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JP4802442B2 - 化合物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法 - Google Patents
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JP4802442B2 - 化合物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法 - Google Patents

化合物半導体エピタキシャル基板およびその製造方法 Download PDF

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、化合物半導体エピタキシャル基板に関し、特に、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(以下、「HBT」と称することがある。)の製造用として好適な化合物半導体エピタキシャル基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
元基板上にバッファー層を有してなる化合物半導体エピタキシャル基板は、HBTの製造に用いられる。HBTは、エミッタ層にベース層よりもバンドギャップの大きい物質からなる層を用い、エミッタ−ベース接合をヘテロ接合とすることによりエミッタ注入効率を高めたバイポーラトランジスタであり、マイクロ波帯以上の高い周波数領域で使用できる半導体素子として知られている。
【0003】
従来のHBTは、例えば図3に示したように、GaAsからなる元基板101上にキャリアドーパント原料を与えずに成長させたGaAsやAlGaAsからなるバッファー層102、n+−GaAsからなるサブコレクタ層103、n−GaAsからなるコレクタ層104、p−GaAsからなるベース層105、n−InGaPあるいはn−AlGaAsからなるエミッタ層106、n+−GaAsからなるサブエミッタ層107(無い場合もある。)、n+−InGaAsからなるコンタクト層108がこの順序でMOCVD法等の適宜の気相成長法を用いて成長させてなる。サブコレクタ層103上にはコレクタ電極109が、ベース層105上にはベース電極110が、そしてコンタクト層108上にはエミッタ電極111がそれぞれ形成された構造となっている。
【0004】
このように形成されるHBTにあっては、その電流増幅率を大きくすることが求められている。そして、電流増幅率はベース層の結晶性により大きく影響されることが知られており、電流増幅率を向上させるためにベース層の結晶性を向上させる検討が行われている。
【0005】
元基板内に存在する欠陥が元基板上に形成されるベース層に伝播することを防ぐことによりベース層の結晶性を向上させるため、従来、例えばGaAsからなる元基板を用いてなる化合物半導体エピタキシャル基板の場合、GaAs、AlGaAs、あるいはGaAs/AlGaAsからなり超格子構造を有する層をバッファー層として成長させた化合物半導体エピタキシャルが提案されている(例えば、特許文献1参照。)が、HBTを製造した場合の電流増幅率は十分ではなく、さらに高い電流増幅率を与える化合物半導体エピタキシャル基板が望まれている。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−112444号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、HBTを製造した場合に、従来よりさらに高い電流増幅率を与える化合物半導体エピタキシャル基板を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述の問題点を解決すべく、HBT用化合物半導体エピタキシャル基板のバッファー層について鋭意検討を重ねた結果、バッファー層をInxGa1-xAsy1-y層を含む層とし、元基板を構成する化合物に対するInxGa1-xAsy1-y層の格子定数差を1.9%以内とすることにより、該バッファー層を有してなる化合物半導体エピタキシャル基板は、HBTを製造した場合に、従来よりさらに高い電流増幅率を与えることを見出し、本発明を完成するに到った。
【0009】
すなわち本発明は、GaAs元基板上にInxGa1-x P(ただし、0.46≦x≦0.51であ。)層を含むバッファー層、サブコレクタ層として働くn −GaAs層、コレクタ層として働くn −GaAs層およびベース層として働くp −GaAs層を有してなり、該GaAs元基板を構成する化合物に対するInxGa1-x P層の格子定数差が1.9%以内であるヘテロ接合バイポーラトランジスタ用化合物半導体エピタキシャル基板を提供する。また本発明は、GaAs元基板上に、該GaAs元基板を構成する化合物に対する格子定数差が1.9%以内であるInxGa1-x P(ただし、0.46≦x≦0.51であ。)層を含むバッファー層、サブコレクタ層として働くn −GaAs層、コレクタ層として働くn −GaAs層、ベース層として働くp −GaAs層、エミッタ層、コンタクト層をこの順にMOCVD法により形成す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用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法を提供する。
【0010】
【発明の実施の形態】
本発明の化合物半導体エピタキシャル基板は、GaAs元基板上にバッファー層を有してなるHBT用化合物半導体エピタキシャル基板であって、バッファー層が、式(1)
InxGa1-x ・・・(1)
で示される化合物からなる層を含むことを特徴とする。
式(1)において、xの範囲はそれぞれ0.46≦x≦0.51である
【0011】
そして、本発明の化合物半導体エピタキシャル基板においては、GaAs元基板を構成する化合物に対するInxGa1-x 層の格子定数差が1.9%以内であること、すなわちGaAs元基板を構成する化合物の格子定数をaとし、InxGa1-x 層の格子定数をbとした場合、(a−b)×100/aの絶対値が1.9%以内であり、この範囲内である場合に、該化合物半導体エピタキシャル基板は、HBTを製造した場合に、従来よりさらに高い電流増幅率を与える化合物半導体エピタキシャル基板となる。この、元基板を構成する化合物に対するInxGa1-x 層の格子定数差は、1.0%以内であることが好ましく、0.2%以内であることがより好ましい。
【0012】
ここで、InxGa1-x 層が格子緩和を起こした場合には、化合物半導体エピタキシャル基板を用いてHBTを製造した場合に、HBTの電流増幅率の向上効果が低減する傾向にあるので、本発明の化合物半導体エピタキシャル基板においては、InxGa1-x 層が格子緩和を起こしていないことが好ましい。
【0013】
以下、図面を参照して本発明の化合物半導体エピタキシャル基板の一例およびその製造方法につき詳細に説明する。
図1は、本発明による実施の形態の一例を模式的に示す層構造図であり、ここでは、GaAs系HBTの製造用化合物半導体エピタキシャル基板が示されている。
【0014】
図1に示したHBT用化合物半導体エピタキシャル基板1の構造は次の通りである。
化合物半導体エピタキシャル基板1は半絶縁性のGaAs単結晶から成るGaAs元基板2上に複数の結晶成長層を次々と積層させて構成されたものである。
【0015】
GaAs元基板1の上には、バッファー層3が形成されている。バッファー層3は、式(1)
InxGa1-x ・・・(1)
(ただし、0.46≦x≦0.51であ。)で示される化合物半導体単結晶層からなる。
【0016】
ここで、InGaPにおいてInモル比xが0.485の場合にInGaPとGaAsとの格子定数のずれが0.001%となり、殆ど格子整合する組成となるので、元基板がGaAsの場合はxは0.485付近の0.46≦x≦0.51の範囲が好ましい。なお、格子定数は一般にベガード則により求めることができる。
【0017】
また、バッファー層3の上に形成されているHBT機能層4は、該バッファー層3の上に、サブコレクタ層41として働くn+−GaAs層及びコレクタ層42として働くn-−GaAs層が、コレクタ層42の上にベース層43として働くp+−GaAs層がベース層43の上にはエミッタ層44として働くn−InGaP層が、エミッタ層44の上にはn+−GaAs層がサブエミッタ層として、n+−GaAs層及びn+−InGaAs層がそれぞれエミッタコンタクト層46、コンタクト層47として順次形成されている。本発明のHBT用化合物半導体エピタキシャル基板としては、前記バッファー層、サブコレクタ層、コレクタ層、ベース層、エミッタ層、コンタクト層を有してなるものが好ましい。なお、バッファー層3は、一つの層のみで形成されているものに限定されず、複数の層から形成されていてもよい。複数の層からなる場合は、少なくとも一つの層がInxGa1-x 層であればよい。例えば、InxGa1-x 層と共にGaAs、InP、AlGaAs等を含む層をバッファ層として用いてもよい。
【0018】
本発明による化合物半導体エピタキシャル基板を製造するための方法は、MOCVD法に限定されるものではなく、液相エピタキシャル成長法、分子線エピタキシャル法、化学ビームエピタキシャル法、原子層エピタキシャル法等を用いることができる。上述した本発明の化合物半導体エピタキシャル基板のMOCVD法による製造方法についてさらに詳しく説明する。
【0019】
図2には、図1に示した化合物半導体エピタキシャル基板1をMOCVD法により製造するのに使用される気相成長半導体製造装置10の要部が概略的に示されており、図2を参照して説明する。
気相成長半導体製造装置10は、図示していない原料ガス供給系統からの原料ガスが原料ガス供給ライン11を介して供給される反応器12を備え、反応器12内にはGaAs元基板2を載せて加熱するためのサセプタ13が設けられている。本実施の形態では、サセプタ13は多角柱体でその表面にはGaAs基板2が複数枚取り付けられており、サセプタ13は回転装置14によって回転できる公知の構成となっている。サセプタ13内部には、サセプタ13を加熱するための赤外線ランプ15が備えられている。赤外線ランプ15に加熱用電源16から加熱用の電流を流すことによりGaAs元基板2を所要の成長温度に加熱することができる。この加熱により、原料供給ライン11を介して反応器12に供給される原料ガスがGaAs元基板2上で熱分解し、GaAs元基板2上に所望の化合物半導体薄膜結晶を気相成長させることができるようになっている。使用済みのガスは排気ポート12Aより外部に排出され、排ガス処理装置へ送られる。
【0020】
ここで、GaAs元基板として用いられるのは半絶縁性GaAs単結晶基板であり、LEC(Liquid Encapsulated Czochoralski)法、VB(Vertical Bridgeman)法、VGF(Vertical Gradient Freezing)法等で製造されたGaAs元基板が好適である。いずれの方法で製造された場合であっても、これから結晶成長を行う面が、1つの結晶学的面方位から0.05°〜10°程度の傾きをもった元基板を用意するのが好ましいが、これに限定されるものではない。
【0021】
上述の如く用意したGaAs元基板の表面を、脱脂洗浄、エッチング、水洗、乾燥処理した後、このGaAs元基板を反応器12内のサセプタ13上にGaAs基板2として載せる。そして、反応炉12内を高純度水素で充分置換した後加熱を開始する。550℃から750℃の範囲、望ましくは620℃から760℃で安定したところで、キャリアガスとして水素を用い、5族原料としてフォスフィン、アルシン、3族原料として、トリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)を用いて、550℃から750℃の範囲、望ましくは620℃から760℃でInxGa1-xAsy1-y層をGaAs元基板2上に20nmから170nmの膜厚にて成長させてバッファー層3を形成する。
【0022】
そして、InxGa1-x 層からなるバッファー層3上にサブコレクタ層41、コレクタ層42を550℃から750℃の範囲、望ましくは620℃から760℃で成長させる。さらに、コレクタ層42上に、ベース層43、エミッタ層44、サブエミッタ層45を530℃から750℃の範囲望ましくは580℃から700℃で成長させ、サブエミッタ層45上にエミッタコンタクト層46、コンタクト層47を成長させ、本発明のHBT用化合物半導体エピタキシャル基板となる。
【0023】
なお、バッファー層3によりGaAs元基板2中の欠陥の伝播が抑制される理由は次の通りであると考えられる。
InとGaの結晶中でのイオン半径の差、AsとPの結晶中でのイオン半径の差は、従来の技術でバッファー層に使用されているAlGaAsにおけるAlとGaのイオン半径の差に比べ大きい。従って結晶内を微視的に見るとIn/Gaの間、As/Pの間にAl/Gaの場合よりも大きな局所的な歪が生じているものと推定される。そして、局所的な歪は欠陥をトラップしやすいという性質を持っていると考えられるので、バッファー層3の存在によってGaAs元基板2から受け継がれた転位等の欠陥が拡散されるのを有効に抑えることができ、この結果、バッファー層3内においてGaAs元基板2から受け継がれた欠陥の多くはバッファー層3内で終端してしまい、HBT機能層4の形成時にGaAs元基板2内の欠陥の影響を極めて小さくすることができ、ベース層43の結晶性を著しく良好なものとすることができるものと考えられる。このため、従来のバッファー層を用いた場合と比べ、HBTの電流増幅率を増加し得るものと推定されるのである。
【0025】
【実施例】
以下、実施例及び比較例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではない。
【0026】
実施例1
図1に示した構造の化合物半導体エピタキシャル基板を次のようにして作製した。VGF法によって作成した半絶縁性のGaAsからなる元基板を用意し、このGaAs元基板の上に、次のようにしてIn0.47Ga0.53Pからなるバッファー層を厚み100nmとなるように成長させた。このバッファー層の上にHBT機能層を次のようにしてMOCVD法により形成した。
【0027】
図2に示した装置を用いた。反応炉12内を高純度水素で充分置換した後加熱を開始し、640℃に安定したところで、キャリアガスとして水素を用い、5族化合物としてフォスフィン、3族化合物としてトリメチルガリウム(TMG)、トリメチルインジウム(TMI)を用いて、640℃の成長温度でIn0.47Ga0.53P層をGaAs元基板2上に100nmの厚さに成長させてバッファー層3を形成した。そして、In0.47Ga0.53P層からなるバッファー層3の上にサブコレクタ層41、コレクタ層42を、5族化合物としてアルシンを、3族化合物としてTMGを用い、Siドーパントガスとしてジシランを用い、640℃の成長温度で成長させた。さらに、コレクタ層42上に、ベース層43、エミッタ層44、サブエミッタ層45を620℃の成長温度で成長させた。ベース層のドーパント原料には、ハロゲン化炭素を用いた。最後にサブエミッタ層45上にエミッタコンタクト層46、コンタクト層47をアルシン、トリエチルガリウム、ジシランを用いて、500℃の成長温度にて成長させ、本発明の化合物半導体エピタキシャル基板を製造した。
【0028】
なお、各層の厚み、In組成等は以下の通りであった。コンタクト層47はn+−InGaAs層からなり、モル比In/(In+Ga)が0.5、膜厚が50nm、キャリア濃度が2.0×1019cm-3であった。エミッタコンタクト層46はn+−InGaAs層からなり、モル比In/(In+Ga)がサブエミッタ層45の境界では0でコンタクト層47の境界では0.5となるように連続的に変化しており、膜厚が50nm、キャリア濃度が2.0×1019cm-3であった。サブエミッタ層45はn+−GaAs層からなり、膜厚が100nm、キャリア濃度が3.0×1018cm-3であった。エミッタ層44はn−InGaP層からなり、モル比In/(In+Ga)が0.48、膜厚が30nm、キャリア濃度が3.0×1017cm-3であった。ベース層43はp+−GaAs層からなり、膜厚が80nm、キャリア濃度が4.0×1019cm-3であった。コレクタ層42はn-−GaAs層からなり、膜厚が700nm、キャリア濃度が5.0×1015cm-3であった。サブコレクタ層41はn+−GaAs層からなり、膜厚が500nm、キャリア濃度が3.0×1018cm-3であった。サブコレクタ層41はn+−GaAs層からなり、膜厚が500nm、キャリア濃度が3.0×1018cm-3であった。
【0029】
ここで得られた化合物半導体エピタキシャル基板を用いてHBT素子を製作した。元基板を構成するGaAsに対するIn0.47Ga0.53P層の格子定数差は0.11%であった。エミッタサイズは100μm×100μmとした。このHBT素子の電流増幅率を測定したところ128であった。ここでは、コレクタ電流1kA/cm2流したときのコレクタ電流/ベース電流を電流増幅率とした。
【0030】
実施例2
In0.475Ga0.525Pからなるバッファー層を厚み100nmとなるように成長させたことを除き、実施例1の場合と同様にしてHBT素子を作製し、その電流増幅率を測定したところ130であった。
【0031】
実施例3
In0.48Ga0.52Pからなるバッファー層を厚み100nmとなるように成長させたことを除き、実施例1の場合と同様にしてHBT素子を作製し、その電流増幅率を測定したところ125であった。
【0032】
実施例4
GaAs0.9850.015からなるバッファー層を厚み100nmとなるように成長させたことを除き、実施例1の場合と同様にしてHBT素子を作製し、その電流増幅率を測定したところ125であった。
【0033】
比較例1
Al0.475Ga0.525Asからなるバッファー層を厚み100nmとなるように成長させたことを除き、実施例1の場合と同様にして、HBT機能層を形成した化合物半導体エピタキシャル基板を作製し、HBT素子を作製した。このHBT素子の電流増幅率を測定したところ118であった。
【0034】
【発明の効果】
本発明のHBT用化合物半導体エピタキシャル基板を用いてHBTを製造すると、従来よりさらに高い電流増幅率を有するHBTとなるので、本発明は工業的に極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるHBT用化合物半導体エピタキシャル基板の一実施形態を模式的に示す層構造図。
【図2】図1に示した化合物半導体エピタキシャル基板を製造するのに使用される気相成長半導体製造装置の要部を概略的に示す図。
【図3】従来における一般的なGaAs系HBTの層構造を模式的に示す図。
【符号の説明】
1 化合物半導体エピタキシャル基板
2 GaAs基板
3 バッファー層
4 HBT機能層
10 気相成長半導体製造装置
11 原料ガス供給ライン
12 反応器
13 サセプタ
14 回転装置
15 赤外線ランプ
16 加熱用電源
41 サブコレクタ層
42 コレクタ層
43 ベース層
44 エミッタ層
45 サブエミッタ層
46 エミッタコンタクト層
47 コンタクト層
100 HBT
101 GaAs元基板
102 バッファー層
103 サブコレクタ層
104 コレクタ層
105 ベース層
106 エミッタ層
107 サブエミッタ層
108 コンタクト層
109 コレクタ電極
110 ベース電極
111 エミッタ電極

Claims (4)

  1. GaAs元基板上にInxGa1-x P(ただし、0.46≦x≦0.51であ。)層を含むバッファー層、サブコレクタ層として働くn −GaAs層、コレクタ層として働くn −GaAs層およびベース層として働くp −GaAs層を有してなり、該GaAs元基板を構成する化合物に対するInxGa1-x P層の格子定数差が1.9%以内であるヘテロ接合バイポーラトランジスタ用化合物半導体エピタキシャル基板。
  2. 元基板を構成する化合物に対するInxGa1-x 層の格子定数差が0.2%以内である請求項1に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用化合物半導体エピタキシャル基板。
  3. InxGa1-x P層が格子緩和していないInxGa1-x P層である請求項1または2に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ用化合物半導体エピタキシャル基板。
  4. GaAs元基板上に、該GaAs元基板を構成する化合物に対する格子定数差が1.9%以内であるInxGa1-x P(ただし、0.46≦x≦0.51であ。)層を含むバッファー層、サブコレクタ層として働くn −GaAs層、コレクタ層として働くn −GaAs層、ベース層として働くp −GaAs層、エミッタ層、コンタクト層をこの順にMOCVD法により形成す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用化合物半導体エピタキシャル基板の製造方法。
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