JPH06506089A - 外部温度の変化に感応しないヘテロ接合バイポーラトランジスタ、及びそれを利用した集積回路 - Google Patents

外部温度の変化に感応しないヘテロ接合バイポーラトランジスタ、及びそれを利用した集積回路

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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】 外部温度の変化に感応しないヘテロ接合バイポーラトランジスタ、及びそれを利 用した集積回路技術分野 本発明は、外部温度の変化に感応しないヘテロ接合バイポーラトランジスタに関 する。本発明は、また、能動素子として係るトランジスタを利用した集積回路に 関する。
背景技術 アナログ又はディジタル超高周波利用分野において、回路の外部動作温度は、経 時的に変化して、主として半導体接合部において回路に影響することがある。例 を挙げれば、遠隔通信衛星における超高周波回路や、携帯無線電話機における送 受信回路や、パーソナルコンピュータにおける回路等に対する外部温度の影響が ある。例えば、人工衛星の場合、温度は、太陽に対する軌道位置、露光時間等の 関数として変化する。
しかしながら、トランジスタの電気特性は、温度の関数として変化する。即ち、 外部温度の変化は、トランジスタ動作点の変化に帰結する。
過去数年に亘り、超高1周波時或いは寸法が低減される(超小型化)時でも高ゲ インが要求される利用分野において、ある特定のトランジスタ型がかなりの進展 をみた。
この所謂ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)は、基本的に複合■−v 半導体材料あ堆積に基づいて動作する。これらのうち、少なくともアルミニウム 含有量は、不純物をドープした幾つかの層の間で変化する。砒化ガリウム(Ga As)及び砒化ガリウムアルミニウム(GaAIAs)等の化合物の含有量は、 トランジスタの周波数動態を改善するようにしたプロファイルの関数として、徐 々に変化させ得る。
従って、ヘテロ接合バイポーラトランジスタとしては、以下の層の堆積から構成 されたものが知られている。
−GaAs基板 −n″″ ドープGaAsコレクタコンタクト層n (−ドープGaAsコレク タ ー p” ドープGaAsベース −ベースとエミッタの間でXがOから0.3まで漸次変化する、G a + − t A IヨAsエミッタインタフェース層 −x=0.3でnドープのGap−、A 1.Asエミッター エミッタとエミ ッタコンタクト層の間でXが0゜3から0まで漸次変化する、Ga+□A1.A sエミッタインタフェース層 −n+ ドープGaAsエミッタコンタクト層係る装置の電気動作をモデル化す ると、装置の異なるアクセス可能電極に対して、電圧と電流の間で等式が成立す る。かくして、共通のエミッタ分極において、HBT特性は、以下の式で表され る。
VaE=f 1 (Is 、lc ) ”””””” (1)VCI= f 2  (II 、I C) ・−−−−・−・−・・(2)ここで、■、はベースと エミッタ間の電圧を表し、vclはエミッタとコレクタ間の電圧を表し、1.又 は■。は、それぞれベース又はコレクタ電極による入力又は出力電流を表す。
しかしながら、係るトランジスタは、外部温度Teが変動するとき、それらの特 性に関して変化を生じる。
従って、装置の特性は、以下の式で表される。
V、、= f 1 (1,、IC,Te)”””””” (3)Vat=f 2  (Is 、Ic 、 Te) −・−・−−−−−−−(4)Teが熱抵抗R thのように変化するとき、装置は以下の梨の関係式により表され4゜ Rt h= (T j−Te) /Pd ・・・・・−(5)Pd =V、t・ Ic +V*11s −・−−−−・−・ (6)ここで、T」は、接合温度で あり、Pdは消費電力である。装置の電気特性が変化して誤動作を生じることは 明らかである。
従来技術のこの欠点を除去することが本発明の目的である。
発明の開示 周囲温度Taに等しい外部動作温度Teと、トランジスタの接合温度Tjは、関 係式(5)により連結される。
しかしながら、温度Tjは、トランジスタの動態に直接影響を及ぼす。トランジ スタは、周囲温度Taが変動するときトランジスタ電流及び電圧が一定であるな らば、外部動作温度に対して感応しないと言われている。この型のトランジスタ の場合、消費電力が一定であるので(等式(6)参照)、Taの変化は、温度T Jの変化に帰結し、その逆も言える(等式(5)参照)。かくして、外部温度に 感応しないトランジスタは、接合温度に感応しないトランジスタであり、その逆 も同様である。
別の型のトランジスタの温度動態を補正することはすでに知られているが、これ らのトランジスタの動態は、考察するトランジスタの型の関数として異なる。
電界効果トランジスタの場合、ドレン電流は、実質的に、キャリヤの移動度と飽 和速度に応じて異なる。かくして、接合温度Tjが上昇するとき、キャリヤの移 動度と飽和速度は、減少する。従って、電流は減少し、消費電力Pjも減少する 。かくして、電界効果トランジスタは、熱的に安定であるが、その動態は、外部 温度に応じて著しく変化する。
中空接合バイポーラトランジスタ、即ちその接合が単一の半導体内で得られるト ランジスタの場合、熱動態は極めて異なる。かくして、コレクタ電流は、温度T jが上昇しトランジスタゲインもまた増加するとき、増大する。その結果、温度 Tjが上昇するならば、コレクタ電流及び消費電力Pdも増大する。従って、周 囲温度が上昇するにつれて、温度Tjは上昇し、その結果、これは消費電力及び 電流にも当てはまる。従って、手順が発散することもあり、この場合、降伏が生 じてトランジスタの破壊に繋がることもある。
そうした降伏を防ぐために、図1に示すように、交互に組み合わせた各エミッタ フィンガ上に、安定化又は安定抵抗器を使用する。前記抵抗器の値が十分に高い 場合、先に説明した手順は安定化温度の方に収束する。しかしながら、この場合 、安定抵抗器でも、トランジスタ特性は、外部温度の関数として変化する。
ヘテロ接合バイポーラトランジスタHBTの場合、状況は、ホモ接合バイポーラ トランジスタよりもっと複雑である。[多量にドープしたベースを備えた高電流 ゲインA I G a A s / G a A sヘテロ接合バイポーラトラ ンジスタJ (1984年神戸市で開催された「固体回路装置と材料に関する第 16回国際会議」の増補要約351乃至354ページ)と題されたイトー他によ る論文において、vllcがゼロの場合にヘテロ接合バイポーラトランジスタの モデル化に基づいて行われた実験が説明されている。この回路の特性は、接合温 度の関数としての電流ゲインl c / 1 bの従属性を明らかにした。かく して、コレクタの飽和電流1cOは、シリコンホモ接合バイポーラトランジスタ の場合のように、接合温度Tjの関数として増大する。しかしながら、逆に、ヘ テロ接合バイポーラトランジスタのゲインは、前記温度の関数として、温度が約 −50°Cを越えると、減少する。高ベースドーピングのトランジスタの場合、 これは、ベースにおけるキャリヤの寿命の減少に起因する。中又は低ベースドー ピングのトランジスタの場合、エミッタとベースとの間の禁制帯幅の差が、作用 する。
従って、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの動態も、外部温度の関数として変 化する。更に、これらのへテロ接合バイポーラトランジスタも、何らの予防処置 を採ることなく使用した場合、ちょうど従来のバイポーラトランジスタと同じ程 度に、熱的に不安定である。
従来技術では、トランジスタの熱動態に応じたパラメータを測定するための外部 制御装置を使用している。測定量は、トランジスタの外側の制御回路のバイアス により回路の分極にフィードバックされる。従って、一般に高価で複雑なフィー ドバックループが形成される。実際のトランジスタにおける変動を補正するため の効果的な技術はない。
従って、本発明の第一の目的は、その動態が外部温度から独立したヘテロ接合バ イポーラトランジスタを提供することにある。
本発明の第二の目的は、その動作が熱的に安定したヘテロ接合バイポーラトラン ジスタを提供することにある。
本発明の第三の目的は、その電気周波数動態が妨げられることなく、その動態が 周囲温度から独立して熱的に安定したヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供 することにある。
従って、本発明は、トランジスタが外部温度変化の影響を受けないようにする熱 安定化手段を存し、その手段が直流分極ソースとベースの間でヘテロ接合バイポ ーラトランジスタのベース部分に接続した少なくとも1個の抵抗器を有する、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関する。
本発明によれば、安定化装置は、ベース上に配設され、極めて単純である。一実 施例において、安定化装置の抵抗器は、TBH内にあり、その他の素子は、トラ ンジスタが形成される集積回路即ち基板の活性領域の外側に位置する。コンデン サが低い値を存する他の実施例において、完全な安定化装置は、トランジスタの 活性領域の内側にある。
かくして、内部的に温度補償されて外部温度に感応しないトランジスタは、外部 温度に対する回路の動態を懸念することなく、そのベース上に集積回路を得るこ とができる。これは、動作を安定にするために制御回路を使用する現存の回路に は見られない。
本発明の利点は、本発明に係る少なくとも1個のへテロ接合バイポーラトランジ スタを使用することにより、集積回路の設計において外部動作温度を考慮するた めの複雑な装置の使用を不要にする手段を提案することにある。
本発明は、特に、一方ではトランジスタが入力部で超高周波数信号を入力する場 合に、他方では周囲動作温度が極めて変化する状況下でトランジスタが動作する 場合に適用できる。
これは、それ自体回転して数分おきに太陽光束により照射されたり影の領域に入 ったりする人工衛星に搭載された、電子回路において係るトランジスタが使用さ れる状況である。それは、また、例えば、エンジンの熱隔室に近い自動車内に搭 載された回路内に、トランジスタを配設した場合である。この場合、エンジンが 長時間作動すると、数秒内に120乃至1500Cに亘り温度が変化する。
従って、本発明は、また、内部安定化装置を備えたヘテロ接合バイポーラトラン ジスタを集積した集積回路にも関する。
本発明は、以下、非限定的な実施例に関し、添付図面を参照して、より詳細に説 明される。
図面の簡単な説明 図1は、ホモ接合トランジスタの場合、熱発散工程を安定化させるための公知の 手段を示す。
図2a乃至図2dは、ヘテロ接合トランジスタの熱動態を安定化させるための本 発明に係る4種の装置を示す。
図3は、相互に組み合わせたヘテロ接合トランジスター実施例を示す。
図4は、一方は従来技術による、他方は本発明に係る安定化装置を備えた2つの へテロ接合トランジスタにおける、コレクタ電流と、ベース−エミッタ電圧との 間の関係を示したグラフである。
図5及び図6は、本発明の一実施例の断面図及び正面図である。
発明を実施するための最良の形態 図1は、数個のエミッタ及びベースフィンガにより構成され、相互に組み合わせ られたホモ接合トランジスタを示す。基板1a、lb、lc、、、、In上には 、1本の共通のコレクタラインと、共通のコレクタラインを共通のエミッタライ ンに接続するn本のベースーエミ・ツタ通路がある。周囲温度の関数としてのエ ミッタ電流増加現象の安定値の方へ向かう収束を引き起こすために、抵抗器2a 、2b、2c、、、、2dを、エミッタ通路内に、例えば、各接合部のエミッタ フィンガ上に、配設することが知られている。係る装置は、熱的に安定であるが 、その動作は、周囲温度の変化により影響される。
図2a乃至図2bは、特に、多量にドープされたベースを有して超高周波数利用 分野で使用されるヘテロ接合トランジスタに適した、本発明に儂る安定化装置の 4つの実施例を示す。本発明の目的のために、直流供給源DCと周波数信号供給 源R,Fを設けている。トランジスタを接続するこの態様は、信号を分極から識 別し保護するおいて、ヘテロ接合トランジスタベース6上には、一方でベースを 高周波供給源RFに接続するコンデンサ4を設け、他方では、ベースを直流分極 源DCに接続する抵抗器5が設けている。
図2a乃至図2dの4つの実施例において、各ヘテロ接合トランジスタは、基板 即ち活性領域ZA上に形成され、安定化装置と連絡している。前記基板即ち活性 領域は、トランジスタ接合部を設置するように設けてもよい。
しかしながら、複合集積回路を形成するように、絶縁凹部により分割してもよい 。同様に、本発明の機能の幾つかは、安定抵抗器の形成等、活性領域ZAに直接 接続された表面により実施してもよいし、或いは、全体的に又は部分的に同領域 の外側にあってもよい。同一符合は、同一部分を示すために使用されている。
■2aにおいて、トランジスタ6のベースは、単一の抵抗器4を有する安定化装 置により、単一の信号及び分極源D C/RFに接続されている。抵抗器の第一 の端部は、信号供給源RFと、直流分極源DCとに接続され、トランジスタ動作 点を固定している。トランジスタの活性領域ZAは、トランジスタ接合部の形成 に限定される。
この図は、複合集積回路用にも採用することができる。
図2bにおいて、トランジスタ6は、活性領域ZA上に設置されている。熱安定 装置は、2つの別個のアクセスを有する。即ち、第一は、トランジスタの直流分 極電圧DCを入力するものであり、第二は、例えば超高周波数RFで入力信号を 受信するものである。安定化装置は、抵抗器4とコンデンサ5を有し、それらの 共通の端子は、ベース導体通路に接続されている。活性領域の外側のこの構成は 、集積回路の設計やトポグラムを複雑化しないという利点、或いはトランジスタ の残りの部分に熱的観点から又は干渉を引き起こすことにより影響を及ぼさない という利点を有する。別の利点は、トランジスタの形状因子或いは活性領域ZA 上に位置する集積回路の残りの部分の形状因子に対して不都合なく、高い値のコ ンデンサを生成可能とすることにある。
図20において、活性領域ZAは、トランジスタ6及びその安定化装置4.5を 支持している。そうした構成により、温度ドリフト領域に安定化装置をできるだ け接近させて直接集積することが可能となる。この安定化装置は、そうでない場 合には集積密度が影響を受けることになるのでコンデンサ4が図2bの場合はど 大きくない点を除き、図2bのそれと同様である。
図2dは、活性領域即ち基板ZAの内部から分極直流電圧に接続された抵抗器5 を、安定化装置が存する一実施例を示す。しかしながら、コンデンサは、前記活 性領域の外側に位置する。この構成により、安定化装置の集積の利点を、高値コ ンデンサの利点と結合することが可能となる。
以下、本発明に係るトランジスタの動作原理を説明する。極めて値が高い安定抵 抗器をベース上に直列に配設することにより、トランジスタベースは、電流供給 源により分極される。従って、外部動作温度が上昇するとき、電流ゲインβが減 少するにつれて、コレクタ電流も減少する。逆に言えば、0に近い極めて低い値 の安定抵抗器を使用することにより、トランジスタベースは、電圧供給源により 分極される。従って、外部動作温度が上昇するとき、コレクタ電流は増大する。
これらの2つの極値の間の中間値抵抗器を使用することにより、動作温度に対す るコレクタ電流の独立性を備えることが可能となる。
xtbを電流ゲインβ及び接合温度に従属した量として定義することにより、 xtb=−(d (logβ)/d (log (Tj))・・・・・・・・・ ・・・ (7) が成立する。
この場合、熱的安定を得るためにベース上に配設する安定化抵抗器は、以下の式 で表されることがわかった。
Rb=Tj−f (dEg/dTj、Iso、Ic、 β。
xtb) ・・・・・・・・・・・・ (8)ここで、dEg/dTjは、エミ ッターコレクタ接合部の自己エネルギEgの接合温度Tjに対する偏導関数であ り、fはトランジスタのモデル化関数である。
一実施例において、安定抵抗器は以下の式に等しい。
Rb=β−Tj ((dEg/dTj+に−In (Iso)−に−1n(lc ))/xtb−1c・・・・・・・・・・・・(9) 図4は、ベース−エミッタ電圧Vbeの関数としてのコレクタ電流1cのグラフ である。曲線20,21.22は、熱安定化装置8a、8b、、、、8nを有し ない図3のトランジスタの曲線に対応する。これらの3本の曲線は、−20°C 90°C1+0°Cでそれぞれ測定されている。
図4は、また、熱安定化装置8a、8b、8c、、、。
8nを備えた図3と同一のトランジスタに対応する3本の曲線23,24.25 を示す。これらの曲線23゜24.25も、−20°C20°C1+0°Cでそ れぞれ得られる。
本発明に係る安定化装置を備えたヘテロ接合トランジスタの場合、1.6乃至1 .8vの間のV□で、周囲温度に対して独立であることが分かる。しかしながら 、安定化装置を有しないヘテロ接合バイポーラトランジスタの場合、Icはベー ス−エミッタ電圧VBHの所与の値で変化する。
一般に、本発明に係る手段は、直流電流をトランジスタに供給するベースに接続 された安定抵抗器と、それに平行にベースに接続された分路コンデンサとにより 、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ用に構成される。安定抵抗器の値は、トラ ンジスタ特性が外部温度に独立であるように選定される。コンデンサの値は、周 波数信号RFがこのコンデンサにより減衰されないように、且つ、安定抵抗器に より妨害されないように、選定される。
静電容量の値が、活性領域上に、或いは、実際のへテロ接合バイポーラトランジ スタが集積回路の形状因子に対して禁止的になる即ち形状因子を構成不能にする 同一の基板上に、集積されたコンデンサにより占有される表面に対応する場合も ある。係る場合、別の基板上に、或いは実際のへテロ接合バイポーラトランジス タの外側に、安定化装置を形成することできる。
図3は、本発明に係る安定化装置を備えて相互に組み合わせたヘテロ接合トラン ジスタの一実施例を示す。2本のコレクタ11及びエミッタ12ラインは、コレ クタ領域とエミッタ領域とを基板7a、7b、、、、7nに適切に接続すること を可能にしている。基板領域7a。
7b、、、、7nのそれぞれのペースフィンガは、図2の構成による回路に接続 される。かくして、各コレクターエミッタ通路7 a、7 b+ 、 9. 7  nは、ベース分極ラインDCの間に嵌挿することで、抵抗器9aにより分極さ れる。各通路は、また、コンデンサlOaを介して、高周波数信号ラインRFに も接続されている。かくして、各ペースフィンガ上に分散された一連の熱安定化 装置8a、8b、、、、8nを設ける。ベースは、2本の平行なうイン13及び 14により構成される。
図5及び図6は、本発明に係る安定化装置を備えたヘテロ接合バイポーラトラン ジスタの断面図と平面図である。
装置ベースの典型的なドーピングは、不純物濃度が510”a t oms/c m”以下で、厚さが900オングストローム(90nm)である。
例えば、エピタキシの場合、基板30は、N3ドープ層33.Nドープ層34. P+ ドープ層35.Nドープ層36.及びN+ドープ層37から成る一連の■ −■族半導体材料層を支持する。図5に鑑みると、層33は、層34乃至37よ り広い。その上部領域は、金属コレクタコンタクト40を受容する。
2つのN及びP1ドープ層34.35は、ベースコンタクト38をその上に形成 する自由上部面を呈するように、表面が減少している。1136及び37は、頂 部表面上に金属エミッタコンタクト39を構成するのに十分なより小さな表面を 存する。更に、活性トランジスタ領域は、集積回路の残りの部分から絶縁され得 るように、2つの絶縁凹部31.32により囲まれている。
図6は、本発明に係る手段により安定化されて相互に組み合わせられたパワー構 造における、図5のトランジスタの平面図である。図6のトランジスタは、2つ の平行なベースライン40.41を有する。ライン40は、図3のアクセスRF に対応する周波数アクセスラインである。ライン41は、図3のベースライン入 力DCに対応する直流分極アクセスラインである。
活性領域44上には、フィンガ49のように、複数のペースフィンガを設けてい る。各ベースラインガ49は、安定抵抗器及び安定コンデンサを備えた、安定化 装置により接続されている。安定コンデンサは、集積回路上で領域46により構 成され、一方、安定抵抗器は領域42により構成されている。領域47は、ペー スフィンガ49をライン40に接続している。領域42は、領域45を介してペ ースフィンガに接続され、また、ライン41にも接続されている。更に、フィン ガ41のようなペースフィンガの間には、共通のエミッタライン51に接続され たエミッタフィンガ50を設けている。
例えば、50fFのリンキング静電容量値と、500オームの分極抵抗器42を 選定することにより、共通のエミッタ分極動作の場合、エミッタはアースされ、 コレクタは明確に規定した電圧に設定される。ベースは、抵抗器42のような抵 抗器に印加された電圧により、分極される。増幅すべき信号は、コンデンサ46 上のライン40を介して構造に入り、出力信号は、コレクタで生成される。この 相互に組み合わされたトランジスタは、安定化され、周囲温度に独立にその最大 速度で動作する。
図2a 図2c 国際調査報告 フロントページの続き (51) Int、C1,5識別記号 庁内整理番号HOIL 29/73 I

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.ヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、外部熱変化の影響を前記トラ ンジスタが受けないようにするための熱安定化装置を備え、 前記装置が、直流分極源(DC)とベースの間で前記ヘテロ接合バイポーラトラ ンジスタのベース通路に接続された少なくとも1個の抵抗器(5)を有する、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. 2.前記安定化装置が、少なくとも1個のコンデンサを備え、このコンデンサの 一方の端子が前記抵抗器(5)とベース通路との間の共通点に接続され、前記コ ンデンサの他方の端子が超高周波数信号の入力部(RF)に接続され、 前記抵抗器の第二の自由端部が、前記トランジスタの直流分極入力に接続されて いる、 ことを特徴とする請求の範囲第1項記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
  3. 3.前記安定化装置(4、5;5)と実際のトランジスタが、モノリシックに直 接形成される、ことを特徴とする請求の範囲第2項記載のトランジスタ。
  4. 4.前記安定化装置(4、5;5)が、実際のトランジスタから外付けで形成さ れる、 ことを特徴とする請求の範囲第2項記載のトランジスタ。
  5. 5.前記安定化装置の抵抗が、 Rb=Tj・f(dEg/dTj,Iso,Ic,β,xtb) と同様の関係により決定され、 ここで、βは前記トランジスタの電流ゲイン、Tjは安定化接合湿度、Isoは 前記トランジスタの出力電流の特性パラメータ、Icは前記トランジスタの分極 電流の値、fは前記トランジスタのモデル化関数である、ことを特徴とする請求 の範囲第2項記載のトランジスタ。
  6. 6.Rb=β・Tj((dEg/dTj+k・1n(Iso)−k・1n(Ic ))/xtb・Icという関係が成り立つ、 ことを特徴とする請求の範囲第5項記載のトランジスタ。
  7. 7.前記安定化装置の静電容量値の選定は、周波数信号が、前記静電容量により 減衰されないように、また、安定抵抗器により妨害されないように、行う、こと を特徴とする請求の範囲第5項記載のトランジスタ。
  8. 8.相互に組み合わされた型のトランジスタであって、複数のベースフィンガ( 7a,7b,...7n)を有し、各フィンガがそれぞれ安定化装置(8a,8 b,8n)を介して分極及び入力信号に接続され、各前記安定化装置は、前記ベ ースフィンガを共通直流分極ライン(13)に接続する安定抵抗器(9a,9b ,9n)と、前記ベースフィンガを周波数入力信号の共通アクセスライン(14 )に接続するコンデンサ(10a,10b,...10n)とを平行に有する、 ことを特徴とする請求の範囲第2項記載のトランジスタ。
  9. 9.前記安定化装置の前記コンデンサが、共通周波数信号入力領域(40)に接 続された第一の領域(46)により構成され、一方、前記安定抵抗器が、前記ベ ースフィンガと共通直流分極ライン(41)に接続された領域(42)により構 成される、 ことを特徴とする請求の範囲第8項記載のトランジスタ。
  10. 10.請求の範囲第2項記載の安定化装置を少なくとも1個有するヘテロ接合バ イポーラトランジスタを、少なくとも1個備えた集積回路。
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