JPH03102834A - 半導体装置およびこれを用いた光電変換装置 - 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】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、半導体装置および光電変換装置に関する。

［従来の技術］ 従来の半導体装置としては、例えば、ＭＩＳ（メタルー
絶縁物一半導体）構造のバイボーラトランジスタ（ＢＰ
Ｔ）が知られていた。

第１２図は、従来のＭＩＳ構造のＢＰＴの一例を示す概
略的断面図である。

以下、第１２図に示したＭｉｓ構造ＢＰＴの各構成部分
について説明する。

１は、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（ｓ　ｂ
）等の不純物をドープしてｎ形とされた基板、あるいは
ボロン（Ｂ）、アルミニウム（ＡｆＬ），ガリウム（Ｇ
ａ）等の不純物をドーブしてｐ形とされたシリコン基板
である。

２は、不純物濃度１　０　１６〜１　０　”ｃ　ｍ−’
の、埋め込み領域としてのｎ＋領域である。

３は、エビタキシャル技術等で形成された、不純物濃度
の低い（　１　０　”〜５　Ｘ　１　０　ｌ７ｃ　ｍ−
’程度）、コレクタ領域の一部としてのｎ領域である。

４は、不純物濃度１　０　′５〜１　０　”ｃ　ｍ−’
の、ベース領域としてのｐ形領域である。

５は、不純物濃度１　０　”〜１　０　”ｃ　ｍ−’の
、ベース抵抗を下げるためのＰ４領域である。

７は、コレクタ電極と埋め込み層２とをつなぐ、コレク
タ抵抗を下げるためのｎ０領域である。

３０は、トンネル注入を行うための薄い絶縁膜である。

１０１，１０２，１０３は、電極、素子間、配線間を分
離するための絶縁膜である。

２００は、金属、シリサイド等により形戊された配線電
極である。

マタ、このような半導体装置をフ才トセンサとして使用
した充電変換装置が、従来知られていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、従来のＭＩＳ構造のＢＰＴは、微小電流領域に
おいてコレクタ電流Ｉ，に対するベース電流Ｉ，の比が
増加し、このため電流増幅率ｈｒｃ（＝Ｉｃ／Ｉｎ　）
が低下するという課題を有していた。さらに、ベース電
流の比の増加が著しい場合には、コレクタ電流よりもベ
ース電流のほうが多く流れるようになり、電流増幅率が
１以下となる場合もあった。

また、ベース電流の比の増加がそれ程多くない場合であ
っても、ベース電流が再結合電流として流れるため、電
流増幅率がコレクタ電流に依存して変化することとなり
、電流増幅率の安定性が確保されていないという課題も
有していた。

さらに、ＭＩＳ構造のＢＰＴは絶縁膜を有しているため
、木質的にエミッタ抵抗が高いという課題も存在してい
た。

［課題を解決するための手段］ 木発明の半導体装置は、第１導電型のコレクタと：第２
導電型のベースと：第１導電型のエミッタと；当該エミ
ッタを形成する材料よりも禁止帯幅の広い材料からなる
当該工よツタ上に形成された膜と；当該膜上に形成され
た金属電極とを少なくとも有することを特徴をする。

上記特徴において、前記工よツタの厚さが前記ベースか
ら注入される少数キャリアの拡散長よりも薄いことが望
ましい。

上記特徴において、前記工くツタの電子親和力よりも前
記金属電極の仕事関数φ，が大きいことが望ましい。

上記特徴においては、前記膜の厚さが、前記べ−スによ
り決定されるコレクタ電流よりも当該膜のトンネル電流
が大きくなるような厚さであることが望ましい。

上記特徴においては、前記エミッタを形成する材料より
も禁止ｆ幅の広い材料が、絶縁体または半導体であるこ
とが望ましい。

本発明の充電変換装置は、上記本発明の半導体装置を少
なくとも光電変換素子として用いたことを特徴とする． ［作用］ 本発明の半導体装置によれば、トンネル注入用の絶縁膜
の下にエミッタ領域を設けたので、安定なエミッタ・ベ
ース接合を半導体中に設けることができる。従って、微
小電流領域においても電流増幅率が低下することがなく
、且つ、電流増幅率がコレクタ電流に依存することがな
い。

また、本発明の半導体装置によれば、従来、メタル／絶
縁膜／ｐ形ベース領域となっていた構成を、メタル／絶
縁膜／ｎ形エミッタとしたので、電子のトンネル注入を
増加させることができ、従って、エミッタ抵抗を下げる
ことができる。

［実施例コ 以下、本発明の実施例について説明するとともに、本発
明について、さらに詳細に説明する。

（実施例１） 本発明の１実施例について、図を用いて説明する。

第１図は、本発明のｌ実施例に係る半導体装置を示す概
略断面図である。図において、第１２図と同じ符号を付
したものは、それぞれ第１２図の場合と同じ構戒部を示
す。また、６は、不純物濃度が１　０”〜１　０”ｃｍ
−３程度の、エミッタ領域としてのｎ“領域である。

以下、第１図に示したＭＩＳ構造ＢＰＴについて説明す
る。

〈エミッタ抵抗の低減〉 第１図に示した本実施例のＭＩＳ構造ＢＰＴによれば、
電子のトンネル注入を増加させることができ、従って、
エミッタ抵抗を下げることができる。以下、この理由に
ついて、説明する。

ＭＩＳ構造における絶縁膜への電界の印加の状態は、金
属の電子の仕事関数と半導体のフエルミ準位に大きく依
存する。

主な金属の仕事関数φ１と半導体の電子親和力Ｘ，を次
表に示す。

？２図は、ＭＩＳ構造ＢＰＴにおいて、金属としてＡＪ
Ｚ，絶縁物としてＳｉ０２、半導体としてＳｉをそれぞ
れ用いた場合の、各領域のエネルギーの関係を示す図で
ある。図において、φ■は金属の仕事関数、Ｘ．は半導
体の伝導帯からの電子親和力を図示している。

第２図に示したように、Ａ２の仕事関数φｍは４．２０
ｅＶであり、また、Ｓｉの伝導帯からの電子親和力Ｘ，
は３．７８ｅＶであり、Ａｎの仕事関数φｍはＳｔのバ
ンドギャップの中間付近に位置する。このため、絶縁物
を介してＡＩとＳｉを接触させた場合に絶縁物に印加す
る電界の方向は、第３図（ａ）および第３図（ｂ）に示
したように、Ｓｉがｎゝであるか、或いはＰ“であるか
により、異なる。

第３図（ａ）は、第１図に示した本実施例のＭＩＳ構造
ＢＰＴの場合を示し、また、第３図（ｂ）は従来のＭ■
Ｓ構造ＢＰＴの場合を示す。

すなわち、本実施例のＭＩＳ型ＢＰＴはエミッタを有す
るので、Ｓｉはｎ０となる。

ここで、トンネル効果について説明する。第３図（ａ）
に示した本実施例のＭＩＳ構造ＢＰＴの絶縁膜の厚みと
、第３図（ｂ）に示した従来のＭＩＳ構造ＢＰＴの絶縁
膜の厚みが同じであるとすると、トンネル確率は、近似
的に、 Ｔｔｃｃ　ｅＸｐ（−Ａ’ｍ””・φ，３／２）　　　
　　−（１）で表わされる。但し、ｍ′は電子の有効質
量を表し、φ，は障壁の高さを表わす。

第３図（ａ）および第３図（ｂ）に示したように、本実
施例のＭＩＳ構造ＢＰＴと従来のＭＩＳ構造ＢＰＴとで
は、障壁中のポテンシャルに差がある。平均的に荒く言
うと、本実施例のＭＩＳ構造ＢＰＴと従来のＭｉｓ型Ｂ
ＰＴとでは、障壁中のポテンシャルは、半導体のバンド
ギャブの１／２である、（１／２）　Ｅｔだけ異なって
いる。すなわち、本実施例のＭＩＳ型ＢＰＴにおけるφ
８は、従来のＭＩＳ構造ＢＰＴにおけるφ，よりもＮ／
２）Ｅｔ程度低く、従って、電子のトンネル確率は高く
なる。

さらに、本実施例のＭＩＳ構造ＢＰＴにおけるポテンシ
ャルφ３は、第４図に示したように、鏡像効果により、
△φＢだけポテンシャルが低くなる。

△φ，は、近似的に次式で表わされる。

△φａ−（（ｑ・ε）／（４・π・ε．））Ｉ／２　　
・・・（２）但し、εは電界強度、ε１は絶縁物の誘電
率である。

例えば、本実施例のように金属としてＡｆｌを用い、半
導体としてｎ１型Ｓｉを用いた場合には、酸化膜を２０
人とし、電位差を表１に示ｌた値とし、ε＝｛ｅ（φｍ
−Ｘ．）｝／ｔとすると、△φ，＝０．２９ｅＶとなる
。

本実施例では、この二つの効果により、トンネル確率を
著しく大きくすることができる。

上記（１）式で示したトンネル確率を絶縁膜の厚みによ
り表わすと、 Ｔｔｏｃ　ｅｘｐ　（Ｂ　（ｍ”　，φａ）　・ｔ＋）
　　　　−　（１）　’となる。但し、Ｂは有効貿量ｍ
“と障壁高ざφ，により決まる定数、１，は絶縁膜の厚
みである。

通常、酸化膜の場合は、膜厚が５０人以下となるとトン
ネル電流が著しく増加する。φＢが小さくなると、１，
は厚い領域までトンネル用絶縁膜として使用できるよう
になる。また、φＢが小さくなると、絶縁膜のトンネル
電流が支配的となる臨界膜厚が大きくなる。

この絶縁膜の厚みの上限を決めるのは、本発明において
は，ＢＰＴのコレクタ電流である。すなわち、ベース電
流の濃度と厚みによって決まるＢＰＴのコレクタ電流を
、絶縁膜の厚みが律速しないようにするべきである。Ｂ
ＰＴのコレクタ電流を絶縁膜の厚みが律速するようにな
ると、コレクタ電流が工くツタ中の絶縁膜の厚みにより
決定されることとなり、製造工程において、絶縁膜の厚
みを高精度に制御しなければならなくなるからである。

例えば絶縁膜として酸化膜を使用した場合、２０〜３０
人近傍を正確に制御することは極めて困難である。上述
のように、臨界膜厚は、障壁の高さφＢが低い程厚くな
るので、有利である。

さらに、実際の電流においては、このトンネル確率のみ
でなく、トンネルする側の電子の分布と、遷移する方の
電子の空になっている分布にも大きく支配ざれる。ここ
で、概念的に電流を表わすと、 Ｊ１２２−　Ａ　ｊ。ＤＩ（Ｅ）・Ｆｌ（Ｅ）・ＴｔＪ
ｚ（Ｅ）・（１−Ｆ２　（Ｅ）　）　ｄＥ・・・（３） となる．但し、Ａは定数、ＤＩ　　（Ｅ）は金属の状態
密度、Ｆｌ　　（Ｅ）は金属の電子の分布関数、Ｔｔは
トンネル確率、Ｄ２　　（Ｅ）は半導体の状態密度、Ｆ
２　　（Ｅ）は半導体の電子の分布関数である． 第３図（ａ）から解るように、本実施例のＭＩＳ型ＢＰ
Ｔにおいては、金属から注入される電子は容易に伝導帯
に遷移でき、トンネル電流は非常に大きくなる。

一方、従来のＭＩＳ構造ＢＰＴは、第３図（ｂ）から解
るように、金属の電子は、遷移する半導体側の正面に禁
止帯が有るため遷移できない。このため、トンネル遷移
させるためには、金属に、半導体のバンドギャップＥ１
に近い電圧を印加しなければならない。このような電圧
を印加すれば、第３図（ａ）と同様な状態を得ることが
できる。

以上説明したように、本実施例によれば、金属からエミ
ッタのｎ＋領域への電子のトンネル注入を有効に行なう
ことができる。

また、金属としては、トンネル注入を大きくするために
は、仕事開数φが大きい材料を用いることが望ましい。

仕事関数φが大きい方が、絶縁膜中の電界が大きくなり
、従ってトンネル電流を大きくすることができる。すな
わち、表１から解るように、ＡｆＬよりもＣｕが望まし
く、さらには、Ａｕ，Ｎｉ等が望ましい。

〈電流増幅率の安定化〉 本実施例のＭＩＳ構造ＢＰＴによれば、微小電流領域に
おいても電流増幅率が低下することがなく、且つ、電流
増幅率がコレクタ電流に依存しないようにすることがで
きる。以下、この理由について、説明する。

第５図（ａ）は、第１図に示した本実施例のＭＩＳ構造
ＢＰＴのＡ−Ａ’断面におけるバンド図である。また、
第５図（ｂ）は、第１２図に示した従来のＭＩＳ構造Ｂ
ＰＴのＡ−Ａ’断面におけるバンド図である。

本発明においては、第５図（ａ）で示した、エミッタの
厚みＷεとその濃度および絶縁物と半導体における少数
キャリア（正孔）の再結合速度Ｓｏが問題となる。

まず、ＢＰＴの電流の構戒成分について述べる。

コレクタ電流は、近似的に Ｊｃ−　（ｑ−ｏｎ−ｎ＋２）／　（Ｎ１ｗａ）　｛ｅ
ｘｐ　（ｖａｃ／ｋＴ）　−ｔ）・・・（４） ただし、電子の拡散距離はベース幅よりも長いものとす
る。なお、ＮＢはベース濃度、ＷＢはべ一ス幅、Ｄ．は
電子の拡散距離、ｎｌはＳｉの真性キャリア密度、■Ｂ
Ｅはベース・工夫ツタ印加電圧である。

本発明においては、上記（４）式で表されるコレクタ電
流が、上記（３）式で表される電流よりも大きくなるよ
うに設計することが望ましい。すなわち、Ｊｃ＞Ｊｌウ
２となるようにトンネル膜を設定することが望ましい。

また、ベース電流は、二よツタから注入された電子の再
結合電流 Ｊａｒｅｃ　・（ＱＪｎ−ｎ＋２・Ｗａ）／（２Ｎ１Ｌ
ｎ’）ｘ　（ｅｘｐ　（Ｖａｔ／ｋＴ）　−１｝　　　
　　　”・（５）（ただし、Ｌｎは電子の拡散距！） と、ベースからエミツタに注入される正孔電流Ｊ　ａｄ
ｌｆｆとから成るが、Ｊ　ａｄｌｆｆが主戒分であり、
通常のＢＰＴでは、このＪＲｄｌｆｔにより、ベース電
流が決定されるといってもよい。本発明のようなＭＩＳ
構造のＢＰ丁では、Ｊ　ａｄｌｆｆは、絶縁膜が存在す
るために、 ＪＩＩ＋ｕｒｒ＝Ｑ（Ｄａ／Ｌｐ）　［（Ｓｏ−（Ｄｐ
／Ｌｐ）　ｔａｎｈ（Ｗｚ／Ｌｐ）｝／　（（Ｄ，／Ｌ
Ｊ−Ｓｏ・ｔａｎｈ　（ｗｃ／ｔ．ｐ）　）］　（ｎ＋
／Ｎｃ）ｘ　ｅｘｐ　｛（Ｖ＋ｔ−ｋＴ）　−１｝　　
　　　　　−　（６）但し、Ｎ，はエミッタ中のエミッ
タ’ｔ！４度、Ｄｐは正孔の拡散定数、Ｌ，は正孔の拡
散距離、Ｓ０はＳ　ｉ　Ｏ　２　／　Ｓ　ｉ界面の再結
合速度である。

ここで、（６）式は、エミッタの厚みＷ，と正孔の拡散
距ｉＬＰ、再結合速度Ｓにより、以下のように表すこと
が可能となる。

■ケース１ 正孔の拡散距離が長く、Ｌ　ｐ　：＞　Ｗ　Ｅの場合は
、Ｊ　ａｄ＋ｒｒは、絶縁膜があってもなくても同じで
あり、次のようにして表すことができる。

Ｊａｄ＋　ｔｒ１”　（ＱＪｐ／Ｌｐ）　（ｉ”　／　
Ｎ！）　（ｅＸｐ（Ｖａｃ／ｋＴ）　−１）・・・（７
） ■ケース２ Ｗ．＜ｔ．，，の場合は、絶縁膜が影響しＪａｄＩｒｔ
２−”　（ｑＪｐ／Ｌｐ）　［｛（Ｄｐ−Ｗｇ／Ｌａ’
）−Ｓｏ）｝／　（（ｏｐ／ｔｐ）−　（ｗｔ−ｓｏ／
ｔ．ｐ））コＸ　（ｎ＋’／Ｎｅ）　｛ｅｘｐ（Ｖａｔ
／ｋＴ）−１）　−　（８）■ケース３ ＷＥ＜ＬＰであり、Ｓ−Ｑの場合は、 Ｊａｄｌｒｔ３”　”（ｑ・Ｄｐ−Ｗｉ：／Ｌｐ’）　
・（ｎｌ２／ＮＥ）ｘ　（ｅｘｐ　（ＶａＥ／ｋＴ）　
−１）　　　　−　（９）■ケース４ ＷＥ’Ｃいであり、Ｓ→ωの場合は、 ＪＢｄ＋ｔｔ３−　”（ＱＪｐ／Ｗｚ）　・（ｎ＋”／
Ｎｃ）ｘ　（ｅｘｐ（Ｖａｇ／ｋＴ）−１）　　　　−
　（１０）となる。

ケース１は、従来の一般的な、ＭＩＳ構造でないＢＰＴ
の場合である。また、ケース４は、高密度化され、エミ
ッタが浅い、ＭＩＳ構造でないＢＰＴの場合である。ケ
ース３が本発明のＭＩＳ構造ＢＰＴの場合である。実際
、本実施例ではケース３に近い状態が実現されている。

ケース３を実現するには、Ｗｔ　（Ｌ，とした上、ざら
に？８）式より、 （ＤＰ／ＷＥ）　（ＷＥ’／Ｌ，’）　　）　Ｓ　（，
　　　　　　　・・・（１１）の条件を満たすことが必
要となる。この条件を満たすと、ケース１のＢＰＴに対
し、Ｊ　ＢｄＩｆｔは、ＷＥ／ＬＰ倍となる。また、ケ
ース４のＢＰＴに対し、Ｊ　Ｂｄｌ■は、（ＷＥ／ＬＰ
）”倍となる。このように、本実施例では、Ｊ　Ｉｌｄ
ｌｆｆを飛躍的に減少させることができる。従って、電
流増幅率ｈＦＥを飛躍的に増加させることができる。

従来のＭＩＳ構造ＢＰＴにおいては、Ｗ，＝０でありＪ
　ＢｄＩｆｔは存在しないが、別のｔ？ｌ成分が存在す
る。すなわち、絶縁膜はもともとアモルファスであるた
め完全な絶縁膜ではなく、禁止帯中に再結合準位を有し
ているため、従来のＭＩＳ構造ＢＰＴのエミッタ（金属
電ｆ！）では、正孔はベースの多数キャリアであり、注
入量が本発明の場合よりも多く、絶縁膜中での再結合電
流が多くなるのである。一方、本発明のＭＩＳ構造ＢＰ
Ｔではエミッタ中に注入される正孔はエミツタの少数キ
ャリ７であり、 ｒｌ＋２／Ｎａ　　゜ｅＸＰ　　（Ｖａｃ／ｋＴ）で表
される。この正孔は、通常の動作領域ではベースの多数
キャリアＮ８に比べて道かに小さく、問題とならない。

また、絶縁膜中の再結合が小さい大電流領域ではＮ！ｌ
に近くなるが、この領域では、従来のＭＩＳ構造ＢＰＴ
でもベース電流はコレクタ電流より小さく、問題になら
ない。

第６図は、トランジスタの電流・電圧特性を模式的に示
したグラフであり、横軸がベース・エミッタ間の印加電
圧、縦軸がベース電流Ｉ８およびコレクタ電流ＩＣを示
す。本発明のＭ■Ｓ構造ＢＰＴでは、コレクタ電流とベ
ース電流はほぼ平行になり、ｈｒｔ（！＝ｒＩｃ　／Ｉ
ａ　）は一定値なるが、従来のＭＩＳ構造ＢＰＴでは、
微小電流領域で過剰電流が流れる。本発明のＭＩＳ構造
ＢＰＴでＬＰ＞ＷＥ且つＤＰ　／ＷＥ　＞Ｓｏとすると
、ベース電流は主に（５）式で示される再結合電流とな
り、その時の電流増幅率ｈＰｌ：はｈ　ｒｔ−−ｘ＝　
２　（　Ｌｎ　／　ＷＢ　）”　　　　　・・・（１２
）となり、ベース条件のみによってｈＦＥの上限が決ま
る。

第７図は、ｎ０領域における不純物濃度と正孔の拡散距
離および正孔の寿命との関係を示すグラフである。エミ
ッタ深さは、少なくとも正孔の拡散距離の１／５程度に
した方がよい。また、Ｓ０は、絶縁膜の形成の方法にも
よるが、Ｓｉを直接に酸化する方法をとれば、間違いな
＜（１１）式を満足するようにすることができる。なお
、このときの形成方法は、Ｓｉを直接に酸化する方法で
あれば何でもよい。

本発明においては、上記（１２）式で決まるｈＰＥを実
現するためには、上述したように、トンネル電流がベー
ス条件で決まる上記（４）式で示されたコレクタ電流よ
りも大きくなるように、トンネル膜の厚さを決定する必
要がある。また、トンネル膜の厚さのバラツキは、その
ままＢＰＴの特性バラツキに反映されてしまう。ベース
濃度およびベース幅は、トンネル膜の厚さよりも遥かに
制御しやすいので、コレクタ電流を安定化することがで
きる。また、ベース電流も、エミツタ濃度、エミッタの
深さおよびベース条件により決まるので、電流増幅率ｈ
ｒｔが大きく、しかも電？ｉｔ”ｔ１幅率ｈ，のバラツ
キの小さいＢＰＴを得ることができる。

〈製造工程〉 次に、第１図に示した半導体装置の製造プロセスについ
て説明する。

■ｐ型あるいはｎ型基板１に、Ａｓ，Ｓｂ，ｐ等をイオ
ン庄人く不純物拡散等でもよい）することにより、不純
物濃度ＩＸＩＯ”へ１　０　ｌ　９　ｃ　『３のｎ゛埋
め込み領域２を形成した。

■エビタキシャル技術等により、不純物濃度１　ｘ　１
　０　”　〜１　０　１７ｃｍ−３のｎ一領域３を形成
した。

■コレクタの抵抗を減少させるためのｎ＋領域７（不純
物濃度１　ｘ　１　０　１７〜１　０　”ｃｍ−’）を
形成した。

■素子分ｉ１ｉ１１領域１０２を、選択酸化法、ＣＶＤ
法等により作成した。

■活性領域中に、ｐ＋領域５及びベース領域であるＰ領
域４をイオン注入法等により形成した。

■絶縁膜１０１にエミッタコンタクトを開口した後、Ａ
ｓ，Ｓｂ，Ｐ等をドーブしたｎ＋領域（不純物濃度５Ｘ
１０”〜５Ｘ１０”ｃじ３）６をイオン注入法あるいは
熱拡散法により形成した。

■絶縁膜１０３を堆積し、これをアニールした後、コン
タクトの開口を行なった。

■薄いトンネル絶縁層３０を、５００℃〜６５０℃の低
温による酸化若しくは急速熱加速（ＲＴＡ）による熱酸
化によって形成作成した。

■電Ｖｉ２００となるＡＬ−Ｓｉ（１％）をスパッタし
、その後、ＡＬ−Ｓｉのパターン化を行なった。

［相］ＡＬ−Ｓｉ電極のアロイ後、パツシベーション膜
をつけ、ＭＩＳ構造ＢＰＴを完成した。

本発明におけるトンネル絶縁膜としては、低温で容易に
形成できることより、シリコン酸化膜が最も′ｆｓ＄で
あるが、シリコン窒化膜、アルミナ膜等の絶縁膜であっ
てもよい。

また、ＳｉＣ等の超薄膜を用いて、トンネル形障壁とな
る構造としてもよい。例えば、ＳｉＣは、Ｓｉと比べる
と、伝導帯エネルギー差△Ｅｖ＃０．５３６Ｖ、価電子
帯差△Ｅｃ４０．５５ｅＶ、バンドギャップＥ．Ｌ９２
．２ｅＶ程度であり、ＳｉＣとＳｔとが共にｎ形で階段
的に接合する場合には、半導体／絶縁体接合とは異なる
構造となる。

第８図（ａ）に金属とｎ型ＳｉＣとの接合のバンド図を
、また、第８図（ｂ）にｎ型Ｓｉとｎ型ＳｉＣとの接合
のバンド図を示した。

ショットキー接合および半導体階段へテロ接合による、
同じ導電型の半導体接合は第８図（ａ）および第８図（
ｂ）のようになり、φ１−χ．△Ｅｆあるいは△ＥＶ＋
△Ｅｃが上下に表わされ、伝導体側にはノッチと呼ばれ
る障壁ができる。一方、価電子帯側には、△ＥＣ＋△Ｅ
ｖ−ΔＥｆの差が生ずる。

また、金属とｎ型ＳｉＣとｎ型Ｓｉとを接合すると第８
図（Ｃ）のような構造となり、さらに、ＳｉＣを薄膜化
するとＳｉＣ層は空乏化し、第８図（ｄ）のようになり
、絶縁物と同様になる。第８図では、ＳｉＣを用いた場
合の例を示したが、他の広禁制帯幅の材料を用いてもよ
いことは明らかである。

ＩＣセンサを高密度化すると、平面寸法が小さくなるた
め、エミッタ周辺の二次元的な電流が問題となってくる
。第９図に、エミッタ周辺部の概略的断面図を示す。本
発明のＢＰＴの場合、先にも述べたように、エミッタ中
への正孔の拡散電琉はほとんど無視できる程低くおさえ
ることができるので、ベース電流はエミッタから注入さ
れた電流の再結合電流が主成分となる。ベース電流の縦
方向主成分は（５）式と同じであり、また、横方向電流
は、 Ｊａｒｅｃｘ−　（ｑ−ｏｎ／ｔ．ｎ）　（ｒ＋＋’／
Ｎａ）　（ｅｘｐ（ｖａＥ／ｉｔ丁）−ｉ｝・・・（１
３） となる。さらに、エミッタ面積をＡＥ．　　周辺長をＬ
Ｅ、エミッタ深さをＷ，とすると、ｈ．は近似的に ｈｒｃ　　＝　　Ｉｃ／Ｉｎ ”ｉ　（Ａｃ・Ｊｃ）／（Ａｚ・Ｊａｒｘｙ”Ｌ１Ｗ１
Ｊａｒｅｃｘ）卿（Ａｅ・（１／Ｗ！ｌ）） ／　｛Ａｃ’　（１／２）　（Ｗａ／Ｌｎ’）”Ｌｅ・
Ｗｇ　（ｔ／Ｌｎ）　）＝　Ｆｌｙｒ：＋ｍａｘ　［｛
ｔ／　｛１＋　（２Ｌｚ・Ｗｅ４ｎ）／　（ＡＥ／Ｗ！
ｌ）　）］・・・（１４） となる。故に、本来 （２Ｌｃ・Ｊ４ｎ）／　（Ａｔ−Ｗａ）　　＜　１　　
　　　　−　（１５１としなければならない。

上記（１５）式で、デバイス設計上検討できるのは、Ｗ
６であるから、 Ｗ，　＜　１／２（．ｈ／ＬＥ）　（ｗａ／ｆ．ｎ）　
　　　　　　−（ｔ６）でなければならない。ここで、
Ａε＝１μｍ口，Ｌ８＝１μｍとし、Ｗ，／Ｌｎ＝０．
０　１とすると、（１６）式より、Ｗ！　　＜０．００
５μｍとなる。本発明のＢＰＴを微細化するに際しては
、（１６）式を満足するように、Ｗεを定めなければな
らない。

また、本実施例によれば、暗電流が改善され、Ｓ／Ｎが
著しく向上した。

なお、本実施例では、電極材料として純粋金属を用いた
場合のみ示したが、シリサイド、合金等を用いても、同
様の効果を得ることができる。

（実施例２） 第１０図は、本発明の第２の実施例に係る半導体装置を
示す概略的断面図である。本実施例では、エミッタ領域
６がエビタキシャル成長によりベース上に作成され、そ
の上に、トンネル注入用絶縁膜が形成されている。この
ような構造であれば、上記（１６）式において、Ｗε＝
０となり、本来のｈ　ＰＥｍｉｘに近い値を得ることが
可能である。

（実施例３） 第１１図は、本発明に係る光電変換装置の１実施例を示
す回路図であり、本出願人が昭和６２年１２月２１日に
特許＠（２）において開示した固体撮像装置に、上記実
施例１に示したＢＰＴを用いた場合を示すものである。

第１０図において、Ｔｒで示した部分に、実施例１で示
したＢＰＴを使用した。すなわち、本実施例では、ＭＩ
Ｓ型ＢＰＴを充電変換素子として用いた。

第１１図に示したエリアセンサーをカラーカメラとして
使用する場合には、同一の光電変換素子の光情報を複数
回読み出す動作を行なう。この際、同一素子から複数回
読み出すために、１回目読み出し時と２回目以降の読み
出し時の電気出力の比が問題となる。この値が小さくな
ると、補正が必要となる。

上記１回目と２回目との読み出し出力の比を非破壊度と
定義すると、非破壊度は次式で表わされる。

非破壊度＝　（［：ｔｏｔ　Ｘｈｒｃ）／（ＣｔｏｔＸ
ｈｒｃ　＋（：Ｊここで、Ｃｔｏｔは第１１図にＴｒで
示された充電変換素子のベースに接続されている全容量
を示し、ベース・コレクタ間容量ＣｂａとＣ。Ｘにより
決まる。また、ＣｖはＶ　Ｌ　＋・・・　ｖＬｎで示さ
れる読み出し線路の浮遊容量である。ただし、Ｃｏｘは
回路方式によって存在しない場合もある。非破壊度は電
流増幅率ｈＦＥを大きくすることにより容易に改善でき
る。すなわち、ｈＰεを大きくすることにより非破壊度
を大きくすることができる。

ここで，ＨＤ対応のエリアセンサーでは、Ｃｔｏｔ　”
１０ｆＦ，Ｃｙ　＝２．５９Ｆであるので、例えば、非
破壊度を０，９０以上とするためにはｈＰＥは２２５０
以上必要となる。十分な非破壊度を得るためには、ｈ，
５は２０００以上必要であると思われる。

これに対して、従来、例えば、ホモ接合ＢＰＴでは、ｈ
ｒｃは１　０００程度であったため、十分な非破壊度を
得ることができなかった．一方、本発明の半導体装置で
は、ｈＦＣを十分大きくすることができるため、優れた
非破壊度を得ることができる。

さらに、望ましくは、非破壊度は０．９８以上であると
よい。そのときはｈＦＥは１００００程度必要となる。

従来のホモ接合ＢＰＴでは、この値は達しえず、本発明
のトランジスタにおいては容易である。

なお、本実施例においてはエリアセンサーの場合を示し
たが、ラインセンサーにも応用できることはあきらかで
ある。

［発明の効果コ 以上、詳細に説明したように、本発明の半導体装置によ
れば、コレクタ電流の微小電流領域でベース電流の増加
を抑えることができ、コレクタ電流の広い領域に渡って
著しく高い電流増幅率を′保ち、且つ、電流増幅率のコ
レクタ電流に対する依存性をなくすことができる。

また、絶縁膜の安定性を向上させ、信頼性を著しく向上
させることができる。

また、本発明の光電変換装置によれば、電流増幅率を向
上させ、且つ、電流増幅率のコレクタ電疏に対する依存
性をなくすことができるので、光入力に対する出力の線
形性を保つことができ、暗電流が少なく、且つ、高い侶
号／雑音比（Ｓ／Ｎ比）を得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例に係る半導体装置を示す概略
断面図、 第２図は、ＭＩＳ構造ＢＰＴにおいて、金属としてＡ！
、絶縁物としてＳｉＯ２，半導体としてＳｉをそれぞれ
用いた場合の、各領域のエネルギーの関係を示す図 第３図（ａ）は、第１図に示したのＭＩＳ構造ＢＰＴの
絶縁物に印加する電界の方向を示す図、 第３図（ｂ）はＭＩＳ構造ＢＰＴの絶縁物に印加する電
界の方向を示す図、 第４図は第１図に示したのＭＩＳ構造ＢＰＴの絶縁物に
印加する電界の拡大図、 第５図（ａ）は第１図に示した本実施例のＭＩＳ構造Ｂ
ＰＴのＡ−Ａ’断面におけるバンド図、 第５図（ｂ）は、第１２図に示した従来のＭＩＳ構造Ｂ
ＰＴのＡ−Ａ’断面におけるバンド図、 第６図はトランジスタの電流・電圧特性を模式的に示し
たグラフ、 第７図はｎ１領域における不純物濃度と正孔の拡敗距離
および正孔の寿命との関係を示すグラフ、 第８図（ａ）は金属とｎ型ＳｉＣとの接合を示すバンド
図、 第８図（ｂ）はｎ型Ｓｉとｎ型ＳｉＣとの接合を示すバ
ンド図 第８図（Ｃ）は金属とｎ型ＳｉＣとｎ型Ｓｉとの接合を
示すバンド図、 第８図（ｄ）は第８図（Ｃ）においてＳｉＣを薄膜化し
た場合のバンド図、 第９図は第１図に示した半導体装置のエミッタ周辺部の
概略的断面図、 第１０図は本発明の第２の実施例に係る半導体装置を示
す概略的断面図、 第１１図は本発明に係る光電変換装置の１実施例を示す
回路図、 第１２図は従来のＭＩＳ構造ＢＰＴの一例を示す概略的
断面図である。 （符号の説明） １・・・ｎ形シリコン基板あるいｐ形シリコン基板、 ２・・・埋め込み領域としてのｎ０領域、３・・・コレ
クタ領域の一部としてのｎ領域、４・・・ベース領域と
してのｐ形領域、６・・・エミッタ領域としてのｎ４領
域、５・・・ベース抵抗を下げるためのＰ″″領域、７
・・・コレクタ抵抗を下げるためのｎ３領域、３０・・
・トンネル注天を行うための薄い絶縁膜、 １０１，　　　１０２，　　　１０３−・・絶縁ｎ莫、
２００・・・配線電極。 第２図 第 ３ 図 第 ５ 図 第 ４ 図 第 ６ 図 大電流領域 Ｖｓε Ｆ 第 ９ 図 第１１ 図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１導電型のコレクタと：第２導電型のベースと
   ；第１導電型のエミッタと；当該エミッタを形成する材
   料よりも禁止帯幅の広い材料からなる当該エミッタ上に
   形成された膜と：当該膜上に形成された金属電極とを少
   なくとも有することを特徴をする半導体装置
2. （２）前記エミッタの厚さが前記ベースから注入される
   少数キャリアの拡散長よりも薄いことを特徴とする請求
   項１記載の半導体装置
3. （３）前記エミッタの電子親和力よりも前記金属電極の
   仕事関数φ＿ｍが大きいことを特徴とする請求項１また
   は２記載の半導体装置
4. （４）前記膜の厚さが、前記ベースにより決定されるコ
   レクタ電流よりも当該膜のトンネル電流が大きくなるよ
   うな厚さであることを特徴とする請求項１〜３記載の半
   導体装置
5. （５）前記エミッタを形成する材料よりも禁止帯幅の広
   い材料が絶縁体であることを特徴とする請求項１〜４記
   載の半導体装置
6. （６）前記エミッタを形成する材料よりも禁止帯幅の広
   い材料が半導体であることを特徴とする請求項１〜４記
   載の半導体装置
7. （７）請求項１〜６記載の半導体装置を少なくとも光電
   変換素子として用いたことを特徴とする光電変換装置