JP3990989B2 - ヘテロバイポーラトランジスタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンを含む半導体層を利用したヘテロバイポーラトランジスタに係り、特に、低駆動電圧化対策に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、エミッタ領域のバンドギャップがベース領域よりも大きくなるように、エミッタ領域とベース領域の組成を変化させることにより、エミッタの注入効率を大幅に向上させ、トランジスタの特性を向上させるヘテロバイポーラトランジスタ（以下、ＨＢＴという）は高機能素子として注目を集めている。このＨＢＴは、特に高周波特性が優れていることからマイクロ波・ミリ波帯域でのデバイスとして用いられつつある。ＨＢＴは、従来、III-Ｖ族化合物半導体であるＧａＡｓとＡｌＧａＡｓとの組み合わせなどにより作製されていたが、近年、ＳｉＧｅ層からなるベース層のバンドギャップがＳｉより小さいことを利用したＳｉＧｅＨＢＴの研究開発がさかんに進められている。
【０００３】
ＳｉＧｅＨＢＴは、Ｇｅのバンドギャップ（室温時０．６６ｅＶ）がＳｉのバンドギャップ（室温時１．１２ｅＶ）より小さく、ＳｉＧｅ混晶がＳｉよりバンドギャップが小さくなることを利用している。そして、エミッタ領域としてＳｉ層をベース領域としてＳｉＧｅ層をそれぞれ用い、エミッタ層に対してベース層のバンドギャップを小さくすることで、ホモＳｉバイポーラトランジスタでの駆動電圧（約０．７Ｖ）より低い電圧で駆動させることが可能となる。ここでの駆動電圧とは、バイポーラトランジスタが能動領域において、ベース・エミッタ間の電圧がベース・エミッタ間の拡散電位に等しくなった状態を指す。つまり、ＮＰＮバイポーラトランジスタにおいては、エミッタ層とベース層との価電子帯端のエネルギ差をある程度大きくして、ベース層からエミッタ層への正孔の注入を抑制しつつ、エミッタ層とベース層との伝導帯端のエネルギ差を小さくできることから、駆動電圧を低電圧化することができる。
【０００４】
また、ＨＢＴでは、ベース領域のＧｅ含有率をエミッタ領域からコレクタ領域へ向かう方向に徐々に増加させることにより、ベース領域のバンドギャップがエミッタ領域からコレクタ領域に向かう方向に徐々に小さくする傾斜組成を構成することが可能になる。この傾斜組成によって生じる電界により、ベース層中に注入されたキャリアが加速されドリフト走行する。このドリフト電界によって、拡散によるキャリアの速度より高速にできるため、ベース走行時間の短縮が図られ遮断周波数（ｆ_T ）を向上させることも可能となる。
【０００５】
しかし、Ｇｅの格子定数（５．６５Å）がＳｉの格子定数（５．４３Å）と異なるので、Ｇｅの含有率を大きくすると格子定数差による歪みに起因する転位が発生し、電気的特性が劣化する。すなわち、より低電圧駆動化を進めるには、ＳｉＧｅ層におけるＧｅの含有率を大きくする必要があるが、上述のように、ＳｉＧｅ層におけるＧｅの含有率を高くすると、Ｓｉ層との格子定数差がより大きくなるので、Ｇｅの含有率には上限がある。そこで、Ｃ結晶の格子定数がＳｉ結晶の格子定数よりも小さいことに着目して、ＳｉＧｅ層にＣを含有させたＳｉＧｅＣ混晶では歪みを低減させることが可能となる（非特許文献１参照）。そして、Ｓｉ層とＳｉＧｅＣ層との間のヘテロ接合を利用したＨＢＴが考えられるが、このＨＢＴにおいては、熱処理時にベース領域中に含まれる不純物がコレクタ領域側に拡散することにより、ベース・コレクタ間にいわゆるパラスティックバリアが形成される問題がある（非特許文献２参照）。そして、このパラスティックバリアが形成されることで、電流増倍率（β）の低下、アーリー電圧Ｖａや遮断周波数ｆ_T の劣化がおこる。これを解決するために、ベース・コレクタ間にアンドープのスペーサ層を介在する方法がある（非特許文献３参照）。Ｃは不純物拡散を抑制する効果がある（非特許文献４参照）。この効果により、ベース領域のｐ型不純物であるボロンのプロファイルが維持され、アーリー電圧Ｖａや遮断周波数ｆ_T などの特性が向上することが期待されている。
【０００６】
【非特許文献１】
L. D. Lanzerotti, A. St. Amour, C. W. Liu, J. C. Strum, J. K. Watanabe and N. D. Theodore, IEEE Electron Device Letters, Vol.17 No.7 334（1996）
【非特許文献２】
J. W. Slotboom, G. Streutker, A. Pruijmboom and D. J. Gravesteijn, IEEE Electron Device Letters 12 p.p. 486 （1991）
【非特許文献３】
E. J. Prinz, P. M. Garone, P. V. Schwartz, X. Xiano and J. Ｃ. Strum, IEDM Technology Digital p.p.853 （1991））。
【非特許文献４】
L. D. Lanzerotti, J. Ｃ. Strum, E. Stach, R. Hull, T. Buyuklimanli and C. Magee, Applied Physics Letters 70 （23） 3125 （1997）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＳｉＧｅＣ／Ｓｉヘテロ接合を利用したＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいては、以下のような問題があった。
【０００８】
電流増倍率をより向上させるなどのために、ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴのベース領域であるＳｉＧｅＣ層のバンドギャップをより小さくするには、Ｇｅの含有率をより大きくしなければならない。このとき、上述のように、Ｇｅ含有率の増大に伴う格子歪みを低減するには、Ｃの含有率を大きくすればよい。しかるに、本発明者達の行なった実験によると、例えば、Ｃの含有率が０．８％以上であるＳｉＧｅＣ層をベース領域として用いたＨＢＴにおいて、ベース電流のｎ値が約２となるなど、Ｃの含有率を高くするとＨＢＴの高周波特性が劣化することがわかった。以下、本発明者達の行なった実験結果について説明する。
【０００９】
図８（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、ＳｉＧｅ_0.268 ＨＢＴ，ＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0091ＨＢＴのガンメルプロットを示す図である。図９（ａ），（ｂ）は、それぞ順に、ＳｉＧｅ_0.268 ＨＢＴ，ＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0091ＨＢＴの電流増倍率（β）を示す図である。ただし、本明細書において、「ＳｉＧｅ_0.268 ＨＢＴ」，「ＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0091ＨＢＴ」などと表記するときは、Ｓｉの組成率は、１から他の材料（Ｇｅ，Ｃなど）の含有率を差し引いた値であることを意味する。
【００１０】
図８（ａ），（ｂ）を比較するとわかるように、ＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0091ＨＢＴのベース電流Ｉｂのｎ値（傾き）は、ＳｉＧｅ_0.268 ＨＢＴのｎ値に比べて著しく劣化している。また、図９（ａ），（ｂ）を比較するとわかるように、ＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0091ＨＢＴの電流増倍率βは最大値でも５０しかなく、ＳｉＧｅ_0.268 ＨＢＴの電流増倍率βの最大値が４００であるのに比べて劣化している。この原因は、ＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいてＣの含有率が１％に近くなると再結合電流が増大することからｎ値が劣化し、このｎ値の劣化によって、電流増倍率βが低下するものと思われる。
【００１１】
図１０は、ＳｉＧｅ_0.268 ＨＢＴ，ＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0091ＨＢＴのエミッタ・ベース間のダイオード特性の順方向の電流電圧特性の測定結果と、電子の再結合電流と拡散電流の和の計算値の測定結果とのフィッティングを調べるための図である。同図においては、ダイオードの電子の再結合電流と拡散電流の和の計算値をエミッタ・ベース間の空乏層中での再結合寿命（τr ）をパラメータとして測定結果とフィッティングさせている。このダイオード特性の結果から分かるように、Ｃの含有率が０％のＳｉＧｅＣ層（つまりＳｉＧｅ層）においては再結合寿命が約１００ｎｓｅｃであるのに対して、Ｃの含有率が０．９１％のＳｉＧｅＣ層においては再結合寿命が約４００ｐｓｅｃになる。このように、Ｃの含有率が１％に近くなると再結合寿命が著しく小さくなって再結合電流が非常に大きくなる結果、特性の劣化が生じているものと考えられる。
【００１２】
図１１（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、ベース領域に均一にＧｅを含有しているＳｉＧｅ_0.268 ＨＢＴのベース領域における再結合寿命を１×１０^-5ｓｅｃから１×１０^-9ｓｅｃまで変化させてガンメルプロット，電流増倍率をシミュレ−ションした結果を示す図である。図１１（ａ）からわかるように、再結合寿命が小さくなると、コレクタ電流はあまり影響は受けないものの、ベ−ス電流の再結合電流が非常に大きくなることによってｎ値が劣化することがわかる。また、図１１（ｂ）からわかるように、再結合寿命が小さくなると、上述のようにベ−ス電流の再結合電流が増加することによって電流増倍率βが大幅に低下する。このように、再結合寿命が小さくなった場合、トランジスタの特性を劣化させる原因となる。
【００１３】
Ｃの含有率が高いＳｉＧｅＣ−ＨＢＴにおいて、再結合寿命が小さくなる原因の一つとして、Ｃの含有率が高いＳｉＧｅＣ結晶の場合、結晶中の格子間位置に存在するＣの量が増加することが挙げられる。この格子間位置に存在するＣが再結合準位を構成し、再結合電流を増加させると考えられる。
【００１４】
本発明の目的は、エミッタ・ベ−ス間の再結合電流の減少と、低電圧駆動化，高周波特性の向上とを併せて実現しうるヘテロバイポーラトランジスタを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１のヘテロバイポーラトランジスタは、基板上に設けられ、Ｓｉを含む半導体材料からなる第１導電型のコレクタ領域と、上記コレクタ領域の上に設けられ、Ｃ含有率が不均一であるＳｉ_1-x-y Ｇｅ_x Ｃ_y 層（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）からなる第２導電型のベース領域と、上記ベース領域の上に設けられ、上記ベース領域との間でヘテロ接合を形成するＳｉを含む半導体材料からなる第１導電型のエミッタ領域とを備え、上記ベース領域のうちＣ含有率が最大の部分は、上記エミッタ領域に隣接する領域とは離れており、上記ベース領域のうち上記エミッタ領域に隣接する領域を除く領域が、上記エミッタ領域から上記コレクタ領域に向かう方向にＣ含有率が増大する組成を有する。
【００１６】
これにより、ベース領域のうちエミッタ領域に隣接する領域では比較的Ｃ含有率が低いので、エミッタ・ベース接合部に形成される空乏層にはＣ含有率の高い領域が少なくなり、空乏層における再結合中心の数を低減することができる。よって、再結合中心が空乏層に存在することに起因する再結合電流を抑制することができる。すなわち、ＳｉＧｅＣ層からなるベース領域を利用したヘテロ接合を利用して、低駆動電圧化を図りつつ、電流増倍率や高周波特性などの電気的特性の改善を図ることができる。そして、ベース領域のうちエミッタ領域に隣接する領域を除く領域が、エミッタ領域から上記コレクタ領域に向かう方向にＣ含有率が増大する組成を有することにより、Ｃ含有率が高く再結合中心の多い領域をできるだけエミッタ・ベース接合部から遠ざけて、再結合電流を抑制しつつ、低駆動電圧化を図ることができるという利点がある。
【００１７】
本発明の第２のヘテロバイポーラトランジスタは、基板上に設けられ、Ｓｉを含む半導体材料からなる第１導電型のコレクタ領域と、上記コレクタ領域の上に設けられ、Ｃ含有率が不均一であるＳｉ_{１−ｘ−ｙ} Ｇｅ_ｘ Ｃ_ｙ 層（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）からなる第２導電型のベース領域と、上記ベース領域の上に設けられ、上記ベース領域との間でヘテロ接合を形成するＳｉを含む半導体材料からなる第１導電型のエミッタ領域とを備え、上記ベース領域のうちＣ含有率が最大の部分は、上記エミッタ領域に隣接する領域とは離れており、上記ベース領域は、上記コレクタ領域に隣接する領域を含む第１ベース領域と、上記エミッタ領域に隣接する領域を含む第２ベース領域とに分けられており、第１ベース領域の少なくとも第２ベース領域側端部のバンドギャップが上記第２ベース領域のバンドギャップと等しいか小さく、上記第１ベース領域のＣの含有率は、上記第２ベース領域のＣの含有率よりも大きく、且つ、上記第１ベース領域のＧｅの含有率は、上記第２ベース領域のＧｅの含有率よりも大きく、上記第２ベース領域のＧｅの含有率及びＣの含有率は一定であり、上記第１ベース領域の少なくとも第２ベース領域側端部と第２ベース領域とにおけるＧｅ含有率の差をΔｘとし、第１ベース領域の少なくとも第２ベース領域側端部と第２ベース領域とにおけるＣ含有率の差をΔｙとしたときに、Δｘ≧４．２８８Δｙの関係がある。
【００１８】
これにより、ベース領域のうちエミッタ領域に隣接する領域では比較的Ｃ含有率が低いので、エミッタ・ベース接合部に形成される空乏層にはＣ含有率の高い領域が少なくなり、空乏層における再結合中心の数を低減することができる。よって、再結合中心が空乏層に存在することに起因する再結合電流を抑制することができる。すなわち、ＳｉＧｅＣ層からなるベース領域を利用したヘテロ接合を利用して、低駆動電圧化を図りつつ、電流増倍率や高周波特性などの電気的特性の改善を図ることができる。そして、第１ベース領域の少なくとも第２ベース領域側端部のバンドギャップが上記第２ベース領域のバンドギャップと等しいか小さいことにより、特に低駆動電圧化を著しく図ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
各実施形態について説明する前に、Ｓｉ，Ｇｅ及びＣを含む三元混晶半導体であるＳｉＧｅＣ層によってヘテロバイポーラトランジスタのベース層を構成したヘテロバイポーラトランジスタの基本的な利点について説明する。
【００２１】
図１は、ＳｉＧｅＣ三元混晶半導体におけるＧｅ及びＣの含有率とバンドギャップ，格子歪みの関係を示す状態図である。同図において、横軸はＧｅ含有率を表し縦軸はＣ含有率を表し、かつ、歪み量（圧縮歪み及び引っ張り歪みを含む），バンドギャップがそれぞれ一定となる組成条件を直線によって示している。図１中、ドットハッチングを施した領域は、Ｓｉ層上のＳｉＧｅＣ層における格子歪み量が１．０％以内で、かつバンドギャップが従来の実用的なＳｉＧｅ（Ｇｅ含有率が約１０％）のバンドギャップよりも小さくできる領域である。この領域は、Ｓｉ_1-x-y Ｇｅ_x Ｃ_y とあらわされるＳｉＧｅＣにおいて、Ｇｅの含有率をｘ、Ｃの含有率をｙとした場合、次の４つの直線
直線 ▲１▼：ｙ＝０．１２２ｘ−０．０３２
直線 ▲２▼：ｙ＝０．１２４５ｘ＋０．０２８
直線 ▲３▼：ｙ＝０．２３３２ｘ−０．０２３３（Ｇｅ含有率が２２％以下）
直線 ▲４▼：ｙ＝０．０６２２ｘ＋０．０１２７（Ｇｅ含有率が２２％以下）
によって囲まれる領域である。なお、図中、格子歪みが０％と記された直線上の組成を有するＳｉＧｅＣ層は、下地のＳｉ層と格子整合している。
【００２２】
したがって、エミッタ層、ベース層、コレクタ層からなるヘテロバイポーラトランジスタにおいて、ベース層を図１のドットハッチングで示された領域の組成からなるＳｉＧｅＣによって構成することで、格子歪みによつ不具合を招くことなくナローバンドギャップベースを実現することができる。
【００２３】
つまり、ベース層にバンドギャップが小さく、かつ格子歪み量が小さくなる材料としてＳｉＧｅＣ三元混晶半導体材料を選択することにより、信頼性が高く、低電圧動作、高速動作が可能なヘテロバイポーラトランジスタを実現することができる。
【００２４】
なお、図１は、ＳｉＧｅＣ層の下地層がＳｉ単一組成を有する場合の状態図であるが、下地層がＳｉにＧｅやＣを多少含む場合であっても、ＳｉＧｅＣ層の格子歪みが１．０％以下で、かつ、下地層とＳｉＧｅＣ層とバンドギャップの差を大きく確保できる限り、同様の効果を発揮することができる。
【００２５】
図２は、本発明の各実施形態に共通するヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の断面図である。同図に示すように、本実施形態のＨＢＴは、ｐ型不純物を含むＳｉ基板１０と、Ｓｉ基板１０にｎ型不純物（例えばリン）を導入して形成されたＳｉコレクタ埋め込み層１１と、Ｓｉコレクタ埋め込み層１１の上に設けられたＣ含有率の高いＳｉＧｅＣ層からなる第１ベース領域１２と、第１ベース領域１２の上に設けられたＣ含有率の低いＳｉＧｅＣ層又はＳｉＧｅ層からなる第２ベース領域１３と、第２ベース領域１３の上に設けられたＳｉキャップ層１４と、Ｓｉキャップ層１４の上に設けられたポリシリコン膜からなるエミッタ電極１５とを備えている。
【００２６】
次に、このＨＢＴの製造方法について説明する。まず、Ｓｉ基板１０の表面部にイオン注入法などを用いてｎ型の不純物となるリン（ｐ）を濃度が約２×１０¹⁷／ｃｍ³ で導入して、コレクタ埋め込み層１１を形成する。そして、コレクタ埋め込み層１１の上に、ＵＨＶ−ＣＶＤ法などにより、Ｃの含有率の高いＳｉＧｅＣ層からなる第１ベ−ス領域１２と、第１ベース領域１２よりもＣの含有率の低いＳｉＧｅＣ層又はＳｉＧｅ層からなる第２ベース領域１３とを、順にエピタキシャル成長させる。ここで、第２ベース領域１３の少なくともエミッタ領域側端部（Ｓｉキャップ層側端部）においては、Ｃ含有率を０．８％未満とする。このとき、エピタキシャル成長のソースとして、Ｓｉの原料にはシランやジシランを用い、Ｇｅの原料にはゲルマンを用い、Ｃの原料にはメチルシランやメチルゲルマンなどを用いる。第１，第２ベ−ス領域１２，１３には、例えばｐ型不純物となるボロン（Ｂ）を約４×１０¹⁸／ｃｍ³ の濃度でド−ピングし、第１ベ−ス領域１２の膜厚は約３５ｎｍ程度と第２ベ−ス領域１３の膜厚は約２５ｎｍ程度（合計膜厚が約６０ｎｍ）とする。その後、第２ベース領域１３の上にＳｉ層からなるＳｉキャップ層１４をエピタキシャル成長させる。Ｓｉキャップ層１４には不純物をド−ピングせず、Ｓｉキャップ層１４の膜厚は約１０ｎｍ程度とする。さらに、Ｓｉキャップ層１４の上に、一部だけを開口させたシリコン酸化膜１６を形成し、その開口部及びシリコン酸化膜１６の上に、砒素（Ａｓ）やリン（Ｐ）などのｎ型不純物を含むｎ⁺ 型ポリシリコン膜からなるエミッタ電極１５を形成する。このエミッタ電極１５には、砒素（又はリン）が約１×１０²⁰／ｃｍ³ 以上の高濃度でドープされており、熱処理によってＳｉキャップ層１４内にｎ型不純物を拡散させて、Ｓｉキャップ層１４内にエミッタ領域１４ａを形成する。
【００２７】
つまり、Ｃの含有率が高い第１ベース領域１２とエミッタ層１４ａとの間にＣの含有率の低い第２ベース領域１３を介在させ、かつ、第２ベース領域１３の少なくともエミッタ領域側端部におけるＣ含有率を０．８％未満とすることにより、第１ベース領域１２においてＣの含有率が高いことによって発生する再結合中心を、エミッタ・ベ−ス間の空乏層の外方になるように構成されている。そして、このように構成することにより、ベ−ス電流のｎ値の改善やリ−ク電流の減少を図り、図８（ｂ），図９（ｂ）等に示す不具合を抑制することができる。一方、Ｃの含有率が高い第１ベース領域１２を設けることにより、従来のＳｉ／ＳｉＧｅＣヘテロ接合を利用したＨＢＴと同様に、格子歪みの発生を抑制しながら低電圧駆動化を図ることができる。これが、本発明の基本的な効果である。
【００２８】
図２においては、便宜上第１ベース領域１２と第２ベース領域１３とに分けているが、本発明は、第１ベース領域と第２ベース領域とに分けられないものにも適用することができる。例えば、ベース層を構成するＳｉ_1-x-y Ｇｅ_x Ｃ_y の成分比がベース層全体で連続的に変化するような場合であってもよい。すなわち、ベース層のうちエミッタ層に隣接する領域におけるＣ含有率が、ベース層のコレクタ層に隣接する領域におけるＣ含有率よりも小さければ、本発明の基本的な効果を発揮することができるからである。
【００２９】
（第１の実施形態）
図３（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態における第１ベース領域及び第２ベース領域のＣ及びＧｅ含有率と不純物であるボロン（Ｂ）の濃度とを示す図、及び電圧印加時におけるエミッタ領域−ベース領域−コレクタ領域のエネルギーバンド図である。なお、図３（ａ）において、ｎ型不純物の濃度の図示は省略されている。
【００３０】
図３（ａ）に示すように、本実施形態においては、第１ベース領域１２及び第２ベース領域１３に亘って、Ｇｅ含有率は一定（例えば２６．８％）とする。一方、Ｃの含有率は、第１ベース領域１２においては０．９１％で、第２ベース領域１３においては０．３５％であるとする。つまり、第１ベース領域１２はＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0091層からなり、第２ベース領域１３はＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0035層からなっている。
【００３１】
このとき、ＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0091層のバンドギャップは約０．９５ｅＶであり、Ｇｅ_0.268 Ｃ_0.0035層のバンドギャップは約０．９２ｅＶである。このように、Ｇｅ含有率が同じ２つのＳｉＧｅＣ層が積層されている場合、Ｃの含有率が高い方のバンドギャップが大きくなるため、図３（ｂ）に示すように、エミッタ領域１４ａとＣ含有率の高い第１ベース領域１２との間に、Ｃの含有率の低いＳｉＧｅＣ層（第２ベース領域１３）を介在させることにより、エミッタ・ベ−ス接合部に障壁が生じにくくなる。したがって、Ｃ含有率の低い第２ベース領域１３の存在は、ＨＢＴの駆動電圧を高くするような悪影響を与えない。一方、上述のように、Ｃ含有率の低い第２ベース領域１３がエミッタ領域１４ａと第１ベース領域１２との間に介在することで、エミッタ・ベ−ス間の空乏層（図３（ｂ）に示す領域Ｒdp）中の再結合電流を低減することができる。つまり、ＨＢＴにおいて再結合電流の増大に起因するｎ値の劣化や電流増倍率の低減を抑制しつつ、いっそうの低電圧駆動化を進めることができる。
【００３２】
なお、第１ベース領域１２及び第２ベース領域１３との境界がなくベース層を２つの層に分けられない場合や、ベース層を３つ以上の層に分けられる場合、例えば、ベース層を構成するＳｉ_1-x-y Ｇｅ_x Ｃ_y の成分比がベース層全体で連続的に変化するような場合であっても、ベース層のうちエミッタ層に隣接する部分でＣ含有率が十分小さければ、エミッタ・ベース接合部に形成される空乏層における再結合電流の抑制効果を発揮することができる。
【００３３】
−第１の実施形態に関する実験データ−
図１２は、本発明の効果確認のための実験に用いたサンプルの各パラメータを表にして示す図である。図１２においては、Ｓｉキャップ層１４の厚みをＳと表示し、第１ベース層１２の厚みをＤ１と表示し、第２ベース層１３の厚みをＤ２と表示し、第１ベース層１２におけるＧｅ含有率，Ｃ含有率，ボロン濃度をそれぞれＮ_G1，Ｎ_C1，Ｎ_B1と表示し、第２ベース層１３におけるＧｅ含有率，Ｃ含有率，ボロン濃度をそれぞれＮ_G2，Ｎ_C2，Ｎ_B2と表示している。
【００３４】
図１３は、図１２に示すサンプルについて測定したバイアス電圧−電流特性のデータを示す図である。同図に示すように、Ｃ含有率の低い層（第２ベース領域）を設けないサンプル（Ｎｏ．１）では、電圧−電流特性の傾きが緩やかであることから、再結合電流が大きいことがわかる。また、Ｃ濃度の低い第２ベース領域１３の厚みが１０ｎｍのサンプル（Ｎｏ．２）では、サンプル（Ｎｏ．１）に比べると電圧−電流特性の傾きがやや立ち上がり若干の再結合電流低減効果はみられるものの，その効果は小さい。また、Ｃ濃度の低い第２ベース領域１３の厚みが２０ｎｍのサンプル（Ｎｏ．３）では電流の傾きがやや急峻となり、再結合電流の低減効果がはっきりと現れている。さらに、第２ベース層１３の厚みが３０ｎｍのサンプル（Ｎｏ．４）では、電圧−電流特性の傾きが急峻になり、再結合電流の低減効果が非常に大きくなっている。
【００３５】
なお、この実験で用いたサンプルにおいては、第１，第２ベース領域１２，１３における不純物（ボロン）の濃度を２×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、標準的なヘテロバイポーラトランジスタのベース領域における不純物濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-3に比べるとかなり低い。そのために、エミッタ・ベース接合における空乏層が広がっているものと考えられる。すなわち、ベース領域における不純物濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度にした場合には、この実験で用いたサンプルよりもエミッタ・ベース接合における空乏層の広がりが狭いので、第２ベース領域１３の厚みが５ｎｍ程度以上であれば、再結合電流の低減効果が得られる。
【００３６】
（第２の実施形態）
図４（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態における第１ベース領域及び第２ベース領域のＣ及びＧｅ含有率と不純物であるボロン（Ｂ）の濃度とを示す図、及び電圧印加時におけるエミッタ領域−ベース領域−コレクタ領域のエネルギーバンド図である。なお、図４（ａ）において、ｎ型不純物の濃度の図示は省略されている。
【００３７】
本実施形態においては、第１ベース領域１２と第２ベース領域１３とのバンドギャップが等しくなるように、２つの領域１２，１３のＧｅ，Ｃ含有率を調整している点が特徴である。そのためには、Ｇｅ含有率を第１，第２ベース領域で同じ値とせずに、第１ベース領域１２におけるＧｅ含有率を第２ベース領域１３よりも高くすればよい。そして、ＳｉＧｅＣ層における組成を一般式Ｓｉ_1-x-y Ｇｅ_x Ｃ_y で表し、第１ベース領域１２と第２ベース領域１３とにおけるＣ含有率の差をΔｙとしたときに、第１ベース領域１２と第２ベース領域１３とにおけるＧｅ含有率の差Δｘを下記式（１）
Δｘ＝４．２８８Δｙ （１）
に基づき決定する。なお、第１ベース領域１２，第２ベース領域１３のいずれにおいても、Ｓｉ層に対して圧縮歪みを受ける組成となっている。
【００３８】
図４（ａ）に示すように、本実施形態においては、第１ベース領域１２のＧｅ含有率は高めの一定値（例えば３１．３％）とし、第２ベース領域１３のＧｅ含有率を低い一定値（例えば２６．８％）とする。一方、Ｃの含有率は、第１ベース領域１２においては１．４％で、第２ベース領域１３においては０．３５％であるとする。つまり、第１ベース領域１２はＳｉＧｅ_0.313 Ｃ_0.014 層からなり、第２ベース領域１３はＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0035層からなっている。
【００３９】
このとき、ＳｉＧｅ_0.313 Ｃ_0.014 層のバンドギャップは約０．９２ｅＶであり、Ｇｅ_0.268 Ｃ_0.0035層のバンドギャップも約０．９２ｅＶであって、図４（ｂ）に示すように、２つのベース領域１２，１３における伝導帯端はフラットになる。このように、バンドギャップが同じ２つのＳｉＧｅＣ層が積層されている場合、よりいっそうの低電圧駆動化を図ることができる。そして、上述のように、Ｃ含有率の低い第２ベース領域１３がエミッタ領域１４ａと第１ベース領域１２との間に介在することで、エミッタ・ベ−ス間の空乏層（図４（ｂ）に示す領域Ｒdp）中の再結合電流を低減することができる。つまり、ＨＢＴにおいて再結合電流の増大に起因するｎ値の劣化や電流増倍率の低減を抑制しつつ、特に著しい低電圧駆動化を進めることができる。
【００４０】
また、２つのベース領域１２，１３における伝導帯端がフラットであることにより、キャリアの走行の障害となるヘテロ障壁が存在しなくなるので、ヘテロバイポーラトランジスタの動作の高速化を図ることができる。
【００４１】
（第３の実施形態）
図５（ａ），（ｂ）は、第３の実施形態における第１ベース領域及び第２ベース領域のＣ及びＧｅ含有率と不純物であるボロン（Ｂ）の濃度とを示す図、及び電圧印加時におけるエミッタ領域−ベース領域−コレクタ領域のエネルギーバンド図である。なお、図５（ａ）において、ｎ型不純物の濃度の図示は省略されている。
【００４２】
本実施形態においては、第１ベース領域１２と第２ベース領域１３の境界部おける両者のバンドギャップを等しくし、第１ベース領域１２のバンドギャップがベース走行電子を加速する方向に変化するように、第１，第２ベース領域１２，１３のＧｅ，Ｃ含有率を調整している点が特徴である。そのために、ＳｉＧｅＣ層における組成を一般式Ｓｉ_1-x-y Ｇｅ_x Ｃ_y で表し、第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部と第２ベース領域１３とにおけるＣ含有率の差をΔｙとしたときに、第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部と第２ベース領域１３とにおけるＧｅ含有率の差Δｘを上記式（１）に基づき決定する。そして、第１ベース領域１２におけるＧｅ含有率を、第２ベース領域側端部からコレクタ埋め込み層１１に向かう方向に増大させる。
【００４３】
図５（ａ）に示すように、本実施形態においては、第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部におけるＧｅ含有率を高めの値（例えば２０．０％）とし、第１ベース領域１２のコレクタ埋め込み層側端部におけるＧｅ含有率をさらに高めの値（例えば３０％）とし、第２ベース領域１３のＧｅ含有率は低い一定値（例えば１５．２％）とする。一方、Ｃの含有率は、第１ベース領域１２においては高めの一定値（例えば１．４％）で、第２ベース領域１３においては低めの一定値（例えば０．３％）であるとする。つまり、第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部はＳｉＧｅ_0.20Ｃ_0.014 層からなり、第１ベース領域１２のコレクタ埋め込み層側端部はＳｉＧｅ_0.30Ｃ_0.014 層からなり、第２ベース領域１３はＳｉＧｅ_0.152 Ｃ_0.003 層からなっている。
【００４４】
このとき、Ｇｅ_0.20Ｃ_0.014 層のバンドギャップは約１．０２ｅＶであり、ＳｉＧｅ_0.152 Ｃ_0.003 層のバンドギャップも約１．０２ｅＶであって、図５（ｂ）に示すように、２つのベース領域１２，１３の境界部におけるバンドギャップは等しい。一方、第１ベース領域１２のコレクタ埋め込み層側端部におけるバンドギャップは約０．９３ｅＶである。したがって、第１ベース領域１２において、バンドギャップが第２ベース領域側端部からコレクタ埋め込み層１１に向かう方向に徐々に小さくなるように変化しているので、第１ベース領域１２における電子がドリフト電界により加速されて、電子の走行時間が短縮され、ヘテロバイポーラトランジスタの高周波特性が向上する。また、境界部においてバンドギャップが同じ２つのＳｉＧｅＣ層が積層されている場合、上記第２の実施形態と同様に、よりいっそうの低電圧駆動化を図ることができる。そして、上述のように、Ｃ含有率の低い第２ベース領域１３がエミッタ領域１４ａと第１ベース領域１２との間に介在することで、エミッタ・ベ−ス間の空乏層（図５（ｂ）に示す領域Ｒdp）中の再結合電流を低減することができる。
【００４５】
すなわち、本実施形態においては、上記第２の実施形態と同じ効果に加えて、ヘテロバイポーラトランジスタの高周波特性の改善を図ることができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
図６（ａ），（ｂ）は、第４の実施形態における第１ベース領域及び第２ベース領域のＣ及びＧｅ含有率と不純物であるボロン（Ｂ）の濃度とを示す図、及び電圧印加時におけるエミッタ領域−ベース領域−コレクタ領域のエネルギーバンド図である。なお、図６（ａ）において、ｎ型不純物の濃度の図示は省略されている。
【００４７】
本実施形態においては、第１ベース領域１２と第２ベース領域１３との両者のバンドギャップが等しくなり、かつ、第１，第２ベース領域１２，１３の境界部における格子歪みができるだけ小さくなるように、第１，第２ベース領域１２，１３のＧｅ，Ｃ含有率を調整している点が特徴である。そのために、第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部におけるＧｅ及びＣ含有率は第２ベース領域１３と同じとしつつ、第１ベース領域１２におけるＧｅ含有率及びＣ含有率を、第２ベース領域側端部からコレクタ埋め込み層１１に向かう方向に増大させる。その際、ＳｉＧｅＣ層における組成を一般式Ｓｉ_1-x-y Ｇｅ_x Ｃ_y で表し、第１ベース領域１２の第１ベース領域側端部を除く領域と第２ベース領域１３とにおけるＣ含有率の差をΔｙとしたときに、第１ベース領域１２の第１ベース領域側端部を除く領域と第２ベース領域１３とにおけるＧｅ含有率の差Δｘを上記式（１）に基づき決定する。
【００４８】
図６（ａ）に示すように、本実施形態においては、第２ベース領域１３と第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部とにおけるＧｅ含有率を共通の値（例えば２６．８％）とし、第１ベース領域１２のコレクタ埋め込み層側端部におけるＧｅ含有率を高めの値（例えば３１．３％）とする。一方、Ｃの含有率は、第２ベース領域１３と第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部とにおいては共通の値（例えば０．３５％）で、第１ベース領域１２のコレクタ埋め込み層側端部においてはより高めの値（例えば１．４％）であるとする。つまり、第２ベース領域１３と第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部とはＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0035層からなり、第１ベース領域１２のコレクタ埋め込み層側端部はＳｉＧｅ_0.313 Ｃ_0.014 層からなっている。
【００４９】
このとき、ＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0035層のバンドギャップは約０．９３ｅＶであり、ＳｉＧｅ_0.313 Ｃ_0.014 層のバンドギャップは約０．９３ｅＶであって、図６（ｂ）に示すように、２つのベース領域１２，１３におけるバンドギャップは等しい。そして、第１，第２ベース領域１２，１３の境界部におけるＧｅ，Ｃ含有率がともに等しいので、境界部における格子定数の急激な変化がないことで、ベース領域全体としての格子歪みをできるだけ小さくすることができる。よって、格子歪みによる転位などの欠陥の発生を抑制することができるので、ヘテロバイポーラトランジスタの電気的特性の向上を図ることができる。
【００５０】
一方、バンドギャップが同じ２つのＳｉＧｅＣ層が積層されている場合、上記第２の実施形態と同様に、よりいっそうの低電圧駆動化を図ることができる。そして、上述のように、Ｃ含有率の低い第２ベース領域１３がエミッタ領域１４ａと第１ベース領域１２との間に介在することで、エミッタ・ベ−ス間の空乏層（図６（ｂ）に示す領域Ｒdp）中の再結合電流を低減することができる。
【００５１】
すなわち、本実施形態においては、上記第２の実施形態と同じ効果に加えて、欠陥の発生の抑制によりヘテロバイポーラトランジスタの電気的特性の改善を図ることができる。
【００５２】
（第５の実施形態）
図７（ａ），（ｂ）は、第５の実施形態における第１ベース領域及び第２ベース領域のＣ及びＧｅ含有率と不純物であるボロン（Ｂ）の濃度とを示す図、及び電圧印加時におけるエミッタ領域−ベース領域−コレクタ領域のエネルギーバンド図である。なお、図７（ａ）において、ｎ型不純物の濃度の図示は省略されている。
【００５３】
本実施形態においては、第１ベース領域１２と第２ベース領域１３の境界部おける両者のバンドギャップを等しくし、第１ベース領域１２のバンドギャップがベース走行電子を加速する方向に変化させるとともに、第１，第２ベース領域１２，１３の境界部における格子歪みができるだけ小さくなるように、第１，第２ベース領域１２，１３のＧｅ，Ｃ含有率を調整している点が特徴である。そのために、第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部におけるＧｅ及びＣ含有率は第２ベース領域１３と同じとしつつ、第１ベース領域１２におけるＣ含有率及びＧｅ含有率を、第２ベース領域側端部からコレクタ埋め込み層１１に向かう方向に増大させる。
【００５４】
図７（ａ）に示すように、本実施形態においては、第２ベース領域１３と第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部とにおけるＧｅ含有率を共通の値（例えば１５．２％）とし、第１ベース領域１２のコレクタ埋め込み層側端部におけるＧｅ含有率を高めの値（例えば３０％）とする。一方、Ｃの含有率は、第２ベース領域１３と第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部とにおいては共通の値（例えば０．３％）で、第１ベース領域１２のコレクタ埋め込み層側端部においてはより高めの値（例えば１．４％）であるとする。つまり、第２ベース領域１３と第１ベース領域１２の第２ベース領域側端部とはＳｉＧｅ_0.152Ｃ_0.003層からなり、第１ベース領域１２のコレクタ埋め込み層側端部はＳｉＧｅ_0.30Ｃ_0.014 層からなっている。
【００５５】
このとき、ＳｉＧｅ_0.152Ｃ_0.003層のバンドギャップは約１．０２ｅＶであり、ＳｉＧｅ_0.30Ｃ_0.014 層バンドギャップは約０．９３ｅＶである。したがって、第１ベース領域１２において、バンドギャップが第２ベース領域側端部からコレクタ埋め込み層１１に向かう方向に徐々に小さくなるように変化しているので、第１ベース領域１２における電子がドリフト電界により加速されて、電子の走行時間が短縮され、ヘテロバイポーラトランジスタの高周波特性が向上する。そして、第１，第２ベース領域１２，１３の境界部におけるＧｅ，Ｃ含有率がともに等しいので、境界部における格子定数の急激な変化がないことで、ベース領域全体としての格子歪みをできるだけ小さくすることができる。よって、格子歪みによる転位などの欠陥の発生を抑制することができるので、ヘテロバイポーラトランジスタの電気的特性の向上を図ることができる。
【００５６】
また、境界部においてバンドギャップが同じ２つのＳｉＧｅＣ層が積層されている場合、上記第２の実施形態と同様に、よりいっそうの低電圧駆動化を図ることができる。そして、上述のように、Ｃ含有率の低い第２ベース領域１３がエミッタ領域１４ａと第１ベース領域１２との間に介在することで、エミッタ・ベ−ス間の空乏層（図７（ｂ）に示す領域Ｒdp）中の再結合電流を低減することができる。
【００５７】
すなわち、本実施形態においては、上記第３の実施形態と第４の実施形態の効果を併せて発揮することができる。
【００５８】
（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態においては、第２ベース領域１３がＳｉＧｅＣ層である場合のみについて説明したが、上記各実施形態は、第２ベース領域１３がＳｉＧｅ層によって構成されているものについても適用することができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明のヘテロバイポーラトランジスタによれば、ＳｉＧｅＣ層からなるベース領域のうちエミッタ領域に隣接する領域のＣ含有率を、コレクタ領域に隣接領域のＣ含有率よりも小さくしたので、再結合電流の抑制により、低駆動電圧化を図りつつ、電流増倍率や高周波特性などの電気的特性の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳｉＧｅＣ三元混晶半導体におけるＧｅ及びＣの含有率とバンドギャップ，格子歪みの関係を示す状態図である。
【図２】本発明の各実施形態に共通するヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の断面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、第１の実施形態におけるＨＢＴのＣ，Ｇｅ含有率とボロン濃度とを示す図、及び電圧印加時におけるエネルギーバンド図である。
【図４】（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態におけるＨＢＴのＣ，Ｇｅ含有率とボロン濃度とを示す図、及び電圧印加時におけるエネルギーバンド図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、第３の実施形態におけるＨＢＴのＣ，Ｇｅ含有率とボロン濃度とを示す図、及び電圧印加時におけるエネルギーバンド図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は、第４の実施形態におけるＨＢＴのＣ，Ｇｅ含有率とボロン濃度とを示す図、及び電圧印加時におけるエネルギーバンド図である。
【図７】（ａ），（ｂ）は、第５の実施形態におけるＨＢＴのＣ，Ｇｅ含有率とボロン濃度とを示す図、及び電圧印加時におけるエネルギーバンド図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、ＳｉＧｅ_0.268 ＨＢＴ，ＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0091ＨＢＴのガンメルプロットを示す図である。
【図９】（ａ），（ｂ）は、それぞ順に、ＳｉＧｅ_0.268 ＨＢＴ，ＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0091ＨＢＴの電流増倍率（β）を示す図である。
【図１０】ＳｉＧｅ_0.268 ＨＢＴ，ＳｉＧｅ_0.268 Ｃ_0.0091ＨＢＴのエミッタ・ベース間のダイオード特性の順方向の電流電圧特性の測定結果と、電子の再結合電流と拡散電流の和の計算値の測定結果とのフィッティングを調べるための図である。
【図１１】（ａ），（ｂ）は、それぞれ順に、ベース領域に均一にＧｅを含有しているＳｉＧｅ_0.268 ＨＢＴのベース領域における再結合寿命を変化させてガンメルプロット，電流増倍率をシミュレ−ションした結果を示す図である。
【図１２】本発明の効果確認のための実験に用いたサンプルのパラメータを表にして示す図である。
【図１３】図１２に示すサンプルについて測定したバイアス電圧−電流特性のデータを示す図である。
【符号の説明】
１０ Ｓｉ基板
１１ コレクタ埋め込み層
１２ 第１ベース領域
１３ 第２ベース領域
１４ Ｓｉキャップ層
１４ａ エミッタ領域
１５ エミッタ電極

Claims (2)

1. 基板上に設けられ、Ｓｉを含む半導体材料からなる第１導電型のコレクタ領域と、
   上記コレクタ領域の上に設けられ、Ｃ含有率が不均一であるＳｉ_{１−ｘ−ｙ} Ｇｅ_ｘ Ｃ_ｙ 層（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）からなる第２導電型のベース領域と、
   上記ベース領域の上に設けられ、上記ベース領域との間でヘテロ接合を形成するＳｉを含む半導体材料からなる第１導電型のエミッタ領域とを備え、
   上記ベース領域のうちＣ含有率が最大の部分は、上記エミッタ領域に隣接する領域とは離れており、
   上記ベース領域のうち上記エミッタ領域に隣接する領域を除く領域が、上記エミッタ領域から上記コレクタ領域に向かう方向にＣ含有率が増大する組成を有する、ヘテロバイポーラトランジスタ。
2. 基板上に設けられ、Ｓｉを含む半導体材料からなる第１導電型のコレクタ領域と、
   上記コレクタ領域の上に設けられ、Ｃ含有率が不均一であるＳｉ_{１−ｘ−ｙ} Ｇｅ_ｘ Ｃ_ｙ 層（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）からなる第２導電型のベース領域と、
   上記ベース領域の上に設けられ、上記ベース領域との間でヘテロ接合を形成するＳｉを含む半導体材料からなる第１導電型のエミッタ領域とを備え、
   上記ベース領域のうちＣ含有率が最大の部分は、上記エミッタ領域に隣接する領域とは離れており、
   上記ベース領域は、上記コレクタ領域に隣接する領域を含む第１ベース領域と、上記エミッタ領域に隣接する領域を含む第２ベース領域とに分けられており、第１ベース領域の少なくとも第２ベース領域側端部のバンドギャップが上記第２ベース領域のバンドギャップと等しいか小さく、
   上記第１ベース領域のＣの含有率は、上記第２ベース領域のＣの含有率よりも大きく、且つ、上記第１ベース領域のＧｅの含有率は、上記第２ベース領域のＧｅの含有率よりも大きく、
   上記第２ベース領域のＧｅの含有率及びＣの含有率は一定であり、
   上記第１ベース領域の少なくとも第２ベース領域側端部と第２ベース領域とにおけるＧｅ含有率の差をΔｘとし、第１ベース領域の少なくとも第２ベース領域側端部と第２ベース領域とにおけるＣ含有率の差をΔｙとしたときに、
   Δｘ≧４．２８８Δｙ
   の関係がある、ヘテロバイポーラトランジスタ。

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