JP4869487B2 - ヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、低電圧動作が可能なヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ(heterojunction bipolar transistor:HBT)に関する。
【0002】
現在、携帯電話が急速に普及しつつあり、その一因は、携帯電話端末の低価格化と著しい小型化にある。
【0003】
そのような携帯電話端末に於ける出力段のトランジスタとしては、GaAs系FET(field effect transistor)が用いられてきたのであるが、近年、単一電源で動作し、高効率で、低歪み特性をもつGaAs系HBTが多用されるようになってきた。
【0004】
携帯電話端末が小型化された理由を考えると、多分に電池の高効率化と増幅段数の削減に負っていて、初期に用いられていた電池の出力電圧は7.2〔V〕を必要としたが、その後、次第に低減され、現在、3.6〔V〕になっている。
【0005】
今後、電源電圧が更に低下した場合、低電圧に於いて効率良く動作するトランジスタが必要であって、HBTもその例に漏れないが、HBTに於いて、動作電圧の下限を決定する最大の要素は、動作時に於けるベース・エミッタ間電圧Vbeである。
【0006】
通常、npn型HBTに於けるベース・エミッタ間電圧Vbeは、主として、ベース層の価電子帯に於ける最大ポテンシャル・エネルギとエミッタ層の伝導帯に於ける最小ポテンシャル・エネルギとの差に依って決定される。
【0007】
従って、ベース層にエネルギ・バンド・ギャップが小さい材料を使用すれば、ベース・エミッタ間電圧Vbeを小さくすることができ、例えばGaAs基板上に作製されるHBTに於けるベース層はGaAs層であって、そのエネルギ・バンド・ギャップは1.4〔eV〕である。
【0008】
GaAs基板をInP基板に変えてHBTを作製する場合、ベース層を構成する材料として、エネルギ・バンド・ギャップが小さい、即ち、0.75〔eV〕であるInGaAsやGaAsSbを用いることができるので、低電圧化を大きく進展させることができる。
【0009】
一般に、InP系HBTに於いては、ベース層の材料としてInGaAsが用いられ、また、ベース層に於けるアクセプタとしては、BeやZnが用いられているのであるが、このようなHBTに通電を続けた場合、アクセプタが結晶中を移動し、ある時間が経過した後、HBTが故障に至る旨の信頼性上の問題を抱えている。
【0010】
また、アクセプタとしてCを用いた場合、通電中にアクセプタが移動することは少なくなるが、別な問題として、結晶成長時にCが成長雰囲気ガスの水素と結合し、電気的にアクセプタであるべきCが不活性化してしまい、デバイス特性の向上を期待することができない現象が起こる。
【0011】
そこで、InGaAsの代わりにGaAsSbをベース層の材料として用いることが検討されていて、その場合には、アクセプタとしてのCは水素と結合しても不活性化し難い性質がある。
【0012】
ところで、ベース層材料にGaAsSbを用いた場合、良いことばかりではなく、そのようなベース層をもつHBTを動作させるには、ベース・エミッタ間電圧Vbeを高くしなければならない。
【0013】
図4はGaAsSbベース層をもつHBTを表すエネルギ・バンド・ダイヤグラムであり、図に於いて、EV は価電子帯の上端、EC は伝導帯の下端、1はInPコレクタ層、2はGaAs0.5 Sb0.5 ベース層、3はInPエミッタ層をそれぞれ示している。
【0014】
図示したHBTのエネルギ・バンド・ダイヤグラムに依れば、InPエミッタ層3に比較し、GaAs0.5 Sb0.5 ベース層2に於ける伝導帯下端は0.18〔eV〕高くなっていて、エミッタ層3から注入される電子に対する障壁として観測されるので、電子がこの障壁を乗り越える為には、ベース・エミッタ間電圧Vbeを大きくしなければならない。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、ベース層の材料として、アクセプタが充分に機能できるGaAsSbを用い、しかも、余分なベース・エミッタ間電圧Vbeを必要としないHBTを実現しようとする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明では、HBTのベース層にInPに略格子整合するGaAsNSbを用いることが基本になっている。
【0017】
InPに格子整合するGaAsSbにN原子を添加して漸増させた場合には、伝導帯下端は低くなってくるのであるが、N原子を添加すると格子定数が小さくなるので、これを補償する為、N原子の約3倍の量のSb原子を加えると良い。
【0018】
N原子の量を1〔%〕とすれば、InP及びGaAsNSbの伝導帯下端のエネルギは殆ど一致し、その結果、エミッタ層から注入される電子は、ベース層に於いて障壁を感ずることはなくなり、従って、HBTのベース・エミッタ間電圧Vbeを従来に比較して約0.05〔V〕低下させることができる。
【0019】
因みに、GaAs系基板を用いたHBTのベース層にGaAsNSbを使用した発明がなされているが(要すれば、「特許2001−44212号公報」、を参照)、用いる基板材料の違いに起因し、ベース層のエネルギ・バンド・ギャップは広くせざるを得ず、InP系基板を用いた場合のように低電圧動作させることはできない。
【0020】
尚、本発明では、HBTの低電圧化に着目し、その利点について記述しているが、InP基板上に作製したHBTは、GaAs基板上に作製したHBTに比較し、より高い周波数帯で動作可能であることが知られ、例えば携帯電話の周波数帯である1〔GHz〕〜2〔GHz〕帯域よりも1桁高い周波数帯、即ち、ミリ波帯で使用することができる出力トランジスタとして期待されているので、この出力トランジスタのベース・エミッタ間電圧Vbeを低減することで効率は大きく向上する。
【0021】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の一実施の形態を説明する為のHBTを表す要部切断側面図であり、図に於いて、11はInP基板、12はi−InPバッファ層、13はn−InGaAsコレクタ・コンタクト層、14はi−InPコレクタ層、15はp−GaAsNSbベース層、16はn−InPエミッタ層、17はn−InGaAsエミッタ・コンタクト層、18はエミッタ電極、19はベース電極、20はコレクタ電極をそれぞれ示している。
【0022】
図2は図1について説明したHBTのエネルギ・バンド・ダイヤグラムであって、図1に於いて用いた記号と同記号は同部分を表すか或いは同じ意味を持つものとする。
【0023】
図に依れば、ベース層15の材料をGaAsNSbにすることで、伝導帯の下端はInPエミッタ層16に於ける伝導帯の下端と略一致していることが看取され、InPエミッタ層16から注入される電子に対して電位障壁にならないことが認識されよう。尚、図4について説明したとおり、ベース層2がGaAs0.5 Sb0.5 である場合には、InPエミッタ層3の伝導帯下端に比較して0.18〔eV〕高くなっている。
【0024】
図3はInPに略格子整合するGaAsNSbに於けるSbとNとの組成比を変化させた場合の価電子帯上端と伝導帯下端のポテンシャル・エネルギ変化を説明する為の線図であり、横軸にはSb及びNの割合〔%〕を、また、縦軸にはInPの価電子帯上端からのポテンシャル・エネルギ〔eV〕をそれぞれ採ってある。
【0025】
通常、GaAsSbは、GaAs0.5 Sb0.5 の組成であれば、InPと略格子整合するのであるが、Nを1〔%〕加えた場合には、格子不整合を補償する為にSbを3〔%〕加えなくてはならない為、結果としてSbの組成は53〔%〕になる。
【0026】
このようにすると、GaAsNSbの伝導帯下端はInPの伝導帯下端と略一致し、このHBTに於けるエネルギ・バンド・ダイヤグラムは図2に示したとおりになり、その結果、従来例に於けるGaAs0.5 Sb0.5 からなるベース層2の場合はベース・エミッタ間電圧Vbeが0.4〔V〕であったのに対して、本発明に於けるGaAs0.5 N0.01Sb0.53からなるベース層15の場合はベース・エミッタ間電圧Vbeが0.35〔V〕まで低下する。
【0027】
【発明の効果】
本発明に依るヘテロ接合バイポーラ・トランジスタに於いては、InP基板上に形成されたヘテロ接合バイポーラ・トランジスタを構成する半導体層中にGaAsNSbからなるベース層が含まれてなることを基本としている。
【0028】
前記構成を採ることに依り、ベース層の伝導帯下端はエミッタ層の伝導帯下端と略一致し、その結果、エミッタ層から注入される電子に対してベース層が電位障壁として作用することは殆どなく、従って、このヘテロ接合バイポーラ・トランジスタを動作させる場合のベース・エミッタ間電圧Vbeは従来のヘテロ接合バイポーラ・トランジスタに比較して充分に低くすることができるので、低電圧に於いて効率良く動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態を説明する為のHBTを表す要部切断側面図である。
【図2】図1について説明したHBTのエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【図3】InPに略格子整合するGaAsNSbに於けるSbとNとの組成比を変化させた場合の価電子帯上端と伝導帯下端のポテンシャル・エネルギ変化を説明する為の線図である。
【図4】GaAsSbベース層をもつHBTを表すエネルギ・バンド・ダイヤグラムである。
【符号の説明】
11 InP基板
12 i−InPバッファ層
13 n−InGaAsコレクタ・コンタクト層
14 i−InPコレクタ層
15 p−GaAsNSbベース層
16 n−InPエミッタ層
17 n−InGaAsエミッタ・コンタクト層
18 エミッタ電極
19 ベース電極
20 コレクタ電極
Claims (3)
- InP基板上に形成されたヘテロ接合バイポーラ・トランジスタを構成する半導体層中にNとSbの組成比がそれぞれ1%と53%であるGaAsNSbからなるベース層が含まれてなること
を特徴とするヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ。 - ベース層を構成するGaAsNSbが前記InP基板に略格子整合する組成をもつことを特徴とする請求項1記載のヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ。
- GaAsNSbからなるベース層にCがドーピングされてなること
を特徴とする請求項1或いは2記載のヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ。
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