする。従来の技術とは、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴにおいて、エミッタ層にｎ型ＧａＮの代わりにＡｌ原子を含む窒化物半導体を用いた点が異なる。
【００２７】
また、後述する実施の形態で示されるように、エミッタ層にＡｌを含んだｎ型窒化物半導体を用いるとｐ型ＩｎＧａＮベース層を含むＩｎＧａＮを成長する際に発生した窪みをＡｌを含む窒化物半導体が覆い尽くす。この窪みの部分では、バンドギャップの大きなＡｌＧａＮが存在するので、窪みを介したリーク電流が流れにくくなる。このため、ｎｐｎ型窒化物半導体ＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードの立ち上がり電圧をバンドギャップから予想される値まで低くすることができる。さらに、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における立ち上がり電圧をバンドギャップから予想される値まで低くすることができる効果がある。また、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における降伏電圧をコレクタ層のバンドギャップから予想される値に近い値まで高くすることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
〈実施の形態１〉
図８に、本発明の実施の形態で作製したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＢＴの層構造の一例を示す。なお、組成を示す％はすべて原子％（原子比率）を表わす。
ｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＢＴの構造は、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、ＳｉＣ基板２７上に作製した。
図８において、２１はｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層（Al:15%、Si:5×10^１８cm^−３、50nm）、２２はｐ型ＩｎＧａＮベース層(In:12%、Mg:1×10^１９cm^−３、100nm)、２３はグレーデッドＩｎＧａＮ層(30nm)、２４はｎ型ＧａＮコレクタ層(Si:2×10^１７cm^−３、500nm)、２５はｎ型ＧａＮサブ・コレクタ層(Si:3×10^１８cm^−３、1μm)、２６はＡｌＮバッファー層(100nm)、２７はＳｉＣ基板、２８はＡｌ／Ａｕ（エミッタ電極）、２９はＰｄ／Ａｕ（ベース電極）、３０はＡｌ／Ａｕ（コレクタ電極）である。
【００２９】
エミッタ層、ベース層、およびコレクタ層には、それぞれ、ｎ型ＡｌＧａＮ、ｐ型ＩｎＧａＮ、およびｎ型ＧａＮを用いている。ｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層のＡｌ組成は１５％、ｐ型ＩｎＧａＮ層のＩｎ組成は１２％である。また、ｐ型ＩｎＧａＮベース層とｎ型ＧａＮコレクタ層の間には、ＩｎＧａＮとＧａＮの伝導帯不連続の影響を無くすために、Ｉｎ組成を変化させたＩｎＧａＮ層（グレーデッドＩｎＧａＮ層）を挿入している。
【００３０】
まず、水素ガスをキャリアガスとして、ＳｉＣ基板２７上に、１１００℃で、ＡｌＮバッファー層２６を成長し、その後、１０００℃で、ｎ型ＧａＮサブ・コレクタ層２５を成長する。
次に、キャリアガスを窒素に変えて、７８０℃でグレーデッドＩｎＧａＮ層２３、ｐ型ＩｎＧａＮベース層２３、ｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層２１を成長する。このようにして成長したＨＢＴ用ウエハを、フォトリソグラフィーとドライエッチング法を用いて加工した。そして、電子ビーム蒸着法によって、各電極層〔Ａｌ／Ａｕ（エミッタ電極）２８、Ｐｄ／Ａｕ（ベース電極）２９、Ａｌ／Ａｕ（コレクタ電極）３０〕を形成した。
【００３１】
図９には、作製したＨＢＴ構造の平面図を示した。図において、２１ａは露出したエミッタ層、２２ａは露出したベース層、２５ａは露出したコレクタ層を示す。なお、エミッタ電極サイズは約３０μｍ×約５０μｍ、ベース電極サイズは約８０μｍ×約８０μｍである。
【００３２】
図１０は、ｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードのＩ−Ｖ特性（実線で示す）、および、図２で示したｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードのＩ−Ｖ特性（点線で示す）の比較を示した。ＡｌＧａＮエミッタ層を用いたエミッタ／ベース間ダイオードでは、ＧａＮエミッタ層を用いた場合に比べて、大幅に電流が流れ易くなっていることが分かる。
【００３３】
図１１は、ｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオード、およびベース／コレクタ間ダイオードのＩ−Ｖ特性の比較を示す。図１１から、エミッタ／ベース間ダイオード、およびベース／コレクタ間ダイオードの立ち上がり電圧は、それぞれ約５（Ｖ）および約３（Ｖ）である。このエミッタ／ベース間ダイオード、およびベース／コレクタ間ダイオードの立ち上がり電圧は、それぞれ、１５％のＡlＧａＮおよび１２％のＩｎＧａＮのバンドギャップに対応する。１５％のＡlＧａＮおよび１２％のＩｎＧａＮのバンドギャップは、それぞれ、約４（Ｖ）および約３（Ｖ）であるので、図１１のＩ−Ｖ特性における立ち上がり電圧は、バンドギャップから予想される値にほぼ等しいことが分かる。ＡｌＧａＮエミッタ層を用いたエミッタ／ベース間ダイオードにおいて、その立ち上がり電圧がバンドギャップに比べて１（Ｖ）程度大きくなったのは、電極層のオーミック特性が良くなかったことが原因だと考えられる。
【００３４】
図１２は、ｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＧａＮＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性を示す。ＡｌＧａＮエミッタ層を用いたのにもかかわらず、電流利得βの最大値は１２であった。ＧａＮエミッタ層を１５％のＡｌＧａＮエミッタ層に変えた場合、両者のバンドギャップ差は約０.４（Ｖ）である。したがって、（数１）式から、図３で得られてたＧａＮエミッタ層のβに比べて、ＡｌＧａＮエミッタ層では約５×１０^６（５百万）倍も高いβが得られることが予想されるが、実際のβは図３のβと同程度であった。この理由は、上述したように、ＩｎＧａＮの成長に適した低い温度（７８０℃）でＡｌＧａＮを成長したために、ＡｌＧａＮの結晶品質が劣化したためである。一方、ＧａＮよりもバンドギャップの大きなＡｌＧａＮをエミッタ層に用いたのにもかかわらず、図１２の特性における立ち上がり電圧は約２（Ｖ）であり、ＧａＮエミッタ層に用いた図３の特性における立ち上がり電圧（約６（Ｖ））に比べて十分に小さくなっている。また、図１２の特性における立ち上がり電圧は、エミッタ層に用いたＡｌＧａＮとベース層に用いたＩｎＧａＮのバンドギャップ差〔約１（Ｖ）〕にほぼ等しい。この立ち上がり電圧がバンドギャップ差に一致しない理由は、各電極のオーミック特性が完全でないことに起因するものと考えられる。この理由は、図１１のダイオード特性における立ち上がり電圧とバンドギャップ差が一致しない理由と同様である。
【００３５】
ここで、ＡｌＧａＮエミッタ層を用いたＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性において、立ち上がり電圧が減少した理由について考察する。図１３は、ＭＯＶＰＥ法で成長したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮＨＢＴ用のウエハを示す。エミッタ層にＡｌＧａＮを用いるとｐ型ＩｎＧａＮベース層を形成する際に発生した窪みをＡｌＧａＮが覆い尽くす。この点が、図５に示したＧａＮをエミッタ層に用いたＨＢＴウエハとの大きな違いである。ｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮＨＢＴ用ウエハを加工して、電極を形成したＨＢＴ構造を図１に示す。
【００３６】
本発明では、窪みの部分がバンドギャップの大きなｎ型ＡｌＧａＮで埋め込まれている。したがって、ベース電極からの電流は、バンドギャップの大きなＡｌＧａＮ層には流れにくく、バンドギャップの小さなＩｎＧａＮに有効に流れることになる。したがって、窪みを介したリーク電流が流れにくくなる。このため、ＡｌＧａＮエミッタ層を用いることにより、ｎｐｎ型窒化物半導体ＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードの立ち上がり電圧をバンドギャップから予想される値まで低くすることができ、さらに、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における立ち上がり電圧もバンドギャップから予想される値まで低くすることができたものと考えられる。
【００３７】
〈実施の形態２〉
本発明の実施の形態のもう一つの例を示す。図１４は、本発明を適用したＨＢＴ構造である。構造の成長および作製方法は、上述した〈実施の形態１〉で述べた通りである。エミッタ層はｎ型ＡｌＧａＮであり、ベース層はｐ型ＩｎＧａＮである。このｐ型ＩｎＧａＮのＭｇ原子濃度は、１.５×１０^１９ｃｍ^−３であり、〈実施の形態１〉の図８で示したベース層のＭｇ不純物よりも高くしてある。このように、Ｍｇ濃度を高くした場合には、バイアス電圧を高くしても、ｐ型ＩｎＧａＮは空乏化しにくくなる。つまり、ｐ型ＩｎＧａＮ層の空乏化による降伏現象を避けることができる。また、Ｉｎ組成は７％である。図１５は、このＨＢＴの室温におけるエミッタ接地Ｉ−Ｖの一例を示す。ベース電流は、１ｍＡずつ変化させている。コレクタ／エミッタ間電圧が７０（Ｖ）でもＨＢＴが正常に動作していることが分かる。図１６も室温におけるエミッタ接地Ｉ−Ｖのもう一つの例である。ここでは、ベース電流が０の時の降伏電圧を調べるために、ベース電流の値を低くし、コレクタ電流も低くしている。ベース電流は０.５ｍＡずつ変化させている。図１６からわかるように、ベース電流が０の時の降伏電圧は１００（Ｖ）である。このＨＢＴにおけるコレクタ層の厚さは５００ｎｍであるので、降伏電界強度は、
１００（Ｖ）÷５００（ｎｍ）＝２（ＭＶ／ｃｍ）
となる。このように、本発明を適用したＨＢＴでは、その降伏電圧がＧａＮのバンドギャップから予想される降伏電圧〔３（ＭＶ／ｃｍ）〕に匹敵する値まで高くすることができる。
【００３８】
従来の技術で説明したように、ＩｎＧａＮ、あるいは、それに引き続き成長するＧａＮでは、コレクタ表面に存在する欠陥によって発生した窪みを埋め込むことはできない。これに対して、本発明では、エミッタ層にＡｌＧａＮを用いることによって、窪みを埋め込むことが可能となった。したがって、窪みを埋め込むためには、エミッタ層にＡｌ原子を含むＩｎＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮなどの混晶でも同様な効果が期待できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、ベース層にｐ型ＩｎＧａＮを用いたｎｐｎ型ＨＢＴにおいて、エミッタ層にＡｌを含む窒化物半導体を用いる。その結果、コレクタ表面に存在する結晶欠陥によって形成された窪みを介するリーク電流を抑えることができるので、エミッタ／ベース間ダイオードの立ち上がり電圧をバンドギャップから予想できる値まで低くできるという利点がある。さらに、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における立ち上がり電圧もバンドギャップから予想できる値まで低くできるという利点がある。また、エミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における降伏電圧をコレクタ層のバンドギャップから予想される値に近い値まで高くすることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮＨＢＴ構造を示す模式図。
【図２】従来のｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴのｎ型ＧａＮエミッタ層とｐ型ＩｎＧａＮベース層から構成されるｐ−ｎ接合ダイオードのＩ−Ｖ特性と理想的なＩ−Ｖ特性を示す図。
【図３】従来のｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性を示す図。
【図４】従来のＨＢＴの一般的な作製プロセスを示す工程図。
【図５】従来のｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴ用ウエハを示す模式図。
【図６】従来のエッチング後のＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴ用ウエハを示す模式図。
【図７】従来のｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴ構造を示す模式図。
【図８】本発明の実施の形態１で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴの層構造を示す模式図。
【図９】本発明の実施の形態１で例示したＨＢＴ構造の平面図を示す。
【図１０】本発明の実施の形態１で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードのＩ−Ｖ特性（実線）、および図２で示したｎｐｎ型ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオードのＩ−Ｖ特性（点線）の比較を示す図。
【図１１】本発明の実施の形態１で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴにおけるエミッタ／ベース間ダイオード、およびベース／コレクタ間ダイオードのＩ−Ｖ特性の比較を示す図。
【図１２】本発明の実施の形態１で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性を示す図。
【図１３】本発明の実施の形態１で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴ用ウエハの構造を示す模式図。
【図１４】本発明の実施の形態２で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴの層構造を示す模式図。
【図１５】本発明の実施の形態２で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性を示す図。
【図１６】本発明の実施の形態２で例示したｎｐｎ型ＡｌＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮＨＢＴのエミッタ接地Ｉ−Ｖ特性における降伏電圧を示す図。
【符号の説明】
１…ｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層
２…ｐ型ＩｎＧａＮベース層
３…ｎ型ＧａＮコレクタ層
４…グレーデッドＩｎＧａＮ層
５…ｎ型ＡｌＧａＮで埋め込まれた窪み
６…エミッタ電極
７…ベース電極
８…コレクタ電極
９…ｎ型ＧａＮエミッタ層
１０…ｐ型ＩｎＧａＮベース層
１１…ｎ型ＧａＮコレクタ層
１２…ｐ型電極
１３…ｎ型電極
１４…コレクタ表面に存在する欠陥
１５…窪み
１６…エッチングされてコレクタ内部まで到達した窪み
１７…エッチングされた窪みにも形成されたベース電極
１８…エミッタ電極
１９…ベース電極
２０…コレクタ電極
２１…ｎ型ＡｌＧａＮエミッタ層（Al:15%、Si:5×10^１８cm^−３、50nm）
２１ａ…露出したエミッタ層
２２…ｐ型ＩｎＧａＮベース層(In:12%、Mg:1×10^１９cm^−３、100nm)
２２ａ…露出したベース層
２３…グレーデッドＩｎＧａＮ層(30nm)
２４…ｎ型ＧａＮコレクタ層(Si:2×10^１７cm^−３、500nm)
２５…ｎ型ＧａＮサブ・コレクタ層(Si:3×10^１８cm^−３、1μm)
２５ａ…露出したコレクタ層
２６…ＡｌＮバッファー層(100nm)
２７…ＳｉＣ基板
２８…Ａｌ／Ａｕ（エミッタ電極）
２９…Ｐｄ／Ａｕ（ベース電極）
３０…Ａｌ／Ａｕ（コレクタ電極）
３１…ｎ-ＧａＮキャッップ（２０ｎｍ）
３２…ｎ-ＡｌＧａＮエミッタ（Al:15%、Si:2×10^１９cm^−３、30nm）
３３…ｐ-ＩｎＧａＮベース(In:7%、Mg:1.5×10^１９cm^−３、100nm)
３４…傾斜ＩｎＧａＮ(30nm)
３５…ｎ-ＧａＮコレクタ(Si:1×10^１７cm^−３、500nm)
３６…ｎ-ＧａＮサブ・コレクタ(1μm)
３７…ＡｌＮバッファー層(100nm)
３８…ＳｉＣ基板
３９…Ａｌ／Ａｕ（エミッタ電極）
４０…Ｐｄ／Ａｕ（ベース電極）
４１…Ａｌ／Ａｕ（コレクタ電極）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nitride semiconductor npn heterojunction bipolar transistor (HBT) used for a high-output power amplifier for high-frequency communication.
[0002]
[Prior art]
Nitride semiconductors are attracting attention as materials for high-frequency and high-power electronic devices because of their large band gap, high saturation electron velocity, and chemical stability compared to other III-V compound semiconductors. ing. On the other hand, HBT, which is a kind of electronic device, is a device capable of exhibiting high output in a high frequency region because it has characteristics of high current density and high breakdown voltage.
From the above, if an HBT can be manufactured using a nitride semiconductor, a device that exhibits an extremely high output in the high-frequency region can be manufactured both from the material side and the device side. For this reason, a nitride semiconductor HBT has been developed. However, this HBT has the following three major problems.
[0003]
The first problem is that “in an InGaN / GaN-based pn junction diode, a pn junction diode in which a p-type layer is formed on an n-type layer has good characteristics, whereas a p-type layer The rise voltage in the forward current-voltage (IV) characteristic of the pn junction diode having the n-type layer formed thereon is higher than the value expected from the band gap. " In particular, in a nitride semiconductor npn-type HBT, the rising voltage of the forward IV characteristic of a pn junction diode composed of an n-type emitter layer and a p-type base layer is higher than expected. Is the problem. The npn-type HBT indicates that the emitter layer is n-type, the base layer is p-type, and the collector layer is n-type.
FIG. 2 shows the IV characteristic of a pn junction diode composed of an n-type GaN emitter layer and a p-type InGaN base layer of an npn-type InGaN / GaN HBT as a solid line. In addition, ideal IV characteristics are also indicated by dotted lines. As expected from the band gap of the nitride semiconductor, the ideal rising voltage of the IV characteristic is about 3 (V). On the other hand, in an actual emitter / base diode, it is difficult for the forward current to flow, and the rising voltage is high.
[0004]
The second problem is that "the rising voltage is higher than the value expected from the band gap in the grounded emitter IV characteristics of an npn type HBT using p-type InGaN as the base layer." . Since the p-type InGaN layer has a lower resistance than the p-type GaN layer, it is advantageous for increasing the speed of the HBT.
FIG. 3 shows an example of the grounded emitter IV characteristic of the npn type InGaN / GaN HBT. [T. Makimoto, K. Kumakura and N. Kobayashi, Appl. Phys. Lett. Vol. 79, pp. 380-381 (2001).]. In this HBT, n-type GaN is used for the emitter layer and p-type InGaN is used for the base layer. The “rising voltage” shown in FIG. 3 corresponds to the difference between the band gap of the semiconductor constituting the emitter layer and the band gap of the semiconductor constituting the base layer. Therefore, the normal HBT rise voltage is about 1 (V). However, since the rising voltage in FIG. 3 is 6 (V), it can be seen that it is considerably larger than the expected value. If this rising voltage is high, the voltage for flowing current increases accordingly, and the efficiency becomes worse. Therefore, it is desirable that the rising voltage is low.
The rising voltage in the grounded emitter IV characteristic is the difference between the rising voltages of the emitter / base diode and the base / collector diode. Therefore, by suppressing the rising voltage of the emitter / base diode to a low level, there is a possibility that the rising voltage of the grounded emitter IV characteristic can be lowered. That is, if the first problem can be solved, the second problem may be solved automatically.
[0005]
The third problem is that, in an HBT using a p-type nitride semiconductor containing In as a base layer, the breakdown voltage in the grounded emitter IV characteristic is not as high as expected from the band gap of the nitride semiconductor. Is a point. One feature of the nitride semiconductor HBT is that the output is large. Since this output is proportional to the breakdown voltage, it is desirable that the breakdown voltage is high. In a conventional HBT using p-type InGaN as a base layer and n-type GaN as an emitter, the breakdown voltage is about 20 (V). (T. Makimoto, K. Kumakura and N. Kobayashi, Appl. Phys. Lett. Vol. 79, pp. 380-381 (2001.)) This breakdown voltage is determined by the product of the collector layer thickness and the breakdown field strength. . Since the thickness of the collector layer in this conventional HBT is 500 nm, the breakdown electric field strength is
20 (V) ÷ 500 (nm) = 0.4 (MV / cm)
It becomes. On the other hand, the breakdown voltage expected from the band gap of GaN is 3 (MV / cm). [JCZolper, Solid-State Electronics Vol. 42, pp. 2153-2156 (1998)] Thus, in the conventional HBT, the breakdown voltage of the grounded emitter IV characteristic is considerably lower than expected, and nitriding There was a problem that the characteristics of physical semiconductors were not fully utilized.
[0006]
A general manufacturing process of a conventional HBT is shown in FIG. In this process, first, a crystal for an HBT wafer is grown by a metal organic chemical vapor deposition method (MOVPE method) [step (a)]. That is, the n-type GaN emitter layer 9, the p-type InGaN base layer 10, and the n-type collector layer 11 are stacked.
Next, the wafer is etched to expose the base layer [step (b)] and the collector layer surface [step (c)]. Then, the p-type electrode 12 is formed on the base layer [step (d)], the n-type electrode 13 is formed on the emitter layer, and the n-type electrode 13 is formed on the collector layer [step (e)].
Here, the reason why the rising voltage of the emitter / base diode of the npn-type InGaN / GaN HBT is high and the reason why the breakdown voltage is lower than an expected value are considered as follows. First, when the graded InGaN layer 4 and the p-type InGaN base layer 10 are grown on the n-type GaN collector layer 11, InGaN does not grow around the defects 14 existing on the surface of the n-type GaN collector layer 11. A recess 15 is formed. Even when the n-type GaN layer 9 as the emitter layer is grown, it does not grow in the portion of the recess 15 (see FIG. 5).
[0007]
Next, when the p-type InGaN base layer 10 is chamfered, when this layer structure is etched, the portion of the recess 15 shown in FIG. A recess 16 that reaches the inside of is formed (see FIG. 6). When the base electrode 19 is formed on the base surface on which the depression 16 is formed, a part of the base electrode 19 comes into contact with the n-type GaN collector layer 11 (see FIG. 7). Therefore, when a voltage is applied, a leak current flows in this portion. It is considered that the rising voltage is increased because the current is less likely to flow through the emitter / base diode by this leakage current. Further, it is considered that the breakdown voltage of the grounded emitter IV characteristic is lowered by this leakage current. Here, the generation of the recess 15 shown in FIG. 5 is a problem observed for the first time by using the p-type InGaN base layer 10. In the A1GaN / GaN-based HBT that does not use the p-type InGaN base layer, this depression was not a problem.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Here, in the heterojunction bipolar transistor, a large current gain can be obtained by the difference between the band gap of the material used for the emitter layer and the band gap of the material used for the base layer. The current gain (β) and the band gap difference (ΔE) between the two have the following relationship (Equation 1).
[0009]
β to exp (qΔE / kT) (Equation 1)
In the formula, ~ represents a proportionality.
[0010]
q: Elementary charge [= 1.6 × 10 ^-19 (C)]
k: Boltzmann constant [= 1.38 × 10 ^-23 (J / K)]
T: Temperature [about 300 (K) at room temperature]
The above equation (Equation 1) indicates that β is proportional to the index of ΔE. For example, in an InGaN / GaN HBT in which the emitter layer is n-type GaN and the base layer is p-type InGaN, if a base layer having an In composition of 12% (atomic ratio) is used, ΔE = 400 (meV). Therefore, using the formula (1), β is 5 × 10 5 in comparison with the case where ΔE = 0 (a homojunction bipolar transistor not using a heterojunction). ⁶ It reaches (5 million) times. Practically, β should be about this level.
[0011]
In p-type InGaN, the higher the In composition, the lower the resistance. If the resistance of the base layer is low, the CR time constant becomes small and the delay time is reduced, which is advantageous for speeding up. Therefore, in the case of npn type InGaN / GaN HBTs, (1) β is increased and (2) CR time constant is decreased by increasing the In composition of the base layer.
Here, in order to obtain only high β, it may be considered to use n-type AlGaN having a larger band gap than n-type GaN for the emitter layer. However, when an AlGaN emitter layer is used, there are the following problems.
(1) As described above, β needs only to be high to some extent, so it is meaningless to obtain a high β.
(2) The optimum temperature for growing p-type InGaN is 200 ° C. or more lower than the growth temperature suitable for growing AlGaN. Therefore, since an AlGaN layer with good crystal quality cannot be grown on p-type InGaN, the current gain may be lowered.
(3) Since the compound semiconductor containing Al is easily oxidized, the operation of the HBT may become unstable. In AlGaAs / GaAs HBTs, it has been reported that AlGaAs is easily oxidized and has a deep donor level. Therefore, InGaP is often used for the emitter layer instead of AlGaAs containing Al.
Because of the above problems, there is no positive reason to use AlGaN as the emitter in the HBT using p-type InGaN as the base layer. Thus, since there was no merit of npn type AlGaN / InGaN HBT development using an AlGaN emitter layer, the development was not performed. In the future, in order to develop an AlGaN / InGaN HBT, a new feature that surpasses the three problems shown here was necessary.
[0012]
There is a report example of an npn-type AlGaN / GaN HBT using p-type GaN as a base layer. In this HBT, since GaN is used for the base layer, the emitter layer must inevitably use AlGaN having a larger band gap than GaN. However, since the HBT does not use an InGaN base layer, it is not necessary to lower the temperature for growing AlGaN. Therefore, it is not necessary to consider the problem pointed out in the above item (2), that is, the problem that the crystal quality of the AlGaN layer deteriorates. Further, in the conventional npn type AlGaN / GaN HBT, since GaN is used for the base layer, the recess 15 as shown in FIG. 5 does not occur in the base layer. For this reason, the leakage current through the base electrode 17 formed also in the etched depression shown in FIG. 7 which is a problem in the InGaN / GaN HBT has not been considered. Thus, in the conventional AlGaN / GaN HBT, the AlGaN emitter layer is used only to increase the current gain.
[0013]
The object of the present invention is to solve the problem that the rise voltage of the emitter / base diode is high in the npn type HBT using p-type InGaN as the base layer, and lower this rise voltage from the band gap to an expected value. It is to provide a structure to do.
[0014]
Furthermore, an object of the present invention is to solve the problem that the rising voltage of the npn-type HBT using p-type InGaN as the base layer has a high rising voltage, and the rising voltage is expected from the band gap. It is to provide a structure that lowers the height.
[0015]
Furthermore, an object of the present invention is that the breakdown voltage of the grounded emitter IV characteristic of an npn type HBT using p-type InGaN as a base layer is significantly lower than a value expected from the band gap of the collector layer. The object is to provide a structure for increasing the breakdown voltage to a value close to an expected value.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as described in the claims. That is,
The present invention as claimed in claim 1 It has a structure in which a collector layer, a base layer, and an emitter layer are laminated in this order on a substrate. An n-type nitride semiconductor containing Al atoms is used for the emitter layer, and the band gap is smaller than that of the n-type nitride semiconductor. P-type InGaN Is used for the base layer and n-type as the collector layer GaN Using A heterojunction bipolar transistor having a graded layer made of InGaN with an In composition changed to eliminate the effect of conduction band discontinuity between the base layer and the collector layer This is a nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor.
[0017]
In addition, as claimed in claim 2, claim 1 Nitride heterojunction bipolar transistor according to In A base electrode is formed on the base layer exposed by filling a recess generated when the base layer is grown with an n-type nitride semiconductor that is a component of the emitter layer and etching away a part of the emitter layer. Nitride semiconductor formed This is a heterojunction bipolar transistor.
[0018]
Further, as described in claim 3, claim 1 or 2. The nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor according to 2 In the above The n-type nitride semiconductor, which is a component of the emitter layer, is n-type AlGaN. Is Nitride semiconductor This is a heterojunction bipolar transistor.
[0019]
Further, as described in claim 4, claim 1 is provided. Or the nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor according to 2 In the above The n-type nitride semiconductor which is a component of the emitter layer is n-type InAlGaN or n-type InAlN. Is Nitride semiconductor This is a heterojunction bipolar transistor.
[0020]
Further, as described in claim 5, claims 1 to 4. The nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor according to any one of 3 In the above, the Al composition of the emitter layer is 15% by atomic ratio, and the In composition of the base layer is 12% by atomic ratio. Nitride semiconductor This is a heterojunction bipolar transistor.
[0021]
Further, as described in claim 6, claims 1 to 4. The nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor according to any one of 3 The nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor is characterized in that the Al composition of the emitter layer is 15% by atomic ratio and the In composition of the base layer is 7% by atomic ratio.
[0026]
The main feature of the present invention is to use an n-type nitride semiconductor containing Al atoms in an emitter layer in an npn-type HBT using p-type InGaN as a base layer. The npn type HBT using p-type InGaN for the base layer is different from the conventional technique in that a nitride semiconductor containing Al atoms is used for the emitter layer instead of n-type GaN.
[0027]
In addition, as shown in the embodiments described later, when an n-type nitride semiconductor containing Al is used for the emitter layer, the pits generated when growing InGaN containing a p-type InGaN base layer are nitrides containing Al. The semiconductor is covered. Since AlGaN having a large band gap exists in the depression, it is difficult for a leak current to flow through the depression. Therefore, the rising voltage of the emitter / base diode in the npn nitride semiconductor HBT can be lowered from the band gap to an expected value. Furthermore, there is an effect that the rising voltage in the grounded emitter IV characteristic can be lowered from the band gap to an expected value. Further, the breakdown voltage in the grounded emitter IV characteristic can be increased to a value close to an expected value from the band gap of the collector layer.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<Embodiment 1>
FIG. 8 shows an example of a layer structure of npn-type AlGaN / GaN HBT manufactured in the embodiment of the present invention. In addition, all% which shows a composition represents atomic% (atomic ratio).
The structure of the npn-type AlGaN / GaN HBT was produced on the SiC substrate 27 using a metal organic vapor phase epitaxy method (MOVPE method).
In FIG. 8, 21 is an n-type AlGaN emitter layer (Al: 15%, Si: 5 × 10 ¹⁸ cm ^-3 , 50 nm), 22 is a p-type InGaN base layer (In: 12%, Mg: 1 × 10 ¹⁹ cm ^-3 , 100 nm), 23 is a graded InGaN layer (30 nm), 24 is an n-type GaN collector layer (Si: 2 × 10 ¹⁷ cm ^-3 , 500 nm), 25 is an n-type GaN sub-collector layer (Si: 3 × 10 ¹⁸ cm ^-3 1 μm), 26 is an AlN buffer layer (100 nm), 27 is a SiC substrate, 28 is Al / Au (emitter electrode), 29 is Pd / Au (base electrode), and 30 is Al / Au (collector electrode).
[0029]
For the emitter layer, the base layer, and the collector layer, n-type AlGaN, p-type InGaN, and n-type GaN are used, respectively. The Al composition of the n-type AlGaN emitter layer is 15%, and the In composition of the p-type InGaN layer is 12%. In addition, an InGaN layer with a changed In composition (graded InGaN layer) is inserted between the p-type InGaN base layer and the n-type GaN collector layer in order to eliminate the influence of the conduction band discontinuity between InGaN and GaN. ing.
[0030]
First, AlN buffer layer 26 is grown on SiC substrate 27 at 1100 ° C. using hydrogen gas as a carrier gas, and then n-type GaN sub-collector layer 25 is grown at 1000 ° C.
Next, the graded InGaN layer 23, the p-type InGaN base layer 23, and the n-type AlGaN emitter layer 21 are grown at 780 ° C. by changing the carrier gas to nitrogen. The HBT wafer thus grown was processed using photolithography and dry etching. And each electrode layer [Al / Au (emitter electrode) 28, Pd / Au (base electrode) 29, Al / Au (collector electrode) 30] was formed by the electron beam evaporation method.
[0031]
FIG. 9 shows a plan view of the manufactured HBT structure. In the figure, 21a represents an exposed emitter layer, 22a represents an exposed base layer, and 25a represents an exposed collector layer. The emitter electrode size is about 30 μm × about 50 μm, and the base electrode size is about 80 μm × about 80 μm.
[0032]
10 shows IV characteristics (shown by a solid line) of the emitter / base diode in the npn-type AlGaN / GaN HBT, and IV of the emitter / base diode in the npn-type InGaN / GaN HBT shown in FIG. Comparison of characteristics (indicated by dotted lines) is shown. It can be seen that the current between the emitter / base diodes using the AlGaN emitter layer is much easier to flow than when the GaN emitter layer is used.
[0033]
FIG. 11 shows a comparison of IV characteristics of an emitter / base diode and a base / collector diode in an npn-type AlGaN / InGaN HBT. From FIG. 11, the rising voltages of the emitter / base diode and the base / collector diode are about 5 (V) and about 3 (V), respectively. The rising voltages of the emitter / base diode and the base / collector diode correspond to the band gap of 15% AlGaN and 12% InGaN, respectively. Since the band gaps of 15% AlGaN and 12% InGaN are about 4 (V) and about 3 (V), respectively, the rising voltage in the IV characteristic of FIG. 11 is a value expected from the band gap. Is almost equal to In the emitter / base diode using the AlGaN emitter layer, the rise voltage is increased by about 1 (V) compared to the band gap. This is probably because the ohmic characteristics of the electrode layer are not good.
[0034]
FIG. 12 shows the grounded emitter IV characteristics of an npn-type AlGaN / GaN HBT. Despite the use of the AlGaN emitter layer, the maximum value of the current gain β was 12. When the GaN emitter layer is changed to a 15% AlGaN emitter layer, the band gap difference between the two is about 0.4 (V). Therefore, from the equation (1), the AlGaN emitter layer has about 5 × 10 5 compared to β of the GaN emitter layer obtained in FIG. ⁶ Although (5 million) times higher β is expected, the actual β was almost the same as β in FIG. This is because, as described above, AlGaN was grown at a low temperature (780 ° C.) suitable for InGaN growth, so that the crystal quality of AlGaN deteriorated. On the other hand, despite the fact that AlGaN having a larger band gap than GaN is used for the emitter layer, the rise voltage in the characteristics of FIG. 12 is about 2 (V), and the rise in the characteristics of FIG. 3 used for the GaN emitter layer. It is sufficiently smaller than the voltage (about 6 (V)). The rising voltage in the characteristics of FIG. 12 is substantially equal to the band gap difference [about 1 (V)] between AlGaN used for the emitter layer and InGaN used for the base layer. The reason why the rising voltage does not coincide with the band gap difference is considered to be due to the incomplete ohmic characteristics of each electrode. The reason for this is the same as the reason why the rising voltage and the band gap difference in the diode characteristics of FIG. 11 do not match.
[0035]
Here, the reason why the rising voltage is reduced in the grounded emitter IV characteristics of the HBT using the AlGaN emitter layer will be considered. FIG. 13 shows a wafer for npn-type AlGaN / InGaN HBT grown by the MOVPE method. When AlGaN is used for the emitter layer, the AlGaN covers the depression generated when the p-type InGaN base layer is formed. This is a significant difference from the HBT wafer using GaN as the emitter layer shown in FIG. FIG. 1 shows an HBT structure in which electrodes are formed by processing an npn-type AlGaN / InGaN HBT wafer.
[0036]
In the present invention, the depression is filled with n-type AlGaN having a large band gap. Therefore, the current from the base electrode hardly flows in the AlGaN layer having a large band gap, and effectively flows in InGaN having a small band gap. Therefore, it becomes difficult for a leak current to flow through the depression. For this reason, by using the AlGaN emitter layer, the rising voltage of the emitter / base diode in the npn type nitride semiconductor HBT can be lowered from the band gap to an expected value, and further in the grounded emitter IV characteristic. It is considered that the rising voltage could be lowered from the band gap to the expected value.
[0037]
<Embodiment 2>
Another example of the embodiment of the present invention will be shown. FIG. 14 shows an HBT structure to which the present invention is applied. The structure growth and fabrication method is as described in the above <Embodiment 1>. The emitter layer is n-type AlGaN, and the base layer is p-type InGaN. The Mg atom concentration of this p-type InGaN is 1.5 × 10 ¹⁹ cm ^-3 It is higher than the Mg impurity of the base layer shown in FIG. 8 of <Embodiment 1>. Thus, when the Mg concentration is increased, the p-type InGaN is not easily depleted even when the bias voltage is increased. That is, the breakdown phenomenon due to depletion of the p-type InGaN layer can be avoided. The In composition is 7%. FIG. 15 shows an example of the grounded emitter IV of this HBT at room temperature. The base current is changed by 1 mA. It can be seen that the HBT operates normally even when the collector-emitter voltage is 70 (V). FIG. 16 is another example of the grounded emitter IV at room temperature. Here, in order to investigate the breakdown voltage when the base current is 0, the value of the base current is lowered and the collector current is also lowered. The base current is changed by 0.5 mA. As can be seen from FIG. 16, the breakdown voltage when the base current is 0 is 100 (V). Since the thickness of the collector layer in this HBT is 500 nm, the breakdown electric field strength is
100 (V) ÷ 500 (nm) = 2 (MV / cm)
It becomes. Thus, in the HBT to which the present invention is applied, the breakdown voltage can be increased to a value comparable to the breakdown voltage [3 (MV / cm)] expected from the band gap of GaN.
[0038]
As described in the prior art, InGaN or GaN that subsequently grows cannot be used to fill a recess generated by a defect existing on the collector surface. In contrast, in the present invention, the depression can be embedded by using AlGaN for the emitter layer. Therefore, the same effect can be expected even in a mixed crystal such as InAlGaN or InAlN containing Al atoms in the emitter layer in order to fill the recess.
[0039]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, a nitride semiconductor containing Al is used for the emitter layer in the npn type HBT using p-type InGaN for the base layer. As a result, it is possible to suppress the leakage current through the depression formed by the crystal defects existing on the collector surface, and there is an advantage that the rising voltage of the emitter / base diode can be lowered from the band gap to a predictable value. Furthermore, there is an advantage that the rising voltage in the grounded emitter IV characteristic can be lowered from the band gap to a predictable value. Further, there is an advantage that the breakdown voltage in the grounded emitter IV characteristic can be increased to a value close to an expected value from the band gap of the collector layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an npn-type AlGaN / InGaN HBT structure exemplified in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing IV characteristics and ideal IV characteristics of a pn junction diode composed of an n-type GaN emitter layer and a p-type InGaN base layer of a conventional npn-type InGaN / GaN HBT.
FIG. 3 is a view showing a grounded emitter IV characteristic of a conventional npn-type InGaN / GaN HBT.
FIG. 4 is a process diagram showing a general manufacturing process of a conventional HBT.
FIG. 5 is a schematic view showing a conventional npn-type InGaN / GaN HBT wafer.
FIG. 6 is a schematic view showing a conventional InGaN / GaN HBT wafer after etching.
FIG. 7 is a schematic diagram showing a conventional npn-type InGaN / GaN HBT structure.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a layer structure of an npn-type AlGaN / InGaN / GaN HBT exemplified in the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a plan view of the HBT structure exemplified in the first embodiment of the present invention.
10 shows IV characteristics (solid line) of an emitter / base diode in the npn-type AlGaN / InGaN / GaN HBT exemplified in the first embodiment of the present invention, and the npn-type InGaN / GaN HBT shown in FIG. The figure which shows the comparison of the IV characteristic (dotted line) of the diode between emitter / bases.
FIG. 11 is a diagram showing a comparison of IV characteristics of an emitter / base diode and a base / collector diode in the npn-type AlGaN / InGaN / GaN HBT exemplified in the first embodiment of the present invention;
12 is a graph showing the grounded emitter IV characteristics of the npn-type AlGaN / InGaN / GaN HBT exemplified in the first embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 13 is a schematic diagram showing the structure of an npn-type AlGaN / InGaN / GaN HBT wafer exemplified in the first embodiment of the present invention.
14 is a schematic diagram showing a layer structure of an npn-type AlGaN / InGaN / GaN HBT exemplified in Embodiment 2 of the present invention. FIG.
FIG. 15 is a diagram showing a common emitter IV characteristic of the npn-type AlGaN / InGaN / GaN HBT exemplified in the second embodiment of the present invention;
FIG. 16 is a diagram showing a breakdown voltage in the grounded emitter IV characteristic of the npn-type AlGaN / InGaN / GaN HBT exemplified in the second embodiment of the present invention;
[Explanation of symbols]
1 ... n-type AlGaN emitter layer
2 ... p-type InGaN base layer
3 ... n-type GaN collector layer
4 ... Graded InGaN layer
5 ... depression embedded with n-type AlGaN
6 ... Emitter electrode
7 ... Base electrode
8 ... Collector electrode
9 ... n-type GaN emitter layer
10 ... p-type InGaN base layer
11 ... n-type GaN collector layer
12 ... p-type electrode
13 ... n-type electrode
14: Defect present on the collector surface
15 ... depression
16: A recess that has been etched and reaches the inside of the collector
17 ... Base electrode formed in etched recess
18 ... Emitter electrode
19 ... Base electrode
20 ... Collector electrode
21 ... n-type AlGaN emitter layer (Al: 15%, Si: 5 × 10 ¹⁸ cm ^-3 , 50nm)
21a ... exposed emitter layer
22 ... p-type InGaN base layer (In: 12%, Mg: 1 × 10 ¹⁹ cm ^-3 , 100nm)
22a ... exposed base layer
23 ... Graded InGaN layer (30nm)
24 ... n-type GaN collector layer (Si: 2 × 10 ¹⁷ cm ^-3 500nm)
25 ... n-type GaN sub-collector layer (Si: 3 × 10 ¹⁸ cm ^-3 1μm)
25a ... Exposed collector layer
26 ... AlN buffer layer (100nm)
27 ... SiC substrate
28 ... Al / Au (emitter electrode)
29 ... Pd / Au (base electrode)
30 ... Al / Au (collector electrode)
31 ... n-GaN cap (20nm)
32 ... n-AlGaN emitter (Al: 15%, Si: 2 × 10 ¹⁹ cm ^-3 , 30nm)
33 ... p-InGaN base (In: 7%, Mg: 1.5 × 10 ¹⁹ cm ^-3 , 100nm)
34 ... Inclined InGaN (30nm)
35 ... n-GaN collector (Si: 1 x 10 ¹⁷ cm ^-3 500nm)
36 ... n-GaN sub-collector (1μm)
37 ... AlN buffer layer (100nm)
38 ... SiC substrate
39 ... Al / Au (emitter electrode)
40 ... Pd / Au (base electrode)
41 ... Al / Au (collector electrode)

Claims

基板上に、コレクタ層、ベース層、エミッタ層をこの順に積層した構造を有し、上記エミッタ層にＡｌ原子を含むｎ型窒化物半導体を用い、上記ｎ型窒化物半導体よりもバンドギャップが小さいｐ型ＩｎＧａＮをベース層に用い、コレクタ層としてｎ型ＧａＮを用いてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、
上記ベース層と上記コレクタ層との間に、伝導帯不連続の影響を無くするＩｎ組成を変化させたＩｎＧａＮよりなるグレーデッド層を挿入してなることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 It has a structure in which a collector layer, a base layer, and an emitter layer are laminated in this order on a substrate. An n-type nitride semiconductor containing Al atoms is used for the emitter layer, and a band gap is smaller than that of the n-type nitride semiconductor. A heterojunction bipolar transistor using p-type InGaN as a base layer and n-type GaN as a collector layer ,
A nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor, wherein a graded layer made of InGaN having a changed In composition that eliminates the effect of conduction band discontinuity is inserted between the base layer and the collector layer. .

請求項１に記載の窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記ベース層を成長する際に発生した窪みを上記エミッタ層の構成要素であるｎ型窒化物半導体で埋め込み、かつ上記エミッタ層の一部をエッチング除去することによって露出した上記ベース層にベース電極を形成してなることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。2. The nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor according to claim 1 , wherein a depression generated when the base layer is grown is filled with an n-type nitride semiconductor which is a component of the emitter layer, and a part of the emitter layer is formed. A nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor, wherein a base electrode is formed on the base layer exposed by etching away .

請求項１または２に記載の窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層の構成要素であるｎ型窒化物半導体がｎ型ＡｌＧａＮであることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 3. The nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor according to claim 1 , wherein the n-type nitride semiconductor which is a component of the emitter layer is n-type AlGaN . 4.

請求項１または２に記載の窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層の構成要素であるｎ型窒化物半導体がｎ型ＩｎＡｌＧａＮまたはｎ型ＩｎＡｌＮであることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 3. The nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor according to claim 1 , wherein the n-type nitride semiconductor as a component of the emitter layer is n-type InAlGaN or n-type InAlN. 4. Bipolar transistor.

請求項１ないし３のいずれかに記載の窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層のＡｌ組成は原子比率で１５％であり、上記ベース層のＩｎ組成は原子比率で１２％であることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。4. The nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor according to claim 1 , wherein an Al composition of the emitter layer is 15% by atomic ratio, and an In composition of the base layer is 12% by atomic ratio. 5. A nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor.

請求項１ないし３のいずれかに記載の窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層のＡｌ組成は原子比率で１５％であり、上記ベース層のＩｎ組成は原子比率で７％であることを特徴とする窒化物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 4. The nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor according to claim 1 , wherein the Al composition of the emitter layer is 15% by atomic ratio, and the In composition of the base layer is 7% by atomic ratio. 5. A nitride semiconductor heterojunction bipolar transistor .