JP2004022818A - Double heterojunction bipolar transistor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特にダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、携帯電話や携帯情報端末には、1GHz以上の周波数領域の高周波を送信する電力増幅器が必要である。この電力増幅器に用いられるトランジスタで重視される特性は電力の利用効率である。第1に所望の高周波出力を得るために入力する高周波電力が小さい方が有利であるから、高周波特性に優れたトランジスタが必要である。第2に電池から供給される直流電力を効率よく高周波電力に変換する特性が必要である。このため、所望の耐圧を確保した上で、素子の直列抵抗が小さい特性となるトランジスタが求められる。
【0003】
GaAsなどのIII−V族化合物半導体基板上に形成したヘテロ接合バイポーラトランジスタ(以下HBTと略記)は、電子の移動度が大きいという材料の物性から高周波特性に優れていると共に単一正電源で動作可能などの特性を有しており、携帯電話などの移動端末での採用例が多くなっている。ところが、電池から供給される直流電力を効率よく高周波電力に変換する特性という観点からは、まだ課題を有していた。
【0004】
図8にエミッタにInGaP、ベースとコレクタにGaAsを用いたHBTの典型的なIV特性を示す。コレクタ電流ICは、コレクタ−エミッタ間電圧VCEがゼロからは立ち上がらず、通称コレクタオフセット電圧と呼ばれる電圧Voffsetから立ち上がる。このコレクタオフセット電圧Voffsetは、InGaP/GaAs−HBTでは典型的には0.3V程度である。このような特性のトランジスタのコレクタに負荷を接続しベースに高周波を入力して高周波電力を得ようするとき、HBTトランジスタの時々刻々の動作点は、図8の負荷線Lの上を動いて行く。従って、図8の特性から得られる高周波電力の波形が歪無く線形に増幅できる最大の電圧振幅Vpは
Vp=(Vcc−Vk)
である。ここで、Vccは電源電圧、Vkは、負荷線LがHBTの動作領域と交わる最小の電圧である。従って、例えばこのトランジスタをB級にバイアスしたときのコレクタ効率は、
ηc=(Vcc−Vk)/Vcc*π/4
となる。なお電圧Vkはオフセット電圧Voffsetと直列抵抗による電圧降下の和である。図8の例では直列抵抗による電圧降下は0.2V程度でVkは0.5Vであった。従って、電源がLiイオン電池に直結して供給されているものと仮定して3.6Vであるとしたとき、コレクタ効率は、68%である。もし、オフセット電圧をゼロに出来たとすると効率は75%であるから、オフセット電圧の存在により7%程度の効率低下が見込まれる。
【0005】
さらに、近年の携帯電話では、CDMA方式などのように、基地局までの距離に応じて移動端末の送信電力を調整する方式が採用されている。この送信電力の調整においては、コレクタへの供給電圧をDC−DCコンバータなどを用いて可変とする方式が電力の使用効率が高く採用例が増加している。例えば、供給電圧を1.2Vまで下げる場合を想定すると、オフセット電圧がない場合の効率は、68%であるが、オフセット電圧の存在によって効率は、46%と19%も悪化してしまう。このため、特に電源電圧を可変とする移動端末の送信アンプへの適用において、HBTのオフセット電圧を低減することは重要な課題となっている。
【0006】
このような課題に対して、従来、ダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタ(以下DHBTと略記)の適用が試みられてきた。オフセット電圧は、EB(エミッタ、ベース)接合とBC(ベース、コレクタ)接合の非対称性によって生じる。具体的には、BC接合のON電圧がEB接合のON電圧よりも小さいので、VCEがこのON電圧の差にほぼ等しくなると、トランジスタが飽和領域に入るためである。DHBTはBC接合にも、ヘテロ接合を導入しEB接合とBC接合の非対称性を減じて、オフセット電圧の低減を図るという着想に基づく。HBTでは、ベースのドーピング濃度がコレクタのドーピング濃度より非常に大きいので、BC接合を流れる電流は、正孔電流が主体である。従って、BC接合に導入したヘテロ接合によってBC接合を横切る正孔電流を制御してBC接合のON電圧をEB接合と同程度に出来れば、オフセット電圧を減じ、ひいてはニー電圧(Vk)も低減できる。
【0007】
しかし、BC接合を横切る電子電流に注目してみると、DHBT特有の課題が問題となる。コレクタを構成する半導体の禁止帯幅を、ベースを構成する半導体の禁止帯幅よりも大きくすると、伝導帯にはエミッタからコレクタへ流れる電子電流を妨げるようなヘテロ障壁が生じる。このためDHBTではベースに電子が蓄積し電流利得の著しい低下や、コレクタ電流の上限値が小さくなってしまう問題が生じる。こうした電流ブロック効果を取り除くため、通常行われる手段の一つに、例えば特開2001−176881号公報に開示されているように、BC間のヘテロ接合とPN接合の間にスぺーサを挟む方法がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図9に従来のスぺーサ53を有するDHBTのバンド図を示した。図9の構造では、エミッタコンタクト層56から注入された電子は広禁止帯幅のエミッタ層55から狭禁止帯幅のベース層54から狭禁止帯幅のスペーサ層53を通って広禁止帯幅のコレクタ層52に流れ、サブコレクタ層51を介してコレクタ電極に至る。
【0009】
ここで、BC(ベース、コレクタ)間のヘテロ接合に生じた伝導帯の障壁の頂点57は、コレクタ52中の空乏層の強電界領域に存在するので、電子はトンネル効果及びこの強電界より得たエネルギーによって容易にこのヘテロ障壁を通過できる。しかし、このスぺーサ構造を用いてもまだニー電圧を効果的に低減することはできない。すなわち、コレクタ電圧が低下して、コレクタ空乏層の電界強度が下がると、電子がBC間のヘテロ接合に生じた伝導帯の障壁を通過できなくなるためである。特に、電流密度が増加してコレクタ空乏層中の電子濃度が増加すると、より一層ベース・コレクタ接合近傍の電界強度が低下するので、この障害が顕著となる。
【0010】
図10に、飽和領域にバイアスされた従来のスペーサを有するDHBTのバンド図を示す。図10に示すように、伝導帯の障壁の頂点57がベース54の伝導帯端とおおむね一致すると、著しい電子電流のブロック効果が発生する。通常、バイポーラトランジスタでは、電子電流が増加してBC接合端のコレクタ空乏層の電界強度がゼロに達すると、いわゆるベースプッシュアウト現象が生じ、その結果、電流利得や遮断周波数の低下が起こる。従って、BC接合端のコレクタ空乏層の電界強度がゼロに達する電流がトランジスタの動作上限の目安となる。
【0011】
ところが、DHBTでは、図10に示すように、BC接合端のコレクタ空乏層の電界強度がゼロに達するよりも前に電子電流のブロック効果が発生してしまうため、動作電流範囲が著しく狭まってしまうのである。このため、スぺーサを用いても十分な性能のDHBTは得られず、結果的にニー電圧の小さいHBTが得られないという問題があった。
【0012】
このように従来のHBTでは、電池から供給される直流電力を効率よく高周波電力に変換する特性という観点からは、まだ課題を有していた。
【0013】
【課題を解決するための手段】
この発明は、半導体基板上に形成されサブコレクタとなる高濃度の第1導電型の不純物を含む第1の半導体層と、前記第1の半導体層の上に形成されコレクタとなる低濃度の第1導電型の不純物を含む第2の半導体層と、前記第2の半導体層の上に形成された第3の半導体層と、前記第3の半導体層の上に形成されベースとなる高濃度の第2導電型の不純物を含む第4の半導体層と、前記第4の半導体層の上に形成されエミッタとなる第1導電型の不純物を含み前記第4の半導体層より大きい禁止帯幅を有する第5の半導体層とを具備し、前記第3の半導体層は前記第4の半導体層より禁止帯幅が大きくかつ自発分極を有することを特徴とするダブルへテロ接合バイポーラトランジスタの構成を有する。
【0014】
このような構成により、ベースよりも禁止帯幅が大きくかつ自発分極を有する半導体層がベース、コレクタ間に挿入されているので、飽和領域での動作時にベースからコレクタへ注入される正孔電流が小さくなり、オフセット電圧の小さいDHBTが得られるとともに、コレクタ層の電界強度が小さくなるバイアス条件でも、電子流の阻止能は減じられるので、動作電流の上限が大きく、ニー電圧の小さいDHBTを提供することが出来る。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、GaAs基板上に形成したInGaP/GaAs−DHBTに本発明を適用した実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【0016】
(第1の実施形態)
図1に示すように、この実施形態のInGaP/GaAs−DHBTは、半絶縁性のGaAs基板10の[100]面上にサブコレクタとなるN+型のGaAs層11が形成され、コレクタとなるN−型のGaAs層12がGaAs層11上に形成され、自発分極を有するInGaP層13がGaAs層12上に形成され、ベースとなるP+型のGaAs層14がInGaP層13上に形成され、エミッタとなるN型のInGaP層15がGaAs層14上に形成され、コンタクトバッファとなるN+型のGaAs層16がInGaP層15上に形成され、コンタクト層となるN+型のInGaAs層17がGaAs層16上に形成されてなる積層構造を有する。
【0017】
この積層構造は、GaAs基板10の[100]面上に例えばMOCVD法にて形成することができる。先ず、GaAs基板10の[100]面上にドーピング濃度5×1018cm−3でサブコレクタ層となるN+型のGaAs層11を500nmの厚さに堆積し、その上にドーピング濃度1×1016cm−3でコレクタ層となるN−型のGaAs層12を700nmの厚さに堆積する。次いで、GaAs層12上に、ドーピング濃度1×1016cm−3でN−型のInGaP層13を10nmの厚さに成長させる。この際、成長温度を620℃から670℃の範囲に設定することにより、InGaP層13は<111>方向にInPとGaPとが交互に積層された自然超格子を形成するようになる。
【0018】
更に、InGaP層13上にドーピング濃度4×1019cm−3でベース層となるP+型のGaAs層14を60nmの厚さに堆積し、その上にドーピング濃度5×1017cm−3でエミッタ層となるN型のInGaP層15を50nmの厚さに堆積させる。このInGaP層15上にはドーピング濃度5×1018cm−3でコンタクトバッファ層であるN+型のGaAs層16を100nmの厚さに成長させ、更にドーピング濃度3×1019cm−3でコンタクト層となるN+型のInGaAs層17を100nmの厚さに堆積する。
【0019】
最後に、メサエッチングによって、サブコレクタ層11とベース層14の表面を一部露出させ、夫々の露出面上にコレクタ電極18、ベース電極19を形成するとともに、InGaAs層17上にエミッタ電極20を形成してDHBTを作製した。
【0020】
ここで、N−型のInGaP層13とN型のInGaPエミッタ層15のIn組成比は0.5で、GaAs基板10に格子整合している。
【0021】
このようにして形成されたInGaP層13では、イオン化傾向の異なるInとGaが規則的に交互に並ぶため、自発分極が発生する。このため、図2に示したように、InGaP層13のコレクタ12側にはおよそ面密度がq*1012Coulomb/cm2の正電荷21が、ベース14側にはおよそ面密度がq*1012Coulomb/cm2の負電荷22が発生する。このため、InGaP層13のコレクタ12側端面では、電界強度にQs/εの不連続が生じる。ここで、Qsは、InGaP層13のコレクタ12側に発生した正電荷21の密度、εはInGaP層13の誘電率である。従って、電子電流が増加してコレクタ12内の空乏層の電界強度が低下して、InGaP層13のコレクタ12側端面でゼロになってもInGaP層13には、Qs/εの電界が残る。
【0022】
このようなバイアス状態のバンド図を図2に示した。バンドは、InGaP層13の自発分極による電界により、InGaP層13のコレクタ12側に折れ曲がる。この電界の大きさは、およそ150kV/cmの大きさに達するため、電子電流はへテロ障壁をトンネル効果によって通過できる。
【0023】
また、飽和領域でコレクタ12領域のバンドが平坦になるようにコレクタ電圧が低下した場合のバンド図を図3に示した。この場合でも、InGaP層13の中には自発分極による電界がそのまま残るので、電子電流が通過可能である。このとき、InGaP層13の両端の電位差はInGaP層13の厚みをdとして、d*Qs/εと計算され0.15Vとなる。すなわち、オフセット電圧はおよそ0.15Vとなり通常のHBTの半分程度に低減できる。
【0024】
従って、本実施形態によるDHBTの電流―電圧特性は、概略図4のようになる。図11には、コレクタ層も全てInGaP層とした従来のDHBTの特性を比較のために示した。図11に示す従来のDHBTの特性では、オフセット電圧は小さいものの電流ブロック効果で実効的なニー電圧が極めて大きくなってしまうのに対し、図4に示す本実施形態のDHBTの特性では電流ブロック効果の発生は、ベースプッシュアウトの発生点までは抑制されているのでニー電圧が小さい特性が得られた。
【0025】
なお、図4に示したような本実施形態による効果を有効に引き出すためには、下記の設計指針に従って構造を決定する必要がある。例えばオフセット電圧Voffsetを0.15V以下にすることを指標とすると、自発分極を有するInGaP層13の厚みdは、d<0.15*ε/Qs
となる。Qsは、InGaP層13の成長条件によって可変できるが、電子が障壁を通過できる電界強度を確保する必要がある。この電界強度をおよそ50kV/cm以上とすれば、本実施形態の適用が有効な自発分極を有するInGaP層13の厚みdは、30nm以下である。
【0026】
一方、自発分極を有するInGaP層13によって正孔がベース14からコレクタ12へ拡散するのを抑制するためには、軽い正孔がInGaP層13をトンネルする確率を小さくしなければならない。このため、InGaP層13の厚みdには下限が存在するが、発明者の実験によれば、10nm以上の厚みが必要であった。従って、自発分極を有するInGaP層13の厚みdは10nm以上で30nm以下であることが好ましい結果を得る条件であることが判明した。
【0027】
本実施形態によって、オフセット電圧Voffsetがおよそ0.15Vと通常のHBTの半分程度となるので、B級にバイアスした時の本実施形態のDHBTのコレクタ効率ηcは、下記の式より決定される。
【0028】
ηc=(Vcc−Vk)/Vcc*π/4
ここで、電源がLiイオン電池としてVcc=3.6V、直列抵抗による電位降下を0.2VとしてVk=0.35Vとした時、ηc=71% となり、従来のコレクタ効率66%より5%の効率上昇となる。さらに、コレクタ供給電圧を1.2Vまで下げたとすると(Vcc=1.2V)、ηc=56% となり、従来のコレクタ効率46%より10%もの効率上昇が見込まれる。
【0029】
このように本実施形態によれば、コレクタ供給電圧が低いほうが従来のコレクタ効率との差が顕著である。これは近年、携帯電話におけるCDMA方式などのように基地局との距離に応じてコレクタへの供給電圧を可変とする方式において、移動端末の送信アンプへの適用を考えると、使用効率が高く有望である。特に、携帯電話の連続通話時間を大幅に延長できるなど、本実施形態による効果は非常に大きい。
【0030】
以上より本実施形態によれば、従来技術に比べニー電圧が小さく高効率な電力増幅を行い得、移動端末の電力効率を向上し得るダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタが得られる。
【0031】
(第2の実施形態)
本発明をスペーサ法によるDHBTと組み合わせて適用することも可能である。このような実施形態をのDHBTの構成を図5に示した。この第2の実施形態のDHBTの構成は図1に示した第1の実施形態のDHBTの構成と殆ど同じであり、相違する点は、N−型のInGaP層13の上に、スペーサ層となるN+型のGaAs層30を成長させ、その上にベースとなるP+型のGaAs層14を積層した点である。その他の構成は同じであり同一の参照番号を付して重複した説明を省略する。
【0032】
この第2の実施形態のDHBT中に形成されるスペーサ層となるN+型のGaAs層30の形成は、MOCVD法にて、ドーピング濃度2×1018cm−3でN+型のGaAs層30として5nmの厚さに成長させることにより行われる。他のすべての半導体層は図1の場合と同じである。
【0033】
なお、この第2の実施形態では、自発分極したInGaP層13のベース14側端面の負電荷を補償してヘテロ障壁の持ち上がりを防ぐために、前述したように、スペーサ層30には、ドナーをドーピングし正の固定電荷を導入しておくことが好ましい。ドーピング量は、スペーサ30中のドナーの積分値が、自発分極したInGaP層13の負電荷量と概略等しくなるようにすることが望ましい。
【0034】
第1の実施形態と同様に、InGaP層13では、イオン化傾向の異なるInとGaが規則的に交互に並ぶため、自発分極が発生する。このため本実施形態によれば、前記第1の実施形態の効果に加え、InGaP層13の電界強度は、コレクタ12中の空乏層の電界強度が低下するようなバイアス条件下でも電子電流の通過が妨げられず、オフセット電圧とニー電圧の小さい特性のダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタが得られる。即ち、図3のバンド図と図6のバンド図とを比較すれば明らかなように、図6ではベース層14と自発分極層13との間で電界が生じていることが分かる。
(第3の実施形態)
図7に示すように、上記第1の実施形態の構造において、コレクタ層となっているN−型のGaAs層12を、自然超格子を含まない無秩序なInGaP層40で置き換えて構成される。残りの各半導体層の構成は図1と同じであり、同一の参照番号を付して説明を省略する。
【0035】
図7に示した自然超格子を含まない無秩序なInGaP層40は自発分極を生じない。従って、その上に自然超格子を含み自発分極を有するInGaP薄膜13を成長させるとその界面には正の固定電荷が発生する。従って、第1の実施形態と同様の機構により電子電流のブロック効果が排除され、オフセット電圧とニー電圧の小さなトランジスタ特性が得られる。特に、この第3の実施形態では、コレクタ空乏層がGaAs層12よりも禁止帯幅の大きなInGaP層40中に形成されるので、前記第1の実施形態の効果に加え、コレクタにおける耐圧が大きくなるという効果が得られる。
【0036】
(その他の実施形態)
上記の実施形態はいずれも、InGaP/GaAsダブルヘテロ接合バイポーラトランジスタに本発明を適用しているが、本発明は、その他の自発分極が得られる半導体材料を用いても同様に実施可能である。例えば、GaN基板上に成長したAlGaN層にも強い自発分極が発生するので、本発明の主旨に沿ったDHBTの作製が可能である。
【0037】
【発明の効果】
以上詳述したようにこの発明によれば、ベースよりも禁止帯幅が大きい半導体層がコレクタとの間に挿入されているので、飽和動作時にベースからコレクタへ注入される正孔電流が小さくなり、オフセット電圧の小さいDHBTが得られる。さらに、このベースよりも禁止帯幅が大きい半導体層は、自発分極を有しているので、コレクタの電界強度が小さくなるバイアス条件下でも、電子流の阻止能は減じられるので、動作電流の上限が大きく、ニー電圧の小さいDHBTを提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態によるDHBTの断面構造模式図。
【図2】本発明の第1の実施形態のバンド図。
【図3】飽和領域にバイアスされた、本発明の第1の実施形態のバンド図。
【図4】本発明の第1の実施形態のDHBT電流・電圧特性図。
【図5】本発明の第2の実施形態によるDHBTの断面構造模式図。
【図6】飽和領域にバイアスされた、本発明の第2の実施形態のバンド図。
【図7】本発明の第3の実施形態によるDHBTの断面構造模式図。
【図8】従来のシングルヘテロ接合バイポーラトランジスタの電流・電圧 特性図。
【図9】活性領域にバイアスされた、従来のベース・コレクタ接合に狭禁止帯幅のスぺーサ層を有するDHBTのバンド図。
【図10】飽和領域のバイアスされた、従来のベース・コレクタ接合に狭禁止帯幅のスぺーサ層を有するDHBTのバンド図。
【図11】従来のDHBTの電流・電圧特性図。
【符号の説明】
Voffset…オフセット電圧
L…負荷線
Vk…ニー電圧
10…GaAs基板
11…N+型GaAsサブコレクタ層
12…N−型GaAsコレクタ層
13…自発分極を有するInGaP層
14…P+型GaAsベース層
15…N型InGaPエミッタ層
16…N+型GaAsコンタクトバッファ層
17…N+型InGaAsコンタクト層
18…コレクタ電極
19…ベース電極
20…エミッタ電極
21…自発分極で発生した正の固定面電荷
22…自発分極で発生した負の固定面電荷
30…狭禁帯幅のスぺーサ層
40…自然超格子を含まない無秩序なInGaP層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The invention particularly relates to double heterojunction bipolar transistors.
[0002]
[Prior art]
Generally, a mobile phone or a portable information terminal requires a power amplifier for transmitting a high frequency in a frequency range of 1 GHz or more. An important characteristic of the transistor used in the power amplifier is power use efficiency. First, since it is advantageous that the input high-frequency power is small in order to obtain a desired high-frequency output, a transistor having excellent high-frequency characteristics is required. Second, it is necessary to have a characteristic of efficiently converting DC power supplied from a battery to high-frequency power. For this reason, there is a demand for a transistor that has a characteristic in which the series resistance of the element is small while securing a desired breakdown voltage.
[0003]
A heterojunction bipolar transistor (hereinafter abbreviated as HBT) formed on a III-V compound semiconductor substrate such as GaAs has excellent high-frequency characteristics due to the material properties of high electron mobility and operates with a single positive power supply. It has any of the possible characteristics and is increasingly used in mobile terminals such as mobile phones. However, there is still a problem from the viewpoint of efficiently converting DC power supplied from a battery to high-frequency power.
[0004]
FIG. 8 shows typical IV characteristics of an HBT using InGaP for the emitter and GaAs for the base and the collector. The collector current IC, the collector - emitter voltage V CE is not rise from zero, it rises from the voltage Voffset, which commonly called collector offset voltage. This collector offset voltage Voffset is typically about 0.3 V for InGaP / GaAs-HBT. When a load is connected to the collector of a transistor having such characteristics and a high frequency is input to the base to obtain high frequency power, the operating point of the HBT transistor every moment moves on the load line L in FIG. . Therefore, the maximum voltage amplitude Vp at which the waveform of the high-frequency power obtained from the characteristics of FIG. 8 can be linearly amplified without distortion is Vp = (Vcc-Vk)
It is. Here, Vcc is the power supply voltage, and Vk is the minimum voltage at which the load line L intersects the operating region of the HBT. Therefore, for example, the collector efficiency when this transistor is biased to class B is
ηc = (Vcc−Vk) / Vcc * π / 4
It becomes. The voltage Vk is the sum of the offset voltage Voffset and the voltage drop due to the series resistance. In the example of FIG. 8, the voltage drop due to the series resistance is about 0.2 V and Vk is 0.5 V. Therefore, when it is assumed that the power is supplied directly to the Li-ion battery and the voltage is 3.6 V, the collector efficiency is 68%. If the offset voltage can be reduced to zero, the efficiency is 75%. Therefore, the efficiency is expected to decrease by about 7% due to the presence of the offset voltage.
[0005]
Furthermore, in recent mobile phones, a method of adjusting the transmission power of a mobile terminal according to the distance to a base station, such as a CDMA method, is adopted. In the adjustment of the transmission power, a system in which the supply voltage to the collector is made variable by using a DC-DC converter or the like has a high power use efficiency and is increasingly used. For example, assuming that the supply voltage is reduced to 1.2 V, the efficiency in the absence of an offset voltage is 68%, but the presence of the offset voltage deteriorates the efficiency by 46% to 19%. For this reason, it is an important subject to reduce the offset voltage of the HBT, particularly in application to a transmission amplifier of a mobile terminal in which a power supply voltage is variable.
[0006]
In order to solve such a problem, application of a double heterojunction bipolar transistor (hereinafter abbreviated as DHBT) has been attempted. The offset voltage is caused by the asymmetry of the EB (emitter, base) junction and the BC (base, collector) junction. Specifically, since the ON voltage of the BC junction is lower than the ON voltage of the EB junction, the transistor enters a saturation region when VCE becomes substantially equal to the difference between the ON voltages. The DHBT is based on the idea of introducing a heterojunction into the BC junction to reduce the asymmetry between the EB junction and the BC junction to reduce the offset voltage. In the HBT, since the doping concentration of the base is much higher than the doping concentration of the collector, the current flowing through the BC junction is mainly a hole current. Therefore, if a hole current crossing the BC junction can be controlled by the heterojunction introduced into the BC junction to make the ON voltage of the BC junction almost equal to that of the EB junction, the offset voltage can be reduced, and the knee voltage (Vk) can be reduced. .
[0007]
However, focusing on the electron current crossing the BC junction, a problem specific to DHBT becomes a problem. If the bandgap of the semiconductor forming the collector is made larger than the bandgap of the semiconductor forming the base, a hetero-barrier is formed in the conduction band that prevents an electron current flowing from the emitter to the collector. For this reason, in the DHBT, there are problems that electrons are accumulated in the base and the current gain is significantly reduced, and the upper limit of the collector current is reduced. In order to remove such a current blocking effect, one of the commonly used means is to place a spacer between a heterojunction between BC and a PN junction as disclosed in, for example, JP-A-2001-176881. There is.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 9 shows a band diagram of a DHBT having the
[0009]
Here, since the
[0010]
FIG. 10 shows a band diagram of a DHBT having a conventional spacer biased in a saturation region. As shown in FIG. 10, when the
[0011]
However, in the DHBT, as shown in FIG. 10, a blocking effect of the electron current occurs before the electric field intensity of the collector depletion layer at the BC junction reaches zero, so that the operating current range is significantly narrowed. It is. Therefore, even if a spacer is used, a DHBT with sufficient performance cannot be obtained, and as a result, there is a problem that an HBT having a low knee voltage cannot be obtained.
[0012]
As described above, the conventional HBT still has a problem from the viewpoint of efficiently converting DC power supplied from a battery to high-frequency power.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a first semiconductor layer containing a high-concentration first conductivity type impurity formed on a semiconductor substrate and serving as a sub-collector, and a low-concentration first semiconductor formed on the first semiconductor layer and serving as a collector. A second semiconductor layer containing an impurity of one conductivity type, a third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer, and a high-concentration base formed on the third semiconductor layer and serving as a base; A fourth semiconductor layer containing impurities of the second conductivity type, and a bandgap larger than the fourth semiconductor layer containing impurities of the first conductivity type formed on the fourth semiconductor layer and serving as an emitter and serving as an emitter; A fifth semiconductor layer, wherein the third semiconductor layer has a wider band gap than the fourth semiconductor layer and has spontaneous polarization, and has a configuration of a double heterojunction bipolar transistor.
[0014]
With such a configuration, since the semiconductor layer having a larger band gap than the base and having spontaneous polarization is inserted between the base and the collector, the hole current injected from the base to the collector during operation in the saturation region is reduced. A DHBT having a small offset voltage and a small offset voltage can be obtained, and even under a bias condition in which the electric field strength of the collector layer is small, the stopping power of the electron flow is reduced, so that the DHBT having a large operating current and a low knee voltage is provided. I can do it.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment in which the present invention is applied to an InGaP / GaAs-DHBT formed on a GaAs substrate will be described in detail with reference to the drawings.
[0016]
(1st Embodiment)
As shown in FIG. 1, in the InGaP / GaAs-DHBT of this embodiment, an N + -
[0017]
This laminated structure can be formed on the [100] plane of the
[0018]
Further, a P +
[0019]
Finally, the surfaces of the
[0020]
Here, the In composition ratio of the N − -
[0021]
In the
[0022]
FIG. 2 shows a band diagram in such a bias state. The band is bent toward the
[0023]
FIG. 3 shows a band diagram when the collector voltage is lowered so that the band in the
[0024]
Accordingly, the current-voltage characteristics of the DHBT according to the present embodiment are as shown in FIG. FIG. 11 shows, for comparison, the characteristics of a conventional DHBT in which all the collector layers are also InGaP layers. In the characteristic of the conventional DHBT shown in FIG. 11, although the offset voltage is small, the effective knee voltage becomes extremely large due to the current blocking effect, whereas the characteristic of the DHBT of the present embodiment shown in FIG. Is suppressed up to the point where the base push-out occurs, so that a characteristic in which the knee voltage is small is obtained.
[0025]
In order to effectively bring out the effects of this embodiment as shown in FIG. 4, it is necessary to determine the structure according to the following design guidelines. For example, assuming that the offset voltage Voffset is 0.15 V or less, the thickness d of the
It becomes. Qs can be varied depending on the growth conditions of the
[0026]
On the other hand, in order to suppress the diffusion of holes from the base 14 to the
[0027]
According to the present embodiment, the offset voltage Voffset is about 0.15 V, which is about half that of a normal HBT. Therefore, the collector efficiency ηc of the DHBT of the present embodiment when biased to class B is determined by the following equation.
[0028]
ηc = (Vcc−Vk) / Vcc * π / 4
Here, when the power source is Vcc = 3.6 V as a Li-ion battery and Vk = 0.35 V with the potential drop due to the series resistance being 0.2 V, ηc = 71%, which is 5% lower than the conventional collector efficiency of 66%. Efficiency increases. Further, if the collector supply voltage is reduced to 1.2 V (Vcc = 1.2 V), ηc = 56%, and an increase in efficiency of 10% from the conventional collector efficiency of 46% is expected.
[0029]
As described above, according to the present embodiment, the difference from the conventional collector efficiency is more remarkable when the collector supply voltage is lower. In recent years, in a system in which the supply voltage to the collector is variable according to the distance from the base station, such as a CDMA system in a mobile phone, the use efficiency is high and promising in consideration of application to a transmission amplifier of a mobile terminal. It is. In particular, the effect of the present embodiment is very large, for example, the continuous talk time of the mobile phone can be greatly extended.
[0030]
As described above, according to the present embodiment, it is possible to obtain a double heterojunction bipolar transistor capable of performing high-efficiency power amplification with a low knee voltage and improving the power efficiency of a mobile terminal as compared with the related art.
[0031]
(Second embodiment)
It is also possible to apply the present invention in combination with DHBT by the spacer method. FIG. 5 shows the configuration of the DHBT according to such an embodiment. The configuration of the DHBT according to the second embodiment is almost the same as the configuration of the DHBT according to the first embodiment shown in FIG. 1 except that a spacer layer and a spacer layer are formed on the N − -
[0032]
The N + -
[0033]
In the second embodiment, as described above, the
[0034]
As in the first embodiment, spontaneous polarization occurs in the
(Third embodiment)
As shown in FIG. 7, in the structure of the first embodiment, the N − -
[0035]
The disordered
[0036]
(Other embodiments)
In each of the above embodiments, the present invention is applied to an InGaP / GaAs double heterojunction bipolar transistor. However, the present invention can be similarly implemented using other semiconductor materials capable of obtaining spontaneous polarization. For example, since a strong spontaneous polarization occurs in the AlGaN layer grown on the GaN substrate, it is possible to manufacture a DHBT according to the gist of the present invention.
[0037]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, since the semiconductor layer having a larger band gap than the base is inserted between the collector and the collector, the hole current injected from the base to the collector during the saturation operation is reduced. And a DHBT with a small offset voltage can be obtained. Further, since the semiconductor layer having a larger band gap than the base has spontaneous polarization, even under a bias condition in which the electric field strength of the collector is reduced, the ability of stopping the electron flow is reduced. And a DHBT with a low knee voltage can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of a DHBT according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a band diagram of the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a band diagram of the first embodiment of the present invention biased to a saturation region.
FIG. 4 is a DHBT current-voltage characteristic diagram according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic sectional view of a DHBT according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a band diagram of a second embodiment of the present invention, biased in the saturation region.
FIG. 7 is a schematic sectional view of a DHBT according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a current-voltage characteristic diagram of a conventional single heterojunction bipolar transistor.
FIG. 9 is a band diagram of a DHBT having a narrow band gap spacer layer at a conventional base-collector junction biased in the active region.
FIG. 10 is a band diagram of a DHBT having a narrow band gap spacer layer at a conventional base-collector junction biased in the saturation region.
FIG. 11 is a current-voltage characteristic diagram of a conventional DHBT.
[Explanation of symbols]
Claims (9)
前記第1の半導体層の上に形成されコレクタとなる低濃度の第1導電型の不純物を含む第2の半導体層と、
前記第2の半導体層の上に形成された第3の半導体層と、
前記第3の半導体層の上に形成されベースとなる高濃度の第2導電型の不純物を含む第4の半導体層と、
前記第4の半導体層の上に形成されエミッタとなる第1導電型の不純物を含み前記第4の半導体層より大きい禁止帯幅を有する第5の半導体層とを具備し、
前記第3の半導体層は前記第4の半導体層より禁止帯幅が大きくかつ自発分極を有することを特徴とするダブルへテロ接合バイポーラトランジスタ。A first semiconductor layer formed on a semiconductor substrate and including a high-concentration impurity of a first conductivity type serving as a subcollector;
A second semiconductor layer containing a low-concentration impurity of the first conductivity type formed on the first semiconductor layer and serving as a collector;
A third semiconductor layer formed on the second semiconductor layer;
A fourth semiconductor layer formed on the third semiconductor layer and containing a high-concentration impurity of the second conductivity type serving as a base;
A fifth semiconductor layer formed on the fourth semiconductor layer and containing an impurity of the first conductivity type serving as an emitter and having a larger bandgap than the fourth semiconductor layer;
A double heterojunction bipolar transistor, wherein the third semiconductor layer has a larger band gap than the fourth semiconductor layer and has spontaneous polarization.
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- 2002-06-17 JP JP2002175916A patent/JP2004022818A/en active Pending
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