JPH0548078A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタおよびそれを用いた回路 - Google Patents
ヘテロ接合バイポーラトランジスタおよびそれを用いた回路Info
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Abstract
族化合物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタおよ
び該トランジスタを用いた回路を提供する。 【構成】ダイアモンド構造またはせん亜鉛構造を有する
半導体の(100)面基板上に形成するIII−V族化合
物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ
平面形状を、(1)長辺が〔011〕方向に平行な矩
形、(2)〔01−1]方向に平行な辺が存在しない形
状、および(3)外部ベース層を〔011〕方向に平行
な辺に接する領域のみに有する形状、あるいは、上記半
導体の基板面方位を(100)面から(111)B面方
向に±35.3゜以内かつ(111)A面方向に±5
4.7゜以内とし、エミッタ平面形状が矩形で、その長
辺が〔011〕方向を基板面に射影した方向に平行であ
る形状のいずれかとする。
Description
変動の少ない化合物半導体ヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタおよびそれを用いた回路に関する。
合バイポーラトランジスタは、例えばアイイーイー・ト
ランサクション・オン・マイクロウェーブ・セオリー・
アンド・テクニークス第37巻(1989年)第128
6頁から第1303頁(IEEE Transacti
on on Microwave Theory an
d Techniques 37(1989)pp.1
286−1303)に記載されているようにエミッタ平
面形状は矩形であり、その形成方位に関して特記される
ことはなかった。これは、ヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタのコレクタ電流は基板に垂直に流れるために、エ
ミッタの形成方位がトランジスタ特性に影響を与えると
は考えにくく、注意が払われてこなかったためだと考え
られる。また、このようなIII−V族化合物半導体ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタを用いて回路を構成する
場合も、回路面積を小さくするために、矩形エミッタ形
成方位の異なるヘテロ接合バイポーラトランジスタを1
つの回路内に混在させることもあった。
て、特にベース層不純物にBeを用いたAlGaAs/
GaAsヘテロ接合バイポーラトランジスタの場合に、
1×105A/cm2以上のコレクタ電流密度で連続動作
させると、コレクタ電流の低減してしまう問題が、アイ
イーイーイー・インターナショナル・エレクトロン・デ
バイス・ミーティング1990(1990年)第673
頁から第676頁(IEEE Internation
al Electron Device Meetin
g 1990(1990)pp.673−676)にて
指摘された。同様な問題は他のIII−V族化合物半導体
を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタや、ベース
層不純物にZnを用いたIII−V族化合物半導体ヘテロ
接合バイポーラトランジスタの場合にも当てはまる。こ
の原因は、通電により生じるキャリアの再結合過程で発
生したエネルギーにより、エミッタメサ周辺でのベース
層不純物のエミッタ層中への拡散が促進されるためだと
考えられている。
ン電圧のシフトといった問題を引き起こすため、III−
V族化合物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタお
よびそれを用いた回路システムの信頼性を損なってしま
う。
変動の少ないIII−V族化合物半導体ヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタを作製することである。本発明の他の
目的は、高電流密度動作時の特性変動の少ない、III−
V族化合物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタを
用いた回路システムを作製することである。
に、ダイアモンド構造またはせん亜鉛構造を有する半導
体の(100)面基板上に形成するIII−V族化合物半
導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ平面
形状を、(1)長辺が〔011〕方向に平行な矩形、
(2)〔01−1〕方向に平行な辺が存在しない形状、
および(3)外部ベース層を〔011〕方向に平行な辺
に接する領域のみに有する形状、のいずれかあるいは上
記基板の面方位を(100)面から(111)B面方向
に±35.3゜以内かつ(111)A面方向に±54.
7゜以内とし、エミッタ平面形状の長辺を〔011〕方
向を基板面に射影した方向に平行となるようにしたもの
である。また、上記他の目的を達成するために、上記3
つのエミッタ平面形状のいずれかを有するIII−V族化
合物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタを、全部
あるいは少なくとも差動増幅回路部にのみ用いて回路を
構成するようにしたものである。
半導体の(100)面基板上に形成するIII−V族化合
物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエミッタ
平面形状を、(1)長辺が〔011〕方向に平行な矩
形、(2)〔01−1〕方向に平行な辺が存在しない形
状、および(3)外部ベース層を〔011〕方向に平行
な辺に接する領域のみに有する形状、のいずれかあるい
は上記基板の面方位を(100)面から(111)B面
方向に±35.3゜以内かつ(111)A面方向に±5
4.7゜以内とし、エミッタ平面形状の長辺を〔01
1〕方向を基板面に射影した方向に平行となるようにす
ることにより、高電流密度動作時の特性変動を従来に比
較して抑制することができる。これは、高電流密度動作
時の特性変動にエミッタメサ形成方位依存性があり、
(100)面上の〔011〕方向に平行な辺の長いエミ
ッタ形状ほど特性劣化が少ない、という新たに見い出し
た実験事実に基づいている。以下、これを図1から図3
により説明する。
たAlGaAs/GaAsヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタの、高電流密度動作状態におけるコレクタ電流変
動率(初期コレクタ電流密度が1×102A/cm2であ
るバイアス点として、ベース・エミッタ間バイアスVB
E=1.2Vで定義)のエミッタ形成方位依存性を示す
実験結果である。エミッタ平面形状は矩形で、エミッタ
サイズSEは2μm×10μm、コレクタ電流密度JC
は2.5×105A/cm2、測定温度は20℃、通電時
間は10分間とした。ベース不純物はBeで、その密度
NBは2×1019/cm3、3×1019/cm3、4×1
019/cm3の3種類である。エミッタ形成方位は、図
2に示すように矩形エミッタの長辺がGaAs(10
0)面基板のオリエンテーション・フラット(OF)の
方向、すなわち〔01−1〕方向とのなす角度θが0
°、45°および90°の3種類である。図1からわか
るようにθ=90°の場合、2.5×105A/cm2と
いう高いコレクタ電流密度にもかかわらず、20℃にお
ける10分間の連続通電でコレクタ電流の減少率は20
%以下と、他の方位に比較して極めて小さくなってい
る。このことは、図3に示すようなエミッタ・べース付
近の断面形状に関係していると考えられる。
1−1)へき開面、(b)は(011)へき開面におけ
る断面構造を示す。層構造としては、半導体(100)
面基板1上に、高ドープn型GaAs層(Si濃度=5
×1018/cm3、膜厚=0.5μm)2、n型GaA
s層(Si濃度=5×1016/cm3、膜厚=0.4μ
m)3、高ドープp型GaAs層(Be濃度=2×10
19/cm3、膜厚=0.1μm)4、アンドープGaA
s層(膜厚=10nm)5、n型AlGaAs層(Al
Asモル比=0.3、Si濃度=1×1018/cm3、
膜厚=0.1μm)6、高ドープn型GaAs層(Si
濃度=5×1018/cm3、膜厚=0.2μm)7が順
次積層されたものとなっており、電極としてはエミッタ
およびコレクタ用にAuGe電極8、ベース用にAuZ
n電極9が形成されている。エッチングにより{11
1}A面が現れるために、図3(a)では順メサ形状1
0、図3(b)では逆メサ形状11が現れている。この
ようなエミッタメサ形状の違いは、表面保護絶縁膜とエ
ミッタメサエッジとの界面に働く応力に違いをもたらす
ので、通電によるBe拡散にエミッタ形成方位依存性が
現れたと考えられる。
く、順メサエッジが短いヘテロ接合バイポーラトランジ
スタほど、高電流密度動作状態での特性変動が少なくな
ることが明らかとなった。このことは、ベース層不純物
がZnの場合や、AlGaAs/GaAs以外のIII−
V族化合物半導体を用いたヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタについても、同様にあてはまることが確認され
た。
1〕方向に平行な矩形とすると、エミッタの順メサエッ
ジの長さよりも逆メサエッジの長さの長い構造となり、
(2)〔01−1〕方向に平行な辺が存在しない形状と
すると、順メサ形状の現れない構造となり、(3)外部
ベース層を〔011〕方向に平行な辺に接する領域のみ
に有する形状とすると、ベース電流は順メサエッジから
流入せず、キャリアの再結合が順メサエッジ付近で発生
しにくい構造となる。また、半導体基板の面方位は(1
00)でなくともよく、図7に示すように、基板面方位
の(100)面からの傾向を(111)A面方向すなわ
ち基板面内〔011〕方向に対してφ、(111)B面
方向すなわち基板面内〔01−1〕方向に対してψと定
義すると、−35.3゜<ψ<35.3゜かつ−54.
7゜<φ<54.7゜の条件を満たせば、上述の効果と
同様な効果が得られる。ここで、(100)面に対して
適当な{111}面を選ぶと|φ|および|ψ|は5
4.7゜以下になるので、−54.7゜<ψ<54.7
゜はψが任意の値でよいことを示す。このことを図8を
用いて説明する。
る逆メサ形状は図8(a)に示すように左右非対称とな
るが、|ψ|<35.3゜であれば逆メサ形状が維持さ
れ、高電流密度動作時の特性変動抑制効果も維持され
る。しかし、35.3゜<|ψ|<54.7゜では片側
が順メサ形状になってしまうために、特性変動抑制効果
は低減してしまう。
示すように|φ|<35.3゜では両側順メサ形状であ
る。35.3゜<|φ|<54.7゜では片側逆メサ形
状になるが、これは好ましい傾向となる。いずれの場合
も、〔01−1〕方向を基板面に射影した方向に平行な
エミッタ辺の長さを〔011〕方向を基板面に射影した
方向に平行なエミッタ辺の長さに対して短くしておけ
ば、高電流密度動作時の特性変動抑制効果に関してはφ
は任意でよいことになる。以上4つのいずれかの構造を
用いることにより、順メサエッジ付近でのベース層不純
物の通電時の拡散が抑制できるので、高電流密度動作時
の特性変動の少ないIII−V族化合物半導体ヘテロ接合
バイポーラトランジスタを作製することができる。ま
た、上記3つのエミッタ平面形状のいずれかを有するII
I−V族化合物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジス
タを、全部あるいは少なくとも差動増幅回路部にのみ用
いて回路を構成することにより、高電流密度動作時の特
性変動の少ない、III−V族化合物半導体ヘテロ接合バ
イポーラトランジスタを用いた回路を作製することがで
きる。
ース層不純物にBeを用いたAlGaAs/GaAsヘ
テロ接合バイポーラトランジスタの第1の構造例を説明
する。
タは矩形で、その形成方向は図3に示すθ=90°とし
た。外部ベース層およびベース電極は、エミッタメサを
取り囲む形となっている。従来θに関しては特に注意が
払われてこなかったが、本実施例によれば、作用の項で
説明したようにθ=90°とすることで、エミッタの順
メサエッジの長さに比較して、逆メサエッジの長い構造
となり、例えばθ=0°や45°の場合に比較して、高
電流密度動作時の特性変動を極めて少なくできる効果が
ある。
sヘテロ接合バイポーラトランジスタの場合を示した
が、他のIII−V族化合物半導体を用いたヘテロ接合バ
イポーラトランジスタの場合にも同様に適用できる。ま
た、本実施例ではベース層不純物にBeを用いたが、Z
nを用いた場合にも同様な効果が得られる。
ベース層不純物にBeを用いたAlGaAs/GaAs
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの第2の構造例を、
図4を用いて説明する。
び縦断面図である。エミッタは6角形で、最長辺が〔0
11〕方向に平行となっており、外部ベース層およびベ
ース電極はエミッタメサを取り囲む形となっている。素
子の断面構造は図3の通りである。本素子を20℃にお
いて、2.5×105A/cm2のコレクタ電流密度で1
0分間連続通電した結果、初期コレクタ電流密度が1×
102A/cm2であるバイアス点でのコレクタ電流の減
少率は15%以下であった。
エッジを有し、かつ順メサ形状の現れない構造となるの
で、順メサエッジ付近でのベース層不純物の通電時の拡
散が抑制でき、高電流密度動作時の特性変動の極めて少
ないヘテロ接合バイポーラトランジスタを作製できる効
果がある。
sヘテロ接合バイポーラトランジスタの場合を示した
が、他のIII−V族化合物半導体を用いたヘテロ接合バ
イポーラトランジスタの場合にも同様に適用できる。ま
た、本実施例ではベース層不純物にBeを用いたが、Z
nを用いた場合にも同様な効果が得られる。
ベース層不純物にBeを用いたAlGaAs/GaAs
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの第3の構造例を、
図5を用いて説明する。
び縦断面図である。エミッタは矩形で、外部ベース層お
よびベース電極は、〔011〕方向に平行なエミッタの
辺に接する領域のみに存在する形となっているため、
〔011〕方向と〔01−1〕方向とで異なった形状と
なっている。本素子を20℃において、2.5×105
A/cm2のコレクタ電流密度で10分間連続通電した
結果、初期コレクタ電流密度が1×102A/cm2であ
るバイアス領域でのコレクタ電流の減少率は10%以下
であった。
ッジから流入せず、専ら逆メサエッジから流入すること
になるので、キャリアの再結合は順メサエッジ付近で発
生しにくくなる結果、順メサエッジ付近でのベース層不
純物の通電時の拡散が抑制でき、高電流密度動作時の特
性変動の極めて少ないヘテロ接合バイポーラトランジス
タを作製できる効果がある。
sヘテロ接合バイポーラトランジスタの場合を示した
が、他のIII−V族化合物半導体を用いたヘテロ接合バ
イポーラトランジスタの場合にも同様に適用できる。ま
た、本実施例ではベース層不純物にBeを用いたが、Z
nを用いた場合にも同様な効果が得られる。
ベース層不純物にBeを用いたAlGaAs/GaAs
ヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いた差動増幅回
路について図6を用いて説明する。
したIII−V族化合物半導体ヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタのいずれかを、図6中のトランジスタQ1、Q
2およびQ3に用いて差動増幅回路を作製した。
性変動の極めて少ないヘテロ接合バイポーラトランジス
タによる差動増幅回路を作製することができるので、該
差動増幅回路の高電流密度動作時の特性変動も極めて小
さく抑えることができる効果がある。
(100)面と異る基板上に形成したBeドープAlG
aAs/GaAsヘテロ接合バイポーラトランジスタ
を、図8を用いて説明する。
00)面から(111)A面方向に5゜、(111)B
面方向に3゜(すなわち、φ=5゜、ψ=3゜)傾斜し
た半絶縁性GaAs基板を用い、実施例1と同様にBe
をベース層不純物に用いたAlGaAs/GaAsヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタを作製した。エミッタは
矩形で、〔011〕方向を基板面に射影した方向に平行
にエミッタ長辺を、それと垂直な方向にエミッタ矩辺を
形成した。本構造では、実施例1と同様に、エミッタの
順メサエッジの長さに比較して、逆メサエッジの長い構
造となり20℃、2.5×105A/cm2のコレクタ電
流密度で10分間連続通電した結果、初期コレクタ電流
密度が1×102A/cm2であるバイアス点でのコレク
タ電流の減少率は20%以下であった。
示したが、|ψ|<35.3゜であれば、ほぼ同様な特
性変動抑制効果が得られる。
ジが(1)逆メサエッジに比較して短いか、(2)存在
しないか、(3)外部ベース層を有しないかのいずれか
にできるので、順メサエッジ付近でのベース層不純物の
通電時の拡散が抑制でき、高電流密度動作時の特性変動
の少ないIII−V族化合物半導体ヘテロ接合バイポーラ
トランジスタを作製することができる。またさらに、該
III−V族化合物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジ
スタを、全部あるいは少なくとも差動増幅回路部にのみ
用いて回路を構成することにより、高電流密度動作時の
特性変動の少ない、III−V族化合物半導体ヘテロ接合
バイポーラトランジスタを用いた回路システムを作製す
ることができる。
バイポーラトランジスタの高電流密度動作状態における
コレクタ電流変動率のエミッタ形成方位依存性を示す実
験結果である
る
トランジスタの縦断面構造図である
タの第2の構造例を示す平面図および縦断面構造図であ
る
タの第3の構造例を示す平面図および縦断面構造図であ
る
タを用いた差動増幅回路の例を示す回路図である
接合バイポーラトランジスタの縦断面構造図である
…n型GaAs層、4…高ドープp型GaAs層、5…
アンドープGaAs層、6…n型AlGaAs層、8…
AuGe電極、9…AuZn電極、10…順メサ形状、
11…逆メサ形状、100…(100)面、101…オ
リエンテーションフラット、102…エミッタ領域、1
03…エミッタメサ長辺、110…半導体基板。
Claims (13)
- 【請求項1】ダイアモンド構造またはせん亜鉛構造を有
する半導体基板の(100)面上に形成され、エミッタ
層の禁制帯幅がベース層の禁制帯幅より大きく、エミッ
タ平面形状が矩形で、その長辺が〔011〕方向に平行
であることを特徴とする、III−V族化合物半導体ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタ。 - 【請求項2】ダイアモンド構造またはせん亜鉛構造を有
する半導体基板の(100)面上に形成され、エミッタ
層の禁制帯幅がベース層の禁制帯幅より大きく、〔01
−1〕方向に平行な辺がエミッタ平面形状に存在しない
ことを特徴とする、III−V族化合物半導体ヘテロ接合
バイポーラトランジスタ。 - 【請求項3】ダイアモンド構造またはせん亜鉛構造を有
する半導体基板の(100)面上に形成され、エミッタ
層の禁制帯幅がベース層の禁制帯幅より大きく、エミッ
タ平面形状の〔011〕方向に平行な辺に接する領域の
みに外部ベース層を有することを特徴とする、III−V
族化合物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 - 【請求項4】ベース層の導電型がp型で、不純物として
Beを含むことを特徴とする、請求項1、請求項2およ
び請求項3記載のIII−V族化合物半導体ヘテロ接合バ
イポーラトランジスタ。 - 【請求項5】ベース層の導電型がp型で、不純物として
Znを含むことを特徴とする、請求項1、請求項2およ
び請求項3記載のIII−V族化合物半導体ヘテロ接合バ
イポーラトランジスタ。 - 【請求項6】20℃において2.5×105A/cm2の
コレクタ電流密度で10分間連続通電した際に、初期コ
レクタ電流密度が1×102A/cm2であるバイアス点
でのコレクタ電流の減少率が20%以下であることを特
徴とする、請求項1から請求項5に記載のIII−V族化
合物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 - 【請求項7】請求項1から請求項6に記載のIII−V族
化合物半導体ヘテロ接合バイポーラトランジスタを用い
た回路。 - 【請求項8】少なくとも差動増幅回路部に請求項1から
請求項6に記載のIII−V族化合物半導体ヘテロ接合バ
イポーラトランジスタを用いたことを特徴とする回路。 - 【請求項9】単結晶半導体基板上順次形成されたコレク
タ層、ベース層、エミッタ層を有するヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタにおいて、該エミッタ層はメサ構造を
有し、かつ該エミッタ層の逆メサ部の辺長は順メサ部の
辺長よりも長いことを特徴とするヘテロ接合バイポーラ
トランジスタ。 - 【請求項10】上記単結晶半導体基板は、GaAsから
なることを特徴とする請求項9記載のヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタ。 - 【請求項11】上記単結晶半導体基板は表面が(10
0)面であることを特徴とする請求項9および請求項1
0に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 - 【請求項12】上記ベース層およびエミッタ層はそれぞ
れGaAsおよびAlGaAsからなることを特徴とす
る請求項9乃至請求項11の何れかに記載のヘテロ接合
バイポーラトランジスタ。 - 【請求項13】ダイアモンド構造またはせん亜鉛構造を
有する半導体基板上に形成され、該基板の面方位の(1
00)面からの傾角が(111)B面方向に±35.3
゜以内かつ(111)A面方向に±54.7゜以内であ
り、エミッタ平面形状が矩形で、その長辺が〔011〕
方向を基板面に射影した方向に平行であることを特徴と
する、III−V族化合物半導体ヘテロ接合バイポーラト
ランジスタ。
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