JP2855629B2 - 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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JP2855629B2 JP1010255A JP1025589A JP2855629B2 JP 2855629 B2 JP2855629 B2 JP 2855629B2 JP 1010255 A JP1010255 A JP 1010255A JP 1025589 A JP1025589 A JP 1025589A JP 2855629 B2 JP2855629 B2 JP 2855629B2
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【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(Hetero
junction Bipolar Transistor;HBT)に関するものであ
る。
〔従来の技術〕
III−V族化合物半導体、特にAlGaAs/GaAs系の半導体
におけるエピタキシャル成長技術の進歩に伴い、従来は
作製できなかったヘテロ接合を有する半導体素子が実現
されている。その一例が高電子移動度トランジスタ(HE
MT)であり、また他の例が本発明に係るヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタ(HBT)である。
ヘテロ接合バイポーラトランジスタでは、半絶縁性基
板上に禁制帯幅の異なる材料系を成長することで素子を
作製するために設計の自由度が大きく、それによってよ
り高速動作が可能な素子の実現が期待される。一般に
は、エミッタ層に少なくともベース層より禁制帯幅の大
きな半導体を用いることで、エミッタ層・ベース層のヘ
テロ接合部において、ベース層中の多数キャリアがエミ
ッタ層中へ流れ込むことを阻止する。そして、その阻止
能力が増大した分だけベース層中の多数キャリアを増す
ことによって、ベース層が低抵抗化されて高性能化が実
現されている。
ヘテロ接合バイポーラトランジスタのより一層の高性
能化(特に信号処理能力の向上)のためには、デバイス
中をキャリアが横切る走行時間の短縮を図らねばならな
い。キャリアの走行時間としては、大別してエミッタ、
ベース、コレクタ空乏層及びサブコレクタ層の走行時間
に分けられる。ヘテロ接合バイポーラトランジスタで
は、その中でも特にコレクタ空乏層の走行時間が全体の
走行時間中で占める割合が大きく、これを短縮すること
が高性能化の指標となる。
そのため、従来から数種の工夫がコレクタのバンド設
計に対して試みられている。
従来例の第1としては、コレクタにGaAsを用い、不純
物添加のないi型層(厚さ2000Å)と、不純物密度が2
×1018cm-3程度のp+型層(厚さ200Å)を組合せる方法
が示されている(IEEE Trans.Electron Devices,vol.3
5,No.4,p.401(1988))。従来例の第2としては、コレ
クタにAlxGa1-xInAsを用い、不純物添加のないi型層
(厚さ2000Å)においてベース付近で組成比xを0、サ
ブコレクタ付近で組成比xを0.7とする方法が採られて
いる(Electronics Letters,vol.24,No.14,p.872(198
8))。
〔発明が解決しようとする課題〕
第1の従来例の装置では、コレクタのバンド構造にお
いて伝導帯の傾斜を制御するためにp+型層を用いている
が、この構造はカーク効果を引き起こし易いのみなら
ず、ベース・コレクタ間の耐圧も一般的構造に比べて低
くなる。また、第2の従来例の装置では、グレーデッド
構造を採用することでコレクタの伝導帯の傾斜を緩くす
ることにより、高エネルギーを持つ電子のΓ−L間遷移
を抑制している。しかしながら、コレクタ中を充分弾道
的(バリスティック)に伝導させるためには、コレクタ
層厚が電子の平均自由行程より大きいため、充分な走行
時間の短縮は得られない。また、この点を改善しようと
してコレクタ層の薄膜化を図ると、ベース・コレクタ間
の耐圧が小さくなるという問題点がある。
そこで本発明は、ベース・コレクタ間の耐圧を高く維
持しながら、しかも高速動作が可能なヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタを提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、
基板上に第1導電型のサブコレクタ層およびコレクタ
層、第2導電型のベース層並びに第1導電型のエミッタ
層を順次に積層して形成された構造において、コレクタ
層はベース層側の第1コレクタ層とサブコレクタ層側の
第2コレクタ層とを含み、第1コレクタ層はその禁制帯
幅が第2コレクタ層側に向って増加しており、第2コレ
クタ層はその禁制帯幅がサブコレクタ層側に向って減少
していることを特徴とする。
〔作用〕
本発明によれば、まず第1コレクタ層においては、ベ
ース層側から第2コレクタ層の方向に向かって禁制帯幅
が徐々に大となる(増加している)ことで、ベース層中
から高エネルギーを持って飛び出した電子が、L点へ遷
移することなしに弾道的に横切る。一方、第2コレクタ
層においては、第1コレクタ層から高不純物濃度のサブ
コレクタ層に向かって禁制帯幅を小とする(減少してい
る)ことにより、第1コレクタ層を走行してエネルギー
を失った電子を再加速させ、高不純物濃度のサブコレク
タ層へ導く役目を果す。従って、上記2つの役割を持つ
コレクタ層を形成することにより、デバイス中のキャリ
ア走行時間の大きな部分を占めるコレクタ層における走
行時間が大幅に短縮され、従来例にはない高速動作が可
能なヘテロ接合バイポーラトランジスタを実現できる。
〔実施例〕
以下、添付図面を参照して、本発明の実施例を説明す
る。
第1図は本発明の実施例に係るヘテロ接合バイポーラ
トランジスタを示し、同図(a)は素子断面図、同図
(b)は各態様の実施例における組成比xを示す図であ
る。同図(a)に示す通り、例えば半絶縁性のGaAs等か
らなる基板1の上には、例えばn型のGaAsからなるサブ
コレクタ層2が積層され、その上には例えばi型のAlxG
a1-xAsからなるコレクタ層3が積層されている。ここ
で、本発明において特徴的なことは、コレクタ層3が同
図(a)のように第1,第2コレクタ層31,32からなり、
その組成比xが同図(b)のように設定されていること
である。すなわち、上側の第1コレクタ層31はAlxGa1-x
Asからなり、組成比xは第2コレクタ層32に向って増加
(x=0→a,a<0.3)している(同図(b)図示)。下
側の第2コレクタ層32もAlxGa1-xAsからなり、組成比x
はサブコレクタ層2に向って減少(x=a→0、a<0.
3)している(同図(b)図示)。
コレクタ層3の上に設けられるベース層4は例えばp
型のAlxGa1-xAsで形成されるが、このベース層4の組成
比xは同図(b)の実線のようにグレーディングを持た
せてもよいが、同図(b)の点線のようにグレーディン
グを持たせなくてもよい。ベース層4の上に積層される
n型AlxGa1-xAsからなるエミッタ層5は、中央のエミッ
タ層51と、上側のエミッタグレーディング層52と、下側
のエミッタグレーディング層53からなり、エミッタ層51
の組成比xはx=0.3、エミッタグレーディング層52の
組成比xはエミッタ層51側に向って増加傾向(x=0→
0.3)、エミッタグレーディング層53の組成比xはベー
ス層4側に向って減少傾向(x=0.3→b)となってい
る。更に、エミッタグレーディング層52の上には、例え
ばn型GaAsからなるエミッタキャップ層6が設けられて
いる。上記の構造において、コレクタ電極71はサブコレ
クタ層2の上にオーミック接触して設けられ、ベース電
極72はベース層4の上にオーミック接触して設けられ、
エミッタ電極73はエミッタキャップ層6の上にオーミッ
ク接触して設けられている。
次に、上記実施例の作用を第1図により説明する。
同図(b)の組成比を有する実施例では、第1コレク
タ層31と第2コレクタ層32が共にグレーディング構造を
なしており、本発明の効果が最もよく発揮される。すな
わち、本発明によれば、まず第1コレクタ層31において
は、ベース層4側から第2コレクタ層32の方向に向かっ
て禁制帯幅が徐々に大となることで、ベース層4中から
高エネルギーを持って飛び出した電子が、L点へ遷移す
ることなしに弾道的に横切る。一方、第2コレクタ層32
においては、第1コレクタ層31側から高不純物濃度のサ
ブコレクタ層2の方向に向かって禁制帯幅を小とするこ
とにより、第1コレクタ層31を走行してエネルギーを失
った電子を再加速させ、高不純物濃度のサブコレクタ層
2へ導く役目を果す。従って、上記2つの役割を持つコ
レクタ層31,32を形成することにより、デバイス中のキ
ャリア走行時間の大きな部分を占めるコレクタ層におけ
る走行時間が大幅に短縮され、従来にない高速ヘテロ接
合バイポーラトランジスタ回路を実現できる。
次に、第1図(b)に点線で示す組成比xを採用した
ときの本発明の具体例を、第2図により説明する。第2
図(a)は第1図(b)の点線に対応し、同図(b)は
第1図(a)に対応し、同図(c)はそのバンド構造図
を示している。同図(c)において、本発明の特徴的な
点は、第1および第2コレクタ層31,32の境界におい
て、「くびれ」が形成されている点である。この「くび
れ」の左側の第1コレクタ層31は、一般的なヘテロ接合
バイポーラトランジスタに比べて伝導帯の傾きが緩やか
になっている。また、「くびれ」の右方にある第2コレ
クタ層32は禁制帯幅減少の効果により、一般的なヘテロ
接合バイポーラトランジスタに比べて伝導帯の傾きが急
峻となっている。
次に、第2図の構造を具体的に示す。まず、半絶縁性
のn型GaAsからなる基板1の上には、1.5×1018cm-3
度のキャリア密度(Siドープ)のGaAsからなるサブコレ
クタ層2を、7000Å程度の厚さで設ける。次に、サブコ
レクタ層2の上にはi型または1×1016cm-3程度のキャ
リア密度を有するn型のAlxGa1-xAs(x=a→0,a<0.
3)からなる第2コレクタ層32を2000Å程度の厚さで形
成し、その上にi型または1×1016cm-3程度のキャリア
密度を有するn型のAlxGa1-xAs(x=0→a,a<0.3)か
らなる第1コレクタ層31を1500Å程度の厚さで形成す
る。
第1コレクタ層31の上には1×1019cm-3程度のキャリ
ア密度(Znドープ)を有するp型のGaAsからなるベース
層4を1000Å程度の厚さで形成し、ベース層4の上には
5×1017cm-3程度のキャリア密度(Siドープ)を有する
n型のAlxGa1-xAs(x=0.3→0)からなる下側エミッ
タグレーディング層53を300Å程度の厚さで形成する。
エミッタグレーディング層53の上には5×1017cm-3程度
のキャリア密度(Siドープ)を有するn型のAl0.3Ga0.7
Asからなるエミッタ層51を1000Åの厚さで形成し、この
エミッタ層51の上には5×1017cm-3程度のキャリア密度
(Siドープ)を有するn型のAlxGa1-xAs(x=0→0.
3)からなる上側エミッタグレーディング層52を300Å程
度の厚さで形成する。そして、エミッタグレーディング
層52の上に1.5×1018cm-3程度のキャリア密度(Siドー
プ)を有するn型のGaAsからなるエミッタキャップ層6
を1000Å程度の厚さで形成し、図示のコレクタ電極71,
ベース電極72およびエミッタ電極73を形成する。ここ
で、コレクタ電極71およびエミッタ電極73についてはAu
Ge/Ni/Auを、ベース電極72についてはAuZn又はAuMnを用
いることができる。
本発明については、種々の変形が可能である。例え
ば、実施例ではヘテロ接合バイポーラトランジスタをn
−p−n型としたが、導電型を逆にしてp−n−p型と
することも可能である。また、実施例では半導体材料と
してAlxGa1-xAsを用いてその組成比xを変えることで禁
制帯幅を制御しているが、これとは異なる化合物半導体
材料に置換することも可能である。
〔発明の効果〕
以上、詳細に説明した通り本発明では、まず第1コレ
クタ層では第2コレクタ層に向かって禁制帯幅が徐々に
大となることで、ベース層中から高エネルギーを持って
飛び出した電子が、L点へ遷移することなしに弾道的に
横切る。一方、第2コレクタ層では高不純物濃度のサブ
コレクタ層に向かって禁制帯幅を小とすることにより、
第1コレクタ層を走行してエネルギーを失った電子を再
加速させてサブコレクタ層へ導く役目を果す。従って、
上記2つの役割を持つコレクタ層を形成することによ
り、デバイス中のキャリア走行時間の大きな部分を占め
るコレクタ層における走行時間が大幅に短縮される。こ
のため、ベース・コレクタ間の耐圧を高く維持しなが
ら、しかも高速動作が可能なヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例に係るヘテロ接合バイポーラト
ランジスタの例を示す図、第2図は実施例をエネルギー
バンド構造で説明する図である。 1……基板、2……サブコレクタ層、3……コレクタ
層、31……第1コレクタ層、32……第2コレクタ層、4
……ベース層、5……エミッタ層、51……エミッタ層、
52,53……エミッタグレーディング層、6……エミッタ
キャップ層、71……コレクタ電極、72……ベース電極、
73……エミッタ電極。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/33 - 21/331 H01L 29/68 - 29/73

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】基板上に第1導電型のサブコレクタ層およ
    びコレクタ層、第2導電型のベース層並びに第1導電型
    のエミッタ層を順次に積層して形成されたヘテロ接合バ
    イポーラトランジスタにおいて、 前記コレクタ層は前記ベース層側の第1コレクタ層と前
    記サブコレクタ層側の第2コレクタ層とを含み、 前記第1コレクタ層はその禁制帯幅が前記第2コレクタ
    層側に向って増加しており、前記第2コレクタ層はその
    禁制帯幅が前記サブコレクタ層側に向って減少している
    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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