JPH012360A - ヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はへテロ接合バイポーラトランジスタに関する。

〔従来の技術〕

近年、次世代の高速・高周波用のデバイスとして化合物
半導体、特にＧａＡｓ／Ａｊ’　ＧａＡｓ系のへテロ接
合バイポーラトランジスタが注目を浴びるようになり、
基礎・応用の両面から研究がさかんである。

ヘテロ接合バイポーラトランジスタの着想の時期は非常
に古く、トランジスタの発明とほぼ同時期である。しか
し、理論的にその優位性を評価されながらも、材料とな
るＧａＡｓそのものあるいはその周辺の知識不足、結晶
成長技術の未発達等から、最近まで、はとんどかえりみ
られることがなかった。

今日、にわかに研究開発がさかんになった背景には、分
子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法や有機金属ＣＶＤ　（
ＭＯＣＶＤ）法等の多層薄膜形成技術が可能になり、実
用に耐える良好なヘテロ接合が形成されるようになった
という事実がある。

このような技術が背景となり、ベースよりも禁制帯幅の
広い半導体材料をエミッタに使用することにより高いエ
ミッタ注入効率を得ることのできるペテロ接合バイポー
ラトランジスタにとって、その高周波特性を上げる為に
は、少数キャリヤのベース走行時間を短縮することが必
要となる。

従来、そのためにベース領域中の少数キャリヤのパリス
ティック伝導という現象を応用する方法とベース領域の
内部電界によって少数キャリヤを加速する方法が試みら
れている。

第３図は従来のへテロ接合バイポーラトランジスタの第
１の例のバンド構造図である。

この例は、ｎ型のコレクタ層３′上にｐ型のベース層５
′とベース層５′よりも電子親和力が小さくかつ禁制帯
幅が広いｎ型のエミッタＭ６′を順次積層した構造をと
ることにより、ヘテロ接合部の伝導帯に生じた電子親和
力の差に相当するエネルギー不連続δＥｃが、エミッタ
からベースに注される電子９′の初期運動エネルギーと
なり、通常の拡散よりも速いいわゆるパリスティック飛
行１０’による伝導を可能にする。しかしながら、電子
９′のパリスティック飛行１０′による伝導の有効距離
は電子の平均自由行程程度なので、それ以降はベース層
５′中を通常の拡散によってコレクタに到達するため、
ベース層５′厚が千数百人程度ある場合には、電子の平
均自由行程が数百へと比較的短いので、電子がパリステ
ィック飛行により伝導する距離はベース層５′中の一部
分にすぎない。

従って、ベース走行時間は拡散走行の時間で決ってしま
い、大幅なベース走行時間の短縮は期待できないばかり
でなく、拡散走行中におけるベース層５′の高い正孔の
濃度のために電子の再結合確率が顕著になってコレクタ
への到達率が低く注入効率が低い。

第４図は従来のへテロ接合バイポーラトランジスタの第
２の例のバンド構造図である。

この例では、ｎ型のコレクタ層３″上に材料の構成比率
を変えたグレーディッドバンドギャップ構造のｐ型のベ
ース層５″とベース層５″よりも電子親和力が小さくか
つ禁制帯幅の広いｎ型のエミッタ層６″とを順次積層し
た構造となっているので、エミッタ層６″からベース層
５″に注入された電子９″は、伝導帯の傾斜に基づく内
部電界によって矢印１０″にように加速されるため拡散
走行よりも速い伝導が期待される。

しかしながら、電子が充分加速されである一定の運動エ
ネルギーを越えると谷間散乱が顕著になり、電子の実効
的な速度が低下してしまう。例えば、ベース層５″厚を
１５００人としてベース材料のＡｅ　ｘＧａｌ−、（Ａ
ｓのＸをＱ、１５→Ｏとした場合、内部電界は約１０　
ｋ　Ｖ　／　ｃｍになり容易に谷間、散乱が生じる条件
になることがわかる。

以上、従来のへテロ接合バイポーラトランジスタの代表
的な例を２つ挙げたが、グレーディッドバンドギャップ
構造よりも、パリスティック飛行を可能にするベース構
造の方が有利であるというシュミレーション結果が最近
報告されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述したように従来のパリスティックへテロ接合バイポ
ーラトランジスタの第１の例では、エミッタより注入さ
れた電子の全てが、ベース層全体にわたりバリステック
飛行による伝導をすることが理想であるが、実際には、
パリスティック飛行中に電子が一定の確率で格子との間
のエネルギー緩和過程等によりエネルギーを失って、伝
導帯の底に落下し、その後、準熱平衡状態で残りのベー
ス層を拡散走行してコレクタ層に到達する。

しかし、パリスティック飛行による高速伝導は、ベース
層厚に比べて、その伝導距離が平均自由行程程度と非常
に短いので、大部分が低速の拡散走行による伝導となり
、実効的な速度が低速の拡散速度に近く低速で高速・高
周波性能の向上があまり期待できないこと及びベース抵
抗を下げる都合上、一般にベース層の不純物濃度を高く
しであるのでキャリヤの再結合確率が高くなりコレクタ
層への到達率を低下して注入効率をも悪くすることなど
の欠点がある。

又、第２の例では、ベース層をグレーディッドバンドギ
ャップ構造にしているのでそれに基づく内部電界により
少数キャリヤ（この場合電子）は加速を受けるが、内部
電界が一定値以上になると谷間散乱による実効的移動度
の低下が起きてきてしまい、高速・高周波性能の向上は
あまり望めない。

本発明の目的は、ベース層中における少数キャリヤの拡
散走行による伝導距離の割合いを出来るだけ少くして、
再結合確率を下げるとともに、パリスティック飛行とグ
レーディッドバンドギャップ構造に基づく内部電界とに
より少数キャリヤの走行時間を短縮して高速・高周波性
能の優れたヘテロ接合バイポーラトランジスタを実現す
ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明のへテロ接合バイポーラトランジスタは、−導電
型のコレクタ層上に形成した反対導電型のベース層と該
ベース層上に形成した前記ベース層よりも電子親和力の
小さいエミッタ層とを有するヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタにおいて、前記ベース層が禁制帯幅が連続的に
変る第１の不純物層と、禁制帯幅が一定で所定の厚さの
第２の不純物層とからなる。

〔作用〕

ヘテロ接合バイポーラトランジスタでは、エミッタから
ベースに注入され、接合部の伝導帯のエネルギー不連続
に相当する初期運動エネルギーを得た電子は、パリステ
ィック飛行を開始するが、ベース層中でエネルギーを失
うことなく最後までパリスティック飛行するのは一部の
電子であり、他の電子は途中で主に格子との間のエネル
ギー緩和によりエネルギーを失い伝導帯の底に落ちて以
降低速の拡散伝導する。

従来のパリスティックへテロ接合バイポーラトランジス
タのようにベース層中の禁制帯幅が一定である場合には
、パリスティック飛行を中断した電子は以降低速の拡散
走行による伝導をするので、低周波域の増幅動作にしか
寄与できす、高速・高周波性能のより一層の向上は望め
ない。

本発明のベース層構造の場合には、エミッタから注入さ
れたキャリヤが、先ず、禁制帯幅が一定の部分をパリス
ティック飛行による伝導をし、次にグレーディッドバン
ドギャップ構造の部分を内部電界により加速されつつ伝
導してコレクタ層に到達するので、ベース層中の走行時
間がより短縮されると共に再結合確率が下がりキャリヤ
の透過率が向上し、高速・高周波性能がより一層改善さ
れる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の一実施例の断面図である。

この実施例は、半絶縁性基板１表面にプロトンのイオン
注入により形成された絶縁領域１ａによって仕切られた
ドーパントをＳｔとし不純物濃度が３　Ｘ　１０１８ａ
ｔｏｍ／　ｃｍ’で厚さが４０００人のｎ“−ＧａＡｓ
層からなる高濃度層２をＭＢＥ法により形成することに
より設け、高濃度層２上にドーパントをＳｉとし不純物
濃度が５　Ｘ　１０１６ａｔｏｍ／ｃｍ３で厚さが５０
００人のＨ−−Ｇ４Ａｓ層からなるコレクタ層３、ドー
パントをＢｅとし不純物濃度が３　Ｘ　１０１９ａｔｏ
ｙｎ／　ｃｍ３でＰ　”　　　ｋｅ　ＸＧａ１−ｘＡｓ
層（ｘ　：　０−＝０．１５）からなるベース層４．ド
ーパントをＢｅとし不純物濃度が３　Ｘ　１０１９ａｔ
ｏｍ／　ｃｍ３のｐ”　　　Ａｊ’　０．１５Ｇ＆０．
８５ＡＳ層からなるベース層５゜ドーパントをｓｔとし
不純物濃度が３　Ｘ　１０　”ａｔｏｍ／ＣＩｌ＋３で
厚さが２０００人のｎ　　　ｋｌ　□、３Ｇａｏ、７Ａ
ｓ層からなるエミッタ層６及びドーパントをＳｉとし不
純物濃度が５　Ｘ　１０１８ａｔｏｍ／　ｃｍ３で厚さ
が２０００人のｎ”　−ＧａＡｓ層からなる高濃度層７
をＭ　ＢＥ等によって順次形成して設け、更に高濃度層
２及び７並びにベース層５上にそれぞれコレクタ及びエ
ミッタ並びにベース電極８ｃ及び８ｅ並びに８ｂを設け
た構造をしている。

第２図は本発明の一実施例のバンド構造図である。

この実施例では、ベース層が、Ａｔ７の組成がｘ　：Ｏ
−０，１５に変化するｐ　”　−ＡＪ？　ｘＧａｌ−ｘ
Ａｓ層からなるベース層４とｐ　”　−Ａｅ　Ｏ，ｔｓ
Ｇａｏ、ｓ、Ａｓ層からなるベース層５との積層からな
り、エミッタ、１６がｎ　−ｈｅ　０．３ｃａ０．７Ａ
Ｓ層からなっているので、エミッタ層６とベース層５と
の接合部で伝導帯のエネルギー不連続δＥｃが約０．ｌ
ｅＶ程度生じ、ベース層４においてグレーディッドバン
ドキャップ構造に基づく内部電界が生じている。即ち、
エミッタ層６から注入された電子９はδＥｃに相当する
初期運動エネルギーによってベース層５中を、矢印１０
ａに示すようにパリスティック飛行で平均自由行程程度
の距離を伝導し、以降（矢印１０ｂ）に示すように、ベ
ース層４の内部電界で加速されてコレクタ層３に到達す
る。

従って、ベース層５を電子の平均自由行程程度の厚さに
しておけば、パリスティック飛行と内部電界とによって
少数キャリヤである電子がベース層５及び４中を常に加
速されつつ走行するので走行時間が短縮されて、高速・
高周波性能が一層向上ししかも再結合確率も下がって透
過率の低下を防止できる。

勿論、平均自由工程よりも短い距離でパリスティック飛
行を停止して拡散走行する電子もあるが、ベース層４の
内部電界で再び加速されるので、従来例よりも、走行時
間はずっと短縮される。

又、この実施例においては、半導体材料として互いに格
子整合しているｈｅ　ＧａＡｓとＧａＡｓとを用いたが
、特に格子整合した材料に限らず電子親和力に差のある
ものなら何れでもよいし、格子整合系に限らず格子不整
合系のへテロ接合でもよい。

〔発明の効果〕

上述したように本発明は、ベース層をグレーディッドバ
ンドギャップ構造の第１のベース層と禁制帯幅は一定で
エミッタ層より電子親和力の大きい第２のベース層とか
ら構成することにより、エミッタ層から注入された少数
キャリヤの電子が第２のベース層中をパリスティック飛
行で伝導した後第１のベース層中を内部電界で加速され
走行してコレクタ層に到達するので、ベース層中の少数
キャリヤの走行時間が大幅に短縮されると共にベース層
中の再結合確率が低くなって少数キャリヤのベース透過
率を高め、−層高速・高周波性能、が向上したヘテロ接
合バイポーラトランジスタが実現できるという効果があ
る。

ぞれ従来のへテロ接合バイポーラトランジスタの第１及
び第２の例のバンド構造図である。

１・・・半絶縁性基板、１ａ・・・絶縁領域、２・・・
高濃度領域、３．３’　、３″・・・コレクタ層、４，
５゜５’、５”・・・ベース層、６．６’、６”・・・
ベース層、７・・・高濃度層、８ｂ・・・ベース電極、
８ｃ・・・コレクタ電極、８ｅ・・・エミッタ電極、１
１．１１’。

１１”　、１２．１２’　、１２″、１３．１３’。

１３″・・・フェルミレベル。

代理人　弁理士　　内　原　　晋’＋４島＼、−一 子とコ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　一導電型のコレクタ層上に形成した反対導電型のベー
   ス層と該ベース層上に形成した前記ベース層よりも電子
   親和力の小さいエミッタ層とを有するヘテロ接合バイポ
   ーラトランジスタにおいて、前記ベース層が連続的に禁
   制帯幅が変る第１の不純物層と、禁制帯幅が一定で所定
   の厚さの第２の不純物層とから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。