JPH0435037A - 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】 〔発明の「Ｉ的〕 （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係り、
特に、ベース領域の一部にエミッタ領域よりバンドギャ
ップの小さい化合物半導体材料を用いたヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタに関する。

（従来の技術） ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢ　Ｔ）は高周
波特性、スイッチング特性に優れており、マイクロ波用
トランジスタや高速論理回路用トランジスタとして有望
視されている。

一般に、ヘテロ接合バイポーラトランジスタでは、その
高速性を高めるためベース領域を薄くするが、そのとき
ベースシート抵抗が大きくなるのを防ぐためにベース領
域の不純物濃度は高くするのが望ましい。

一方、エミッタ領域は、エミッターベース間接合容量Ｃ
Ｅを小さくし、エミッタ充電時間を短くするため、そこ
での不純物濃度は低い方がよいとされている（例えば、
Ｉｌ、Ｋｒｏｅｍｅｒ、ｌＩａｔｅｒｏｓｕｒｕｃｔｕ
ｒｅ旧ｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｌｓｔｏｒ　ａｎｄ　Ｔ
ｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃ１ｒｅｕ１ｔｓ、Ｐｒｏｃ、　
ＩＥＥＥ、Ｖｏｌ　、７０．ＮＯ，ｌ、ｐｐ、１３−２
５．Ｊａｎ、１９ｇ２）。

しかしながら、エミッタ不純物濃度を高めた方が高電流
密度領域までの動作が可能になり、より高速性に優れて
いることがシミュレーションにより示されている（例え
ば、遠藤他、第５０回応用物理学会講演予稿集２８ｐ−
Ａ−１８，ｒ直流−次元モデルによるＳｉ＋−Ｇｅ、／
５ｉ−ＨＢＴの特性解析］１９８９）。これに拠れば、
エミッタ不純物濃度の増大に伴い、エミッターベース間
接合容量の増加量以上にｇｏが増大するためエミッタ充
電時間が減少する。すなわち、高濃度エミッタを有する
ＨＢＴは低濃度エミッタＨＢＴより高速動作に適してい
るといえる。

前述したように、ＨＢＴのベース不純物濃度はもともと
高いのでエミッタ不純物濃度を高めるとヘテロ接合界面
での空乏層領域の厚さが薄くなり、ｐｎ接合による電界
が非常に大きくなり、耐圧特性か悪くなってしまう。こ
れは素子の実際的見地から好ましくない。そのため、ベ
ース領域を２層で構成し、熱平衡状態時に空乏層領域と
なるような低不純物濃度と厚さをもつ第１のベース層を
エミッタ側に設け、耐圧特性を劣化させることなく高濃
度エミッタを有するＨＢＴ構造が提案されている（特開
昭５９−２１．１２６６号）。

ところで、Ｓ　ｉ　／Ｓ　ｉ　、−Ｇｅｔ　／Ｓ　ｉ系
のＨＢＴのようにコレクタまたはエミッタ領域とベース
領域を構成する半導体材料の格子定数が異なる場合、前
記ベース領域をその臨界膜厚以上に厚くすることができ
ない。

ここで臨界膜厚とは、ある基板上に基板と格子定数が異
なる物質をヘテロ接合界面に格子欠陥や転位を生じさせ
ることなく既存の結晶成長技術で薄膜成長することので
きる最大の厚さのことである。第１と第２のベース層が
同じ半導体材料で構成される従来構造の場合、第１のベ
ース層を設けた分だけベース領域全体は厚くなり、上述
した臨界膜厚の制限をより強く受けることとなる。

この制限を緩和するためには、コレクタまたはエミッタ
領域とベース領域を構成する半導体材料の格子定数の差
を小さくすればよい。しかしながら、ベースの構成材料
比を変化させ、コレクタまたはエミッタとの格子定数の
差を小さくするということは、両者間のバンドギャップ
の差を小さくすることとたいていの場合等しく、ヘテロ
接合の特徴を十分に生かすことができないという問題が
あった。これは、素子の高速性を阻む問題となっていた
。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来のエミッタ・ベース両２層構造のＨＢ
Ｔにおいては、エミッタまたはコレクタを構成する半導
体材料とベース領域の一部を構成する半導体材料の格子
定数が異なる場合、結晶成長技術からの制約による臨界
膜厚の制限を受け、高速動作に優れたＨＢＴを実現する
ことは困難であった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、高速動作
′に優れたＨＢＴを提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） そこで本発明のへテロ接合バイポーラトランジスタでは
、エミッタ領域を、第１のエミッタ層とこれと同一材料
で構成されより低濃度の第２のエミッタ層とで構成し、
ベース領域を、第１および第２のエミッタ層とバンドギ
ャップの等しい材料望ましくは同一材料で構成された第
１のベース層とこの第１のベース層とへテロ接合を形成
し、バンドギャップがエミッタ領域および第１のベース
層より狭い第２のベース層で構成している。

また、望ましくは、第１のベース層は、不純物濃度が第
２のベース層よりも低く形成するようにしている。

さらに、望ましくは、第２のベース層は、第１のベース
層側からコレクタ側に向かって連続的または階段状に狭
くなっていくように化合物半導体材料の組成比を変化さ
せるようにしている。

（作用） 上記構成では、第１のベース層を構成している半導体材
料はエミッタ領域を構成している半導体材料とバンドギ
ャップの等しい材料望ましくは同一材料で構成されてい
るため、第１と第２のベース層が形成するヘテロ接合界
面でのバンドギャップ差である価電子帯のバンド不連続
は、第１のベス層とエミッタ層とがバンド不連続を形成
している場合に比べ、第２のベース層中のホールは、電
子−ポールの再結合が起こりやずい空乏層領域となって
いる第１のベース層と第２のエミッタ層に対してより侵
入しにくくなり、再結合電流は抑制される。

同様に、第１のエミッタ層に逆注入するホールの数も少
なくなり、伝導度変調も起こりにくくなる。

また、第１のベース層を構成している半導体材料をエミ
ッタ領域を構成している半導体材料と同一材料で構成す
るようにすれば、ベース領域全体に対する臨界膜厚の制
限は緩和され、かつ第１のベース層を設けた分たけ、有
効ベース層も厚くし、ベース・シート抵抗を低くするこ
とが可能である。

さらにまた、第１のベース層に関しては、全く臨界膜厚
の制限を受けないため、製造が極めて容易である。

このように、第１のベース層をエミッタ領域とバンドギ
ャップの等しい材料で構成しているため、エミッタ領域
のバンドギャップよりも小さく構成していた従来の構造
に比べ、デバイスの高速高性能化により適したものを得
ることができる。

ここで、第１のベース層の不純物濃度が第２のベース層
よりも低い場合を考えてみる。

第１のベース層の不純物濃度が低い分、エミッタ・ベー
ス接合付近での空乏層領域がベース側に延びるため、エ
ミッタ濃度をより高めることができ、エミッタ充電時間
の短縮をはかることができる。

また、本来のベース層である第２のベース層との間に空
乏層となる低濃度の第１のベース層を設けているため、
エミッターベース間のｐｎ接合に生じる電界は高不純物
濃度のｐｎ接合に比べて緩和され、耐圧特性は向上する
。

さらに、第２のベース層がグレーディッド構造であれば
、加速電界のためにキャリアのベース走行時間はより短
縮される。とくに、第１のベース層の不純物濃度が第２
のベース層より低く構成することにより、この構造では
予めグレーディングがかけられているのは第２のベース
層のみであるため、第１のベース層が空乏層領域になる
ことによってグレーディングの効果が失われる領域はほ
とんと存在しない。

これに対し、従来構造のＨＢＴのようにベース領域全体
にグレーディングがかけられていると、第１のベース層
では空乏層領域になっているため、グレーディング効果
が失われてしまう。

従って、ベース層全体をグレーディング層にするよりも
、第２のベース層のみグレーディング層にするほうが、
有効にグレーディングをかけることができる。

さらに、グレーディングをかけた領域の両端でのバンド
ギャップの差を等しくしたとき、第２のベース層のみに
グレーディングをかけた方がベス領域全体にグレーディ
ングをかけた場合よりもキャリアの加速電界を大きくと
ることができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

第１図は、Ｓ　ｉ／Ｓ　ｉ　＋−Ｇｅ、　／Ｓ　ｉ系の
ｎｐｎ型ＨＢＴを示す断面図である。

このＨＢＴは、第１のエミッタ層と、これと同一材料で
構成された第１のエミッタ層よりも低濃度の第２のエミ
ッタ層とからなるエミッタ領域と、エミッタ領域と同一
材料で構成されかつ熱平衡状態時に完全空乏層となる低
濃度の第１のベース層と、第１のベース層よりもバンド
ギャップの狭い第２のベース層とによってベース領域を
構成したことを特徴とするものである。

すなわち、ｐ−型Ｓｉ基板１上に順次エピタキシャル成
長して積層されたコレクタコンタクト層としての不純物
濃度１×１０２０ｃＩ１１−３厚さ１０００人のｎ十型
Ｓｉ層２と、この上層に順次積層されたコレクタ層とし
ての不純物濃度２×１０１７ｃｉｌ−３厚さ４８００人
のｎ型Ｓｉ層３と、さらにこの」二層に形成された第２
のベース層４としての不純物濃度２×コ０１９ｃ■−３
、厚さ５００人のｐ生型Ｓｔ。８Ｇｅ０２層と、この上
層に積層された第１のベース層５としての不純物濃度１
×１０１５ｃｍ″３厚さ５００人のｐ−型Ｓｉ層５と、
不純物濃度ＩＸ　１−０　＋５ｃ〔３厚さ２００人のｎ
−型Ｓｉ層からなる第２のエミッタ層６と、この上層に
形成された第１のエミッタ層７となる不純物濃度２Ｘ１
０”ｃｍ−３厚さ１５００人のｎ型Ｓｉ層と、不純物濃
度Ｉ　Ｘ　１．０２０ｃｍ−３厚さ５００人のｎ生型Ｓ
ｔ層からなるエミッタキャップ層８とから構成されてお
り、各層にコンタクトするようにエミッタ電極２１、ベ
ース電極２２、コレクタ電極２３が形成されている。こ
こで１１は酸化シリコン膜である。

上記実施例に従って形成したＨＢＴと、第１のベース層
をｐ〜型Ｓ　ｉｏ、ｓ　Ｇ　ｅ　１１．２層で構成した
以外上記実施例のＨＢＴとまったく同様に形成した従来
構造のトランジスタとのカットオフ周波数とコレクタ電
流との関係を数値計算によって求めた結果を第２図に示
す。

この計算によれば、エミッターコレクタ間電圧が１．５
Ｖの条件で、本発明の２層のベース・エミッタ構造を採
用したｎｐｎ型ＨＢＴの場合、カットオフ周波数は従来
構造の４．９ＧＨｚから新構造の１．１．５ＧＨｚへ２
．３倍アップしていることがわかる。

なお、前記実施例では、第２のベース層は不純物濃度２
　Ｘ　１．０１９ｃｔＶ”、厚さ５００人のｐ生型Ｓｆ
ｏ、ｓＧｅ。２層で構成したが、第１のベース層側から
コレクタ側に向かって連続的または階段状に狭くなって
いくように化合物半導体材料の組成比を変化させるよう
にしたグレーディッド構造を採るようにしてもよい。こ
れにより、加速電界のためにキャリアのベース走行時間
はより短縮される。また、第１のベース層の不純物濃度
が第２のベース層より低く構成することにより、第１の
ベース層が完全空乏層領域になることによってブレディ
ング効果が失われる領域はほとんど存在しない。

また、前記実施例では、Ｓ　ｉ／　Ｓ　ｔ　＋　−Ｇｅ
ｘ／Ｓｉ系のｎｐｎ型ＨＢＴについて説明したが、これ
に限定されることなく　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　／　Ａ　ｊｔ
　Ｇ　ａ　Ａｓ系、Ａｊｉ　Ｉ　ｎＡｓ／Ｇａ　Ｉ　ｎ
Ａｓ系、ＩｎＰ／Ｇａ１ｎＡｓ系などのｎｐｎ型ＨＢＴ
、あるいはこれらの材料を用いたｐｎｐ型ＨＢＴについ
ても同様の効果を得ることができる。また、各半導体層
の不純物濃度や厚さについても必要に応じて適宜変更可
能である。

加えて、その他、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で
種々変形して実施することが可能である。

〔効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、エミッタ領
域を第１のエミッタ層と同一材料でより低濃度の第２の
エミッタ層で構成し、ベース領域を、エミッタ領域とバ
ンドギャップが同じである第１のベース層と、第１のベ
ース層よりもバンドギャップの狭い第２のベース層で構
成しているため、高速動作に優れたＨＢＴを実現するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例のへテロ接合バイポーラトランジ
スタを示す断面図、第２図は本発明実施例のＨＢＴと従
来例のＨＢＴのカットオフ周波数コレクタ電流密度特性
を示す図である。 １・・・ｐ−型Ｓｔ基板、２・・・ｎ生型Ｓｔ層（コレ
クタコンタクト層’）　、３−・−ｎ−型Ｓ　ｉ　層（
コレクタ層）、４−ｐ＋型Ｓ　ｉ　Ｏ，８Ｇ　ｅｏ、２
層（第２のベース層）、５・・・ｐ型Ｓｉ層（第１のベ
ース層）、６・・・ｎ−型Ｓｉ層（第２のエミッタ層）
、７・・・ｎ＋型Ｓｉ層（第１のエミッタ層）、８・・
・ｎ生型Ｓｉ層（エミッタキャップ層）、２１・・・エ
ミッタ電極、２２・・・ベース電極、２３・・・コレク
タ電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　第１の導電型を有する第１のエミッタ層と、前記第１
   のエミッタ層と同一材料で構成され、前記第１のエミッ
   タ層よりも低濃度の第２のエミッタ層と、 前記第１の導電型とは逆の導電型である第２の導電型を
   有し、前記第１および第２のエミッタ層とバンドギャッ
   プの等しい材料から構成された第１のベース層と前記第
   １のベース層よりもバンドギャップの小さい材料から構
   成された第２のベース層と、第１の導電型を有するコレ
   クタ層とを具備したことを特徴とするヘテロ接合バイポ
   ーラトランジスタ。