JP3739390B2 - バイポーラトランジスタ - Google Patents

Description

本発明は著しく高い周波数用のバイポーラトランジスタに関する。
１０^１０Ｈｚを越える著しく高い周波数用のトランジスタが必要とされている。このために既に、幾つかの実現のための提案がなされてる。
例えばＳｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３３，Ｎｏ．２，１９９頁〜２０４頁 １９９０ではコレクタ及びエミッタのためのｎ−ドーピングされたＳｉ層間に濃くＰ形ドーピングされたＳｉ−Ｇｅ−ベース層を有するＳｉ／ＳｉＧｅヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の構成が記載されている。ベース層と濃く（強く）ｎ−ドーピングされたコレクタ接続（端子）層との間に存在するドリフトゾーンは薄く（弱く）ｎ−ドーピングされたＳｉ−層から成り、これによりコレクタベース−容量が減少され、耐圧力化が高められる。ドリフトゾーンは文献では通常コレクタの一部と称される。
ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．１２，Ｄｅｃ．１９８９，５３４頁〜５３６頁ではＳｉＧｅベース層を有するＳｉ／ＳｉＧｅ−ＨＢＴが記載されており、ここではベース内部のＧｅ含有量がエミッタ側からコレクタ側に向かって増大しており、これにより、変化するバンドギャップに基づき、ベース内部のドリフトフィールドが期せられ、エミッタから注入された荷電キャリアのベースを通っての輸送が加速される。
ＨＢＴにおけるＳｉＧｅ混合格子の使用に対する一般的な考察はＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔ．１９８９，２０４３頁〜２０６４頁になされており、ことに、Ｓｉサブストレート上でのＳｉＧｅ層の仮晶成長に対する考察及び格子ひずみにより生じる、バンド構造への影響についての考察もなされている。
ＤＥ４０３９１０３Ａ１に記載されているＳｉバイポーラトランジスタではエミッタ、ベースおよびコレクタはラテラルに構造化されたプレーナ形でのドーピングされた平面構造（体）として基体（担体）材料内に構成されている。ここでベース平面（体）の領域にてＳｉＧｅ混晶として基体材料を構成することにより、価電子帯におけるホールのため電位落ち込み部（谷）が深くなる。
Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．４６（１１），Ｊｕｎｉ １９８５，１０８４頁〜１０８６頁では、わずかにｎ−ドーピングされた注入ゾーンとドリフトゾーンの間にδ（ｐ^＋）ドーピングされたベースを有するＧａＡｓ−トランジスタが記載されている。ベース層によって形成される電位障壁の高さはベースに加えられる電圧によって制御される。障壁を介する電流は熱イオンエミッションの理論によって説明される。
本発明の課題は、著しく高い周波数用のバイポーラトランジスタを提供することにある。
本発明は、著しく高い周波数用のバイポーラトランジスタであって、ｎ^＋ドーピングされたＳｉから成るコレクタ端子層と、少なくともＳｉを含むδｐドーピングされたベース層と、前記コレクタ端子層と前記ベース層との間に形成され、前記コレクタ端子層と前記ベース層の間に定められたドリフト方向を有する、薄くｎドーピングされたシリコンゲルマニウムＳｉ _１−ｘ Ｇｅ _ｘ （ｘ≦０．４）から成るドリフトゾーンと、前記ベース層上に形成された、薄くｎドーピングされたＳｉから成るエミッタ層と、前記エミッタ層上に形成されたｎ＋ドーピングされたＳｉから成るエミッタ端子層を有しており、前記ドリフトゾーンは、少なくとも前記ベース層に隣接する自身の端部領域において、分裂された伝導帯構造を有しており、当該分裂された伝導帯構造の多重縮退された伝導帯最小位置は、異なる電子異方性有効質量を伴うエネルギー的に別個にされた少なくとも２つの伝導帯最小位置に分裂されており、エネルギー的により深い位置にある伝導帯最小位置はより少ない有効質量を伴う電子を有しており、当該電子はドリフト方向においてエネルギー的に有利である、ことを特徴とするバイポーラトランジスタである。従属請求項は本発明の有利な構成例及び発展形態を規定する。
δ−ドーピングとはベースにおけるホールのコヒーレント長より短いベース層の層厚のことである。それにより２次元の荷電キャリアガスが形成される。ホールのコヒーレント長は室温の場合、シリコンで約１０ｎｍである。
事前に多重縮退された１つの伝導帯最小位置が、異なった有効質量を有する２つのエネルギ的に別個の最小位置へエネルギー的に分裂することは、例えばシリコン上に仮晶成長したＳｉＧｅから公知である。シリコンは６重に縮退された１つの伝導帯最小位置を呈し、この伝導帯最小位置は（１００）方向において、Ｓｉ上に仮晶成長したＳｉＧｅ層において、それぞれの伝導帯最小位置にて電子の異なる異方性の有効質量を有する、エネルギー的に比較的低いところに位置する４重縮退された最小位置と、エネルギー的に比較的に高いところに位置する２重縮退された最小位置とに分裂される。ドリフト方向にて、即ち成長方向に対して平行な方向で、且つ層平面に対して垂直な方向で電子は比較的低いところに位置する伝導帯最小位置にて、より少ない有効質量を有する。換言すればこの電子は、エネルギー的により高いところに位置する伝導帯最小位置における電子よりも軽量である。
δ−ドーピングされたベース層はＳｉＧｅを含むドリフトゾーンと結合して特に有利な高周波特性を呈する。このことは、注入された電子に対する質量フィルタ（これによってドリフト方向において比較的僅かな有効質量を有する電子の有利な注入が生じる）としての薄いベースの電位障壁の機能により説明される。軽量の電子はドリフトゾーンの電界中で比較的高いドリフト速度を生じさせる。特に重要なのは、ベース層のほうに向いたドリフトゾーン部分におけるゲルマニウム含有量である。
次に本発明を実施例に基づいて図を参照して詳細に説明する。本発明は、これらの実施例において選択された材料の組合せに限定されるものではない。
図１ａはｎ^＋−ｎ−δｐ−ｎ−ｎ^＋構造を有するメサ構成法におけるバイポーラトランジスタを示す。
図１ｂはベース層におけるＧｅ成分を示す。
図１ｃはドーピングプロフィール及びエネルギーバンド特性をの略示図である。
図２ａはδｎ−ｎ−δｐ−ｎ−ｎ^＋構造を有するプレーナ形バイポーラトランジスタを示す。
図２ｂはベース層におけるＧｅ成分を示す。
図２ｃはドーピングプロフィール及びエネルギーバンド特性の略示図である。
図１ａに略示するメサ形構成法のバイポーラトランジスタの構成はｎ^＋−ｎ−δｐ−ｎ−ｎ^＋の層列を有する。最下方の層１はドーピング濃度、例えば１０^２０ｃｍ^−３のドーパント濃度でｎ^＋ドーピングされたシリコンから成り、コレクタ端子層を形成する。その上に成長した層２は弱くｎドーピングされており（例えば５・１０^１６ｃｍ^−３のドーパント濃度で）、ドリフトゾーンを形成する。この層２はしばしばコレクタの一部と称され、ドリフトゾーンの幅Ｌ２は例えば１００ｎｍである。層２は仮晶成長したＳｉＧｅを含む。Ｓｉ_１−ｘＧｅ_ｘ−混晶におけるゲルマニウム含有量ｘはＸ＝０．４以下であり、有利にはＸ＜０．２であり、コレクタ側からベース側に向かってＧｅ濃度は増大する。ドリフトゾーンにおけるゲルマニウム含有量は有利にはベース層への層境界のところで最大である。ベース層におけるゲルマニウム含有量は殆どクリティカルでない。
ドリフトゾーンは、ベース層のほうに向いた領域（これは幅Ｌ２の一部をなすに過ぎない）においてのみ仮晶成長したＳｉＧｅから成ることも可能であり、コレクタ層１のほうに向いたドリフトゾーン部分ではＳｉから成り、ここでＳｉＧｅ領域は有利にベース層からドリフトゾーン幅Ｌ２の少なくとも２０％を占める。有利にはＧｅ含有量は少なくとも２０ｎｍの層厚では１０％より高い。ゲルマニウム含有の特性経過はドリフトゾーン全体において一定又は有利には直線的又は単調に又は段階的にドリフトゾーンのベース層側から低下し得る。
ベース層３はδｐドーピングされており、ここでドーピングは、ベース層厚がわずか数ｎｍと僅かであるため、面ドーピングとして、ドーピング濃度例えば１０^１４ｃｍ^−２で行われる。ベース層はＳｉ又は仮晶成長のＳｉＧｅから成り、これは有利には一定のＧｅ含有量を有する。このＧｅ含有量は、ベース層への境界におけるドリフトゾーンのＧｅ含有量に等しい。
層４はドーピング濃度例えば５・１０^１６ｃｍ^−３で弱くｎドーピングされたＳｉ層であり、注入ゾーンを形成する。注入ゾーンの幅Ｌ１は例えば５０ｎｍである。注入ゾーンはしばしばエミッタの一部と称される。
層５はドーピング濃度例えば１０^２０ｃｍ^−３でｎ^＋ドーピングされたシリコンから成り、層の厚さは例えば１００ｎｍであり、低オームのエミッタコンタクト層を形成する。
ドーピング材料として有利にベース層にはホウ（硼）素（Ｂ）が使用され、ｎないしｎ^＋ドーピングされた層にはヒ（砒）素（Ａｓ）又はアンチモン（Ｓｂ）が使用される。Ｅ，Ｂ，Ｃによってエミッタ、ベース、コレクタに対する金属性コンタクトが表されている。
エミッタの幅Ｓ_Ｅは例えば１μｍであり、ベース−エミッタ間隔Ｓは約０．５μｍである。このバイポーラトランジスタは従来の形式で製造可能である。
ベース層への境界にてドリフトゾーンが図１ｂに相応して、例えばＸ≦０．２のＧｅ成分を有する場合、ドリフトゾーンにおいて比較的短い走行時間（ｔｒａｎｓｉｔ ｔｉｍｅ）が得られる。それというのはＳｉ（００１）上へのＳｉＧｅの仮晶成長によって、６重縮退した伝導帯最小位置がドリフトゾーンにおいて２重縮退した最小位置と４重縮退した最小位置へ分裂され（図１ｃ）、荷電キヤリアが有利には注入ゾーンからエネルギー的に一層有利な、ドリフトゾーンの４重縮退した最小位置へ注入されるからである。エネルギー的に低い４重縮退した最小位置において荷電キャリヤはドリフトゾーン方向で比較的僅かな有効質量、ひいては高められたドリフト速度を有する。
図２ａではδドーピングされたベースと、同じくδドーピングされたエミッタとを有するバイポーラトランジスタ構造が示してある。このような構造によっては少数キャリア（ベースにおける電子、エミッタにおける欠損電子）に対する蓄積時間が著しく低減される。例えば１０^２０Ａｓ／ｃｍ^３の荷電キャリア濃度を有するシリコンから成るｎ^＋ドーピングされたコレクタ層上に、約５・１０^１６ｃｍ^−３の荷電キャリア濃度を有する約１００ｎｍの厚さのシリコン層が被着される。適当なマスクを用いてコレクタ層から約１００ｎｍの間隔をおいてｎドーピングされたシリコン層内に第１のδドーピングδ_Ｐが、ベースに対して例えば１０^１４Ｂ／ｃｍ^２の面ドーピングで設けられ、該δｐドーピングの上方約５０ｎｍのところに第２のδドーピングδ_ｎが、例えば１０^１４のＳｂ／ｃｍ^２の面ドーピングで設けられる。それに続いてコンタクトインプランテーションによってコンタクトゾーンが生成され、該コンタクトゾーンによって能動的構成素子が層列の表面上にプレーナに配されたコンタクトと接続される。コレクタ層と第１δドーピングδ_Ｐとの間のドリフトゾーンが、図２ｂのＧｅ成分を有する場合、上述のようにドリフト速度は有利に高められる。プレーナ形バイポーラトランジスタ構造に所属するドーピング及びエネルギーバンド特性は図２ｃに示してある。
上述の低ノイズのバイポーラトランジスタによっては１００ＧＨｚを越える遮断周波数ｆ_ｍａｘが達成される。
本発明は上述のトランジスタ構造に限られるものでなく、ｐ^＋−ｐ−δｎ−ｐ−ｐ^＋−並びにδｐ−ｐ−δｎ−ｐ−ｐ^＋構造も作製可能であり、それらに対しても伝導帯構造に対して前述した特性が価電子帯構造に転用される。
本発明は例として選択された、特に良く研究されている材料組合せＳｉ／ＳｉＧｅに限られるものでなく、一般的に、ドリフト方向での軽量の電子に対する比較的深い位置にある伝導体最小位置を伴う伝導帯分裂を示す半導体材料、例えばＡｌＡｓにも適用可能である。

Claims (10)

1. 著しく高い周波数用のバイポーラトランジスタであって、
   ｎ^＋ドーピングされたＳｉから成るコレクタ端子層と、
   少なくともＳｉを含むδｐドーピングされたベース層と、
   前記コレクタ端子層と前記ベース層との間に形成され、前記コレクタ端子層と前記ベース層の間に定められたドリフト方向を有する、薄くｎドーピングされたシリコンゲルマニウムＳｉ _１−ｘ Ｇｅ _ｘ （ｘ≦０．４）から成るドリフトゾーンと、
   前記ベース層上に形成された、薄くｎドーピングされたＳｉから成るエミッタ層と、
   前記エミッタ層上に形成されたｎ＋ドーピングされたＳｉから成るエミッタ端子層を有しており、
   前記ドリフトゾーンは、少なくとも前記ベース層に隣接する自身の端部領域において、分裂された伝導帯構造を有しており、
   当該分裂された伝導帯構造の多重縮退された伝導帯最小位置は、異なる電子異方性有効質量を伴うエネルギー的に別個にされた少なくとも２つの伝導帯最小位置に分裂されており、
   エネルギー的により深い位置にある伝導帯最小位置はより少ない有効質量を伴う電子を有しており、当該電子はドリフト方向においてエネルギー的に有利である、
   ことを特徴とするバイポーラトランジスタ。
2. 前記領域は、前記ドリフトゾーンの幅（Ｌ２）の少なくとも２０％を有する、請求の範囲１記載のバイポーラトランジスタ。
3. 前記伝導帯構造のエネルギー的分裂がドリフトゾーンにてドリフト方向で可変であって、ベース層への層境界にて最大値に達する、請求の範囲１又は２記載のバイポーラトランジスタ。
4. 分裂された伝導帯構造を有する領域はＳｉ上に（１００）−方位（配向）で仮晶成長されたＳｉＧｅから成る、請求の範囲１から３までのうちいずれか１項記載のバイポーラトランジスタ。
5. 前記ドリフトゾーンにおいてＧｅ含有度は、コレクタ端子層への境界での０％からベースでの最大４０％に上昇する、請求の範囲４記載のバイポーラトランジスタ。
6. 前記ベース層は仮晶成長したＳｉＧｅから成る、請求の範囲３又は４記載のバイポーラトランジスタ。
7. 前記ベース層の幅は１０ｎｍより小さい、請求の範囲３から５までのうちいずれか１項記載のバイポーラトランジスタ。
8. 前記ベース層は少なくとも１０^１３ドーピング原子／ｃｍ^２のＰ面ドーピングを有する、請求の範囲１から７までのうちいずれか１項記載のバイポーラトランジスタ。
9. 前記エミッタはδｎドーピング層として構成されている、請求の範囲１から８までのうちいずれか１項記載のバイポーラトランジスタ。
10. 前記トランジスタはメサ構成法で構成されている、請求の範囲１から９までのうちいずれか１項記載のバイポーラトランジスタ。

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