JP2774005B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は半導体装置に関し、特
にヘテロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）のベース領
域及びコレクタ領域のエネルギーバンド構造に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来のＨＢＴを説明するための断
面図であり、図２(a) は該ＨＢＴの断面構造を模式的に
示し、図２(b) はＨＢＴのエネルギーバンド構造を示し
ている。図において、２２は所定の基板（図示せず）上
にｎ型ＧａＡｓをエピタキシャル成長させて形成した厚
さ５０００オングストロームのコレクタ層で、そのキャ
リア濃度は５×１０¹⁶cm^-3となっている。また２１は該
コレクタ層２２上にＰ型Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓをその組成
比ｘを連続的に変化させてエピタキシャル成長してなる
厚さ１０００オングストロームの傾斜ベース層で、その
キャリア濃度は１×１０¹⁹cm^-3となっている。さらに２
０は上記ベース層２１上にエピタキシャル成長により形
成されたエミッタ層で、通常それぞれエピタキシャル成
長により形成された厚さ１５００オングストローム，キ
ャリア濃度５×１０¹⁷cm^-3のＮ型Ａｌ_0.3 Ｇａ_0.7 Ａｓ
層と、その上の厚さ１０００オングストローム，キャリ
ア濃度４×１０¹⁹cm^-3のＮ型Ｉｎ_0.5 Ｇａ_0.5 Ａｓ層と
から構成されている。

【０００３】ここで上記傾斜ベース層２１はＰ型Ａｌ_x
Ｇａ_1-x Ａｓの組成比ｘがそのエミッタ層２０側からコ
レクタ層２２側にかけて連続的に０．１から０まで変化
しており、これによって該ベース層２１のエネルギーバ
ンド構造は、図２(b) に示すように、伝導帯のエネルギ
ー準位２３ａがエミッタ層２０側からコレクタ層２２側
にかけて低くなるよう傾斜した構造となっている。つま
り傾斜ベース層２１のエミッタ層２０側の部分では、組
成比ｘが０．１程度であるので、この部分のエネルギー
ギャップＥｇはＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａｓの１．５５ｅＶ程
度となっており、また傾斜ベース層２１のコレクタ層２
２側の部分では、組成比ｘがほぼ０であるので、この部
分のエネルギーギャップＥｇはＧａＡｓの１．４２ｅＶ
程度であり、上記ベース層２１の両端で０．１３ｅＶ程
度のエネルギーギャップの差が生じている。これによっ
て上記ベース層２１内では、伝導帯のエネルギー準位２
３ａの傾斜によるくくりつけ電界が生じており、上記ベ
ース層２１内に注入された電子がコレクタ層２２側へ加
速されるようになっている。なお２３ｂは価電子帯のエ
ネルギー準位、２３はフラットなフェルミ準位である。

【０００４】このような構造のＨＢＴは、エミッタ層２
０からベース層２１に注入された電子が該ベース層２１
中のくくりつけ電界によって加速されるため、ベース層
２１の組成が全体に渡って均一である、くくりつけ電界
のないＨＢＴに比べて、ベース層２１中での電子の走行
速度が大きく、ベース走行時間が短縮されており、高速
動作が可能なものとなっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記傾斜ベ
ース層２１はＡｌ_xＧａ_1-x Ａｓの組成比ｘを連続的に
変化させて構成しているため、ベース層２１中でのくく
りつけ電界の大きさが電流増幅率βの面から制限されて
しまうという問題点があった。

【０００６】すなわち一般に電流増幅率βは、エミッタ
領域とベース領域とのバンドギャップの差、厳密には伝
導帯あるいは価電子帯のエネルギー準位２３ａ，２３ｂ
の差に依存するものであり、また上記くくりつけ電界の
強度は上記エネルギー準位の傾きによって決まるもので
ある。従って例えば上記伝導帯のエネルギー準位２３ａ
の傾きを大きくするためベース層２１のエミッタ層２０
側部分での組成比ｘを高くすると、エミッタ層（Ａｌ_x
Ｇａ_1-x Ａｓ，ｘ≒０．３）とのバンドギャップ差が縮
小し、電流増幅率βが低下してしまうこととなる。従っ
て、ベース層２１のエミッタ層２０側の組成比ｘはせい
ぜい０．１程度に制限され、この結果くくりつけ電界の
強度も制限される。

【０００７】また、上記コレクタ層２２ではベース層２
１に比べてその伝導帯のエネルギー準位２３ａに大きな
落差があり、このためベース層２１からコレクタ層２２
に電子が注入される際、電子は大きなエネルギーを持っ
た状態でコレクタ層２２内に注入されることとなり、コ
レクタ層２２内では電子はポテンシャルエネルギーのよ
り高いが低移動度のバレーに移り、つまりΓバレーから
Ｌ，Ｘバレーに移ってしまい、かえってコレクタ走行時
間が長くなり、高速化の妨げとなっているという問題が
あった。

【０００８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、電流増幅率の低下，つまりエミ
ッタ領域とベース領域とのエネルギーギャップの差の縮
小を招くことなくベース走行時間を短縮するとともに、
コレクタ走行時間を短縮することができ、これにより動
作性能の劣化を招くことなく動作速度の高速化を図るこ
とができる半導体装置を得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体装
置は、ベース領域を、種類の異なる化合物半導体層を複
数積層して構成するとともに、該各化合物半導体層を、
伝導帯あるいは価電子帯のエネルギー準位が隣接する他
の化合物半導体層のものと連続的につながり、かつ上記
エネルギー準位の傾斜によるキャリアのドリフト速度が
増大するよう、その構成原子の組成比を連続的に変化さ
せた構造としたものである。 この発明（請求項２）は、
上記請求項１記載の半導体装置において、上記コレクタ
領域の、ベース領域に隣接する部分を、該ベース領域と
同一導電型の化合物半導体から構成したものである。

【００１０】

【作用】この発明（請求項１）においては、ベース領域
を種類の異なる化合物半導体層を複数積層して構成する
とともに、該各化合物半導体層の構成原子の組成比を伝
導帯あるいは価電子帯のエネルギー準位が隣接する他の
化合物半導体層のものと連続的につながりかつキャリア
のドリフト電界が増大するよう変化させたから、ベース
領域では、これを構成する各化合物半導体層ごとにエネ
ルギー準位に落差を付けることができ、これによって電
流増幅率，つまりエミッタ領域とベース領域とのエネル
ギーギャップ差を小さくすることなく、ベース領域全体
でのドリフト電界の強度を増加させてベース走行時間を
短縮することができる。これにより動作性能の劣化を招
くことなく動作速度の高速化を図ることができる。

【００１１】この発明（請求項２）においては、請求項
１記載の半導体装置において、コレクタ領域の、上記ベ
ース領域の化合物半導体層に隣接する部分を、該ベース
領域と同一導電型の化合物半導体から構成しているの
で、電流増幅率の低下を伴わずにベース走行時間が短縮
されるだけでなく、ベース領域からコレクタ領域に注入
されたキャリアが、コレクタ領域でその伝導帯あるいは
価電子帯のエネルギー準位に対して大きなポテンシャル
エネルギーを持つことはなく、このためキャリアがコレ
クタ領域で移動度の低い高エネルギー準位のバレーへ移
動することはない。

【００１２】この結果、電流増幅率の低下を招くことな
くベース走行時間を短縮するとともに、コレクタ走行時
間を短縮することができ、これにより動作性能の劣化を
招くことなく動作速度のさらなる高速化を図ることがで
きる。

【００１３】

【実施例】以下この発明の実施例について説明する。図
１はこの発明の一実施例によるＨＢＴを説明するための
図であり、図１(a)はエミッタ，ベース及びコレクタ領
域の断面構造を、図１(b) は上記各領域のエネルギーバ
ンド構造を示す図である。図において、２は所定の基板
（図示せず）上にエピタキシャル成長により形成された
コレクタ領域で、上部コレクタ層２ａ，中間コレクタ層
２ｂ，及び下部コレクタ層２ｃからなる積層構造となっ
ている。また１は上記コレクタ領域２上にエピタキシャ
ル成長により形成された傾斜ベース領域で、上部傾斜ベ
ース層１ａ及び下部傾斜ベース層１ｂの２層を積層して
構成されている。また２０は上記ベース領域１上にエピ
タキシャル成長により形成された、図２のものと同一の
エミッタ領域である。

【００１４】ここで、上記上部傾斜ベース層１ａは厚さ
５００オングストローム，キャリア濃度１×１０¹⁹cm^-3
のＰ型Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓから構成されており、その組
成比ｘがエミッタ領域２０側から下部傾斜ベース層１ｂ
にかけて０．１から０まで連続的に変化させてあり、こ
れによってこの上部傾斜ベース層１ａでは、伝導帯のエ
ネルギー準位３ａを下部傾斜ベース層１ｂ側で低下する
よう傾斜させてある。また上記下部傾斜ベース層１ｂは
厚さ５００オングストローム，キャリア濃度１×１０¹⁹
cm^-3のＰ型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ａｓから構成されており、そ
の組成比ｙが上部傾斜ベース層１ａから上部コレクタ層
２ａにかけて０から０．１まで連続的に変化させてあ
る。この下部傾斜ベース層１ｂを構成する化合物半導体
のＩｎ_y Ｇａ_1-y Ａｓは、上部傾斜ベース層１ａのＡｌ
_x Ｇａ_1-x Ａｓとは逆に組成比ｙが増大するに従って、
伝導帯のエネルギー準位３ａが低下する性質を持ってい
る。

【００１５】また上記上部コレクタ層２ａは厚さ５００
オングストローム，キャリア濃度１×１０¹⁷cm^-3のＰ型
Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ａｓから構成されており、その組成比ｙ
が上記下部ベース層１ｂ側から中間コレクタ層２ｂ側に
かけて０．１から０まで連続的に変化させてあり、これ
によってコレクタ領域２の上部コレクタ層２ａ内で伝導
帯のエネルギー準位３ａが徐々に変化するようにしてい
る。なお，上記中間コレクタ層２ｂは厚さ及びキャリア
濃度がそれぞれ１５００オングストローム，１×１０¹⁷
cm^-3のｐ型ＧａＡｓ層から構成されており、また上記下
部コレクタ層２ｃは厚さ３０００オングストロームのｎ
型ＧａＡｓ層からなり、そのキャリア濃度は５×１０¹⁶
cm^-3となっている。なお上記各組成比ｘ及びｙの値は、
それぞれＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓ及びＩｎ_y Ｇａ_1-y Ａｓの
エピ成長が可能な範囲で、ある程度任意に決定できるも
のである。

【００１６】次に作用効果について説明する。上記上部
傾斜ベース層１ａのエミッタ側部分ではその組成比ｘが
０．１程度であるので、この部分のエネルギーギャップ
ＥｇはＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａｓの１．５５ｅＶ程度とな
り、また下部傾斜ベース層１ｂのコレクタ側部分ではそ
の組成比ｙが０．１程度であるので、この部分のエネル
ギーギャップＥｇはＩｎ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａｓの１．２９ｅ
Ｖ程度となる。このためベース領域１のエミッタ領域２
０側とコレクタ領域２側の両端で０．２６ｅＶのエネル
ギーギャップ差がとれる。これは従来の傾斜ベース層内
でのエネルギーギャップ差、つまりＡｌ_0.1 Ｇａ_0.9 Ａ
ｓとＧａＡｓのエネルギーギャップの差０．１３ｅＶの
約２倍であるので、ベース領域の厚みを同じとした場
合、ベース領域中の電界強度は約２倍となる。従って、
ベース領域中の電子のドリフト速度が増加することとな
り、これによってベース走行時間が短縮される。

【００１７】また上記コレクタ領域２のベース領域１と
隣接する上部コレクタ層２ａでは、組成比ｙが徐々にベ
ース領域側からコレクタ領域側にかけて０．１から０ま
で変化しているので、この部分ではエネルギーギャップ
Ｅｇが上記下部ベース層１ｂの１．２９ｅＶ程度から徐
々に増大しており、ベース領域１からコレクタ領域２に
注入された電子が、該コレクタ領域２の電子走行部分で
あるコレクタ層２ａ，２ｂ内でその伝導帯のエネルギー
準位３ａに対して大きなポテンシャルエネルギーを持つ
ことはない。このため電子がコレクタ領域２の電子走行
部分で移動度の低い高エネルギー準位のバレーへ移動す
ることはなく、これによってコレクタ走行時間が短縮で
きる。

【００１８】このように本実施例では、ベース領域１を
Ｐ型Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓからなる上部ベース層１ａとＰ
型Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ａｓからなる下部ベース層１ｂとから
構成し、各組成比ｘ及びｙを変化させることにより各ベ
ース層内で別々に伝導帯のエネルギー準位３ａに落差を
持たせるようにしたので、電流増幅率β，つまりエミッ
タ領域とベース領域とのエネルギーギャップ差を小さく
することなく、ベース領域全体での電界強度を増加させ
てベース走行時間を短縮することができる。

【００１９】また上記コレクタ領域２を多層構造とし
て、ベース領域１と隣接する上部コレクタ層２ａをＰ型
Ｉｎ_y Ｇａ_1-y Ａｓにより構成し、その組成比ｙを連続
的に０．１から０まで変化させてこの上部コレクタ層２
ａ内ではバンドギャップが徐々に広がる構造としたの
で、ベース領域１からコレクタ領域２に注入された電子
はこの上部ベース層２ａ内ではそのエネルギー準位３ａ
に対して大きなポテンシャルエネルギーを持つことはな
く、これによって電子の移動度の低いバレーへの移動を
回避してコレクタ走行時間が短縮できる。

【００２０】この結果電流増幅率の低下を招くことなく
ベース走行時間を短縮するとともに、コレクタ走行時間
を短縮することができ、これにより動作性能の劣化を招
くことなく動作速度の高速化を図ることができる。

【００２１】なお上記実施例では、上部傾斜ベース層１
ａとしてＡｌ_x Ｇａ_1-x Ａｓを、また下部傾斜ベース層
１ｂや上部コレクタ層２ａとしてＩｎ_y Ｇａ_1-y Ａｓを
用いたが、上記ベース層やコレクタ層を構成する化合物
半導体は他の３元又は４元系の化合物半導体でもよい。
またベース領域を構成する種類の異なる化合物半導体層
は上記実施例のように２層に限るものではなく、上記ベ
ース領域はたとえば種類の異なる化合物半導体層を３層
以上積層した構造でもよい。

【００２２】また上記実施例では、ｎｐｎ型ＨＢＴにつ
いて説明したが、ＨＢＴはｐｎｐ型であってもよく、こ
の場合上記実施例の構成においてＮ型の半導体層をＰ型
に、Ｐ型の半導体層をＮ型に変更することによりｐｎｐ
型ＨＢＴを実現することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上のようにこの発明（請求項１）に係
る半導体装置によれば、ベース領域を種類の異なる化合
物半導体層を複数積層して構成するとともに、該各化合
物半導体層の構成原子の組成比を伝導帯あるいは価電子
帯のエネルギー準位が隣接する他の化合物半導体層のも
のと連続的につながりかつキャリアのドリフト電界が増
大するよう変化させたので、ベース領域では、これを構
成する各化合物半導体層ごとにエネルギー準位に落差を
付けることができ、これによって電流増幅率の低下を招
くことなくベース領域全体でのドリフト電界の強度を大
きく増大することができる。

【００２４】この発明（請求項２）によれば、上記請求
項１記載の半導体装置において、コレクタ領域の、上記
ベース領域の化合物半導体層に隣接する部分を、該ベー
ス領域と同一導電型の化合物半導体から構成しているの
で、電流増幅率の低下を招くことなくベース走行時間を
短縮することができるだけでなく、コレクタ走行時間を
短縮することができる。つまり、ベース領域からコレク
タ領域に注入されたキャリアが、コレクタ領域でその伝
導帯あるいは価電子帯のエネルギー準位に対して大きな
ポテンシャルエネルギーを持つことはなく、このためキ
ャリアがコレクタ領域で移動度の低い高エネルギー準位
のバレーへ移動することはない。

【００２５】この結果、動作性能の劣化を招くことなく
動作速度のさらなる高速化を図ることができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるＨＢＴの断面構造及
びそのエネルギーバンド構造を示す図である。

【図２】従来のＨＢＴの断面構造及びそのエネルギーバ
ンド構造を示す図である。

【符号の説明】

１ ベース領域 １ａ 上部傾斜ベース層 １ｂ 下部傾斜ベース層 ２ コレクタ領域 ２ａ 上部コレクタ層 ２ｂ 中間コレクタ層 ２ｃ 下部コレクタ層 ３ フェルミ準位 ３ａ 伝導帯のエネルギー準位 ３ｂ 価電子帯のエネルギー準位 ２０ エミッタ領域

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 29/00 - 29/267 H01L 29/30 - 29/38 H01L 29/66 - 29/737 H01L 21/33 - 21/331

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コレクタ領域及びエミッタ領域と、該各
   領域とヘテロ接合をなし、伝導帯あるいは価電子帯のエ
   ネルギー準位を、キャリアにドリフト速度が発生するよ
   う傾斜させたベース領域を有するヘテロバイポーラトラ
   ンジスタにおいて、 上記ベース領域を、種類の異なる化合物半導体層を複数
   積層して構成するとともに、該各化合物半導体層を、伝
   導帯あるいは価電子帯のエネルギー準位が隣接する他の
   化合物半導体層のものと連続的につながり、かつ上記エ
   ネルギー準位の傾斜によるキャリアのドリフト速度が増
   大するよう、その構成原子の組成比を連続的に変化させ
   た構造としたことを特徴とする半導体装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体装置において、 上記コレクタ領域の、ベース領域に隣接する部分は、該
   ベース領域と同一導電型の化合物半導体から構成されて
   いることを特徴とする半導体装置。