JP6096569B2 - Method for manufacturing heterojunction bipolar transistor - Google Patents
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Description
本発明は、炭素がドーピングされてp型とされたInGaAsSbからベース層を構成したヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a manufacturing method of a heterojunction bipolar transitional scan data obtained by the base layer from InGaAsSb carbon is a doped p-type.
通信の高速化、大容量化に対する要求が高まっており、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(Hetero-junction Bipolar Transistor;HBT)などの高周波半導体トランジスタの性能向上が求められている。特に近年では、従来の高速化のトレンドの他に、集積回路レベルおよびデバイスレベルでの消費電力の低減が求められている。 There is an increasing demand for high-speed communication and large capacity, and there is a demand for improved performance of high-frequency semiconductor transistors such as heterojunction bipolar transistors (HBTs). Particularly in recent years, in addition to the conventional trend of higher speed, reduction of power consumption at the integrated circuit level and the device level is required.
これらのトランジスタは、抵抗率を107Ω・cm以上にまで高抵抗化したFe添加InP基板を用い、この基板の上に格子整合するInGaAs,InAlAs,AlInGaAsSb,InAlGaP,InAlGaAsPなどの材料を用い、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)などの手法により作製された半導体層より構成されるのが一般である。 These transistors use an Fe-doped InP substrate whose resistivity is increased to 10 7 Ω · cm or more, and materials such as InGaAs, InAlAs, AlInGaAsSb, InAlGaP, and InAlGaAsP that are lattice-matched on this substrate, In general, the semiconductor layer is composed of a semiconductor layer manufactured by a technique such as metal organic chemical vapor deposition (MOVPE) or molecular beam epitaxy (MBE).
集積回路の低消費電力化には、HBTのベース層にバンドギャップの狭い(狭バンドギャップ)の材料を用いることが有効である。InP基板と比較的格子定数の近い、狭バンドギャップ材料として、InGaAsSbおよびInAlGaAsSbがある。これらの材料は、従来よりHBTのベース層として既に広く用いられているInGaAsと比較してもバンドギャップが小さい。このような狭バンドギャップ材料をHBTのベース層に適用することで、ベース-エミッタ間の内臓電位が小さくなるため、トランジスタの動作電圧を下げることができる。従って、このようなHBTを用いた機能性電気回路を作製した際、回路全体の消費電力低下が期待できる。 In order to reduce the power consumption of an integrated circuit, it is effective to use a material having a narrow band gap (narrow band gap) for the base layer of the HBT. InGaAsSb and InAlGaAsSb are narrow band gap materials having a lattice constant relatively close to that of the InP substrate. These materials have a smaller band gap than InGaAs, which has been widely used as a base layer for HBT. By applying such a narrow band gap material to the base layer of the HBT, the built-in potential between the base and the emitter is reduced, so that the operating voltage of the transistor can be lowered. Therefore, when a functional electric circuit using such an HBT is manufactured, a reduction in power consumption of the entire circuit can be expected.
ところで、上述したHBTにおいては、高周波特性を高めるために、高濃度にn型やp型にドーピングされたベース層が一般に用いられる。例えば、InP基板上に形成したnpn型のHBTなどにおいては、ベース層には1019cm-3以上の高濃度にp型ドープしたInGaAsやGaAsSbなどの材料を用いるのが一般である。 By the way, in the above-described HBT, a base layer doped with a high concentration of n-type or p-type is generally used in order to improve high-frequency characteristics. For example, in an npn type HBT formed on an InP substrate, it is common to use a material such as InGaAs or GaAsSb doped at a high concentration of 10 19 cm −3 or higher for the base layer.
従って、狭バンドギャップ材料であるInGaAsSbやInAlGaAsSbを上述したようにHBTに適用するためには、高濃度p型ドーピングが必要である。しかし、これらの四元以上の混晶材料系においては、高濃度p型ドーピングを行い、高い正孔濃度を得ることが極めて難しい。この理由について、以下に説明する。 Therefore, in order to apply InGaAsSb and InAlGaAsSb, which are narrow band gap materials, to HBT as described above, high-concentration p-type doping is required. However, in these quaternary or higher mixed crystal material systems, it is extremely difficult to obtain high hole concentration by performing high-concentration p-type doping. The reason for this will be described below.
GaAsSbやInGaAsでは、広く一般的に用いられるp型ドーパントとしては炭素(C)が挙げられる。CはInGaAsSbやInAlGaAsSbにおいても同様にp型伝導を示すことが知られている。Cドーピングを行う原料としては、多くの場合、四塩化炭素(CCl4)や四臭化炭素(CBr4)などのハロメタン系原料が用いられる。 In GaAsSb and InGaAs, a widely used p-type dopant is carbon (C). C is also known to exhibit p-type conduction in InGaAsSb and InAlGaAsSb as well. In many cases, a halomethane-based material such as carbon tetrachloride (CCl 4 ) or carbon tetrabromide (CBr 4 ) is used as a material for performing C doping.
しかしハロメタン系原料は、原料中に塩素(Cl)や臭素(Br)などのハロゲン元素が含まれるため、結晶成長の際に同時にエッチング反応が起こることが知られている。このエッチング効果により、結晶成長の際に半導体薄膜として取り込まれる固相の組成は、ドーピングを行っていない場合と比べて変動する。このようなエッチング効果による固相組成の変動は、半導体薄膜の固相組成の制御性や再現性を低下させる要因となりうる。 However, it is known that the halomethane-based raw material contains an etching reaction simultaneously with crystal growth because the raw material contains a halogen element such as chlorine (Cl) or bromine (Br). Due to this etching effect, the composition of the solid phase taken in as a semiconductor thin film during crystal growth varies as compared with the case where no doping is performed. Such a change in the solid phase composition due to the etching effect can be a factor that reduces the controllability and reproducibility of the solid phase composition of the semiconductor thin film.
エッチング効果は、固相を構成する元素によって度合いが異なるが、InとGaとで比較した場合は、Inの方がGaよりもエッチング効果の影響を受けやすい(非特許文献1参照)。従って、InGaAsSbにハロメタン系原料によってCドーピングを行うと、固相In組成が減少してしまう。このため、In組成を所望の値とした状態で、高濃度にCドーピングをおない、高い成功濃度を得ることが容易ではない。 Although the degree of the etching effect varies depending on the elements constituting the solid phase, when In and Ga are compared, In is more susceptible to the etching effect than Ga (see Non-Patent Document 1). Accordingly, when C doping is performed on InGaAsSb with a halomethane-based material, the solid phase In composition is reduced. For this reason, it is not easy to obtain a high success concentration without C doping at a high concentration in a state where the In composition is set to a desired value.
また、多くのIII−V族化合物半導体において、材料の混晶化により、ドーピングの効率が低下することが知られている。InGaAsSbにおいても同様に、固相In組成がInGaAsとGaAsSbの中間程度の領域、すなわち固相In組成xが0.2<x<0.3程度の範囲に近づくにつれて、正孔濃度は著しく減少する。 Further, in many III-V group compound semiconductors, it is known that doping efficiency decreases due to mixed crystallization of materials. Similarly, in InGaAsSb, as the solid-phase In composition is in the middle of InGaAs and GaAsSb, that is, as the solid-phase In composition x approaches 0.2 <x <0.3, the hole concentration decreases significantly. .
C以外の元素を用いたドーピングの試みもなされている。例えば、MBE法によりベリリウム(Be)ドーピングを行うことで、1019cm-3程度の高い正孔濃度のInGaAsSb薄膜が形成されたことが報告されている。また、ドーパントとして亜鉛(Zn)を用いる方法も考えられる。 Attempts to dope using elements other than C have also been made. For example, it has been reported that an InGaAsSb thin film having a high hole concentration of about 10 19 cm −3 is formed by performing beryllium (Be) doping by the MBE method. A method using zinc (Zn) as a dopant is also conceivable.
しかし、これらの材料はいずれもII族の元素であり、ドーピングによってIII族であるInおよびGaのサイトに入る。このため、V族サイトに入るCを用いる場合と比べて、ドーピングした元素が半導体層中を拡散しやすく、特に半導体層のヘテロ接合界面の急峻性などを低下させ、所望のトランジスタ特性が得られない場合がある。また、これらのドーピング元素の拡散の影響により、トランジスタの長期的な信頼性が劣化してしまう場合もある。さらに、Znに関しては、半導体薄膜を形成する結晶成長装置の内部(成膜室)に残存し、例えば、亜鉛をドープしない半導体薄膜の形成に影響を及ぼす場合がある。 However, these materials are all Group II elements, and enter Group III and In sites by doping. For this reason, compared with the case of using C entering the group V site, the doped element is easily diffused in the semiconductor layer, and in particular, the steepness of the heterojunction interface of the semiconductor layer is reduced, and desired transistor characteristics can be obtained. There may not be. In addition, the long-term reliability of the transistor may deteriorate due to the influence of diffusion of these doping elements. Further, Zn remains in the inside of the crystal growth apparatus (film formation chamber) for forming a semiconductor thin film, and may affect the formation of a semiconductor thin film not doped with zinc, for example.
上述したように、ベース層の材料として、均一組成のInGaAsSbまたはInAlGaAsSb混晶を用いる場合、高固相In組成および高ドーピング濃度を同時に得ることが困難であり、これらの適用により、最大発信周波数などのトランジスタの他の特性を損なうことなくHBTの動作電圧を小さくするのは難しい。このため、HBTの層構造に半導体超構造を導入することで、バンドエンジニアリングを行う手法が報告されている。この半導体超構造について以下で説明する。 As described above, when a uniform composition of InGaAsSb or InAlGaAsSb mixed crystal is used as the base layer material, it is difficult to obtain a high solid-phase In composition and a high doping concentration at the same time. It is difficult to reduce the operating voltage of the HBT without impairing other characteristics of the transistor. For this reason, a technique of performing band engineering by introducing a semiconductor superstructure into the layer structure of HBT has been reported. This semiconductor superstructure will be described below.
例えば、GaAs基板上にHBTを形成する場合において、InGaAsとGaAsの超格子によるベース層を適用することにより、HBTの動作電圧を低減する手法が報告されている。この場合、ベース層にp型のGaAsを用いる代わりに、In0.15Ga0.85AsとGaAsの超格子を用いることで、ベース層の平均的なバンドギャップを小さくし、通常のGaAsベースHBTと比較して、小さな動作電圧を実現している(非特許文献2参照)。 For example, in the case of forming an HBT on a GaAs substrate, a technique for reducing the operating voltage of the HBT by applying a base layer made of a superlattice of InGaAs and GaAs has been reported. In this case, instead of using p-type GaAs for the base layer, a superlattice of In 0.15 Ga 0.85 As and GaAs is used to reduce the average band gap of the base layer, compared with a normal GaAs base HBT. Thus, a small operating voltage is realized (see Non-Patent Document 2).
上記の方法をInP基板上のHBTについても同様に適用することができる。例えば、均一組成のInGaAsSbを成長する代わりに、InPに格子整合するIn0.53Ga0.47AsとGaAs0.51Sb0.49を交互に成長すれば、実効的にはそれらの平均組成In0.265Ga0.735As0.755Sb0.245の半導体層が得られる。この方法では、In0.53Ga0.47Asのバンドギャップが0.74eVであり、GaAs0.51Sb0.49のバンドギャップが0.78eVであるため、平均的なバンドギャップは大きく変化しない。 The above method can be similarly applied to the HBT on the InP substrate. For example, instead of growing InGaAsSb having a uniform composition, if In 0.53 Ga 0.47 As and GaAs 0.51 Sb 0.49 lattice-matched with InP are grown alternately, their average composition In 0.265 Ga 0.735 As 0.755 Sb 0.245 The semiconductor layer is obtained. In this method, since the band gap of In 0.53 Ga 0.47 As is 0.74 eV and the band gap of GaAs 0.51 Sb 0.49 is 0.78 eV, the average band gap does not change greatly.
しかし、一方でIn0.53Ga0.47AsおよびGaAs0.51Sb0.49は、伝導帯および価電子帯の両者に負のオフセットを持つタイプIIのバンド構造を持っている。この場合、伝導帯のオフセットは、低温では360meVと報告されている。このため、各々の層の厚さが10nm以下程度まで十分薄く設定されていれば、伝導帯端および価電子帯端の各々の平均的なエネルギ値は、各々の平均値となるため、実効的には、各材料を単層で形成する場合よりも、バンドギャップは小さくなる(非特許文献3参照)。 However, In 0.53 Ga 0.47 As and GaAs 0.51 Sb 0.49 , on the other hand, have a type II band structure with a negative offset in both the conduction band and the valence band. In this case, the conduction band offset is reported to be 360 meV at low temperatures. For this reason, if the thickness of each layer is set to be sufficiently thin to about 10 nm or less, the average energy values of the conduction band edge and the valence band edge are the average values of each, and therefore effective. The band gap is smaller than when each material is formed of a single layer (see Non-Patent Document 3).
しかし、上述した構造の場合、InGaAsを成長した後にGaAsSbを成長する段階、GaAsSbを成長した後にInGaAsを成長する段階で、各々の層の界面を形成する際に、原料の供給切り替えが理想的に行われなければ、界面形成に伴って再結合中心などを導入してしまう。このように再結合中心が導入されると、HBTにおいては、エミッタ層から注入された電子がベース層で再結合するのを促進してしまい、電流利得が大きく減少してしまう。また、ベース層の伝導帯端のエネルギ差が大きく異なる2つの材料を用いているので、超格子などを形成する場合、伝導帯ポテンシャルエネルギの変動が少数キャリアである電子に及ぼす影響は大きく、高周波特性が損なわれる可能性があり、注意が必要である。 However, in the case of the structure described above, it is ideal to switch the supply of raw materials when forming the interface of each layer in the stage of growing GaAsSb after growing InGaAs and the stage of growing InGaAs after growing GaAsSb. If not performed, recombination centers and the like are introduced as the interface is formed. When the recombination centers are introduced in this manner, in the HBT, electrons injected from the emitter layer are promoted to recombine in the base layer, and the current gain is greatly reduced. In addition, since two materials with significantly different energy differences at the conduction band edge of the base layer are used, when a superlattice or the like is formed, the influence of fluctuations in the conduction band potential energy on electrons that are minority carriers is large, and high frequency Properties can be impaired and caution is required.
以上に説明したように、まず、HBTやFETなどのトランジスタにおいて、必要な層のドーピング濃度が不十分であると、抵抗が高くなり、デバイスの高周波特性が低下してしまう場合がある。特にHBTにおいては、ベース層が十分高い正孔濃度を有していないと、ベース層のシート抵抗が増大し、高い最大発振周波数が得られない。 As described above, first, in a transistor such as an HBT or FET, if the required doping concentration of the layer is insufficient, the resistance increases, and the high-frequency characteristics of the device may be degraded. Particularly in HBT, if the base layer does not have a sufficiently high hole concentration, the sheet resistance of the base layer increases and a high maximum oscillation frequency cannot be obtained.
しかしながら、InGaAsSbなどのような混晶材料においては、ドーピング効率が著しく低下してしまうため、高濃度ドーピングが難しいという問題がある。上述したように、ドーピング原料にハロメタン系原料を用いCをドーピングする場合、エッチング効果によりInGaAsSbの固相組成制御が難しい。特にGaとInとでは、Inの方がエッチング効果が大きいことから、In組成が低下してしまい、高In組成CドープInGaAsSbを得るのが難しい。 However, a mixed crystal material such as InGaAsSb has a problem that it is difficult to perform high-concentration doping because the doping efficiency is significantly reduced. As described above, when C is doped using a halomethane-based material as a doping material, it is difficult to control the solid phase composition of InGaAsSb due to the etching effect. In particular, in Ga and In, since In has a larger etching effect, the In composition is lowered, and it is difficult to obtain a high In composition C-doped InGaAsSb.
また前述したように、C以外のドーパントを用いる手法も考えられるが、III族サイトに入るドーパントは固相中の元素の拡散が起こりやすく、界面急峻性の劣化およびデバイスの長期的な信頼性の低下が引き起こされる。またZnをドーパントとして用いる場合は、成膜室内などにおけるZnの残存により、成膜における環境が変動してしまうという別の問題も発生する場合がある。 In addition, as described above, a method using a dopant other than C is also conceivable, but the dopant entering the group III site is likely to cause diffusion of elements in the solid phase, resulting in deterioration of interface steepness and long-term reliability of the device. A decline is caused. In the case where Zn is used as a dopant, another problem that the environment for film formation fluctuates due to the remaining Zn in the film formation chamber or the like may occur.
このように、均一な半導体層を形成する手法では、トランジスタ特性を犠牲にせずに、HBTの動作電圧を下げることが難しい。このため、半導体超格子をHBTのベース層に適用することで、HBTの動作電圧を下げる方法が考えられるが、各半導体層の界面形成が適切に行われないと、再結合中心などをベース層内に導入してしまい、電流利得が著しく低下する。従って、このような、HBTの動作電圧を低減する効果が得られ、かつ簡便に形成できる半導体超格子、およびその形成方法が必要となる。 Thus, with the method of forming a uniform semiconductor layer, it is difficult to lower the operating voltage of the HBT without sacrificing transistor characteristics. For this reason, a method of lowering the operating voltage of the HBT by applying the semiconductor superlattice to the base layer of the HBT is conceivable. However, if the interface formation of each semiconductor layer is not properly performed, the recombination center or the like is used as the base layer. The current gain is significantly reduced. Accordingly, there is a need for a semiconductor superlattice that can achieve the effect of reducing the operating voltage of the HBT and that can be easily formed, and a method for forming the same.
原料供給の変調により、擬似混晶化させる手法などを、高周波特性を犠牲にせずに動作電圧の低減を行うために、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに適用する場合、単に実効的な固相In組成を増加させるだけでは、デバイス特性を損なう可能性がある。例えば、ベース層の伝導帯端のエネルギ差が大きく異なる2つの材料を用いて超格子などを形成する場合、伝導帯ポテンシャルエネルギの変動が少数キャリアである電子に及ぼす影響は大きく、高周波特性が損なわれる可能性がある。 When applying to the heterojunction bipolar transistor to reduce the operating voltage without sacrificing the high-frequency characteristics, such as a method of pseudo-mixing by modulation of raw material supply, simply increase the effective solid phase In composition Doing so may impair device characteristics. For example, when a superlattice or the like is formed using two materials that have significantly different energy differences at the conduction band edge of the base layer, the influence of fluctuations in the conduction band potential energy on electrons that are minority carriers is large, and high-frequency characteristics are impaired There is a possibility.
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、所望のIn組成が得られる状態で高濃度にCがドープされたInGaAsSbからなるベース層により、遮断周波数,最大発振周波数,電流利得などの特性を低下させることなくHBTの動作電圧を下げることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The base layer made of InGaAsSb doped with C at a high concentration in a state where a desired In composition can be obtained provides a cutoff frequency and a maximum oscillation. The purpose is to reduce the operating voltage of the HBT without degrading characteristics such as frequency and current gain.
本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法は、基板の上にIII−V族化合物半導体からなるn型のコレクタ層を形成するコレクタ形成工程と、InGaAsSbからなる第1半導体層および第2半導体層が、互いに接して複数積層された積層構造から構成されて炭素をドーピングすることでp型とされたベース構造体をコレクタ層の上に形成するベース形成工程と、ベース構造体の上にIII−V族化合物半導体からなるn型のエミッタ層を形成するエミッタ形成工程とを備え、ベース形成工程では、In原料,Ga原料,As原料,およびSb原料を供給することを含む第1条件でInGaAsSbをコレクタ層の上に堆積して第1半導体層を形成する第1工程と、第1工程に引き続いて、In原料,Ga原料,As原料,およびSb原料を供給することを含む第2条件でInGaAsSbをコレクタ層の上に堆積して第2半導体層を形成する第2工程とを少なくとも備え、第2条件は、第1条件に比較してハロメタン系の炭素ドーピング原料の供給量を少なくする。 The method of manufacturing a heterojunction bipolar transistor according to the present invention includes a collector forming step of forming an n-type collector layer made of a III-V group compound semiconductor on a substrate, and a first semiconductor layer and a second semiconductor layer made of InGaAsSb. Forming a p-type base structure formed on a collector layer by doping carbon and comprising a stacked structure in which a plurality of layers are stacked in contact with each other, and III- An emitter forming step of forming an n-type emitter layer made of a group V compound semiconductor. In the base forming step, InGaAsSb is formed under a first condition including supplying an In source, a Ga source, an As source, and an Sb source. A first step of depositing on the collector layer to form a first semiconductor layer, and subsequent to the first step, an In source, Ga source, As source And a second step of depositing InGaAsSb on the collector layer to form a second semiconductor layer under a second condition including supplying an Sb source, wherein the second condition is compared to the first condition. Reduce the supply of halomethane-based carbon doping materials.
上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法において、第1条件および第2条件は、In原料,Ga原料,As原料,およびSb原料の供給量を同一として行う。なお、炭素ドーピング原料は、四塩化炭素または四臭化炭素であればよい。 In the method for manufacturing the heterojunction bipolar transistor, the first and second conditions are, In material, Ga material, As the raw material, and intends row as the same supply amount of Sb raw material. The carbon doping raw material may be carbon tetrachloride or carbon tetrabromide.
ヘテロ接合バイポーラトランジスタは、基板の上に形成されたIII−V族化合物半導体からなるn型のコレクタ層と、InGaAsSbからなり、第1半導体層および第2半導体層が互いに接して複数積層された積層構造から構成されてコレクタ層の上に形成されたp型のベース構造体と、ベース構造体の上に形成されたIII−V族化合物半導体からなるn型のエミッタ層とを備え、第1半導体層は、炭素がドーピングされて、第2半導体層より低いIn組成および低いSb組成とされ、 第2半導体層は、第1半導体層より炭素のドーピング量が少ない状態とされている。 Heterojunction bipolar transistor has a collector layer n-type composed of the formed group III-V compound semiconductor on a substrate made of InGaAsSb, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are stacked in contact with each other A p-type base structure formed of a stacked structure and formed on the collector layer; and an n-type emitter layer made of a III-V group compound semiconductor formed on the base structure. The semiconductor layer is doped with carbon to have a lower In composition and a lower Sb composition than the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer is in a state of less carbon doping than the first semiconductor layer.
上記ヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、第1半導体層および第2半導体層は、Inの組成xとSbの組成yとの関係が、y≦0.49×(1−x/0.53)とされ、第1半導体層および第2半導体層は、各々の層厚が10nm以下とされていればよい。 In the heterojunction bipolar transistor, in the first semiconductor layer and the second semiconductor layer, the relationship between the composition x of In and the composition y of Sb is y ≦ 0.49 × (1−x / 0.53), The first semiconductor layer and the second semiconductor layer may have a thickness of 10 nm or less.
以上説明したことにより、本発明によれば、所望のIn組成が得られる状態で高濃度にCがドープされたInGaAsSbからなるベース層により、遮断周波数,最大発振周波数,電流利得などの特性を低下させることなくHBTの動作電圧を下げることができるようになるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, characteristics such as cutoff frequency, maximum oscillation frequency, and current gain are reduced by the base layer made of InGaAsSb doped with C at a high concentration in a state where a desired In composition is obtained. An excellent effect is obtained in that the operating voltage of the HBT can be lowered without causing it to occur.
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1A〜図1H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製造方法を説明する途中工程における状態を模式的に示す断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A to 1H are cross-sectional views schematically showing a state in an intermediate process for explaining a method of manufacturing a heterojunction bipolar transistor in an embodiment of the present invention.
まず、図1Aに示すように、例えば、鉄をドープすることで高抵抗とされたInPからなる基板101を用意し、基板101の上に、InPからなるバッファ層102,高濃度にn型不純物が導入されたInPからなるサブコレクタ層103を形成する。次に、図1Bに示すように、サブコレクタ層103の上に、アンドープのInPからなるInP層104aを形成する。InP層104aは、コレクタとなる。これらは、例えば、公知の有機金属気相成長法によりエピタキシャル成長することで形成すればよい。また、後述する各半導体層についても同様である。 First, as shown in FIG. 1A, for example, a substrate 101 made of InP, which has been made high resistance by doping iron, is prepared, a buffer layer 102 made of InP, and an n-type impurity at a high concentration are formed on the substrate 101. A sub-collector layer 103 made of InP into which is introduced is formed. Next, as shown in FIG. 1B, an InP layer 104 a made of undoped InP is formed on the subcollector layer 103. The InP layer 104a becomes a collector. These may be formed, for example, by epitaxial growth by a known metal organic vapor phase growth method. The same applies to each semiconductor layer described later.
次に、図1C,図1Dに示すように、コレクタ層104aの上に、InGaAsSbからなる第1半導体層151および第2半導体層152が、互いに接して複数積層された積層構造105aを形成する。積層構造105aはベースとなる。まず、In原料,Ga原料,As原料,およびSb原料を供給することを含む第1条件でInGaAsSbをInP層104aの上に堆積して第1半導体層151を形成する。次いで、In原料,Ga原料,As原料,およびSb原料を供給することを含む第2条件でInGaAsSbをInP層104a(第1半導体層151)の上に堆積して第2半導体層152を形成する。これらを所望の回数繰り返すことで、積層構造105aが形成できる。 Next, as shown in FIGS. 1C and 1D, a stacked structure 105a in which a plurality of first semiconductor layers 151 and second semiconductor layers 152 made of InGaAsSb are in contact with each other is formed on the collector layer 104a. The laminated structure 105a serves as a base. First, the first semiconductor layer 151 is formed by depositing InGaAsSb on the InP layer 104a under the first condition including supplying the In source, Ga source, As source, and Sb source. Next, InGaAsSb is deposited on the InP layer 104a (first semiconductor layer 151) under the second condition including supplying the In source, Ga source, As source, and Sb source to form the second semiconductor layer 152. . By repeating these a desired number of times, the laminated structure 105a can be formed.
ここで、積層構造105aの形成では、ハロメタン系の炭素ドーピング原料を用いることで、ベースとなる積層構造105aにおけるp型を実現する。例えば、有機金属気相成長法において、In原料,Ga原料,As原料,およびSb原料に加え、ハロメタン系の炭素ドーピング原料を供給することで、p型のInGaAsSbが形成できる。また、上述した第2条件は、第1条件に比較してハロメタン系の炭素ドーピング原料の供給量を少なくする。例えば、第2条件では、炭素ドーピング原料の供給量を0としてもよい。なお、積層構造105aにおいては、第1半導体層151および第2半導体層152は、交互に積層すればよく、積層の順は入れ替わってもよい。 Here, in the formation of the multilayer structure 105a, a p-type in the base multilayer structure 105a is realized by using a halomethane-based carbon doping material. For example, in metal organic vapor phase epitaxy, p-type InGaAsSb can be formed by supplying a halomethane-based carbon doping material in addition to an In material, a Ga material, an As material, and an Sb material. Further, the second condition described above reduces the supply amount of the halomethane-based carbon doping raw material as compared with the first condition. For example, under the second condition, the supply amount of the carbon doping raw material may be zero. Note that in the stacked structure 105a, the first semiconductor layers 151 and the second semiconductor layers 152 may be stacked alternately, and the stacking order may be switched.
また、In原料としては、トリメチルインジウム(TMIn)があり、Ga原料としては、トリエチルガリウム(TEGa)があり、As原料としては、アルシン(AsH3)があり、Sb原料としては、トリメチルアンチモン(TMSb)がある。また、ハロメタン系の炭素ドーピング原料としては、CBr4がある。 Further, the In raw material is trimethylindium (TMIn), the Ga raw material is triethylgallium (TEGa), the As raw material is arsine (AsH 3 ), and the Sb raw material is trimethylantimony (TMSb). ) As a halomethane-based carbon doping raw material, there is CBr 4 .
次に、図1Eに示すように、積層構造105aの上に、アンドープのInPからなるInP層106aを形成し、図1Fに示すように、InP層106aの上に、高濃度にn型不純物が導入されたInGaAsからなるn+−InGaAs層107aを形成する。また、n+−InGaAs層107aの上に、例えばスパッタ法および真空蒸着法などにより、金属を堆積して電極金属層108aを形成する。InP層106aは、エミッタとなり、n+−InGaAs層107aは、エミッタ電極接続のためのコンタクトキャップとなり、電極金属層108aは、エミッタ電極となる。 Next, as shown in FIG. 1E, an InP layer 106a made of undoped InP is formed on the stacked structure 105a. As shown in FIG. 1F, n-type impurities are highly concentrated on the InP layer 106a. An n + -InGaAs layer 107a made of introduced InGaAs is formed. Further, a metal is deposited on the n + -InGaAs layer 107a by, for example, a sputtering method or a vacuum evaporation method to form an electrode metal layer 108a. The InP layer 106a serves as an emitter, the n + -InGaAs layer 107a serves as a contact cap for connecting an emitter electrode, and the electrode metal layer 108a serves as an emitter electrode.
次に、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術により電極金属層108a,n+−InGaAs層107a,およびInP層106aをメサ形状にパタニングしてエミッタメサを形成する。次いで、積層構造105aおよびInP層104aを、平面視でエミッタメサより広いメサ形状にパタニングし、コレクタメサを形成する。これらのことにより、図1Gに示すように、サブコレクタ層103の上にコレクタ層104,ベース構造体105が形成され、ベース構造体105の上に、エミッタ層106,コンタクトキャップ層107が形成され、コンタクトキャップ層107の上にエミッタ電極108が形成された状態が得られる。 Next, an emitter mesa is formed by patterning the electrode metal layer 108a, the n + -InGaAs layer 107a, and the InP layer 106a into a mesa shape by a known lithography technique and etching technique. Next, the stacked structure 105a and the InP layer 104a are patterned into a mesa shape wider than the emitter mesa in plan view to form a collector mesa. As a result, as shown in FIG. 1G, the collector layer 104 and the base structure 105 are formed on the sub-collector layer 103, and the emitter layer 106 and the contact cap layer 107 are formed on the base structure 105. Thus, a state in which the emitter electrode 108 is formed on the contact cap layer 107 is obtained.
次に、図1Hに示すように、エミッタメサの周囲のベース構造体105に接続するベース電極109を形成し、コレクタメサの周囲のサブコレクタ層103に接続するコレクタ電極110を形成する。以上のことにより、ヘテロ接合バイポーラトランジスタが得られる。 Next, as shown in FIG. 1H, a base electrode 109 connected to the base structure 105 around the emitter mesa is formed, and a collector electrode 110 connected to the sub-collector layer 103 around the collector mesa is formed. As described above, a heterojunction bipolar transistor is obtained.
上述したヘテロ接合バイポーラトランジスタは、基板101の上に形成されたIII−V族化合物半導体からなるn型のコレクタ層104と、InGaAsSbからなり、第1半導体層151および第2半導体層152が互いに接して複数積層された積層構造から構成されてコレクタ層104の上に形成されたp型のベース構造体105と、ベース構造体105の上に形成されたIII−V族化合物半導体からなるn型のエミッタ層106とを備える。 The heterojunction bipolar transistor described above is formed of an n-type collector layer 104 made of a III-V group compound semiconductor formed on a substrate 101 and InGaAsSb, and the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 are in contact with each other. And a p-type base structure 105 formed on the collector layer 104, and an n-type compound composed of a group III-V compound semiconductor formed on the base structure 105. And an emitter layer 106.
ここで、上述したように、ハロメタン系の炭素ドーピング原料を用いてp型とし、第1半導体層151の形成(成長)では、第2半導体層152の場合に比較してハロメタン系の炭素ドーピング原料の供給量を多くしている。この結果、第1半導体層151は、炭素がドーピングされて、第2半導体層152より低いIn組成および低いSb組成とされ、 第2半導体層152は、第1半導体層151より炭素のドーピング量が少ない状態とされたものとなる。 Here, as described above, a halomethane-based carbon doping material is used as a p-type, and in the formation (growth) of the first semiconductor layer 151, a halomethane-based carbon doping material is used as compared with the second semiconductor layer 152. The supply amount is increased. As a result, the first semiconductor layer 151 is doped with carbon to have a lower In composition and a lower Sb composition than the second semiconductor layer 152, and the second semiconductor layer 152 has a carbon doping amount higher than that of the first semiconductor layer 151. It will be in a state where there are few.
次に、上述した第1半導体層および第2半導体層の形成について、より詳細に説明する。はじめに、InGaAsSbにおけるハロメタン系材料による炭素ドープによる固相中のIn組成の変化について説明する。まず、InGaAsSbに対してハロメタン系原料によって単純にCドープを行った実験の結果について説明する。この実験では、結晶成長を減圧MOCVD法により行い、原料にはTEGa、TMIn、AsH3、TMSbを用いた。また、ドーピング原料にはCBr4を用いた。また、原料の供給モル比は、全V族元素の供給モル流量が、全III族元素の供給モル流量よりも大きくなるような条件で行った。 Next, the formation of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer described above will be described in more detail. First, changes in the In composition in the solid phase due to carbon doping with a halomethane-based material in InGaAsSb will be described. First, the results of an experiment in which InGaAsSb is simply C-doped with a halomethane-based material will be described. In this experiment, crystal growth was performed by a low pressure MOCVD method, and TEGa, TMIn, AsH 3 , and TMSb were used as raw materials. CBr 4 was used as a doping material. The feed molar ratio of the raw materials was set under the condition that the supply molar flow rate of all group V elements was larger than the supply molar flow rate of all group III elements.
上述した実験の結果、ドーピング原料を供給しない場合、固相におけるIn組成は、III族原料供給比の増大に対して比例的に増大する傾向にあった。このような傾向は、III−V族半導体結晶の結晶成長においては一般的に得られる。これに対し、ドーピング原料を供給した場合、III族原料供給比に対して固相におけるIn組成は比例関係ではなく、Inがほとんど固相に取り込まれない領域が存在した。特に、III族原料供給比が小さい領域では、固相In組成が0.1より小さくなり、Inが含まれない状態で薄膜が形成される場合があることが判明した。 As a result of the above-described experiment, when the doping raw material was not supplied, the In composition in the solid phase tended to increase in proportion to the increase in the group III raw material supply ratio. Such a tendency is generally obtained in the crystal growth of a group III-V semiconductor crystal. On the other hand, when the doping raw material was supplied, the In composition in the solid phase was not proportional to the Group III raw material supply ratio, and there was a region where In was hardly taken into the solid phase. In particular, in the region where the Group III raw material supply ratio is small, the solid phase In composition is smaller than 0.1, and it has been found that a thin film may be formed without containing In.
これは、ドーピング原料であるCBr4の分解過程で生じるBrが、InGaAsSbに対してエッチング効果を持っており、エッチングの度合いが、Inの方がGaよりも大きいためである。CBr4などのハロメタン系の炭素ドーピング原料を導入すると、エッチング効果が発現され、このエッチング過程においてInの脱離量がGaよりも多くなる。この結果として、固相のIn組成がドーピングを行っていない場合よりも小さくなる。 This is because Br generated in the decomposition process of CBr 4 as a doping material has an etching effect on InGaAsSb, and the degree of etching is larger for In than for Ga. When a halomethane-based carbon doping material such as CBr 4 is introduced, an etching effect is exhibited, and the amount of In desorbed is larger than Ga during this etching process. As a result, the In composition of the solid phase becomes smaller than that when no doping is performed.
このような現象は、Cドーピングに用いる原料が、形成する半導体層に対してエッチング効果を持っていれば本質的に起こりうる現象である。例えば多くのハロメタン系原料は、Cドーピングの原料として用いることができ、かつ同様のエッチング効果が起こりうる。 Such a phenomenon is essentially a phenomenon that can occur if the material used for C doping has an etching effect on the semiconductor layer to be formed. For example, many halomethane-based materials can be used as a C-doping material, and the same etching effect can occur.
次に、ハロメタン系の炭素ドーピング原料の供給量変化に対するInGaAsSbの固相In組成の変化について調査した結果について説明する。CBr4の供給量を変化させた2つの条件における、III族原料の供給比に対するInGaAsSbの固相In組成の変化を調査した。一方の条件に対して他方の条件では、ドーピング原料の供給量を1.5倍に増大させた。ドーピング原料供給量を増大させると、Inがほとんど固相中に取り込まれない状態が、広いIII族供給原料比の領域に対して発生していることが判明した。 Next, the result of investigating the change in the solid phase In composition of InGaAsSb with respect to the change in the supply amount of the halomethane-based carbon doping material will be described. The change in the solid phase In composition of InGaAsSb with respect to the supply ratio of the group III raw material under two conditions where the supply amount of CBr 4 was changed was investigated. Under one condition, the supply amount of the doping material was increased by a factor of 1.5. It was found that when the doping raw material supply amount was increased, a state in which almost no In was taken into the solid phase occurred in a wide group III raw material ratio region.
次に、単純にCBr4を供給してInGaAsSbを結晶成長した場合の、正孔濃度と固相In組成との関係について調査した結果について説明する。ドーピング原料供給量が一定の場合、固相In組成の増大に伴い正孔濃度は著しく低下した。また、半導体薄膜形成時のドーピング原料供給量を1.5倍に増大させても、正孔濃度を大幅に増大させることはできなかった。一方、固相In組成が小さい条件では、正孔濃度は、同様の条件で成長したInを含まないGaAsSbの場合と同程度の比較的高い値が維持された。 Next, the result of investigating the relationship between the hole concentration and the solid-phase In composition when CBr 4 is simply supplied and InGaAsSb is grown will be described. When the doping raw material supply amount was constant, the hole concentration significantly decreased with the increase in the solid phase In composition. Further, even if the supply amount of the doping raw material at the time of forming the semiconductor thin film was increased 1.5 times, the hole concentration could not be significantly increased. On the other hand, under the condition where the solid phase In composition was small, the hole concentration was maintained at a relatively high value comparable to that of GaAsSb not containing In grown under the same conditions.
以上に説明したように、In原料,Ga原料,As原料,およびSb原料に加え、ハロメタン系のCドーピング原料を供給し、InGaAsSbを結晶成長させようとする場合、Cドーピング原料の供給量を増加させると、成長している膜中のIn組成を所望とする状態にすることができない場合が存在することが判明した。言い換えると、単純にCドーピング原料を供給する結晶成長では、高い正孔濃度と所望とするIn組成とを同時に得ることができない。 As described above, in addition to the In raw material, Ga raw material, As raw material, and Sb raw material, when supplying a halomethane-based C doping raw material to grow InGaAsSb crystals, the supply amount of the C doping raw material is increased. As a result, it has been found that there are cases where the In composition in the growing film cannot be brought into a desired state. In other words, high hole concentration and a desired In composition cannot be obtained simultaneously by crystal growth in which a C doping raw material is simply supplied.
次に、InGaAsSbにおいて、高い正孔濃度と所望とするIn組成とを同時に得ることができる原料供給について説明する。まず、各原料の供給について説明する。供給する原料は、Ga原料,In原料,As原料,Sb原料,およびドーピング原料である。 Next, raw material supply capable of simultaneously obtaining a high hole concentration and a desired In composition in InGaAsSb will be described. First, the supply of each raw material will be described. The raw materials to be supplied are Ga raw material, In raw material, As raw material, Sb raw material, and doping raw material.
まず、第1時刻において、Ga原料,In原料,As原料,Sb原料,およびドーピング原料の供給を開始し、半導体基板の上に対する成膜を開始する。ここで、III族元素の原料であるGa原料およびIn原料の供給比は、前述したドーピング原料を供給した状態ではInがほとんど取り込まれない範囲内を選ぶ。次いで、第2時刻において、ドーピング原料の供給を停止し、この状態を第3時刻まで継続する。この第1時刻から第3時刻までの周期の間、ドーピング原料以外のGa原料,In原料,As原料,およびSb原料の供給量は変化させない。 First, at the first time, the supply of Ga source, In source, As source, Sb source, and doping source is started, and film formation on the semiconductor substrate is started. Here, the supply ratio of the Ga raw material and the In raw material, which are Group III element raw materials, is selected within a range in which In is hardly taken in while the doping raw material is supplied. Next, at the second time, the supply of the doping material is stopped, and this state is continued until the third time. During the period from the first time to the third time, the supply amounts of Ga raw material, In raw material, As raw material, and Sb raw material other than the doping raw material are not changed.
第1時刻から第3時刻までの周期の中で、第1時刻から第2時刻の間は、ドーピング原料を供給しているので、成長している層中(固相)にほとんどInは取り込まれないが、一方で高濃度にCがドープされて高い正孔濃度が得られる。次に、第2時刻から第3時刻の間は、ドーピング原料が供給されていないので、原料III族供給比とほぼ比例した状態のIn組成で、InGaAsSb層が得られ、一方で炭素はほぼアンドープの状態となる。このようにすることで、高濃度にCがドープされて低In組成の第1半導体層が第1時刻から第2時刻の間に形成され、ノンドープで所望のIn組成の第2半導体層が第2時刻から第3時刻の間に形成される。このような第1時刻から第3時刻までの間隔を1周期とし、同様にしてドーピング原料供給の停止および開始を繰り返す。 In the period from the first time to the third time, since the doping material is supplied from the first time to the second time, almost all In is taken into the growing layer (solid phase). However, on the other hand, a high hole concentration is obtained by doping C at a high concentration. Next, since the doping raw material is not supplied from the second time to the third time, an InGaAsSb layer is obtained with an In composition in a state substantially proportional to the raw material group III supply ratio, while carbon is almost undoped. It becomes the state of. By doing so, the first semiconductor layer having a low In composition is formed between the first time and the second time by doping C with a high concentration, and the second semiconductor layer having a desired In composition without doping is formed in the first time. It is formed between the second time and the third time. Such an interval from the first time to the third time is set as one cycle, and similarly, the stop and start of the doping material supply are repeated.
以上のシーケンスに従ってって成膜することで、図1Dの断面図に示すように、Cがドープされて高い正孔濃度が得られたp型のInGaAsSbからなる積層構造105aが、InP層104aの上に形成される。InP層104aの上には、高濃度にCがドープされて低In組成の第1半導体層151と、例えばノンドープで所望のIn組成の第2半導体層152とが、交互に積層されて積層構造105aが構成されている。 By forming the film according to the above sequence, as shown in the cross-sectional view of FIG. 1D, a stacked structure 105a made of p-type InGaAsSb doped with C to obtain a high hole concentration is formed on the InP layer 104a. Formed on top. On the InP layer 104a, a first semiconductor layer 151 having a low In composition, doped with C at a high concentration, and a second semiconductor layer 152 having a desired In composition, for example, non-doped are laminated alternately. 105a is configured.
ところで、上述した積層構造105aを形成するシーケンスの説明では、ドーピング原料の供給を、成膜開始と同時に開始し、途中でドーピング原料の供給を停止したが、これに限るものではなく、成膜開始時にはドーピング原料の供給はせず、1つの周期の中の途中からドーピング原料の供給を開始してもよい。例えば、第1時刻では、ドーピング原料の供給を開始せず、第2時刻でドーピング原料の供給を開始し、第3時刻でドーピング原料の供給を停止してもよい。このようにしても上述同様に、所望とするIn組成で、高い正孔濃度のInGaAsSbからなる積層構造105aが得られる。 By the way, in the description of the sequence for forming the stacked structure 105a described above, the supply of the doping material is started at the same time as the start of film formation, and the supply of the doping material is stopped in the middle. Sometimes, the supply of the doping material may be started in the middle of one cycle without supplying the doping material. For example, the supply of the doping material may not be started at the first time, the supply of the doping material may be started at the second time, and the supply of the doping material may be stopped at the third time. Even in this way, as described above, the laminated structure 105a made of InGaAsSb having a desired In composition and a high hole concentration can be obtained.
また、上述では、ドーピング原料の供給を停止し、また、各周期を等しい時間としたが、これに限るものではない。例えば、第2時刻から第3時刻にかけては、ドーピング原料の供給を停止するのではなく、ドーピング原料の供給量を低下(変化)させるようにしてもよい。また、各時刻の間の間隔を変化させるようにしてもよい。 In the above description, the supply of the doping material is stopped and each period is set to the same time. However, the present invention is not limited to this. For example, the supply amount of the doping material may be reduced (changed) from the second time to the third time instead of stopping the supply of the doping material. Moreover, you may make it change the space | interval between each time.
次に、上述したハロメタン系原料を用いて成長したInGaAsSbにおける固相組成について図2を用いて説明する。図2において、横軸は、InGaAsSbの固相In組成を示し、縦軸は、固相Sb組成を示している。また、図2中の点線201は、InPと格子整合するInGaAsSbの組成を示している。 Next, a solid phase composition in InGaAsSb grown using the above-described halomethane-based material will be described with reference to FIG. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the solid phase In composition of InGaAsSb, and the vertical axis indicates the solid phase Sb composition. A dotted line 201 in FIG. 2 indicates the composition of InGaAsSb lattice-matched with InP.
前述したように、InGaAsSbにおいては、ハロメタン系原料の供給により、固相In組成および固相Sb組成が減少する。第2半導体層152の固相In組成および固相Sb組成を、図中の点204で示すと、第1半導体層151の固相In組成および固相Sb組成は、ともに第2半導体層152より小さい点203で表される位置となる。ハロメタン系原料の供給量に対する固相組成の変動はほぼ線形であるので、点203の位置は、ハロメタン系原料の供給量の変化に伴い、図中の矢視線の上を移動することになる。 As described above, in InGaAsSb, the solid phase In composition and the solid phase Sb composition decrease due to the supply of the halomethane-based material. When the solid phase In composition and the solid phase Sb composition of the second semiconductor layer 152 are indicated by a point 204 in the drawing, the solid phase In composition and the solid phase Sb composition of the first semiconductor layer 151 are both from the second semiconductor layer 152. The position is represented by a small point 203. Since the variation of the solid phase composition with respect to the supply amount of the halomethane-based raw material is almost linear, the position of the point 203 moves on the arrow line in the figure as the supply amount of the halomethane-based raw material changes.
この矢視線の傾き、およびハロメタン系原料の供給量の変化に対する振る舞いは、実際の成長条件や成長する系に依存する。いずれにしても、ハロメタン系原料の供給により、固相In組成および固相Sb組成ともに減少するので、第2半導体層152の固相組成を点204としたとき、第1半導体層151の固相組成(点203)は、図中の灰色の領域204内に存在するものとなる。 This inclination of the line of sight and the behavior with respect to changes in the supply amount of the halomethane-based raw material depend on the actual growth conditions and the growing system. In any case, since both the solid phase In composition and the solid phase Sb composition decrease due to the supply of the halomethane-based raw material, when the solid phase composition of the second semiconductor layer 152 is point 204, the solid phase of the first semiconductor layer 151 The composition (point 203) is present in the gray area 204 in the figure.
上述した形成方法により形成される積層構造105aの固相In組成は、第1半導体層151の層厚、第2半導体層152の層厚、固相In組成x1、x2との比で決まる。例えば、第1半導体層151および第2半導体層152の層厚を等しく設定すれば、積層構造105aの固相In組成は、単純にx=(x1+x2)/2で表される。 The solid phase In composition of the stacked structure 105a formed by the above-described formation method is determined by the ratio of the layer thickness of the first semiconductor layer 151, the layer thickness of the second semiconductor layer 152, and the solid phase In compositions x1 and x2. For example, if the layer thicknesses of the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 are set equal, the solid phase In composition of the stacked structure 105a is simply expressed as x = (x1 + x2) / 2.
同様に、形成される積層構造105aの固相Sb組成は、第1半導体層151および第2半導体層152の各々の層厚と、固相Sb組成y1およびy2の比で決まる。第1半導体層151および第2半導体層152の層厚が等しければ、単純にy=(y1+y2)/2で表される。 Similarly, the solid phase Sb composition of the stacked structure 105a to be formed is determined by the ratio between the thicknesses of the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 and the solid phase Sb compositions y1 and y2. If the thicknesses of the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 are equal, y = (y1 + y2) / 2 is simply expressed.
上述したように、単純にハロメタン原料の供給制御により、固相In組成を制御することが容易に実現することができ、かつ高い正孔濃度を得ることができる。また、通常、このような2種の層を交互に積層する手法は、一方の層から他方の層へ切り替わる際に、原料の供給の切り替えが適切になされないと、結晶欠陥などを導入してしまい、特性を著しく低下させてしまう。これに対し、上述した積層構造105aの作製では、第1半導体層151および第2半導体層152の2つの層を、単にハロメタン系原料の供給量を変化させ、他の原料については一定とする供給方法を行うことにより簡単に得ることができる。 As described above, the control of the solid phase In composition can be easily realized by simply controlling the supply of the halomethane raw material, and a high hole concentration can be obtained. In general, such a method of alternately stacking two kinds of layers introduces crystal defects or the like if the supply of raw materials is not properly switched when switching from one layer to the other. As a result, the characteristics are significantly deteriorated. In contrast, in the production of the stacked structure 105a described above, the supply of the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 is simply made by changing the supply amount of the halomethane-based material and keeping the other materials constant. It can be easily obtained by carrying out the method.
次に、実施の形態1におけるHBTの効果について説明する。図3は、熱平衡状態におけるInP、InGaAs、GaAsSb、および、第1半導体層151,第2半導体層152のバンド関係を示したバンド図である。なお、InGaAsおよびGaAsSbは、InPに格子整合する組成としており、InGaAsの固相In組成は0.53であり、またGaAsSbの固相Sb組成は、0.49である。 Next, the effect of HBT in the first embodiment will be described. FIG. 3 is a band diagram showing the band relationship of InP, InGaAs, GaAsSb, and the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 in a thermal equilibrium state. Note that InGaAs and GaAsSb have a composition lattice-matched to InP, the solid phase In composition of InGaAs is 0.53, and the solid phase Sb composition of GaAsSb is 0.49.
上述したInGaAsの層とGaAsSbの層とを、各々等しい厚さで交互に積層した場合、最終的に形成される積層構造体は、実効的には各層の平均組成であるIn0.265Ga0.735As0.755Sb0.245となる。一般的には、超格子層を形成し、平均的なバンドギャップを小さくしようと試みた場合、このような2つの材料を用いる。 When the above-described InGaAs layers and GaAsSb layers are alternately stacked at equal thicknesses, the finally formed stacked structure is effectively In 0.265 Ga 0.735 As 0.755 which is the average composition of each layer. Sb 0.245 . Generally, two such materials are used when an attempt is made to reduce the average band gap by forming a superlattice layer.
半導体層(積層構造)の価電子帯端エネルギは、固相V族材料の組成の影響を大きく受け、この系では、Sb組成が大きいほど、価電子帯端のエネルギが高い。一方バンドギャップは、In組成およびSb組成が大きいほど小さくなる。上述したInPに格子整合するInGaAsは、InPと正の伝導帯端のエネルギ差を持つ材料であり、低温では伝導帯エネルギ差はおよそ180meVとされている。一方、InPに格子整合するGaAsSbは、InPと負の伝導帯端のエネルギ差を持つ材料であり、伝導帯エネルギ差は、低温ではおよそ−180meVとされている。 The valence band edge energy of the semiconductor layer (laminated structure) is greatly affected by the composition of the solid-state group V material. In this system, the higher the Sb composition, the higher the valence band edge energy. On the other hand, the band gap decreases as the In composition and the Sb composition increase. InGaAs lattice-matched to InP described above is a material having an energy difference between InP and the positive conduction band edge, and the conduction band energy difference is about 180 meV at a low temperature. On the other hand, GaAsSb lattice-matched to InP is a material having an energy difference between InP and the negative conduction band edge, and the conduction band energy difference is about −180 meV at low temperatures.
従って、InGaAsとGaAsSbの2つの材料の伝導帯端のエネルギ差は、2つの材料の合計となり、およそ360meVである。この値は、室温において若干小さくなるが、依然として数百meVの伝導帯端のエネルギ差は存在する。一方、室温でのバンドギャップエネルギはそれぞれ、0.74eV、および0.78eVである。このため、図3に示したような伝導帯および価電子帯の位置関係となる。 Therefore, the energy difference between the conduction band edges of the two materials of InGaAs and GaAsSb is the sum of the two materials, and is approximately 360 meV. This value is slightly reduced at room temperature, but there is still a conduction band edge energy difference of several hundred meV. On the other hand, the band gap energy at room temperature is 0.74 eV and 0.78 eV, respectively. For this reason, the positional relationship between the conduction band and the valence band shown in FIG. 3 is obtained.
上述した構成に対し、第1半導体層151におけるInGaAsSbの固相In組成x1、固相Sb組成y1と、第2半導体層152におけるInGaAsSbの固相In組成x2、固相Sb組成y2とは、前述したように、各々x1<x2およびy1<y2の関係にある。例えば、固相組成として、第1半導体層151の固相In組成を、0.1程度とし、第2半導体層152の固相In組成を0.4程度とすれば、形成される積層構造105aの固相In組成は、平均である0.25程度となり、InPに格子整合するInGaAsとGaAsSbを用いた場合と、同程度の固相In組成が実現される。 In contrast to the above-described configuration, the InGaAsSb solid-phase In composition x1 and solid-phase Sb composition y1 in the first semiconductor layer 151 and the InGaAsSb solid-phase In composition x2 and solid-phase Sb composition y2 in the second semiconductor layer 152 are described above. As described above, there is a relationship of x1 <x2 and y1 <y2. For example, when the solid phase In composition of the first semiconductor layer 151 is set to about 0.1 and the solid phase In composition of the second semiconductor layer 152 is set to about 0.4 as the solid phase composition, the stacked structure 105a to be formed is formed. The average solid phase In composition is about 0.25, which is the same as that obtained when InGaAs and GaAsSb lattice-matched to InP are used.
しかし、InPに格子整合するInGaAsおよびGaAsSbを用いた場合とは異なり、積層構造105aは、第1半導体層151が、第2半導体層152に比べて、固相In組成も固相Sb組成もともに小さいために、バンドギャップは第2半導体層152の方が小さい。しかし、第1半導体層151の方が固相Sb組成が小さいために、価電子帯端のエネルギは第2半導体層152の方が高い。 However, unlike the case of using InGaAs and GaAsSb lattice-matched to InP, the stacked structure 105a has a first semiconductor layer 151 that has both a solid phase In composition and a solid phase Sb composition as compared to the second semiconductor layer 152. Due to the small band gap, the second semiconductor layer 152 has a smaller band gap. However, since the first semiconductor layer 151 has a smaller solid phase Sb composition, the energy of the valence band edge is higher in the second semiconductor layer 152.
このことから、積層構造105aでは、伝導帯および価電子帯の位置関係が、図3に示した通り、InPに格子整合するInGaAsおよびGaAsSbを用いた場合に比べ、2つの層の間の伝導帯のエネルギ差が小さくなる。 Therefore, in the laminated structure 105a, the positional relationship between the conduction band and the valence band has a conduction band between two layers as compared to the case where InGaAs and GaAsSb lattice-matched to InP are used, as shown in FIG. The energy difference becomes smaller.
次に、実施の形態におけるHBTのバンド構造について図4を用いて説明する。図4において、(b)は、図3を用いて説明したInPに格子整合するInGaAsおよびGaAsSbを用いた積層構造をベースとした場合のHBTにおけるバンド構造を示している。また、図4において、(a)は、実施の形態のHBTにおけるバンド構造を示している Next, the band structure of the HBT in the embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4B shows a band structure in the HBT in the case where the base structure is a laminated structure using InGaAs and GaAsSb lattice-matched to InP described with reference to FIG. 4A shows a band structure in the HBT of the embodiment.
図3を用いて説明した理由により、InPに格子整合するInGaAsとGaAsSbを交互に積層した積層構造体をベースとすると、図4の(b)に示すように、ベース層内での伝導帯および価電子帯の不連続量が極めて大きいバンド図となる。これに対し、実施の形態における第1半導体層151と第2半導体層152を交互に積層した積層構造105aをベースとしたHBTのバンド構造は、図4の(a)に示すよう、価電子帯端の不連続量は大きいが、伝導帯端の不連続量は、第2半導体層152のバンドギャップが小さくなったおかげで、図4の(b)に示す状態のHBTよりも小さくなる。 For the reason described with reference to FIG. 3, when a laminated structure in which InGaAs and GaAsSb that are lattice-matched to InP are alternately laminated is used as a base, as shown in FIG. The band diagram shows a very large discontinuity in the valence band. On the other hand, the band structure of the HBT based on the stacked structure 105a in which the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 are alternately stacked in the embodiment has a valence band as shown in FIG. Although the discontinuity at the edge is large, the discontinuity at the conduction band edge is smaller than the HBT in the state shown in FIG. 4B because the band gap of the second semiconductor layer 152 is small.
図4の(b)に示すように、ベース内における伝導帯の不連続量が大きいと、ベースを走行する電子は、伝導帯端の大きな不連続のポテンシャル変化を強く受けることになり、HBTの動作速度が低下する。これに対し、実施の形態におけるHBTは、図4の(a)に示すバンド構造を有していることにより、伝導帯端の不連続量が小さく、従ってベースを走行する電子が感じるポテンシャル変化も小さくてすむ。このため、実施の形態によれば、HBTの動作速度を低下させずに、HBTを低電圧動作化させることができる。 As shown in FIG. 4B, when the conduction band discontinuity in the base is large, electrons traveling through the base are strongly subjected to a large discontinuous potential change at the conduction band edge. The operation speed decreases. On the other hand, the HBT in the embodiment has the band structure shown in FIG. 4A, so that the discontinuity of the conduction band edge is small, and therefore the potential change felt by electrons traveling through the base is also small. It's small. For this reason, according to the embodiment, the HBT can be operated at a low voltage without reducing the operation speed of the HBT.
次に、第1半導体層151および第2半導体層152における他の条件について説明する。例えば、第1半導体層151の固相In組成x1と固相Sb組成y1は、「y1≦0.49×(1−x1/0.53)」の領域とする。また、第2半導体層152の固相In組成x2と固相Sb組成y2は、「y2≧0.49×(1−x2/0.53)」の領域とする。さらに、第1半導体層151および第2半導体層152の層厚は、10nm以下とする。 Next, other conditions in the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 will be described. For example, the solid phase In composition x1 and the solid phase Sb composition y1 of the first semiconductor layer 151 are in the region of “y1 ≦ 0.49 × (1−x1 / 0.53)”. Further, the solid phase In composition x2 and the solid phase Sb composition y2 of the second semiconductor layer 152 are in a region of “y2 ≧ 0.49 × (1−x2 / 0.53)”. Furthermore, the layer thickness of the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 is 10 nm or less.
上述した実施の形態におけるHBTを構成するベース構造体105となる積層構造105aを構成する第1半導体層151および第2半導体層152の固相In組成および固相Sb組成の関係は、x1<x2およびy1<y2である。また、実質的に、実施の形態におけるHBTを構成する各層は、InP基板を用いて成長させている。 In the above-described embodiment, the relationship between the solid phase In composition and the solid phase Sb composition of the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 constituting the stacked structure 105a that forms the base structure 105 constituting the HBT is expressed by x1 <x2. And y1 <y2. Further, substantially each layer constituting the HBT in the embodiment is grown using an InP substrate.
ここで、図2によれば、InPに格子整合するInGaAsSbの固相In組成および固相Sb組成は、GaAsSbから、固相In組成が増大するにつれて、固相Sb組成が減少する。従って、第1半導体層151と第2半導体層152のいずれかを、InP格子整合する組成に設定したとしても、他方の半導体層は、格子整合する組成に設定することができない。もし、InPに格子整合していない半導体層の層厚が、臨界膜厚を超えると、よく知られているように、ひずみの緩和に伴い結晶欠陥が導入され、再結合中心密度が増大し、所望の特性が得られない場合がある。HBTにおいては、ベース内での再結合電流が増大するため、電流利得が減少する場合がある。 Here, according to FIG. 2, the solid phase In composition and the solid phase Sb composition of InGaAsSb lattice-matched to InP decrease from GaAsSb as the solid phase In composition increases. Therefore, even if one of the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 is set to a composition that matches InP lattice, the other semiconductor layer cannot be set to a composition that matches lattice. If the layer thickness of the semiconductor layer not lattice-matched to InP exceeds the critical thickness, as is well known, crystal defects are introduced along with strain relaxation, and the recombination center density increases, Desired characteristics may not be obtained. In HBT, the recombination current in the base increases, so the current gain may decrease.
これに対し、上述したように、第1半導体層151の固相In組成x1と固相Sb組成y1は、「y1≦0.49×(1−x1/0.53)」の領域とし、第2半導体層152の固相In組成x2と固相Sb組成y2は、「y2≧0.49×(1−x2/0.53)」の領域とするこことで、第1半導体層151は引っ張りひずみを受け、第2半導体層152は圧縮ひずみを受けることになる。このように、圧縮ひずみと引っ張りひずみとを、互いのひずみを補償するように交互になるように、固相組成を設定することで、格子不整合状態で臨界膜厚を超えることよる問題を回避することができる。 On the other hand, as described above, the solid phase In composition x1 and the solid phase Sb composition y1 of the first semiconductor layer 151 are in the region of “y1 ≦ 0.49 × (1−x1 / 0.53)”. 2 The solid phase In composition x2 and the solid phase Sb composition y2 of the semiconductor layer 152 are in a region of “y2 ≧ 0.49 × (1−x2 / 0.53)”, so that the first semiconductor layer 151 is pulled. Due to the strain, the second semiconductor layer 152 is subjected to a compressive strain. In this way, by setting the solid phase composition so that the compressive strain and tensile strain alternate so as to compensate each other's strain, the problem of exceeding the critical film thickness in the lattice mismatch state is avoided. can do.
さらに、第1半導体層151および第2半導体層152の層厚を10nm以下とし、各々の層の固相In組成および固相Sb組成における臨界膜厚を超えないように設定することで、HBTにおいては、電流利得を低下させることなく、動作電圧を下げることができる。 Furthermore, by setting the thicknesses of the first semiconductor layer 151 and the second semiconductor layer 152 to 10 nm or less and not exceeding the critical film thickness in the solid phase In composition and the solid phase Sb composition of each layer, Can lower the operating voltage without reducing the current gain.
次に、実際に作製したHBTの特性について述べる。本発明の効果を実証するために、n型サブコレクタ、アンドープInPコレクタ、p型ベース、アンドープInPエミッタ層、n型キャップ層からなるHBTを作製した。p型ベースは、第1半導体層および第2半導体層が交互に積層された積層構造としている。また、デバイスの対称性を確保するため、コレクタの側より第2半導体層から開始して作製し、第2半導体層および第1半導体層を5層ずつ交互に成長した後に、最後に第2半導体層を成長した。 Next, the characteristics of the actually manufactured HBT will be described. In order to demonstrate the effect of the present invention, an HBT including an n-type subcollector, an undoped InP collector, a p-type base, an undoped InP emitter layer, and an n-type cap layer was fabricated. The p-type base has a stacked structure in which first semiconductor layers and second semiconductor layers are alternately stacked. Further, in order to ensure the symmetry of the device, the device is manufactured starting from the second semiconductor layer from the collector side, and the second semiconductor layer and the first semiconductor layer are grown alternately by five layers, and finally the second semiconductor layer is finally formed. Growing layer.
第1半導体層および第2半導体層の層厚は、2nmとした。また、第1半導体層のドーピング濃度は1019cm-3とした。第2半導体層の固相In組成x2はおよそ0.3であり、第1半導体層の固相In組成x1はほぼ0である。第2半導体層の固相Sb組成y2は、おおよそ0.4に設定し、第1半導体層の固相Sb組成y1は、0.4よりも小さい値とした。 The layer thickness of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer was 2 nm. The doping concentration of the first semiconductor layer was 10 19 cm −3 . The solid phase In composition x2 of the second semiconductor layer is approximately 0.3, and the solid phase In composition x1 of the first semiconductor layer is approximately zero. The solid phase Sb composition y2 of the second semiconductor layer was set to approximately 0.4, and the solid phase Sb composition y1 of the first semiconductor layer was set to a value smaller than 0.4.
上述した構成とした本発明におけるHBTは、GaAsSbをベース層とする従来構造のHBTよりも、動作する電圧、すなわちコレクタ電流の立ち上がりが早かった。このように、本発明のHBTによれば、より低い電圧で動作することが確認された。 In the HBT according to the present invention having the above-described configuration, the operating voltage, that is, the collector current rises earlier than the conventional HBT having a base layer of GaAsSb. Thus, it was confirmed that the HBT of the present invention operates at a lower voltage.
以上に説明したように、本発明によれば、ベースを、InGaAsSbからなり、第1半導体層および第2半導体層が互いに接して複数積層された積層構造から構成されてコレクタ層の上に形成されたp型のベース構造体から構成し、第1半導体層は、炭素がドーピングされて、第2半導体層より低いIn組成および低いSb組成とされ、 第2半導体層は、第1半導体層より炭素のドーピング量が少ない状態とされているようにした。この結果、所望のIn組成が得られる状態で高濃度にCがドープされたInGaAsSbからなるベース層により、遮断周波数,最大発振周波数,電流利得などの特性を低下させることなくHBTの動作電圧を下げることができる。 As described above, according to the present invention, the base is made of InGaAsSb, and is formed on the collector layer, which is formed of a stacked structure in which a plurality of first semiconductor layers and second semiconductor layers are stacked in contact with each other. The first semiconductor layer is doped with carbon to have a lower In composition and a lower Sb composition than the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer is more carbon than the first semiconductor layer. The amount of doping is made small. As a result, the base layer made of InGaAsSb doped with C at a high concentration in a state where a desired In composition can be obtained lowers the operating voltage of the HBT without degrading characteristics such as cutoff frequency, maximum oscillation frequency, and current gain. be able to.
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。例えば、上述では、主に、ドーピング原料としてCBr4を用いた場合について説明したが、これに限るものではない。In、Ga、As,Sbを含む混晶系材料に対するエッチング効果は、ハロゲン系元素に起因するものであり、例えばCCl4などの他のハロメタン原料を用いても同様である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, in the above description, the case where CBr 4 is mainly used as a doping material has been described. However, the present invention is not limited to this. The etching effect on the mixed crystal material containing In, Ga, As, and Sb is attributed to the halogen-based element, and the same is true when other halomethane raw materials such as CCl 4 are used.
また、第1半導体層および第2半導体層の層厚および繰り返し数は、前述した実施の形態に限るものではない。ベース構造体における少数キャリアの輸送特性が最大限引き出せる層厚および繰り返し数を適宜に設定して用いればよい。また、第1半導体層の成長と第2半導体層の成長との間において、急峻にドーピング原料の供給量を変更したが、これに限るものではない。例えば、第1半導体層の成長から第2半導体層の成長への移行において、徐々にドーピング原料の供給量を減少させるようにしてもよく、徐々にドーピング原料の供給量を増加させるようにしてもよい。また、第1半導体層の成長と第2半導体層の成長との繰り返しにおいて、ドーピング原料の供給量が、時間の変化に対して正弦波のように変化する状態としてもよい。 Further, the layer thickness and the number of repetitions of the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are not limited to the above-described embodiments. What is necessary is just to set and use appropriately the layer thickness and repeating number which can draw out the transport characteristic of the minority carrier in a base structure to the maximum. Further, although the supply amount of the doping material is sharply changed between the growth of the first semiconductor layer and the growth of the second semiconductor layer, the present invention is not limited to this. For example, in the transition from the growth of the first semiconductor layer to the growth of the second semiconductor layer, the supply amount of the doping material may be gradually decreased, or the supply amount of the doping material may be gradually increased. Good. Further, in the repetition of the growth of the first semiconductor layer and the growth of the second semiconductor layer, the supply amount of the doping material may be changed in a sine wave with respect to the change of time.
101…基板、102…バッファ層、103…サブコレクタ層、104…コレクタ層、104a…InP層、105…ベース構造体、105a…積層構造、106…エミッタ層、106a…InP層、107…コンタクトキャップ層、107a…n+−InGaAs層、108…エミッタ電極、108a…電極金属層、109…ベース電極、110…コレクタ電極、151…第1半導体層、152…第2半導体層。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Substrate, 102 ... Buffer layer, 103 ... Subcollector layer, 104 ... Collector layer, 104a ... InP layer, 105 ... Base structure, 105a ... Multilayer structure, 106 ... Emitter layer, 106a ... InP layer, 107 ... Contact cap Layer 107a... N + -InGaAs layer 108 emitter electrode 108a metal layer 109 base electrode 110 collector electrode 151 first semiconductor layer 152 second semiconductor layer
Claims (2)
InGaAsSbからなる第1半導体層および第2半導体層が、互いに接して複数積層された積層構造から構成されて炭素をドーピングすることでp型とされたベース構造体を前記コレクタ層の上に形成するベース形成工程と、
前記ベース構造体の上にIII−V族化合物半導体からなるn型のエミッタ層を形成するエミッタ形成工程と
を備え、
前記ベース形成工程では、
In原料,Ga原料,As原料,およびSb原料を供給することを含む第1条件でInGaAsSbを前記コレクタ層の上に堆積して前記第1半導体層を形成する第1工程と、
前記第1工程に引き続いて、In原料,Ga原料,As原料,およびSb原料を供給することを含む第2条件でInGaAsSbを前記コレクタ層の上に堆積して前記第2半導体層を形成する第2工程と
を少なくとも備え、
前記第1条件および前記第2条件は、In原料,Ga原料,As原料,およびSb原料の供給量を同一とし、
前記第2条件は、前記第1条件に比較してハロメタン系の炭素ドーピング原料の供給量を少なく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の製造方法。 A collector forming step of forming an n-type collector layer made of a III-V group compound semiconductor on the substrate;
A p-type base structure is formed on the collector layer by being composed of a stacked structure in which a plurality of first semiconductor layers and second semiconductor layers made of InGaAsSb are in contact with each other and doped with carbon. A base forming process;
Forming an n-type emitter layer made of a group III-V compound semiconductor on the base structure, and
In the base forming step,
A first step of forming the first semiconductor layer by depositing InGaAsSb on the collector layer under a first condition including supplying an In source, a Ga source, an As source, and an Sb source;
Subsequent to the first step, the second semiconductor layer is formed by depositing InGaAsSb on the collector layer under a second condition including supplying an In source, a Ga source, an As source, and an Sb source. Including at least two steps,
In the first condition and the second condition, the supply amounts of the In raw material, the Ga raw material, the As raw material, and the Sb raw material are the same,
The second condition is a method of manufacturing a heterojunction bipolar transistor, wherein the supply amount of a halomethane-based carbon doping material is reduced as compared with the first condition.
前記炭素ドーピング原料は、四塩化炭素または四臭化炭素であ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の製造方法。 The method of manufacturing a heterojunction bipolar transistor according to claim 1 Symbol placement,
The method of manufacturing a heterojunction bipolar transistor, wherein the carbon doping material is carbon tetrachloride or carbon tetrabromide.
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