JPH03105925A

JPH03105925A - 半導体装置

Info

Publication number: JPH03105925A
Application number: JP24457089A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takahashi; 剛高橋
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1989-09-19
Filing date: 1989-09-19
Publication date: 1991-05-02

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】［産業上の利用分野コ本発明は半導体装置、特に高速で動作して電流利得が高
いバイボーラトランジスタに関する。

従来のシリコンのバイボーラトランジスタに比較して飛
躍的に高い高周波特性を得られるものとして、近年、Ｈ
ＢＴ（ヘテロ接合バイボーラトランジスタ）が注目され
、高速化及び高電流利得化のために種々の改良が加えら
れている。エミッタ構造・ベース構造の改善により、高
周波特性が向上し、電子がトランジスタ中を走行する時
間が飛躍的に短くなっている。エミッタ構造・ベース構
造の改良に伴い、従来、余り問題とならなかったコレク
タ中を電子が走行する時間の遅れが全体の特性に影響し
てきており、コレクタ構遺の改良が求められている。

［従来の技術］従来のＨＢＴのコレクタ梢造を第５図乃至第８図のエネ
ルギーバンド図を用いて説明する。

従来のＨＢＴのコレクタ構造の多くは、第５図に示すよ
うに、ｐ１型のベース層５０に対してｎ一型のコレクタ
ｆｆｉ５２及びｎ＋型のサブコレクタ層５４を接合させ
たものである．なお斜線部分は空乏層を示してる。この
ようなコレクタ構造では、第５図に示すように、ベース
層５０に対するコレクタ層５２の接合部分におけるエネ
ルギーバンドの曲りが大きいため、ベース層５０から注
入されたオーバーシュート電子が、「バレーからＬバレ
ーに遷移し易く、走行速度が低化する。このため高周波
特性において遮断周波数ｆＴの低下を招くという問題が
あった．第５図のｎ型コレクタ構造のＨＢＴとは逆に、第６図に
示すように、コレクタ層５２にＰ型半導体を用いたＰ型
コレクタ構遣のＨ　Ｂ　Ｔがある。ｐ型コレクタ構造の
ＨＢＴではコレクタ層５２のエネルギーバンドの曲りが
サブコレクタ層５４側になるため、ベース層５０からの
オーバーシュート電子がしバレーに遷移することなく電
子の高速走行が可能である。

一方、ＨＢＴにおける高周波特性を表わす他のパラメー
タとして最大発振周波数ｆ　ＭＡＸがある。

この最大発振周波数ｆ　＆ｌＡＸはコレクタ容量の平方
根に反比例するため、コレクタ容量をできるだけ下げる
ことが望ましい。しかしながら、第５図及び第６図に示
ずようにコレクタ層５２をｎ型半導体又はＰ型半導体で
構成したものではコレクタ容量をある程度以上低くする
ことはできず、最大発振周波数ｆ　ＭＡＸの高いＨＢＴ
を得ることはできないという問題があった。

この点を改善するため、第７図に示すようにコレクタ層
５２をｉ型半導体にしたｉ型コレクタ構造のＨＢＴが知
られている，しかしながら、ｎ型コレクタ構遺のＨＢＴ
の場合より小さいものの、ｉ型半導体のコレクタ層５２
もバイアス電圧ＶＩＩＣに応じて傾斜しており、オーバ
ーシュート電子がしバレーに遷移しやすいという問題が
あった。また、コレクタ層５２にｉ型半導体を用いてい
るためにコンダクタンスが低下するという問題があった
。

最近、新しいコレクタ構造とし第８図に示すものが注目
されている。このＨＢＴはＢＣＴ　（バリスティヅクコ
レクショントランジスタ）と呼ばれ、第７図のｉ型コレ
クタ構造を基本として、ベース層５０に接する部分にｉ
型半導体Ｎ５２ａを設け、サブコレクタＮ５４に接する
部分にＰ１型半導体層５２ｂを設けている．このｐ＋型
半導体層５２ｂを設けることにより、１型半導＃Ｊｉ５
２ａの電界を弱くしてオーバーシュート電子がＬバレー
に遷移することを防止し、電子の走行距離をのばし、遮
断周波数ｆｔを向上させることができる。しかしながら
、この構造のＨＢＴではｎ＋型サブコレクタ層５４とｐ
＋型半導体層５２ａとで不純物濃度の高い層同志のｐｎ
接合が形戒されるため、コレクタ容量が増大し、最大発
振周波数ｆ　）ＩＡＸが制限されるという問題があった
。また、この構造のＨＢＴではコレクタ層５２のベース
層５０測の領域の不純物濃度が低いためカーク効果が起
こりやすいという問題があった，カーク効果は、コレク
タ電流が高い状態で、遮断周波数ｆ↑と最大発振周波数
ｆ　ＭＡＸを低下させ、高電流における高速動作をさせ
ることを狙ったＨＢＴでは非常に問題となる。

［発明が解決しようとする課題コこのように従来のＨＢＴのコレクタｗ４造では、エネル
ギーバンドの曲りにより電子の走行速度が低化して遮断
周波数ｆＴの低下するという問題や、コレクタ容量の増
加により最大発振周波数ｆ　ＭＡＸが低下するという問
題や、コレクタ層にｉ型半導体を用いているためコンダ
クタンスが低下するという問題や、高電流密度動作時に
カーク効果により遮断周波数ｆｔと最大発振周波数ｆ　
ＭＡＸが低下するという問題が依然として解決されてい
なかった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、高電流密
度動作時のカーク効果を抑え、コレクタ容量を低くする
と共に、エネルギーバンドの曲りを小さくしてオーバー
シュート電子の高速走行が可能なコレクタ楕造を有する
半導体装置を提供することを目白勺とする．［課題を解決するための手段］本発明の原理を第１図のエネルギーバンド図により説明
する。

本発明のコレクタ構遺は、ベース１１０がｐ＋型でサブ
コレクタ層１４がｎ＋型とすると、コレクタ層１２を、
ｎ型半導体層１２ａとＰ型半導体層１２ｂｆ構成し、ベ
ースＮ１０側にベース層１０と逆導電型のｎ型半導体層
１２ａを配し、サブコレクタ層１４１ｔｆｉ１にサブコ
レクタ層１４と逆導電型のｐ型半導体層１２ｂを配した
ｎ−ｐ型コレクタ構造としている。

［作用コ本発明によれば、バイアス電圧が印加されていないとき
は、第１図（ａ）に示すように、領域Ａ、Ｂ．Ｃに空乏
層（斜線の領域）が形戒されるが、バイアス電圧■９ｃ
が印加されると、ｎ型半導体層１２ａとＰ型半導体［１
２ｂには逆バイアスとなり、第１図（ｂ）に示すように
、空乏層がコレクタ層１２の全領域に及ぶ。したがって
、コレクタ容量はコレクタ層１２の厚さだけで定まり、
ｉ型コレクタ構遺のＨＢＴ　（第７図）と同様にコレク
タ容量を低下させることができる。

また、ｐ１型ベース層１０側のコレクタ層１２がベース
層１０と逆導電型のｎ型半導体層１２ａであるため、カ
ーク効果が起こりに＜＜、高電流密度領域で遮断周波数
ｆエ及び最大発振周波数ｆ一八Ｘが低下しない．さらに、コレクタ層１２中にｎ型半導体層１２ａだけで
なくｐ型半導体Ｊｉｌ２ｂが設けられているため、コレ
クタ層ｌ２中のエネルギーバンドの曲りが緩やかになり
、ベース層１０から注入された電子がＬバレーに遷移し
難くなる。したがって、電子の走行速度の低下を防止し
て遮断周波数ｆＴを向上させることができる．［実施例］本発明の第１の実施例による半導体装置を第２図を用い
て説明する。

半絶縁性ＧａＡｓ基板１６上に厚さ３０００〜５０００
人で不純物濃度がＩ　Ｘ　１　０”ｃｍ−’のｉ型Ｇａ
Ａｓのバヅファ層１８が形戒されている．バッファ層１
８上には、厚さ５０００人で不純物濃度が５　Ｘ　Ｊ．
　Ｏ　”ｃ　ｍ′−３のｎ　４’型ＣｒａＡｓのサブコ
レクタ層１４が形成されている。

サブコレクタ層１４上には本実施例の特徴的構成である
ｎ−ｐ型コレクタ梢造の厚さ５０００人のコレクタ層１
２が形成されている。すなわち、サブコレクタ層１４上
には、厚さ２５００人で不純′＋＠濃度が３　Ｘ　１　
０　”ａｍ−’のｐ型ＧａＡｓのｐ型半導体層１２ｂが
形成され、さらに、ｐ型半導＃．層１２ｂ上に厚さ２５
００人で不純物濃度が３Ｘ　１　０　”ｃ　ｍ−’のｎ
型ＧａＡｓのｎ型半導体層１２ａが形成されている。

コレクタ層１２上には厚さ１０００八で不純物濃度がＩ
　Ｘ　１　０１９ｃｍ−’のｐ＋型ＧａＡｓのベース層
１０が形或されている。

ベース層１０上にはエミッタ層２０が形成されている。

エミッタ層２０は厚さ１０００〜２０００八で不純物濃
度が５　Ｘ　１　０　”ｃ　ｍ−’の几型Ａ１。，Ｇａ
０７Ａｓ層２０ｂで構成されているが、ベース層１０と
ｎ型ＡＮ　ｏ．ｓ　Ｇａｏ．ｙ　Ａｓ層２０ｂの間は、
組成がｎ型ＧａＡｓからｎ型Ａｊ。，Ｇａｏ７ＡＳに徐
々に変化する厚さ３００〜５００人の薄いグレーディッ
ド層２０ａが挿入されている．さらに、ｎ型Ａｊ　ｏ．
ｓ　Ｇａｏ７Ａｓ層２０ｂ上には電極とのコンタクトの
ために、厚さ５００〜１０００人で不純物濃度が５Ｘ１
０１８ｃｍのｎ型ＧａＡｓ層２０ｃが形成されている。

コレクタ電極２２はサブコレクタＮ１４の段差上に形成
され、ベース電極２４はベース層１０の段差上に形成さ
れ、エミッタ電極２６はエミッタ層２０のｎ型Ｇ　ａ　
Ａ　ｓ　Ｎ　２　Ｏ　ｃ上に形成されている．ベース・コレクタ間のバイアス電圧Ｖｅｃを１ｖにする
と、ｎ型半導体層１２ａ及びｐ型半導体層１２ｂの空乏
層幅は０．５Ｖで約３０００Ａあるから、第２図ｆｂ）
に示すように、５０００人厚のコレクタ層１２全てが空
乏化される。このときのコレクタ容量は２３ｎＦ／ｃｍ
２となった．なお、同じ不純物濃度の従来のｎ型コレク
タ構遣のＨＢＴの場合（第５図）のコレクタ容量は３４
ｎＦ／ｃｍ２もあり、従来よりコレクタ容量が３０％以
上減少した．高周波特性である最大発振周波数ｆｖ＾Ｘ
も従来は５０ＧＨｚであったのに対し、本実施例では６
１ＧＩＩＺとなり、従来よりＩＩＧＨＺも向上した．また、本実施例ではコレクタ層１２中のエネルギーバン
ドの曲りが、第２図［ｂ）に示すように緩やかになって
いる。比較のために従来のｎ型コレクタ構造のＨＢＴ（
第５図）のエネルギーバンドを一点鎖線で示す。従来の
ｎ型コレクタ構造のＨＢＴに比べ、本実施例ではベース
層１０１１１のエネルギーバンドの曲りが小さく、ベー
ス層１０から注入されたオーバーシュート電子がＬバレ
ーに遷移しに＜＜、電子がコレクタを走行する時間を短
くすることができる。これにより遮断周波数ｆＴを増加
させることができる。

さらに、本実施例ではベース層１０測のコレクタ層１２
がｎ型半導体層１２ａであるのでカーク効果を抑えるこ
とができる。カーク効果を抑えることで高電流密度領域
で遮断周波数で７及び最大発振周波数ｆ　ＭＡＸを大き
くすることができる．例えば、コレクタ層１２中の電子
速度を３Ｘ１０７ｃｍ／ｓとすると、カーク効果が起き
やすいｉ型コレクタ構造（不純物濃度：　ＩＸＩＯ”Ｃ
ｍ−’）のＨＢＴ　（第７図）ではコレクタ電流密度が
５×１０’Ａ／ｃｍ２以上でカーク効果が起きる。これ
に対して本実施的ではコレクタ電流密度が１．４Ｘ１０
５Ａ／ｃｍ２までカーク効果が起こらない。

上記実施例のＨＢＴでは、エミッタ層が，ＩＧａＡｓで
ベース層とコレクタ層かＧａＡｓであったが、他の化合
物半導体で構成してもよい．例えば、エミッタ層がＩｎ
Ｐでベース層とコレクタ層がＩ　ｎＧａＡｓで構成して
もよい。また。エミッタ層がＩｎＡＪＩＡｓでベース層
とコレクタ層がＩｎＧａＡｓ″′Ｃ−構成してもよい。

本発明の第２の実施例による半導体装置を第３図を用い
て説明する。第３図（ａ）は断面構造を示し、同図（ｂ
）はエネルギーバンドを示している。

本実施例はシリコンのｎｐｎバイボーラトランジスタに
本発明を適用したものである。第３図（ａ）に示すよう
に、ｎ＋型コレクタコンタクト層３０とｐ“型ベース層
３４の間のコレクタ層３２が、ｎ型半導体層３２ａとｐ
型半導体層３　２　ｂにより構或されている．ｎ型半導
体Ｍ３　２　ａとｐ型半導体層３２ｂの不純物濃度はｐ
＋型ベース層３４より低くなっている。ｎ型エミッタ層
３６はｐ＋型ベース層３４表面に形成されている。コレ
クタ電極３７、ベース電極３８、エミッタ電極３つは、
それぞれコレクタコンタクト層３０、ベース層３４、エ
ミッタ層３６上に形成されている。

本発明の第３の実施例による半導体装置を第４図を用い
て説明する。第４図（ａ）は断面構造を示し、同図（ｂ
）はエネルギーバンドを示している。

本実施例はシリコンのｐｎｐバイポーラトランジスタに
本発明を適用したものである。第４図（ａ〉に示すよう
に、ｐ＋型コレクタコンタクト層４０とｎ＋型ベース層
４４の間のコレクタ層４２が、ｐ型半導体層４２ａとｎ
型′半導体層４２ｂにより構成されている。Ｐ型半導体
層４２ａとｎ型半導体１４２ｂの不純物濃度はｎ＋型ベ
ース層４４より低くなっている。Ｐ型エミッタ層４６は
ｎ１型ベース層４４表面に形成されている．コレクタ電
極４７、ベース電極４８、ヱミッタ電極４９は、それぞ
れコレクタコンタクト層４０、ベース層４４、エミッタ
層４６上に形戒されている。

第３図は本発明の第２の実施例による半導＃：装置を示
す図、第４図は本発明の第３の実施例による半導体装置を示す
図、第５図乃至第８図は従来のＨＢＴのコレクタ構遺を示す
エネルギーバンド図である。

［発明の効果］以上の通り、本発明のコレクタ構遣によれば、コレクタ
容量を減少させ、カーク効果を抑制することができる。

したがって、遮断周波数ｆＴと最大発振周波数ｆ　ＭＡ
Ｘが向上し、半導体装置の高周波特性が著しく改善され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を説明するためのエネルギーバン
ド図、第２図は本発明の第１の実施例による半導体装置を示す
図、図において、１０・・・ベース層１２・・・コレクタ層１２ａ・・・ｎ型半導体層１２ｂ・・・ｐ型半導体層１４・・・サブコレクタ層１６・・・半絶縁性Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板１８・・・バッ
ファ層２０・・・エミッタ層２０ａ・・・グレーディッド層２　０　ｂ　＝−ｎ型ＡＮ　。，，Ｇａ．，７Ａｓ層２
　０　ｃ　＝−ｎ型ＧａＡｓｌ２２・・・コレクタ電極２４・・・ベース電極２６・・・エミンタ電極３０・・・コレクタコンタクト層３２・・・コレクタ層３２ａ・・・ｎ型半導体層３２ｂ・・・ｐ型半導体層３４・・・ベース層３６・・・エミッタ層３７・・・コレクタ電極３８・・・ベース電極３つ・・・エミッタ電極４０・・・コレクタコンタク１〜層４２・・・コレクタ層４２ａ・・・ｐ型半導体層４２ｂ・・・ｎ型半導体層４４・・・ベース層４６・・・エミッタ層４７・・・コレクタ電極４８・・・ベース電極４９・・・エミッタ電極５０・−・ベース層５２・・・コレクタ層５２ａ・・・ｉ型半導体層５２ｂ・・・ｐ＋型半導体層５４・・・サブコレクタ層

Claims

【特許請求の範囲】１、第１導電型のエミッタ層と、前記エミッタ層に接合された第２導電型のベース層と、前記ベース層に接合された第１導電型層と、前記第１導
電型層に接合された第２導電型層とを有するコレクタ層
と、前記コレクタ層の第２導電型層に接合する第１導電型の
サブコレクタ層とを有することを特徴とする半導体装置
。２、請求項１記載の半導体装置において、前記コレクタ層における第１導電型層及び第２導電型層
の不純物濃度が前記ベース層の不純物濃度よりも低いこ
とを特徴とする半導体装置。