JPH05121427A

JPH05121427A - 半導体増幅素子

Info

Publication number: JPH05121427A
Application number: JP3277789A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Mizushima; 宜彦水島; Kazutoshi Nakajima; 和利中嶋; Toru Hirohata; 徹廣畑; Takashi Iida; 孝飯田; Sadahisa Warashina; 禎久藁科; Kenichi Sugimoto; 賢一杉本; Tomoko Suzuki; 智子鈴木; Hirobumi Suga; 博文菅
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1991-10-24
Filing date: 1991-10-24
Publication date: 1993-05-18

Abstract

(57)【要約】【目的】高利得、高速応答を簡単に実現できるトラン
ジスタ構造を提供することを目的とする。【構成】コレクタ走行層１１は半絶縁性III −Ｖ化合
物半導体からなり、この片側に設けられたｎ型エミッタ
層１２およびｐ型ベース層１３はｎｐ接合をなしてい
る。ｎ型コレクタ層１４はこれらと反対側にコレクタ走
行層１１を挟むように形成されている。エミッタ層１２
には外部電源１８から電極１５を通じてエミッタ電圧が
印加され、これによって４極の内圧倒的にキャリア濃度
の低いコレクタ走行層１１に集中的に電界が生じる。こ
のエミッタ電圧を数Ｖに、コレクタ走行層１１の厚さを
数μｍに設定することにより、コレクタ走行層１１には
容易に０．５ｋＶ／cm以上の電界が生じ、電子の平均自
由行程が非常に長い状態が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高利得で高速動作をする
半導体増幅素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】３極構造を有するよく知られた半導体増
幅素子としては、図５に示されるバイポーラトランジス
タ、およびこれを光検出器として用いる図６に示される
フォトトランジスタがある。これらは比較的低キャリヤ
濃度のベース層１を、これとは反極性の高キャリヤ濃度
のエミッタ層２、コレクタ層３の両層で挟み込んだ構造
をしており、ベース層１の厚さは、エミッタ層２から注
入された少数キャリヤの拡散長よりも薄く（一般的に数
μｍ以下）作られており、この利得は、該少数キャリヤ
のコレクタ層３への拡散到達率に依存している。ベース
層１，エミッタ層２，コレクタ層３にはそれぞれベース
電極４，エミッタ電極５，コレクタ電極６が設けられて
おり、エミッタ電極５には外部電源７から所定の電圧が
印加され、また、ベース電極４には電気入力信号源８か
ら信号電圧が印加される。

【０００３】また、高速応答のためにベース層内に電界
を形成して、ベース層内の少数キャリヤをドリフト走行
させることにより、高速特性を改善した、いわゆるドリ
フトベーストランジスタがある。これは通常、エミッタ
層およびコレクタ層の不純物の量を、エミッタ層側に濃
くコレクタ層側に薄くドーピングすることによって、接
合によりベース層内に誘起される内部電界によって実現
されている。

【０００４】いずれにせよ、高利得の素子を作成する場
合には、ベース層をできるだけ薄くする必要がある。こ
れは、高速応答のためにも必要なことである。

【０００５】また、これらとは別に、現在における最も
進んだ技術として図７に示されるヘテロバイポーラトラ
ンジスタ（ＨＢＴ；Heterojunction Bipolar Transisto
r ）がある。これは、エミッタ層２、ベース層１間の接
合をヘテロ構造とし、エミッタ注入効率を高くすること
によって高利得、高速応答を実現したものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のトランジスタは
ＨＢＴも含めて高利得、高速応答を実現するためには、
上記のようにベース層を極力薄くする必要があり、この
ためには高度な結晶薄膜作成技術を要することから、量
産には適しておらず、コストが高いという欠点がある。
また、ベース層を無制限に薄くすることは、端子間浮遊
容量の増加を伴い、かえって高速特性を劣化させてしま
う結果になる。一方、フォトトランジスタにおいては、
光入射部であるベース層をあまり薄くはできないので、
高利得、高速応答の素子の作成は、実質的に不可能であ
った。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、このバイポー
ラトランジスタのベースに相当する部分、実際にここで
はコレクタ走行層と名付けられている部分に、半絶縁性
III −Ｖ化合物半導体層を用いることで、この問題点を
解決したものである。

【０００８】

【作用】エミッタ、ベース、コレクタの３極構造からな
る半導体増幅素子、すなわちトランジスタの利得を高く
するには、エミッタ注入効率を高めることもさることな
がら、ベース層に注入された少数キャリアの、コレクタ
層への到達率を高めることが第１条件である。本発明で
は、ベース層を薄くする代わりに、コレクタ走行層とし
て設けられた部分に、厚さ１μｍ以上の半絶縁性III −
Ｖ化合物半導体層を用い、外部から０．５ｋＶ／ｃｍ以
上の電界を印加することによって、この到達率を高め、
高利得、高速応答を実現しようとするものである。ま
た、本来高抵抗の半絶縁性半導体層を、１μｍ以上の厚
さに形成することにより、端子間浮遊容量を最少限に抑
えることができ、より一層の高速応答が可能になる。

【０００９】一般に、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等のIII −Ｖ化
合物半導体は、高純度化、もしくはＣｒ（クロム）、Ｆ
ｅ（鉄）等の不純物、ないしはこれらにＯ（酸素）等を
組み合わせてドーピングすることにより、熱平衡キャリ
アの非常に少ない、高抵抗の半導体結晶となる。これら
は、通常、半絶縁性結晶と呼ばれているが、本発明者等
の研究によれば、０．５ｋＶ／ｃｍ以上の電界を印加さ
れたこれらの半絶縁性結晶内では、ここに注入され、電
界によって加速された走行電子の散乱緩和時間が、通常
言われている値の１００ないし１０００倍、すなわち半
絶縁性ＧａＡｓにおいては、０．１ないし１ｎｓにも増
加していることが発見された。また、電子の到達最高速
度も、通常言われている飽和速度の約１０倍にも達して
いることがわかった。これにより、電子の平均自由行程
は、半絶縁性ＧａＡｓにおいて、１０ないし１００μｍ
にまで増加していることが明らかになった。

【００１０】本発明では、この半絶縁性結晶をトランジ
スタのコレクタ走行層として利用することにより、従来
よりさらに、なおかつ簡単に高利得、高速応答を実現す
るためのトランジスタ構造を提供するものである。

【００１１】

【実施例】次に本発明の一実施例による半導体増幅素子
について説明する。

【００１２】図１は本実施例によるトランジスタの基本
構造を示す。１１は、半絶縁性III−Ｖ化合物半導体か
らなるコレクタ走行層、１２、１３はそれぞれ、コレク
タ走行層１１の片側に設けられたｎ型エミッタ層、およ
びｐ型ベース層であり、ｎｐ接合をなしている。１４は
これらと反対側にコレクタ走行層１１を挟むように形成
されたｎ型のコレクタ層である。このコレクタ層１４は
コレクタ走行層１１に直接オーム性接触を形成すること
によって設けてもよい。コレクタ走行層１１以外の各層
にはそれぞれ金属電極１５、１６、１７が設けられてい
る。エミッタ層１２には、外部電源１８から電極１５を
通じてエミッタ電圧が印加されるが、これによって、こ
れら４極の内、圧倒的にキャリア濃度の低い半絶縁性半
導体で形成されるコレクタ走行層１１に、集中的に電界
が生じる。このエミッタ電圧を数Ｖに、コレクタ走行層
１１の厚さを数μｍに設定することにより、コレクタ走
行層１１には、容易に０．５ｋＶ／ｃｍ以上の電界を生
じさせることができ、前述の通り、電子の平均自由行程
が非常に長い状態が実現できる。ただし、コレクタ走行
層１１内の電界が１００ｋＶ／ｃｍを越えるほどにエミ
ッタ電圧を印加することは、電子がコレクタ走行層１１
内において、ナダレ増倍等のブレークダウンを起こすお
それがあり、これは信号に加えて熱雑音も増幅してしま
うことになるため、好ましくない。よって、コレクタ走
行層１１内に過剰の電界を作らないように、印加するエ
ミッタ電圧を調整する必要がある。本特許においては、
通常２．５ｋＶ／ｃｍ以下の電界で充分であり、１ｋｖ
／ｃｍ程度でも有効に動作する。

【００１３】ベース層１３には、電極１６を通じて入力
信号源１９が接続されてあり、この入力によって、エミ
ッタ電極１５ないしコレクタ電極１７において取り出さ
れる出力信号が制御され、結果としてトランジスタ増幅
作用が行われる。

【００１４】次に、本トランジスタの動作について詳し
く示す。エミッタ層１２からベース層１３を通じて注入
された電子は、コレクタ走行層１１内で電界加速される
が、これらの大部分は結晶の格子振動等による散乱を受
けることなく、数μｍを走り抜けてコレクタ層１４に達
する。このため、この到達率αはほぼ１００％であり、Ｇ＝１／（１−α）で表される利得（増幅率）は１０³から１０⁴に達する
と見積もられる。また、動作速度の目安となる電子がベ
ース層１３を走行するのに要する時間は、わずか数ｐｓ
であり、これは、現在実現されている最高速度のトラン
ジスタに匹敵する値である。

【００１５】この走行電子は、ベース層１３への信号入
力によって制御される。すなわち、ベース層１３に外部
電圧を印加することにより、電子に対するポテンシャル
を変調して、エミッタ層１２からの電子の注入を制御す
るものである。これにより、ベース層１３へのわずかな
入力信号により、大きなエミッタ電流を制御することが
できるため、実質的に非常に大きな利得を得ることがで
きることになる。

【００１６】本発明では、このような高性能のトランジ
スタが、特別な微細加工や高い制御性を伴う製造技術を
要せずに、しかも室温において実現でき、ともすれば、
性能、コストの両面において、従来の高性能トランジス
タを上回る素子の実現が可能となる。

【００１７】次に、コレクタ走行層１１にも電極を設
け、これを通じて外部からコレクタ走行層１１内部の電
界を制御するようになされた実施例について、その素子
構造を図２に示す。ここで、２０はコレクタ走行層１１
に新たに設けられた制御電極であり、外部入力信号源２
１が接続されている。エミッタ電圧が印加された状態で
は、コレクタ走行層１１内をドリフト走行する電子は、
前述のように散乱緩和時間が非常に長い状態が実現され
ており、この層をほとんど何者にも衝突散乱されずに走
り抜けることができる。これは電子管内において真空中
を走行している電子と同様の状態であり、外部から与え
られる電界や磁界によって、その走行速度や方向を容易
に制御することができる。ここでは、この制御電極２０
によって、コレクタ走行層１１内部において実現されて
いる電界状態が変調されるため、走行電子の速度等を変
化させて、増幅率を任意に変えることができる。すなわ
ち、この方法によってもトランジスタ動作が行われ、さ
らに、これは前述のトランジスタ動作とは独立して行わ
れるため、２入力動作が可能であり、ＡＮＤ等の論理演
算を行わせることもできる。

【００１８】次に、図３に、コレクタ走行層１１への電
子の注入効率を高めるために、エミッタ層１２およびベ
ース層１３として、コレクタ走行層１１に用いられる半
導体材料よりも、大きなエネルギーバンドギャップ（Ｅ
ｇ）をもった半導体材料を用いる場合の実施例について
示す。これは、従来技術であるＨＢＴと同様の効果を、
本実施例におけるトランジスタにおいても、得られるこ
とを示すものである。具体的には、コレクタ走行層１１
として半絶縁性ＧａＡｓを用い、エミッタ層１２および
ベース層１３としてＧａＡｓよりもＥｇが大きく、しか
も格子整合性のよいＧａＡｌＡｓを用いて形成される。
また、コレクタ層１４にはｎ型のＧａＡｓが用いられ
る。これにより、コレクタ走行層１１内における注入電
子のコレクタ到達率の増加に加えて、エミッタ層１２、
ベース層１３からコレクタ走行層１１への電子の注入効
率の増加により、さらに高利得、高速応答のトランジス
タが実現できる。

【００１９】図４は、本トランジスタを、増倍機能を有
する高感度の光検出器、すなわちフォトトランジスタと
して用いる場合の実施例を示したものである。この場合
には、制御信号入力はベース層１３への光信号ｈνの入
力によってなされるため、ベース層１３は外部電極が接
続されない、いわゆるフロート状態となる。そして、エ
ミッタ層１２からコレクタ走行層１１への電子の注入
は、ベース層１３への光信号の入力によって、この層１
３の電子に対するポテンシャルを変調することにより制
御される。これにより、わずかな光信号の入力により、
大きなエミッタ電流を制御することができるため、実質
的に非常に大きな利得を得ることができる。よって、高
感度であり、また高速特性にも優れた光検出器の実現が
可能となる。

【００２０】また、この入射光による電子注入はエミッ
タから行ってもよい。この場合にはエミッタ電極から電
子を励起することもでき、その波長感度は電極とエミッ
タとのフェルミレベル差に相当する限界波長となり、赤
外長波長にまで感度を持つことが特長となる。電極金属
層内で励起された電子が有効に放出されるためには、電
極金属層は０．１μｍ程度に薄くすることが好ましく、
かつ、その背後に光の反射面を設けるなどの処置が効率
を高める。

【００２１】以上に示される本発明による各実施例によ
って、高利得であり、なおかつ高速特性を有するトラン
ジスタ、ないしフォトトランジスタの実現が可能にな
る。この実現に際しては、特別な微細加工ないし高い制
御性を伴う製造技術や、冷却手段を必要としない。

【００２２】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように本発明によ
り、現在において、非常に高度な製造技術により作成さ
れている高性能トランジスタと同レベルないしそれ以上
のものが、室温において非常に簡単に作成できる。これ
により、コストの低下や製造歩留まりの向上に飛躍的な
進歩をもたらすことが期待される。また、フォトトラン
ジスタについては、従来、通常のトランジスタと同レベ
ルの性能を有するものは実現不可能であったが、本発明
によりこれが可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例によるトランジスタの基
本構造を示す断面図である。

【図２】コレクタ走行層に電極を設けた構造の本発明の
第２の施例によるトランジスタを示す断面図である。

【図３】エミッタ層にコレクタ走行層よりもエネルギギ
ャップの大きい半導体材料を用いて構成した本発明の第
３の実施例によるトランジスタを示す断面図である。

【図４】本発明の第４の実施例による増倍機能を有する
フォトトランジスタの構造を示す断面図である。

【図５】従来のトランジスタの構造を示す断面図であ
る。

【図６】従来のフォトトランジスタの構造を示す断面図
である。

【図７】従来のＨＢＴの構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１１…コレクタ走行層（半絶縁性III −Ｖ化合物半導
体）、１２…エミッタ層（ｎ型半導体）、１３…ベース
層（ｐ型半導体）、１４…コレクタ層（ｎ型半導体）、
１５…エミッタ電極（金属薄膜）、１６…ベース電極
（金属薄膜）、１７…コレクタ電極（金属薄膜）、１８
…外部電源（エミッタ電圧用）、１９，２１…電気入力
信号源、２０…制御電極（金属薄膜）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者飯田孝静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者藁科禎久静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者杉本賢一静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者鈴木智子静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者菅博文静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１μｍ以上の厚さの半絶縁性III −Ｖ化
合物半導体層からなるコレクタ走行層と、このコレクタ
走行層を挟む、ｎ型エミッタおよびｐ型ベースの接合か
らなる電子注入構造層と、ｎ型もしくはオーム性接触の
コレクタ層とから構成されるｎｐｉｎ構造を有し、前記
コレクタ走行層内にある電子をコレクタ方向に加速する
電界を与える手段を備え、その電界の大きさが０．５な
いし２．５ｋＶ／ｃｍの範囲に設定されることによっ
て、前記コレクタ走行層内における電子の平均自由行程
が実質的に長くなされたことを特徴とし、前記ｐ型ベー
スへの信号入力によって前記ｎ型エミッタから前記コレ
クタ走行層への電子注入量が制御される半導体増幅素
子。
【請求項２】コレクタ走行層内部の電界を制御するゲ
ート電極がこのコレクタ走行層に設置されていることを
特徴とする請求項１記載の半導体増幅素子。
【請求項３】コレクタ走行層に用いられる半導体材料
よりもエネルギーバンドギャップの大きな半導体層によ
りエミッタ層を形成したことを特徴とする請求項１記載
の半導体増幅素子。
【請求項４】コレクタ走行層は半絶縁性ＧａＡｓから
なり、エミッタ層はＧａＡｌＡｓからなることを特徴と
する請求項３記載の半導体増幅素子。
【請求項５】光を入射する手段が設けられ、この入射
光を入力信号とすることによって実質的に高感度の光検
出器として作用することを特徴とする請求項１記載の半
導体増幅素子。
【請求項６】光電子を放出すべき金属層が０．１μｍ
程度以下に薄くなされてあることを特徴とする請求項５
記載の半導体増幅素子。