JP2768970B2 - 半導体装置およびこれを用いた光電変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は半導体装置およびこれを用いた光電変換装置
に関するものである。

［従来の技術］ 従来の半導体装置として、ヘテロバイポーラトランジ
スタ（以下、ヘテロBPT）を例にとって説明する。

従来、ヘテロBPTとしては、ベース領域がほぼ均一なS
i_1-xGe_xにより形成され、エミッタおよびコレクタがSi
により形成されたものが知られている。また、これらは
分子線エピタキシャル法（MBE法）により作成されるの
が一般的であった。

第15図は、従来のBPTの一例を示す断面図である。図
において、１は基板、２はn⁺埋め込み領域、３は不純物
濃度の低いn^-領域、４はベース領域となるｐ領域、５は
エミッタ領域となるn⁺領域、６はチャネル・ストップと
なるｎ領域、７はバイポーラトランジスタのコレクタ抵
抗を下げるためのn⁺領域、101,102,103,104は素子、電
極および配線をそれぞれ分離するための絶縁膜、200は
金属、シリサイド、ポリサイド等により形成された電極
である。

以下、該BPTの各部について説明する。

基板１は、例えばリン（Ph）、アンチモン（Sb）、ヒ
素（As）等の不純物をドープしてｎ型とされるか、ある
いは、例えばボロン（Ｂ）、アルミニウム（Al）、ガリ
ウム（Ga）等の不純物をドープしてｐ型とされている。

埋め込み領域２は、必ずしもある必要はない。

ベース領域４には、例えばボロン（Ｂ）、ガリウム
（Ga）、アルミニウム（Al）等とゲルマニウム（Ge）が
ドープされている。

また、ベース領域４は、シリコン（Si）とゲルマニウ
ム（Ge）の混晶により形成されている。SiとGeは、とも
に同じダイヤモンド型結晶をとり、また、ともに完全固
溶体である。このため、Si_1-xGe_xは、すべてのＸ（０〜
１）について完全なダイヤモンド型結晶になる。禁止帯
幅E_gは、Siでは約1.1eVであり、Geでは約0.7eVである。

エミッタ領域５としては、例えば低圧化学蒸着（LPCV
D）等により形成されたポリシリコンが用いられる。

第16図は、Si_1-xGe_xの混晶比Ｘと禁止帯幅E_gとの関係
を示すグラフである。図において、横軸は混晶比Ｘを示
し、縦軸は禁止帯幅E_g、伝導帯側の減少幅ΔE_cおよび価
電子帯側の減少幅ΔE_vを示す。第16図から分かるよう
に、Si_1-xGe_xのおけるバンドギャップの減少はほとんど
価電子帯で起こっている。このことは、ヘテロBPTにと
っては非常に都合のよいことである。なぜなら、このこ
とにより、エミッタからの電子のベースへの注入の障壁
にならないからである。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、このような従来のBPTは、エミッタ領域を形
成するSi結晶とベース領域を形成するSi_1-xGe_x混晶との
界面に電気的再結合中心となる点欠陥あるいは格子不整
による転位が発生し、このため、エミッタ−ベース接合
近傍あるいはベース−コレクタ間に欠陥が生じ、BPTの
ベース電流が増加し、電流増幅率h_FEが下がるという課
題を有していた。

また、点欠陥あるいは転位のh_FEへの影響はコレクタ
電流の低電流側で著しく大きくなり、このためh_FEは１
近くまで減少し、場合によっては１以下となっていた。

以下、詳細に説明する。

Si結晶とSi_1-xGe_x混晶との界面での点欠陥あるいは転
位は、SiとSi_1-xGe_xとの格子定数の違いが原因となって
生ずるものである。

Siの格子定数はd_S1＝5.43086Å、Geの格子定数はD_Ge
＝5.65748Åでほぼ４％の格子定数の違いがある。した
がって、Si結晶とSi_1-xGe_x混晶の格子定数は異なる値を
示す。このため、両者の界面ではストレスが生じ、界面
で元素間の化学結合が部分的にきれる。これが点欠陥で
あり、これが著しい場合には、転位が発生する。

本発明は、以上説明したような従来の課題を解決する
ために試されたものであり、上記ヘテロ界面で、点欠陥
および転位が発生しない半導体装置を提供するものであ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体装置は、第１導電型のエミッタと第２
の導電型のベースと第１導電型のコレクタとを少なくと
も有する半導体装置において、 少なくとも前記ベースがSi_1-xGe_x結晶（０＜ｘ≦0.
5）により形成され、 前記Si_1-xGe_x結晶とSi結晶の界面が傾斜型ヘテロ界面
であり、 前記Si_1-xGe_x結晶と前記Si結晶との界面は、前記コレ
クタ領域中にあることを特徴とする。

上記特徴において、Geの添加は、イオン注入により行
なわれる。

本発明の光電変換装置は、上記半導体装置を用いたこ
とを特徴とする。

［作用］ 本発明によれば、従来問題とされていた、エミッタ領
域を形成するSiとベース領域を形成するSi_1-xGe_xとのヘ
テロ界面の点欠陥あるいは転位の発生を防ぐことがで
き、従って、ベース電流を小さくすることができ、電流
増幅率h_FEを大きくすることができる。

また、本発明の半導体装置は、このように、優れた電
流増幅率を有しているので、周波数f_Tを大きくすること
ができ、固体撮像装置等に用いる光電変換装置として採
用した場合、該固体撮像装置の読み出し速度を向上させ
ることができる。

以下、本発明について、詳細に説明する。

（電流増幅率） 本発明においてはエミッタをSiとし、ベースをSi_1-XG
e_xとしているから、SiのバンドギャップE_gを基準とし
て、Si_1-XGe_xはE_g′＝E_g−ΔE_gとなりΔE_gだけバンドギ
ャップが狭くなる。本発明のBPTでのベース電流、コレ
クター電流の解析的理論式は次のようになる（ただし、
エミッタの先は金属でコンタクトする）。

まず、ベース電流は、主として、ベースからエミッタ
への正孔の拡散電流 J_Binj＝（qni²D_p/N_EL_P） ×coth（W_E/L_P）［exp（V_BE/kT）−１］ …（１） と、エミッタから注入された電子の再結合電流 J_Brec＝［qni²D_nexp（ΔEg/kT）］ ×［−１＋cosh（W_B/L_N）］／［sinh（W_B/L_N）］ ×［exp（V_BE/kT）−１］ …（２） の２成分からなり、コレクタ電流は J_C＝［qni²D_nexp（ΔEg/kT）］ ×［cosech（W_B/L_N）］ ×［exp（W_BE/kT）−１］ …（３） となる。ただし、 q ;電荷 ni ;真性半導体電荷密度（Si） N_E ;エミッタの不純物密度 N_B ;ベースの不純物密度 D_P ;正孔の拡散係数 D_N :電子の拡散係数 L_P ;正孔の拡散長（≒（D_Pτ_Ｐ）^1/2） L_N ;電子の拡散長、（≒（D_Nτ_Ｎ）^1/2） k ;ボルツマン定数 T ;絶対温度 V_BE;ベース・エミッタ順バイアス電子 τ_P;正孔の少数キャリア寿命 τ_N;電子の少数キャリア寿命 である。

ここで、ΔE_g/kT≫１の場合は、 J_Binj≪J_Brec となり、さらにW_B≪L_Nとすると、電流増幅率h_FEは、 h_FE≒２（L_N/W_B）^２ …（４） の式で表されることとなる。すなわち、この場合には、
ΔE_gは、電流増幅率には大きくは影響しないようにな
る。

従って、この場合h_FEは、（L_N/W_B）の値から一義的に
決まる。

（Si_1-xGe_xの深さ） Si_1-XGe_xの層がｐ型層（ベース層）よりも浅い場合に
ついて説明する。

本発明ではGeとＰ型不純物からなる層をイオン注入で
作成するのでSi_1-xGe_xの層とＰ形層が一致するとは限ら
ない。Si_1-xGe_xの層がＰ形層より表面から浅い領域にし
かできないと問題が生ずる。

Si_1-XGe_xの層がｐ型層よりも浅い場合のBPTのポテン
シャル図は、第４図のようになる。なお、第４図では、
エミッタ・ベース間には順方向バイアスが印加され、ベ
ースコレクタ間には逆方向バイアスが印加された場合を
示している。

図に示したように、ｐ型領域の途中までしかSi_1-XGe_x
の層がない場合には、ベース中にΔE_gの電位障壁が生じ
てしまう。

このような電位障壁ができると、（３）式で示したコ
レクタ電流J_Cのうち、 exp（ΔE_g/kT） の増加分がなくなる。これは、第８図のＡ点における電
位障壁によって、ベース中を伝搬する少数キャリアが阻
止されることに起因するものである。すなわち、この障
壁を越えるキャリアは、 exp（−ΔE_g/kT） となる。従って、Si_1-XGe_xの層がｐ型層（ベース層）よ
りも浅い場合には、コレクタ電流は、通常のホモ接合の
BPTと変りがないことになる。

さらに、ベース中に注入される少数キャリアは、ベー
スがSiにより形成された場合に比較して、exp（ΔE_g/k
T）倍になっているため、再結合電流はホモ接合の場合
よりも大きくなる。そのため、BPTの電流増幅率h_FEは、
ホモ結合のBPTよりも小さくなってしまう。

以上説明した理由により、Si_1-xGe_xとSiのヘテロ界面
はベースとなる領域の中性領域にあってはならない。本
発明では、Si_1-xGe_xとSiの界面は、コレクタ領域中とす
る。

（傾斜型ヘテロ接合） 遷移領域の厚さの基準は、第５図から得られる値をつ
かって決めればよい。例えば、混晶比ｘ＝0.3であれば
ピーク濃度の幅は300Å以下にすればよく、ｘ＝0.2であ
れば500Å以下にすればよく、ｘ＝0.1であれば1500Å以
下にすればよい。イオン注入の不純物分布を例えばSIMS
（二次イオン質量分析器）で分析すれば、容易にイオン
注入条件を決めることができる。

第２図はSIMSで分析した例である。設計混晶比ｘに応
じて、SIMS分析結果と比較し、第５図データに従ってヘ
テロ接合の遷移領域の厚さ、すなわちイオン注入条件を
決める。

混晶比ＸとはSiとGeの原子の数の比である。Siはほぼ
５×10²²cm^-3であるので、Geのドーズ量により簡単に計
算できる。すなわち、Ｘは0.5以下がよい。

本発明においては、エミッタをシリコンとし、ベース
をSi_1-xGe_xとしているから、SiのバンドギャップE_gを基
準とすれば、Si_1-xGe_xはE_g′＝E_g−ΔE_gとなり、ΔE_gだ
けバンドギャップが狭くなる。

（BPTの遮断周波数f_T） 一般的に解析的にf_Tは次式で表わされる。

1/2πf_T＝（kT/qI_C＋r_EE）（C_be＋C_bc） ＋τ_Ｂ＋τ_Ｃ＋r_CC・C_bc …（５） ただし、I_Cはコレクタ電流、C_beはベース−エミッタ
間容量、C_bcはベース−コレクタ間容量、r_EEはエミッタ
の直列抵抗、r_CCはコレクタの直列抵抗、τ_Ｂはベース
走行時間、τ_Ｃはコレクタ空乏属中の走行時間である。

f_Tを大きくするためには（５）式の右辺の項を小さく
しなければならない。

r_EEは、大部分がオーミック接触に起因するものであ
り、表面濃度と電極に依存する。すなわち、表面はN⁺⁺
であればよい。

r_CCは第１図の２および７のN⁺領域よりもN^-領域３の
厚みにより大きく影響される。

f_Tの物理的意味は、エミッタからコレクタへのキャリ
アの時間遅れであり、これをτ_ecで表わすと、 f_T＝1/（２πτ_ec） …（６） となる。τ_ecを相対的に図示すると第８図の如くなる。
τ_ecは、I_Cと共に減少してゆき、極小点から急激に増加
してしまう。J₁により決まる変曲点は大電流効果が影響
する点である。

一例としてf_T＝10GHzをとるとτ_ec＝16psecとなる。

以下、これを基準に述べる。

τ_Ｂはベース走行時間であり、次式で表わされる。

τ_Ｂ＝W_B ²/ηD_B …（７） ベースが一様ドープの場合はη＝２であり、電位勾配
ε_biがある場合は、ηは次式で表される。

η≒２［１＋（ε_bi/ε_０）^3/2］ …（８） ここで、 ε_０＝2D_B/μ_BW_B である。一方、アインシュタインの関係を用いると、 ε_０＝kT/qW_B であり、また、電位勾配は、 ε_bi＝ΔV/W_B である。これらを（７）式に代入すると、 η≒２［１＋（ｑΔV/2kT）^3/2］ …（９） となる。従って、ΔＶ＝2kT/qであればη＝４となり、
τ_Ｂは1/2となる。また、 N_B ＝10¹⁸cm^-3, μ_ｎ＝300cm^-2/sec・Ｖ とし、 W_B＝0.1μｍ とすると、 W_B/2D_B＝13psec である。ここで、 ΔＶ＝2kT/q であれば、 W_B/2D_B＝6.5psec となり、 ΔＶ＝4kT/q であれば、 W_B/2D_B＝3.4psec とする。すなわち、ΔＶ＝2kT/q以上であればドリフト
の効果がでてくる。

この効果は、低温においては非常に大きくなる。例え
ば、液体窒素温度77゜Kでは、室温（300゜K）の1/4程度
になるので、 ΔＶ＝4kT/q＝0.026e であり、微小の電位勾配が非常に大きな効果をもつ。

τ_VCはコレクタ空乏層の走行速度であり、次式で表わ
される。

τ_VC＝W_BC/2V_s …（10） ただし、W_BCはベースコレクタ間空乏層幅、V_sは走行
速度である。

通常、V_Eは、飽和速度107cm/sec（但し≧10⁵V/m）で
あるから、W_BC＝0.1μm,0.5μm,1.0μｍとすると、τ_VC
は、それぞれ、0.5psec,2.5psec,5.0psecとなる。W_BCは
１μｍ以下になるように、ベースとコレクタの濃度を決
めればよい。

次に、τ_ｅ（エミッタ充電時間）について説明する。

通常、C_be≫C_bcで、かつエミッタ面積A_E＝1.5×1.5μ
m²である場合には、J_c＝１×10⁴〜10⁵A/cm²の高電流ま
で使用するので、 I_c＝J_c・A_E＝0.225〜2.25mA となり、室温でのkT/qI_Cは kT/qI_C＝111〜11.1Ω となる。ここで、 τ_ｅ＝（kT/qI_C＋r_EE）（C_be＋C_bc） ≒（kT/qI_C＋r_EE）・C_be …（11） より、J_c＝10⁴A/cm²を考えると、 kT/qI_C≫r_EE なので、τ_Ｅ＜5psecとすると、 （kT/qI_C）C_be＜5psec となり、 C_be＜５×10^-12×（qI_C/kT） ＝4.5×10^-14F となる。すなわち、45fF以下ならτ_ｅは5psec以下とな
る。例えば、10fFの場合、1psecとなる。

C_beが10fF以下のときは、τ_ｅのスピードはまったく
問題とならない。

コレクタ充電時間τ_ｃは、 τ_ｃ＝r_cc・εS/W_BC …（12） で表される。ここで、Ｓ＝４×４μm²とすれば τ_ｃ＝r_cc・1.66×10^-19/W_BC であるから、 r_CC＜６×10⁶・W_BC である。従って、W_BC＝0.1μｍであってもr_CC＜60Ω以
下とすれば問題はない。

（不純物濃度） （１）エミッタの不純物濃度 まず、エミッタの不純物濃度の下限について説明す
る。

コレクタ電流は、上述のように、（３）式で表わされ
るが、W_B≪L_nかつV_BE≫kTには、 J_c＝（qn_i ²D_n/N_BW_E）exp｛（V_BE＋ΔE_g）/kT｝ …（13） となる。

通常この式がなりたつのは、少数キャリア近似の N_D≫（n_i ²/N_B）｛（V_BE＋ΔE_g）/kT｝ …（14） がなりたつ場合であり、これがくずれる領域がこのトラ
ンジスタの電流駆動限界となる。

故に、上記（13）式の （n_i ²/N_B）｛（V_BE＋ΔE_g）/kT｝ をエミッタ濃度N_Dででおきかえた、 J_C≒ｑ（D_n/W_B）N_D …（15） が、このトランジスタのエミッタ濃度規定の電流駆動限
界となる。

通常、トランジスタとしては、J_cは10⁴〜10⁵A/cm²必
要である。ここで、 D_n＝（kT/q）μｎ であるから、第６図のμｎのデータを用いて、W_B＝0.1
としてN_Dの下限を計算すると、第７図のようになる。但
しここではJ_c＝１×10⁴,5×10⁴,1×10⁵Aとした。

（２）コレクタの不純物濃度 コレクタの不純物密度によって決定される電流限界は
次式で表される。

J_c＝ｑ・ｎ・V_S …（16） ここで、ベース・コレクタ間空乏層は、飽和速度 V_S＝10⁷cm/sec で走行し、ｎはN_cを限界とする。例えば、J_cが１×10⁴A
/cm²であればN_cは6.2×10¹⁵cm^-3となり、また、J_cが１
×10⁵A/cm²であればN_cは6.2×10¹⁶cm^-3となる。第８図
においてJ₁で示される電流は通常この値となる。このJ₁
＝J_cmaxで決められた値以上の電流を流すと、ベースか
らキャリアが注入され、ベース広がり効果が生じ（７）
式で示したτ_Ｂが急増する。そのため第８図で示したよ
うにτ_ecが急増する現象が表われる。一方、N_cが３×10
¹⁶cm^-3であれば５×10⁴A/cm²までは、τ_ecは急増しな
い。

（３）ベースの不純物濃度 次にベースの不純物濃度について説明する。

ベースのキャリア濃度は、注入少数キャリアの数が、 （n_i ²/N_B）exp｛（V_BE＋ΔE_g）/kT｝ よりも多ければよい。これよりも多ければ、電荷の中性
を保つことができる。すなわち、ベースの不純物濃度を
N_Bとすると、 N_B≫（n_i ²/N_B）exp｛（V_BE＋ΔE_g）/kT｝ …（17） であればよい。N_Bが、n_iexp｛（V_BE＋ΔE_g）/2kT｝近傍
になると、空間電荷効果が表われて、ベース中の抵抗が
急激に高くなる。

故に、N_B≫N_Dであれば、エミッタ不純物密度から決ま
る電流駆動能力を保証することができる。

次に、ベース−コレクタ間の空乏層の幅W_BCによるベ
ースおよびコレクタの不純物密度を検討する。W_BCとベ
ースに広がる空乏層幅x_pは と、 x_p＝N_C/（N_B＋N_C） …（19） により表すことができる。

ΔE_g＝0.1eV、室温、V_R＝5Vの一定条件でコレクタ不
純物密度N_c＝１×10¹⁶,3×10¹⁶,6×10¹⁶cm^-3をパラメー
タとしたときの、ベース不純物密度N_Bに対する空乏層厚
みW_BC,x_p（μｍ）の関係を第９図に示す。

N_c＝３×10¹⁶cm^-3では、W_BC＝0.35μｍとなり（10）
式のτ_vcは1.75psecとなり、問題はない。（７）式から
得られるτ_Ｂは、少なくともW_Bが0.1μｍ以下であるこ
とが必要であることを示している。ベースコレクタ間に
5V印加する場合、x_pは少なくともx_p＜W_Bとなる。また、
第９図から、N_Bは２×10¹⁷cm^-3程度またはそれ以上でな
ければならない。

以上説明したように、本発明のヘテロBPTでは、J_c＝
５×104A/cmの電流駆動条件にすると、 コレクタ不純物密度は、 N_c≧３×10¹⁶cm^-3 ベース不純物密度は、 N_B≧２×10¹⁷cm^-3 但しベース幅W_B≦0.1μｍ エミッタ不純物密度は、 N_D≧２×10¹⁷cm^-3 でなければならない。

ここで、エミッタサイズをA_E＝1.5×1.5μm²、ベース
面積をA_B＝４×４μm²とし、エミッタ−ベース間電圧を
バイアス値、ベース−コレクタ間電圧＝＋5Vとすると、
C_be＝3.6fF、C_bc＝4.4fF、W_BC＝0.39μｍでありτ_vcお
よびτ_ｃは充分小さくなる。τ_ｅは基本的にはI_cに逆比
例し、大電流域では極めて小さくなるので、τ_ecの下限
を決めるものはベースの走行時間τ_Ｂである。

従来のBPTでは、τ_Ｂがf_Tの上限を決めてしまう。さ
らに、低温においては、D_B＝（kT/qK）μｎの関係か
ら、さらにD_Bが小さくなってしまう。

これに対して、本発明の電位勾配を有したヘテロBPT
はその高性能を維持できる。

（電荷の蓄積） 次に、本発明のヘテロBPTにおける電荷の蓄積につい
て説明する。

BPTのごとき電荷蓄積型のデバイスでは伝搬遅延時間
Ｔは次式で近似できる。

Ｔ＝Q_BPT/I_c …（20） Q_BPTはBPTに蓄積されている電荷、I_cはコレクタ電流
である。Ｔを小にするにはQ_BPTを小さくし、かつI_cを大
にすればよい。

本発明に係わるヘテロBPTでは、従来のSiのBPTと比較
して、I_cがexp（ΔEg/kT）だけ増加しているので、これ
だけでＴを小さくすることができるが、さらにQ_BPTを小
さくする効果もある。

BPTの蓄積電荷Q_BPTは、ベースに蓄積される電荷で近
似できる。

Q_BPT＝ｑ∫（ｎ−n_p）dx …（21） ベース不純物密度が一定で、かつバンドギップの勾配
がないときは Q_BPT≒ｑ・n_p・L_n｛exp（V_BE/kT）−１｝ ×［｛cosh（W_B/L_n）−１｝／｛Sin（W_B/L_n）｝］ ＝（1/2）・ｑ・W_B［｛n_i ²・exp（ΔE_g/kT）｝/N
_B］ ×｛exp（V_BE/kT）−１｝ …（22） （但し、L_n≫W_B） となるので、 Ｔ＝（1/2）（W_B ²/D_n） …（23） である。これは（７）式におけるτ_Ｂと同じとなる。

exp（ΔE_g/kT）により電流が増加する効果は、蓄積電
荷が増加することで従来のホモBPTと同じとなってしま
う。

蓄積電荷Q_BPTを小さくするには、ベース中に電位勾配
をつけてドリフト型にしなければならない。

第10図は、横軸はベース幅W_Bで規格化した距離を示
し、縦軸は注入キャリアを不純物密度がベース中で一定
のBPTにおけるエミッタ−ベース接合（ｘ＝０）でのキ
ャリア数ｎ（０）で規格化した相対キャリア数ｎ^＊を示
す。

ベース内に電位分布をもたせ、図に示す如くＡ→Ｂ→
Ｃと電位分布を急にすると、キャリア数が減少する。τ
_Ｂが半分になるように、ΔＶ＝2kT/qとすると、蓄積電
荷も半分になる。

一方少数キャリアの蓄積等価的にあらわす拡散容量C
_DEは、 C_DE＝dQ_BPT/dV_BE＝ｑ・−［∫（ｎ−n_p）dx］ …（24） となる。ベース不純物一定、電位勾配のない場合は、 C_DE≒（ｑτ_n/kT）・I_c・［１−sech（W_B/L_N）］ ＝（1/2）（qI_C/kT）（W_B ²/D_n） …（25） であり、この値より電位勾配をつけると減少するのであ
る。C_DEは、ほぼ蓄積電荷量に比例するので、ΔＶ＝2kT
/qとすると、C_DEは半減することになる。

すなわち、電位勾配（ε_bi＝ΔV/W_B）をつけることに
より、HBTを高性能化することができる。

（光電変換装置） 本発明によれば、光電変換装置のf_Tを向上させること
ができ、また、電流増幅率が高くなることにより非破壊
度を向上させることができる。

従って、同一の素子から複数回読み出す必要がある場
合においても補正の必要がなく、かつ、高速度の読み取
りが可能な固体撮像装置を得ることができる。

［実施例］ （実施例１） 本発明の１実施例として、第１図に示した構成のBPT
を、イオン注入法を用いて作成した。

第２図は、第１図のＡ−Ａ′部の不純物分布Geの分布
の一例を示すグラフである。第２図において、横軸は深
さを示し、縦軸はGe,As,Bの不純物濃度の一例を示す。
なお、縦軸は対数表示であり、横軸は線形表示である。
なお、ヒ素（As）はエミッタ領域の不純物、Ｂはベース
領域の不純物であり、GeはSi_1-xGe_xのSi中の濃度せあ
る。As,B,Geは必ずしも絶対的な関係は示していない。

なお、本実施例では不純物としてAs及びＢを用いた
が、不純物はこれらに限るものではない。

Siの密度は、ほぼ５×10²²cm^-3であるので、Ｘ＝0.1
の場合、Ge＝５×10²¹cm^-3である。

例えば、SiO₂＝200Å、Ge₇₄が150keVでイオン注入
し、ドーズ量をGe＝５×10¹⁶cm^-2とした場合、Siの表面
から700Å程度でGeのピーク値５×10²¹cm^-3が得られ
る。

Geのピーク値と深さの関係は、ドーズ量と加速電圧と
の関係で一義的に決定される。また、SiとSi_1-xGe_xとの
遷移領域の厚さは、主として加速電圧とその後のプロセ
スの熱処理によって決定される。

エミッタとベースとの接合面（Ｅ−Ｂ面）は、Geのピ
ーク濃度付近がよい。

Ｅ−Ｂ接合での、エミッタへの少数キャリアに対する
ベースへの少数キャリアの比γは、近似的には次式で表
すことができる。

γ＝（L_pD_nN_D/W_BD_PN_A）exp（ΔE_g/kT） …（26） ここに、 N_D/N_A;エミッタとベースとのドーピング比、 D_N/D_P;ベースとエミッタ中の少数キャリアの拡散係数
比、 W_B ;ベース幅、 ΔE_g ;エミッタとベースのバンドギャップ減少幅 である。また、 exp（ΔE_g/kT） がＥ−Ｂ間ヘテロ接合の効果である。

ここで、ΔE_g≒0.1Vとし、常温であるとすると、exp
（ΔE_g/kT）≒54.5であり、またSi_1-xGe_xではΔE_c≒０
となるため、ΔE_g≒ΔE_vとなる。

通常のSiのみで構成されるBPTでは、ベース電流は、
エミッタからの電子の再結合電流J_Brecとベースからエ
ミッタへの注入電流J_Binjにより決まる。

J_B＝J_Brec＋J_Binj であるから、J_Brec≫J_Binjの場合、 h_FE≒J_C/J_Brec となり、ホモ結合のBPTに比べてh_FEが増大する。しか
し、従来のSi_1-xGe_xヘテロ結合BPTではストレスが多
く、かつ著しい場合は転位が生じ、Si_1-xGe_xとSiとの界
面に再結中心が多いため、過剰電流が流れ、低電流側で
はI_Bが増大し、I_Cが微小の領域ではh_FEが著しく低くな
る。第３図に本発明による改善を示す。図において、Ａ
が従来のヘテロBPT、Ｂが本発明のヘテロBPTである。

なお、本実施例においては、Ｘは、0.5以下とするの
が好ましい。0.5を越えると良好なBPTは作製困難であ
り、また、BPTにおいては0.5以下で十分である。

次に、本実施例のBPTの製造プロセスを示す。

ｐ型あるいはｎ型基板１に、埋め込み領域（n⁺）２を
作製する。

エピタキシャル技術等によりn^-領域を作製する。

BPTのコレクタ抵抗を下げるためのN⁺領域７を作成す
る。

素子分離領域101をチャネル・ストップ領域６と共に
作成する。

イオン注入によりGeとＢあるいはGa等のＰ型不純物を
N^-領域３上に作成し、ベース領域とする。

エミッタ用のコンタクトをあけた後、低圧化学蒸着
（LPCVD）やエピタキシャル装置により、多結晶あるい
は単結晶シリコンを堆積し、不純物をドープし、領域５
をパターン化することによりエミッタ領域を作成する。

絶絶物103を堆積後、コンタクト穴をあけAl材料を堆
積後パターン化する； 絶絶物104を堆積後、外部取出口を加工する。

以上が本実施例の製造プロセスの概略であるが、本実
施例で最も重要であるのは、に示したベース領域の作
製過程である。

傾斜型遷移領域を有するヘテロ接合を作成すること
は、必ずしもイオン注入を用いなくても可能であるが、
イオン注入を用いることが望ましい。

例えば、気相成長法であっても、傾斜型遷移領域を有
するヘテロ接合を作成することができる。この場合、例
えば、H₂＋SiH₂Cl₂＋GeH₄系等のガスを使い、GeH₄のガ
ス濃度を連続的に変化させて、ベース領域を作成すれば
よい。この時、温度を900℃以下、ガス圧を100Torr以下
とし、さらに、エピ速度を500Å/min以下とすれば、い
っそう容易であろう。また、真空中でのエピタキシャル
技術でも可能であると考えられる。

しかし、イオン注入法は、安定に混晶比を設定し、Ge
の濃度分布を正確に再現でき、かつ、量産性に富む点
で、他の方法に比べて非常に優れている。

これに加えて、Siは、Geをイオン注入した後はアモル
ファス化しているため、容易に固相エピタキシーするこ
とができ、プロセスの低温化ができる。さらには、Geや
Si中における拡散定数は小さく、1000℃以下の熱処理工
程の場合、イオン注入時のGe濃度分布がほとんど変化し
ないという特徴も有している。

このように、イオン注入によるSi_1-xGe_xの混晶の作製
は非常に多くの点ですぐれている。

なお、イオン注入時の半導体中での深さ方向Ｘに対す
る分布関数は近似的に次式で示される。

N(X)≒(N_O/2.5R_P)exp(−(Ｘ−R_P)²/(ΔR_P)^２) …（27） ここで、N_Oは単位面積当りのインプラ量、R_Pはピーク
になる位置、ΔR_Pはピークから１分散量（１σ）になる
距離である。R_pおよびΔR_pは加速電圧により変化する。

以上説明したようにしてヘテロBPTを作成することに
より、ヘテロ界面での点欠陥および転位の発生を抑える
ことができ、電流増幅率h_FEを大きくすることができ
た。

（実施例２） 他の実施例を示す。

本発明ではイオン注入によりGeをSi中に打ち込むの
で、イオンの加速電圧をかえると容易に任意の不純物分
布が作成でき、従って、Geのイオン注入時の加速電圧を
変化させることにより、Si_1-xGe_xのｘが、ベースの浅い
領域と深い領域で異なる値をとるようにすることができ
る。

本実施例では、Geのイオン注入時の加速電圧を変化さ
せることにより、Si_1-xGe_xのｘが、ベースの浅い領域よ
りも深い領域で大きい値をとるトランジスタを作成し
た。

第11図は、本実施例に係わるBPTの電位図であり、エ
ミッタ近傍のベースではバンドギャップがエミッタより
小さいE_g′（ΔE_g＝E_g−E_g′）であり、コレクタに近い
ベースではE_g″となっている（E_g′＞E_g″）。

通常の拡散で少数キャリアがベース中を伝搬する速度
は近似的に次式でも表わせる。

V_di≒D_n/W_E＝（kT/q）・（1/W_B）・μ_ｎ …（28） 第11図の如く、ベース中に電位の傾きを有する場合、
ドリフトにより、少数キャリアが移動するので、次式で
近似できる。

V_di≒μ_nE＝μ_ｎ・ΔE_g2/W_B …（29） 故にドリフトで効果が顕著になるのはΔE_g2＞kT/qの
範囲である。常温では、kT/qは0.025eVなので、これよ
り大きいと効果が生ずる（すなわち、走行速度Ｖが大き
くなる）。この効果は低温になるとさらに大となる。走
行速度Ｖが大になれば、ベース中のキャリアがすばやく
移動するので、高周波特性が改善される。また、ドリフ
ト構造であると、その移動速度はBPTの移動温度に影響
をうけない。

（実施例３） 第12図は、本発明の第３の実施例を示す図である。

本実施例に係るヘテロBPTは、エミッタが埋め込み構
造になっている点、基板１がｎ型である点および埋め込
み領域がない点で実施例１と異なる。

このようなヘテロBPTにおいても、実施例１に示した
ヘテロBPTと同様、h_FEを大きくすることができた。

（実施例４） 第13図は、基板にエミッタ５を作成した例である。

このようなヘテロBPTにおいても、実施例１に示した
ヘテロBPTと同様、h_FEを大きくすることができた。

（実施例５） 第14図は、本出願人が昭和62年12月21日に特許願
（２）において開示した固体撮像装置に、第１実施例に
示したヘテロBPTを用いたも場合を示す回路図である。
第７図において、Trで示した部分に、実施例１で示した
ヘテロBPTを使用した。

すなわち、本実施例では、ヘテロBPTを光電変換素子
として用いた。

本発明によれば、半導体装置のf_T（周波数）を向上さ
せることができるので、光電変換装置に用いた場合、非
常に有効である。

光電変換装置におけるf_Tは読み出し速度から決まる。

現状の光電変換装置（エリアセンサ）は500×640素子
である。HD（High Division;ハイビジョン対応のエリア
センサ）では、1000×2000素子になる。現状のテレビの
動作では、水平操作時間はHT≒50μsec、水平ブランキ
ング期間HALKは、８〜10μsecであるが、これがHDにな
ると、HT＝３〜3.7μsec,HBLK＝26μsecとなる。水平操
作を考えると、従来、T_H＝50μsec/640＝80nsecである
のに対し、HDではT_H＝26nsec/2000＝13nsecとなる。

周波数は、少なくとも６倍以上必要となる。すなわ
ち、現状でf_T≒１〜2GH_Zであるので、f_T＞６〜16GH_Z以
上必要となる。

また、ΔE_gは，以上の理由から、0.15eV以下であるこ
とが望ましい。

次に第14図に示したエリアセンサをカラーカメラとし
て使用する場合には、同一の光電変換素子の光情報を複
数回読み出す動作を行う。この際、同一素子から複数回
読み出すために、１回目読み出し時と２回目以降の読み
出し時の電気出力の比が問題となる。この値が小さくな
ると、補正が必要となる。

上記１回目と２回目との読み出し出力の比を非破壊度
を定義する。

非破壊度は次式で表される。

非破壊度＝（C_tot×h_FE）／（C_tot×h_FE＋C_v） ここで、C_totは第７図中Trで示される光電変換素子の
ベースに接続されている全容量を示し、ベース・エミッ
タ間容量C_beとベース・コレクタ間容量C_bcとC_oxにより
決まる。C_vはVL₁・・・VL_nで示される読み出し線路の浮
遊容量である。ただし、C_oxは回路方式によっては存在
しない場合もある。

非破壊度はh_FEを大きくすることにより容易に改善で
きる。すなわち、h_FEを大きくすることにより非破壊度
を大きくすることができる。

ここで、HD対応のエリアセンサでは、C_tot＝10fF,C_V
＝2.5PFであるので、例えば、非破壊度を0.90以上とす
るためには、h_FEは2250以上必要となる。十分な非破壊
度を保障するためには、h_FEは2000以上必要であると思
われる。

これに対して、従来、例えば、ホモ接合BPTでは、h_FE
は1000程度であったため、充分な非破壊度を得ることが
できなかった。一方、本発明の半導体装置では、h_FEを
十分大きくすることができるため、優れた非破壊度を得
ることができる。

さらに望ましくは、非破壊度は0.98以上であるとよ
い。そのときはh_FEは10000程度必要となる。従来のヘテ
ロBPTあるいはホモBPTにおいては、この値は達しえず、
本発明のヘテロBPTにおいてのみこの値は達し得ること
ができる。

なお、本実施例においてはエリアセンサの場合を示し
たが、ラインセンサにも応用できることは明らかであ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、半導体装置の
Si_1-xGe_xと混晶とSiとの界面を傾斜的遷移領域を有する
ヘテロ結合にすることにより、点欠陥、転位を非常に少
なくすることができる。従って、コレクタ電流の微小領
域で電流増幅率の著しく改善することができる。

また、本発明によれば、イオン注入法を用いているの
で、半導体装置の作製が非常に容易であり、優れた量産
性を確保することができる。

すなわち、本発明によれば、高性能の半導体装置およ
びこれを用いた光電変換装置を非常に安価に提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の係るBPTの構成を表わす断
面図、第２図は第１図のＡ−Ａ′部の不純物分布Geの分
布の一例を示すグラフ、第３図は本発明によるBPTの特
性の改善を示す図、第４図はSi_1-xGe_xの層がｐ型層より
も浅い場合のポテンシャル図、第５図はGeの混晶比Ｘと
転位が発生しない層の厚みとの関係を示すグラフ、第６
図は不純物濃度と移動度（μ_n,μ_ｐ）との関係を示すグ
ラフ、第７図はベース不純物濃度とエミッタ不順濃度の
下限との関係を示すグラフ、第８図はコレクタ電流限界
J_cとエミッタからのコレクタへのキャリアの時間遅れτ
_ecとの関係を示すグラフ、第９図はベース不純物密度N_D
とベース−コレクタ間の空乏層幅W_BCおよびベースの空
乏層幅X_pとの関係を示すグラフ、第10図はベース内での
規格化された位置X/W_Bと相対キャリア数ｎ^＊との関係を
示すグラフ、第11図は本発明の第２の実施例を示す図、
第12図は本発明の第３の実施例を示す図、第13図は本発
明の第４の実施例を示す図、第14図は本発明の第５の実
施例を示す図、第15図は従来のBPTの一例を示す断面
図、第16図はSi_1-xGe_xの混晶比Ｘと禁止帯幅E_gとの関係
を示すグラフである。 １……基板、２……n⁺埋め込み領域、３……不純物濃度
の低いn^-領域、４……ベース領域となるｐ領域、５……
エミッタ領域となるn⁺領域、６……チャネル・ストップ
となるｎ領域、７……バイポーラトランジスタのコレク
タ抵抗を下げるためのn⁺領域、101,102,103,104……素
子、電極および配線をそれぞれ分離するための絶縁膜、
200……金属、シリサイド、ポリサイド等により形成さ
れた電極。

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１導電型のエミッタと第２の導電型のベ
   ースと第１導電型のコレクタとを少なくとも有する半導
   体装置において、 少なくとも前記ベースがSi_1-xGe_x結晶（０＜ｘ≦0.5）
   により形成され、 前記Si_1-xGe_x結晶とSi結晶の界面が傾斜型ヘテロ界面で
   あり、 前記Si_1-xGe_x結晶と前記Si結晶との界面は、前記コレク
   タ領域中にあることを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】前記Si_1-xGe_x結晶とSi結晶の界面は、前記
   エミッタ領域中にあることを特徴とする請求項１記載の
   半導体装置。
3. 【請求項３】前記エミッタ領域と前記ベース領域との接
   合面において、Geの組成ｘがピークになっていることを
   特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置。
4. 【請求項４】Geの添加が、イオン注入により行われたも
   のであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１
   項に記載の半導体装置。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半
   導体装置を用いたことを特徴とする光電変換装置。