JP2825325B2 - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

ヘテロ接合バイポーラトランジスタ

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JP2825325B2 JP2214835A JP21483590A JP2825325B2 JP 2825325 B2 JP2825325 B2 JP 2825325B2 JP 2214835 A JP2214835 A JP 2214835A JP 21483590 A JP21483590 A JP 21483590A JP 2825325 B2 JP2825325 B2 JP 2825325B2
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Description

【発明の詳細な説明】 (イ)産業上の利用分野 本発明は化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラ
トランジスタに関する。
(ロ)従来の技術 ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(以後、HBTと略
する)は高い駆動能力と優れた高周波特性を合せもつた
め、次世代の超高速デバイスとして注目されている。HB
Tの高速化の為にはベース走行時間の短縮が有効であ
る。
そのため、最近では、ベース層として厚み方向への組
成が傾斜した、いわゆる組成グレーデッドAlGaAsを用い
てベース層内に内部電界を持たせ、電子を加速すること
により、そのベース走行時間の短縮を図る工夫がなされ
ている(グレーデッドベース構造AlGaAs/GaAsヘテロ接
合バイポーラトランジスタ」、応用電子物性分科会研究
報告No.410,1P−V−8、応用物理学会(昭和60年)) このような従来のグレーデッドベースAlGaAs/GaAs H
BTの構造を第2図に示す。図に示すように、半絶縁性Ga
As基板21上に、n+−GaAsコレクタコンタクト層22、n−
GaAsコレクタ層23、p−AlxGa1-xAs(x=0→0.1)ベ
ース層24(組成グレーデッド)、n−AlxGa1-xAs(x=
0.1→0.3)エミッタ遷移層25、n−AlxGa1-xAs(x=0.
3)エミッタ層26及びn+−GaAsエミッタコンタクト層27
が順次形成されている。但し、組成グレーディングの方
向(→)はエピタキシャル成長の方向で示した。エミッ
タコンタクト層27上にはエミッタ電極28が、また、メサ
エッチングにより露出したベース層24、コレクタコンタ
クト層22上にはベース、コレクタ層29、210がそれぞれ
形成されている。
第3図にこのようなグレーデッドベースHBTのエネル
ギバンドダイアグラムを示す。エミッタからベースに注
入された電子は内部電界Ebi(=ΔEg/Wb,ΔEg;ベース層
のエミッタ端とコレクタ端におけるエネルギギャップ
層、Wb;ベース層厚)を受けて加速されベース層を走行
する。第2図に示された構造で、ベース層24の厚みが10
0nmの場合、Ebiは約12kV/cmとなる。
(ハ)発明が解決しようとする課題 電子のベース走行時間を短縮してHBTをより高速化す
るには、第2図のようなHBTにおいては、AlGaAsベース
層24のエミッタ端側でAl組成を大きく取り、内部電界を
更に高めることが考えられる。
しかしながら、AlGaAsのAl組成が増加すると、結晶性
劣化によるベース層シート抵抗増加及びベースオーミッ
ク電極へのバリアハイト増加によるベースコンタクト抵
抗増加が顕著になり、これが素子の高速化に却って悪影
響を及ぼす。また、ベース層からエミッタ層への正孔の
注入に対するエネルギーバリアハイトが低くなりベース
層へ電子注入効率の低下を招き、電流利得を劣化させる
方向に働く。
そこで、AlGaAsベース層のエミッタ端でのAl組成の増
加にあわせてAlGaAsエミッタ層のAl組成を増加させて注
入効率の低下を原理的に防止することも考えられるが、
この場合には、DXセンタなどの再結合センタの数がAlGa
Asベース層で大幅に増加し、それにより却って電子注入
効率が低下する不都合が生じる。
本発明はこのような従来の問題点に鑑みなされたもの
であり、ベース抵抗の増加及びエミッタ注入効率の低下
をもたらすことなくベース内部電界を高めことができ、
高速化の向上したHBTを提供することを目的とする。
(ニ)課題を解決するための手段 上記目的を達成するため、本発明は、GaAsからなるコ
レクタ層及びコレクタ遷移層、ベース層及びエミッタ層
をこの順で有し、ベース層がエミッタ層よりバンドギャ
ップの小さな半導体材料で構成されたヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタにおいて、エミッタ層がAlGaAs層から
なり、ベース層がコレクタ遷移層と接すると共にコレク
タ遷移層側からエミッタ層側にかけてIn量が減少し、そ
の減少量に応じてAl量が増加する組成を有するInAlGaAs
層からなることを特徴としている。
本発明におけるヘテロ接合バイポーラトランジスタ
は、基本的にGaAs基板のような適当な基板上に、n−Ga
Asのようなコレクタ層を形成し、この上に上記ベース層
とエミッタ層とを積層配置することにより構成すること
ができ、各コレクタ層、ベース層、エミッタ層にはコレ
クタ電極、ベース電極、エミッタ電極が各々接続され
る。ここでベース層とコレクタ層との間やベース層とエ
ミッタ層との間には、各層間の組成不整合を緩和する組
成遷移層(一面側でその隣接層の組成と近似する組成を
有し、他面側でその隣接層の組成と近似する組成傾斜
層)が設けられていてもよい。また、コレクタ電極やエ
ミッタ電極は各々n+−GaAsのような低抵抗のコンタクト
層を介して上記コレクタ層やエミッタ層に接続されてい
るのが好ましい。
本発明のベース層は、厚み方向に組成が傾斜した、組
成グレーデッドInAlGaAs層からなる。かかるベース層
は、p−型不純物ドープ(npnHBT)又はn−型不純物ド
ープ(pnpHBT)されているのが好ましい。組成傾斜はベ
ース層の基板側からエミッタ側方向に、InAlGaAsのIn量
が減少し、Al量が増加するようになされるのが素子特性
上好ましい。ここで組成傾斜は連続(直線)的な傾斜で
あってもよく、段階的な傾斜であってもよい。このよう
なInAlGaAs層は、気相エピタキシャル、MBE等の公知の
手法を用い、Inソースガス、Alソースガス等の供給量を
連続又は断続的に変化させることにより得ることができ
る。
一方、本発明で用いるエミッタ層は適宜不純物が添加
されたAlGaAs層からなり、かかる層自体は公知のAlGaAs
層を適用することができる。
(ホ)作用 本発明に用いられるInAlGaAsベース層はIn及びAl組成
を変えられる為、従来のAlGaAsグレーデッドベースに比
べバンド構造的に設計の自由度が高い。ここでは、その
中から、最も実用的且つ効果的な例を取り上げ、本発明
の作用を説明する。
第4図(a)、(b)に従来のAlxGa1-xAsグレーデッ
ドベース及び本発明の一例のInyAlxGa0.9Asグレーデッ
ドベースのバンド構造をそれぞれ示す。Al組成xは共に
コレクタ側からエミッタ側にかけて0から0.1に直線的
に変化させている。本発明のInyAlxGa0.9Asグレーデッ
ドベースでは更にIn組成yを同方向に0.1から0に直線
的に変化させている。第4図から本発明のベース層はエ
ミッタ端で従来のベース層と同じAl組成のAlGaAsであり
ながら、従来構造の場合に比べ、約0.1eVも大きいΔEg
を有することが判る。第4図(a)、(b)の構造にお
いてベース層厚が100nmでは内部電界はそれぞれ12kV/c
m、23kV/cmと計算される。また、ベース層での電子移動
度を1200cm2/V・secと仮定するとドリフト速度はそれぞ
れ1.4×107cm/sec、2.4×107cm/secとなる。このように
本発明のベース層の場合、従来に比してAl組成を増加す
ることなく、即ち、ベース抵抗を増加させることなく、
電子のベース走行時間を短縮でき、従って、HBTの高速
化を改善できる。
(ヘ)実施例 以下に本発明の実施例について説明する。
本発明のHBTは第1図に示すように半絶縁性GaAs(10
0)基板11上にn+−GaAsコレクタコンタクト層12、n−G
aAsコレタク層13、n−InGaAsコレクタ遷移層14、組成
グレーデッドp−InAlGaAsベース層15、n−AlGaAsエミ
ッタ遷移層16、n−AlGaAsエミッタ層17、n+−GaAsエミ
ッタコンタクト層18が順に積層されている。
かかるHBTはメサ構造をしており、各メサ頂部にエミ
ッタ、ベース、コレクタ電極19,20,21がそれぞれ形成さ
れている。なお、上記エピタシャル構造において、コレ
クタ遷移層及びエミッタ遷移層14,16は各ヘテロ界面の
伝導帯端のスパイクを無くすためものである。かかるHB
Tの作製について説明すると、先ずLEC半絶縁性(ρ>10
7Ωcm)GaAs(100)基板11上にMBE法を用いて、n+−GaA
s(Siドープ、5×1018cm-3、500nm)コレクタコンタク
ト層12、n−GaAs(Siドープ、5×1016cm-3、500nm)
コレクタ層13、n−InxGa1-xAs(x=0→0.1、Siドー
プ、5×1016cm-3、20nm)コレクタ遷移層14、p−InxA
l0.1−xGa0.9As(x=0.1→0、Beドープ、1×1019cm
-3、100nm)ベース層15、n−AlxGa1-xAs(x=0.1→0.
3、Siドープ、5×1017cm-3、20nm)エミッタ遷移層1
6、n−Al0.3Ga0.7As(x=0.3、Siドープ、5×1017cm
-3、100nm)エミッタ層17、n+GaAs(Siドーブ、5×10
18cm-3、150nm)エミッタコンタクト層18を順に積層成
長する。次に、メサ構造をウエットエッチングにより形
成し、最後に各メサ頂部にエミッタ、ベース、コレクタ
電極をそれぞれ蒸着、更に合金化熱処理を行い素子を完
成する。エミッタ及びコレクタ電極はAu−Ge系、ベース
電極はAu−Zn系オーミックメタルを用いた。
特性比較のための同プロセスにて従来型グレーデッド
ベースHBTを作製した。エピ構造はベース層(p−AlxGa
1-xAs、x=0→0.1、Beドープ、1×1019cm-3、100n
m)が異なること及びコレクタ遷移層が無いこと(従っ
て、従来型HBTの方がコレクタ層が薄い)以外は本発明
の実施例と同じである。RF測定の結果、本発明の実施例
の素子(エミッタサイズ2μm×10μm)においてカッ
トオフ周波数Ft=71GHz(Jc=8×104A/cm2)を得た。
一方、従来のグレーデッドベースHBTでは、同エミッタ
サイズ、同測定条件においてFt=60GHzであり、従っ
て、本発明の有効性が示された。
なお、本実施例のベース層は、エミッタ端でAlGaAs組
成、コレクタ端でInGaAs組成なる構造をしているが、そ
の他の構造(例えばInyAlxGazAs、y=0.2→0、x=0
→0.1、z=0.8→0.9)でもよい。また本実施例ではnpn
型HBTであるが、pnp型でもよい。
(ト)発明の効果 以上述べたごとく、本発明によれば、ベース層として
InAlGaAsグレーデッドベースを用いることにより、ベー
ス抵抗を増加させることなく電子のベース走行時間を短
縮でき、HBTの高速化をより向上させることが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のグレーデッドベースHBTの一例を示す
構成説明図、第2図は従来のグレーデッドベースHBTの
構成説明図、第3図はグレーデッドベースHBTのバンド
ダイアグラム、第4図(a)、(b)はそれぞれ従来の
AlxGa1-xAsグレーデッドベースのバンド構造及び本発明
のInxAl0.1−xGa0.9Asグレーデッドベースのバンド構
造を示す説明図である。 11,21……GaAs半絶縁性基板、 12,22……n+−GaAsコレクタコンタクト層 13,23……n−GaAsコレクタ層、 14……n−InAlGaAsコレクタ遷移層、 15……p−InAlGaAsベース層、 24……p−AlGaAsベース層、 16,25……n−AlGaAsエミッタ遷移層、 17,26……n−AlGaAsエミッタ層、 18,27……n+−GaAsエミッタコンタクト層、 19,28……エミッタ電極、 110,29……ベース電極、 111,210……コレクタ電極。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/31 - 21/331 H01L 29/68 - 29/73

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】GaAsからなるコレクタ層及びコレクタ遷移
    層、ベース層及びエミッタ層をこの順で有し、ベース層
    がエミッタ層よりバンドギャップの小さな半導体材料で
    構成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおい
    て、エミッタ層がAlGaAs層からなり、ベース層がコレク
    タ遷移層と接すると共にコレクタ遷移層側からエミッタ
    層側にかけてIn量が減少し、その減少量に応じてAl量が
    増加する組成を有するInAlGaAs層からなることを特徴と
    するヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
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