JPH04103134A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ - 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】 ［概要コ ヘテロ接合バイポーラトランジスタに関し、低消費電力
であると共に、素子の高速化を実現することができる半
導体装置を提供することを目的とし、 エミッタがベースよりも大きいバンドギャップエネルギ
ーを有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて
、前記ベースが、伝導帯の底及び伝導帯の底よりも高エ
ネルギー側にそれぞれ第１の谷及び第２の谷を有し、か
つ前記第２の谷における電子の有効質量が、前記第１の
谷における電子の有効質量よりも小さく、前記エミッタ
が、伝導帯の底に前記第２の谷を有し、前記エミッタの
前記第２の谷を走行してきた電子が、前記エミッタと前
記ベースとの間に形成される伝導帯のエネルギースパー
クによって、前記ベースの前記第２の谷に注入されるよ
うに構成する。

［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。

ＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）は、高速
かつ駆動能力の高い素子として注目されており、特にそ
の主流となっているＡｊＧａＡｓ／ＧａＡｓ系のＨＢＴ
は、半導体素子中で、高速動作のトップデータを有して
いる。しかし、ＡｊＧ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ系は消費電力が大きいために高集積化が望めない。従
って、消費電力の小さなＨ’Ｂ　Ｔを・他の材料を用い
て作成する研究が成されている。その代表としては、Ｉ
ｎＡｊ！Ａｓ／ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ
系、ＧａＡｓ／　Ｇ　ｅ系などがある。

［従来の技術］ 従来のＧ　ａ　Ａ　ｓ　、／　Ｇ　ｅ構造のＮｐｎ型Ｈ
ＢＴのバンド構造を第３図に示す。

即ち、このＨＢＴは、バンドギャップエネルギーＥｇが
、 Ｅｇ＝１．４２ｅＶ のＮ型ＧａＡｓｃミ・ツタＦ１４２と、Ｅｇ＝Ｏ，’６
６ｅＶ のＰ型Ｇｅベース層４４と、ｎ型Ｇｅコレクタ層４６と
から構成されている。

そしてＮ型ＧａＡｓエミツタ層４２とＰ型Ｇｅベース１
４４とのヘテロ接合面の伝導帯に形成されているエネル
ギースパークの高さΔＥｃは、ΔＥｃ＝０．０６ｅＶ である、 また、Ｐ型Ｇｅベース層４４の伝導帯の底にはＬ谷が形
成され、その上方の高エネルギー側には「谷が形成され
ている。このときのし谷とｒ谷とのエネルギー差、即ち
セパレーションエネルギーＥｒ　　ＥＬは、 Ｂｒ　　ＥＬ＝０．１４ｅＶ である。

［発明が解決しようとする課Ｂ］ 上記従来のＨＢＴにおいて、Ｎ型ＧａＡｓエミツタ層４
２からＰ型Ｇｅベース層４４へ注入される電子は、高さ
ΔＥｃ　＝０　、０６　ｅＶのエネルギースパークによ
ってホットエレクトロン効果を有するが、この注入され
たホットエレクトロンはその大部分がｐ型Ｇｅベース層
４４においてはＬ谷を走行する。ところが、このし谷に
おける電子の有効質量ｍ”／ｍ’は、 ｍ”　／ｍ０＝Ｑ、ｏｓ〜ｘ、６ と比較的重い。この・なめ、−電子はＰ型Ｇｅベース層
４４中を進みに＜＜、ベース走行時間が長くなってしま
い、従って高速化を向上させることができないという間
籾があっｆＳ。

そこで本発明は、低消費電力であると共に、高速化を実
現することができる半導体装置を提供することを目的と
する。

［課題を解決するための手段］ 上記課題は、エミッタがベースよりも大きいバンドギャ
ップエネルギーを有するヘテロ接合バイポーラトランジ
スタにおいて、前記ベースが、伝導帯の底及び伝導帯の
底よりも高エネルギーＪこそれぞれ第１の谷及び第２の
谷を有し、かつ前記第２の谷における電子の有効質量が
、前記第１の谷における電子の有効質量よりも小さく、
前記エミッタが、伝導帯の底に前記第２の谷を有し、前
記エミッタの前記第２の谷を走行してきた電子が、前記
エミッタと前記ベースとの間に形成される伝導帯のエネ
ルギースパークによって、前記ベースの前記第２の谷に
注入されることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタによって達成される。

また、上記のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおい
て、前記エミッタがＮ型ＡＪｘＧａｌ−ｙＡｓで、かつ
その組成比Ｘが０．４程度であり、前記ベースがＰ型Ｇ
ｅであり、前記第１の谷がし谷であり、前記第２の谷が
「谷であることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタによって達成される。

［作　用］ エミッタとベースとのヘテロ接合面における伝導帯のエ
ネルギースパークの高さがベースにおける第１の谷と第
２の谷とのセパレーションエネルギーとかなり近い値で
あるため、エミッタの伝導帯の底の第２の谷を走行して
きた電子は、容易にベースの第２の谷に注入され、ベー
スにおいては第２の谷を走行することになる。そしてこ
の第２の谷における電子の有効質量は、第１の谷におけ
る電子の有効質量より小さいため、ベース走行時間は短
くなり、従って高速動作が実現される。

［実棒例］ 以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説明
する。

第１図は本発明の一実施例によるＨＢＴを示す断面図で
ある。

ｎ＋型ＧａＡｓ基板１２の上に、厚さ５００　ｒｉｍ、
ａ１１度Ｉ　Ｘ　１０”ｃｍ−’のｎ＋型ＧａＡｓサブ
エミッタ層１４を介して、厚さ３００　ｎｍ、濃度１×
ＩＱ１７ｃｍ−３のＮ型Ａ、ｌｌ　ｘｅａ、−、Ａｓ　
＜Ｘ＝０．４＞エミツタ層１６が形成されている。なお
、このＮ型Ａｊ　、Ｇａ１−ｘ　Ａｓエミツタ層１６に
おける組成比Ｘを、ｘ＝０．４としたのは、Ｎ型ＡｊＧ
ａＡｓエミッタ層１６における伝導帯の底に「谷が形成
されるようにするためである。

そしてこのＮ型ＡＪＧａＡｓエミッタ層１６及びＮ型Ａ
ＪＧａＡｓエミッタ層１６との接合近傍のｎ十型ＧａＡ
ｓサブエミッタ層１４の周囲には、ボロンを注入して高
抵抗化した電流狭窄層１８が形成されている。

また、Ｎ型ＡｊＧａＡｓエミッタ層１６上には、Ｇａが
拡散された厚さ１１００ｎ、濃度ｃｍ−’のＰ＋型Ｇｅ
ベース層２０が形成されている。そしてこのｐ”型Ｇｅ
ベース層２０と接続するＰ＋型Ｇｅ外部ベース層２２が
、電流狭窄層１８上に形成されている。またＰ＋型Ｇｅ
ベース層２０の上には、厚さ５００　ｎｍ、濃度３×１
０’ｃｍ−’のｎ型ＧｅコレクタＭ２４が形成され、更
にこのｎ型Ｇｅコレクタ層２４上には、厚さ２００　ｎ
ｍ、濃度３Ｘ１０１７ｃｍ−’のｎ＋型Ｇｅコレクタコ
ンタクト層２６が形成されている。

そしてｎ　＋型ＧａＡｓ基板１２裏面上、ｐ“型Ｇｅ外
部ベース層２２上及びｎ”型Ｇｅコレクタコンタクト層
２６上には、それぞれエミッタ電極２８、ベース電極３
０及びコレクタ＄４１３２が形成されている。

次に、第２図を用いて動作を説明する。

第２図は第１図のＮ型ＡｊＧａＡｓエミッタ層１６、ｐ
”型Ｇｅベース層２０及びｎ型Ｇｅコレクタ層２４のエ
ネルギーバンド図である。

Ｎ型ＡｊＧａＡｓエミッタ層１６におけるバンドギャッ
プエネルギーＥｇは、 Ｅｇ　（Ａｊ　０．４　Ｇａｏ６Ａｓ）＝１．９２ｅＶ
であり、伝導帯の底にはｒ谷が存在する。まなＰ“型Ｇ
ｅベース層２０のバンドギャップエネルギーＥｇは、 Ｅｇ　（Ｇｅ）＝Ｏ１６６ｅＶ であり、その伝導帯の底にはＬ谷が存在する。そしてこ
のし谷の上方の高エネルギー側にはｒ谷が存在し、Ｌ谷
とｒ谷とのセパレーションエネルギーＥ、−ＥＬは、 Ｅｒ　　ＥＬ　＝０．１４　ｅＶ である。

また、第３図に示される従来のＨＢＴにおけるＮ型Ｇａ
Ａｓエミツタ層４２とｐ型Ｇｅベース層４４とのΔＥｃ
／ΔＥｇは、電子親和力から計算すると、ΔＥｃ／ΔＥ
ｇさ０．０８程度となる。

これをＮ型ＡＪＧａＡｓエミッタ層１６とＰ”型Ｇｅベ
ース層２０とのヘテロ接合に適用すると、このヘテロ接
合面に形成されるエネルギースパークの高さΔＥｃは、 ΔＥｃ＝０．１０ｅＶ となる。従って、従来のＮ型ＧａＡｓエミッタ喘４２と
ｐ型Ｇｅベース層４４とのヘテロ接合面でのエネルギー
スパークの高さΔＥｃ＝０．０１ｅＶと比較するとその
値は大きく、Ｌ谷とｒ谷のセパレーションエネルギーＥ
ｒ　　ＥＬと近い値となる。

このため、Ｎ型ＡｊＧａＡｓエミッタ層１６の「谷を走
行してきた電子は、Ｎ型ＡＮ　ＧａＡｓエミツタ層１６
とｐ　＋型Ｇｅベース層２０との接合面に形成される高
さΔＥｃ＝０．１０ｅＶのエネルギースパークによって
Ｐ＋型Ｇｅベース層２０にホットエレクトロン注入され
るが、このときエネルギースパークの高さΔＥｃ＝０−
１０ｅＶとＰ“型Ｇｅベース層２０におけるＬ谷とｒ谷
とのセパレーションエネルギーＥｒ　　ＥＬ＝０．１４
ｅＶとがかなり近い値となっているため、ホットエレク
トロン注入された電子は、Ｐ＋型Ｇｅベース１２０のＦ
谷に容易に注入される。そしてこのＰ′＋型Ｇｅベース
１２０のＦ谷を走行することになる。

ところで、Ｐ′″型Ｇｅベース！＠２０のＬ谷における
電子の有効質量ｍ、”／ｍ’が、 ｍ”　／ｍ’≧０．０８〜１．６ であるのに対して、「谷における電子の有効質量ｍ　”
　／　ｍ　’は１桁はど小さくなる。このため、「谷を
走行する電子のベース走行時間は、従来のし谷を走行す
るのに比べると、約１桁程度短縮される。

このように本実施例によれば、Ｎ型ＡＮｘＧａ−ｘ　Ａ
ｓ　（ｘ＝０．４　）エミ・ツタ層１６とＰ＋型Ｇｅベ
ース層２０とをヘテロ接合させたＡｊＧａＡｓ／Ｇｅ構
遺のＨＢＴとすることにより、従来のＡｊＧａＡＳ／Ｇ
ａＡｓ系よりも低消費電力とすることができる。

また、ｐ“型Ｇｅベース層２０における伝導帯の底及び
伝導帯の上方の高エネルギー側にそれぞれ存在するし谷
及び「谷のセパレーションエネルギーＥｒ　　ＥＬが０
．１４ｅＶであるのに対して、Ｎ型ＡＪｌＧａＡｓエミ
ッタ層１６とｐ　＋型Ｇｅベース層２０とのヘテロ接合
面に形成されるエネルギースパークの高さΔＥｃがＱ、
１ＱｅＶとなり、両者が比較的近い値となることにより
、Ｎ型ＡｊＧａＡｓエミッタ層１６の伝導帯の底に形成
されている「谷を走行してきた電子は、Ｐ”型Ｇｅベー
ス層２０のｒ谷に容易にホットエレクトロン注入される
。

従って、ｒ谷を走行する電子のベース走行時間は、従来
のし谷を走行するのに比べて短縮され、ＨＢＴの高速動
作を実現することができる。

なお、上記実施例においては、ベース・コレクタ接合面
積を小さくすることによってベース・コレクタ容量Ｃａ
Ｃを小さくするためにコレクタトップ構造を用いている
が、これに限定されることはなく、通常のエミッタトッ
プ構造であっても勿論よい。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、エミッタがベースよりも
大きいバンドギャップエネルギーを有するヘテロ接合バ
イポーラトランジスタにおいて、ベースが伝導帯の底及
び伝導帯の底よりも高エネルギー側にそれぞれ第１の谷
及び第２の谷を有し、かつ第２の谷における電子の有効
質量が第１の谷における電子の有効質量よりも小さく、
またエミッタが伝導帯の底に第２の谷を有し、エミッタ
とベースとの間に形成される伝導帯のエネルギースパー
クの高さがベースにおける第１の谷と第２の谷とのセパ
レーションエネルギーに近い値になっているため、エミ
ッタの第２の谷を走行してきた電子をベースの第２の谷
に注入することができる。

従って、ベースに注入された電子は、電子の有効質量が
相対的に小さい第２の谷を走行することになり、電子の
ベース走行時間を＠締することができる。

また、エミッタ及びベースにＡ　ｊ　Ｘ　Ｇ　ａ　＋−
ｘ　Ａｓ　（ｘ＝０．４＞及びＧｅを用いることにより
、低消費電力とすることができる。

これにより、高速化と共に高集積化を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１区は本発明の一実施例によるＨＢＴを示す断面図、 第２図は第１図に示すＨＢＴの動作を説明するためのエ
ネルギーバンド図、 第３図は従来のＨＢＴのエネルギーバンド図である。 図において、 １２　：　ｎ”型ＧａＡｓ基板、 １４：ｎ”型ＧａＡｓサブエミツタ層、１６：Ｎ型Ａｊ
、Ｇａ、−ｘ　Ａｓ　（ｘ＝Ｑエミッタ層、 １８：電流狭窄層、 ２０：ρ“型Ｇｅベース層、 ２２：Ｐ＋型Ｇｅ外部ベース層、 ：ｎ型Ｇｅコレクタ層、 ：ｎ“型Ｇｅコレクタコンタクト層、 ：エミッタを極、 二ベース＠極、 ：コレクタ電極、 −Ｎ型ＧａＡｓエミッタ層、 ：Ｐ型Ｇｅベース層、 ＝ｎ型Ｇｅコレクタ層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、エミッタがベースよりも大きいバンドギャップエネ
   ルギーを有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにお
   いて、 前記ベースが、伝導帯の底及び伝導帯の底よりも高エネ
   ルギー側にそれぞれ第１の谷及び第２の谷を有し、かつ
   前記第２の谷における電子の有効質量が、前記第１の谷
   における電子の有効質量よりも小さく、 前記エミッタが、伝導帯の底に前記第２の谷を有し、 前記エミッタの前記第２の谷を走行してきた電子が、前
   記エミッタと前記ベースとの間に形成される伝導帯のエ
   ネルギースパークによって、前記ベースの前記第２の谷
   に注入される 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、 前記エミッタがＮ型Ａｌ＿ｘＧａ＿１＿−＿ｘＡｓで、
   かつその組成比ｘが０．４程度であり、 前記ベースがｐ型Ｇｅであり、 前記第１の谷がＬ谷であり、 前記第２の谷がΓ谷である ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。