JPH02280338A

JPH02280338A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ

Info

Publication number: JPH02280338A
Application number: JP10010689A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Tanaka; 慎一田中
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1989-04-21
Filing date: 1989-04-21
Publication date: 1990-11-16
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: JP2586640B2

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。

〔従来の技術］ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は大きな
電流駆動能力と優れた高周波特性を併せもつ次世代の超
高速デバイスとして注目されている。ヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタの高周波特性を決める遅延時間は、寄
生容量の充電時間と、少数キャリアのベース走行時間と
、コレクタ空乏層走行時間との総和からなるが、各々の
要素は遅延時間全体の約１／３程度の大きさになってい
る。

最近は素子加工技術の進歩により寄生容量や寄生抵抗の
低減が進んでいる他、ベース層をより薄膜化するととも
に不純物濃度を非常に大きくする結晶成長技術の進歩に
より、ベース抵抗を増やすことなくベース走行時間の短
縮が可能になっている。従ってコレクタ空乏層走行時間
が素子内の遅延時間の中で相対的に大きくなっており、
その低減かヘテロ接合バイポーラトランジスタを高性能
化する上で主要な課題になっている。

現在、超高速デバイスとして主として研究されているヘ
テロ接合バイポーラトランジスタはＡ！Ｇ　ａ　Ａ　ｓ
　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系であるが、ＩｎＰを基板とする
ヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ＩｎＰに格子整
合する半導体のエネルギー・バンドギャップが光フアイ
バ通信用の光波長領域（１，３〜１．５５μｍ）をカバ
ーすることから発光・受光素子と格子定数上の互換性を
持っており、光通信用ＩＣ（ＯＥＩＣ）への応用が期待
されている。ＩｎＰに格子整合する半導体の中で代表的
なｒ　ｎＧａＡｓは、ＧａＡｓと比較して電子輸送特性
に優れていること、電極との接触抵抗が小さいことなど
から、高周波特性に優れたヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタ用の半導体材料としても有望である。

しかしＡ　Ｅ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの高周波特性を大幅
に凌ぐ素子の実現のためには、Ｉ　ｎＧａＡｓ系ヘテロ
接合バイポーラトランジスタに適したコレクタ構造が必
要である。

第８図はＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　Ｓ
　ヘテロ接合バイポーラトランジスタを例にとった従来
のエネルギー・バンド構造を示す図である。この従来例
においては、半鉋縁性ＧａＡｓ基板上に、ｎ”−ＧａＡ
ｓ（Ｓｉ不純物）温度；　５　Ｘｌ０１８ｃｍ−３）か
らなる厚み５００ｒ＋ｍのコレクタ・コンタクト層２、
ｎＧａＡｓ層（Ｓｉ不純物濃度ｉ　５　Ｘ１０Ｘ１０ｌ
６’）からなる厚み５００ｎｍのコレクタ層３、ｐ”−
ＧａＡｓ　（Ｂｅ不純物濃度；　３　ＸＩＯ”ｃｍ−’
）からなる厚み１１００ｎのベース層４、ｎ−Ａ　１６
４．Ｇ　ａ　Ｏ，７５Ａｓ（Ｓｉ不純物濃度；　３　Ｘ
ＩＯ”ｃｍづ）からなる厚み２００ｎｍのエミッタ層５
、ｎ−Ａ／２ＸＧａ、−、Ａｓ（Ｓｉ不純物濃度：　５
　ＸＩＯＩＩｌｃｍ−’）からなる厚み５０ｎｍの組成
傾斜層、ｎ”−ＧａＡｓ　（Ｓｉ不純物濃度；　５　Ｘ
ＩＯ”ｃｍ−’）からなる厚み１１００ｎのエミッタ・
コンタクト層が順次成長された構造になっている。

コレクタ層３に広がる約２００ｎｍのコレクタ空乏Ｑ３
ｄには、外部コレクタ・バイアスを除いてもＧａＡｓの
エネルギー・ハンドギヤツブの大きさ約１．４ボルトの
電圧がかかるため、ベース層４を通過した電子１３はコ
レクタ空乏層３ｄに入ると即強電界の影響を受け、大き
い有効質量を有する伝導帯のサテライト・バレー９へ遷
移し、以後コレクタ空乏１ｉｉ３ｄの大部分の区間をサ
テライト・ハレー９の大きな有効質量で決まる遅い速度
で走行する（図中１３′の位置）。なお第８図において
、８は伝導帯の底、ｌＯは価電子帯の上限、１４ｂ、　
１４Ｃはフェルミ単位をそれぞれ示している。この従来
例のヘテロ接合バイポーラトランジスタに才汽）では、
上記のバレー間遷移に起因する長いコレクタ空乏層走行
時間が素子の高周波特性を著しく制限している。

第９図はＩｎＰを基板とするヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタの従来例として、Ｉ　ｎ　Ｐ　／　ｌ　ｎＧ　
ａ　Ａ　ｓ　／　Ｉ　ｎ　Ｐダブル・ヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタのエネルギー・ハンド構造を示す図で
ある。コレクタ層３に用いられているｒｎＰはサテライ
ト・バレー９が０．７４ｅＶと高いエネルギー位置に存
在するため、Ｉ　ｎＧａＡｓからなるコレクタ層を用い
る場合より有利である。ところがコレクタ空乏層に生じ
る電圧降下１１は、Ｉ　ｎｃａＡＳのエネルギー・バン
ドギャップＥｇの大きさ０．７５ｅＶとＴ　ｎ　Ｇ　ａ
　Ａ　ｓ　／　Ｉ　ｎ　Ｐの伝導帯エネルギー不連続の
大きさΔＥｃ約０．４ｅＶ　七の和で決まる１、１５ボ
ルトと大きいため、第８図の場合と同様コレクタ空乏層
走行時間が短くならない。なお第９図において、１４ｅ
はフェルミ単位を示している。

第１０図はコレクタ層３にＩｎＧａＡｓを用いたヘテロ
接合バイポーラトランジスタの従来例を示す図である。

この場合コレクタ空乏層にかかる電圧降下１１は０．７
５ボルトと小さいが、サテライト・バレー９のエネルギ
ー高さ０．５５ｅＶがＩｎＰの０．７４ｅＶと比較して
低く、やはりサテライト・バレー９への遷移のためコレ
クタ層走行時間が短くならない。

この問題を解決するためにＡ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　Ｓ　／
　Ｇ　ａＡＳ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタにつ
いて提案されているコレクタ構造を第１１図を用いて説
明する。このヘテロ接合バイポーラトランジスタはコレ
クタ構造のみ上記構造と異なっており、ｎ”−ＧａＡｓ
　（Ｓｉ不純物濃度；　５　ＸＩＯ”ｃｍ−’）からな
る厚み５００ｎｍのコレクタ・コンタクト層２と１−Ｇ
ａＡｓからなる厚み２００ｎｍのコレクタ層３１との間
にｐ”−ＧａＡｓ　（Ｂｅ不純物濃度；２　Ｘ　１０’
　８ｃｍ−’　）の厚み２０ｎｍの極薄膜Ｐ型シート層
３ｐを挟んだコレクタ構造になっている。膜厚が十分薄
いため完全空乏化しているｐ型シート層３Ｐに生じる負
に帯電したベリリウム不純物イオン１５は、電子のポテ
ンシャルを局所的に引き上げる役目をはたしている。そ
の結果、全コレクタ層にかかる電圧は、その大部分がＰ
型シート層３ｐとｎ”−ＧａＡｓコレクタ・コンタクト
層２の間にかかることになり、２００ｎｍのｉ　−Ｇ　
ａ　Ａ　ｓコレクタ層３１にかかる電界強度は大幅に１
表相される。

従ってコレクタ層に入った電子１３は電界によってサテ
ライト・バレー９へ遷移することなく、適度な電界強度
に駆動されながら高速度でコレクタ層３１を通過する。

なお第１１図において、１２はサテライト・バレーの高
さを示している。

以上に述べたように電子のコレクタ空乏層走行時間を決
める要因は主としてコレクタ空乏層内電界強度と、半導
体固有のサテライト・バレーのエネルギー高さとの二つ
で与えられる。ヘテロ接合バイポーラトランジスタの高
周波特性を改善するためには前音はあまり強過ぎず適度
な強度を持つことが必要で、後者は大きいほど良い。

（発明が解決しようとする課題〕上記のようなｉ−コレクタ層とｎ゛−コレクタ・コンタ
クト層との間に極薄′ｆｉｐ　”層を挿入するｉ−ｐ”
−ｎ”構造は、両側において不純物が高濃度にドープさ
れたｐｎ接合をもつためコレクタ耐圧が低下することが
懸念される。Ａ１ＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタのように比較的エネルギー・バンド
ギャップの大きい半導体材料を用いる場合はそれほど深
刻な問題はないが、例えば第１０図のようにコレクタ層
にエネルギー位置〈ンドギャンプの小さなＴ　ｎＧａＡ
ｓを用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて
は、前記のようなコレクタ構造の適用は困難である。

一方、第９図のようにコレクタ層にエネルギー・バンド
ギャップの比較的大きなＩｎＰを用いた場合は製造上の
問題がある。すなわちＩｎＰは極薄膜結晶成長の制御性
に傳れたＭＢ２法では結晶成長できず、またＩｎＰの成
長に一般によく用いられる有機金属気相成長法（ＭＯＣ
ＶＤ法）では不純物を２０ｎｍ程度という極薄膜の中に
閉じ込めることはできず、従ってＩｎＰを用いたｉ−ｐ
”ｎ°構造は技術的な困難を伴う。

本発明の目的は、上記課題を解決し、ＩｎＰを基板とす
るＩｎＧａＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの
コレクタ層走行時間を短縮するコレクタ層構造を提供す
ることにある。

〔課題を解決するための手段］本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、ＩｎＰ
基板上に、Ｉ　ｎＧａＡｓからなるコレクタ・コンタク
ト層、ＩｎＰからなる半導体層を含むコレクタ層、少な
くとも前記コレクタ層側の端がＴｎＣ；ａＡｓであるベ
ース層、エミッタ層、およびエミッタ・コンタクト層の
主要な半導体層が順次形成されていることを特徴とする
。

本発明によれば、前記コレクタ層における厚みＷｃを有
する１１２層が、濃度Ｎ１の第１の導電型不純物を含む
層および濃度Ｎ２の第２の導電型不純物を含む層からな
り、濃度Ｎ１および濃度Ｎ２は、次式 ε：　ＩｎＰ基板の誘電率ｑ；電荷素置Ｅｇ　　：　ＩｎＧａＡｓのエネルギー・バンドギヤ・
ン　フ゛を満たすのが望ましい。

また、ベース層はＩ　ｎＧａＡｓで構成することができ
る。

また、コレクタ層は、ベース層側の端から順にＩ　ｎＧ
ａＡｓ層と１１２層とで構成することができる。

また、ベース層とコレクタ層における１１２層とを、Ｉ
　ｎＧａＡｓからＩｎＰへ組成変化するにａ　Ｘ　Ｔ　
ｎ　１−ＸＡ　Ｓ　ＹＰ　ｌ−Ｙ組成傾斜層によりつな
くようにしても良い。

（作用］本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいては
、電子のコレクタ空乏層走行時間が決まる主要なコレク
タ区間は、サテライト・バレーのエネルギー位置の高い
ＩｎＰからなっている。またベース層のコレクタ端とコ
レクタ・コンタクト層がＩｎＧａＡｓであるため、コレ
クタ層に斗、、′−る電圧降下は外部コレクタ・バイア
スを除くとＩｎＧａＡｓの小さなエネルギー・ハ゛ンド
ギャンプの大きさに過ぎず、従ってコレクタ層における
１石均電界強度が緩和される。また同じコレクタ層の電
圧降下でも電界強度を偏在させること（’ｐより、電子
エネルギーがサテライト・ハレーの高さよりも大きくな
らないよう電子エネルギー分布を制御することができる
。

これらの結果、電子がサテライト・ハレーへ遷移しない
で高速走行できるコレクタ区間は、従来のＩｎＧａＡｓ
系ヘテロ接合バイポーラトランジスタの場合より大幅に
延長され、素子の高周波特性が改善される。

〔実施例〕

以下本発明のヘテロ接合ハイアストランンスタの実施例
を説明する。

第１図において、半絶縁性１ｎＰ基板１上に有機金属気
相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によりＩｎＰに格子整合した
ｎ”−ＩｎＧａＡｓ　（Ｓ　ｉ不純物濃度；　５　Ｘ１
０１８ｃｍ−’）からなる厚み５００ｒ＋ｍのコレクタ
・コンタクト層３　ｉ、Ｔ）”−ＩｎＧａＡｓ（Ｂｅ不
純物濃度；　３　Ｘ１０１９ｃｍ−″）からなる厚み２
００層ｍのエミッタ層５、ｎ−ＧａｘＴ　ｎ、−、Ａｓ
Ｖｐ、　　（Ｘ；Ｏ→１．Ｙ；１→Ｏ，Ｓｉ不純物濃度
；　５　ＸＩＯｌｌＩｃｍ−３）からなる層５０ｎｍの
組成傾斜層５　ｇ：　ｎ”−ＩｎＧａＡｓ　（Ｓ　’＋
不純物濃度；５ＸＩＯ”ｃｍ−’）からなる厚み１１０
０ｎのエミッタ・コンタクト層６が順次成長された構造
になっている。

なお第１図において、７ｃはコレクタ電極、７ｂはヘー
ス電極、７ｅは工３　’７タ電穫、１６は表面保護ｌり
である。

第２図は第１図のヘテロ接合バイポーラトランジスタの
主要部のエネルギー・ハンド構造を示す図である。図に
おいてベース層４とコレクタ・コンタクト層２とはＩ　
ｎＧａＡｓからなるため二１１．・フタ層３１における
電圧降下１１は外部バイアスを除いて高々ＩｎＧａＡｓ
の小さなエネルギー、ギャップＥ８の大きさ０．７５ｅ
Ｖにすぎない。従ってコレクタ層３１における電界強度
が抑えられ、さらにコレクタ層３１をなすｌｎＰのサテ
ライト　ハレー９のエネルギー位置が高いことがら電子
１３がハレー遷移をしないで高速走行できるコレクタ区
間は従来のＩ　ｎＧａＡｓ系ヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタの場合より大幅に延長される。

なお第２図において、８は伝導帯の底、１０は価電子帯
の上限、１４ｂ、　１４ｃはフェルミ単位を示している
。

第３図は他の実施例であるヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタの主要部のエネルギー・バンド構造を示す。第３
図においては、第２図におけるｐ”−ＩｎＧａＡｓから
なるベース層４と１−ｒｎＰからなるコレクタ層３１の
間にｎ−ＩｎＧａＡｓ（Ｓｉ不純物濃度；　５　ＸＩＯ
”ｃｍ−３）からなる厚１ｊ　５０　ｎ　ｍの第２のコ
レクタ層３ｎを設けている。

これにより電子１３がベース層４を走行中に光学フォノ
ン散乱などによりある程度の運動エネルギーを失っても
、コレクタ層３１へ電子が到達できる割合を増やすこと
ができる。

第４図はさらに他の実施例であるヘテロ接合バイポーラ
トランジスタの主要部のエネルギー・バンド構造を示す
。第４図においては、第２図におけるｐ”−ＩｎＧａＡ
ｓからなるベース層４と１−ＩｎＰからなるコレクタＱ
３ｉとの間にｉ　−ＧａＸｌ　ｎｌ−ｘＡＳｙＰｌ−（
Ｘ　；　１−’−）０．Ｙ　；　Ｏ−＋１）からなる厚
み５０ｎｍの組成傾斜コレクタ層３ｇを設けており、第
２図におけるベース層４とコレクタ層３１との間に生じ
る伝導帯の不連続を消去している。これにより電子１３
がベース層４を走行中に失う運動エネルギーが大きくて
も、電子はコレクタ層３１へ到達することができる。

次に、コレクタ層のＩｎＰを低濃度の不純物でドープし
たヘテロ接合バイポーラトランジスタの実施例について
説明する。

第５図は、−例であるヘテロ接合バイポーラトランジス
タのエネルギー・バンド構造を示す。第５図においては
、厚み２００ｎｍのＩｎＰコレクタ層の内、ベース側１
１００ｎの区間３πはｐ型不純物であるベリリウムが、
コレクタ・コンタクト側１００ｎ１００ｎ区間３νはｎ
型不純物であるシリコンが各々３　Ｘ１０ＩＸ１０ｌ６
ドープされている。

また第６図は、他の例であるヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタのエネルギー・バンド構造を示す。第６図にお
いては、逆にベース側１１００ｎの区間３νはｎ型不純
物であるシリコンが、コレクタ・コンタクト側１１００
ｎの区間３πはｐ型不純物であるベリリウムが各々３　
Ｘ１０１６ｃｍ−３ドープされている。

第５図、第６図いずれの場合でも、これらの不純物濃度
が低いためベース・コレクタ間にバイアスがかかってい
ない状態でもＩｎＰ層は空乏化しており、イオン化不純
物の空間電荷により電界分布の偏りが生じる。なお図中
、８ｉ、　１０ｉ　は不純物物がドープされていない場
合のエネルギー・バンド構造を表す。

第°２図、第５図および第６図において示したヘテロ接
合バイポーラトランジスタのコレクタ層内の電界分布の
様子を第７図に示す。第７図において１６．１７．１８
は、各々第２図、第５図、第６図のＩｎＰコレクタ層内
の電界分布を表しており、Ｗｃはコレクタ層の厚みを示
している。

第２図のヘテロ接合バイポーラトランジスタの場合、不
純物がドープされていないコレクタ層内の電界分布１６
は全区間を通じて一定である。

第５図のヘテロ接合バイポーラトランジスタの場合、コ
レクタ層内の電界分布は中央に偏在しており、端では電
界は弱くなっている。この場合コレクタ層前半から中央
にかける電界加速によりホットエレクトＩ］ン化した電
子はサテライト・ハレーへ遷移しやすい状態になってい
るため、コレクタ層後゛トの電界を抑えてサテライト・
バレーへの遷（多を防いている。

第６図のヘテロ接合バイポーラトランジスタの場合、コ
レクタ層内の電界分布はコレクタ層の端に偏在しており
、逆に中央では電界はほとんどなくなっている。この場
合コレクタ層のベースら・；１１に偏在している電界で
電子をある程度加速し初期エネルギーを与えておいて、
コレクタ層の中央では電界を抑えることにより電子の高
速走行を維持させている。最後は電界強度が再度強くな
るが、コレクタ層のほとんどの区間を高速走行するため
コレクタ層走行時間全体に与える影うは小さい。

以上の各実施例においては、ベース構造として均一なエ
ネルギー・バンドギャップをもつＩｎＧａＡｓを用いた
が、例えばＩ　ｎ　Ａ　ｌ　１−ＸＧ　ａ　＋−ｘＡＳ
を用いた１頃斜エネルギー・バンドギャップ構造をもつ
ものでよい。結晶は格子整合系に限らず、ベース層をな
すＩ　ｎＣ；ａＡｓの組成を格子整合条件からずらした
歪ベースを存するヘテロ接合バイポーラトランジスタに
も本発明は適用できる。

〔発明の効果〕

本発明によりＩｎＰを基板としたＩｎＧａＡｓ系ヘテロ
接合バ・イボーラトランジスタのコレクタ空乏層走行時
間を大幅に短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタの
一実施例を示す構造断面図、第２図は第１図のヘテロ接合バイポーラトランジスタ主
要部のエネルギー・バンド構造を示す図、第３図〜第６
図はそれぞれ他の実施例であるヘテロ接合バイポーラト
ランジスタ主要部のエネルギー・バンド構造を示す図、第７図は本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタに
おけるコレクタ空乏層内の電界分布を示す図、第８図〜第１１図は従来のヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタ主要部のエネルギー・バンド構造を示す図である
。・半絶縁性基板・コレクタ・コンタクト層・コレクタ層・・ベース層・・エミッタ層・・エミッタ・コンタクト層７ｃ・・・電極・・・伝導帯の底・・・伝導帯のサテライト・バレー・・・価電子帯の上限・・・サテライト・ハレーの高さ・・・バレー遷移しないで走行する電子・・・バレー遷
移した後走行する電子１４ｂ、　１４Ｃ・・・フェルミ準位・・・イオン化したベリリウム不純物・・・表面保護膜１　・　・　・　・２　・　・　・　・３、３１４　・　・　・５　・　・　・６　・　・　・７ｅ、　　７ｂ８　・　・９　・　・１０・　・１２・　・１３・　・１３′　・４ａ１５・　・１６・　・

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓからなるコレクタ
・コンタクト層、ＩｎＰからなる半導体層を含むコレク
タ層、少なくとも前記コレクタ層側の端がＩｎＧａＡｓ
であるベース層、エミッタ層、およびエミッタ・コンタ
クト層の主要な半導体層が順次形成されていることを特
徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
（２）請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジス
タにおいて、前記コレクタ層における厚みＷｃを有するＩｎＰ層が、
濃度Ｎ１の第１の導電型不純物を含む層および濃度Ｎ２
の第２の導電型不純物を含む層からなり、濃度Ｎ１およ
び濃度Ｎ２は、次式 ▲数式、化学式、表等があります▼ ε：ＩｎＰ基板の誘電率ｑ：電荷素量Ｅｇ：ＩｎＧａＡｓのエネルギー・バンドギャップを満たす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１または請求項２記載のヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタにおいて、ベース層がＩｎＧａＡｓ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。
（４）請求項１または請求項２記載のヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタにおいて、コレクタ層が、ベース層側の端から順にＩｎＧａＡｓ層
とＩｎＰ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。
（５）請求項１または請求項２記載のヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタにおいて、ベース層とコレクタ層におけるＩｎＰ層とが、ＩｎＧａ
ＡｓからＩｎＰへ組成変化するＧａ＿ＸＩｎ＿１＿−＿
ＸＡｓ＿ＹＰ＿１＿−＿Ｙ組成傾斜層によりつながれて
い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。