JP3316471B2 - バラスト抵抗及びヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

バラスト抵抗及びヘテロ接合バイポーラトランジスタ

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はヘテロ接合バイポー
ラトランジスタに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、パワー用のヘテロ接合バイポーラ
トランジスタが有する問題として、熱暴走がある。この
熱暴走とは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタが、動
作時にコレクタ電流によりヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタが発熱し、該発熱によりコレクタ電流が増加し、
さらに上記トランジスタの発熱を生じる正帰還の破壊の
ことである。この熱暴走を防ぐために、特開平3−46
334号公報に示されるようにエミッタ層と同一導電型
でかつエミッタ層よりも低濃度のGaAs層をバラスト
抵抗として設ける構造が知られている。
【0003】以下に、従来のバラスト抵抗を有するAl
GaAs/GaAsのヘテロ接合バイポーラトランジス
タについて説明する。図8に、AlGaAs/GaAs
のヘテロ接合バイポーラトランジスタの断面構造を、図
9に、本構造のベースエミッタ間及びコレクタエミッタ
間にそれぞれVBE,VCEの電圧が印加された時のバンド
図を示す。ここで、81,91は半絶縁性GaAs基
板、82,92はコレクタ電極Ecが設けられたサブコ
レクタ層であるn+−GaAs層(膜厚5000Å、n
型のキャリア濃度をnとする。n=5×1018
-3)、83,93はコレクタ層であるn−GaAs層
(膜厚5000Å,n=5×1016cm-3)、84,9
4はベース電極Ebが設けられたベース層であるp+−G
aAs層(膜厚700Å,p型のキャリア濃度をpとす
る。p=4×1019cm-3)、85,95はエミッタ層
であるn−Al0.3Ga0.7As層(膜厚800Å,n=
5×1017cm-3)、86,96はAlとGaの組成が
直線的に変化する傾斜構造を有するn−AlyGa1-y
s層(y=0〜0.3,膜厚500Å、n=5×1017
cm-3)、87,97はバラスト抵抗であるn-−Ga
As層(膜厚2000Å,n=1016cm-3)、88,
98はエミッタ電極Eeと接触するためのn+−GaA
s層(膜厚1000Å,n=5×1018cm-3)を示し
ている。図8において、特開平3−46334号公報と
の違いはn−AlyGa1-yAs層86は、エネルギーギ
ャップを生じないように、n−Al0.3Ga0.7As層8
5との界面でy=0.3、n-−GaAs層87との界
面でy=0となるようにAlの組成yを徐々に減じた傾
斜構造を有している点である。また、図9において伝導
帯は、ГバレーとГバレーより高エネルギーのLバレー
を示している。
【0004】以上述べたように、熱暴走を防ぐためAl
GaAs/GaAsのヘテロ接合バイポーラトランジス
タのバラスト抵抗として、通常、エミッタ層と同一導電
型で低濃度のGaAs層が用いられてきた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、AlGaA
s/GaAsのヘテロ接合バイポーラトランジスタを安
定動作させるためには、熱暴走の正帰還を断ち切ること
が必要である。そのためには、トランジスタの温度上昇
によるコレクタ電流の増加を防ぐことが必要であり、そ
の一方法としてバラスト抵抗が用いられてきた。しかし
ながら、バラスト抵抗は寄生抵抗として働くためヘテロ
接合バイポーラトランジスタの特性を劣化させるといっ
た問題があった。
【0006】したがって、正常動作状態、即ちトランジ
スタの温度は低い状況で抵抗値が低く、熱暴走状態、即
ちトランジスタの温度が高い状況で抵抗値が高くなるよ
うなバラスト抵抗が望まれている。換言すれば抵抗値の
温度係数(以下、単に温度係数とする)の高いバラスト
抵抗が望まれている。
【0007】一方、従来から用いられているバラスト抵
抗としてのGaAs層は比較的低い温度係数を有し、そ
の値はおよそ0.001℃-1程度である。
【0008】そこで、本発明の目的は、上記問題点を解
決するためになされたものであり、新規でかつ高性能の
バラスト抵抗を有するヘテロ接合バイポーラトランジス
タを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、熱励起により、半導体の伝導帯の電子が
低エネルギー伝導帯から高エネルギー伝導帯に励起され
ることによって半導体の抵抗が大きくなるバラスト抵抗
であって、前記半導体はAl x Ga 1-x As(0<x≦
0.4)からなり、かつ、前記半導体はアルミの組成比
を連続的に変化させることを特徴とするものである。
【0010】
【0011】
【0012】本発明によれば、バラスト抵抗をn−Al
xGa1-xAs層とすることにより、従来のn-−GaA
s層より大きくかつ所定の温度で最大となる正の温度係
数(dR/dT)・(1/R)が得られる。
【0013】すなわち、Alの組成xを適宜調節するこ
とにより、n−AlxGa1-xAs層の伝導体のバレー間
のエネルギーギャップを調節することができ、所定の伝
導体構造では温度上昇と共に、より多くの電子がより上
位の伝導体に熱的に励起され、その結果電子の有効質量
がより大きくなり、移動度がより小さくなるためn−A
xGa1-xAs層のバラスト抵抗の値は上昇する。
【0014】つまり、n−AlxGa1-xAs層をバラス
ト抵抗として用いるとn-−GaAs層をバラスト抵抗
として用いた場合と比較して、ヘテロ接合バイポーラト
ランジスタは、小さなバラスト抵抗値で、熱的に安定し
た動作を行うことができる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例について
説明する。なお、本発明は、ヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタのバラスト抵抗として従来のn-−GaAs層
よりも温度係数の大きなn−AlxGa1-xAs層を用い
ることを特徴としているが、x=0.35のアルミの組
成でのヘテロ接合バイポーラトランジスタについて説明
する。
【0016】図1に、本実施例に係るnpn型で、Al
GaAs/GaAsのヘテロ接合バイポーラトランジス
タの断面構造を、図2に、本構造にベースエミッタ間及
びコレクタエミッタ間にそれぞれVBE,VCEの電圧が印
加された時のバンド図を示す。ここで、11,21は半
絶縁性GaAs基板、12,22はコレクタ電極Ec
設けられたサブコレクタ層であるn+−GaAs層(膜
厚5000Å,n型のキャリア濃度をnとする。n=5
×1018cm-3)、13,23はコレクタ層であるn−
GaAs層(膜厚5000Å,n=5×1016
-3)、14,24はベース電極Ebが設けられたベー
ス層であるp+−GaAs層(膜厚700Å,p型のキ
ャリア濃度をpとする。p=4×1019cm-3)、1
5,25はエミッタ層であるn−Al0.3Ga0.7As層
(膜厚800Å,n=5×1017cm-3)、16,26
はバラスト抵抗であるn−Al0.35Ga0.65As層(膜
厚2000Å,n=1017cm-3)、17,27はAl
とGaの組成が直線的に変化する傾斜構造を有するn−
AlyGa1-yAs層(y=0〜0.35,膜厚500
Å,n=1018cm-3)、18,28はエミッタ電極E
eと接触するためのn+−GaAs層(膜厚1000Å,
n=5×1018cm-3)を示している。バラスト抵抗の
抵抗値は低濃度にして上げることもできるが、バラスト
抵抗はエミッタ層よりも必ずしも低濃度である必要がな
く、アルミの組成を増加させても抵抗値を上げることも
できる。つまり、エミッタ層よりバラスト抵抗の濃度が
高くても、エミッタ層よりバラスト抵抗が高抵抗であれ
ばよい。
【0017】図1において、n−AlyGa1-yAs層1
7は、エネルギー帯の不連続を生じさせない目的ばかり
でなく、バラスト抵抗を上げ広範囲な温度で動作させる
目的から、バラスト抵抗であるn−Al0.35Ga0.65
s層16との界面でy=0.35、n+−GaAs層1
8との界面でy=0となるようにAlの組成yを連続的
に減じた傾斜構造を有している。連続的に減じる方法は
直線的に減じるだけでなく階段状に減じてもよく、特に
限定されない。実施例においてn−AlyGa1 -yAs層
17は必ずしも必要でないが、エネルギー帯の不連続を
防ぎ、広い温度範囲でバラスト抵抗の高い温度係数を得
るにはある方がよい。また、図2において伝導帯はГバ
レーとГバレーより高エネルギーのLバレーを示してお
り、図9に示す従来のバンド図と比較して、バラスト抵
抗となるn−Al0.35Ga0.65As層26のエネルギー
準位が近接しており、後述する理由により、温度上昇と
共にバラスト抵抗の抵抗値が急激に上昇する。
【0018】また、本実施例に係るヘテロ接合バイポー
ラトランジスタの製造方法は従来の方法で作製してお
り、その方法はMOCVD法とメサエッチによる方法
で、n型のドーパントとしてシリコン、p型のドーパン
トとしてカーボンを用いている。
【0019】次に、本実施例でのIc(コレクタ電流)
とVCE(コレクタエミッタ間電圧)の関係を示す。図3
(a)に、バラスト抵抗を有する図1の構造のヘテロ接
合バイポーラトランジスタのIc−VCE特性を、図3
(b)に、バラスト抵抗のない従来のヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタのIc−VCE特性を示す。図3ではベ
ース電流のかわりにベースエミッタ間電圧VBEをパラメ
ータとしている。図3(a)に示されているように、n
−Al0.35Ga0.65As層(膜厚2000Å,n=10
17cm-3)のバラスト抵抗を有する本構造はVCEが低い
領域ではVCEの増加と共にIcは増加するが、VCEが高
くなるとIcが減少し、安定な特性を示すが、一方、図
3(b)に示されるようにバラスト抵抗のない従来ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタはVCEが増加するにつ
れ、Icが急激に増加し(図3(b)では測定系の保護
回路が働いているため、Icが途切れている)、不安定
特性を示している。本実施例ではエミッタ電極は1つで
あるが、バラスト抵抗のないヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタは、構造上の不均一で熱暴走をおこしやすく、
特に、複数のフィンガー形状のエミッタ電極ではバラス
ト抵抗がないと熱的に安定した特性が得られない。
【0020】以上、バラスト抵抗としてn−AlxGa
1-xAs層を用いたが、本発明者の検討の結果、この層
はヘテロ接合バイポーラトランジスタが通常使用される
約500Kまでの温度領域では従来のn−GaAs層よ
りも大きな温度係数を有し、350Kで、従来のn−G
aAs層の約10倍の大きな温度係数を有することが分
かった。また、上記実施例ではx=0.35を用いた
が、この値に限定されるものでなく0<x≦0.45の
範囲であれば良く、さらに、0.2<x≦0.45がよ
り望ましいことが判明した。以下に、その理由について
説明する。
【0021】図4に、n−AlxGa1-xAsのアルミの
組成xが変化した時の価電子帯の頂上と3種の伝導帯
(Гバレー,Lバレー,Xバレー)の底とのエネルギー
差Eを示す。0<x≦0.45のアルミの組成の範囲
で、ГバレーはLバレーやXバレーより下にあるが、ア
ルミの組成xが、0.45に近づくにつれ、各バレー間
の間隔は狭くなる。それゆえ、所定の電子濃度と温度が
決まれば、Гバレーの電子数を減少させ、より上位のバ
レーに励起することができ、アルミの組成xが増えれ
ば、より上位バレーに電子が移り、結果的にバラスト抵
抗が高くなる。しかし、アルミの組成xが0.45を越
えると、エネルギー差はなくなるので抵抗は上がらな
い。
【0022】図5に、温度300Kと400Kでのn−
GaAsとn−Al0.35Ga0.65Asの電子の分布状態
を模式的に示す。300Kのn−GaAsでは伝導体の
すべての電子はГバレー(ECГ)に分布し、400K
でもほとんどの電子はГバレーに分布する。一方、30
0Kのn−Al0.35Ga0.65Asでは伝導帯の電子はエ
ネルギー差がないため熱励起によりLバレー(ECL)や
Xバレー(ECX)に多数励起され、さらに400Kで
は、300Kと比較してLバレーとXバレーの方がГバ
レーよりも電子が多く分布している。LバレーとXバレ
ーでの電子の有効質量はГバレーの有効質量よりも大き
く、LバレーやXバレーに電子が励起されると平均的な
移動度は減少し、その結果、n−Al0.35Ga0.65As
の抵抗は大きくなる。
【0023】図6に、n−AlxGa1-xAsの温度Tと
抵抗率ρとの関係を模式的に示す。アルミが加わること
によって、抵抗率は上昇するが、アルミの組成x=0.
35の時に抵抗率の温度による変化は大きくなってい
る。なお、x=0.5の時には温度が変化してもあまり
抵抗率は変化しない。
【0024】図7に、n−AlxGa1-xAsの温度Tと
抵抗Rの温度係数(dR/dT)・(1/R)との関係
を示す。アルミの組成x=0.35において300Kと
400Kとの間でピーク値をとり、一方、アルミの組成
x=0あるいはx=0.5ではピーク値をとることがな
く、徐々に抵抗の温度係数の値が上昇する。すなわち、
所定のアルミの組成xにすることにより、所定の温度で
温度係数を高くとることができる。しかしながら、その
温度を越えた場合は再び温度係数が低下するため、ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタの熱暴走を抑える働きが
低下してくる。そのため、バラスト抵抗にアルミの組成
を連続的に変化させる層を設けた方が、より広い温度範
囲で高い温度係数をもつことができ、より熱暴走を抑え
ることができる。
【0025】尚、本発明は上記実施例に限定されるもの
でなく、請求の範囲において種々の変更が可能である。
【0026】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、AlGaAs/GaAsのヘテロ接合バイポー
ラトランジスタにおいてバラスト抵抗にn−AlxGa
1-xAs層を用いるとn−GaAs層を用いた場合と比
較して小さな抵抗値で、熱的に安定動作をすることがで
き、また、不均一な電流分布等を発生しにくくすること
ができる。その結果、低い寄生抵抗が得られ、熱暴走を
抑止することができるため、熱的に安定で高性能で高信
頼性のヘテロ接合バイポーラトランジスタが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係るヘテロ接合バイポーラ
トランジスタの断面構造を示す図である。
【図2】本発明の一実施例に係るヘテロ接合バイポーラ
トランジスタのバンド図である。
【図3】(a)本発明の一実施例に係るIc−VCE特性
を示す図である。 (b)従来技術に係るバラスト抵抗のないIc−VCE
性を示す図である。
【図4】n−AlxGa1-xAsのxの組成が変化した時
の伝導帯と価電子帯とのエネルギー差を示す図である。
【図5】(a)n−GaAsの300K及び400Kで
の電子分布を示す模式図である。 (b)n−Al0.35Ga0.65Asの300K及び400
Kでの電子分布を示す模式図である。
【図6】n−AlxGa1-xAsのxの組成が変化した時
の抵抗率と温度との関係を示す図である。
【図7】n−AlxGa1-xAsのxの組成が変化した時
の抵抗の温度係数と温度との関係を示す図である。
【図8】従来技術のヘテロ接合バイポーラトランジスタ
の断面構造を示す図である。
【図9】従来技術のヘテロ接合バイポーラトランジスタ
のバンド図である。
【符号の説明】
11,21 半絶縁性GaAs基板 12,22 n+−GaAs層 13,23 n−GaAs層 14,24 p+−GaAs層 15,25 n−Al0.3Ga0.7As層 16,26 n−Al0.35Ga0.65As層(x=0.3
5,バラスト抵抗) 17,27 n−AlyGa1-yAs層(y=0〜0.3
5) 18,28 n+−GaAs層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 紀之定 俊明 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平3−46334(JP,A) 特開 昭64−2363(JP,A) 特開 平7−7013(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/331 H01L 29/737

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 熱励起により、半導体の伝導帯の電子が
    低エネルギー伝導帯から高エネルギー伝導帯に励起され
    ることによって半導体の抵抗が大きくなるバラスト抵抗
    であって、前記半導体はAl x Ga 1-x As(0<x≦
    0.4)からなり、かつ、前記半導体はアルミの組成比
    を連続的に変化させることを特徴とするバラスト抵抗。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のバラスト抵抗を用いた
    ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
  3. 【請求項3】 前記バラスト抵抗がエミッタ層とエミッ
    タ電極との間に積層されていることを特徴とする請求項
    2に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
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