ヘテロ接合バイポーラトランジスタ
【課題】ＧａＡｓＳｂ系の化合物半導体のベース層を有するＩｎＰ系ＨＢＴにおいて、高周波特性を犠牲にすることなく、さらにオフ耐圧を向上させる。
【解決手段】ＩｎＰからなる基板１０１の上に形成された第１コレクタ層１０２と、この上に形成された第２コレクタ層１０３と、この上に形成されてＧａ，Ａｓ，およびＳｂから構成された化合物半導体からなるベース層１０４と、この上に形成されてＩｎおよびＰから構成された化合物半導体からなるエミッタ層１０５とを少なくとも備える。第２コレクタ層１０３は、第１コレクタ層１０２およびベース層１０４に接した状態で、ベース層１０４の伝導帯端のエネルギー準位よりも低く、第１コレクタ層１０２の伝導帯端よりも高い伝導帯端のエネルギー準位を有し、ベース層１０４の価電子帯端のエネルギー準位よりも低い価電子帯端のエネルギー準位を有したものとなっている。
【解決手段】ＩｎＰからなる基板１０１の上に形成された第１コレクタ層１０２と、この上に形成された第２コレクタ層１０３と、この上に形成されてＧａ，Ａｓ，およびＳｂから構成された化合物半導体からなるベース層１０４と、この上に形成されてＩｎおよびＰから構成された化合物半導体からなるエミッタ層１０５とを少なくとも備える。第２コレクタ層１０３は、第１コレクタ層１０２およびベース層１０４に接した状態で、ベース層１０４の伝導帯端のエネルギー準位よりも低く、第１コレクタ層１０２の伝導帯端よりも高い伝導帯端のエネルギー準位を有し、ベース層１０４の価電子帯端のエネルギー準位よりも低い価電子帯端のエネルギー準位を有したものとなっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩｎＰ基板上に形成され、ＧａＡｓＳｂ系材料をベース層に用いるヘテロ接合バイポーラトランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信のさらなる高速化、大容量化に対する要求が高まっている。このため、４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の大容量光通信システムや、テラヘルツ帯無線通信システムに用いられる集積回路を構成するヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Heterojunction Bipolar Transistor：ＨＢＴ）の性能向上が求められている。このＨＢＴには、通常、高い遮断周波数（電流利得帯域幅）、最大発振周波数（電力利得帯域幅）のほか、高いオフ耐圧特性が求められる。
【０００３】
このＨＢＴは、通常、基板上に、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＰなどの材料による層により構成されている。これらの各層は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などの手法により形成する。
【０００４】
この中でも、ベース層材料として、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂなどのＧａ，Ａｓ，およびＳｂから構成された化合物半導体を用いたＨＢＴが注目されている。例えば、ＧａＡｓＳｂは、ＩｎＰ基板に対して、ＧａＡｓ0.51Ｓｂ0.49において格子整合する。
【０００５】
このベース層材料を用いたＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ系ＨＢＴは、ヘテロ接合においてｔｙｐｅ−ＩＩ型のバンド構造を利用できるため、次に述べるように優れた高周波特性、高耐圧特性を同時に実現することが可能である（非特許文献１参照）。
【０００６】
例えば、ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ系ＨＢＴでは、ベース層材料であるＧａＡｓＳｂ系材料の伝導帯端のエネルギー準位が、コレクタ層材料であるＩｎＰの伝導帯端のエネルギー準位よりも高い。このため、コレクタ層に電子を高速に射出するランチャーとして、ベース層を作用させることができるという利点がある。
【０００７】
また、ＨＢＴのオフ耐圧は、コレクタ層の逆方向降伏電圧で決まるため、コレクタ層のバンドギャップが大きいＨＢＴほど降伏現象が起こりにくく、高い耐圧特性が得られる。このため、ＩｎＰ系ＨＢＴでは、ＩｎＧａＡｓよりもバンドギャップの大きいＩｎＰをコレクタ層に用いることが本来望ましい。
【０００８】
従来のＩｎＰ系ＨＢＴではＩｎＧａＡｓをベース層に用いることが多いが、この場合、ＩｎＰをコレクタ層に用いるとベース層とコレクタ層の界面に障壁が形成され、いわゆる電流ブロッキング効果により高速性を損ねてしまう。このため、ＩｎＧａＡｓなど、ベース層とコレクタ層に障壁を生じない材料をコレクタ層として用いる必要があり、耐圧が犠牲となっていた。一方、ＧａＡｓＳｂをベース層に用いたＨＢＴでは、上述のようにベース層とコレクタ層界面での電流ブロッキングを解消できるため、高周波特性を妨げることなく、降伏電圧の高いＩｎＰをコレクタ層材料として用いて高耐圧特性を得ることが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】M. W. Dvorak et al. , "300 GHz InP/GaAsSb/InP Double HBTs with High Current Capability and BVCEO>6V",Ieee Electron Device Letters, vol.22, no.8, pp.361-363,2001.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記のような特性を有するものの、ＧａＡｓＳｂをベース層に用いたＨＢＴのオフ耐圧は、いくつかの用途に対してはまだ十分なオフ耐圧特性が得られておらず、高い高周波特性を維持したまま、さらなるオフ耐圧の向上が求められている。一般的に、ＨＢＴのオフ耐圧をさらに向上させるためには、ＨＢＴのコレクタ層をより厚く形成するものとなる。しかし、不用意にＨＢＴのコレクタ層を厚くすると、少数キャリアがコレクタ層を走行する時間が長くなり、この結果、遮断周波数、最大発振周波数ともに低下を招く要因となりうる。
【００１１】
通常、ＩｎＰ基板上に形成されるＨＢＴのオフ耐圧は、ベース層の価電子帯からコレクタ層の伝導帯への電子のツェナー・トンネリング効果によって制限される。従って、電子のツェナー・トンネリング確率（以下、単にトンネリング確率と呼ぶ）を下げ、トンネリング電流を小さくすることで、ＨＢＴのオフ耐圧の向上が望める。
【００１２】
電子がトンネリングする層のエネルギー障壁、すなわちベース層とコレクタ層の界面におけるベース層の価電子帯エネルギー準位とコレクタ層の伝導帯エネルギー準位とのエネルギー差が大きいほど電子のトンネリング確率は小さくなる。あるいはトンネリングする層が厚いほど、電子のトンネリング距離が長くなるため、トンネリング確率が小さくなる。またあるいは、トンネリングする層におけるトンネリングするキャリアの有効質量が大きいほど、トンネリング確率は小さくなり、従ってトンネリング電流が小さくなりオフ耐圧の改善が見込める。
【００１３】
例えば、ＧａＡｓＳｂをベース層に用いたＨＢＴのコレクタ層に、ＩｎＡｌＧａＰやＩｎＡｌＧａＡｓといった材料を適用することが考えられる。これらの材料を用いることでコレクタ層のバンドギャップエネルギーをＩｎＰよりも大きくし、伝導帯エネルギー準位を高くすれば、電子がトンネリングする層のエネルギー障壁が大きくなり、またトンネリング距離も長くなるため、オフ耐圧を向上することができる。このとき、コレクタ層の材料の混晶組成は、ＧａＡｓＳｂとｔｙｐｅ−ＩＩ型のバンドラインナップを構成するように設計する必要がある。
【００１４】
しかし、ＩｎＡｌＧａＰは、ＩｎＰよりも格子定数が大きい故に、ＩｎＰ基板上に形成される場合、擬似格子整合の状態にある。従って、ＩｎＡｌＧａＰは、格子歪み量により制限される臨界膜厚により、設定できるＡｌ組成およびＧａ組成が制限される。このため、Ａｌ組成およびＧａ組成をむやみに増加させることができず、バンドギャップエネルギーを任意に変化させることができない。
【００１５】
一方、ＩｎＡｌＧａＡｓは、ＩｎＰに格子整合した状態でバンドギャップエネルギーを大きくすることができるが、上記の効果を得るには、少なくともＡｌ組成を０．２５以上に設定することになり、意図しない効果として、ベース・コレクタ間におけるリーク電流を増加させてしまう可能性がある。この場合、所望の特性が得られないばかりか、逆にオフ耐圧特性を劣化させてしまう可能性がある。
【００１６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＧａＡｓＳｂ系の化合物半導体のベース層を有するＩｎＰ系ＨＢＴにおいて、高周波特性を犠牲にすることなく、さらにオフ耐圧を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ＩｎＰからなる基板と、基板の上に形成された第１コレクタ層と、第１コレクタ層の上に形成された第２コレクタ層と、第２コレクタ層の上に形成されてＧａ，Ａｓ，およびＳｂから構成された化合物半導体からなるベース層と、ベース層の上に形成されてＩｎおよびＰから構成された化合物半導体からなるエミッタ層とを少なくとも備え、第２コレクタ層は、ベース層の伝導帯端のエネルギー準位よりも低く、第１コレクタ層の伝導帯端よりも高い伝導帯端のエネルギー準位を有し、ベース層の価電子帯端のエネルギー準位よりも低い価電子帯端のエネルギー準位を有して形成されている。
【００１８】
上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、ベース層は、ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂの中より選択された化合物半導体から構成されていればよい。また、第１コレクタ層は、ＩｎＰ、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓＰの中より選択された化合物半導体から構成されていればよい。
【００１９】
上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、第２コレクタ層は、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＧａＰの中より選択された化合物半導体から構成されていればよい。また、第２コレクタ層は、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓＰの中より選択された化合物半導体から構成されていてもよい。なお、第２コレクタ層は、第２コレクタ層を構成する材料のＩｎＰに対する臨界膜厚以下の範囲で厚さが０．２５ｎｍ以上とされているとよい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、ベース層の伝導帯端のエネルギー準位よりも低く、第１コレクタ層の伝導帯端よりも高い伝導帯端のエネルギー準位を有し、ベース層の価電子帯端のエネルギー準位よりも低い価電子帯端のエネルギー準位を有して形成された第２コレクタ層を設けるようにしたので、ＧａＡｓＳｂ系の化合物半導体のベース層を有するＩｎＰ系ＨＢＴにおいて、高周波特性を犠牲にすることなく、さらにオフ耐圧を向上させることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタの構成を示す構成図である。
【図２】図２は、ＩｎＰからなるコレクタ層２０１と、ＧａＡｓＳｂからなるベース層２０２と、ＩｎＰからなるエミッタ層２０３を備える通常のＨＢＴの、デバイス動作時のエネルギーバンドの一例を示すバンド図である。
【図３】図３は、実施の形態１におけるＨＢＴのデバイス動作時のエネルギーバンドの状態を示すバンド図である。
【図４】図４は、より薄い第２コレクタ層１０３を用いて構成したＨＢＴの、デバイス動作時のエネルギーバンドを示すバンド図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の構成を示す構成図である。図１では、断面を模式的に示している。
【００２３】
このＨＢＴは、ＩｎＰからなる基板１０１と、基板１０１の上に形成された第１コレクタ層１０２と、第１コレクタ層１０２の上に形成された第２コレクタ層１０３と、第２コレクタ層１０３の上に形成されてＧａ，Ａｓ，およびＳｂから構成された化合物半導体からなるベース層１０４と、ベース層１０４の上に形成されてＩｎおよびＰから構成された化合物半導体からなるエミッタ層１０５とを少なくとも備える。
【００２４】
ここで、第２コレクタ層１０３は、第１コレクタ層１０２およびベース層１０４に接した状態で、ベース層１０４の伝導帯端のエネルギー準位よりも低く、第１コレクタ層１０２の伝導帯端よりも高い伝導帯端のエネルギー準位を有し、ベース層１０４の価電子帯端のエネルギー準位よりも低い価電子帯端のエネルギー準位を有したものとなっている。
【００２５】
なお、例えば、基板１０１は、Ｆｅをドープすることで高抵抗とされたＩｎＰから構成され、ＩｎＰの（００１）面を主表面としていればよい。また、基板１０１の上には、ＩｎＰからなるバッファ層１１１，ｎ型の不純物が高濃度に導入されたＩｎＰからなるサブコレクタ層１１２、ｎ型の不純物が高濃度に導入されたＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓからなるサブコレクタ層１１３，ｎ型の不純物が高濃度に導入されたＩｎＰからなるサブコレクタ層１１４が積層されている。
【００２６】
これらを積層した上に第１コレクタ層１０２が形成されている。第１コレクタ層１０２は、例えば、ｎ型の不純物が低濃度に導入されたＩｎＰから構成され、層厚１５０ｎｍ程度とされている。また、第２コレクタ層１０３は、例えば、ｎ型の不純物が低濃度に導入されたＩｎ0.95Ａｌ0.05Ｐから構成され、層厚５０ｎｍ程度とされている。また、ベース層１０４は、例えば、ｐ型の不純物が高濃度に導入されたＧａＡｓ0.51Ｓｂ0.49から構成され、層厚３０ｎｍ程度とされている。ＧａＡｓ0.51Ｓｂ0.49は、ＩｎＰに格子整合する組成である。
【００２７】
また、エミッタ層１０５は、ｎ型の不純物が低濃度に導入されたＩｎＰから構成され、層厚７０ｎｍ程度とされている。
【００２８】
また、エミッタ層１０５の上には、不純物が高濃度に導入されたＩｎＰからなるエミッタキャップ層１１５，不純物が高濃度に導入されたＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓからなるエミッタキャップ層１１６を備えている。
【００２９】
また、サブコレクタ層１１３の上には、コレクタ電極１２１が形成されている。コレクタ電極１２１は、サブコレクタ層１１４と離間して形成されている。また、ベース層１０４の上には、ベース電極１２２が形成されている。ベース電極１２２は、エミッタ層１０５から離間して形成されている。また、エミッタキャップ層１１６の上には、エミッタ電極１２３が形成されている。
【００３０】
上述した化合物半導体による各層は、よく知られた有機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）または分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などの堆積法で、エピタキシャル成長させることで形成できる。また、コレクタメサおよびエミッタメサは、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで形成すればよい。また、各電極は、例えば、公知の蒸着法およびリフトオフ法などにより形成することができる。なお、上述した本実施の形態におけるＨＢＴの詳細については、説明に支障のない範囲で省略している。また、ドーパント、各層の構成材料、各層の組成については上記記述に限定されることなく、所定の素子動作を実現できるものであれば、他の材料を用いてもかまわない。
【００３１】
上述した本実施の形態におけるＨＢＴによれば、ベース層１０４から第２コレクタ層１０３にかけての伝導帯端におけるエネルギー準位が、第２コレクタ層１０３を設けない場合に比較して高くなる。従って、ベース層１０４の価電子帯に存在する電子に対するエネルギー障壁の高さが、第２コレクタ層１０３を設けない場合に比較して高くなる。この結果、電子のツェナー・トンネリング確率が低下し、ＨＢＴのオフ耐圧の向上が望めるようになる。
【００３２】
以下、より詳細に説明する。まず、第２コレクタ層を設けない通常のＨＢＴの場合について図２を用いて説明する。図２は、ＩｎＰからなるコレクタ層２０１と、ＧａＡｓＳｂからなるベース層２０２と、ＩｎＰからなるエミッタ層２０３を備える通常のＨＢＴの、デバイス動作時のエネルギーバンドの一例を示すバンド図である。図２において、ＨＢＴのツェナー・トンネリング効果は、図２の矢印２３１で示すような、ベース層２０２の価電子帯からコレクタ層２０１の伝導帯への電子のトンネリングによって引き起こされる。矢印２３１のトンネリング距離が短いと、トンネリング確率が増大し、オフ耐圧が低下する。
【００３３】
また、価電子帯に存在する電子に対するエネルギー障壁高さ、すなわちベース層とコレクタ層の界面におけるベース層の価電子帯エネルギー準位とコレクタ層の伝導帯エネルギー準位とのエネルギー差が小さいほど、トンネリング確率が増大し、オフ耐圧が低下する。さらに、電子がトンネリングする矢印の領域における電子の有効質量が小さいと、トンネリング確率が増大しオフ耐圧が低下する。
【００３４】
次に、本実施の形態におけるＨＢＴの場合について説明する。図３は、上述した実施の形態１におけるＨＢＴのデバイス動作時のエネルギーバンドの状態を示すバンド図である。第２コレクタ層１０３は、第１コレクタ層１０２を構成するＩｎＰに比べてバンドギャップエネルギーが大きく、また伝導帯のエネルギー準位も高い。このため、価電子帯に存在する電子に対して、エネルギー障壁の高さが、単純にＩｎＰコレクタを用いる場合に比べて高くなり、トンネリング確率が減少する。
【００３５】
また、第２コレクタ層１０３を、第１コレクタ層１０２とベース層１０４との間に挿入することで、ベース層１０４の価電子帯から伝導帯への電子のトンネリング距離が、矢印１３１で示されるように長くなる。この効果も加わり、第２コレクタ層１０３の挿入により、トンネリング確率が減少し、オフ耐圧の改善効果が見込める。
【００３６】
また、ＩｎＡｌＰから第２コレクタ層１０３を構成しているので、ベース層１０４の価電子帯から伝導帯へ電子がトンネリングする際、通過する第２コレクタ層１０３における電子の有効質量が、図２の構造と比較して大きくなる。有効質量が大きいほど、電子のトンネリング確率は減少する。この観点からも、本実施の形態におけるＨＢＴは、オフ耐圧の改善効果が見込める。
【００３７】
次に、第２コレクタ層１０３をより薄くした場合について図４を用いて説明する。図４は、図３を用いて説明した例に比較して、より薄い第２コレクタ層１０３を用いて構成したＨＢＴの、デバイス動作時のエネルギーバンドを示すバンド図である。第２コレクタ層１０３が薄くなると、ベース層１０４の価電子帯の電子がトンネリングした際、矢印１４１で示すように、第２コレクタ層１０３を通り越して第１コレクタ層１０２の伝導帯にトンネリングするようになる。
【００３８】
従ってこの場合、図３を用いて説明したような、第２コレクタ層１０３の挿入で伝導帯のエネルギー準位が第１コレクタ層１０２であるＩｎＰと比較して高くなったことによる、電子のトンネリング距離の増大の効果は小さくなる。しかしこの場合でも、第２コレクタ層１０３は、第１コレクタ層１０２を構成するＩｎＰに比べてバンドギャップエネルギーが大きく、また伝導帯のエネルギー準位も高い。このため、価電子帯に存在する電子に対して、エネルギー障壁の高さが、単純にＩｎＰコレクタを用いる場合に比べて高くなり、トンネリング確率が減少する。
【００３９】
加えて、第２コレクタ層１０３を、ＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＧａＰなどから構成すれば、電子がトンネリングにより通過する層における電子の有効質量は増大するため、電子のトンネリング確率は低減する。従って、第２コレクタ層１０３を薄くして図４のようなバンド構造となっても、オフ耐圧の改善効果を得ることができる。
【００４０】
ここで、第２コレクタ層１０３は、原理的には第２コレクタ層１０３が半導体としての特性が十分得られることができる厚さがあれば、本発明におけるオフ耐圧の改善効果は得ることができる。第２コレクタ層１０３は、最低でもおよそ分子一層分に相当する０．２５ｎｍ以上あれば、本発明のオフ耐圧改善効果を得ることができる。
【００４１】
ただし、第２コレクタ層１０３は、ＩｎＰからなる第１コレクタ層１０２に接して形成する場合における臨界膜厚以下とすることが重要となる。第２コレクタ層１０３は、上述したバンド構造とするために、第１コレクタ層１０２とは異なる材料から構成することになり、ＩｎＰに擬似格子整合する材料を用いることになる。このため、第２コレクタ層１０３には格子歪みが伴うことになる。このような格子歪みを伴う材料は、臨界膜厚を超えた厚さとすると、格子歪みの緩和により結晶欠陥が導入され、所望の特性が得られなくなると考えられる。このため、第２コレクタ層１０３は、第２コレクタ層１０３を構成する材料のＩｎＰに対する臨界膜厚以下の範囲に形成することが重要となる。
【００４２】
ところで、前述したように、トンネリングする層のキャリアの有効質量が大きいほど、キャリアのトンネリング確率は小さくなる。しかし一般に、キャリアの有効質量が大きいほど、コレクタ層の伝導帯を走行するキャリアの輸送特性が損なわれ、高周波特性が阻害されることが考えられる。このため、本発明では、第２コレクタ層をコレクタ層全域とするのではなく、電子のトンネリングが起こりうるごく限られた領域だけに、臨界膜厚以下の厚さにおいて第２コレクタ層を挿入している。従って、コレクタ層全域に第２コレクタ層材料を適用する場合に比べ高周波特性を大きく損なうことはなく、高耐圧特性を有するＨＢＴを提供することができる。
【００４３】
また、第１コレクタ層を構成するＩｎＰと比較して、電子の有効質量が高い材料から第２コレクタ層を構成する場合、第２コレクタ層は厚く形成するほど電子のトンネリング確率が減少し、オフ耐圧の改善効果は高くなることが、原理的には予想される。しかし一般に、キャリアの有効質量が大きいほど、コレクタ層の伝導帯を走行するキャリアの輸送特性が損なわれ、高周波特性が阻害されることが考えられる。これに対し、本発明では、第２コレクタ層を、コレクタ層全域ではなく電子のトンネリングが起こりうるごく限られた領域だけに、臨界膜厚以下の厚さとして挿入している。このため、コレクタ層全域に第２コレクタ層材料を適用する場合に比べ高周波特性を大きく損なうことはなく、高耐圧特性を有するＨＢＴを提供することができる。
【００４４】
以上に説明した本発明は、トンネリング電流が制限されるのは、コレクタ層全体の厚さではなく、電子のトンネリングが起こりうる領域のエネルギー障壁高さ、トンネリングする層の厚さ、および電子のトンネリングが起こりうる領域での電子の有効質量であることに注目したことにより、初めて成し得たものである。これらの、発明者らの鋭意検討の結果、ベース層およびコレクタ層における電子がトンネリングする領域にのみ、ＩｎＰに比べて大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成した第２コレクタ層を挿入するという、特徴的な構成を発明するに至った。
【００４５】
上述した本発明によれば、ベース層からコレクタ層への電子のトンネリング確率が減少するので、ＧａＡｓＳｂ系の化合物半導体のベース層を有するＩｎＰ系ＨＢＴにおいて、高周波特性を大きく損なうことなく、高耐圧特性が得られるようになる。
【００４６】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【００４７】
例えば、ベース層としてＡｌＧａＡｓＳｂまたはＩｎＡｌＧａＡｓＳｂを適用することも可能である。ＡｌＧａＡｓＳｂまたはＩｎＡｌＧａＡｓＳｂをベース層として適用することで、ベース層の伝導帯のエネルギー準位を、ＧａＡｓＳｂをベース層として適用する場合よりも高くすることができる。
【００４８】
例えば、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰの伝導帯エネルギー準位は、Ａｌ組成約０．１においてＧａＡｓＳｂの伝導帯エネルギー準位と一致する。このため通常、ＧａＡｓＳｂをベース層に適用する場合、ＨＢＴの動作帯域を損なわないためには、第２コレクタ層のＡｌ組成は、約０．１以下に設定することになる。
【００４９】
これに対し、ＡｌＧａＡｓＳｂまたはＩｎＡｌＧａＡｓＳｂをベース層に適用すれば、このような問題は解消され、第２コレクタ層として用いるＩｎＡｌＰのＡｌ組成を、約０．１以上に設定することが可能となり、高周波特性と高耐圧特性を両立させたＨＢＴを提供することができる。
【００５０】
同様に、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＧａＰのエネルギー準位は、Ｇａ組成０．３以下においてＧａＡｓＳｂの伝導帯エネルギー準位と一致するため、通常ＧａＡｓＳｂをベース層に用いた場合、第２コレクタ層のＧａ組成は、約０．３以下に設定することになる。
【００５１】
これに対し、ＡｌＧａＡｓＳｂまたはＩｎＡｌＧａＡｓＳｂをベース層に適用すれば、このような問題は解消され、高周波特性を損なわずに第２コレクタ層として用いるＩｎＧａＰのＧａ組成を、約０．３以上に設定することが可能となり、高周波特性と高耐圧特性を両立させたＨＢＴを提供することができる。また、第２コレクタ層の材料として、ＩｎＡｌＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰ、またＩｎＡｌＧａＡｓＰを採用した場合においても、同様の効果を得ることができる。
【００５２】
また、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂをベース層として適用することで、ベース層の価電子帯のエネルギー準位を、ＧａＡｓＳｂをベース層として適用する場合よりも低くすることができる。このため、価電子帯の電子に対して、トンネリングするためのエネルギー障壁高さが高くなる。また、電子のトンネリングするための距離も長くなる。これにより、電子のトンネリング確率が減少するため、高周波特性と高耐圧特性を両立させたＨＢＴを提供することができる。
【００５３】
また、第１のコレクタ層の材料は、ＩｎＰに限るものではなく、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかを採用することも可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１０１…基板、１０２…第１コレクタ層、１０３…第２コレクタ層、１０４…ベース層、１０５…エミッタ層、１１１…バッファ層、１１２…サブコレクタ層、１１３…サブコレクタ層、１１４…サブコレクタ層、１１５…エミッタキャップ層、１１６…エミッタキャップ層、１２１…コレクタ電極、１２２…ベース電極、１２３…エミッタ電極。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩｎＰ基板上に形成され、ＧａＡｓＳｂ系材料をベース層に用いるヘテロ接合バイポーラトランジスタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、通信のさらなる高速化、大容量化に対する要求が高まっている。このため、４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の大容量光通信システムや、テラヘルツ帯無線通信システムに用いられる集積回路を構成するヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Heterojunction Bipolar Transistor：ＨＢＴ）の性能向上が求められている。このＨＢＴには、通常、高い遮断周波数（電流利得帯域幅）、最大発振周波数（電力利得帯域幅）のほか、高いオフ耐圧特性が求められる。
【０００３】
このＨＢＴは、通常、基板上に、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＰなどの材料による層により構成されている。これらの各層は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）や分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などの手法により形成する。
【０００４】
この中でも、ベース層材料として、ＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＡｌＧａＡｓＳｂなどのＧａ，Ａｓ，およびＳｂから構成された化合物半導体を用いたＨＢＴが注目されている。例えば、ＧａＡｓＳｂは、ＩｎＰ基板に対して、ＧａＡｓ0.51Ｓｂ0.49において格子整合する。
【０００５】
このベース層材料を用いたＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ系ＨＢＴは、ヘテロ接合においてｔｙｐｅ−ＩＩ型のバンド構造を利用できるため、次に述べるように優れた高周波特性、高耐圧特性を同時に実現することが可能である（非特許文献１参照）。
【０００６】
例えば、ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ系ＨＢＴでは、ベース層材料であるＧａＡｓＳｂ系材料の伝導帯端のエネルギー準位が、コレクタ層材料であるＩｎＰの伝導帯端のエネルギー準位よりも高い。このため、コレクタ層に電子を高速に射出するランチャーとして、ベース層を作用させることができるという利点がある。
【０００７】
また、ＨＢＴのオフ耐圧は、コレクタ層の逆方向降伏電圧で決まるため、コレクタ層のバンドギャップが大きいＨＢＴほど降伏現象が起こりにくく、高い耐圧特性が得られる。このため、ＩｎＰ系ＨＢＴでは、ＩｎＧａＡｓよりもバンドギャップの大きいＩｎＰをコレクタ層に用いることが本来望ましい。
【０００８】
従来のＩｎＰ系ＨＢＴではＩｎＧａＡｓをベース層に用いることが多いが、この場合、ＩｎＰをコレクタ層に用いるとベース層とコレクタ層の界面に障壁が形成され、いわゆる電流ブロッキング効果により高速性を損ねてしまう。このため、ＩｎＧａＡｓなど、ベース層とコレクタ層に障壁を生じない材料をコレクタ層として用いる必要があり、耐圧が犠牲となっていた。一方、ＧａＡｓＳｂをベース層に用いたＨＢＴでは、上述のようにベース層とコレクタ層界面での電流ブロッキングを解消できるため、高周波特性を妨げることなく、降伏電圧の高いＩｎＰをコレクタ層材料として用いて高耐圧特性を得ることが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】M. W. Dvorak et al. , "300 GHz InP/GaAsSb/InP Double HBTs with High Current Capability and BVCEO>6V",Ieee Electron Device Letters, vol.22, no.8, pp.361-363,2001.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、上記のような特性を有するものの、ＧａＡｓＳｂをベース層に用いたＨＢＴのオフ耐圧は、いくつかの用途に対してはまだ十分なオフ耐圧特性が得られておらず、高い高周波特性を維持したまま、さらなるオフ耐圧の向上が求められている。一般的に、ＨＢＴのオフ耐圧をさらに向上させるためには、ＨＢＴのコレクタ層をより厚く形成するものとなる。しかし、不用意にＨＢＴのコレクタ層を厚くすると、少数キャリアがコレクタ層を走行する時間が長くなり、この結果、遮断周波数、最大発振周波数ともに低下を招く要因となりうる。
【００１１】
通常、ＩｎＰ基板上に形成されるＨＢＴのオフ耐圧は、ベース層の価電子帯からコレクタ層の伝導帯への電子のツェナー・トンネリング効果によって制限される。従って、電子のツェナー・トンネリング確率（以下、単にトンネリング確率と呼ぶ）を下げ、トンネリング電流を小さくすることで、ＨＢＴのオフ耐圧の向上が望める。
【００１２】
電子がトンネリングする層のエネルギー障壁、すなわちベース層とコレクタ層の界面におけるベース層の価電子帯エネルギー準位とコレクタ層の伝導帯エネルギー準位とのエネルギー差が大きいほど電子のトンネリング確率は小さくなる。あるいはトンネリングする層が厚いほど、電子のトンネリング距離が長くなるため、トンネリング確率が小さくなる。またあるいは、トンネリングする層におけるトンネリングするキャリアの有効質量が大きいほど、トンネリング確率は小さくなり、従ってトンネリング電流が小さくなりオフ耐圧の改善が見込める。
【００１３】
例えば、ＧａＡｓＳｂをベース層に用いたＨＢＴのコレクタ層に、ＩｎＡｌＧａＰやＩｎＡｌＧａＡｓといった材料を適用することが考えられる。これらの材料を用いることでコレクタ層のバンドギャップエネルギーをＩｎＰよりも大きくし、伝導帯エネルギー準位を高くすれば、電子がトンネリングする層のエネルギー障壁が大きくなり、またトンネリング距離も長くなるため、オフ耐圧を向上することができる。このとき、コレクタ層の材料の混晶組成は、ＧａＡｓＳｂとｔｙｐｅ−ＩＩ型のバンドラインナップを構成するように設計する必要がある。
【００１４】
しかし、ＩｎＡｌＧａＰは、ＩｎＰよりも格子定数が大きい故に、ＩｎＰ基板上に形成される場合、擬似格子整合の状態にある。従って、ＩｎＡｌＧａＰは、格子歪み量により制限される臨界膜厚により、設定できるＡｌ組成およびＧａ組成が制限される。このため、Ａｌ組成およびＧａ組成をむやみに増加させることができず、バンドギャップエネルギーを任意に変化させることができない。
【００１５】
一方、ＩｎＡｌＧａＡｓは、ＩｎＰに格子整合した状態でバンドギャップエネルギーを大きくすることができるが、上記の効果を得るには、少なくともＡｌ組成を０．２５以上に設定することになり、意図しない効果として、ベース・コレクタ間におけるリーク電流を増加させてしまう可能性がある。この場合、所望の特性が得られないばかりか、逆にオフ耐圧特性を劣化させてしまう可能性がある。
【００１６】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＧａＡｓＳｂ系の化合物半導体のベース層を有するＩｎＰ系ＨＢＴにおいて、高周波特性を犠牲にすることなく、さらにオフ耐圧を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ＩｎＰからなる基板と、基板の上に形成された第１コレクタ層と、第１コレクタ層の上に形成された第２コレクタ層と、第２コレクタ層の上に形成されてＧａ，Ａｓ，およびＳｂから構成された化合物半導体からなるベース層と、ベース層の上に形成されてＩｎおよびＰから構成された化合物半導体からなるエミッタ層とを少なくとも備え、第２コレクタ層は、ベース層の伝導帯端のエネルギー準位よりも低く、第１コレクタ層の伝導帯端よりも高い伝導帯端のエネルギー準位を有し、ベース層の価電子帯端のエネルギー準位よりも低い価電子帯端のエネルギー準位を有して形成されている。
【００１８】
上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、ベース層は、ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂの中より選択された化合物半導体から構成されていればよい。また、第１コレクタ層は、ＩｎＰ、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓＰの中より選択された化合物半導体から構成されていればよい。
【００１９】
上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、第２コレクタ層は、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＧａＰの中より選択された化合物半導体から構成されていればよい。また、第２コレクタ層は、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓＰの中より選択された化合物半導体から構成されていてもよい。なお、第２コレクタ層は、第２コレクタ層を構成する材料のＩｎＰに対する臨界膜厚以下の範囲で厚さが０．２５ｎｍ以上とされているとよい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、ベース層の伝導帯端のエネルギー準位よりも低く、第１コレクタ層の伝導帯端よりも高い伝導帯端のエネルギー準位を有し、ベース層の価電子帯端のエネルギー準位よりも低い価電子帯端のエネルギー準位を有して形成された第２コレクタ層を設けるようにしたので、ＧａＡｓＳｂ系の化合物半導体のベース層を有するＩｎＰ系ＨＢＴにおいて、高周波特性を犠牲にすることなく、さらにオフ耐圧を向上させることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタの構成を示す構成図である。
【図２】図２は、ＩｎＰからなるコレクタ層２０１と、ＧａＡｓＳｂからなるベース層２０２と、ＩｎＰからなるエミッタ層２０３を備える通常のＨＢＴの、デバイス動作時のエネルギーバンドの一例を示すバンド図である。
【図３】図３は、実施の形態１におけるＨＢＴのデバイス動作時のエネルギーバンドの状態を示すバンド図である。
【図４】図４は、より薄い第２コレクタ層１０３を用いて構成したＨＢＴの、デバイス動作時のエネルギーバンドを示すバンド図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の構成を示す構成図である。図１では、断面を模式的に示している。
【００２３】
このＨＢＴは、ＩｎＰからなる基板１０１と、基板１０１の上に形成された第１コレクタ層１０２と、第１コレクタ層１０２の上に形成された第２コレクタ層１０３と、第２コレクタ層１０３の上に形成されてＧａ，Ａｓ，およびＳｂから構成された化合物半導体からなるベース層１０４と、ベース層１０４の上に形成されてＩｎおよびＰから構成された化合物半導体からなるエミッタ層１０５とを少なくとも備える。
【００２４】
ここで、第２コレクタ層１０３は、第１コレクタ層１０２およびベース層１０４に接した状態で、ベース層１０４の伝導帯端のエネルギー準位よりも低く、第１コレクタ層１０２の伝導帯端よりも高い伝導帯端のエネルギー準位を有し、ベース層１０４の価電子帯端のエネルギー準位よりも低い価電子帯端のエネルギー準位を有したものとなっている。
【００２５】
なお、例えば、基板１０１は、Ｆｅをドープすることで高抵抗とされたＩｎＰから構成され、ＩｎＰの（００１）面を主表面としていればよい。また、基板１０１の上には、ＩｎＰからなるバッファ層１１１，ｎ型の不純物が高濃度に導入されたＩｎＰからなるサブコレクタ層１１２、ｎ型の不純物が高濃度に導入されたＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓからなるサブコレクタ層１１３，ｎ型の不純物が高濃度に導入されたＩｎＰからなるサブコレクタ層１１４が積層されている。
【００２６】
これらを積層した上に第１コレクタ層１０２が形成されている。第１コレクタ層１０２は、例えば、ｎ型の不純物が低濃度に導入されたＩｎＰから構成され、層厚１５０ｎｍ程度とされている。また、第２コレクタ層１０３は、例えば、ｎ型の不純物が低濃度に導入されたＩｎ0.95Ａｌ0.05Ｐから構成され、層厚５０ｎｍ程度とされている。また、ベース層１０４は、例えば、ｐ型の不純物が高濃度に導入されたＧａＡｓ0.51Ｓｂ0.49から構成され、層厚３０ｎｍ程度とされている。ＧａＡｓ0.51Ｓｂ0.49は、ＩｎＰに格子整合する組成である。
【００２７】
また、エミッタ層１０５は、ｎ型の不純物が低濃度に導入されたＩｎＰから構成され、層厚７０ｎｍ程度とされている。
【００２８】
また、エミッタ層１０５の上には、不純物が高濃度に導入されたＩｎＰからなるエミッタキャップ層１１５，不純物が高濃度に導入されたＩｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓからなるエミッタキャップ層１１６を備えている。
【００２９】
また、サブコレクタ層１１３の上には、コレクタ電極１２１が形成されている。コレクタ電極１２１は、サブコレクタ層１１４と離間して形成されている。また、ベース層１０４の上には、ベース電極１２２が形成されている。ベース電極１２２は、エミッタ層１０５から離間して形成されている。また、エミッタキャップ層１１６の上には、エミッタ電極１２３が形成されている。
【００３０】
上述した化合物半導体による各層は、よく知られた有機金属化学気相成長法（ＭＯＶＰＥ）または分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ）などの堆積法で、エピタキシャル成長させることで形成できる。また、コレクタメサおよびエミッタメサは、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術によりパターニングすることで形成すればよい。また、各電極は、例えば、公知の蒸着法およびリフトオフ法などにより形成することができる。なお、上述した本実施の形態におけるＨＢＴの詳細については、説明に支障のない範囲で省略している。また、ドーパント、各層の構成材料、各層の組成については上記記述に限定されることなく、所定の素子動作を実現できるものであれば、他の材料を用いてもかまわない。
【００３１】
上述した本実施の形態におけるＨＢＴによれば、ベース層１０４から第２コレクタ層１０３にかけての伝導帯端におけるエネルギー準位が、第２コレクタ層１０３を設けない場合に比較して高くなる。従って、ベース層１０４の価電子帯に存在する電子に対するエネルギー障壁の高さが、第２コレクタ層１０３を設けない場合に比較して高くなる。この結果、電子のツェナー・トンネリング確率が低下し、ＨＢＴのオフ耐圧の向上が望めるようになる。
【００３２】
以下、より詳細に説明する。まず、第２コレクタ層を設けない通常のＨＢＴの場合について図２を用いて説明する。図２は、ＩｎＰからなるコレクタ層２０１と、ＧａＡｓＳｂからなるベース層２０２と、ＩｎＰからなるエミッタ層２０３を備える通常のＨＢＴの、デバイス動作時のエネルギーバンドの一例を示すバンド図である。図２において、ＨＢＴのツェナー・トンネリング効果は、図２の矢印２３１で示すような、ベース層２０２の価電子帯からコレクタ層２０１の伝導帯への電子のトンネリングによって引き起こされる。矢印２３１のトンネリング距離が短いと、トンネリング確率が増大し、オフ耐圧が低下する。
【００３３】
また、価電子帯に存在する電子に対するエネルギー障壁高さ、すなわちベース層とコレクタ層の界面におけるベース層の価電子帯エネルギー準位とコレクタ層の伝導帯エネルギー準位とのエネルギー差が小さいほど、トンネリング確率が増大し、オフ耐圧が低下する。さらに、電子がトンネリングする矢印の領域における電子の有効質量が小さいと、トンネリング確率が増大しオフ耐圧が低下する。
【００３４】
次に、本実施の形態におけるＨＢＴの場合について説明する。図３は、上述した実施の形態１におけるＨＢＴのデバイス動作時のエネルギーバンドの状態を示すバンド図である。第２コレクタ層１０３は、第１コレクタ層１０２を構成するＩｎＰに比べてバンドギャップエネルギーが大きく、また伝導帯のエネルギー準位も高い。このため、価電子帯に存在する電子に対して、エネルギー障壁の高さが、単純にＩｎＰコレクタを用いる場合に比べて高くなり、トンネリング確率が減少する。
【００３５】
また、第２コレクタ層１０３を、第１コレクタ層１０２とベース層１０４との間に挿入することで、ベース層１０４の価電子帯から伝導帯への電子のトンネリング距離が、矢印１３１で示されるように長くなる。この効果も加わり、第２コレクタ層１０３の挿入により、トンネリング確率が減少し、オフ耐圧の改善効果が見込める。
【００３６】
また、ＩｎＡｌＰから第２コレクタ層１０３を構成しているので、ベース層１０４の価電子帯から伝導帯へ電子がトンネリングする際、通過する第２コレクタ層１０３における電子の有効質量が、図２の構造と比較して大きくなる。有効質量が大きいほど、電子のトンネリング確率は減少する。この観点からも、本実施の形態におけるＨＢＴは、オフ耐圧の改善効果が見込める。
【００３７】
次に、第２コレクタ層１０３をより薄くした場合について図４を用いて説明する。図４は、図３を用いて説明した例に比較して、より薄い第２コレクタ層１０３を用いて構成したＨＢＴの、デバイス動作時のエネルギーバンドを示すバンド図である。第２コレクタ層１０３が薄くなると、ベース層１０４の価電子帯の電子がトンネリングした際、矢印１４１で示すように、第２コレクタ層１０３を通り越して第１コレクタ層１０２の伝導帯にトンネリングするようになる。
【００３８】
従ってこの場合、図３を用いて説明したような、第２コレクタ層１０３の挿入で伝導帯のエネルギー準位が第１コレクタ層１０２であるＩｎＰと比較して高くなったことによる、電子のトンネリング距離の増大の効果は小さくなる。しかしこの場合でも、第２コレクタ層１０３は、第１コレクタ層１０２を構成するＩｎＰに比べてバンドギャップエネルギーが大きく、また伝導帯のエネルギー準位も高い。このため、価電子帯に存在する電子に対して、エネルギー障壁の高さが、単純にＩｎＰコレクタを用いる場合に比べて高くなり、トンネリング確率が減少する。
【００３９】
加えて、第２コレクタ層１０３を、ＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＧａＰなどから構成すれば、電子がトンネリングにより通過する層における電子の有効質量は増大するため、電子のトンネリング確率は低減する。従って、第２コレクタ層１０３を薄くして図４のようなバンド構造となっても、オフ耐圧の改善効果を得ることができる。
【００４０】
ここで、第２コレクタ層１０３は、原理的には第２コレクタ層１０３が半導体としての特性が十分得られることができる厚さがあれば、本発明におけるオフ耐圧の改善効果は得ることができる。第２コレクタ層１０３は、最低でもおよそ分子一層分に相当する０．２５ｎｍ以上あれば、本発明のオフ耐圧改善効果を得ることができる。
【００４１】
ただし、第２コレクタ層１０３は、ＩｎＰからなる第１コレクタ層１０２に接して形成する場合における臨界膜厚以下とすることが重要となる。第２コレクタ層１０３は、上述したバンド構造とするために、第１コレクタ層１０２とは異なる材料から構成することになり、ＩｎＰに擬似格子整合する材料を用いることになる。このため、第２コレクタ層１０３には格子歪みが伴うことになる。このような格子歪みを伴う材料は、臨界膜厚を超えた厚さとすると、格子歪みの緩和により結晶欠陥が導入され、所望の特性が得られなくなると考えられる。このため、第２コレクタ層１０３は、第２コレクタ層１０３を構成する材料のＩｎＰに対する臨界膜厚以下の範囲に形成することが重要となる。
【００４２】
ところで、前述したように、トンネリングする層のキャリアの有効質量が大きいほど、キャリアのトンネリング確率は小さくなる。しかし一般に、キャリアの有効質量が大きいほど、コレクタ層の伝導帯を走行するキャリアの輸送特性が損なわれ、高周波特性が阻害されることが考えられる。このため、本発明では、第２コレクタ層をコレクタ層全域とするのではなく、電子のトンネリングが起こりうるごく限られた領域だけに、臨界膜厚以下の厚さにおいて第２コレクタ層を挿入している。従って、コレクタ層全域に第２コレクタ層材料を適用する場合に比べ高周波特性を大きく損なうことはなく、高耐圧特性を有するＨＢＴを提供することができる。
【００４３】
また、第１コレクタ層を構成するＩｎＰと比較して、電子の有効質量が高い材料から第２コレクタ層を構成する場合、第２コレクタ層は厚く形成するほど電子のトンネリング確率が減少し、オフ耐圧の改善効果は高くなることが、原理的には予想される。しかし一般に、キャリアの有効質量が大きいほど、コレクタ層の伝導帯を走行するキャリアの輸送特性が損なわれ、高周波特性が阻害されることが考えられる。これに対し、本発明では、第２コレクタ層を、コレクタ層全域ではなく電子のトンネリングが起こりうるごく限られた領域だけに、臨界膜厚以下の厚さとして挿入している。このため、コレクタ層全域に第２コレクタ層材料を適用する場合に比べ高周波特性を大きく損なうことはなく、高耐圧特性を有するＨＢＴを提供することができる。
【００４４】
以上に説明した本発明は、トンネリング電流が制限されるのは、コレクタ層全体の厚さではなく、電子のトンネリングが起こりうる領域のエネルギー障壁高さ、トンネリングする層の厚さ、および電子のトンネリングが起こりうる領域での電子の有効質量であることに注目したことにより、初めて成し得たものである。これらの、発明者らの鋭意検討の結果、ベース層およびコレクタ層における電子がトンネリングする領域にのみ、ＩｎＰに比べて大きなバンドギャップエネルギーを有する材料から構成した第２コレクタ層を挿入するという、特徴的な構成を発明するに至った。
【００４５】
上述した本発明によれば、ベース層からコレクタ層への電子のトンネリング確率が減少するので、ＧａＡｓＳｂ系の化合物半導体のベース層を有するＩｎＰ系ＨＢＴにおいて、高周波特性を大きく損なうことなく、高耐圧特性が得られるようになる。
【００４６】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【００４７】
例えば、ベース層としてＡｌＧａＡｓＳｂまたはＩｎＡｌＧａＡｓＳｂを適用することも可能である。ＡｌＧａＡｓＳｂまたはＩｎＡｌＧａＡｓＳｂをベース層として適用することで、ベース層の伝導帯のエネルギー準位を、ＧａＡｓＳｂをベース層として適用する場合よりも高くすることができる。
【００４８】
例えば、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰの伝導帯エネルギー準位は、Ａｌ組成約０．１においてＧａＡｓＳｂの伝導帯エネルギー準位と一致する。このため通常、ＧａＡｓＳｂをベース層に適用する場合、ＨＢＴの動作帯域を損なわないためには、第２コレクタ層のＡｌ組成は、約０．１以下に設定することになる。
【００４９】
これに対し、ＡｌＧａＡｓＳｂまたはＩｎＡｌＧａＡｓＳｂをベース層に適用すれば、このような問題は解消され、第２コレクタ層として用いるＩｎＡｌＰのＡｌ組成を、約０．１以上に設定することが可能となり、高周波特性と高耐圧特性を両立させたＨＢＴを提供することができる。
【００５０】
同様に、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＧａＰのエネルギー準位は、Ｇａ組成０．３以下においてＧａＡｓＳｂの伝導帯エネルギー準位と一致するため、通常ＧａＡｓＳｂをベース層に用いた場合、第２コレクタ層のＧａ組成は、約０．３以下に設定することになる。
【００５１】
これに対し、ＡｌＧａＡｓＳｂまたはＩｎＡｌＧａＡｓＳｂをベース層に適用すれば、このような問題は解消され、高周波特性を損なわずに第２コレクタ層として用いるＩｎＧａＰのＧａ組成を、約０．３以上に設定することが可能となり、高周波特性と高耐圧特性を両立させたＨＢＴを提供することができる。また、第２コレクタ層の材料として、ＩｎＡｌＧａＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓＰ、またＩｎＡｌＧａＡｓＰを採用した場合においても、同様の効果を得ることができる。
【００５２】
また、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂをベース層として適用することで、ベース層の価電子帯のエネルギー準位を、ＧａＡｓＳｂをベース層として適用する場合よりも低くすることができる。このため、価電子帯の電子に対して、トンネリングするためのエネルギー障壁高さが高くなる。また、電子のトンネリングするための距離も長くなる。これにより、電子のトンネリング確率が減少するため、高周波特性と高耐圧特性を両立させたＨＢＴを提供することができる。
【００５３】
また、第１のコレクタ層の材料は、ＩｎＰに限るものではなく、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＡｌＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓのいずれかを採用することも可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１０１…基板、１０２…第１コレクタ層、１０３…第２コレクタ層、１０４…ベース層、１０５…エミッタ層、１１１…バッファ層、１１２…サブコレクタ層、１１３…サブコレクタ層、１１４…サブコレクタ層、１１５…エミッタキャップ層、１１６…エミッタキャップ層、１２１…コレクタ電極、１２２…ベース電極、１２３…エミッタ電極。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰからなる基板と、
前記基板の上に形成された第１コレクタ層と、
前記第１コレクタ層の上に形成された第２コレクタ層と、
前記第２コレクタ層の上に形成されてＧａ，Ａｓ，およびＳｂから構成された化合物半導体からなるベース層と、
前記ベース層の上に形成されてＩｎおよびＰから構成された化合物半導体からなるエミッタ層と
を少なくとも備え、
前記第２コレクタ層は、前記ベース層の伝導帯端のエネルギー準位よりも低く、前記第１コレクタ層の伝導帯端よりも高い伝導帯端のエネルギー準位を有し、前記ベース層の価電子帯端のエネルギー準位よりも低い価電子帯端のエネルギー準位を有して形成されている
ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項２】
請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記ベース層は、ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂのなかより選択された化合物半導体から構成されてい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。
【請求項３】
請求項１または２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第１コレクタ層は、ＩｎＰ、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓＰのなかより選択された化合物半導体から構成されてい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。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第２コレクタ層は、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＧａＰのなかより選択された化合物半導体から構成されてい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。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第２コレクタ層は、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓＰのなかより選択された化合物半導体から構成されてい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。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第２コレクタ層は、前記第２コレクタ層を構成する材料のＩｎＰに対する臨界膜厚以下の範囲で厚さが０．２５ｎｍ以上とされてい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。
【請求項１】
ＩｎＰからなる基板と、
前記基板の上に形成された第１コレクタ層と、
前記第１コレクタ層の上に形成された第２コレクタ層と、
前記第２コレクタ層の上に形成されてＧａ，Ａｓ，およびＳｂから構成された化合物半導体からなるベース層と、
前記ベース層の上に形成されてＩｎおよびＰから構成された化合物半導体からなるエミッタ層と
を少なくとも備え、
前記第２コレクタ層は、前記ベース層の伝導帯端のエネルギー準位よりも低く、前記第１コレクタ層の伝導帯端よりも高い伝導帯端のエネルギー準位を有し、前記ベース層の価電子帯端のエネルギー準位よりも低い価電子帯端のエネルギー準位を有して形成されている
ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項２】
請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記ベース層は、ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＡｌＧａＡｓＳｂ，ＩｎＡｌＧａＡｓＳｂのなかより選択された化合物半導体から構成されてい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。
【請求項３】
請求項１または２記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第１コレクタ層は、ＩｎＰ、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＧａＰ，ＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓＰのなかより選択された化合物半導体から構成されてい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。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第２コレクタ層は、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＰ，ＩｎＧａＰ，ＩｎＡｌＧａＰのなかより選択された化合物半導体から構成されてい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。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第２コレクタ層は、ＩｎＰに擬似格子整合するＩｎＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＡｌＧａＡｓ，ＩｎＡｌＡｓＰ，ＩｎＡｌＧａＡｓＰのなかより選択された化合物半導体から構成されてい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。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第２コレクタ層は、前記第２コレクタ層を構成する材料のＩｎＰに対する臨界膜厚以下の範囲で厚さが０．２５ｎｍ以上とされてい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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２２７２４５（Ｐ２０１２−２２７２４５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９１７５６（Ｐ２０１１−９１７５６）
【出願日】平成２３年４月１８日（２０１１．４．１８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１８日（２０１１．４．１８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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