JP3305250B2

JP3305250B2 - バイポーラトランジスタ

Info

Publication number: JP3305250B2
Application number: JP3875898A
Authority: JP
Inventors: 剛高木
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1998-02-20
Publication date: 2002-07-22
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: JPH11238740A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、バイポーラトラン
ジスタに係り、特にベースからのキャリアの逆注入を抑
制することにより電流増幅率を向上させたものに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、バイポーラトランジスタは、
優れた高周波特性を有することから、マイクロ波・ミリ
波帯域での能動デバイスとして用いられつつある。特
に、ＧａＡｓなどのIII−V族化合物半導体を用いたヘテ
ロバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）が最も精力的に研
究開発がなされているが、近年、安価なシリコン基板上
に作製可能なIV−IV族化合物であるＳｉＧｅ系の材料を
用いたＨＢＴが注目を集めている。

【０００３】ＳｉＧｅ系ＨＢＴの高速化に関しては、Ｓ
ｉからなるコレクタ層，ＳｉＧｅからなるベース層及び
Ｓｉからなるエミッタ層を備え、ＳｉＧｅベース層内に
おけるＧｅ組成をエミッタ側からコレクタ側に向けて徐
々に増加させた傾斜組成ベース層を有するＨＢＴ（L. H
arame et al., "Optimization of SiGe HBT Technology
for High Speed Analog and Mixed-Signal Applicatio
ns," IEDM Tech. Dig.1993, p.71.）と、Ｓｉからなる
コレクタ層，ＳｉＧｅからなるベース層及びＳｉからな
るエミッタ層を備え、ＳｉＧｅベース層内におけるＧｅ
組成およびドーピング濃度を高くし、かつ非常に薄くし
た均一組成ベース層を有するＨＢＴ（A.Schuppen et a
l., "Enhanced SiGe Heterojunction Bipolar Transist
ors with160 GHz-fmax," IEDM Tech. Dig. 1995, p.74
3.）の２つのタイプが代表的な構造である。

【０００４】図８は、上記２つのタイプのうち傾斜組成
ベース層を有するヘテロバイポーラトランジスタのバン
ド図である。同図に示すバンド状態からわかるように、
ＳｉＧｅベース層に注入されたキャリアは、傾斜組成に
よる電界によりＳｉＧｅベース層内をコレクタ層に向か
ってドリフト走行する。ドリフト電界によるキャリアの
走行は、拡散による走行に比べて高速であるため、ベー
ス走行時間の短縮が図られ、良好な高周波特性が得られ
ている。

【０００５】図９は、上記２つのタイプのうち均一組成
ベース構造を有するヘテロバイポーラトランジスタのバ
ンド図である。同図に示すバンド状態からわかるよう
に、ベース層を非常に薄くすることでベース走行時間を
短縮し、良好な高周波特性を得ようとするものである。
この場合、ベース層を薄くすることに伴いベース抵抗の
上昇が懸念されるが、ベース層に高濃度で不純物をドー
ピングすることで低抵抗化している。さらに、高濃度ド
ープされたベース層からエミッタ側にキャリアが逆注入
されないように、ベース層にはＧｅ組成の高いＳｉＧｅ
を用い、エミッタＳｉ層とのヘテロ障壁を大きくしてい
る。この構造においても、良好な高周波特性が得られて
いる。特に、ベースのキャリア濃度を高くすることで、
ベース抵抗の低減による最大発振周波数の向上を図って
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示す従来の傾斜組成ベースを用いた構造では、傾斜組成
によるドリフト電界を大きくするために、組成の傾斜を
大きくする必要がある。すなわち、ベース層のエミッタ
側でＧｅ組成を小さく、コレクタ側でＧｅ組成を大きく
する必要がある。このため、通常エミッタ側ではＧｅを
含まずＳｉとしていることが多い。この時、ベース・エ
ミッタ間のＰＮ接合はシリコンとシリコンのホモ接合と
なっている。そこで、ＨＢＴの最大発振周波数ｆmax を
向上させるためには、下記式（１）に示すように、ベー
ス抵抗を低減することが有効であるが、ベース抵抗を下
げるためにベースドーピング濃度を上げると、当然にベ
ース層からエミッタ層に注入されるホール量が増大す
る。

【０００７】すなわち、エミッタ・ベース接合がホモ接
合となっている場合，あるいはヘテロ接合であってもベ
ース端の組成がＳｉに近い場合には、ベース層のヘテロ
障壁がないか，あっても極めてわずかであるために、キ
ャリアのエミッタ側への逆注入量が増大し、電流増幅率
βが稼げなくなる。

【０００８】

【数１】

【０００９】ｆ_T ：電流利得遮断周波数Ｒ_B ：ベース抵抗Ｃ_BC:：ベース・コレクタ接合容量これは、電流増幅率βとエミッタ・ベース接合の価電子
帯のバンド不連続値ΔＥｖ及びベース層ドーピング濃度
Ｎ_B との間には、下記式（２）の関係があることからも
導かれる。

【００１０】

【数２】

【００１１】Ｎ_E ：エミッタ層ドーピング濃度Ｎ_B ：ベース層ドーピング濃度ｖ_n ：ベース層内での電子の拡散速度ｖ_p ：エミッタ層内でのホールの拡散速度ｋ：ボルツマン定数Ｔ：絶対温度その結果、このような傾斜組成ベースを用いた場合に
は、ベース走行時間を短縮し、電流利得遮断周波数ｆ_T
を向上させることができるが、ベース層のキャリア濃度
を上げることはできないために、結果として、最大発振
周波数ｆmax の向上は期待できないという問題がある。

【００１２】一方、図９に示す従来の均一組成ベースを
用いた構造では、Ｇｅ組成の高いＳｉＧｅベース層とＳ
ｉエミッタ層のヘテロ障壁により、ベース層のキャリア
の逆注入を抑制することができる。しかし、上述のよう
に、最大発振周波数ｆmax を向上させるべく、さらにＳ
ｉＧｅベース層のドーピング濃度を上げようとすると、
逆注入するキャリア量が増える。そこで、ＳｉＧｅベー
ス層のＧｅ組成をさらに高くしてヘテロ障壁を大きくす
る必要があり、そうするとエミッタ層とベース層と格子
定数差が拡大するので、ベース層に転位が発生する臨界
膜厚が問題となる。

【００１３】すなわち、エミッタ・ベース接合をヘテロ
接合として、ヘテロ障壁によりベースからエミッタへの
キャリアの逆注入の抑制機能を高めることにより、バイ
ポーラトランジスタの高周波特性を改善するには限界が
ある。

【００１４】本発明は上記点に鑑みてなされたものであ
り、本発明の目的は、エミッタ・ベース接合における障
壁とは無関係にエミッタ層にベース層からのキャリアの
逆注入を抑制する機能を有する領域を設けることによ
り、電流増幅率の向上を図るとともに、ベースドーピン
グ濃度の増大に対する制限を緩和し、もって、最大発振
周波数ｆmax の向上のためにベースドーピング濃度をあ
げても、電流増幅率の増大を実現できるバイポーラトラ
ンジスタを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、エミッタ・ベース接合付近のエミッタ
に、組成の異なる超薄膜を交互に積層した超格子構造か
らなる多重量子障壁（Multi-Quantum Barrier ：ＭＱ
Ｂ）を設け、ベースから逆注入されるキャリアの波動に
対する反射効果を利用することにより、実効的にヘテロ
障壁高さ（バリア高さ）を増大させることにより、ベー
ス層からのキャリアの逆注入を抑制している。

【００１６】本発明のバイポーラトランジスタは、基本
的な構造として、請求項１に記載されているように、エ
ミッタ層、ベース層及びコレクタ層からなるバイポーラ
トランジスタにおいて、上記エミッタ層内の上記ベース
層に近接した領域に設けられ、上記ベース層から注入さ
れるキャリアの反射波同士が強め合う位相となるよう反
射する機能を有するように、バリア層とウエル層とを交
互に複数個重ね合わせてなる多重量子障壁部を備えてい
る。

【００１７】これにより、エミッタ・ベース接合の価電
子帯のバンド不連続によるバリアだけでなく、多重量子
障壁部によっても、ベース層のキャリアがベース層に逆
注入しようとするのが阻止される。したがって、ベース
層のキャリアドーピング濃度を高くしても、キャリアの
逆注入が抑制されることにより、最大発振周波数ｆmax
などの高周波特性の向上を図りつつ、電流増幅率を増大
させることが可能となる。

【００１８】請求項２に記載されているように、上記バ
イポーラトランジスタにおいて、上記多重量子障壁部を
含む上記多重量子障壁部のバリア層とウエル層とを、バ
ンドギャップが互いに異なる半導体材料によりそれぞれ
構成することが好ましい。

【００１９】これにより、キャリアの逆注入抑制機能を
有する多重量子障壁層を容易に実現することができる。

【００２０】請求項３に記載されているように、上記バ
イポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層の伝導
帯のバンド不連続値をほぼ０とすることが好ましい。

【００２１】これにより、エミッタ層内における多数キ
ャリアの移動に対する障害のないバンド構造となるの
で、電流増幅率の向上効果が大きい。

【００２２】請求項４に記載されているように、上記バ
イポーラトランジスタにおいて、上記ベース層が歪を受
けていることが好ましい。

【００２３】これにより、エミッタ層とベース層との格
子定数の差が大きい場合に特に大きな効果を発揮するこ
とができる。

【００２４】請求項５に記載されているように、上記バ
イポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層とベー
ス層とを互いにバンドギャップの異なる半導体材料によ
り構成し、上記ベース層の伝導帯と価電子帯との間のバ
ンドギャップを、上記エミッタ側からコレクタ層側に向
かってバンドギャップが減少する方向に傾斜させておく
ことが好ましい。

【００２５】これにより、ベース層におけるキャリアの
走行速度が拡散速度ではなくドリフト速度によって律速
され、ベース走行時間が短縮されるので、電流利得遮断
周波数ｆT が向上する。しかも、傾斜組成ベース化によ
るバンド不連続値の減少にもかかわらず多重量子障壁部
によりベース層からエミッタ層へのキャリアの逆注入は
抑制される。また、ベースドーピングの高濃度化による
ベース抵抗の低減、あるいはベース層の厚みの増大も可
能となるので、最大発振周波数ｆmax の向上が可能とな
る。

【００２６】請求項６に記載されているように、上記バ
イポーラトランジスタにおいて、上記ベース層を少なく
ともシリコンおよびゲルマニウムを含む半導体により構
成することが好ましい。

【００２７】これにより、安価な半導体材料を使用しな
がら高周波特性の良好なヘテロバイポーラトランジスタ
を得ることができる。

【００２８】このヘテロバイポーラトランジスタにおい
ては、請求項７に記載されているように、上記多重量子
障壁部をＳｉ_1-xＧｅ_x／Ｓｉを積層した超格子構造を
有するものとしてもよいし、請求項８に記載されている
ように、上記多重量子障壁部をＳｉ_1-x-yＧｅ_xＣ_y ／
Ｓｉを積層した超格子構造を有するものとしてもよい。

【００２９】特に、上記多重量子障壁部をＳｉ_1-x-yＧ
ｅ_xＣ_y ／Ｓｉを積層した超格子構造とすることによ
り、多重量子障壁部におけるＳｉ_1-x-yＧｅ_xＣ_y 層の
臨界膜厚が増大するので、転位の発生を招くことなく多
重量子障壁部の実効的なバリア高さをより高くすること
が可能となる。

【００３０】請求項９に記載されているように、上記バ
イポーラトランジスタにおいて、上記多重量子障壁部
は、上記エミッタ層内において上記トランジスタの動作
時における上記エミッタ層とベース層との間の設計最大
電圧における空乏化領域よりも外方に設けられているこ
とが好ましい。

【００３１】これにより、どのような動作状態において
も、ベースからエミッタへのキャリアの逆注入抑制機能
を最大限発揮することができる。

【００３２】その場合には、請求項１０に記載されてい
るように、上記多重障壁部における上記ベース層側端部
のバリア層を、上記エミッタ層とベース層との間の空乏
化領域から上記ベース層側端部のバリア層に隣接するウ
エル層にキャリアのトンネリングが生じない位置に設け
ることが好ましい。

【００３３】これにより、多重量子障壁部のキャリア逆
注入抑制機能の低下を招くことがなく、上述のような高
周波特性の向上が期待できる。

【００３４】

【発明の実施の形態】本実施形態は、エミッタ・ベース
接合付近のエミッタ側に、組成の異なる超薄膜を交互に
積層した超格子構造からなる多重量子障壁を導入し、キ
ャリアに対する反射効果を利用し、実効的にヘテロ障壁
高さ（バリア高さ）を増大させることにより、ベース層
からのキャリアの逆注入を抑制していることを特長と
し、電流利得の向上、高周波特性の向上を図ったヘテロ
バイポーラトランジスタに関するものである。

【００３５】図１は、本実施形態に係るＳｉ／ＳｉＧｅ
超格子からなる多重量子障壁をエミッタ層に導入した
ＮＰＮヘテロバイポーラトランジスタの構造を示す。
同図に示すように、Ｓｉ基板１上に、高濃度ｎ型のＳｉ
サブコレクタ層２、ｎ型のＳｉコレクタ層３、高濃度ｐ
型のＳｉＧｅベース層４、ｎ型のＳｉエミッタ層５、及
び高濃度ｎ型のＳｉエミッタコンタクト層６が、ＵＨＶ
−ＣＶＤ法により順次積層されている。なお、Ｓｉサブ
コレクタ層２の上にはコレクタ電極２０が、ＳｉＧｅベ
ース層４の上にはベース電極２１が、Ｓｉエミッタコン
タクト層６の上にはエミッタ電極２２がそれぞれ設けら
れている。

【００３６】ここで、上記Ｓｉエミッタ層５内における
エミッタ・ベース接合部付近には、ＳｉとＳｉＧｅの超
薄膜が交互に積層された超格子構造の多重量子障壁部で
あるＭＱＢ層１０が設けられている。このＭＱＢ層１０
の構造は、ＳｉＧｅベース層４からＳｉエミッタ層５に
逆注入されるホールに対して、入射ホールを波動として
反射し、かつ反射波同士が強め合う位相となるように反
射し得る組成、および膜厚に設定してある。つまり、Ｍ
ＱＢ層１０は、厚みＬ1 のＳｉＧｅからなすウエル層１
０ａと、厚みＬ２のＳｉからなるバリア層１０ｂとを積
層したものからなり、上記各ウエル層１０ａ及び上記各
バリア層１０ｂの厚さおよび組成は、下記式（３）の関
係を満たすように構成されている。

【００３７】

【数３】

【００３８】ｍ1*：ＳｉＧｅ層（ウェル層）のホールの
有効質量ｍ2*：Ｓｉ層（バリア層）のホールの有効質量Ｌ1 ：ＳｉＧｅ層（ウェル層）の厚さＬ2 ：Ｓｉ層（バリア層）の厚さＥ：入射ホールのエネルギー ΔＥv ：Ｓｉ／ＳｉＧｅヘテロ接合の価電子帯バンド不
連続値ｈ：プランク定数ｍ，ｎ：整数具体的には、本実施形態では、厚みが１．４ｎｍのＳｉ
からなるバリア層１０ｂと、厚みが１．４ｎｍのＳｉ
_0.7Ｇｅ_0.3 からなるウエル層１０ａとを１組として、
両者を５組積層した構造による超格子層によりＭＱＢ層
１０が構成されている。この時、ＭＱＢにより増大する
実効的なバリア高さは約１５０ｍｅＶである。

【００３９】また、ＳｉＧｅベース層４は、Ｓｉエミッ
タ層５側からＳｉコレクタ層３側に向かってＧｅ組成が
０％から２０％までほぼ連続的に増加した傾斜組成ベー
ス構造となっている。

【００４０】図２は、本実施形態に係るＳｉ／ＳｉＧｅ
超格子からなる多重量子障壁をＳｉエミッタ層５内に
導入したＮＰＮヘテロバイポーラトランジスタのバンド
図である。同図に示すように、エミッタ・ベース接合付
近のＳｉエミッタ層５側に、５組のＳｉからなるバリア
層１０ｂとＳｉ_0.7Ｇｅ_0.3 からなるウエル層１０ａと
を積層してなる多重量子障壁が設けられている。これに
より、ＳｉＧｅベース層４のホールが感じる実効的なバ
リア高さは約１５０ｍｅＶ程度増大している。この実効
的なバリア高さの増大により、ＳｉＧｅベース層４のホ
ール濃度を増大してもホールのＳｉエミッタ層５への逆
注入が抑制され、十分な電流利得が確保できる。したが
って、最大発振周波数ｆmax の非常に高いＨＢＴを実現
することができる。

【００４１】図３は、本発明におけるＭＱＢ層１０によ
り増加するバリア高さΔＵｅの計算モデルを示す図であ
る。ＭＱＢ層１０を構成する５組のＳｉ／ＳｉＧｅ超格
子構造のΔＵｅについて、Ｓｉ／Ｓｉ_0.2 Ｇｅ_0.8 ，Ｓ
ｉ／Ｓｉ_0.3 Ｇｅ_0.7 ，Ｓｉ／Ｓｉ_0.4 Ｇｅ_0.6 の３種
類について計算を行った。この時、ウエル層１０ａとバ
リア層１０ｂとの間の各ヘテロ接合の価電子帯における
バンド不連続値ΔＥvはそれぞれ１５０ｍｅＶ，２２５
ｍｅＶ，３００ｍｅＶである。同図には、ＭＱＢ層１０
により増加するバリア高さΔＵｅが、バリア層１０ｂの
価電子帯から下方に仮想的に形成される高さをもって表
されている。ただし、ＭＱＢ層１０及びＳｉエミッタ層
５全体の伝導帯のエネルギーレベルＥｃはほぼフラット
であり、バンド不連続値はほぼ０であるように構成され
ている。

【００４２】図４は、ＭＱＢ層１０により増加するバリ
ア高さΔＵｅを、ウエル層１０ａ及びバリア層１０ｂの
積層組数の変化に対して計算した結果を示す図である。
ただし、ウエル層１０ａを構成するＳｉＧｅをＳｉ_1-x
Ｇｅ_x で表したときのｘを０．２，０．３，０．４と変
化させた場合、つまり、Ｓｉ／Ｓｉ_0.2 Ｇｅ_0.8 ，Ｓｉ
／Ｓｉ_0.3 Ｇｅ_0.7 ，Ｓｉ／Ｓｉ_0.4 Ｇｅ_0.6 の３種類
について計算を行ない、横軸は原子層数（１原子層は
（５．４３／４）Å）に換算したウェル／バリア厚さで
ある。同図に示されるように、ｘを０．２，０．３，
０．４と変化させた場合のいずれのＭＱＢ層１０におい
ても、層数が多くなるとバリア高さΔＵｅの値は減少す
る傾向にある。また、バリア高さΔＵｅの最大値は、Ｇ
ｅ組成が高いほど大きくなり、Ｓｉ／Ｓｉ_0.4 Ｇｅ_0.6
を８原子層／８原子層で構成したときに約２４０ｍｅＶ
となる。ＭＱＢ層１０の実効的なバリア高さが２４０ｍ
ｅＶ程度増加すれば、ＳｉＧｅベース層４からＳｉエミ
ッタ層５へのホールの逆注入を抑制する機能を顕著に発
揮することができる。また、ＭＱＢ層１０の実効的なバ
リア高さΔＵｅが１００ｍｅＶ程度であれば、ＭＱＢ層
１０内における膜厚・組成の揺らぎが多少あったとして
も、上述のホールの逆注入に対する抑制機能を容易に得
ることができる。

【００４３】ところで、ＭＱＢ層１０内のウエル層１０
ａとしてＳｉＧｅを用いる場合に、バリア高さΔＵｅを
あまりに高くすると、さらにウエル層１０ａにおけるＧ
ｅ組成を高くする必要があるが、Ｇｅ組成を高くすると
ＳｉＧｅの臨界膜厚の関係上転位が発生してしまうおそ
れがある。ちなみに、下地がＳｉの場合におけるＳｉ
_0.2 Ｇｅ_0.8 ，Ｓｉ_0.3 Ｇｅ_0.7 、Ｓｉ_0.4 Ｇｅ_0.6 に
ついての臨界膜厚は１８０ｎｍ，５６ｎｍ，２５ｎｍ程
度である。

【００４４】そこで、臨界膜厚を高くするには、ＭＱＢ
層１０内のウエル層１０ａ及びバリア層１０ｂをＳｉ
_1-x-y Ｇｅ_x Ｃ_y 及びＳｉによりそれぞれ構成すること
が有効である。Ｇｅの組成を４０％以上とし、そこにＣ
を若干（数％程度）添加することにより、エミッタ・ベ
ース接合のバンド不連続値ΔＥｖの大きさをあまり変化
させることなく、格子歪を低減することができる結果、
ウエル層１０ａの臨界膜厚が向上するからである。した
がって、ＭＱＢ層１０をＳｉ_1-x-y Ｇｅ_x Ｃ_y ／Ｓｉに
より構成することで、臨界膜厚を越えることなくより大
きなバンド不連続値ΔＥｖを得ることができ、その結
果、ＳｉＧｅベース層４からＳｉエミッタ層５へのホー
ルの逆注入を効果的に抑制することができる。

【００４５】次に、Ｓｉエミッタ層５内にＭＱＢ層１０
を設けて実効的なバリア高さΔＵｅを高くしたＨＢＴに
おける高周波特性の改善効果について説明する。

【００４６】図５は、ＭＱＢ層１０によりバリア高さΔ
Ｕｅを増大させながら、ＳｉＧｅベース層４内のＧｅ組
成を図２に示すような傾斜組成ベース化した場合に、従
来の均一組成のベース層を用いたＨＢＴに対してキャリ
アのベース走行時間τ_B が短縮される度合い（ベース走
行時間短縮ファクタ）を計算した結果を示す図である。
ここで、ベース走行時間τ_B は、下記式に示すように、
電流利得遮断周波数ｆ_T に直接影響を与えるファクタで
あり、ベース走行時間τ_B が短いほど電流利得遮断周波
数ｆ_T が大きい。

【００４７】ｆ_T ＝１／（２π・τ_EC） τ_EC＝τ_E ＋τ_EB＋τ_B ＋τ_BC＋τ_C ただし、τ_ECはキャリアのエミッタ−コレクタ間の走行
時間、τ_E はエミッタに逆注入された少数キャリアの蓄
積時間、τ_EBはＣ_EBの充放電時間、τ_B はベース内の多
数キャリアの走行時間、τ_BC＋はＣ_BCの充放電時間、τ
_C はコレクタ内の電子の走行時間である。

【００４８】ただし、均一組成ベース層の場合には、τ
_B は下記式で表される拡散速度に相当する。

【００４９】τ_B ＝Ｗ_B ²（２ｋ・Ｔ・μe ／ｑ）ただし、Ｗ_B はベース層の厚み、μe は電子の速度、Ｔ
は温度である。

【００５０】また、傾斜組成ベース層の場合には、τ_B
は下記式で表されるドリフト速度にほぼ一致する。

【００５１】τ_B ＝Ｗ_B ／（μe ・Ｅ）Ｅ＝ΔＥ_gr／ｑ・Ｗ_B 図５を参照するとわかるように、従来の均一組成ベース
層と同じベース層膜厚でベース層を傾斜組成化すると、
ベース走行時間が傾斜の度合いに応じて短縮される。傾
斜組成によるバンドギャップの傾斜が３００ｍｅＶのと
き、均一組成ベースに比べて約２割程度にまで短縮され
る。

【００５２】また、図６は、ＭＱＢ層１０を設けてバリ
ア高さΔＵｅを増大させるとともに、ベース層を傾斜組
成ベース化し、かつベース抵抗Ｒ_B を下げるためにベー
ス層の厚みを大きくしたＨＢＴについて、その最大発振
周波数ｆmax が高濃度ドープ均一組成ベース層を有する
上記従来のＨＢＴよりも向上した度合い（ｆmax 増大フ
ァクタ）を計算した結果を示す図である。ただし、Ｓｉ
Ｇｅベース層の膜厚は、従来のＨＢＴにおける高濃度ド
ープ均一組成ベース層とベース走行時間が等しくなる膜
厚としている。同図に示すように、ベース層を傾斜組成
化することで、ベース走行時間が短縮されるために、傾
斜組成によるバンドギャップの傾斜が大きくなるほどベ
ース層を厚くすることができる。その結果、ベース抵抗
Ｒ_B が低減されて、上記式（１）で表される最大発振周
波数ｆmax が向上する。同図に示されるように、傾斜組
成によるバンドギャップの傾斜が３００ｍｅＶのとき、
最大発振周波数ｆmax は均一組成ベースに比べて１．５
倍以上向上する。

【００５３】すなわち、本発明のＨＢＴにおいては、上
記図５及び図６に示す高周波特性から以下の効果が導か
れる。

【００５４】第１に、Ｓｉエミッタ層５内にバリア高さ
ΔＵｅを有するＭＱＢ層１０を設けていることにより、
エミッタ・ベース接合の価電子帯におけるバンド不連続
値ΔＥｖが実質的に増大したのと同じ効果を発揮するこ
とができ（式（２）参照）、電流増幅率βの向上を図る
ことができる。つまり、ＳｉＧｅベース層４からＳｉエ
ミッタ層５内へのホールの逆注入を抑制するためのＭＱ
Ｂ層１０を設けていることで、式（２）で示されるベー
スからエミッタに流れる電流Ｊｐが小さくなり、電流増
幅率βが向上するともいえる。この効果は、エミッタ・
ベース接合がヘテロ接合か否かにかかわらず得られる効
果である。したがって、ＨＢＴでない一般的なバイポー
ラトランジスタについても同様の効果を発揮することが
できる。

【００５５】第２に、Ｓｉエミッタ層５内にＭＱＢ層１
０を設けるとともに、ＳｉＧｅベース層４を傾斜組成ベ
ース化して、Ｓｉエミッタ層５側からＳｉコレクタ層３
側に向かってＳｉＧｅベース層４におけるバンドギャッ
プが減少するように、ＳｉＧｅベース層４におけるＧｅ
組成を変化させているので、電流利得遮断周波数ｆ_Tの
向上を図ることができる。上述のように、従来の均一組
成のベース層を用いたＨＢＴにおいては、ベース層の低
抵抗化のためにベースドーピング濃度を高くすると、ホ
ールの逆注入量が増大することで十分な電流利得が確保
できなくなっていた。それに対し、本発明のＨＢＴにお
いては、ＭＱＢ層１０を設けることにより、実効的なバ
リア高さが増大するので、傾斜組成ベース化してエミッ
タ・ベース接合におけるヘテロ接合のバンド不連続値を
小さくし、かつベースドーピング濃度を高くしても、実
効的なバリア高さが十分確保されるため、ホールの逆注
入を抑制することができる。すなわち、従来不可能であ
った高濃度ドーピングしたベース層を傾斜組成ベース化
することができる。その結果、電子のベース走行時間が
短縮され、高周波特性が向上する。

【００５６】第３に、ベース層を傾斜組成化すること
で、ベース走行時間が短縮されるために、傾斜組成によ
るバンドギャップの傾斜が大きくなるほどベース層を厚
くすることができる。その結果、ベース抵抗が下がり最
大発振周波数ｆmax の向上を図ることができる。

【００５７】第４に、低いＧｅ組成で十分な電流利得が
確保できるということは、高いＧｅ組成を用いた時に問
題となる後工程での熱履歴による転位の発生を抑制でき
る、言い換えるとサーマルバジェットを高くできるとい
う効果も得られる。すなわちデバイスの作製プロセスマ
ージンの向上、デバイスの信頼性の向上に対しても効果
がある。

【００５８】第５に、バイポーラトランジスタにおける
温度特性も向上する。すなわち、図７（ａ）に示すよう
に、ＳｉＧｅベース層４の価電子帯におけるホールの濃
度分布は高温になると下方にずれるので、バイポーラト
ランジスタの電流増幅率βは、一般的に図７（ｂ）の特
性線ｌ１，ｌ２に示すように、温度Ｔが高くなると低下
する特性を示す。この傾向は、バンドの不連続値ΔＥｖ
が小さい場合には特に著しい。それに対し、本発明のバ
イポーラトランジスタの場合には、ＭＱＢ層１０のホー
ルの逆注入抑制機能によって、図７（ｂ）の特性線ｌ３
に示すように、高温においても高い電流増幅率βを発揮
することができる。

【００５９】以上のように、ヘテロバイポーラトランジ
スタのエミッタ・ベース接合付近のエミッタ層５内にＭ
ＱＢ層１０を設けることにより、電流利得の向上と、高
周波特性の向上が図られる。

【００６０】なお、上記ＭＱＢ層１０のバリア機能を確
保するためには、ＭＱＢ層１０全体がエミッタ・ベース
間の設計最大電圧における空乏化領域（エミッタ・ベー
ス間に最大設計電圧が印加された場合に空乏化する領
域）よりも外方に設けられていることが好ましい。ＭＱ
Ｂ層１０の一部が空乏化領域内にあると、その部分につ
いてはホールの逆注入を抑制する機能が十分に得られな
くなるおそれがあるからである。さらに、ＭＱＢ層１０
内におけるＳｉＧｅベース層４に近接するバリア層１０
ｂは、上記空乏化領域からそのバリア層１０ｂに隣接す
るウエル層１０ａにホールのトンネリングが生じない位
置に設けられていることが好ましい。トンネリングが生
じれば、ホールの逆注入抑制機能が低下するからであ
る。ただし、ＭＱＢ層１０は、Ｓｉエミッタ層５内にお
いてＳｉＧｅベース層４からホールの拡散長以上の距離
を隔てるものではないことが好ましい。

【００６１】本実施形態では、ヘテロバイポーラトラン
ジスタ単体の特性向上について説明してきたが、当然の
ことながら、バイポーラトランジスタとＣＭＯＳを集積
化したＢｉＣＭＯＳデバイスのバイポーラ部分に本発明
によるＨＢＴを用いてもかまわない。

【００６２】また、本実施形態では、ＮＰＮ型ＳｉＧｅ
ＨＢＴを例にとって説明したが、ＰＮＰ型バイポーラト
ランジスタにも適用できることは言うまでもない。ま
た、既に説明したように、ＨＢＴでない一般的なホモ接
合タイプのバイポーラトランジスタや、III−V族化合物
半導体によるヘテロバイポーラトランジスタであっても
かまわない。

【００６３】

【発明の効果】本発明によれば、エミッタ・ベース接合
付近のエミッタ側に、組成の異なる超薄膜を交互に積層
した超格子構造からなる多重量子障壁（Multi-Quantum
Barrier: MQB）を導入し、キャリアに対する反射効果を
利用し、実効的にヘテロ障壁高さ（バリア高さ）を増大
させるようにしたので、ベース層からのキャリアの逆注
入の抑制により、電流増幅率βの向上を図ることができ
るとともに、ベース層の構造の制限の緩和によって、電
流利得遮断周波数ｆ_T 及び最大発振周波数ｆmaxの向上
をも図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態に係るＳｉ／ＳｉＧｅからなる多重量
子障壁部であるＭＱＢ層をエミッタ層に設けたＮＰＮヘ
テロバイポーラトランジスタの断面図である。

【図２】実施形態に係るＳｉ／ＳｉＧｅからなる多重量
子障壁部であるＭＱＢ層をエミッタ層に設けたＮＰＮヘ
テロバイポーラトランジスタのバンド図である。

【図３】実施形態のトランジスタ中のＭＱＢ層により増
加するバリア高さΔＵｅの計算モデルを示すバンド図で
ある。

【図４】ＭＱＢ層により増加するバリア高さΔＵｅの
計算結果を示す図である。

【図５】ＭＱＢ層によりバリア高さを増加させるととも
に、ベース層を傾斜組成ベース化した本発明のＨＢＴに
よる従来の均一組成ベース層を有するＨＢＴに対するベ
ース走行時間の短縮度合いの計算結果を示す図である。

【図６】ＭＱＢ層によりバリア高さを増加させるととも
に、ベース層を傾斜組成ベース化し、かつベース層膜厚
を大きくした本発明のＨＢＴによる従来の傾斜組成ベー
ス化されたＨＢＴに対する最大発振周波数ｆmax の向上
度合いの計算結果を示す図である。

【図７】本発明のバイポーラトランジスタの温度特性の
向上効果を示すバイポーラトランジスタのバンド図及び
温度−電流増幅率の特性図である。

【図８】従来の傾斜組成ベース層を用いたＳｉＧｅ系Ｎ
ＰＮヘテロバイポーラトランジスタの断面図である。

【図９】従来の均一組成ベース層を用いたＳｉＧｅ系Ｎ
ＰＮヘテロバイポーラトランジスタのバンド図である。

【符号の説明】

１Ｓｉ基板２Ｓｉサブコレクタ層３Ｓｉコレクタ層４ＳｉＧｅベース層５Ｓｉエミッタ層６Ｓｉエミッタコンタクト層１０ＭＱＢ層１０ａウエル層１０ｂバリア層２０コレクタ電極２１ベース電極２２エミッタ電極

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】エミッタ層、ベース層及びコレクタ層か
らなるバイポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層内の上記ベース層に近接した領域に設け
られ、上記ベース層から注入されるキャリアの反射波同
士が強め合う位相となるよう反射する機能を有するよう
に、バリア層とウエル層とを交互に複数個重ね合わせて
なる多重量子障壁部を備えていることを特徴とするバイ
ポーラトランジスタ。
【請求項２】請求項１記載のバイポーラトランジスタ
において、上記多重量子障壁部のバリア層とウエル層とは、バンド
ギャップが互いに異なる半導体材料によりそれぞれ構成
されていることを特徴とするバイポーラトランジスタ。
【請求項３】請求項１又は２記載のバイポーラトラン
ジスタにおいて、上記多重量子障壁部を含む上記エミッタ層内における伝
導帯のバンド不連続値はほぼ０であることを特徴とする
バイポーラトランジスタ。
【請求項４】請求項１〜３のうちいずれか１つに記載
のバイポーラトランジスタにおいて、上記ベース層が歪を受けていることを特徴とするバイポ
ーラトランジスタ。
【請求項５】請求項１〜４のうちいずれか１つに記載
のバイポーラトランジスタにおいて、上記エミッタ層とベース層とは、互いにバンドギャップ
の異なる半導体材料により構成されており、上記ベース層の伝導帯と価電子帯との間のバンドギャッ
プは、上記エミッタ側からコレクタ層側に向かってバン
ドギャップが減少する方向に傾斜していることを特徴と
するバイポーラトランジスタ。
【請求項６】請求項１〜５のうちいずれか１つに記載
のバイポーラトランジスタにおいて、上記ベース層が少なくともシリコンおよびゲルマニウム
を含む半導体により構成されていることを特徴とするバ
イポーラトランジスタ。
【請求項７】請求項６記載のバイポーラトランジスタ
において、上記多重量子障壁部は、Ｓｉ_1-xＧｅ_x／Ｓｉを積層し
た超格子構造を有していることを特徴とするバイポーラ
トランジスタ。
【請求項８】請求項６記載のバイポーラトランジスタ
において、上記多重量子障壁部は、Ｓｉ_1-x-yＧｅ_xＣ_y ／Ｓｉを
積層した超格子構造を有していることを特徴とするバイ
ポーラトランジスタ。
【請求項９】請求項１〜８のうちいずれか１つに記載
のバイポーラトランジスタにおいて、上記多重量子障壁部は、上記エミッタ層内において上記
トランジスタの動作時における上記エミッタ層とベース
層との間の設計最大電圧における空乏化領域よりも外方
に設けられていることを特徴とするバイポーラトランジ
スタ。
【請求項１０】請求項９記載のバイポーラトランジス
タにおいて、上記多重障壁部における上記ベース層側端部のバリア層
は、上記エミッタ層とベース層との間の空乏化領域から
上記ベース層側端部のバリア層に隣接するウエル層にキ
ャリアのトンネリングが生じない位置に設けられている
ことを特徴とするバイポーラトランジスタ。