JP2000068283A - バイポーラトランジスタ - Google Patents

バイポーラトランジスタ

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】Bがベース層形成後の熱処理により拡散するこ
とにより、その分布がだれて幅が広くなってしまう。 【解決手段】 SiGe混晶層をベースに用いたバイポーラ
トランジスタにおいて、ベース層に隣接するエミッタ-
ベース接合領域とベース−コレクタ接合領域のGe組成
を、ベース層のGe組成よりも高くした構造。SiGe層中の
Bの拡散係数はGe組成が高いほど小さくなる。したがっ
て、ベース層を挟むエミッタ-ベース接合領域とベース
−コレクタ接合領域のGe組成を、ベース層のGe組成より
も高くすることにより、ベース層からのBの拡散を抑制
できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はSiGe混晶ベース層を
有するバイポーラトランジスタに係わり、特に、超高速
デジタルＩＣ、マイクロ波、ミリ波無線送受信ＩＣに好
適なバイポーラトランジスタ及びこれを応用した通信シ
ステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】ベースにBドープのSiとGeの混晶（SiGe
混晶）を用いたバイポーラトランジスタに関連する従来
技術については、テクニカル ダイジェスト オブ １９
９７ インターナショナル エレクトロン デバイシズ ミ
ーティング（アイ・イー・ディー・エム９７）第７９１
頁〜第７９４頁(Technical Digest of IEDM97, pp.791-
794 (1997)) に記載されている。この従来のSiGeベース
バイポーラトランジスタを図１７(a）(b)によって説明
する。本図は、従来のSiGeベースバイポーラトランジス
タの活性領域（トランジスタの主要部分の断面を示した
図４参照；破線Aの部分）における、不純物濃度およびG
e組成の深さ方向分布の代表的な2例を示したグラフであ
る。本グラフにおいて深さの浅い方はエミッタ側、深い
方がコレクタ側となっている。(a）に示した例では、ベ
ース層中のBが添加された領域においてGe組成はコレク
タ方向に一定の勾配で増加しベース層端で最大値とな
り、ベース−コレクタ接合空乏層中の一定幅の領域でそ
の値が保たれている。(b)に示した例では、ベース層中
のBが添加された領域とベース−コレクタ接合空乏層中
の一定幅の領域において、Ge組成が一定値となってい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】バイポーラトランジス
タの動作速度を向上させるためには、キャリアのベース
走行時間を短くすると共に、ベース抵抗を低くする必要
がある。そのためには、ベース層のBの深さ方向分布に
関して、できるだけ幅を狭くしかつ濃度を高くする必要
がある。しかし、上記従来例では、ベース層のBがベー
ス層形成後の熱処理により拡散することにより、その深
さ方向分布がだれて幅が広くなってしまう問題があっ
た。また、Bの濃度が高い場合ほど拡散による分布幅の
広がりは大きくなるので、分布幅を狭くすることと濃度
を高くすることの両立は困難であった。
【０００４】また、従来型トランジスタのもう一つの課
題として、コレクタ電流を増加させた場合に実効的なベ
ース層幅が広がり動作速度が低下する問題もあった。こ
の原因は、低濃度コレクタ領域においてコレクタ電流密
度の増加による負電荷の発生を中和するために正孔の注
入が起こり、図１８に示すようにベースコレクタ接合部
分のエネルギーバンド構造が変化するためである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】図１５にSiGe混晶中のB
の拡散係数のGe組成への依存性を示した。Ge組成が大き
くなるほどBの拡散係数が小さくなり拡散速度が低下す
る。この現象を利用することにより上記のＢの深さ方向
分布の増大の問題を解決するためには、以下の手段を用
いればよい。
【０００６】ベースのB添加層に隣接する領域、すなわ
ちエミッタ−ベース接合空乏層領域もしくはベース−コ
レクタ空乏層領域のGe組成を高くすれば、その部分のB
の拡散速度が遅くなるので、Bの深さ方向分布の幅の広
がりを抑えることができる。
【０００７】Bの拡散低減のみを考えると、エミッタ−
ベース接合空乏層領域、ベース層、およびベース−コレ
クタ空乏層領域の全部のGe組成を高くすればよいのであ
るが、その場合にはSiGe混晶層のトータルのGe量が多く
なりすぎる。そのために、SiとGeの共有結合半径の違い
からSiGe混晶層に強い応力が生じ、その結果結晶欠陥が
発生するという副作用が生じてしまう。
【０００８】この副作用が生じないようにするために
は、 Ge組成を、ベースのB添加層に隣接する部分で高く
してB添加層内部でできるだけ低くすればよい。この構
造によりトータルのGe組成を下げることができるので、
結晶欠陥の発生を抑制することができる。この場合に、
B添加層内部のGe組成低減によるBの分布の広がり増大は
ほとんど無視できる。なぜならば、B添加層内部では元
々Bの分布は均一であるためBの拡散は起こりにくく、こ
の領域の拡散係数の大小がBの深さ方向分布の広がり方
に与える影響は小さいからである。Ge組成をB添加層内
部で低くしそれに隣接する部分で高く保つことによりト
ータルのGe組成をできるだけ小さくするためには、B添
加層の両端においてGe濃度をできるだけ急峻に変化させ
るようにすればよい。
【０００９】また、エミッタ−ベース接合部分でGe組成
を、B添加層内部よりも高くしないまでもB添加層内部と
同じにすることによっても、上記と同じ理由により、従
来例と比較してB分布の広がりを抑制する効果がある。
【００１０】また、上記コレクタ電流増加による実効ベ
ース層幅増大の問題も、上記の解決手段のうちでB添加
層のコレクタ側の端においてGe濃度をできるだけ急峻に
変化させる方法により、同時に改善することが可能とな
る。その理由を以下に説明する。従来型トランジスタの
場合では、図１８に示すようにベース層のコレクタ側の
端のバンドの勾配がコレクタ電流密度の増大により緩や
かになることにより実効的なベース層幅が増大する。一
方、B添加層端においてGe濃度を急峻に変化させた場
合、図２に示すようにそのGe濃度が変化した位置で価電
子帯にノッジが形成される。そのノッジのコレクタ側の
逆Ｖ字型に尖った構造には、コレクタ電流密度が増大し
た場合にその部分のバンドの勾配が緩やかになろうとす
る作用を妨げるはたらきがある。なぜならば、その部分
の勾配が小さくなってしまうとそこに大量の正孔の蓄積
が起こり、その近傍の電気的中性が保てなくなるからで
ある。このコレクタ電流密度の増大によりバンドの勾配
が変化しにくくなる効果のために、コレクタ電流を増加
させた場合の動作速度の低下の問題が改善される。
【００１１】上述の議論に基づき、本発明者は次のよう
な構造のバイポーラトランジスタ及びこれを応用した通
信システムを提供する。
【００１２】まず、本発明によるベースにBドープのSi
とGeの混晶（SiGe）を用いたバイポーラトランジスタ
は、エミッタ−ベース接合空乏層領域とベースコレクタ
接合空乏層領域でのGe組成の最大値が、ベース層内の平
均値よりも大きくなっていることに基本的な特徴を有す
る。このバイポーラトランジスタにおいて、ベース層端
近傍からコレクタにかけてのGe組成が増加している領域
の組成勾配を、ベース層内の平均の組成勾配よりも大き
くするとよい。
【００１３】また、本発明のバイポーラトランジスタの
特徴を別の観点で特徴づけると、ベースにBドープのSi
とGeの混晶（SiGe）を用い、ベースコレクタ接合空乏層
領域でのGe組成の最大値がベース層内平均値よりも大き
く設定されたバイポーラトランジスタにおいて、ベース
層端近傍からコレクタにかけてのGe組成が増加している
領域の組成勾配が、ベース層内の平均の組成勾配よりも
大きくなっている。
【００１４】さらに別の観点で本発明のバイポーラトラ
ンジスタの特徴を述べると、ベースにBドープのSiとGe
の混晶（SiGe）を用い、ベースコレクタ接合空乏層領域
でのGe組成の最大値がベース層内の平均値よりも大きく
設定したバイポーラトランジスタにおいて、エミッタ側
のベース層端からエミッタ−ベース接合にかけて、Ge組
成が一定となっている領域を有している。この構造にお
いて、上記ベース層端近傍からコレクタにかけてのGe組
成が増加している領域の組成勾配を、ベース層内の平均
の組成勾配よりも大きくすることが望ましい。
【００１５】一方、本発明によれば、光信号を受け電気
信号を出力する受光素子と、受光素子からの電気信号を
受ける第１の増幅回路と、上記第１の増幅回路の出力を
受ける第２の増幅回路と、所定のクロック信号に同期し
て、上記第２の増幅回路の出力をディジタル信号に変換
する識別器と、そのディジタル信号を分離変換する回路
を有する光受信システム、および、多重のディジタル信
号合成する回路と、半導体レーザとそれを駆動するため
の半導体レーザ駆動回路を有する光送信システムのいず
れかにおいて、上記第１、第2の増幅回路、識別器、デ
ィジタル信号分離変換回路、多重ディジタル信号合成回
路、および半導体レーザ駆動回路中の少なくとも1つの
トランジスタが、上述のSiGeベースバイポーラトランジ
スタにより構成される。
【００１６】また、本発明により、ミリ波（周波数帯域
にして30GHz乃至300GHz）を送受信するアンテナと、ア
ンテナからの受信電気信号を増幅する第１の増幅回路
と、上記第１の増幅回路の出力を受け周波数を下げる受
信ミキサ回路と、第１の発振回路と、送信用電気信号を
受け周波数を上げる送信ミキサ回路と、第２の発振回路
と、送信ミキサの出力を受け電力増幅する第２の増幅回
路とを有するミリ波送受信システムにおいて、上記第
１、第2の増幅回路、第１、第2の発振回路、送受信ミキ
サ回路の中の少なくとも1つのトランジスタが、上述のS
iGeベースバイポーラトランジスタにより構成される。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明によるバイポーラ・トラン
ジスタ及びこれを応用した光通信システムの具体的な実
施の形態に関し、実施形態１乃至１２及び各々の関連図
面を参照して以下に説明する。
【００１８】（実施形態１）本発明の第１の実施形態を
図１〜図４に基づいて説明する。図３は本発明の第１の
実施形態の、SiGe混晶層をベースに用いたバイポーラト
ランジスタの縦断面構造を示したものである。本発明の
他の実施形態のバイポーラトランジスタの縦断面構造も
基本的に本図と同じである。本図において符号１はｐ型
Si基板、符号２はｎ+型Si層、３は低濃度ｎ型Si層、４
はSiO2膜、５はｎ+型Si層、６はSiO2膜、７はノンドー
プ多結晶Si膜、８はSi3N4膜、９はｐ型多結晶Si膜、１
０はSiO2膜、１１はｎ型Si層、１２は低濃度ｎ型SiGe
膜、１３はｐ型SiGe層、１４は低濃度ｎ型SiGe層、１５
はノンドープ単結晶Si層、１６はｐ型多結晶SiGe層、１
７はSiO2膜、１８はSi3N4膜、１９はｎ+型多結晶Si膜、
２０はｎ+型Si層、２１,２２はSiO2膜、２３はｎ型多結
晶Si膜、２４〜２６が金属電極となっている。金属電極
のうち、２４がエミッタ電極、２５がベース電極、２６
がコレクタ電極としてはたらく。
【００１９】図４は図３におけるSiGeベーストランジス
タの主要部分の詳細な縦断面構造を示したものである。
本図の各符号で図１に含まれるものは図１の場合と同じ
ものを指している。ここで、ｎ+型Si層２がコレクタ、
ｐ型多結晶Si膜９がベース引き出し電極、ｎ+型多結晶S
i膜１９およびｎ+型Si層２０がエミッタとしてはたら
く。
【００２０】図１は、図３、図４に示した第１の実施形
態のSiGeベーストランジスタにおける、図４の破線Aの
部分での不純物濃度およびGe組成の深さ方向分布を示し
たグラフである。ベース層におけるBのピーク濃度は１
×1020cm-3となっている。Ge組成は、B添加領域で約２
０％と均一になっており、それに隣接するエミッタ-ベ
ース接合領域とベース-コレクタ接合領域で、最大値が
約３０％のほぼ台形状の分布となっている。
【００２１】図２に、本第１の実施形態のトランジスタ
の活性領域のエネルギーバンド構造を示した。本図から
明らかなように、ベース層のコレクタ側の端において価
電子帯にノッジが形成されている。一方、伝導帯には電
子の走行を妨げるポテンシャル障壁は存在しない。
【００２２】次に、図１〜図４で説明した第１の実施形
態のSiGeベーストランジスタの製造方法を、図５、図６
により説明する。これらの図はトランジスタの製造主要
工程での主要部分の縦断面構造を示している。まず通常
の方法により、ｐ型Si基板１上に埋込み層であるｎ+型S
i層２、低濃度ｎ型Si層３、素子分離のためのSiO2膜４
を形成したのち、さらにSiO2膜６、ノンドープ多結晶Si
膜７、Si3N4膜８、ｐ型多結晶Si膜９、SiO2膜10を通常
の化学気相成長（ＣＶＤ）法により堆積する（図５
(a)）。次に、通常のホトリソグラフィとエッチングに
より素子形成領域上の一部分のSiO2膜10、ｐ型多結晶Si
膜９を除去し、Si3N4膜８に達する開口を形成する。そ
の後、ＣＶＤ法によりSiO2膜２７を堆積し、さらに異方
性ドライエッチングにより上記開口部の側壁以外の部分
のSiO2膜２７を除去する。その後ＣＶＤ法によりSi3N4
膜２８を堆積し、さらに異方性ドライエッチングにより
上記開口部の側壁以外の部分のSi3N4膜２８とSi3N4膜８
を除去する（図５(b)）。次に開口部底面に露出したノ
ンドープ多結晶Si膜７をウエットエッチングにより除去
し、さらにそれによって開口部底面に露出したSiO2膜６
をウエットエッチングにより除去し低濃度ｎ型Si層３を
露出させる。（図５(c)）。次に、開口部底面の低濃度
ｎ型Si層３上に超高真空ＣＶＤ法により、低濃度ｎ型Si
Ge膜１２、ｐ型SiGe膜１３、低濃度ｎ型SiGe膜１４、ノ
ンドープ単結晶Si層１５を順次選択的にエピタキシャル
成長させる。また、それと同時にｐ型多結晶Si膜９が露
出した部分からｐ型多結晶SiGe層1６成長させ、上記選
択エピタキシャル層と接合させる（図６(d)）。次にＰ
をイオン打ち込み紙加熱することによりｎ型Si層１１形
成した後、通常のＣＶＤ法によりをSiO2膜１７、Si3N4
膜１８を堆積し、さらに異方性ドライエッチングとウエ
ットエッチングにより開口部側壁以外の部分のSi3N4膜
１８、 SiO2膜１７を除去する。次に通常のＣＶＤ法に
よりＰドープのｎ+型多結晶Si層１９を堆積し加熱する
ことにより、Ｐをノンドープ単結晶Si層１５中に拡散し
ｎ+型Si層２０を形成する。さらに、通常のホトリソグ
ラフィとエッチングにより、開口部上とその周辺以外の
部分のｎ+型多結晶Si層１９を選択的に除去する（図６
(e)）。これ以降の工程では通常の配線、層間膜形成工
程を経て、図１〜図４に示すトランジスタが完成する。
【００２３】本発明の他の実施形態のバイポーラトラン
ジスタの製造方法も、選択エピタキシャル成長において
BとGeの分布を異なるようにする以外は上記と基本的に
同じである。
【００２４】本実施形態によると、Ｂ添加層からそれに
接する領域へのＢの拡散を抑制することができる。その
ため、例えばエピタキシャル成長直後のベースのB添加
層幅が２０nm、ピーク濃度が１×1020cm-3である場合、
エミッタアニール後のB添加領域の幅は約２８nmとな
り、従来例の約４０nmの約７０％に縮小できる。その結
果、電子のベース走行時間を約１／２にできる効果があ
る。
【００２５】さらに、本実施形態によると、ベース層の
コレクタ側の端において価電子帯にノッジが形成される
ために、コレクタ電流の増大による実効的なベース幅の
増大が起こりにくくなる。そのため、トランジスタの遮
断周波数が最大となるコレクタ電流が５０％増大する。
その結果、ベース走行時間の低減効果と合わせて、最大
遮断周波数が４０％向上する効果がある。図１６に本実
施形態のトランジスタと従来型トランジスタについて、
最大遮断周波数のコレクタ電流依存性を比較した。
【００２６】（実施形態２）図７のグラフに、本発明の
第３の実施形態のSiGeベーストランジスタにおける、図
４の破線Aの部分での不純物濃度およびGe組成の深さ方
向分布を示す。ベース層におけるBのピーク濃度は１×1
020cm-3となっている。Ge組成は、B添加領域からそれに
隣接するベース−コレクタ接合領域にかけて約１５％か
ら約３０％に増加している。 一方、B添加領域に隣接す
るエミッタ-ベース接合領域では、最大値が約３０％の
ほぼ台形状の分布となっている。
【００２７】本実施形態によると、ベース層でGe組成が
勾配を持つために電子をエミッタからコレクタに加速す
る電界が生じる。そのために、電子のベース走行時間を
第１の実施形態のトランジスタと比較してさらに約２０
％低減することができる効果がある。しかし、第１の実
施形態の場合と比較するとトータルのGe組成が多くなる
ので、結晶欠陥の発生確率がより高くなる副作用があ
る。
【００２８】（実施形態３）図８のグラフに、本発明の
第３の実施形態のSiGeベーストランジスタにおける、図
４の破線Aの部分での不純物濃度およびGe組成の深さ方
向分布を示す。ベース層におけるBのピーク濃度は１×1
020cm-3となっている。Ge組成は、B添加領域においてエ
ミッタからコレクタに向かう方向に約１５％から約２５
％に増加している。 一方、B添加領域に隣接するエミッ
タ-ベース接合領域とベース-コレクタ接合領域では、最
大値が約３０％のほぼ台形状の分布となっている。B添
加領域両端でのGe組成の勾配は、B添加領域中における
勾配よりも大きくなっている。
【００２９】本実施形態によると、第２の実施形態と同
様にベース層でGe組成が勾配を持つために、電子のべー
ス走行時間を第２の実施形態のトランジスタと同じにす
ることができる。さらに、第２の実施形態の場合よりも
トータルのGe組成が少ないので、結晶欠陥の発生確率を
第１の実施例と同程度まで低減することができる効果が
ある。
【００３０】さらに、本実施形態によると、第１の実施
形態と同様にベース層のコレクタ側の端において価電子
帯にノッジが形成されるために、コレクタ電流の増大に
よる実効的なベース幅の増大が起こりにくくなる。その
ため、第２の実形態と比較して、トランジスタの遮断周
波数が最大となるコレクタ電流が２５％増加し、その結
果最大遮断周波数が８％向上する効果がある。
【００３１】（実施形態４）本発明の第４の実施形態を
図９、図１０により説明する。図９は、本発明の第４の
実施形態のSiGeベーストランジスタにおける、図４の破
線Aの部分での不純物濃度およびGe組成の深さ方向分布
を示したグラフである。ベース層におけるBのピーク濃
度は１×1020cm-3となっている。Ge組成は、B添加領域
とそれに隣接するエミッタ−ベース接合領域で約２０％
と均一になっている。 一方、B添加領域に隣接するベー
ス−コレクタ接合領域では、最大値が約３５％のほぼ台
形状の分布となっている。図１０に、本第４の実施形態
のトランジスタの活性領域のエネルギーバンド構造を示
す。本図から明らかなように、ベース層のコレクタ側の
端において価電子帯にノッジが形成されている。また、
本トランジスタの伝導帯には電子の走行を妨げるポテン
シャル障壁は存在しない。
【００３２】本実施形態によると、第１の実施形態のト
ランジスタと比較して、エミッタ−ベース接合領域のGe
組成を少なくした代わりに、ベース-コレクタ接合のGe
組成を多くしている。そのため、トータルのGe組成を増
加させることなく、Bがより広がりやすいベース−コレ
クタ接合でのBの拡散速度を小さくできる。その結果、
第１の実施形態の場合と比較してB添加領域の幅を約２
６nmと約７％縮小できる。その結果、電子のベース走行
時間を約１４％低減できる効果がある。
【００３３】（実施形態５）図１１のグラフに、本発明
の第５の実施形態のSiGeベーストランジスタにおける、
図４の破線Aの部分での不純物濃度およびGe組成の深さ
方向分布を示す。ベース層におけるBのピーク濃度は１
×1020cm-3となっている。Ge組成は、B添加領域におい
てエミッタからコレクタに向かう方向に約２０％から約
２８％に増加している。 一方、B添加領域に隣接するエ
ミッタ-ベース接合領域では約２０％と均一になってい
る領域が存在する。またベース-コレクタ接合領域で
は、最大値が約３５％のほぼ台形状の分布となってい
る。コレクタ側のB添加領域端でのGe組成の勾配は、B添
加領域中における勾配よりも大きくなっている。
【００３４】本実施形態によると、ベース層でGe組成が
勾配を持つために電子をエミッタからコレクタに加速す
る電界が生じる。そのために、電子のベース走行時間を
第４の実施形態のトランジスタと比較してさらに約２０
％低減することができる効果がある。
【００３５】（実施形態６）本発明の第６の実施形態を
図１２、図１３により説明する。図１２は、本発明の第
６の実施形態のSiGeベーストランジスタにおける、図４
の破線Aの部分での不純物濃度およびGe組成の深さ方向
分布を示したグラフである。ベース層におけるBのピー
ク濃度は１×1020cm-3となっている。Ge組成は、B添加
領域で約２０％と均一になっており、B添加領域端から
それに隣接するエミッタ−コレクタ接合領域にかけて急
激に減少している。一方、B添加領域に隣接するベース
−コレクタ接合領域では、最大値が約４０％のほぼ台形
状の分布となっている。図１３に、本第６の実施形態の
トランジスタの活性領域のエネルギーバンド構造を示
す。本図から明らかなように、ベース層のコレクタ側の
端において価電子帯にノッジが形成されている。また、
本トランジスタの伝導帯には電子の走行を妨げるポテン
シャル障壁は存在しない。
【００３６】本実施形態によると、第４の実施形態のト
ランジスタと比較して、エミッタ−ベース接合領域のGe
組成を０にした代わりに、ベース-コレクタ接合のGe組
成をさらに多くしている。そのため、トータルのGe組成
を増加させることなく、ベース−コレクタ接合でのBの
拡散速度をより小さくできる。その結果、B添加領域の
幅と電子のベース走行時間を第４の実施形態の場合とほ
ぼ同じにできる効果がある。
【００３７】（実施形態７）図１４のグラフに、本発明
の第７の実施形態のSiGeベーストランジスタにおける、
図４の破線Aの部分での不純物濃度およびGe組成の深さ
方向分布を示す。ベース層におけるBのピーク濃度は１
×1020cm-3となっている。Ge組成は、B添加領域におい
てエミッタからコレクタに向かう方向に０％から約２８
％に増加している。 一方、ベース-コレクタ接合領域で
は、最大値が約４０％のほぼ台形状の分布となってい
る。コレクタ側のB添加領域端でのGe組成の勾配は、B添
加領域中における勾配よりも大きくなっている。
【００３８】本実施形態によると、ベース層でGe組成が
勾配を持つために電子をエミッタからコレクタに加速す
る電界が生じる。そのために、電子のベース走行時間を
第６の実施形態のトランジスタと比較してさらに約２０
％低減することができる効果がある。
【００３９】（実施形態８）図1９は本発明の第８の実
施形態を示す光伝送システム中の前置増幅回路図であ
る。本実施形態は前記実施例のSiGeベースバイポーラト
ランジスタを増幅トランジスタ301、バッファ回路のト
ランジスタ302および303に用いた例である。フォトダイ
オード306から入力を増幅し、トランジスタ301,302,303
と抵抗304,305からなる増幅回路を経て、出力バッファ3
07から出力を行う回路である。前記実施例のSiGeベース
バイポーラトランジスタを用いることにより本回路は40
GHz以上の帯域を有する。
【００４０】SiGeベースバイポーラトランジスタの代わ
りに、GaAs等の化合物半導体よりなるトランジスタを用
いることによっても本回路の帯域を４０GHz以上とする
ことは可能である。しかし、SiGeベースバイポーラトラ
ンジスタを用いた本実施形態では、化合物半導体デバイ
スを用いた場合と比較して、基板材料が安価であるため
に低コストであり、成熟したSi系製造工程を用いて製造
されデバイスの微細化が容易であるために低消費電力で
あり、また、Si系デバイスであるため信頼度が高いとい
う特長がある。
【００４１】（実施形態９）図２０は本発明の第９の実
施形態を示す光受信モジュール中のフォトダイオードと
前置増幅器を含むフロントエンドモジュールである。本
実施形態は、前記実施例のSiGeベースバイポーラトラン
ジスタからなる前置増幅回路をフロントエンドモジュー
ルに適用した例である。光ファイバー401から入力した
光信号はレンズ402により集光されフォトダイオードIC4
03で電気信号に変換される。電気信号は基板407上の配
線405を通して前置増幅器IC404で増幅され出力端子406
から出力される。
【００４２】（実施形態１０）図２１は本発明の第１０
の実施形態を示す光伝送システム構成図である。本実施
形態は、前記実施形態のSiGeベースバイポーラトランジ
スタを、データを超高速で送信する光送信モジュール51
3、および受信する光受信モジュール514の両伝送システ
ム中の回路に適用した例である。
【００４３】本モジュールは、送信側電気信号510を処
理する多重変換デジタル回路501、半導体レーザ503、お
よび半導体レーザ503を駆動するための半導体レーザ駆
動アナログ回路502、更には送信された光信号511をフォ
トダイオード504により変換した受信側電気信号512を増
幅する前置増幅器505、および自動利得制御増幅器506、
クロック抽出回路507、識別回路508の各アナログ回路、
およびデジタル回路である分離変換回路509よりなって
いる。本実施形態において、多重変換デジタル回路50
1、半導体レーザ駆動アナログ回路502、前置増幅器50
5、自動利得制御増幅器506、クロック抽出回路507、識
別回路508、および分離変換回路509の中のトランジスタ
が前記実施形態のSiGeベースバイポーラトランジスタと
なっている。このSiGeベースバイポーラトランジスタの
遮断周波数、および最大遮断周波数が200Ghzと高いた
め、本伝送システムは1秒当たり40Gビット以上の大容量
の信号を超高速で送受信することができる。本実施形態
においても、前記第５の実施例と同様な特長がある。
【００４４】（実施形態１１）図２２は本発明の第１１
の実施形態を示すミリ波送受信システム中の発振回路図
である。本回路は、トランジスタ601、バラクタダイオ
ード602、1/4波長スタブ603、604、帰還用スタブ607、6
08、整合回路としての伝送線路609、610よりなってい
る。本実施形態は前記実施例のSiGeベースバイポーラト
ランジスタをトランジスタ601に用いた例である。本回
路は送信用、受信用ミキサにミリ波帯周波数信号を供給
する回路である。前記実施例のSiGeベースバイポーラト
ランジスタを用いることで本回路は60GHz以上の帯域を
有する。
【００４５】SiGeベースバイポーラトランジスタの代わ
りに、GaAs等の化合物半導体よりなるトランジスタを用
いることによっても本回路の帯域を６０GHz以上とする
ことは可能である。しかし、SiGeベースバイポーラトラ
ンジスタを用いた本実施形態では、化合物半導体デバイ
スを用いた場合と比較して、基板材料が安価であるため
に低コストであり、成熟したSi系製造工程を用いて製造
されデバイスの微細化が容易であるために低消費電力で
あり、また、Si系デバイスであるため信頼度が高いとい
う特長がある。
【００４６】（実施形態１２）図２３は本発明の第１２
の実施形態を示すミリ波送受信システムの構成図であ
る。本実施形態は、前記実施形態のSiGeベースバイポー
ラトランジスタを、ミリ波送受信システム中の回路に適
用した例である。
【００４７】本ミリ波送受信システムは、送信用発振回
路701と、送信用電気信号を受け周波数を上げる送信ミ
キサ回路702と、フィルタ703、710と、送信ミキサの出
力を受ける電力増幅回路704と、送受信切り替えスイッ
チ回路705と、ミリ波送受信用アンテナ706と、アンテナ
からの受信電気信号を増幅する低雑音増幅回路707と、
受信用発振回路708と、低雑音増幅回路の出力を受け周
波数を下げる受信ミキサ回路709よりなっている。本実
施形態において、送信用発振回路701、送信ミキサ回70
2、電力増幅回路704、低雑音増幅回路707、受信用発振
回路708、受信ミキサ回路709中のトランジスタが前記実
施形態のSiGeベースバイポーラトランジスタとなってい
る。このトランジスタの遮断周波数、および最大遮断周
波数が200Ghzと高いため、本送受信システムは６０GHz
以上の周波数のミリ波信号をを送受信することができ
る。本実施形態においても、前記第８の実施例と同様な
特長がある。
【００４８】
【発明の効果】本発明によると、ベースのB添加層に隣
接するエミッタ−ベース接合領域とベース−コレクタ接
合領域のベース拡散速度を小さくすることができる。そ
の結果、エピタキシャル成長直後のベースのB添加層幅
が２０nm、ピーク濃度が１×1020cm-3である場合、エミ
ッタアニール後のB添加領域の幅は約２６nm〜２８nmと
なり、従来例の約４０nmの約６５％〜７０％に縮小でき
る。その結果、電子のベース走行時間を約４２％〜５０
％に低減できる効果がある。
【００４９】さらに、本発明によると、ベース層のコレ
クタ側の端において価電子帯にノッジが形成されるため
に、コレクタ電流の増大による実効的なベース幅の増大
が起こりにくくなる。そのため、トランジスタの遮断周
波数が最大となるコレクタ電流が従来例と比較して５０
％増加する。その結果、ベース走行時間の低減効果と合
わせて、最大遮断周波数が４０％〜７０％向上する効果
がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のSiGe混晶をベースに
用いたバイポーラトランジスタの不純物濃度、Ge組成の
深さ方向分布を示すグラフである。
【図２】本発明の第１の実施形態のSiバイポーラトラン
ジスタの、活性領域のエネルギーバンド構造を示したも
のである。
【図３】本発明の第１〜第７の実施形態のバイポーラト
ランジスタの縦断面構造である。
【図４】本発明の第１〜第７の実施形態のバイポーラト
ランジスタの主要部分の縦断面構造である。
【図５】本発明の第１〜第７の実施形態のバイポーラト
ランジスタの製造方法における主要な工程での主要部分
の縦断面構造である。
【図６】本発明の第１〜７の実施形態におけるバイポー
ラトランジスタの製造方法における主要な工程での主要
部分の縦断面構造である。
【図７】本発明の第２の実施形態のバイポーラトランジ
スタの不純物濃度、Ge組成の深さ方向分布を示すグラフ
である。
【図８】本発明の第３の実施形態のバイポーラトランジ
スタの不純物濃度、Ge組成の深さ方向分布を示すグラフ
である。
【図９】本発明の第４の実施形態のバイポーラトランジ
スタの不純物濃度、Ge組成の深さ方向分布を示すグラフ
である。
【図１０】本発明の第４の実施形態のバイポーラトラン
ジスタの、活性領域のエネルギーバンド構造を示したも
のである。
【図１１】本発明の第５の実施形態のバイポーラトラン
ジスタの不純物濃度、Ge組成の深さ方向分布を示すグラ
フである。
【図１２】本発明の第６の実施形態のバイポーラトラン
ジスタの不純物濃度、Ge組成の深さ方向分布を示すグラ
フである。
【図１３】本発明の第６の実施形態のバイポーラトラン
ジスタの、活性領域のエネルギーバンド構造を示したも
のである。
【図１４】本発明の第７の実施形態のバイポーラトラン
ジスタの不純物濃度、Ge組成の深さ方向分布を示すグラ
フである。
【図１５】SiGe混晶層における、Ge組成とBの拡散係数
の関係を示すグラフである。
【図１６】本発明の第１の実施形態のトランジスタと従
来型トランジスタについて、最大遮断周波数のコレクタ
電流密度依存性を比較したグラフである。
【図１７】従来型の選択エピタキシャル成長SiGeベース
を用いたバイポーラトランジスタにおける、不純物濃
度、Ge組成の深さ方向分布の例を示すグラフである。
【図１８】従来型の選択エピタキシャル成長SiGeベース
を用いたバイポーラトランジスタの、活性領域のエネル
ギーバンド構造を示したものである。
【図１９】本発明の第5の実施例の光伝送システムの前
置増幅器である。
【図２０】本発明の第6の実施例の光伝送システムのフ
ロントエンドモジュールの構成図である。
【図２１】本発明の第7の実施例の光伝送システムの構
成図である。
【図２２】本発明の第5の実施例のミリ波送受信システ
ムの発振回路である。
【図２３】本発明の第6の実施例のミリ波送受信システ
ムの構成図である。
【符号の説明】
１…ｐ型Si基板、２…ｎ+型Si層、３…低濃度ｎ型Si
層、４…SiO2膜、５…ｎ+型Si層、６…SiO2膜、７…ノ
ンドープ多結晶Si膜、８…Si3N4膜、９…ｐ型多結晶Si
膜、10…SiO2膜、11…ｎ型Si層、12…低濃度ｎ型SiGe
層、13…ｐ型SiGe層、14…低濃度ｎ型SiGe層、15…ノン
ドープｎ型Si層、16…ｐ型多結晶SiGe層、17…SiO2膜、
18…Si3N4膜、19…ｎ+型多結晶Si膜、20…ｎ+型Si層、2
1…SiO2膜、22…SiO2膜、23…ｎ+型多結晶Si膜、24…金
属膜、25…金属膜、26…金属膜、27…SiO2膜、28…Si3N
4膜、301,302,303…SiGeベースバイポーラトランジス
タ、304,305…抵抗、306…フォトダイオード、307…出
力バッファ、401…光ファイバー、402…レンズ、403…
フォトダイオード、404…前置増幅器IC、405…配線、40
6…出力端子、407…基板、408…パッケージ、501…多重
変換デジタル回路、502…半導体レーザ駆動アナログ回
路、503…半導体レーザ、504…フォトダイオード、505
…前置増幅器、506…自動利得制御増幅器、507…クロッ
ク抽出回路、508…識別回路、509…分離変換回路、510
…送信側電気信号、511…送信された光信号、512…受信
側電気信号、513…光送信モジュール、514…光受信モジ
ュール、601…SiGeベースバイポーラトランジスタ、602
…バラクタダイオード、603,604…1/4波長スタブ、608
…帰還用スタブ、610…伝送線路、701…送信用発振回
路、702…送信ミキサ回路、703…フィルタ、704…電力
増幅回路、705…送受信切り替えスイッチ回路、706…ミ
リ波送受信用アンテナ、707…低雑音増幅回路、708…受
信用発振回路、709…受信ミキサ回路、710…フィルタ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｂ 10/14 10/04 10/06 (72)発明者 鷲尾 勝由 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 5F003 BA11 BB01 BB04 BB05 BB07 BB08 BC07 BC08 BE07 BE08 BF06 BJ99 BM01 BP11 BP21 BP31 BP41 BP93 5K002 AA01 AA03 BA02 BA07 BA13 BA31 DA05 FA01

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ベースにBドープのSiとGeの混晶（SiGe）
    を用いたバイポーラトランジスタにおいて、エミッタ−
    ベース接合空乏層領域とベースコレクタ接合空乏層領域
    でのGe組成の最大値が、ベース層内の平均値よりも大き
    くなっていることを特徴とするバイポーラトランジス
    タ。
  2. 【請求項２】請求項１のバイポーラトランジスタにおい
    て、ベース層端近傍からコレクタにかけてのGe組成が増
    加している領域の組成勾配が、ベース層内の平均の組成
    勾配よりも大きくなっていることを特徴とするバイポー
    ラトランジスタ。
  3. 【請求項３】ベースにBドープのSiとGeの混晶（SiGe）
    を用い、ベースコレクタ接合空乏層領域でのGe組成の最
    大値がベース層内平均値よりも大きくなっているバイポ
    ーラトランジスタにおいて、ベース層端近傍からコレク
    タにかけてのGe組成が増加している領域の組成勾配が、
    ベース層内の平均の組成勾配よりも大きくなっているこ
    とを特徴とするバイポーラトランジスタ。
  4. 【請求項４】ベースにBドープのSiとGeの混晶（SiGe）
    を用い、ベースコレクタ接合空乏層領域でのGe組成の最
    大値がベース層内の平均値よりも大きくなっているバイ
    ポーラトランジスタにおいて、エミッタ側のベース層端
    からエミッタ−ベース接合にかけて、Ge組成が一定とな
    っている領域を有することを特徴とするバイポーラトラ
    ンジスタ。
  5. 【請求項５】請求項４のバイポーラトランジスタにおい
    て、ベース層端近傍からコレクタにかけてのGe組成が増
    加している領域の組成勾配が、ベース層内の平均の組成
    勾配よりも大きくなっていることを特徴とするバイポー
    ラトランジスタ。
  6. 【請求項６】光信号を受け電気信号を出力する受光素子
    と、受光素子からの電気信号を受ける第１の増幅回路
    と、上記第１の増幅回路の出力を受ける第２の増幅回路
    と、所定のクロック信号に同期して、上記第２の増幅回
    路の出力をディジタル信号に変換する識別器と、そのデ
    ィジタル信号を分離変換する回路を有する光受信システ
    ム、および、多重のディジタル信号合成する回路と、半
    導体レーザとそれを駆動するための半導体レーザ駆動回
    路を有する光送信システムであって、上記第１、第2の
    増幅回路、識別器、ディジタル信号分離変換回路、多重
    ディジタル信号合成回路、および半導体レーザ駆動回路
    中の少なくとも1つのトランジスタが、請求の範囲第1項
    又は第２項に記載されたSiGeベースバイポーラトランジ
    スタにより構成されたことを特徴とする光受信システ
    ム。
  7. 【請求項７】ミリ波（周波数30GHz〜300GHz）を送受信
    するアンテナと、アンテナからの受信電気信号を増幅す
    る第１の増幅回路と、上記第１の増幅回路の出力を受け
    周波数を下げる受信ミキサ回路と、第１の発振回路と、
    送信用電気信号を受け周波数を上げる送信ミキサ回路
    と、第２の発振回路と、送信ミキサの出力を受け電力増
    幅する第２の増幅回路とを有するミリ波送受信システム
    であって、上記第１、第2の増幅回路、第１、第2の発振
    回路、送受信ミキサ回路の中の少なくとも1つのトラン
    ジスタが、請求の範囲第1項又は第２項に記載されたSiG
    eベースバイポーラトランジスタにより構成されたこと
    を特徴とするミリ波送受信システム。
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