JP2743417B2 - Heterojunction bipolar transistor - Google Patents

Heterojunction bipolar transistor

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、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。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a heterojunction bipolar transistor.

従来の技術 半導体装置の動向は、高密度集積化と高速化・高周波
化にある。最近高周波デバイスとして、シリコンよりも
速い電子移動度を有する砒化ガリウム系を用いたヘテロ
接合バイポーラトランジスタが注目されている。ヘテロ
接合バイポーラトランジスタでは、ベースの半導体より
も大きい禁制帯幅を有する半導体をエミッタに用い、エ
ミッタ・ベース間でヘテロ接合が形成されている。これ
により、ベース側からエミッタ側へのキャリア注入が低
減されるため、高周波化のためベースを薄くかつ高濃度
にしても充分な電流増幅率が得られるという利点があ
る。従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ベー
ス内の半導体の混晶比を変えることにより、伝導体にエ
ミッタ側から傾斜をつけて、これにより形成される電界
により電子を加速し、ベースの走行時間の短縮を図って
いた。これを傾斜ベースと呼ぶ。またこの傾斜ベースに
より、散乱によりエミッタから外部ベースに流れ込む電
子が抑制され、トランジスタの電流増幅率が改善され
る。この傾斜ベースを有する砒化アルミニウムガリウム
系npn型ヘテロ接合バイポーラトランジスタの構成を第
3図およびトランジスタ動作時のエミッタからコレクタ
までの伝導帯の状態を第4図に示す。
2. Description of the Related Art Trends in semiconductor devices include high-density integration, high speed, and high frequency. Recently, a heterojunction bipolar transistor using a gallium arsenide system having higher electron mobility than silicon has attracted attention as a high-frequency device. In a heterojunction bipolar transistor, a semiconductor having a larger bandgap than a base semiconductor is used as an emitter, and a heterojunction is formed between the emitter and the base. As a result, carrier injection from the base side to the emitter side is reduced, and there is an advantage that a sufficient current amplification factor can be obtained even if the base is thin and has a high concentration for high frequency operation. In the conventional heterojunction bipolar transistor, the conductor is inclined from the emitter side by changing the mixed crystal ratio of the semiconductor in the base, electrons are accelerated by the electric field formed by this, and the transit time of the base is reduced. Was being planned. This is called a tilt base. Further, the inclined base suppresses electrons flowing from the emitter to the external base due to scattering, and improves the current amplification factor of the transistor. FIG. 3 shows the structure of the aluminum gallium arsenide-based npn-type heterojunction bipolar transistor having the inclined base, and FIG. 4 shows the state of the conduction band from the emitter to the collector when the transistor operates.

第3図に示すように、半導体基板1上に、n型不純物
を高濃度に含有したコレクタコンタクト領域2、n型不
純物を含有したコレクタ領域3、p型不純物を高濃度に
含有したベース領域4、ヘテロ接合を形成するためにベ
ース領域よりも大きい禁制帯幅を有する半導体からな
る、n型不純物を含有したエミッタ領域5およびn型不
純物を高濃度に含有したエミッタコンタクト領域6が順
に形成され、抵抗を低減させるためのp型不純物をイオ
ン注入した外部ベース領域12が、外部ベース領域12直下
のコレクタ層には浮遊容量低減のためイオン注入により
キャリアを低減された絶縁領域11が形成され、周辺には
イオン注入により絶縁化された素子間分離領域13が形成
されている。また、コレクタコンタクト領域2、外部ベ
ース領域12およびエミッタコンタクト領域6上にそれぞ
れオーミック接触するコレクタ電極7、ベース電極8お
よびエミッタ電極9が形成されている。この時第4図に
示すように、ベース領域4では、エミッタ領域5端から
砒化アルミニウムガリウムのアルミニウムの組成比を徐
々に変えることにより、領域ベースが形成されている。
例えば固体素子・材料コンファレンス国際学会予稿集34
3(1984)。
As shown in FIG. 3, a collector contact region 2 containing an n-type impurity at a high concentration, a collector region 3 containing an n-type impurity, and a base region 4 containing a p-type impurity at a high concentration on a semiconductor substrate 1. An emitter region 5 containing an n-type impurity and an emitter contact region 6 containing a high concentration of an n-type impurity, which are formed of a semiconductor having a forbidden band width larger than that of a base region to form a heterojunction, are sequentially formed; An external base region 12 in which p-type impurities are ion-implanted to reduce resistance is formed, and an insulating region 11 in which carriers are reduced by ion implantation to reduce stray capacitance is formed in a collector layer immediately below the external base region 12. Is formed with an element isolation region 13 insulated by ion implantation. On the collector contact region 2, the external base region 12, and the emitter contact region 6, a collector electrode 7, a base electrode 8, and an emitter electrode 9, which are in ohmic contact, respectively, are formed. At this time, as shown in FIG. 4, in the base region 4, the region base is formed by gradually changing the composition ratio of aluminum gallium arsenide from the end of the emitter region 5.
For example, Proceedings of the International Conference on Solid State Devices and Materials 34
3 (1984).

発明が解決しようとする課題 しかし上記のような構成では、ベース領域と同じ組成
を有する外部ベース領域上のベース電極は、アルミニウ
ムの組成比の大きい、即ち禁制帯幅の大きいエミッタ側
に形成されるため、充分低いコンタクト抵抗が得られ
ず、高周波特性に悪影響を及ぼすベース抵抗の増大につ
ながっていた。また、アルミニウムの組成がベース領域
内で徐々に変化しているため、砒化アルミニウムガリウ
ムと砒化ガリウムの選択エッチングによるベースの頭出
しが行えず、製造プロセスを複雑にしていた。
However, in the above configuration, the base electrode on the external base region having the same composition as that of the base region is formed on the emitter side having a large aluminum composition ratio, that is, a large forbidden band width. Therefore, a sufficiently low contact resistance cannot be obtained, which leads to an increase in base resistance which adversely affects high frequency characteristics. Further, since the composition of aluminum is gradually changed in the base region, the cue of the base cannot be performed by selective etching of aluminum gallium arsenide and gallium arsenide, thereby complicating the manufacturing process.

本発明は、上記の問題点を大きく改良するもので、傾
斜ベースの利点と充分低いコンタクト抵抗とが得られ、
かつ、選択エッチングによるベースの頭出しが行えるヘ
テロ接合バイポーラトランジスタを提供することを目的
とする。
The present invention significantly improves the above-mentioned problems, and provides the advantage of a tilt base and a sufficiently low contact resistance.
It is another object of the present invention to provide a hetero-junction bipolar transistor capable of searching for a base by selective etching.

課題を解決するための手段 上記課題を解決するため、本発明のヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタは、ベース内の伝導帯が、電子エネル
ギーに対して、上記エミッタ側より徐々に小さくなる領
域と、急峻に小さくなる界面と、平坦になる領域と、急
峻に大きくなる界面と、コレクタ側に徐々に小さくなる
領域とを有することを特徴とする。
Means for Solving the Problems To solve the above problems, the heterojunction bipolar transistor of the present invention has a conduction band in the base, a region where electron energy is gradually reduced from the emitter side, and a steeply reduced region. , A flat region, a steeply increasing interface, and a gradually decreasing region on the collector side.

作用 上記構成のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、従
来の構成によるヘテロ接合バイポーラトランジスタに比
べて、ほとんど同一の電流増幅率とベース走行時間とを
有しながら、より低いベース電極のコンタクト抵抗を得
ることができ、このことは、ヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタの高周波化に大きく貢献する。かつ、選択エッ
チングによるベースの頭出しが行えるので、製造プロセ
スを簡略化できる。
The heterojunction bipolar transistor having the above configuration can obtain a lower contact resistance of the base electrode while having almost the same current amplification factor and base transit time as compared with the heterojunction bipolar transistor having the conventional configuration. This greatly contributes to increasing the frequency of the heterojunction bipolar transistor. In addition, since the base can be located by selective etching, the manufacturing process can be simplified.

実施例 以下、本発明の一実施例を第1図から第2図に基づい
て説明する。
Embodiment An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.

第1図は、本発明の実施例における砒化アルミニウム
ガリウム系npn型ヘテロ接合バイポーラトランジスタの
構成を示す断面図である。第2図は、上記トランジスタ
動作時のエミッタからコレクタまでの伝導体の状態を示
した構造図である。まず第1図に示すように、砒化ガリ
ウムの半絶縁性基板21上に、n型不純物を高濃度に含有
したコレクタコンタクト領域22、n型不純物を含有した
コレクタ領域23がそれぞれ砒化ガリウムで形成されてい
る。その上に、p型不純物を高濃度に含有した第一ベー
ス領域41が、砒化アルミニウムガリウムの混晶で、上記
コレクタ領域23側よりアルミニウムの組成比が0から0.
05まで徐徐に増やされながら、p型不純物を高濃度に含
有した第二ベース領域42が砒化ガリウムでそれぞれ形成
されている。さらに、p型不純物を高濃度に含有した第
三ベース領域43が、砒化アルミニウムガリウムの混晶
で、上記第二ベース領域42側よりアルミニウムの組成比
が0.15から0.2まで徐々に増やされながら形成されてい
る。さらに、n型不純物を含有したエミッタ領域25が、
砒化アルミニウムガリウムの混晶でアルミニウムの組成
比を0.3にして、n型不純物を高濃度に含有したエミッ
タコンタクト領域26が砒化ガリウムでそれぞれ形成さ
れ、抵抗を低減させるためのp型不純物をイオン注入し
た外部ベース領域32は、上記第二ベース領域42から引き
出されて形成されている。外部ベース領域32直下のコレ
クタ層には浮遊容量低減のためイオン注入によりキャリ
アを低減された絶縁領域31が形成され、周辺にはイオン
注入により絶縁化された素子間分離領域33が形成されて
いる。また、コレクタコンタクト領域32、外部ベース領
域32およびエミッタコンタクト領域26上にそれぞれオー
ミック接触するコレクタ電極27、ベース電極28およびエ
ミッタ電極29が形成されている。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of an aluminum gallium arsenide-based npn-type heterojunction bipolar transistor according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a structural diagram showing the state of the conductor from the emitter to the collector during the operation of the transistor. First, as shown in FIG. 1, a collector contact region 22 containing an n-type impurity at a high concentration and a collector region 23 containing an n-type impurity are formed on a gallium arsenide semi-insulating substrate 21, respectively. ing. A first base region 41 containing a high concentration of p-type impurities is a mixed crystal of aluminum gallium arsenide, and the composition ratio of aluminum from the collector region 23 side is 0 to 0.
While gradually increasing to 05, the second base regions 42 containing p-type impurities at a high concentration are formed of gallium arsenide, respectively. Further, a third base region 43 containing a p-type impurity at a high concentration is formed by a mixed crystal of aluminum gallium arsenide while the composition ratio of aluminum is gradually increased from 0.15 to 0.2 from the second base region 42 side. ing. Further, the emitter region 25 containing an n-type impurity is
A mixed crystal of aluminum gallium arsenide was used to set the composition ratio of aluminum to 0.3, and emitter contact regions 26 containing n-type impurities at a high concentration were respectively formed of gallium arsenide, and p-type impurities for reducing resistance were ion-implanted. The external base region 32 is formed so as to be drawn out from the second base region. In the collector layer immediately below the external base region 32, an insulating region 31 in which carriers are reduced by ion implantation to reduce stray capacitance is formed, and an element isolation region 33 insulated by ion implantation is formed in the periphery. . On the collector contact region 32, the external base region 32, and the emitter contact region 26, a collector electrode 27, a base electrode 28, and an emitter electrode 29 that are in ohmic contact are formed, respectively.

これにより、第2図に示すように、ベース内の伝導体
が、電子エネルギーに対して徐々に小さくなる領域、即
ち第三ベース領域43と、急峻に小さくなる界面、即ち第
三ベース領域43と第二ベース領域42との接合部と、平坦
になる領域、即ち第二ベース領域42とが形成され、さら
に、急峻に大きくなる界面、即ち第二ベース領域42と第
一ベース領域41との接合部と、徐々に小さくなる領域、
即ち第一ベース領域41とが形成されている。この時、エ
ミッタ側より注入された電子は、第三ベース領域43内の
電界で加速され、第三ベース領域43と第二ベース領域42
との接合部でホットエレクトロンとなる。このホットエ
レクトロンは、コレクタ方向への速度成分が支配的であ
るので、外部ベース方向等への散乱が抑制され、一気に
第一ベース領域41に注入され、さらに第一ベース領域41
内の電界で再び加速されてコレクタ領域23に到達する。
従って、傾斜ベースの利点である高い電流増幅率と、速
いベース走行時間はほとんどそのまま維持され、かつよ
りコンタクト抵抗の低い砒化ガリウム層でベース電極を
形成できることになる。
Thereby, as shown in FIG. 2, the conductor in the base has a region where the electron energy gradually decreases, that is, the third base region 43, and an interface where the conductor decreases sharply, that is, the third base region 43. A junction between the second base region 42 and a flattened region, that is, a second base region 42 is formed, and further, a steeply increasing interface, that is, a junction between the second base region 42 and the first base region 41 Part and the area that gradually gets smaller,
That is, the first base region 41 is formed. At this time, electrons injected from the emitter side are accelerated by the electric field in the third base region 43, and the third base region 43 and the second base region 42
Hot electrons at the junction. Since the hot electrons are dominated by the velocity component in the direction of the collector, scattering in the direction of the external base or the like is suppressed, and the hot electrons are injected into the first base region 41 at a stretch, and furthermore, the first base region 41
It is accelerated again by the electric field inside and reaches the collector region 23.
Therefore, the base current can be formed with a gallium arsenide layer having a lower contact resistance while maintaining the high current amplification factor and the fast base transit time, which are the advantages of the tilted base.

上記構成における第二ベース領域は、より禁制帯幅の
小さい砒化インジウムガリウムの混晶でインジウムの組
成が0から1の半導体で形成しても良い。また、エミッ
タ領域、第三ベース領域、第二ベース領域および第一ベ
ース領域における混晶の組成比は自由に設計できるが、
砒化アルミニウムガリウムでアルミニウムが0.5以上の
ものは酸化が激しく実用的でない。
The second base region in the above structure may be formed of a mixed crystal of indium gallium arsenide having a smaller forbidden band width and a semiconductor having an indium composition of 0 to 1. Further, the composition ratio of the mixed crystal in the emitter region, the third base region, the second base region and the first base region can be freely designed,
Aluminum gallium arsenide with an aluminum content of 0.5 or more is not practical because of severe oxidation.

発明の効果 以上に記したように、本発明の構成のヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタは、従来の構成によるヘテロ接合バ
イポーラトランジスタに比べて、ほとんど同一の電流増
幅率とベース走行時間とを有しながら、より低いベース
電極のコンタクト抵抗を得ることができ、このことは、
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの高周波化に大きく
貢献する。かつ、選択エッチングによるベースの頭出し
が行えるので、製造プロセスを簡略化できる。
Effect of the Invention As described above, the heterojunction bipolar transistor having the configuration of the present invention has almost the same current amplification factor and base transit time as compared with the heterojunction bipolar transistor having the conventional configuration. A low base electrode contact resistance can be obtained, which means that
It greatly contributes to higher frequency of heterojunction bipolar transistor. In addition, since the base can be located by selective etching, the manufacturing process can be simplified.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例におけるヘテロ接合バイポー
ラトランジスタの構成を示す断面図、第2図は第1図の
トランジスタの伝導帯を示す構造図、第3図は従来のヘ
テロ接合バイポーラトランジスタの構成を示す断面図、
第4図は第3図のトランジスタの伝導帯を示す構造図で
ある。 21……半絶縁性基板、22……コレクタコンタクト領域、
23……コレクタ領域、25……エミッタ領域、26……エミ
ッタコンタクト領域、27……コレクタ電極、28……ベー
ス電極、29……エミッタ電極、31……絶縁領域、32……
外部ベース領域、33……素子間分離領域、41……第一ベ
ース領域、42……第二ベース領域、43……第三ベース領
域。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a heterojunction bipolar transistor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a structural view showing the conduction band of the transistor of FIG. 1, and FIG. Sectional view showing the configuration,
FIG. 4 is a structural diagram showing a conduction band of the transistor of FIG. 21 ... semi-insulating substrate, 22 ... collector contact area,
23 ... collector region, 25 ... emitter region, 26 ... emitter contact region, 27 ... collector electrode, 28 ... base electrode, 29 ... emitter electrode, 31 ... insulating region, 32 ...
External base region, 33: device isolation region, 41: first base region, 42: second base region, 43: third base region.

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ベースに用いる半導体よりも大きい禁制帯
幅を有する半導体をエミッタに用いるヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタにおいて、上記ベース内の伝導帯が、
電子エネルギーに対して、上記エミッタ側より徐々に小
さくなる領域と、急峻に小さくなる界面と、平坦になる
領域と、急峻に大きくなる界面と、コレクタ側に徐々に
小さくなる領域とを有することを特徴とするヘテロ接合
バイポーラトランジスタ。
1. A heterojunction bipolar transistor in which a semiconductor having a larger forbidden band width than a semiconductor used for a base is used for an emitter.
With respect to the electron energy, it is necessary to have a region that gradually decreases from the emitter side, an interface that sharply decreases, a region that becomes flat, an interface that sharply increases, and a region that gradually decreases on the collector side. Characteristic heterojunction bipolar transistor.
【請求項2】ベース電極を、ベース内の伝導体が平坦と
なる領域上に形成することを特徴とする請求項1記載の
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
2. The heterojunction bipolar transistor according to claim 1, wherein the base electrode is formed on a region in the base where the conductor is flat.
【請求項3】エミッタとして砒化アルミニウムガリウム
の混晶でアルミニウムの組成比が0から0.5の半導体、
ベース内の伝導帯が平坦になる領域として砒化インジウ
ムガリウムの混晶でインジウムの組成比が0から1の半
導体を用いることを特徴とする請求項2記載のヘテロ接
合バイポーラトランジスタ。
3. A semiconductor having a mixed crystal of aluminum gallium arsenide and a composition ratio of aluminum of 0 to 0.5 as an emitter.
3. The heterojunction bipolar transistor according to claim 2, wherein a semiconductor in which the indium composition ratio of indium is 0 to 1 is used as a region where the conduction band in the base is flat.
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