JPH04124830A - 半導体装置 - 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】 二概要コ 高速動作可能で電流駆動能力の高いバイポーラ半導体装
置に関し、 コレクタ領域内における谷間遷移を抑止すると共に、他
に不都合な点を生じさせないヘテロバイポーラトランジ
スタ構造を有する半導体装置を提供することを目的とし
、 ＪｎＰを含む第１領域を有するコレクタ領域と、ＧａＳ
ｂを含み、第１領域に隣接して配置され、第１領域とヘ
テロ接合を形成する第２領域を有するベース領域とを有
するように構成する。

１産業上の利用分野コ 本発明は半導体装置に関し、特に高速動作可能で電流駆
動能力の高いバイポーラ半導体装置に関する。

シリコン等の単一物質で構成されたバイポーラトランジ
スタは、同じ物質で構成されたユニポーラトランジスタ
より一般的に高速動作、電流駆動能力に優れているか、
無視できない駆動（ベース）電流を必要とする。

エミッタ・ベース間に異種物質のヘテロ接合を採用した
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、ヘテ
ロ接合材料の選択により駆動電流を大幅に低減し、高い
電流増幅率を実現できる。

このため、高速動作もより推進される。

１従来の技術つ 従来のＨＢＴとしては、■族生導体を用いたＳｉ／５ｉ
Ｇｅ（Ｓｉ領域とＳｉとＧｅの混晶領域とのヘテロ接合
）を用いたものら知られているか、主には■−ｖ族半導
体のヘテロ接合を用いたものか研究されている。

第２図に、従来の技術によるＩ−Ｖ族ヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタの構成例を示す。

ｎ型ＧａＡｓ：７レクタ領域３１の上に、ｐ＋型ＧａＡ
Ｓベース領域３２か配置され、その上にｎ型ＡｌＧａＡ
ｓエミッタ領域３３か配置され、エミッタ・ベース間に
ヘテロ接合を形成している。

エミッタ・ベース間に順バイアス電圧を印加すると、伝
導帯Ｅ　に関して、エミッタからベースに移行する電子
に対する電位障壁は消滅して、電子の注入か生しるが、
この時にベース領域３２からエミッタ領域３３に移行す
る正孔に対しては一電位障壁か残存するため、正孔の注
入は極めて低い、このため、ベース電流は極めて小さい
値に保たれ、高い電流増幅率が実現される。エミッタ領
＃ｉ３３からベース領域３２に注入された電子は、ベー
ス領域内で適宜加速され、コレクタ領域３１に注入され
て、強い電界によって強く加速される。

このコレクタ領域内の高い電界によって、電子が加速さ
れると、電子のエネルギが高くなり、伝導帯の「谷から
し谷への遷移（散乱）か生じる。ＧａＡｓにおいては、
伝導帯の「谷とＬ谷とのエネルギ差は、約０．３３ｅＶ
であり、半導体中に高電界を印加すると、「谷からし谷
への遷移を生じることは避は離い。

Ｌ谷は、「谷の有効質量に対して、約３倍大きな有効質
量を有している。このため、「谷からＬ谷へ電子か遷移
すると、電子の質量か急激に重くなり、速度か遅くなっ
てしまう、このため、コレクタ領域３１を走行する時間
か長くなってしまう。

この谷間遷移かＨＢＴの動作速度を制限する原因の１つ
となる。

以上説明したような、谷間遷移を防止する方法として、 （１）、コレクタ領域内に生じる電界を低くすること、 （２）、　ｒ’　−Ｌ谷間のエネルギ差の大きい材料を
用いること が考えられる。

第３図（Ａ）〜（Ｃ）は、このような考えに基づき、第
２図ＨＢＴを改良する構成例を示す。

第３図（Ａ）は、ｎ型ＧａＡｓの代わりに、Ｐ−型Ｇａ
ＡＳをコレクタ領域として用いる構成を示す、すなわち
、第２図におけるｎ型ＧａＡｓ領域３１の代わりに、ｐ
−型ＧａＡｓ領域３１ｂを配置し、電子を吸い出すコレ
クタコンタクトを形成するため、ｎ＋＋ＧａＡｓ領域３
１ａを接続した構成である。ベース領域３２からｐ型コ
レクタ領域３１ｂに移行する際には、ｐｎ＃台か存在せ
ず、急激な電位勾配が防止されている。このため、コレ
クタ領域内における高電界を低減する役割を果す。

しかしなから、通常−ベース領域内においてもポテンシ
ャルレベルを傾斜させた傾斜ベース構造が採用されてお
り、電子かベース領域がらコレクタ領域に移行する際に
は、かなりのエネルギを得ている。コレクタ領域内にお
ける電界を制限しても、コレクタ領域としてＧａＡｓを
用いる限り、約０３ｅＶという狭いエネルギ差しかない
「谷からＬ谷への遷移を防止することは離しい、このた
め、第３図（Ａ）の構成を用いて、ｒ−Ｌ谷間遷移を極
めて小さく抑制することは難しい。

第３図（Ｂ）は、コレクタ領域を形成する材料として、
１ｎＧａＡｓを用いた構成を示す、この時、ベース領域
もＪｎＧａＡｓで形成する。

ｎ型１ｎＧａＡｓｒレクタ領域３６の上に、ｐ＋型型口
ｎＧａＡｓベース領域３７か形成され、その上にｎ型り
ｎ＾ＩＡｓのエミッタ領域３８か形成されている。Ｉｎ
ＧａＡｓは、「谷がらＬ谷へのエネルギ差か約０．７２
ｅＶと大きく、「−り谷間遷移を極めて低く制限できる
。

ベース領域とコレクタ領域に１ｎＧａＡｓを用いた時は
、エミッタ領域としては、上に述べたようにＩｎＡ　Ｉ
Ａｓを用いることか多いが、他にＪｎｐを用いることも
できる。

ＪｎＧａＡｓは、高い「−り谷間エネルギを持つが、禁
制帯のエネルギ差Ｅｇが小さく、イオン化率が高い。こ
のため、コレクタ領域の耐圧を大きくすることか雛しく
、トランジスタ特性が悪くなるという性質を持つ。

コレクタ領域の７１’１ＧａＡＳの代わりに、禁制帯幅
が大きな］ｎＡ　ｌＧａＡｓを用いることも考えられる
が、への親戚を高くして禁制帯幅を拡げると、逆にＰ−
り谷間エネルギ差か小さくなってしまう。

ｒ−Ｌ谷間エネルギのエネルギ差の大きな材料として、
１ｎＧａＡＳの他にＪｎＰかある。ＴｎＰのｒ−Ｌ谷間
エネルギ差は約０．５２ｅＶと、ＩｎＧａＡｓよりは小
さいか、それでもＧａＡｓの約０，３３ｅＶと比べれば
十分大きな値である。］ｎＰは、「−り谷間エネルギか
大きいばかりでなく、禁制御Ｆ　幅Ｅ　ｇも約１．３５
ｅＶと大きく、イオン化率は小さい。

したかって、極めて有望な材料と言える。

コレクタ領域を１ｎＰで形成した場合−一般的には、ベ
ース領域は］ｎＧａＡｓ、エミッタ領域はＩｎＰで形成
される。

第３図（Ｃ）にこのような構成を概略的に示す。

ｎ型］ｎＰのコレクタ領域４１上にｐ十型］ｎＧａＡＳ
のベース領域４２か形成され、さらにその上にｎ型１ｎ
Ｐのエミッタ領域４３か形成される。ベース領域４２の
伝導帯のエネルギは、コレクタ領域４１、エミッタ領域
４３の伝導帯のエネルギよりも低く、ベース領域４２内
のキャリアにとっては両側に電位障壁か形成される。

このため、ベース領域４２に、エミッタ領域４３に対し
て順方向のバイアス電圧を印加して、エミッタ領域４３
からベース領域４２にキャリアを注入しても、このキャ
リアはベース領域４２とコレクタ領域４１の間のヘテロ
接合によって生じる電位障壁により、進行を阻害されて
しまう、このなめ、約０−５２ｅＶという大きなｒ−Ｌ
谷間のエネルギ差および約１．３５ｅＶと広い禁制帯幅
を有する利点を十分活用することができない。

″Ｌ発明が解決しようとする課題〕 以上説明したように、従来の技術によれば、コレクタ領
域内の谷間遷移（散乱）を防止することが難しく、有効
質量の小さな谷から有効質量の大きな谷へキャリアが遷
移することによって、キャリアのコレクタ走行時間が長
くなってしまった。

また、この点を改良しようとすると、他の部分に不都合
が表われ、全体的に良好な特性を発揮することか離しか
った。

本発明の目的は、コレクタ領域内における谷間遷移を抑
止すると共に、他に不都合な点を生じさせないヘテロバ
イポーラトランジスタ構造を有する半導体装置を提供す
ることである。

１課題を解決するための手段］ 第１図は、本発明の原理説明図である。

コレクタ領域は、］ｎＰを主成分とする第１領域１を有
し、この第１領域に接してＧａＳｂを主成分とする材料
のベース領域の第２領域２か形成されている＋　ＧａＳ
ｂを主成分とする材料は格子整合のため一他の物質を含
んでもよい。たとえば、ＧａＡｓＳｂである。

エミッタ領域の第３領域３は、好ましくはＴｎ＾Ａｓで
形成される。

このようにして、たとえば、ｎｐｎダブルヘテロバイポ
ーラトランジスタ構造が構成される。

３作用］ ＩｎＰは、ｒ−Ｌ谷間のエネルギ差が、約０．５２ｅＶ
と大きく、ｒ−Ｌ谷間遷移（散乱）か生じにくい。この
ため、高電界下での電子速度を高くすることができる。

また、ＪｎＰの禁制帯幅は約１゜３５ｅＶと広く、イオ
ン化率は低く、耐圧を十分大きくしやすい、このような
１ｎＰをコレクタ領域とし、ベース領域をＧａＳｂを主
成分とする材料で形成すると、ベース・コレクタ間には
、約ｏ、２５ｅＶのエネルギ差がΔＥｃ２生じるが、こ
のエネルギ差ΔＥｃ２はコレクタ領域１の方か低いエネ
ルギ差である。このため、ベースから注入される電子に
とっては、電位障壁は存在せず、逆に高エネルギ状態の
電子をコレクタに注入できる。さらに、ｐ型ＧａＳｂは
ｔ極金属とのショットキー障壁か極めて低いなめ、コン
タクト抵抗を下げることかでき、高周波特性を上げるこ
とかできるという利点がある。

エミッタとして、］ｎＡｌＡｓを用いると、エミッタ・
ベース間の伝導帯の不連続ΔＥＣ１か約０．１ｅＶ以下
となる。このため、電子をエミッタからベースに注入す
る場合、障壁かほとんど存在しない、また、ベースＧａ
ＡｓＳｂの禁制帯幅が約０．７ｅＶと小さい、このため
、ベース電圧の変化に対するコレクタ電流の変化を考慮
した時、コレクタ電流の立上がるベース電圧を非常に小
さな値に設定できる。つまり、低消費電力動作が可能と
なる。

また、１ｎ＾ＩＡｓは、ＧａＳｂを主成分とする材料と
の価電子帯の不連続ΔＥｖか約０．７ｅＶと大きい。

このため、ベース領域の正孔に対する閉込め作用か極め
て良くなる。このため、大きな電流利得か容易に得られ
る。

：実施例； 第４図に本発明の実施例によるヘテロバイポーラトラン
ジスタ半導体装置を示す、半絶縁性ＪｎＰ基板１１の上
に、バッファ層としてｉ型］ｎＰ領域１２かエピタキシ
ャル成長され、その上に格子整合したｎ４型ＪｎＧａＡ
ｓ領域１３かコレクタ領域のコンタクト層として、エピ
タキシャル成長されている。この上に、ｎ型１ｎＰコレ
クタ領域１４かエピタキシャル成長され、その上に格子
整合したＰ′型ＧａＡｓＳｂベース領域１５がエピタキ
シャル成長されている。ベース領域の主な特性は、主成
分のＧａ５ｂによって定まる。　ＧａＳｂは格子整合の
目的て入っている。ベース領域１５上には、］ｎＰと格
子整合したｎ型１ｎＡＩＡｓエミツタ領域１６、ｎ型Ｔ
ｎＡＩＧａＡＳ中間領域１７、ｎ十型１ｎＧａＡｓコン
タクト領域１８か、エミッタ領域に対してコンタクトを
形成するための領域として成長されている。各コンタク
ト領域の表面は露出され、コレクタコンタクト領域１３
上にはコレクタ電極２１、ベース領域１５上にはベース
電極２２、エミッタコンタクト領域１８上にはエミッタ
電＠２３かＣｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐ　ｔ　／　Ａ　ｕ等の
金属を用いて形成されている。

たとえば、ｉ型ＪｎＰバッファ層１２は厚さ約５０００
人、ｎ十型１ｎＧａＡｓコレクタコンタクト領域１３は
不純物濃度ｌＸ１０１８■−３、厚さ約３０００人、ｎ
型１ｎＰコレクタ領域１４は、不純物濃度的３　Ｘ　１
０　’６ｃｚ−３、厚さ約３０００人、ｐ中型Ｇａ＾ｓ
Ｓｂベース領域１５は、たとえば不純物濃度的１×１０
１８ａｌｌ−３、厚さ約１０００人、ｎ型１ｎ＾１＾Ｓ
エミツタ領域１６は不純物濃度的５　×１０１７．−３
厚さ約１５００人、このエミッタ領域１６とコンタクト
領域１８を接続する中間領域１７は、ＩｎＡｌＡｓから
］ｎＧａＡｓの組成勾配層であって、不純物濃度的５　
×１０１ＥＩ、−３、厚さ約５００人、ｎ中型ＴｎＧａ
Ａｓコンタクト層１８は、不純ｅｌ濃度約ｌＸ１０１８
■゛３、厚さ約１０００人を有する。これらのエピタキ
シャル層は、それぞれたとえば、ＭＯＭＢＥ法で成長で
きる。

エミッタ・ベース間に順バイアスを印加すると、エミッ
タ領域１６とベース領域１５の間の伝導帯の不連続は約
０．１ｅＶ以下であるため、ベースバイアス電圧の印加
と共に急激にエミッタからベースへ電流か注入される。

この時、ベース領域１５内の正孔に対しては、価電子帯
の不連続か約０゜７ｅＶあるので、ベース電流はほとん
ど流れない。

このため、高いｔ流増幅率か得られる。ベース領域１５
からコレクタ領域１４に注入される電子は、コレクタ領
域に注入されると共に、約０．２５ｅ■のエネルギを得
、コレクタ領域１４中を高速度で走行する。コレクタ領
域１４は、ｒ−Ｌ谷間エネルギが、約０．５２ｅＶと大
きく、谷間遷移による散乱を小さく抑制することかでき
る。

また、ｌｎＰは、禁制帯幅か約１．３５ｅＶと大きく、
イオン化率も低いため、耐圧を大きくすることかできる
。

このようにして、動作速度、耐圧、＠、流増幅率等の点
に関して優れたヘテロ接合バイポーラトランジスタか得
られる。

なお、コレクタ領域として、ｎ型１ｎＦ’を用いる場合
を説明したが、ｎ型］ｎＰ領域の代わりにｐ型ＩｎＰ領
域を用いることもできる。この場合、ベース領域からコ
レクタ領域に注入された電子に印加される電界を小さく
することか容易となる。また、ｐ型ＧａＡｓＳｂベース
領域の代わりに、ｐ型ＡｌＧａＡｓＳｂベース領域を用
いることもできる。この場合、ベース領域内に組成勾配
を形成し、ベース領域内で電子を加速することか好まし
い、エミッタ領域として、ｎ型１ｎＡ　Ｉ＾Ｓを用いる
場合を説明しなか、代わりにｎ型１ｎＰを用いてもよい
。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれ
らに制限されるものではない４たとえは、種々の変更、
改良、組み合わせ等か可能なことは当業者に自明であろ
う。

Ｕ発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、コレクタ領域内
における「−り谷間遷移か低く抑制されるなめ、コレク
タ領域の走行時間を小さくすることかてきる。

この時、ベースからコレクタに注入されるキャリアに対
しては、障壁か存在しない、このため、効率よく電子を
コレクタに供給できる。

エミッタを１ｎ＾ＩＡｓで構成した場合は、小さなベー
ス電圧でコレクタ電流を大きく立上げることが可能とな
り、消費電力の低減が容易となる。また、ベース電流を
低減することにより、大きな電流増幅率を得ることか容
易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理説明図、 第２図は、従来技術によるヘテロバイポーラトランジス
タの構造を説明するためのバンドタイヤグラム、 第３図（Ａ）〜（Ｃ）は、従来技術の他の例を説明する
ためのバンドタイヤグラム、 第４図は、本発明の実施例によるヘテロバイポーラトラ
ンジスタ半導体装置の梢遣を示す断面図である。 図において、 １　　第１領域（コレクタ領域） ２　　第２領域（ベース領域） ３　　第３領域（エミッタ領域） １１　　半絶縁性１ｎＰ基板 １３　　　ｎ十型１ｎＧａＡｓｒレクタコンタク１４　
　　ｎ型１ｎＰコレクタ領域 １５　　　ｐ生型ＧａＡｓＳｂベース領域１６　　　ｎ
型１ｎＡ　ＩＡＳエミッタ領域ト領域 第１図 第２図 （Ａ）ｐ型コレクタ （Ｂ） （Ｃ） 従来技術の他の例 第３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、ＩｎＰを含む第１領域（１）を有するコレクタ
   領域と、 ＧａＳｂを含み、前記第１領域に隣接して配置され、前
   記第１領域とヘテロ接合を形成する第２領域（２）を有
   するベース領域と を有する半導体装置。
2. （２）、請求項１記載の半導体装置であって、さらに、
   ＩｎＡｌＡｓを含み、前記第２領域に隣接して配置され
   、前記第２領域とヘテロ接合を形成する第３領域（３）
   を有するエミッタ領域を有する半導体装置。