【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)に係り、特にエミッタ/ベース接合がAlGaAs/GaAsヘテロ接合により構成されるHBTの電流増幅率βの向上を図る技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
HBTは、低歪みの信号増幅が可能で、単一電源での使用ができる等の優れた特徴を持つことから、デジタル通信、ミリ波システムなどのキーデバイスとして注目されている。
【0003】
図4に従来のAlGaAs/GaAs系HBTの構造の一例を、測定回路の形で示す。このHBTは、図示してない半絶縁性基板上に、n+−GaAsより成るコレクタコンタクト層9、n−GaAsより成るコレクタ層8、及びp+−GaAsより成るベース層7を順次形成し、ベース層7の上にベース電極2と、n−AlGaAsより成るエミッタ層6とを独立して形成し、エミッタ層6の上のn+−GaAsより成るエミッタコンタクト層5及びn+−InGaAsより成るノンアロイ層4と、エミッタ電極1を形成し、コレクタコンタクト層9の上にコレクタ電極3を形成したものである。
【0004】
測定回路は、このHBTのエミッタ電極1とベース電極2との間にエミッタ電極1がアース側になるように可変電源Vを接続し、可変電源Vの陽極とベース電極との間に電流計10を挿入し、可変電源Vの陽極とコレクタ電極3との間に電流計11を挿入した構成である。
【0005】
エミッタ−ベース間の電圧を増加させれば、コレクタ電流Icはベース電流Ibで増幅される。この増幅率がHBTの基本的特性である電流増幅率βであり、コレクタ電流Icとベース電流Ibとの比(Ic/Ib)で表される。
【0006】
ここで、結晶欠陥のない良好な半導体を用い、再結合電流がない場合はβは下記(以後、式(1)と略す)で表される。ここで、Neはエミッタ層中のn型不純物キャリア濃度、Pbはベース層中のp型不純物キャリア濃度、Vbeはベース層における電子の移動度、Vehはエミッタ層におけるホールの移動度、△Eはホールと電子に対する障壁エネルギーの差、kはボルツマン定数、Tは絶対温度である。
【0007】
β=Ic/Ib=(Ne×Vbe)×exp(△E/kT)/PbVeh …式(1)
図2(b)にエミッタ・ベース接合におけるバンド図を示す。バンドギャップの広いn型半導体をエミッタ層とし、それよりバンドギャップの狭いp型半導体をベース層として両者を接合すると、図2(b)に示すように、エミッタ層からベース層へ注入される電子に対するエネルギー障壁よりもベース層からエミッタ層へ逆注入されるホール(正孔)に対するエネルギー障壁の方が大きくなるため、上記式(1)で示される電流増幅率βを大きくとることができる。すなわち、電流増幅率βは、エミッタ層−ベース層間のバンドギャップ差ΔEに指数関数的に依存し、バンドギャップ差ΔE が大きいほど電流増幅率βを大きくとることができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図2(b)に示すように、接合界面においては電子親和力の差から伝導帯底にバンドの不連続(ポテンシャルにおけるノッチ又はスパイク)が生じてしまう。このバンドの不連続により、電子に対するポテンシャル障壁が大きくなり、ヘテロ接合による効果(式(1)における△E)が相殺され、電流増幅率βが低下してしまう。
【0009】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ・ベース接合界面において、電子に対するポテンシャル障壁を小さくし、電流増幅率βを向上させることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【0011】
請求項1の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、GaAsベース層、AlGaAsエミッタ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、GaAsベース層とAlGaAsエミッタ層との間に、n型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ層を設けたことを特徴とする。
【0012】
請求項2の発明は、請求項1に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記スペーサ層におけるエミッタ層側のn型不純物キャリア濃度が4.0×1017cm−3であり、上記スペーサ層におけるベース層側のn型不純物キャリア濃度が1.0〜8.0×1018cm−3であるように、n型不純物キャリア濃度に濃度勾配を設けたことを特徴とする。
【0013】
請求項3の発明は、請求項1又は2に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記スペーサ層が、InGaP、GaAs、AlGaAs、InGaAsPのうちのいずれかからなることを特徴とする。
【0014】
<発明の要点>
本発明の要点は、エミッタ・ベース層の界面間にn型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ層を挿入したことにあり、これにより、エミッタ・ベース接合界面における電子に対するポテンシャル障壁を小さくし、電流増幅率βを向上させるものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
【0016】
本実施形態のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、GaAsベース層、AlGaAsエミッタ層を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、GaAsベース層とAlGaAsエミッタ層との間に、n型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ層を設け、そのスペーサ層におけるエミッタ層側のn型不純物キャリア濃度が4.0×1017cm−3であり、上記スペーサ層におけるベース層側のn型不純物キャリア濃度が1.0〜8.0×1018cm−3であるように、n型不純物キャリア濃度に濃度勾配を設けたものである。
【0017】
図1に本発明の実施形態に係るAlGaAs/GaAs系HBTの構造を示す。これは、基本的には図4と同様の構成であり、示してない半絶縁性基板上に、n+−GaAsコレクタコンタクト層9、n−GaAsより成るコレクタ層8、及びp+−GaAsより成るベース層7を順次形成し、ベース層7の上にベース電極2と、n−AlGaAsからなるエミッタ層6とを独立して形成し、エミッタ層6の上のn+−GaAsエミッタコンタクト層5及びn+−InGaAsからなるノンアロイ層4と、エミッタ電極1を形成し、コレクタコンタクト層9の上にコレクタ電極3を形成している。しかし、図4の場合と異なり、 GaAsベース層7とAlGaAsエミッタ層6との間に、n型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ層12を設けている。
【0018】
すなわち、半絶縁性GaAs基板上に、コレクタコンタクト層9として厚さ500nmのn+型GaAs(キャリア濃度5×1018cm−3)が成長され、その上にコレクタ層8として500nmのn型GaAs(キャリア濃度4×1016cm−3)が成長されている。そして、このコレクタ層8上にベース層7として70nmのp+型GaAs(キャリア濃度4×1019cm−3)が成長されている。さらに、このベース層7上には、n型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えてスペーサ層12が成長されている。そして、このスペーサ層12上には、エミッタ層6として120nmのn型AlGaAs(キャリア濃度4×1017cm−3)、エミッタコンタクト層5として120nmのn+型GaAs(キャリア濃度5×1018cm−3)が成長され、さらに、このエミッタコンタクト層5の上に、ノンアロイ層4として100nmのn+型InGaAs(キャリア濃度4×1019cm−3)が成長されている。
【0019】
コレクタコンタクト層9の上方にはNi/Au(厚さ400nm/150nm)のコレクタ電極3が、ベース層7の上方にはNi/Au(厚さ400nm/150nm)のベース電極2が、そしてエミッタ層6の上方にはNi/Au(厚さ400nm/150nm)のエミッタ電極1が形成されている。
【0020】
上記のようにエミッタ層とベース層の間にn型不純物キャリア濃度を深さ方向に変えたスペーサ層12を挿入すると、エミッタ・ベース接合界面における電子に対するポテンシャル障壁が小さくなり、電流増幅率βが向上する。
【0021】
上記スペーサ層12を挿入した効果について、その最適条件を確認するため、上記HBTで、スペーサ層12のn型不純物キャリア濃度をエミッタ層側で一定とし、ベース層側で変えたものを作製した。HBTの基本構造は図1の通りである。ここで挿入したスペーサ層12の仕様を下記に示す。
【0022】
<スペーサの仕様>
(i) エピタキシャル層:n−InGaP。(ii) 厚さ:3.0nm。(iii) In組成:0.48。(iv) キャリア濃度:エミッタ層側で4.0×1017/cm3、ベース側で4.0×1017〜4.019/cm3まで変化させた。(v) キャリア濃度の深さ方向に対する分布の仕方:均一。
【0023】
次に、上記仕様で成長したエピタキシャルウェハより、HBT素子を作製し電流増幅率βを測定した。スペーサ層12のベース側のキャリア濃度とβの関係を図3に示す。
【0024】
図3から判るように、スペーサ層12のベース側のキャリア濃度が4.0〜8.0×1017/cm3の範囲では、電流増幅率βはほとんど変化しなかった。これに対して1.0〜8.0×1018/cm3の範囲では、βを5〜15%ほど向上させることができた。これはキャリア濃度を上げることで、接合界面のポテンシャル障壁が小さくなり、なめらかな接合となったためだと考えられる。この状態におけるバンド図を図2(a)に示す。また、キャリア濃度が1×1019/cm3以上では逆にβが低下しまった。
【0025】
従って、スペーサ層12のベース層側のキャリア濃度は、電流増幅率βが向上する1.0〜8.0×1018/cm3の範囲が最適と考えられる。
【0026】
上記のように、エミッタ・ベース層間にn型不純物キャリア濃度を深さ方向に変化させたn−InGaPスペーサ層12を挿入することにより、電流増幅率βを5〜15%倍程度向上させることができた。
【0027】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のように種々の変更が可能である。
【0028】
(1) InGaPのIn組成は0.48に限定せず、臨界膜厚内で許容される組成であれば良い。
【0029】
(2) スペーサ層はInGaP層に限定せず、GaAs層、AlGaAs層、InGaAsP層でも適用することが可能である。
【0030】
(3) スペーサ層のキャリア濃度は、グレーデッド構造だけでなく、ステップ構造に変化させて適用することも可能である。
【0031】
(4) スペーサ層のキャリアのドーピング方法は均一ドープ法に限定せず、プレーナドープ法を適用することも可能である。ここでプレーナドープとは、エピタキシャル層界面に不純物を添加することを意味する。
【0032】
(5) スペーサ層の厚さは3nmに限定せず、臨界膜厚以内であれば良い。
【0033】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、エミッタ・ベース層の界面間にn型不純物キャリア濃度を深さ方向に変化させたスペーサ層を挿入しているため、これによりHBTのエミッタ・ベース接合界面における電子に対するポテンシャル障壁を小さくし、電流増幅率βを従来よりも向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のHBTの構造とトランジスタ特性測定回路を示す図である。
【図2】エミッタ・ベース接合におけるバンド図で、(a)はスペーサありの本発明の場合を、(b)はスペーサなしの従来の場合を示す図である。
【図3】本発明のHBTのスペーサ層におけるベース側のキャリア濃度と電流増幅率βの関係を示す図である。
【図4】従来のHBTの構造とトランジスタ特性測定回路を示す図である。
【符号の説明】
4 ノンアロイ層(n+−InGaAs)
5 エミッタコンタクト層(n+−GaAs)
6 エミッタ層(n−AlGaAs)
7 ベース層(p+−GaAs)
8 コレクタ層(n−GaAs)
9 コレクタコンタクト層(n+−GaAs)
12 スペーサ層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heterojunction bipolar transistor (HBT), and more particularly to a technique for improving a current amplification factor β of an HBT in which an emitter / base junction is formed of an AlGaAs / GaAs heterojunction.
[0002]
[Prior art]
The HBT has attracted attention as a key device for digital communication, millimeter-wave systems, and the like because it has excellent features such as low distortion signal amplification and the use of a single power supply.
[0003]
FIG. 4 shows an example of the structure of a conventional AlGaAs / GaAs HBT in the form of a measurement circuit. In this HBT, a collector contact layer 9 made of n + -GaAs, a collector layer 8 made of n-GaAs, and a base layer 7 made of p + -GaAs are sequentially formed on a semi-insulating substrate (not shown). The base electrode 2 and the emitter layer 6 made of n-AlGaAs are independently formed on the base layer 7, and the emitter contact layer 5 made of n + -GaAs and the emitter contact layer 5 made of n + -InGaAs on the emitter layer 6 are formed. The non-alloy layer 4 and the emitter electrode 1 are formed, and the collector electrode 3 is formed on the collector contact layer 9.
[0004]
The measurement circuit includes a variable power supply V connected between the emitter electrode 1 and the base electrode 2 of the HBT such that the emitter electrode 1 is on the ground side, and an ammeter 10 between the anode of the variable power supply V and the base electrode. And an ammeter 11 is inserted between the anode of the variable power supply V and the collector electrode 3.
[0005]
If the voltage between the emitter and the base is increased, the collector current Ic is amplified by the base current Ib. This amplification factor is a current amplification factor β which is a basic characteristic of the HBT, and is represented by a ratio (Ic / Ib) between the collector current Ic and the base current Ib.
[0006]
Here, when a good semiconductor having no crystal defects is used and there is no recombination current, β is represented by the following (hereinafter abbreviated to equation (1)). Here, Ne is n-type impurity carrier concentration of the emitter layer, Pb is p-type impurity carrier concentration in the base layer, Vb e is the electron mobility in the base layer, Ve h is the mobility of holes in the emitter layer, △ E is the difference between the barrier energies for holes and electrons, k is the Boltzmann constant, and T is the absolute temperature.
[0007]
β = Ic / Ib = (Ne × Vb e) × exp (△ E / kT) / PbVe h … Equation (1)
FIG. 2B shows a band diagram at the emitter-base junction. When an n-type semiconductor having a wide bandgap is used as an emitter layer and a p-type semiconductor having a narrower bandgap is used as a base layer to join them, as shown in FIG. 2B, electrons injected from the emitter layer to the base layer are formed. Since the energy barrier against holes (holes) reversely injected from the base layer into the emitter layer becomes larger than the energy barrier against, the current amplification factor β shown in the above equation (1) can be increased. That is, the current gain β depends exponentially on the band gap difference ΔE between the emitter layer and the base layer, and the larger the band gap difference ΔE is, the larger the current gain β can be.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, as shown in FIG. 2B, at the junction interface, a band discontinuity (a potential notch or spike) occurs at the conduction band bottom due to a difference in electron affinity. This band discontinuity increases the potential barrier for electrons, cancels the effect of the heterojunction (ΔE in equation (1)), and lowers the current amplification factor β.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems and to reduce a potential barrier for electrons at an emitter-base junction interface of a hetero-junction bipolar transistor, thereby improving a current amplification factor β.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
[0011]
A heterojunction bipolar transistor according to a first aspect of the present invention is a heterojunction bipolar transistor having a GaAs base layer and an AlGaAs emitter layer, wherein the n-type impurity carrier concentration is increased in the depth direction between the GaAs base layer and the AlGaAs emitter layer. A modified spacer layer is provided.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the heterojunction bipolar transistor according to the first aspect, the n-type impurity carrier concentration on the emitter layer side in the spacer layer is 4.0 × 10 17 cm −3 , and the base in the spacer layer is A concentration gradient is provided in the n-type impurity carrier concentration so that the n-type impurity carrier concentration on the layer side is 1.0 to 8.0 × 10 18 cm −3 .
[0013]
According to a third aspect of the present invention, in the heterojunction bipolar transistor according to the first or second aspect, the spacer layer is made of any one of InGaP, GaAs, AlGaAs, and InGaAsP.
[0014]
<The gist of the invention>
The gist of the present invention is that a spacer layer in which the n-type impurity carrier concentration is changed in the depth direction is inserted between the interface between the emitter and the base layer, thereby reducing the potential barrier against electrons at the emitter-base junction interface. To improve the current amplification factor β.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
[0016]
The heterojunction bipolar transistor according to the present embodiment is a heterojunction bipolar transistor having a GaAs base layer and an AlGaAs emitter layer, the spacer having an n-type impurity carrier concentration changed in the depth direction between the GaAs base layer and the AlGaAs emitter layer. A spacer layer, the n-type impurity carrier concentration on the emitter layer side of the spacer layer is 4.0 × 10 17 cm −3 , and the n-type impurity carrier concentration on the base layer side of the spacer layer is 1.0 to 8 cm 3 . The n-type impurity carrier concentration is provided with a concentration gradient so that the concentration is 0 × 10 18 cm −3 .
[0017]
FIG. 1 shows the structure of an AlGaAs / GaAs HBT according to an embodiment of the present invention. This is basically the same configuration as that of FIG. 4, in which an n + -GaAs collector contact layer 9, a collector layer 8 made of n-GaAs, and a p + -GaAs are formed on a semi-insulating substrate (not shown). A base electrode 7 and an emitter layer 6 made of n-AlGaAs are independently formed on the base layer 7, and an n + -GaAs emitter contact layer 5 on the emitter layer 6 is formed. A non-alloy layer 4 of n + -InGaAs and an emitter electrode 1 are formed, and a collector electrode 3 is formed on a collector contact layer 9. However, unlike the case of FIG. 4, a spacer layer 12 in which the n-type impurity carrier concentration is changed in the depth direction is provided between the GaAs base layer 7 and the AlGaAs emitter layer 6.
[0018]
That is, on a semi-insulating GaAs substrate, n + -type GaAs (carrier concentration: 5 × 10 18 cm −3 ) having a thickness of 500 nm is grown as a collector contact layer 9, and an n-type GaAs of 500 nm is formed thereon as a collector layer 8. (Carrier concentration of 4 × 10 16 cm −3 ). On the collector layer 8, p + -type GaAs (carrier concentration: 4 × 10 19 cm −3 ) of 70 nm is grown as the base layer 7. Further, a spacer layer 12 is grown on the base layer 7 while changing the n-type impurity carrier concentration in the depth direction. Then, on the spacer layer 12, 120 nm n-type AlGaAs (carrier concentration 4 × 10 17 cm −3 ) as the emitter layer 6 and 120 nm n + type GaAs (carrier concentration 5 × 10 18 cm) as the emitter contact layer 5. -3 ) is grown, and on this emitter contact layer 5, 100 nm n + -type InGaAs (carrier concentration: 4 × 10 19 cm −3 ) is grown as the non-alloy layer 4.
[0019]
Ni / Au (400 nm / 150 nm thick) collector electrode 3 above collector contact layer 9, Ni / Au (400 nm / 150 nm thick) base electrode 2 above base layer 7, and emitter layer Above 6, an emitter electrode 1 of Ni / Au (thickness: 400 nm / 150 nm) is formed.
[0020]
When the spacer layer 12 in which the n-type impurity carrier concentration is changed in the depth direction is inserted between the emitter layer and the base layer as described above, the potential barrier for electrons at the emitter-base junction interface is reduced, and the current amplification factor β is reduced. improves.
[0021]
In order to confirm the optimal conditions for the effect of inserting the spacer layer 12, an HBT was manufactured in which the n-type impurity carrier concentration of the spacer layer 12 was constant on the emitter layer side and changed on the base layer side. The basic structure of the HBT is as shown in FIG. The specifications of the spacer layer 12 inserted here are shown below.
[0022]
<Spacer specifications>
(I) Epitaxial layer: n-InGaP. (Ii) Thickness: 3.0 nm. (Iii) In composition: 0.48. (Iv) Carrier Concentration: the emitter layer side 4.0 × 10 17 / cm 3, was varied in the base side to 4.0 × 10 17 ~4.0 19 / cm 3. (V) Distribution of carrier concentration in the depth direction: uniform.
[0023]
Next, an HBT element was manufactured from the epitaxial wafer grown according to the above specifications, and the current amplification factor β was measured. FIG. 3 shows the relationship between the carrier concentration on the base side of the spacer layer 12 and β.
[0024]
As can be seen from FIG. 3, when the carrier concentration on the base side of the spacer layer 12 is in the range of 4.0 to 8.0 × 10 17 / cm 3 , the current amplification factor β hardly changes. On the other hand, in the range of 1.0 to 8.0 × 10 18 / cm 3 , β could be improved by about 5 to 15%. This is presumably because the potential barrier at the junction interface was reduced by increasing the carrier concentration, resulting in a smooth junction. FIG. 2A shows a band diagram in this state. On the other hand, β decreased when the carrier concentration was 1 × 10 19 / cm 3 or more.
[0025]
Therefore, it is considered that the carrier concentration on the base layer side of the spacer layer 12 is optimally in the range of 1.0 to 8.0 × 10 18 / cm 3 at which the current amplification factor β is improved.
[0026]
As described above, by inserting the n-InGaP spacer layer 12 in which the n-type impurity carrier concentration is changed in the depth direction between the emitter and base layers, the current amplification factor β can be improved by about 5 to 15%. did it.
[0027]
The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications are possible, for example, as follows.
[0028]
(1) The In composition of InGaP is not limited to 0.48, and may be any composition as long as it is allowed within the critical film thickness.
[0029]
(2) The spacer layer is not limited to the InGaP layer, but may be applied to a GaAs layer, an AlGaAs layer, or an InGaAsP layer.
[0030]
(3) The carrier concentration of the spacer layer can be applied not only to the graded structure but also to a stepped structure.
[0031]
(4) The doping method of the carriers in the spacer layer is not limited to the uniform doping method, and a planar doping method can be applied. Here, planar doping means adding an impurity to the interface of the epitaxial layer.
[0032]
(5) The thickness of the spacer layer is not limited to 3 nm, and may be within the critical thickness.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the spacer layer in which the n-type impurity carrier concentration is changed in the depth direction is inserted between the interface between the emitter and the base layer. , The potential barrier to the electrons at is reduced, and the current amplification factor β can be improved as compared with the conventional case.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a structure of a HBT and a transistor characteristic measuring circuit of the present invention.
2A and 2B are band diagrams of an emitter-base junction, in which FIG. 2A shows a case of the present invention with a spacer, and FIG. 2B shows a conventional case without a spacer.
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the carrier concentration on the base side and the current amplification factor β in the spacer layer of the HBT of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a structure of a conventional HBT and a transistor characteristic measuring circuit.
[Explanation of symbols]
4 Non-alloy layer (n + -InGaAs)
5 Emitter contact layer (n + -GaAs)
6 Emitter layer (n-AlGaAs)
7 Base layer (p + -GaAs)
8 Collector layer (n-GaAs)
9 Collector contact layer (n + -GaAs)
12 Spacer layer