博 士 （ 理 学 ） 山 幡 章 司
学 位 論 文 題 名
Study of lon‑lmplantations into AIxGal̲xAs and lts Applications to Heterojunction Bipolar Transistors
（Al エGai̲ エAs 中へのイオン注入及びへテロ接合 バイポーラトランジスタへの応用に関する研究）
学位論文内容の要旨
近年、マイクロ波帯超高速デイジタル、広帯域アナログ回路への応用を目的に、mーV族化合物半導体を用 いたへテロ構造電子デバイスの研究開発が盛んに行われている。特に、AlエGai.xAs/GaAsヘテロ構造は、GaAs 基板に格子定数を整合させたままAlエGaーAsのAl組成xを自由に設計できるため、応用範囲が広〈最も研究 が進展している。この触GaAs／GaAsの利点を有効に活かした超高速電子デバイスとして、ヘテロ接合バイボー ラトランジス夕（HBT）が注目されている。HBTは、エミッタ、ベース、コレクタがエピタキシャル成 長により順次積層された薄膜縦型構造を取るため、デバイス構造、製作プロセスの多様性に優れている。
HBTの高速化を図る場合、トランジスタ動作するアクテイブ領域以外の寄生部分の容量、特に、ベース ーコレク夕間の接合容量（CBc）が阻害要因になる。従来のHBT構造は製作の容易さから最上層がエミッ タとなるエミッタアップ構造が主tオKあったが、CBc低減には構造上限界があった。本研究では、CBc低 減に有利なHBTの新しい構造であるコレクタアップ型（C―up、コレクタが最上層、エミッタが最下層）
を実現し、その特性の優位性をァピールすることを目的とする。C―up構造ではトランジスタ動作させる ために外部エミッタ／ベース接合領域（アクテイブ領域の外側）中に電流注入を抑制するバリア領域を形成 する必要がある。
本研究では、このバルア領域をイオン注入を用いた2つの新しい方法で形成した。一っはp形ドーバント のBeをn形Alエくぬl．xAsエミッタ中にイオン注入しp−n接合を形成する方法であり、もうーっは不活性元素 である酸素のイオン注入によりn形Alエ＆l・xAs中に高抵抗バリア領域を形成する方法である。p―n接合が 有効なバリアとなるためには再結合電流の少ない高品質な接合特性を実現する必要がある。そのためにまず 初めにイオン注入したBeのAlエ＆hAs層中での基本的な挙動を把握することが重要である。これまでBeイオ ン注入に関してはGaAsでは報告例は多いがAlエGa｜Asでの本格的な検証は本研究が初めてであり、電気的活 性化率のアニール温度依存性、Al組成依存性（組成xは0からO．3まで）をホール測定により調べた。Gぬs中 にイオン 注入し た段は400℃の低温アニールで活性化し始め、450℃で活性化率はほぽ100囁に飽和し てしまう。一方、AlエくぬhAsでは、Gnsと較べ活性化率は低く、アニール温度の上昇と共に徐々に増加する。
また、一定のアニール温度では、Al組衷が高い程活性化率は低い。イオン注入により損傷を与えられた AlエGahAs中の結晶品質を評価するため、室温フォトルミネッセンス（PL1測定を行いバンド間遷移に基 づくPL強度のアニール温度依存性を調べた。その結果、Al組成によらず400℃から光学的に活性化が始 まり、アニール温度が上昇するに伴い徐々に活性化が進み、900℃でビークとなる。イオン注入で導入さ れた放射損傷の回復には高いアニ―ル温度が要ることがわかった。
2次イオン質量分析法及び繰り返しホール測定からAlエGalAs中に注入した＆原子及び正孔濃度の分布を
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求め た。Al組成 が高い程高温アニールでの 拡散が顕著になり、Si0．表 面保護膜と半導体の界面上に 多量のBe がパ イル ア ップ し堆 積す る こと が観 察さ れた 。 これ ら実験結果から、AlエGalAs中Beの電気的活性 化率が低 い原 因は 、Be原 子自 身が 高 温アニール後半 導体表面から抜け出ること に起因している。イオン注入 された半 導体 領域 は 高密 度欠 陥領 域 が連続的に重ね 合わさったアモルフんス状 態であり、活性化アニールに より再成 長し 結晶 性 が回 復す ると 同 時にBeがm族 サイ ト(Ga、AI)に置 き換 わる こと に よル アク セブ タに な る。 しか しイ オン注入さ れたAlエGallxAs中ではGaAs中に較べてAlIAs結合及びGaI舳結合の回復により高いア ニール温 度が 必要 で あり 、低 温ア ニ ール では 容易 に結 晶 性が 回復しないためBeはm族サイトに置き換われず 活性化率 は向 上し な い。 結局 、AトAs結合及びGかAs結合が回復するのに充分な 高温アニールが与えられると 、格子間 に位 避す る 大部 分のBeは 著 しい熱拡散によ り半導体表面にまで達し界 面で堆積する。表面保護摸を 除去して ホ ー ル 測 定 は 行 わ れ る の で 表 面 に 堆 積 し たBeは 活 性 化 に は カ ウ ン ト さ れ な い こ と に な る 。 AlエGaIIxAs中Beの 拡散を抑；51Jし活性化率の改善を図るために、BeとP及びBeとAsの二重イオン注入（段の後 にPある いはAsの イ オン 注入 ）を 行っ た 。そ の結 果、 高温アニールに おいてBeの拡散が抑制きれ、Be単独注 入の2倍 程度 の高 い 活性 化率 が得 られ た ：こ れは 、m族元素とV族元素 のストイキオメトりを制御し た効果、
すな わちAlエGal．薑As中のAs空孔濃度がイ オン注入されたV族元素（P、As1により低減されm隻号イ トの空孔 濃度 が増 し たた め、 結晶 性 が回 復す るに 充分 な 高温 アニールが与えら れれば格子間に位置すそ隆 がm族寸イ トに入り易くなった ためである。
更 に高品質なp−n接合を形成できるかど うかを調べるため、n型AlエGalIxAs（x印、0．3）に＆イ オン注入 でp．n接 合 を形 成し 、ダ イ オードの電流． 電圧特性をアニール温度を バラメータにして評価1ーた ；n値は、
（〕ns、A10．3Ga0．7Asとも最小で1．8であり、イオン注入法で形成したpーn接合はAl組成に依らず再詰合電流が かな り支配的で あることがわかった。この 最小値を与えるアニール温度 はGaAsで600℃かろAlい（弧 ，っAsで 650℃か らと 大差 が なく 、接 合特 性； ま 注入 したBeの 活性化よりもむ しろアモルフんス状態から回 復する結 晶品質を反映してい る傾向がある。
次に、もうーつの 外部Alエ（弧lIxAsエミッタ中に高抵抗バリア領域を形成する方法である酸素イオン注入につ いて 本研 究 で初 めてAlGaAa/Gぬsダイ オ ード を用 いて 評価し、高抵抗 領域形成をアニール温麦、注 入ドーズ 量をパラメータにし て調べた。そして、最適化さ れた条件で酸素イオン注入 を行い形成したバリア領域はりー ク電 流が 極 めて 少な い良 好 な高抵抗性を示 し、外部べース層を亜鉛拡 散で高濃度化する技術と舎わ せて高電 流密度で動作できる コレクタアップ構造HBTを作 製することに初めて成功した 。
更 に 、 コ レ ク タ ア ッ プ 構造HBTの 利 点（ 低CBc） を活 かす には 、 素子 寸法 の微 細 化が 要求 され る。 イ オ ン注 入時 の 損傷 及び アニ ー ルに よる べ― スド ー バン ト自身の拡散を抑 制するため拡散係数の小さ いCをべー ス ド ー バ ン ト に 用 い て 、 コ レ ク タ 寸 法2umx2斗mの 極 微 細HBTを 製 作 し 、l00GHzを 越 え る 優 れ た 高周 波特 性 が得 られ た。 加 えて、電流利得 のコレクタサイズ依存性を 検討し、コレクタメ号扇りの べース再 結合電流が電流利得 の低下に起因していることを 本研究で初めて明らか：ニ した。また、この電流利得の低下 もAl組成を徐々に変 化させたAlエく江lAsグレーデイドベース層の採用で緩和できることも実駿笥：：示し、将来 のコレクタアップHBT構造設計を明確：二できた 。
結 諭と し て、 本研 究で は イオン注入が川Gぬs／GaAsヘテロ構造デバ イス作製を自在にコントロー ルでき、
トランジスタ特性向 上に大きく貢献できることを 初めて明らかにした。
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学位論文審査の要旨
主 査 教 授 中 原 純 一 郎 副 査 教 授 三 本 木 孝
副 査 教 授 和 田 宏
副 査 教 授 末 宗 幾 夫 （ 北 海 道 大 学 大学 院 工学 研 究 科）
学 位 論 文 題 名
Study of lon‑lmplantations into AIxGal̲xAs and lts Applications to Heterojunction Bipolar Transistors
（ Al エ Gal̲ エ As 中へ の イ オン 注 入 及び へ テ□ 接合 バイ ポ ー ラ卜 ラ ンジ ス タ への 応 用に 関 す る研 究）
III ―V 族化合物半導体を用いたへテロ構造電子デバイスの研究開発が盛んに行われている。特 に、 Al エ Gal ‑ エ As/GaAs ヘテロ構造は、応用範囲が広く最も研究が進展している。このAIGaAs ／ GaAs の利 点を有効 に活かし た超高速 電子デバイスとして、ヘテ口接合バイポーラ卜ランジス 夕（ HBT ）が注目されている。本論文では、 HBT 高速化に大きな影響を及ぼすべースーコレク夕 接合容量CBC 低減に有利な HBT の新しい構造であるコレクタアップ型（C‑upHBT ）を実現し、その 特性 の優位性 をアピールすることを目的とする。C ― up 構造ではトランジス夕動作させるため に外部工ミ、ツ夕／ペース接合領域中に電流注入を抑制するバリア領域を形成する必要があり、
イオ ン注入を 用いた2 つの新しい方法で形成した。一っはp 形ドーパントのBe を n 形 Al エ Gai ― x As エミッ夕中にイオン注入し p ーn 接合を形成する方法であり、もうーっは不活性元素である酸 素 の イオ ン 注 入に よ り n 形 Al エ Gal ‑ エ As 中 に高 抵 抗 バリ ア 領域 を 形成 する方法 である。
p ― n 接合が有効なバリアとして働くためには再結合電流の少ない高品質な接合特性を実現する 必要がある。そのためにイオン注入した Be の Al よGal ‑ エ As 層における電気的活性化率のアニー ル温 度依存性 、 Al 組成依存性をホール測定により調べた。 GaAs 中にイオン注入した Be は400 ℃ の低 温アニー ルで活性 化し始め 、 450 ℃で活性化率は飽和し、大部分 p 形キャリアとして振る 舞う。一方、 Al エ Gal ‑ エ As では、GaAs と較べ活性化率は低く、アニール温度の上昇と共に徐々 に増 加する。 また、一 定のアニ ール温度 では、Al 組成が高い程活性化率は低い。イオン注入 により損傷を与えられた Al エ Gal ‑ エAs 中の結晶品質を評価するため、室温フォトルミネッセン ス（ PL ）測定を行いバンド間遷移に基づくPL 強度のアニール温度依存性を調べた。その結果、
イオ ン注入で 導入された放射損傷の回復には高いア二一ル温度が要ることがわかった。 Al エ G a1 ―エAs 中に注入したBe 原子及び正孔濃度の分布を求めた結果、 Al 組成が高い程高温アニール での 拡散が顕 著になり 、 Si02 表面保 護膜と半導体の界面上に多量のBe がパイルアップし堆積 することが観察された。これから、Al エ Gal ‑ ーAs 中 Be の電気的活性化率が低し、原因は、Be 原子
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自身が 高温アニ ール後半導体表面から抜け出ることに起因することがわかった。 Al ー Gai エ As 中 Be の拡 散を抑制し活性化率の改善を図るために、 Be と P 及びBe とAs の二重イオン注入（ Be の 後に P あ るいは As のイオン注入）を行った。その結果、高温アニールにおいて Be の拡散が抑制 され、 Be 単独注入 の2 倍程度 の高い活 性化率が得られた。更に高品質な p‑n 接合を形成できる かどうかを調べるため、n 型Al エGal ‑ エAs （x 0 、O ．3 ）にBe イオン注入でp ―n 接合を形成し、ダイ オード の電流― 電圧特性をアニール温度をパラメ一夕にして評価した。 n 値は、 GaAs 、Al0 3G a07As とも最 小で 1 ．8 であり、イオン注入法で形成した p ― n 接合は Al 組成に依らず再結合電流 がかな り支配的 であることがわかった。この最小値を与えるアニール温度は GaAs で 600 ℃から Alo. 3Ga07As で 650 ℃からと大差がなく、接合特性は注入した Be の活性化よりもむしろアモル ファス状態から回復する結晶品質を反映している傾向がある。次に、外部Al エGal ‑ エAs 工ミッ 夕中に高抵抗バリア領域を形成するため、酸素イオン注入を行った AIGaAa ／ GaAs ダイオードを 作製し 、順方向 電流ー電 圧特性を アニール温度、注入ドーズ量をパラメ一夕にして調べた。
そして 、最適化 された条 件で酸素 イオン注入を行い形成したバリア領域はりーク電流が極め て少な い良好な 高抵抗性 を示し、 外部ペース層を亜鉛拡散で高濃度化する技術と合わせて高 電流密 度で動作 できる C ―upHBT を作製することに初めて成功した。また、拡散係数の小さい C をぺー スドーパ ン卜に用 いて、コ レク夕面積 2 ミク口ン平方の微細寸法HBT を製作し、100GHz を越える優れた高周波特性が得られた。
結諭として、著者は本研究でイオン注入、アニールによる AIGaAs ／ GaAs ヘテ口構造界面の不純 物特性 を実験的 に明らか にし、デ バイス作製の基礎技術を確立した。これらはトランジス夕 特性向 上技術に 対する貢 献が大な るものがある。また実際に高周波特性の良い卜ランジス夕 一の作成を行った。
よ っ て 著 者 は 北 海 道 大 学 博 士 （ 理 学 ） の 学 位 を授 与 さ れる 資 格の あ る もの と 認 める 。
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