专利名称：半导体器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及在发送用高输出电力放大器中被广泛应用的异质结双极晶体管。
背景技术：
一直以来，场效应晶体管(以下记作FET)或异质结双极晶体管(以下记作HBT)等化合物半导体器件作为携带电话机的部件之一，被应用在发送用高输出电力放大器中。
图1所示的是典型的已有HBT器件结构的剖面图(例如，参照日本特开2001-326231号公报)。
如图1所示，在已有HBT中，通过使用了MOCVD法(有机金属化学气相生长法)或者MBE法(分子束外延生长法)的结晶生长，在半绝缘性GaAs衬底500上依次叠层(积层)以下层掺杂浓度为4×1018cm-3的n型杂质而形成膜厚为6000的n型GaAs次集电极层501、掺杂浓度为1×1016cm-3的n型杂质而形成膜厚为6000的n型GaAs集电极层502、p型GaAs基极层503、n型InGaP第2发射极层504、n型GaAs第1发射极层505、以及n型InGaAs发射极接触层506。然后，通过平版印刷、刻蚀以及蒸镀等处理技术进行加工，在发射极接触层506、基极层503以及次集电极层501上分别形成发射极电极507、基极电极508以及集电极电极509。
下面，就具有上述结构的已有HBT的典型电特性的评价结果进行说明。
图2A所示的是基极与集电极共用工作的情况下，集电极电流IC以及基极电流Ib的基极/发射极间电压Vbe电流的关系，即“古默尔图”(Gummel plot)。图2B所示的是在通过发射极接地而工作的情况下的集电极电流Ic一集电极/发射极间电压Vce的特性。此时，图2A中，实线为Ic，虚线为Ib。另外，在图2B中，Ic-Vce特性是0、Ibm/10、Ibm/2、Ibm不同的Ib时的情况，Ibm所示的是图2A中Ib的最大值。
由图2A、图2B可知，Vce增大到一定值时，Ic迅速增大，HBT破坏。这样，Ic在特定的Vce下迅速增大的现象称之雪崩击穿。这种雪崩击穿是一种在集电极/基极间的逆偏置状态强、电场极度增大时，集电极层中高速移动的电子与周围的电子碰撞并不断生成电子以及空穴的现象，也称之碰撞离子化。这里，αn、αp分别作为电子、空穴的碰撞离子化系数，Jn、Jp分别作为电子、空穴的电流密度，雪崩击穿发生时的电流一般可表示为下式(1)αnJn+αpJp……(1)这种雪崩击穿发生的起因是电子或空穴等载流子以及沟道内电场强度的存在。因此，载流子量越多则雪崩击穿越容易发生，而且电场强度越高则雪崩击穿越容易发生。前者，在图2B中很明显，Ib＝Ibm时Ic最大，雪崩击穿发生时的Vce变得最小。后者，在图2B中很明显，在没有载流子的情况下，即Ib＝0时，电场强度达到临界电场强度(4×105V/cm)后，也发生了雪崩击穿。
可是近年来，对HBT而言，需求其高输出、高增益且低失真的优良特性。例如，非已有的CDMA方式、而是GSM方式的便携式电话机的发送用高输出电力放大器，在应用了HBT的情况下，特别要求其高输出。
但是，在已有的HBT中，如图2B所示，存在Ic增高导致破坏容易发生的问题。也就是说存在如下问题若高输出化，则导致破坏耐压降低。
这里，就已有HBT破坏时器件内部的情况，使用图3A、图3B、图4A、图4B进行说明。
图3A、图4A是表示正离子化的施主浓度(以下记作设计浓度)以及负的电子浓度的图，图3B、图4B是表示电场强度(绝对值)的图。其中，图3A、图4A中，横轴表示距第2发射极层504表面的距离，纵轴表示浓度，图3B、图4B中，横轴表示距第2发射极层504表面的距离，纵轴表示电场强度。另外，图3A、图3B是Ic为较低的低电流时，即图2B中Ib为Ibm/10的情况，图4A、图4B是Ic为较高的高电流时，即图2B中Ib为Ibm的情况。
由图3A可知，在低电流时，在集电极层502内设计浓度比电子浓度高，集电极层502内呈带正电状态。这里未作图示，但在基极层503的集电极层502侧有带负电的离子化受主薄层，基极层503表面的负电荷与集电极层502的正电荷呈平衡状态。
由图3B可知，在低电流时，在基极层503与集电极层502的界面处发生相当于临界电场强度的高电场，雪崩击穿发生。这里，由于电场的倾斜度表示设定浓度，所以设定浓度越高倾斜度越大，因此较低的Vce也能导致雪崩击穿。另外，由于电场强度的积分值、即面积表示对基极/集电极间施加的电压，所以雪崩击穿发生时，此面积越大破坏耐压越高。
由图4A可知，在高电流时，在集电极层502内设计浓度比电子浓度低，集电极层502内呈带负电状态。这里未作图示，但在次集电极层501的集电极层502侧有带正电的层，次集电极层501表面的正电荷与集电极层502的负电荷呈平衡状态。
由图4B可知，在高电流时，在次集电极层501与集电极层502的界面处发生最大电场，发生雪崩击穿(Kirk效应)。这时，由于次集电极层501的电子浓度高，呈容易发生雪崩击穿的状态，所以最大电场强度比临界电场强度要低。并且，关于此现象，由作者WilliamLiu编著的参考图书《Fundamentals of III-V Devices》第190页中有详细说明。
由以上说明可知，在Ic较高的情况下发生HBT的破坏起因是次集电极层与集电极层的界面处的最大电场。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出来的，目的在于提供一种半导体器件，能提高高输出化时的破坏耐压。
为达到上述目的，本发明的半导体器件是异质结双极晶体管，其特征在于具有集电极层、次集电极层以及在上述集电极层与上述次集电极层之间形成的中间集电极层，上述中间集电极层的杂质浓度比上述集电极层的杂质浓度高，而且比上述次集电极层的杂质浓度低。这里，上述集电极层、上述次集电极层以及上述中间集电极层也可以分别由GaAs构成，上述中间集电极层的膜厚也可以不大于上述集电极层的膜厚的1/3。
这样，可以抑制高电流时在次集电极层的最大电场的发生，从而能抑制雪崩击穿，因此能够实现提高高输出化时破坏耐压的半导体器件。
这里，上述中间集电极层的杂质浓度在从与上述集电极层的界面到与上述次集电极层的界面的方向上增高也可以。另外，上述中间集电极层的杂质浓度在从与上述集电极层的界面到与上述次集电极层的界面上阶梯变化也可以。
这样，降低在次集电极层的电场强度，从而抑制雪崩击穿的发生，因此能够实现进一步提高高输出化时的破坏耐压的半导体器件。
另外，上述集电极层以及上述次集电极层分别由GaAs构成，上述中间集电极层也可以由带隙大于GaAs的半导体材料构成。还有，上述中间集电极层也可以由InGaP或者InGaAsP构成。
这样，降低载流子的发生概率，从而能抑制雪崩击穿的发生，因此能够实现进一步提高破坏耐压的半导体器件。
图1是表示已有HBT器件结构的剖面图。
图2A是表示已有HBT的Gummel图。
图2B是表示已有HBT的Ic-Vce特性示意图。
图3A是表示已有HBT低电流时的集电极层502内设计浓度以及电子浓度的示意图。
图3B是表示已有HBT低电流时的集电极层502内电场强度(绝对值)的示意图。
图4A是表示已有HBT高电流时的集电极层502内设计浓度以及电子浓度的示意图。
图4B是表示已有HBT高电流时的集电极层502内电场强度(绝对值)的示意图。
图5是表示本发明实施例的HBT的器件结构剖面图。
图6A是表示同一实施例HBT的高电流时中间集电极层102以及集电极层103内设计浓度以及电子浓度的示意图。
图6B是表示同一实施例HBT的高电流时中间集电极层102以及集电极层103内电场强度(绝对值)的示意图。
图7是同一实施例HBT的Ic-Vce特性示意图。
图8A是同一实施例HBT的高电流时中间集电极层102以及集电极层103内设计浓度以及电子浓度的示意图。
图8B是同一实施例HBT的高电流时中间集电极层102以及集电极层103内电场强度(绝对值)的示意图。
具体实施例方式
以下，就本发明实施例的半导体器件参照附图进行说明。
图5是本发明实施例的HBT的器件结构剖面图。
本实施例的HBT，目的在于实现提高高输出化时的破坏耐压的HBT，在同一HBT中，通过使用了MOCVD法(有机金属化学气相生长法)或者MBE法(分子束外延生长法)的结晶生长，在半绝缘性的GaAs衬底100上依次形成下述叠层以4×1018cm-3的浓度掺杂n型杂质形成膜厚为6000的n型GaAs次集电极层101，n型GaAs中间集电极层102，以1×1016cm-3的浓度掺杂n型杂质形成膜厚为4500的n型GaAs集电极层103，p型GaAs基极层104，n型InGaP第2发射极层105，n型GaAs第1发射极层106，n型InGaAs发射极接触层107。并且，通过平版印刷、刻蚀以及蒸镀等工艺技术进行加工，在发射极接触层107、基极层104以及次集电极层101上分别形成发射极电极108、基极电极109以及集电极电极110。
这里，中间集电极层102的杂质浓度比集电极层103高，而且比次集电极层101低，例如为5×1016cm-3。另外，中间集电极层102的膜厚如果不小于集电极层103的膜厚的1/3，则电子浓度增高、而载流子浓度增高，所以，其膜厚不大于集电极层103的膜厚的1/3，例如1500。
下面，就具有上述结构的HBT的破坏时器件内的情况，使用图6A、B进行说明。
图6A是表示高电流时器件内部的设计浓度以及电子浓度的图，图6B是表示高电流时器件内部的电场强度(绝对值)的图。这里，在图6A中，横轴表示距第2发射极层105表面的距离，纵轴表示浓度，在图6B中，横轴表示距第2发射极层105表面的距离，纵轴表示电场强度。
由图6A可知，在高电流时，在集电极层103内设计浓度比电子浓度低，集电极层103内呈带负电状态。另一方面，可知中间集电极层102内的设计浓度比电子浓度高，中间集电极层102内呈带正电状态。
由图6B可知，在高电流时，最大电场在集电极层103与中间集电极层102的界面发生，且最大电场在离开次集电极层101的位置发生。也就是说，雪崩击穿的发生变得困难。这时，如果中间集电极层102的杂质浓度为高浓度，则雪崩击穿的起因是在中间集电极层102与集电极层103的界面发生最大电场。
下面，就具有上述结构的HBT的电特性进行说明。
图7是表示通过发射极接地而工作情况下的Ic-Vce特性的图。这时，图7中，Ic-Vce特性是Ib为0、Ibm/10、Ibm/2、Ibm时的不同情况，Ibm是图2A中Ib的最大值。另外，虚线是已有HBT的Ic-Vce特性，实线是本实施例HBT的Ic-Vce特性。
由图7可知，本实施例的HBT与已有的HBT相比，破坏时的Vce增高，即破坏耐压增高。另外还可知，两者的破坏耐压之差随Ic的增高而增大，并在Ibm(最大值)时特别明显。
根据上述本实施例的HBT，在次集电极层101与集电极层103之间形成中间集电极层102，中间集电极层102的杂质浓度比集电极层103高，而且比次集电极层101低。因此，可以抑制在高电流时次集电极层的最大电场的发生，能从而抑制雪崩击穿，因此本实施例的HBT能够实现提高在高输出化时的破坏耐压。
并且，在本实施例的HBT中，中间集电极层102与次集电极层101以及集电极层103一样，都是由GaAs构成。只要次集电极层以及集电极层是带隙大于GaAs的半导体材料即可，例如中间集电极层也可以由InGaP或者InGaAsP等其他半导体材料构成。因此，可以降低载流子的发生概率，从而能抑制雪崩击穿，因此能够实现进一步提高在高输出化时的破坏耐压的HBT。
另外，在本实施例的HBT中，中间集电极层102的杂质浓度作为一定。但是，中间集电极层的杂质浓度在从与集电极层的界面到与次集电极层的界面上阶梯或连续性增高也可以。例如，中间集电极层的杂质浓度在从与集电极层的界面到与次集电极层的界面分成500、1000、1500，浓度为5×1016cm-3、2×1017cm-3、5×1017cm-3三个阶段的变化也可以。就具有这种结构的HBT的破坏时器件内部的情况，使用图8A、图8B进行说明。
图8A是表示高电流时器件内部的设计浓度以及电子浓度的图，图8B是表示高电流时器件内部的电场强度(绝对值)的图。这里，在图8A中，横轴表示距第2发射极层表面的距离，纵轴表示浓度，在图8B中，横轴表示距第2发射极层表面的距离，纵轴表示电场强度。并且，在图8A、图8B中，A、B、C以及D的位置分别为集电极层与中间集电极层的界面位置、第1次杂质浓度变化的位置、第2次杂质浓度变化的位置、以及中间集电极层与次集电极层的界面位置。
由图8A可知，在高电流时，在集电极层内设计浓度比电子浓度低，集电极层内呈带负电状态。另一方面，可知在中间集电极层A、B、C以及D的设计浓度分别比电子浓度高，中间集电极层内呈带正电状态。
由图8B可知，在高电流时，在中间集电极层的位置B、C处倾斜度有较大变化，与图6A、图6B所示的中间集电极层的杂质浓度为低浓度、且一定的情况相比，在次集电极层与中间集电极层的界面的电场强度变低。也就是说，雪崩击穿的发生变得更困难。另外，与中间集电极层为高浓度、且一定的情况相比，从位置A到C，由于低浓度造成电场倾斜度减缓的部分、即电场强度的面积增大，从而可以提高耐压。另外，中间集电极层内的电子浓度比AB间的设定浓度高的情况下，在位置B产生最大电场，倾斜度会在位置C有较大变化。
根据上述中间集电极层的杂质浓度在从与集电极层的界面到与次集电极层的界面上阶梯或连续性的增高，可以提高在低电子浓度位置的电场，还可以降低在高电子浓度位置的电场，从而提高高电流时的耐压。因此更能抑制雪崩击穿的发生，能够实现进一步提高在高输出化时的破坏耐压的HBT。
通过上述说明可以非常清楚，根据本发明的半导体器件，可以实现提高在高输出化时的破坏耐压的异质结双极晶体管。
因此，通过本发明，可以提供一种提高在高输出化时的破坏耐压的异质结双极晶体管，作为GSM方式的终端发送部的功率器件，可以实现实用化的异质结双极晶体管，实用价值非常高。
产业上的应用本发明可以应用在异质结双极晶体管上，特别是可以应用在便携式电话机等中使用的发送用高输出电力放大器等。
权利要求
1.一种半导体器件，是异质结双极晶体管，其特征在于具有集电极层；次集电极层；及在上述集电极层与上述次集电极层之间形成的中间集电极层；上述中间集电极层的杂质浓度比上述集电极层的杂质浓度高，而且比上述次集电极层的杂质浓度低。
2.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于上述中间集电极层的杂质浓度，在从与上述集电极层的界面到与上述次集电极层的界面的方向上变高。
3.如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于上述中间集电极层的杂质浓度，在从与上述集电极层的界面到与上述次集电极层的界面上阶梯变化。
4.如权利要求3所述的半导体器件，其特征在于上述集电极层、上述次集电极层以及上述中间集电极层分别由GaAs构成。
5.如权利要求4所述的半导体器件，其特征在于上述中间集电极层的膜厚不大于上述集电极层的膜厚的1/3。
6.如权利要求3所述的半导体器件，其特征在于上述集电极层以及上述次集电极层分别由GaAs构成；上述中间集电极层由带隙大于GaAs的半导体材料构成。
7.如权利要求6所述的半导体器件，其特征在于上述中间集电极层由InGaP或者InGaAsP构成。
8.如权利要求7所述的半导体器件，其特征在于上述中间集电极层的膜厚不大于上述集电极层的膜厚的1/3。
9.如权利要求6所述的半导体器件，其特征在于上述中间集电极层的膜厚不大于上述集电极层的膜厚的1/3。
10.如权利要求3所述的半导体器件，其特征在于上述中间集电极层的膜厚不大于上述集电极层的膜厚的1/3。
11.如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于上述集电极层、上述次集电极层以及上述中间集电极层分别由GaAs构成。
12.如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于上述集电极层以及上述次集电极层分别由GaAs构成；上述中间集电极层由带隙大于GaAs的半导体材料构成。
13.如权利要求2所述的半导体器件，其特征在于上述中间集电极层的膜厚不大于上述集电极层的膜厚的1/3。
14.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于上述集电极层、上述次集电极层以及上述中间集电极层分别由GaAs构成。
15.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于上述集电极层以及上述次集电极层分别由GaAs构成；上述中间集电极层由带隙大于GaAs的半导体材料构成。
16.如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于上述中间集电极层的膜厚不大于上述集电极层的膜厚的1/3。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种提高高输出化时的破坏耐压的半导体器件，其具有n型GaAs次集电极层(101)，在集电极层(103)与次集电极层(101)之间形成的n型GaAs中间集电极层(102)，n型GaAs集电极层(103)，p型GaAs基极层(104)，n型InGaP第2发射极层(105)，n型GaAs第1发射极层(106)，n型InGaAs发射极接触层(107)，中间集电极层(102)的杂质浓度比集电极层(103)的杂质浓度高，而且比次集电极层(101)的杂质浓度低。
文档编号H01L29/737GK1638142SQ200410097839
公开日2005年7月13日 申请日期2004年12月2日 优先权日2004年1月7日
发明者能米雅信, 田村彰良, 村山启一 申请人:松下电器产业株式会社