DE3785196T2 - Bipolartransistor mit heterouebergang. - Google Patents

Bipolartransistor mit heterouebergang.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen schnellen und hochverstärkenden Transistor und insbesondere einen Heteroübergangs-Bipolartransistor mit einem Heteroübergang.
    • Stand der Technik
  • Der Heteroübergangs-Bipolartransistor (im folgenden als "HBT" bezeichnet) ist ein Bauelement mit Eigenschaften, die die Grenzen von Silizium-Bipolartransistoren übersteigen. Der HBT weist, wie aus der Fig. 1 hervorgeht, die das Energiebanddiagramm davon zeigt, einen Heteroübergang 4 auf, der zwischen einem Emitterbereich 2 und einem Basisbereich 1 ausgebildet ist, um den Bandabstand des Emitters größer als den der Basis zu machen. In der Zeichnung bezeichnet 3 einen Kollektorbereich. Es wurde ein erheblicher Aufwand betrieben, um HBTs unter Verwendung von Verbindungshalbleitern zu verwirklichen, und es wurde im Ergebnis insbesondere durch den kürzlichen Fortschritt in der Technologie des epitaktischen Aufwachsenlassens und dergleichen möglich, HBTs zu realisieren.
  • HBTs sind dadurch ausgezeichnet, daß es möglich ist, die Störstellenkonzentration in der Basis zu erhöhen, während der Emitterinjektionswirkungsgrad auf einem hohen Niveau gehalten wird, da im wesentlichen keine Injektion von Minoritätsladungsträgern aus der Basis in den Emitter erfolgt. Es ist daher möglich, die Breite der Basis zu verringern und den inneren Widerstand der Basis herabzusetzen. Im Ergebnis ist es möglich, die Stromverstärkung und die Grenzfrequenz des Transistors im Vergleich zum herkömmlichen Bipolartransistor zu verbessern.
  • Als eine der Techniken, die dazu verwendet werden, einige Eigenschaften des obigen HBTs weiter zu verbessern, kann zum Beispiel ein Vorschlag von Ito et al. in Extended Abstracts (The 46th Autumn Meeting, 1985) 3a-B-9; The Japan Society of Applied Physics genannt werden. Es ist in dieser Literaturstelle beschrieben, daß es möglich ist, die Ubergangszeit von Elektronen zu verbessern und die Stromverstärkung durch einen Abfall der Al-Anteiles in der Basisschicht eines AlGaAs/GaAs-HBT anzuheben. Bei diesem Stand der Technik ist jedoch die Basisschicht eine stark dotierte p-Typ-Schicht, und es besteht daher das Problem, daß die Löcherbeweglichkeit gering ist. Entsprechend ist die Verringerung des Basiswiderstandes begrenzt, was zu Einschränkungen in den Hochfrequenzeigenschaften führt.
  • In der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 60-10775 ist beschrieben, daß der Basiswiderstand durch Ausbilden eines Basisbereiches mit einer Übergitterstruktur verringert und dadurch die Schaltzeit verkürzt und die Hochfrequenzeigenschaften verbessert werden. Dieser Stand der Technik leidet jedoch unter dem Problem, daß der Kollektorinjektionswirkungsgrad als Ergebnis der Rekombination von Ladungsträgern im Basisbereich herabgesetzt ist.
  • Die JP-A-61-229361 offenbart einen Heteroübergangs-Bipolartransistor mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Der bekannte Transistor ist so konstruiert, daß er eine negative Widerstandscharakteristik hat, die durch Wechselwirkung (d.h. Resonanztunneln) zwischen benachbarten GaAs- Potentialtopfschichten erreicht wird, die in einem Übergitter-Basisbereich ausgebildet sind.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Heteroübergangs-Bipolartransistor zu schaffen, bei dem der Emitterinjektionswirkungsgrad erhöht ist und bei dem die Basis-Übergangszeit und der Basiswiderstand herabgesetzt sind, ohne daß der Kollektorinjektionswirkungsgrad verringert ist.
  • Diese Aufgabe wird von dem im Patentanspruch 1 beschriebenen Heteroübergangs-Bipolartransistor gelöst.
  • Es ist bekannt, daß bei einer einer Doppel-Heterostruktur von Halbleitern, wenn die Dicke einer Halbleiterschicht mit einem relativ kleinen Bandabstand verringert wird, die zwischen zwei Lagen eingeschlossen ist, ein Quanteneffekt erzeugt wird. Eine solche Struktur ist als Potentialtopf bekannt, der von einem Halbleiter mit einem kleinen Bandabstand, der eine Potentialtopfschicht bildet, und einer Halbleiter-Potentialbarriereschicht mit einem großen Bandabstand, der an die Potentialtopfschicht angrenzt, gebildet wird. Es ist mit anderen Worten in diesem Potentialtopf die Elektronenenergie nicht mehr kontinuierlich, sondern aufgespalten. Das heißt, daß, wenn die Breite des Potentialtopfes gleich Lw ist, das Quanten-Energieniveau ΔEn, das vom Boden des Energiebandes gemessen wird, wie folgt angenähert werden kann:
  • ΔEn = ( /2m*)(nπLw)².
  • In dieser Formel ist n eine ganze Zahl, und die Tiefe des Potentialtopfes wird als ausreichend tief angenommen.
  • Eine Untersuchung des Lichtemissionswirkungsgrades aus dem Potentialtopf in einem GaAs/AlGaAs-lichtemittierenden Element hat ergeben, daß sich der Lichtemissionswirkungsgrad wie in der Fig. 3 gezeigt durch Ändern der Potentialtopfbreite periodisch ändert.
  • Dies zeigt, daß das Festhalten der Ladungsträger, die in der Barriereschicht (AlGaAs) erzeugt werden, im potentialtopf von der Potentialtopfbreite abhängt. Es wurde festgestellt, daß das Festhalten von Ladungsträgern einen Minimalwert erreicht, wenn das Quanten-Energieniveau ΔEn der obersten Elektronen im Potentialtopf im wesentlichen (etwa ±kT/2) mit dem Energieniveau des Leitungsbandes, im folgenden "die Energie" genannt, in der Barriereschicht zusammenfällt. Diese Bedingung wird als Resonanzbedingung bezeichnet.
  • Die vorliegende Erfindung wendet die Tatsache, daß der beschriebene Ladungsträger-Festhaltewirkungsgrad in einem erheblichen Ausmaß von der Breite des Potentialtopfes abhängt, auf einen HBT an. Dadurch, daß das Quanten-Energieniveau ΔEn und die Energie in der Barriereschicht innerhalb etwa ±kT/2 übereinstimmen, werden verschiedene Eigenschaften des HBT wie folgt verbessert:
  • Die Fig. 2 zeigt das Energiebanddiagramm eines erfindungsgemäßen HBTs. Der Basisbereich 27 weist einen darin ausgebildeten Potentialtopf 32 auf.
  • Zuerst werden bezüglich des Emitterinjektionswirkungsgrades Löcher 28 zweidimensional im Potentialtopf 32 festgehalten und dadurch davon abgehalten, in den Emitterbereich 29 injiziert zu werden, so daß der Emitterinjektionswirkungsgrad verbessert ist. Wenn in der Basis Löcher in hoher Dichte benötigt werden, reicht es aus, in die Barriereschicht 32 durch Modulationsdotierung einen Akzeptor einzudotieren.
  • Als nächstes kann bezüglich der Basis-Übergangszeit und des Basiswiderstandes die Basis-Übergangszeit verringert werden, ohne daß der Kollektorinjektionswirkungsgrad herabgesetzt ist, wie es anderenfalls durch in der Basis erfolgende Rekombination der Fall wäre, da die Elektronen 30, die aus dem Emitterbereich 29 in den Basisbereich 27 injiziert werden, den Kollektorbereich 31 ballistisch erreichen, ohne daß sie im Potentialtopf 32 festgehalten werden. Insbesondere haben, wenn bezüglich der Barriereschicht die beschriebene Modulationsdotierung bewirkt wird, die Löcher in der Basisschicht eine Beweglichkeit, die etwa 4 mal so hoch ist wie die von Löchern in der herkömmlichen Basisschicht, so daß der Basiswiderstand erheblich herabgesetzt wird und es damit möglich ist, die Lade- und Entladezeit bezüglich der Basisschicht zu verringern.
  • Daß in der vorstehenden Beschreibung erwähnt ist, daß das Quanten-Energieniveau und die Energie in der Barriereschicht innerhalb eines Bereiches von ±kT/2 übereinstimmend gemacht werden, liegt an den folgenden Gründen. Wenn der HBT betrieben wird, wird selbstverständlich zwischen Elektroden eine Spannung angelegt, und da das Anlegen einer Spannung eine Änderung im Potential des Potentialtopfes hervorruft, ändert sich auch die Resonanzbedingung, wenn auch das Ausmaß, in dem es sich ändert, gering ist. Wenn im Basisbereich ein Potentialtopf ausgebildet wird, treten unvermeidlich gewisse Schwankungen in der Dicke auf. Darüberhinaus haben natürlich auch die Elektronen, die vom Emitter injiziert werden, eine Energieverteilung, die zu etwa ±kT/2 abgeschätzt wird. Entsprechend ist es erforderlich, das Quanten-Energieniveau und die Energie in der Barriereschicht zueinander in einem Bereich von etwa ±kT/2 übereinstimmend auszubilden, damit nahezu alle der injizierten Elektronen im wesentlichen in der Resonanzbedingung sind.
  • Es kann eine Anzahl von Potentialtöpfen vorgesehen werden. In diesem Fall muß die beschriebene Beziehung zwischen dem Potentialtopf und der Energie in der Barriereschicht für jeden der Potentialtöpfe erfüllt sein. Jedes Paar von benachbarten Potentialtöpfen ist voneinander so weit entfernt, daß keine Wechselwirkung zwischen den Potentialtöpfen stattfindet. Der Grund dafür ist, daß jede Wechselwirkung das Energieniveau in einem großen Ausmaß ändern würde, mit dem Ergebnis einer Änderung in den Bedingungen für das Festhalten von Ladungsträgern bezüglich eines einzigen Potentialtopfes. Der Abstand, bei dem keine Wechselwirkung auftritt, ist insbesondere ein Abstand, der größer ist als die deBroglie-Wellenlänge der Elektronen.
  • Es ist anzumerken, daß, wenn die vorliegende Erfindung ausgeführt wird, vorzugsweise als Halbleiter für die Barriereschicht ein Halbleiter mit direktem Bandabstand verwendet wird.
    • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Die Fig. m1 zeigt das Energiebanddiagramm eines herkömmlichen Heteroübergangs-Bipolartransistors; die Fig. 2 das Energiebanddiagramm des erfindungsgemäßen Heteroübergangs- Bipolartransistors; die Fig. 3 die Beziehung zwischen der Potentialtopfbreite und dem Lichtemissionswirkungsgrad; die Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Heteroübergangs-Bipolartransistor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und die Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht des Basisschichtbereiches des Heteroübergangs-Bipolartransistors der Fig. 4.
    • Beste Ausführungsform der Erfindung
  • Im folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wurde Si-dotiertes Al0,3Ga0,7As als Emitterschicht 15 verwendet, während Si-dotiertes Al0,2Ga0,8As als Kollektorschicht 13 verwendet wurde, und es wurde undotiertes GaAs bzw. Be-dotiertes Al0,2Ga0,8As als Potentialtopfschicht 21 und Barriereschicht 22 verwendet, die zusammen eine Basisschicht 14 bilden. Es wurden vier Potentialtöpfe vorgesehen.
  • Bei der Potentialtopfstruktur der Basisschicht fallen, wenn als Potentialtopfschicht 21 und als Barriereschicht 22 GaAs bzw. AlxGa1-xAs verwendet werden und die Beziehung zwischen dem Zusammensetzungsverhältnis x von Al in AlxGa1-xAs und die Breite der Potentialtopfschicht 21 innerhalb des folgenden Bereiches liegt, das Quanten-Energieniveau und die Energie in der Barriereschicht 22 innerhalb eines Bereiches von ±kT/2 zusammen:
  • Wenn x = 0,1 ± 0,05 ist und die Breite der Potentialtopfschicht zwischen 6,0 und 8,8 nm, zwischen 10,8 und 13,8 nm oder zwischen 15,8 und 20,0 nm liegt.
  • Wenn x = 0,2 ± 0,05 ist und die Breite der Potentialtopfschicht zwischen 5,3 und 7,7 nm, zwischen 9,7 und 12,1 nm, zwischen 14,1 und 16,5 nm oder zwischen 18,5 und 22,0 nm liegt.
  • Wenn x = 0,3 ± 0,05 ist und die Breite der Potentialtopfschicht zwischen 4,0 und 7,0 nm, zwischen 8,5 und 11,5 nm oder zwischen 13,0 und 17,0 nm liegt.
  • Bei dieser Ausführungform wurde, da die Barriereschicht in der Potentialtopfstruktur der Basisschicht aus Al0,2Ga0,8As (d.h. x = 0,2) bestand, die Breite des Potentialtopfes im obigen Bereich zu 6,5 nm gewählt.
  • Die Fig. 4 ist eine Schnittansicht eines HBTs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dieser HBT wurde wie folgt hergestellt.
  • Auf einem halbisolierenden GaAs-Substrat 11 werden durch Molekularstrahlepitaxie aufeinanderfolgend eine n&spplus;-Si-dotierte GaAs-Pufferschicht 12 (1,0 um, 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³), eine Kollektorschicht 13 (Si-dotiertes Al0,2Ga0,8As, 0,25 um, 2 x 10¹&sup6; cm&supmin;³), eine Be-modulationsdotierte Potentialtopf-Basisschicht 14, eine Emitterschicht 15 (Si-dotiertes Al0,3Ga0,7As, 0,2 um, 2 x 10¹&sup7; cm&supmin;³) und eine n&spplus;-Si-dotierte GaAs-Kontaktschicht 16 (0,03 um, 3 x 10¹&sup8; cm&supmin;³) aufgebracht. Die angegebene Pufferschicht 12 wird gewöhnlich zum Zwecke des Verbesserns der Eigenschaften des HBTs auf dem Substrat ausgebildet und kann daher auch weggelassen werden. Die Basisschicht 14 wird, wie in der Fig. 5 gezeigt, die eine vergrößerte Ansicht ist, durch abwechselndes Aufeinanderlegen von vier undotierten GaAs-Schichten 21 (6,5 nm) und drei p&spplus;-Al0,2Ga0,8As-Schichten 22 (Be-dotiert, 2 x 10¹&sup9; cm&supmin;³, 20,0 nm) hergestellt, wobei die GaAs-Potentialtopfschichten und AlGaAs-Barriereschichten zusammen eine Potentialtopfstruktur bilden. Wenn die AlGaAs-Barriereschichten eine solche Dicke haben, wie es oben angegeben ist, ist es möglich, die Wechselwirkung zu vernachlässigen, die durch Elektronen zwischen jeweils zwei benachbarten Potentialtöpfen verursacht wird. Als nächstes wird nur an der Stelle, an der die Basiselektrode ausgebildet wird, eine Diffusion von Zn in eine Tiefe von etwa 0,25 bis 0,4 um unter Verwendung eines Si³N&sup4;-Filmes von 300 nm als Maske, der durch Plasma-CVD ausgebildet und dann gemustert wird, durchgeführt. Dann erfolgt ein Mesaätzen, bis die n&spplus;-GaAs- Schicht 12 freiliegt, und es wird über die ganzen Kollektor-, Basis- und Emitterbereiche Au/Ge/Ni aufgedampft und dann bei 420ºC für 20 Sekunden einlegiert. Danach werden die Basis und der Emitter zur Vervollständigung einem Vertiefungsätzen unterworfen.
  • Eine Messung der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Elementes ergab, daß der Maximalwert der differentiellen Gleichstromverstärkung gleich 1200 war, wenn die Kollektorstromdichte 1 kA/cm² betrug, womit der gemessene Wert unter denen bei den existierenden HBTs der höchste ist. Die Grenzfrequenz war gleich 12 GHz; es war daher möglich, eine wesentliche Verbesserung des bisherigen Maximalwertes, d.h. von 11 GHz, zu erreichen.
  • Da die Beweglichkeit der Löcher in der Basisschicht gegenüber den herkömmlichen HBTs um das etwa 4-fache erhöht werden kann, ist es möglich, den Basiswiderstand für die gleiche Störstellenkonzentration auf etwa 1/4 herabzusetzen. Das zweidimensionale Festhalten von Löchern im Potentialtopf ermöglicht es, daß der aus der Basis in den Emitter injizierte Löcherstrom auf 1/10 oder weniger von dem beim Stand der Technik verringert wird, es ergibt sich daher eine Verbesserung im Emitterinjektionswirkungsgrad. Da die Verkleinerung des Basistransportfaktors als Ergebnis des Vorsehens des Potentialtopfes gleich 1 bis 2% ist, wird die Stromverstärkung gegenüber dem Stand der Technik auf etwa das 10-fache erhöht.
  • Es ist anzumerken, daß, obwohl bei der obigen Ausführungsform GaAs/AlGaAs zur Ausbildung einer Potentialtopfstruktur verwendet wird, auch andere Materialien, zum Beispiel InAIAs/InGaAs oder dergleichen, verwendet werden können, um durch Wahl einer Potentialtopfbreite derart, daß das Quanten-Energieniveau und die Energie in der Barriereschicht innerhalb eines Bereiches von ±kT/2 zusammenfallen, ähnliche Effekte zu erhalten.

Claims (5)

1. Bipolartransistor mit mindestens einem Hetero-Übergang (34), mit einem Emitterbereich (15, 29), einem Basisbereich (14, 27) und einem Kollektorbereich (13, 31), sowie mit mehreren, in dem Basisbereich vorhandenen Quantum-Wells (32), deren jedes von einer Well-Schicht (2l), die von einer Halbleiterschicht mit verhältnismäßig kleiner Bandlücke definiert ist, und einer Barriereschicht (22) gebildet ist, die von einer zwischen benachbarten Weil-Schichten ausgebildeten Halbleiterschicht mit verhältnismäßig großer Bandlücke definiert ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Breite jedes Quantum-Wells und der Unterschied zwischen den jeweiligen Bandlücken einer Weil-Schicht und einer Barriereschicht so bestimmt sind, daß der Energieunterschied zwischen einem der in einem Quantum-Well ausgebildeten Quantenpegel und dem Leitungsband einer benachbarten Barriereschicht innerhalb von kT/2 liegt - wobei k die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur bedeuten - und
daß benachbarte Quantum-Wells (32) einen derartigen Abstand voneinander aufweisen, daß zwischen den Quantum-Wells keine Wechselwirkung stattfindet, wobei diese Abstand größer ist als die deBrolie-Wellenlänge.
2. Transistor nach Anspruch 1, wobei der Emitterbereich (15, 29) von einem Halbleiterbereich definiert ist, der einen höheren Leitungsband-Energiepegei aufweist als- die Barriere (33).
3. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Barriereschicht (22) selektiv mit Störstoff dotiert ist.
4. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Barriereschicht (22) aus einem Halbleiter mit direkter Bandlücke besteht.
5. Transistor nach Anspruch 4, wobei die Well-Schicht (21) aus GaAs und die Barriereschicht (22) aus AlxGa1-xAs besteht.
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