CN100459150C - 弹道半导体元件 - Google Patents
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Abstract
本发明的弹道半导体元件具有n型的发射极层(102)、由n型的InGaN构成的基极层(305)、n型的集电极层(307)、夹在上述发射极层(102)和上述基极层(305)之间并具有比上述基极层(305)的能带间隙大的能带间隙的发射极势垒层(103)、和夹在上述基极层(305)与上述集电极层(307)之间具有比上述基极层(305)的能带间隙大的能带间隙的集电极势垒层(306)，并在10GHz以上工作。
Description
技术领域
本发明涉及弹道半导体元件，特别是涉及热电子晶体管。
背景技术
作为利用热电子的热电子晶体管(HET)，已经提出了几种半导体元件的方案。作为第一现有技术，是由横山等提出的谐振热电子晶体管元件(RHET)(请参照Japanese Journal of Applied Physics，Vol.24，no.11，p.L853，1985)。
图11和图12是表示由横山等写的上述文献的图1和图3分别表示的元件构造和工作原理的图。在第一现有技术中，在n+-GaAs基板20上，生长300nm的AlGaAs层21后，分别生长掺杂Si的n+-GaAs层22厚度为100nm、AlGaAs势垒层23厚度为5nm、GaAs势阱层24厚度为5.6nm、AlGaAs势垒层25厚度为5nm、掺杂Si的n+-GaAs层26厚度为50nm。
该第一现有技术，因为在HET的发射极区域中具有谐振隧道构造，所以报告了在77K中的元件动作。该动作如下所示。当基极(Base)12和发射极(Emitter)14等电位时，如图12(a)所示，因为发射极内的电子能量比设置在发射极14和基极12之间的量子势阱(Quantumwell)13的量子能级(E1)低，所以在发射极中没有电流流动。
这里，当在基极-发射极之间加上电压时，如图12(b)所示，发射极的电子能量与量子势阱的量子能级一致，因此产生谐振隧道。
更详细地说，发射极的电子能量以某种分布存在宽度，但是其中只有具有与量子势阱的量子能级一致的能量的电子才会通过谐振隧道发射到基极中。因为发射出的电子具有高能量，所以几乎不受到散射地高速通过基极层(弹道(ballistic)传导)，超越基极层和集电极势垒(Collector barrier)层之间的能量势垒(qΦc)，注入到集电极势垒层。
被注入的电子在集电极势垒层中也几乎不受到散射而行进，达到集电极层。因为在上述全过程中电子几乎不受到散射，所以和与依靠散射和扩散的通常的晶体管元件比较，能够期待高速地进行动作。
但是，在第一现有技术中，存在着在室温中，动作温度受到限制，又元件增益低，动作速度也没有期待的那样高的课题。例如，在第一现有技术中，报告了在77K的动作，但是没有表现出在室温的动作和动作速度的改善。
因此，已经报告了在室温进行动作的InP系的HET(第二现有技术)(请参照IEEE Electron Device Letters，vol.14，no.9，p.441-443，September，1993)。
可是，该第二现有技术存在着它的增益比通常晶体管低，动作速度也不特别高那样的课题。
[与本发明有关的已发表文献一览表]
(1)Naoki Yokoyama et al.，“A New Functional，Resonant-Tunneling Hot Electron Transistor(RHET)”，Japanese Journalof Applied Physics Letters，Vol.24，No.11，p.p.L853-L854，(1985)”
(2)Theodore S.Moise，“Room-Temperature Operation of aResonant-Tunneling Hot-Electron Transistor Based Integrated Circuit”，IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS，VOL.14，NO.9，SEPTEMBER1993
(3)美国专利第5389798号公报(英国专利第2260858号公报、日本国平成5年专利公开第190834号公报(特别是[0045]段))
(4)日本国2002年专利公开第305204号公报
(5)佐野芳明等，“支撑下一代信息通讯的高频电力晶体管”，冲电气工业技术评论，2001年1月第185号，Vol.68，No.1，第118页到第121页(在该文献中公开了因为GaN是宽能带间隙的，所以当与GaAs和Si比较时，能够在高温(约300℃)下动作)。
发明内容
本发明就是鉴于上述课题提出的，本发明的目的是提供增益高、在宽的温度范围(80℃以上200℃以下)内高速动作的新颖的半导体元件。
而且，为了达到这些目的，本发明的含有InGaN的弹道半导体元件，具有：n型的发射极层、由n型的InGaN构成的基极层、n型的集电极层、夹在上述发射极层和上述基极层之间、具有比上述基极层的能带间隙大的能带间隙的发射极势垒层、和夹在上述基极层和上述集电极层之间，具有比上述基极层的能带间隙大的能带间隙的集电极势垒层，弹道半导体元件在10GHz以上动作。根据这种构成，可以通过提高在从发射极势垒层发射的电子中能够弹道地通过基极-集电极间的电子的比率，提高电流增益和动作速度，并且使由弹道地传导的电子的声子(phonon)产生的散射得到抑制，提高Ion/Ioff比。结果，弹道半导体元件作为开关元件或放大元件即便在10GHz以上的高频率也可以动作。
上述基极层中的In的含量优选0.1％以上5％以下。
所述发射极势垒层可以由一对势垒层和夹在二者之间的GaN或者InGaN量子势阱层构成，所述量子势阱层可以具有比所述一对势垒层更小的能带间隙。
上述集电极势垒层也可以由AlInGaN构成。
上述集电极势垒层中的In的含量优选0.1％以上5％以下。
上述集电极层也可以由InGaN构成。
上述集电极层中的In的含量优选0.1％以上5％以下。
上述集电极势垒层也可以由AlInGaN构成，上述集电极层也可以由InGaN构成。
上述基极层中的In的含量、上述集电极势垒层中的In的含量、和上述集电极层中的In的含量优选为0.1％以上5％以下。
上述发射极势垒层也可以由与上述发射极层和上述基极层中的任何一个连接的AlGaN层构成。
上述AlGaN层也可以由n型的AlGaN层和未掺杂的AlGaN层的叠层体构成。
上述n型的AlGaN层也可以与上述发射极层连接，上述未掺杂的AlGaN层也可以与上述基极层连接。
也可以具有2层以上的上述发射极势垒层，在邻接的2层的发射极势垒层之间夹着量子势阱层。
上述量子势阱层也可以由InGaN构成。这种构成，通过使透过系数的能级的半宽度增加到3倍，能够实现高速化的THz动作。
上述量子势阱层中的In的含量优选10％以上30％以下。这种构成，能够量子点状地形成In含量高的区域。
也可以在上述量子势阱层中形成量子点。这种构成，可以在宽的范围中高速动作。
优选从上述量子势阱层的厚度方向看的上述量子点的宽度1nm以上100nm以下。
本发明的上述目的、其它目的、特征和优点可以从下面参照附图对适当的实施方式进行的详细说明清楚地认识到。
附图说明
图1是表示与本发明的第一实施方式有关的弹道半导体元件的剖面构造的剖面图。
图2是表示本发明的第一实施方式中的比较例的弹道半导体元件的剖面构造的剖面图。
图3是表示发射电子的能带分布的图，(a)是表示从发射极发射的电子的能量的方向成分的模式图，(b)是表示第二现有技术中的电子能量分布的模式图，(c)是表示比较例中的电子能量分布的模式图。
图4是表示第二现有技术和比较例的能带构造的图。
图5是表示与本发明的第二实施方式有关的弹道半导体元件的剖面构造的剖面图。
图6是表示与本发明的第3实施方式有关的弹道半导体元件的剖面构造的剖面图。
图7是表示弹道半导体元件的能带构造和透过率的概念的图，(a)是表示第一实施方式的弹道半导体元件的情形的图，(b)是表示第3实施方式的弹道半导体元件的情形的图。
图8是表示量子点的图，(a)是模式地表示形成图6的弹道半导体元件的量子点的状态的平面图，(b)是(a)的VIIIB-VIIIB线剖面图。
图9是表示图6的弹道半导体元件中的发射电子的能量分布的图。
图10是表示与本发明的第4实施方式有关的弹道半导体元件的剖面构造的剖面图。
图11是表示与第一现有技术有关的弹道半导体元件的剖面构造的剖面图。
图12(a)～(c)是表示与第一现有技术有关的弹道半导体元件的动作原理的模式图。
具体实施方式
下面，我们一边参照附图一边说明本发明的实施方式。
作为构成本发明的弹道半导体元件的半导体，用由InGaN构成的3元混晶材料。又作为本发明的弹道半导体元件的基板，可以用由GaN构成的半导体基板和晶格常数与它相近的蓝宝石或硅等的基板，也可以使用绝缘性基板等。下面，我们举出具体的例子进行说明。
(第一实施方式)
在本发明的第一实施方式中，与现有技术比较，能够提供制作容易并且在宽的温度范围中高速动作的新颖的弹道半导体元件。
图1是表示本实施方式的弹道半导体元件的剖面构造的一个例子的剖面图。本实施方式的弹道半导体元件是RHET。该弹道半导体元件具有蓝宝石基板100。在蓝宝石基板100上，依次形成低温GaN缓冲层(膜厚d＝100nm)101、n型GaN发射极层(载流子浓度n＝1018cm-3、d＝1μm)102、未掺杂AlN势垒层103a、未掺杂GaN量子势阱层109、未掺杂AlN势垒层103b、未掺杂GaN间隔层104、n型InGaN基极层(n＝1018cm-3)305、未掺杂AlInGaN集电极势垒层306、n型InGaN集电极层(n＝1018cm-3、d＝0.5μm)307、和高浓度n型GaN集电极接触层(n＝5×1018cm-3、d＝0.5μm)108。此外，在本发明中，因为需要从发射极层102发射的电子到达集电极层307，所以发射极层102、基极层305和集电极层307中的任何一个都被掺杂成n型。从而，本发明，不是所谓的双极晶体管，而是单极晶体管。此外，当明确地区别未掺杂AlN势垒层103a、103b时，称为未掺杂第一AlN势垒层103a和未掺杂第二AlN势垒层103b。
这里，GaN量子势阱层109在上下方向(厚度方向)被夹在一对AlN势垒层103a、103b中，由该GaN量子势阱层109和一对AlN势垒层103a、103b形成谐振隧道构造。又，往基极层305、集电极势垒层306和集电极层307的In添加量优选大于等于0.1％和小于等于5％，更优选约为2％。关于它的理由和In添加的效果在后面进行详细说明。
又，发射极层102、一对AlN势垒层103a、103b和GaN量子势阱层109构成发射极，InGaN基极层305构成基极，并且集电极势垒层306和InGaN集电极层构成集电极。
在集电极接触层108上，设置集电极110，使基极层305和发射极层102露出一部分，分别设置基极111和发射极112。进一步，在位于处在基极层305和发射极层102之间的各层的、基极层305露出的区域下方的部分形成高电阻区域113。能够通过离子注入或从台面形状的侧面的选择刻蚀或选择氧化等设置高电阻区域113。
AlN势垒层103a、103b的膜厚为1.5nm，GaN量子势阱层109的膜厚为2.5nm。
又，在本实施方式中基极层305和集电极势垒层306的膜厚都是50nm。
下面，我们说明以上那样构成的弹道半导体元件的制作方法。
首先，通过用MOVPE法完成下列步骤，制作GaN基板。
即，在以(0001)面为主面的蓝宝石基板100上在530℃生长低温GaN缓冲层101厚度为100nm，此后，温度上升到1050℃生长未掺杂GaN层厚度为2μm，此后，通过掺杂Si生长n型GaN发射极层102厚度为1μm。这样就制作了GaN基板。设生长速度为0.5μm/h，使表面状态形成细微的波状。此外，代替该GaN基板，如后所述，也可以用在GaAs基板等上生长GaN层后，除去该GaAs基板，制作由上述GaN层构成的GaN基板200，进一步在该GaN基板200上生长由AlGaN和GaN的超晶格结构构成的缺陷减少层201和未掺杂GaN层的基板(请参照图5)。
下面，将上述GaN基板导入装备了RF氮等离子体源的MBE装置中，进行HET用混晶的外延生长。III族元素和Si都作为固体源来供给。氮原子通过用RF氮等离子体单元使氮气分裂来供给。等离子体的输出为350W，供给3ccm到20ccm的氮。GaN、AlN的生长温度为720℃。
具体地说，在950℃的氮气中对GaN基板进行退火，提高表面平坦性后，将n型GaN发射极层102生长厚度1μm，使总厚度达到2μm。
继续进行，连续生长未掺杂第一AlN势垒层103a、未掺杂GaN量子势阱层109、未掺杂第二AlN势垒层103b、未掺杂GaN间隔层104、n型InGaN基极层(n＝1018cm-3)305、未掺杂AlInGaN集电极势垒层306、n型InGaN集电极层(n＝1018cm-3、d＝0.5μm)307、和高浓度n型GaN集电极接触层(n＝5×1018cm-3、d＝0.5μm)108。当生长GaN层和InGaN层时，同时供给Ga、In和N等。生长速度为1μm/h。当生长AlN层时，因为变形大会引起3维生长，所以一边在时间上分开分别供给Al和氮原子一边进行生长。生长速度为0.2μm/h。
下面，我们说明晶体管构造的形成方法。
首先，在基极形成步骤中，通过氯系干刻蚀从n型InGaN集电极层307到n型InGaN基极层305，刻蚀出边长为25μm的正方形，其次，在高电阻化步骤中，将Ar或高浓度Si注入位于基极层305下方的区域，形成高电阻区域113。
此后，在第一电极形成步骤中，用氧化膜和抗蚀剂的剥离法在高浓度n型GaN集电极接触层108上和经过刻蚀的n型InGaN基极层305的表面上用EB法蒸镀Ti/Al电极，分别形成集电极110和发射极111。接着，在发射极形成步骤中，用绝缘膜保护发射极区域和基极区域，通过氯系干刻蚀直到n型GaN发射极层102，刻蚀除去得到边长为50μm的正方形，此后，在第二电极形成步骤中，用氧化膜和抗蚀剂的剥离法在n型GaN发射极层102表面上用EB法蒸镀Ti/Al电极形成发射极112。其次，在元件分离步骤中，用绝缘膜覆盖整个元件，进行刻蚀除去直到GaN基板100(或蓝宝石基板)。这样，形成了晶体管构造。
下面，为了说明本发明的弹道半导体元件的动作，首先以第二现有技术为例说明由现有技术制作的元件在室温下不动作的原因。
在第二现有技术中如上所述，存在着元件增益低，动作速度也没有所期待的那样高的课题，但是我们究明了其主要原因在于发射极发射的电子能量分布。
为了说明该原因，作为比较例，制作由用GaN的RHET构成的弹道半导体元件。
图2是表示该比较例的构成的剖面图。如图2所示，该比较例与基极层105由n型GaN层构成，集电极势垒层106由未掺杂AlGaN层构成，并且集电极层107由n型GaN层构成，其它构成与图1所示的本实施方式的弹道半导体元件相同。
又，第二现有技术具有在InP基板上形成的In0.53Ga0.47As基极层和In0.1Ga0.9P集电极势垒层。下面，我们将该第二现有技术的材料构成称为InP系。
如图3(a)所示，一般在RHET(这里取比较例为例)中，发射极和基极之间的谐振隧道条件是电子能量的z方向成分(这里设与量子势阱层109垂直的方向为z方向)与量子势阱层109的量子能级(E1)大致一致。即，通过量子势阱层109的电子能量，尽管其z方向成分都大致与E1一致，但是当包含x方向和y方向的能量成分时，如E2所示没有限制。结果，电子的总能量(x成分、y成分、z成分之和)具有与热能和发射极-基极间的电压对应的分布。在低温时，因为能量分布的宽度小，所以x方向和y方向的能量也一致，但是随着温度上升两者的分布如图3(b)中标号403所示而变宽。
图3(b)表示在第二现有技术的RHET中，在室温从量子势阱层放出到基极层中的电子能量分布。这里，低能量区域(左侧斜线部分)401表示因为电子能量低，所以速度慢在基极305中和集电极势垒层306中受到散射的区域。又，高能量区域(右侧斜线部分)402表示因为电子能量高，所以电子受到由半导体中的Γ-L谷间迁移引起的散射导致低速化的区域。从而，只有具有在低能量区域401以上并且在高能量区域402以下的能量状态的电子能够进行弹道传导。
低能量区域401和高能量区域402中的无论哪个都与元件构造和半导体材料有关。当估计第二现有技术的RHET时，如图3(b)所示，要使进行弹道传导的电子密度最大，则需要使从量子势阱层发射的电子能量分布403的峰值能量大致为0.5eV的程度。结果，电子能量分布403，如实线所示，在低能量区域401和高能量区域402双方的内部也存在宽度。
这是因为电子能量分布403由于热等的影响成为扩展的形状的缘故。当使量子能级的能量降低时，能够减少高能量区域402的成分，但是相反地低能量区域401的成分则增大。结果，即便在最佳状态，全部电子能量分布中约60％分布在低能量区域401或高能量区域402中，实际上能够高速地通过基极-集电极之间的电子的比率只有40％左右。
又，当在高频动作中对基极-发射极间的电压进行调制时，放出电子量是变化的，但是由于电子能量分布的扩展，它的增减会变得缓慢的。这时，电子能量分布的形状是变化的，但是进一步由于伴随着基极-发射极间的电压变化的量子能级的变化，所分布的峰值位置也发生变动。结果，在调制动作的全区域中将放出电子能量的高峰保持在可以高速行进的能量区域中变得极其困难，高速行进的电子比率进一步降低。当低速电子数比能够高速行进的电子数多时，作为元件整体，反映出低速电子的延迟时间，它的响应速度变慢。
又，当由低速行进的电子产生散射时，因为周围的电子温度和晶格温度上升，所以有电子散射概率进一步增加的问题。又，受到散射电子的一部分不仅速度变慢行进时间加长，而且因为失去能量而不能够越过基极-集电极势垒层之间的势垒。结果，基极电流增加，集电极电流与基极电流之比，即电流增益也降低了。
另一方面，在比较例中，通过使用GaN系半导体材料，如图3(c)所示，能够使低能量区域401和高能量区域402的能量间隔增大。因为在氮化物系半导体中作为电子流动方向的Z方向成为六方晶情形的C轴方向，所以在对称表记上成为A方向。这时的Γ点的传导带能量和A点的传导带能量之差为2eV，成为第二现有技术的InP系情形的0.55eV的4倍左右。结果，在高能量区域内部不存在电子。
进一步，可以使电子能量分布的峰值从0.5eV增加到0.6eV，在低能量区域401内部也不存在电子。从这些结果可见，当电子能量分布的峰值为0.5eV时，能够弹道地通过基极-集电极间的电子的比率提高到约80％。为了使电子能量分布的峰值从0.5eV增加到0.6eV，需要使量子势阱层109的膜厚从3nm变薄到2.5nm。结果，我们看到存在于低能量区域401内部的电子的密度降低，能够弹道地通过基极-集电极间的电子的比率提高到约95％。
进一步，我们看到通过使量子势阱层109的厚度变薄到2nm，电子能量分布的峰值成为0.8eV，能够通过基极-集电极间的电子的比率提高到约99％。但是，因为随着量子势阱层109的膜厚变薄，晶体生长时的膜厚控制性降低，所以比较例(本实施方式的RHET也一样)取量子势阱层109的膜厚为2.5nm。
又，图4是表示GaN和InGaAs的能带构造的图。在图4中，分别地，横轴表示K空间，纵轴表示能量。又，标号211表示构成第二现有技术的基极层的InGaAs的能带构造，标号212表示构成比较例的基极层的GaN的能带构造。如上所述，我们看到因为在GaN中的Γ点和A点的能量差ΔEΓA比在InGaAs中的Γ点和L点的能量差ΔEΓL大得多，所以在比较例中，能够弹道地通过基极-集电极间的电子的比率与第二现有技术比较提高了，因此提高了电流增益和动作速度。
但是，本专利发明者研讨的结果判明以往称为不受声子散射的、弹道地传导的电子受到声子散射，特别是在GaN中，这种现象很显著。即，我们已经判明在InGaAs中，因为上述Γ-L谷间迁移对元件的动作速度的影响很显著，所以声子散射的影响变得不显著了，但是在GaN中，因为Γ-A谷间迁移对元件的动作速度几乎没有影响，所以声子散射的影响就变得显著，并且从材料上来说在GaN中电子容易受到声子散射的影响。这里，所谓声子散射指的是当电子在物质中移动时，通过与该物质的晶格振动发生谐振引起散射的现象。
在图4中，当电子具有某个能量(以下，称为声子散射能量)EP以上的能量时发生声子散射。在GaN中，该声子散射能量EP约为0.3V。从而，如参照图3(c)可以看到的那样，在GaN中，尽管能够弹道地通过基极-集电极间的电子的比率与第二现有技术比较提高了，但是该弹道传导的电子受到声子散射。在图2中，因为当在基极层105弹道传导的电子受到散射时，电子能量降低，不能够到达集电极层107，所以成为基极电流，Ioff值增大。结果，降低了Ion/Ioff比。Ion为电流开始流动形成峰值时的值，Ioff为形成峰值后电流值降低时的最低值。因此，在GaN系的弹道半导体元件中，为了不产生这种散射，也可以考虑将基极层的厚度(约50nm)减薄到10分之1左右(约5nm)。但是，当减薄由GaN构成的基极层时，与其相伴基极电阻成反比地上升，基极电阻显著(具体地说10倍以上)地增大。结果，本发明者们发现存在着作为开关元件或放大元件不能够进行高速动作(最大也只有2～3GHz)这样的课题。
因此，为了解决该课题，本发明者们进行了锐意的思考，结果发现如果由InGaN构成基极层305，则即便在GaN系的弹道半导体元件中，作为开关元件或放大元件也能够在10GHz以上的高频进行动作，从而完成了本发明。
这里，半导体元件在10GHz以上动作，意味着在将发射极层接地的情形(发射极接地)中在基极层中流动的电流或加在基极层上的电压的至少一方为10GHz以上的交流，或者在将基极层接地的情形(基极接地)中在发射极层中流动的电流或加在发射极层上的电压的至少一方为10GHz以上的交流。此外，上限在10THz以下。
这样的构成，根据下列的理由能够抑制由声子引起的电子散射，结果，提高了Ion/Ioff比。
即，当在GaN或AlGaN中添加In时，因为存在In的部分的晶格间隔变小，而且In容易偏析，所以晶格间隔小的部分不均匀地分布在大块GaN或AlGaN中。结果，大块的声子振动模式不是1个并且其分布也是不均匀的，电子难以与大块声子谐振，从而能够抑制电子散射。这里，当In的添加量(浓度)不到0.1％时，添加In的效果会有不充分的倾向，当In的添加量超过5.0％时，由于In的浓度局部地变动，反而会有电子的散射增大的倾向。从而，优选In的添加量0.1％以上5.0％以下，更优选约为2％。此外，即便添加In，也能够与比较例同样产生提高电流增益和动作速度的效果，这是不言而喻的。
又，伴随着基极层305由InGaN构成，集电极势垒层306和集电极层307优选由未掺杂AlInGaN层和n型InGaN集电极层构成。根据与上述相同的理由，包含在集电极势垒层306和集电极层307中的In量优选0.1％以上5.0％以下。
如以上说明的那样，在本实施方式的弹道半导体元件中，因为基极层305由包含0.1％以上5.0％以下的In的n型InGaN层构成，所以在从发射极放出的电子中，能够弹道地通过基极-集电极间的电子的比率提高，提高了电流增益和动作速度，并且通过抑制弹道地传导的电子的由声子产生的散射，提高了Ion/Ioff比。
此外，作为本发明的弹道半导体元件的开关元件的动作大致与第一现有技术的动作相同。即，当基极层305和发射极层102等电位时，因为发射极层102内的电子能量比设置在一对AlN势垒层103a、103b之间的GaN量子势阱层109的量子能级(E1)低，所以电子不进行从发射极层102到基极层305的移动。从而，当基极层305和发射极层102等电位时，成为“断开状态”。
当在基极层305和发射极层102之间施加电压时，发射极层102的电子能量与GaN量子势阱层109的量子能级一致，因此产生谐振隧道。即，在以某种分布并有宽度的发射极层102的电子中，只有具有与GaN量子势阱层109的量子能级一致的能量的电子才会通过谐振隧道放出到基极层305。因为放出的电子具有高能量，所以几乎不受到散射地高速通过基极层305内部(弹道传导)，超过基极层305和集电极势垒层306之间的能量势垒(qΦc)，注入到集电极层307。从而，当在基极层305和发射极层102之间施加电压时，成为“接通状态”。
即便在集电极势垒层307的内部电子也几乎不受到散射地行进，到达集电极层307。因为在以上的全过程中电子几乎不受到散射，所以和与散射和扩散有关的通常的晶体管元件比较，能够高速地进行动作。
(第二实施方式)
在本发明的第二实施方式中，表示了在GaN基板上先形成集电极层307的例子。在第一实施方式中，因为需要构成谐振隧道构造的势垒层103a、103b和量子势阱层109的膜厚具有均匀性和平坦性，所以在GaN基板上先形成谐振隧道构造，但是为了减少寄生电容等，优选使发射极的尺寸小。
因此，在本实施方式中，在GaN基板上先形成集电极。
图5是表示与本实施方式有关的弹道半导体元件的剖面构造的剖面图。在图5中，与图1相同的标号表示相同或相当的部分。
如图5所示，在本实施方式的弹道半导体元件中，在GaN基板200上顺次地形成由AlGaN/GaN超晶格产生的缺陷抑制层201、n型InGaN集电极层307、未掺杂AlInGaN集电极势垒层306、n型InGaN基极层305、未掺杂GaN间隔层104、未掺杂AlN势垒层103b、未掺杂GaN量子势阱层109、未掺杂AlN势垒层103a、n型GaN发射极层102、高浓度n型GaN发射极接触层(n＝5×1018cm-3、d＝0.5μm)208。
这里，GaN量子势阱层109在上下方向(厚度方向)被夹在一对AlN势垒层103a、103b中，由该GaN量子势阱层109和一对AlN势垒层103a、103b形成谐振隧道构造。
又，在发射极层102上设置发射极112，在基极层305和集电极接触层108上露出它的一部分，分别设置基极111和集电极110。膜厚和载流子浓度与第一实施方式相同。
下面，我们说明以上那样构成的本实施方式的弹道半导体元件的制作方法。
首先，在GaAs基板等上生长GaN层后，除去该GaAs基板，制作由上述GaN层构成的GaN基板200。其次，用MOVPE法在该GaN基板200上顺次地形成缺陷减少层201、未掺杂GaN层和n型InGaN集电极层307。具体地说，在1050℃以30个周期生长膜厚分别为10nm的AlGaN和GaN的超晶格构造，形成缺陷减少层201，在它上面生长未掺杂InGaN层2μm，此后，掺杂Si生长n型InGaN集电极层3071μm。生长速度用0.5μm/h，表面状态形成微波状。
将形成了这些各个层的GaN基板200导入装备了RF氮等离子体源的MBE装置中，进行HET用混晶的外延生长。生长条件和顺序与第一实施方式相同。在950℃的氮气环境中对GaN基板进行退火，提高表面平坦性后，生长n型InGaN集电极层3071μm，总厚度达到2μm。继续进行，连续生长未掺杂AlInGaN集电极势垒层306、n型InGaN基极层305、未掺杂GaN间隔层104、未掺杂AlN势垒层103b、未掺杂GaN量子势阱层109、未掺杂AlN势垒层103a、n型GaN发射极层102、高浓度n型GaN发射极接触层208。MBE法的生长条件也与第一实施方式相同。
下面，我们说明晶体管构造的形成方法。
首先，在基极形成步骤中，通过氯系干刻蚀从高浓度n型GaN发射极接触层208到n型InGaN基极层305进行刻蚀除去，得到边长为25μm的正方形。此后，在第一电极形成步骤中，用氧化膜和抗蚀剂的剥离法在发射极接触层208上和经过刻蚀的n型InGaN基极层305的表面上用EB法蒸镀Ti/Al电极形成发射极112和基极111。接着，在集电极形成步骤中，用绝缘膜保护发射极区域和基极区域，通过氯系干刻蚀直到n型GaN集电极层307进行刻蚀除去，得到边长为50μm的正方形。此后，在第二电极形成步骤中，用氧化膜和抗蚀剂的剥离法在集电极层307表面上用EB法蒸镀Ti/Al电极形成集电极110。接着，在元件分离步骤中，用绝缘膜覆盖整个弹道半导体元件，直到GaN基板200进行刻蚀除去。通过这样做，形成了晶体管构造。
在本实施方式中，为了提高势垒层103和量子势阱层109的膜厚均匀性和平坦性，使晶体生长速度降低到通常的80％左右，并且使生长温度比通常的温度上升20℃左右，增大原子的迁移进行生长。结果，我们看到通过减少发射极的寄生电容使元件的动作速度提高20％左右。
(第3实施方式)
在本发明的第3实施方式中，与第一第二实施方式比较，能够提供实现更大放大率的新颖的弹道半导体元件。
图6是表示与本实施方式有关的弹道半导体元件的剖面构造的剖面图。在图6中，与图5相同的标号表示相同或相当的部分。
如图6所示，在第二实施方式中，量子势阱层109由未掺杂GaN层构成，但是在本实施方式中，量子势阱层209由未掺杂InGaN层构成。其它方面与第二实施方式相同。
在未掺杂InGaN量子势阱层209中，In的组成比(含量)10％以上30％以下。一边同时供给In、Ga和氮气一边生长InGaN量子势阱层209。生长速度为0.1μm/h，降低到通常的GaN层的生长速度的1/10左右。当In组成比为10％时，使生长温度与AlN势垒层103相同，能够在720℃进行生长，但是当In组成比为30％时，为了抑制In的再蒸发使生长温度降低到620℃。当In组成比为10％以下时，In组成比得不到充分的改变，得不到后述的量子点效应。又，当In组成比为30％以上时，晶格的不匹配率增大，InGaN量子势阱层209的平坦性显著恶化。从而，我们认识到In组成比最好在10％以上30％以下的范围内。
当用InGaN层构成量子势阱层209时，能够得到下面所示的3个效果。
第一，为了减小能带间隙，可以使量子势阱层209变薄，因为提高了第一能级，所以通过增加透过概率，增大动作速度。第二，因为使量子势阱层209变薄，结果提高了第二能级，所以减少了无效电流。第三，当In组成比增加到30％左右时，由于组成不均匀形成In组成比高的区域，产生量子点效应，不仅减少Γ-A迁移而且减少低能量侧的损失，所以提高了动作速度。而且，也能够实现低电压化。
首先，我们用图7(a)、(b)说明第一效果。
图7(a)表示用GaN层构成量子势阱层的情形，图7(b)表示用InGaN层构成量子势阱层的情形。传导带能量，当添加10％的In时降低约0.3eV，当添加30％的In时降低约0.6eV。这时，为了使低能量侧的损失极小，优选使电子分布的峰值为0.6eV，因此，优选使InGaN量子势阱层209的膜厚Lz分别为1.8nm和1.6nm。
这样，通过使InGaN量子势阱层209变薄，例如当In为10％和30％时，基底状态E0和第一能级E1的能量差ΔE1，在各自的膜厚，分别从0.3eV增加到0.6eV和从0.3eV增加到0.9eV。我们看到这时的电子透过率的能量宽度ΔEn从0.4meV增加到1.2meV，根据测不准原理电子滞在时间为0.6ps，可以进行1.7THz的动作。实际上，由于寄生电容的影响构成电路的器件具有1THz左右的动作速度。
下面，我们说明第二效果。因为基底状态E0和第二能级E2的能量差ΔE2为ΔE1的4倍，所以随着使InGaN量子势阱层209变薄，ΔE1和ΔE2增加。结果，使第二能级E2在AlN势垒层103a、103b和InGaN量子势阱层209的传导带能量间隙以上，不存在于InGaN量子势阱层209内，在InGaN量子势阱层209的情形中可以使ΔE1约为0.5eV，使InGaN量子势阱层209的宽度为2nm。又，我们认识到当添加In以使组成比为10％和30％时，分别地，ΔE1可以为0.6eV和0.7eV，在第一效果中表示的In组成比无论是10％和30％中的某一个时都满足该条件。
从而，我们认识到当使量子势阱层209的膜厚为2nm以下时，因为与In的组成比无关，在使InGaN量子势阱层209内不形成第二能级，所以就不存在无效电流。特别是，因为通过添加In，第二能级的能级比AlN势垒层103a、103b的能量大，所以能够更稳定地从第一能级的InGaN量子势阱层209放出电子。
下面，我们说明第3效果。通过添加10％以上的In，开始发生In的偏析，通过添加30％的In以约20％体积密度将In组成比高的区域作为量子点，开始形成InGaN量子势阱层209。从这时的InGaN量子势阱层209的厚度方向看的区域的宽度(这里因为区域如后所述为圆筒形所以是它的直径)约为1nm到10nm。该区域，因为In组成比高，所以与周边比较能量状态降低。
图8是表示量子点的图，(a)是模式地表示形成图6的弹道半导体元件的量子点的状态的平面图，(b)是(a)的VIIIB-VIIIB线剖面图。
如图8(a)、(b)所示，这里，在InGaN量子势阱层209中形成In组成比比InGaN量子势阱层209高的圆筒形区域(量子点)501。从而，该区域(量子点)501的能带间隙也比InGaN量子势阱层209小。该圆筒形区域501使其在InGaN量子势阱层209的厚度方向延伸而形成的。而且，当在AlN势垒层(发射极)103a和基极层305之间施加电压时，第一AlN势垒层103a中的电子首先与能量低的量子点501的量子能级一致，根据谐振隧道效应通过第二AlN势垒层103b放出到基极层305。从而，电子放出方向就被集中到与各层垂直的方向(厚度方向)上来。又进一步，在量子点状态中，因为电子能量分布不受到费米分布的影响，所以电子具有非常窄的能量状态并且形成以高密度放出电子的状态。
结果，弹道地传导的电子的能量状态变得更陡急。图9是表示在GaN量子势阱层情形和In组成比为30％的InGaN量子势阱层的情形中的电子能量分布的图。如图9所示，In组成比为30％的InGaN量子势阱层209情形的电子能量分布405，与GaN量子势阱层109情形的电子能量分布403比较，为更陡急的分布。结果，我们认识到能够实现即便动作温度高到60℃电子能量分布也难以变宽的热电子晶体管。
如以上说明的那样，我们认识到通过用本实施形态的构成，与现有技术比较，能够提供制作容易并且在宽温度范围中高速动作的新颖弹道半导体元件。
又在本实施方式中，表示了由InGaN构成量子势阱层209，由AlN构成势垒层的例子，但是只要量子势阱层209的能带间隙比势垒层103小，也可用将对电荷的能量高度不同的材料组合起来的其它材料。
(第4实施方式)
图10是表示与本发明的第4实施方式有关的弹道半导体元件的剖面构造的剖面图。在图10中，与图5相同的标号表示相同或相当的部分。
如图10所示，与本实施方式有关的弹道半导体元件，在发射极中没有谐振隧道构造，代替它的是具有n型AlGaN发射极势垒层121(厚度d＝10nm，Al的含量n 5％以上10％以下)和未掺杂AlGaN发射极势垒层122(厚度d＝10nm，Al的含量n5％以上10％以下)。又，弹道半导体元件形成在蓝宝石基板100上。其它构成与第二实施方式相同。形成这种构成，超过发射极势垒层121、122的能量势垒的电子从发射极121、122放出到基极层305。其它动作与第二实施方式相同。从而，能够得到与第二实施方式同样的效果。
对于本领域的技术人员来说，从上述说明可以明白本发明的许多改良和其它实施方式。从而，上述说明只应理解为是作为例示的，是为了向本领域的技术人员演示实施本发明的最佳实施方式而提供的。在不脱离本发明精神的范围内，可以实质地变更本发明的构造和/或功能的详细内容。
产业上利用的可能性
本发明的弹道半导体元件作为可以高速动作的晶体管是有用的。
Claims (13)
1.一种含有InGaN的弹道半导体元件，其特征在于：具有
n型的发射极层；
由n型的InGaN构成的基极层；
n型的集电极层；
夹在所述发射极层和所述基极层之间、具有比所述基极层的能带间隙大的能带间隙的发射极势垒层；和
夹在所述基极层和所述集电极层之间、具有比所述基极层的能带间隙大的能带间隙的集电极势垒层，
所述基极层中的In的含量为0.1％以上5％以下，
所述发射极势垒层由一对势垒层和夹在二者之间的GaN或者InGaN量子势阱层构成，所述量子势阱层具有比所述一对势垒层更小的能带间隙；
所述弹道半导体元件在频率10GHz以上工作。
2.根据权利要求1所述的弹道半导体元件，其特征在于：所述集电极势垒层由AlInGaN构成。
3.根据权利要求2所述的弹道半导体元件，其特征在于：所述集电极势垒层中的In的含量为0.1％以上5％以下。
4.根据权利要求1所述的弹道半导体元件，其特征在于：所述集电极层由InGaN构成。
5.根据权利要求4所述的弹道半导体元件，其特征在于：所述集电极层中的In的含量为0.1％以上5％以下。
6.根据权利要求1所述的弹道半导体元件，其特征在于：
所述集电极势垒层由AlInGaN构成；
所述集电极层由InGaN构成。
7.根据权利要求6所述的弹道半导体元件，其特征在于：所述集电极势垒层中的In的含量和所述集电极层中的In的含量为0.1％以上5％以下。
8.根据权利要求1所述的弹道半导体元件，其特征在于：所述量子势阱层由InGaN构成。
9.根据权利要求8所述的弹道半导体元件，其特征在于：所述量子势阱层中的In的含量为10％以上30％以下。
10.根据权利要求9所述的弹道半导体元件，其特征在于：在所述量子势阱层中形成能带间隙比所述量子势阱层小的量子点。
11.根据权利要求10所述的弹道半导体元件，其特征在于：从所述量子势阱层的厚度方向看的所述量子点的宽度为1nm以上100nm以下。
12.一种含有InGaN的弹道半导体元件，其特征在于：具有
n型的发射极层；
由n型的InGaN构成的基极层；
n型的集电极层；
夹在所述发射极层和所述基极层之间、具有比所述基极层的能带间隙大的能带间隙的发射极势垒层；和
夹在所述基极层和所述集电极层之间、具有比所述基极层的能带间隙大的能带间隙的集电极势垒层，
所述基极层中的In的含量为0.1％以上5％以下，
所述发射极势垒层由n型的AlGaN层和未掺杂的AlGaN层的叠层体构成；
所述n型的AlGaN层和所述未掺杂AlGaN层的铝的含量各自为5％以上10％以下；
所述弹道半导体元件在频率10GHz以上工作。
13.根据权利要求12所述的弹道半导体元件，其特征在于：所述n型的AlGaN层与所述发射极层连接，所述未掺杂的AlGaN层与所述基极层连接。
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