JPH0654779B2 - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

ヘテロ接合バイポーラトランジスタ

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JPH0654779B2
JPH0654779B2 JP62036103A JP3610387A JPH0654779B2 JP H0654779 B2 JPH0654779 B2 JP H0654779B2 JP 62036103 A JP62036103 A JP 62036103A JP 3610387 A JP3610387 A JP 3610387A JP H0654779 B2 JPH0654779 B2 JP H0654779B2
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雅紀 稲田
和生 江田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は超高速・超高周波トランジスタとして有望なヘ
テロ接合バイポーラトランジスタ(以下HBTと称す)
およびその製造方法に関するものである。
従来の技術 近年、バイポーラトランジスタ(以下BTと称す)のエ
ミッタとしてベースよりもバンドギャップの大きい半導
体材料を用いたHBTは超高速・超高周波トランジスタ
の有力候補の一つとして研究がさかんに行われるにいた
っている。
第6図は従来のHBTの構造と製造方法を示す。1は基
板、2はコレクタのオーミックコンタクトの形成を容易
にするためのコレクタと同型の高ドープの半導体材料
層、2−aはコレクタ電極取り出し領域、3はコレクタ
領域を形成するための半導体材料層、3−aはコレクタ
領域、4はベース領域を形成するための半導体材料層、
4−aはベース領域、4−bはベース電極を取り出すた
めの外部ベース領域、5はエミッタ領域を形成するため
の半導体材料層、5−aはエミッタ領域、6はエミッタ
のオーミックコンタクトの形成を容易にするための、エ
ミッタと同型の高ドープの半導体材料層、6−aはエミ
ッタ領域上部のエミッタキャップ層、7は1ないし6の
半導体材料層から形成される多層構造材料、8aはエミ
ッタ電極、8bはエミッタ引き出し電極、9aはベース
電極、9bはベース引き出し電極、10aはコレクタ電
極、10bはコレクタ引き出し電極である。基板1の上
にエピタキシー形成した多層構造材料7(第6図(a))
を用いて、フォトリソグラフィーとエッチングにより、
第6図(b)に示すように、6−aと5−bからなるエミ
ッタ領域、4−aと4−bからなるベース領域、コレク
タ領域3−b、コレクタ電極取り出し領域2−aを有す
る構造とする。ついで、第6図(c)のように、エミッタ
電極8a、ベース電極9a、コレクタ電極10aを形成
する。さらに全体をSiO膜で覆い、引き出し電極取
り出し穴を設け、エミッタ引き出し電極8b、ベース引
き出し電極9b、コレクタ引き出し電極10bを形成す
る(第6図(d))。
以上のように構成されたHBTについて、その動作につ
いて説明する。
HBTの高速動作の指標であるtおよびmは次のよ
うに表わされる。
ここに、τ(エミッタ空乏層走向時間)=γ(C
BC+CEB+CPB)、τ(ベース走向時間)=W
/ηD、τ(コレクタ空乏層走向時間)=W
/2V、τCC(コレクタ空乏層充電時間)=(R
EE+R)(CBC+CPC)、Rはベース抵抗、
BCはベース・コレクタ間容量、CEBはベース・エ
ミッタ間容量、CPBはベース層浮遊容量、CPCはコ
レクタ層浮遊容量、Wはベース層の厚さ、Dはベー
ス層拡散係数、Wはコレクタ空乏層の厚さ、Vはコ
レクタ走向速度、REEはエミッタコンタクト抵抗、R
はコレクタ抵抗である。
HBTはエミッタとしてベースよりもバンドギャップの
大きい半導体材料を用いることによりベースからエミッ
タへの正孔のリーク(npn型の場合)がおさえられる
ので、通常のBTと反対にベースを高ドープ、エミッタ
とコレクタを低ドープにすることができる。このことに
よりトランジスタの高速・高周波化にとって重要なベー
ス抵抗Rの低減をはかることができるのでmが大き
くなる。さらに、一般にBTにおいてはCEB、CBC
は接合容量のドーピングによる因子CEB(n,h)、
BC(n,h)と接合面積AEB、ABCとの積で表
わされる。HBTでは、エミッタとコレクタが低ドー
プ、ベースが高ドープとなっているため、CEB(n,
h)、CBC(n,h)は、エミッタ・コレクタのドー
ピングにのみ依存しCEB、CBCは次のようになる。
したがって、HBTでは通常のBTに比べてCEB、C
BCが小さくなるのでτ、τCCが小さくなりtの
増大が可能となる。また、CEBが小さくなるので前記
したRが小さいことと合わせてmを大きくすること
が可能となる。
このように、HBTはヘテロ構造に基づく理由により本
質的に高速化にとって有利となる。しかしながら、高速
化を一層はかるためには、これに加えて、デバイス構造
の微細化をはかり、たとえば、エミッタのサイズを小さ
くして、エミッタ・ベース間接合面積AEBを小さくし
EBを小さくすること、ベース・コレクタ間接合面積
BCを小さくしCBCを小さくすること、などが重要
となる。また、外部ベース領域の抵抗(外部ベース抵
抗)を小さくすることなどがt、mを大きくするの
に非常に重要となる。
発明が解決しようとする問題点 しかしながら、第6図のような構造と製造方法では、C
EBを小さくするためにエミッタのサイズ5a、6aを
小さくし、CBCを小さくするためにベース電極取り出
し領域4−bの面積を小さくすると、エミッタ電極8a
やベース電極9aを形成するのが極めて難しく、さら
に、エミッタ引き出し電極8bやベース引き出し電極9
bを形成するのが極めて難しかった。また、引き出し電
極は段差のあるところに設けるため段切れを生じやすい
という問題点があった。また、外部ベース抵抗を小さく
するためには、ベース電極をエミッタ・ベース接合部分
に対してできるだけ近距離に形成することが有効となる
が、これは通常のマスク合わせでは不可能に近かった。
本発明は、上記問題点に鑑み、エミッタおよびベースの
サイズが小さくても、エミッタ電極、エミッタ引き出し
電極、ベース電極、ベース引き出し電極が容易にかつ段
切れを生じずに形成でき、それに加えて、ベース電極9
がエミッタ・ベース接合部と極めて近距離に形成でき
る、新しいHBTの構造および製造方法を提供しようとす
るものである。
問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために、本発明のHBTでは、H
BT形成のもとになるエピタキシー形成した多層構造材
料を用いて、HBTのベース領域に対応する部分の周辺
部を、多層構造材料の表面から少くともベースを形成す
る層まで、多くともコレクタのコンタクトを形成する層
を残すところまで不純物を導入して半絶縁性化し、エミ
ッタ部分から半絶縁性領域に伸長して存在するストライ
プ状のマスク層をもうけ、前記マスク層をマスクとして
湿式エッチングにより前記ストライプの伸長方向に沿っ
た側面の両側が実質的に垂直か、片方が実質的に垂直で
他方が逆メサ状、もしくは両方が逆メサ状となった、エ
ミッタ部分を含む、ストライプ状の突起と、その両側に
外部ベース領域を形成する工程と、前記ストライプ状突
起の全面を覆い、かつ、前記ストライプ状突起の少くと
も伸長方向の両側にカサ状に突き出したエミッタ電極金
属層を形成する工程もしくは前記工程のあと前記材料の
上面をエミッタ電極、ベース電極およびヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタ形成材料に対して選択的に除去でき
る材料からなる保護膜で覆い、かつ異方性ドライエッチ
ング法を用いて、エミッタ電極金属の上面とベース電極
取り出し領域の上面を除去して、エミッタ電極の側壁と
前記ストライプ状に突出したエミッタ側壁部分に前記材
料からなる保護膜からなる側壁を形成する工程と、上方
向からベース電極金属を蒸着し、前記エミッタ電極金属
層のカサ、もしくは前記側壁を有するエミッタ電極金属
のカサを直下の周辺部の外部ベース領域から、HBT形
成部の周辺部の半絶縁性領域に伸長して存在するベース
電極金属層を形成する工程と、を少くとも用いて、エミ
ッタ電極金属層がエミッタ引き出し電極を兼ねて、エミ
ッタ部分からHBT形成部分の周辺部の半絶縁領域に伸
長して存在し、かつ、ベース電極金属層がベース引き出
し電極を兼ねて、エミッタに極めて近接して存在し、H
BT形成部分の周辺部の半絶縁性領域に伸長して存在し
た構造を有するHBTを形成する。
作用 本発明のHBTの構造と製造方法では、エミッタ電極が
エミッタ引き出し電極を兼ねてセルフアラインで形成さ
れ、かつ、ベース電極がベース引き出し電極を兼ねてセ
ルフアラインでエミッタ・ベース接合部に対して極めて
近距離に容易に形成できる。また、極めて微小なサイズ
のHBTでも形成が容易であり、このため、エミッタ・
ベース間容量CEB、ベース・コレクタ間容量CBC
小さくできる。また、外部ベース抵抗が著しく小さくな
り、ベース抵抗Rの低減に極めて効果がある。これに
より、t、mの増大に著しい効果を発揮する。
実施例 以下本発明の一実施例のヘテロ接合バイポーラトランジ
スタ(HBT)の製造方法について図面を参照しながら
説明する。
実施例1 第1図は、本発明のHBTの製造方法を断面図を用いて
示したものであり、第2図は、HBTの各部分の配置を
平面図に示したものである。第1図(a)に示すように、
(001)GaAs基板1の上に、コレクタのオーミッ
クコンタクトの形成を容易にするためのコレクタと同型
の高ドープのGaAs(n−GaAs)層2、コレク
タ領域を形成するためのn型のGaAs(n−GaAs)
層3、ベース領域を形成するためのP型のGaAs(p
−GaAs)層4、エミッタ領域を形成するためのn型
のAlGa1-XAs(N−AlGa1-XAs)層5、
エミッタのオーミックコンタクトの形成を容易にするた
めの高ドープのn型のGaAs(n−GaAs)層6
をこの順序にエピタキシー形成し、多層構造材料7を形
成し、ついで、第1図(b)と、第2図に示すように、ベ
ース領域4bに対応したベース島17を、多層構造材料
の表面から不純物を少くともコレクタ層3に到達し、多
くともコレクタコンタクト層2が残るように導入してベ
ース島17の周辺部に半絶縁性領域18を形成し、つい
でその上に、湿式エッチングにより下地のn−GaA
sに対し選択的に除去でき、かつ、湿式エッチングによ
って実質的に侵されない材料からなるSiO保護膜1
1をもうけ、その上に第2図に示すようにエミッタ領域
から周辺の半絶縁性領域に伸長して存在する金属Alの
仮のエミッタ12をストライプの伸長方向が〈110〉
方向となるように設定してもうけ、ついで前記仮の金属
Alのエミッタ12をマスクとして異方性のドライエッ
チングを行って、第1図(c)に示すように、SiO
護膜11と金属Al12からなる仮のエミッタ13を形
成する。ついで、第1図(d)のように、仮のエミッタ1
3をマスクとして湿式エッチングによりベースを形成す
るための層4までエッチングし、ストライプの伸長方向
に沿った両側が逆メサ状になった、エミッタ5−aとキ
ャップ層6−aとからなるエミッタ領域から半絶縁性領
域18に伸長したストライプ状の突起19を形成する。
ついで、第1図(e)のように、全面をフォトレジスト1
4でコートし、ドライエッチングにより、仮のエミッタ
13の頭出しを行い、仮のエミッタをエッチング除去
し、第1図(f)のように凹み15を形成し、ついで、エ
ミッタ電極金属を蒸着リフト・オフし、第1図(g)のよ
うに、エミッタ電極金属層8がストライプ状突起19の
上部の全面を覆い、かつ、ストライプ状突起19の周辺
部にカサ状に突き出したエミッタ電極金属層8を形成す
る。ついで、第1図(h)のように、フォトリソグラフィ
ー、エッチングと蒸着リフトオフの方法によりコレクタ
電極10を形成する。ついで、第1図(i)と第2図のよ
うに水素イオンを注入してHBTの周辺部を絶縁化し、
素子間分離を行う。ついで、第2図の9の形状のマスク
を用いて、ストライプ状突起19のレジストに覆された
部分の方からベース電極金属を斜め蒸着し、リフトオフ
し、第1図(j)および第2図のように、ベース電極金属
層9を形成する。何故ならば、ストライプの端では、正
常型のメサが形成されており、上方から蒸着すると、エ
ミッタ電極とベース電極が短絡するためである。これに
よりベース電極金属層9が、エミッタ電極金属のカサの
直下の外部ベース領域に隣接した外部ベース領域に、エ
ミッタ・ベース接合部分に対し極めて近距離に形成され
る。それと同時に、エミッタ電極金属層9は、第2図に
示すように、HBTの周辺部の半絶縁性領域18に伸長
して存在し、ベース引き出し電極を兼ねている。
実施例2 第3図は、実施例1に示した第1図(i)の構造を形成
後、ストライプ状の突出部19にSiO薄膜の側壁1
6−aをもうけ、ベース電極形成時の蒸着により蒸着金
属がエミッタの側壁部分にまわり込むことがあった場合
にそれを防ぎ、短絡を防止して信頼性を増す方法であ
る。まず、全面をうすいSiO薄膜16で第3図(a)
のように覆い、ついで、異方性のドライエッチングによ
りエミッタの上部とベース電極取り出し部分のSiO
を除去し、第3図(b)のようなSiOからなる側壁1
6−aを形成する。ついで、実施例1に示した方法によ
りベース電極金属層を形成し、ついで、側壁のSiO
16−aをエッチングにより除去して、エミッタ側壁部
に回り込んで付着してベース電極金属を除去し、エミッ
タとベース電極との短絡を防ぐ。この方法により、ベー
ス電極金属がエミッタ側壁部分に回り込んだ場合でも、
ベース電極が問題なく形成される。
実施例3 第4図は、第1図(a)に示した多層構造材料7におい
て、ストライプ状の仮のエミッタ13の伸長方向を〈1
00〉方向となるように設定した場合を示す。この場合
には、ストライプの伸長方向に沿った両側の壁およびス
トライプの両端の壁が、仮のエミッタ13をマスクとし
て湿式エッチングすることにより第4図(a)に示すよう
にほぼ垂直となったストライプ状突起が形成される。つ
いで、実施例1と同様の方法を用いて仮のエミッタをエ
ミッタ電極に変換することにより、ストライプ状突起1
9の全面を覆い、かつ、ストライプ状突起19の周辺部
分に突き出したカサ状のエミッタ電極金属層8が第4図
(b)のように形成される。これを用いて、実施例1と同
様の方法により第4図(c)のように、エミッタ・ベース
接合部分に近接して存在し、かつ半絶縁性領域18に伸
長して存在するベース電極金属層9を形成する。ただ
し、この場合には、ストライプの周辺部の全域にエミッ
タ電極のカサが形成されているので、上部からベース電
極金属を蒸着することができる。
実施例4 第5図は、実施例3に示した第4図(c)においてベース
電極金属層9を形成する前に、第3図の場合と同様にし
て、まず、第5図(a)のように、SiO薄膜16で材
料の表面を覆い、ついで異方性のドライエッチングによ
りSiO薄膜からなる側壁16−aを第5図(b)のよ
うに形成する。ついで、実施例1と同様の方法を用いて
ベース電極金属を蒸着・リフトオフにより形成し、つい
で、SiO薄膜の側壁16−aをエッチングにより除
去し、エミッタ側壁部についた金属を除去し、ベース電
極がエミッタを短絡するのを防止する。実施例4の場合
でも直線性の良い蒸着ビームを用いる場合には、ベース
電極がエミッタと短絡することはないが、本実施例の場
合には、蒸着ビームの直線性の良くない場合でも極めて
有効となる。
実施例1ないし4に示した仮のエミッタをマスクとする
方式では、下地の半導体材料に接触したマスクとしてS
iOを用いているが、下地の半導体材料に対して選択
的に除去できる材料として、SiOやSiNは一般
性のある材料として用いることができる。また、下地が
化合物半導体材料の場合には、GeやSi、下地の半導
体材料がGeやSiの場合には化合物半導体材料を仮の
エミッタとして用いることができる。この方式では、仮
のエミッタとして、熱処理時に下地材料と反応しないS
iO,SiNやその他の材料を選ぶことにより、イ
オン注入などの熱処理を必要とするプロセスと結合でき
るメリットがある。
実施例5に示したエミッタ電極をマスクとする方式で
は、下地の半導体材料の湿式エッチング時にエッチング
液に侵されない金属材料を選ぶ必要がある。また、これ
に加えて熱処理時に下地の半導体材料と反応しない金属
材料を選ぶことにより熱処理を必要とするイオン注入な
どのプロセスと結合できる。
実施例1ないし4では、仮のエミッタ13をマスクとし
てベースを形成する層4までエッチングしているが、エ
ミッタを形成する層の途中までエッチングし、イオン注
入などの熱処理をともなうプロセスを実施後、エミッタ
電極金属層8を形成し、ついで、エッチングにより外部
ベース層を露出せしめた後、実施例の方法を適用するこ
ともできる。また、仮のエミッタ13をマスクとして、
エミッタを形成する層までエッチングして、主に高ドー
プのキャップ層からなるストライプ状突起を形成し、つ
いで、イオン注入によりエミッタを形成する層の外部ベ
ース領域に対応する部分をイオン注入により外部ベース
領域に変えた後、エミッタ電極金属層を形成し、実施例
の方法を適用することもできる。
実施例1ないし4では、仮のエミッタをエミッタ電極に
かえた後、ベース電極金属層9を形成しているが、仮の
エミッタのついた状態で、仮のエミッタのカサもしく
は、仮のエミッタとストライプ状エミッタの側壁にSi
薄膜をそなえた仮のエミッタのカサを利用して、ベ
ース電極金属層9を形成することもできる。
実施例2と4においては、ストライプ状突起およびエミ
ッタ電極金属層8の側壁形成材料としてSiO薄膜を
用いているが、エミッタ電極金属、ベース電極金属やH
BT形成材料に対して選択的に除去できる、SiN
その他の材料を用いることができる。
実施例1ないし4においては、HBT形成材料としての
GaAs−AlGa1-XAs系のジンクブレンド型材
料を用いているが、これら以外のジンクブレンド型材料
にも実施例は適用できる。また、ジンクブレンド型材料
とGeやSiなどのダイヤモンド型材料からなる多層構
造材料を用いたHBTの製造にも本実施例の方法は適用
できる。
実施例1ないし4ではエピタキシー形成した(100)
面上に、ストライプ状に突起したエミッタ領域を形成し
ているが、これ以外のエピタキシー形成した面でも用い
ることができる。たとえば、ジンクブレンドまたはダイ
ヤモンド構造型結晶の〔211〕面にエピタキシー形成
して作成した多層構造材料の面内の〈110〉方向に、
その伸長方向が一致するように、エミッタのストライプ
状突起を設けることができる。この場合には、一つの
〔111〕面がストライプに平行で面に垂直、一つの
〔111〕面がストライプに平行で逆メサ状に位置する
ので、伸長方向に沿った両側の片側が垂直、他の側が逆
メサ状になったストライプ状エミッタを形成できる。こ
のため、実施例1ないし4に示した場合と同様に、カサ
状のエミッタ電極金属層を形成することができる。この
ように、本発明の製造方法では、実施例に示したような
(100)成長した多層構造材料を用いて伸長方向に沿
った両側が実質的に垂直または逆メサとなったエミッタ
のストライプ状突起を形成するだけでなく、種々の結晶
方位に成長した多層構造材料を用いて、ストライプの伸
長方向の両側が垂直、逆メサ、もしくは片側が垂直、他
方が逆メサとなったストライプ状突起のエミッタ領域を
形成して、カサ状のエミッタ電極を形成する場合にも適
用できる。
発明の効果 以上のように、本発明のHBTの構造と製造方法によ
り、エミッタ電極がエミッタ引き出し電極を兼ねてセル
フアラインで形成され、かつ、ベース電極がベース引き
出し電極を兼ね、かつ、エミッタ・ベース接合部に近接
してセルフアラインで形成できる。これにより、極めて
微小なサイズのHBTでも形成が容易であり、エミッタ
・ベース間接合容量CEB、ベース・コレクタ間容量C
BCを著しく小さくでき、また、外部ベース抵抗を著し
く小さくできる。これらのことにより、t,mの増
大に著しい効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図ないし第5図は本発明のHBTの製造方法を示す
工程図、第6図は従来のHBTの製造方法を示す工程図
である。 1……基板、2……コレクタのオーミックコンタクトの
形成を容易にするための高ドープ層、2−a……コレク
タ電極取り出し領域、3……コレクタ領域を形成するた
めの半導体材料層、3−a……コレクタ領域、4……ベ
ース領域を形成するための半導体材料層、4−a……ベ
ース領域、4−b……ベース電極を取り出すための外部
ベース領域、5……エミッタ領域を形成するための半導
体材料層、5−a……エミッタ領域、6……エミッタの
オーミックコンタクトの形成を容易にするための高ドー
プ層、6−a……エミッタ上部のエミッタキャップ層、
7……エピタキシー形成した多層構造材料、8……エミ
ッタ電極とエミッタ引き出し電極、9……ベース電極と
ベース引き出し電極、10……コレクタ電極、11……
仮のエミッタを形成するための保護膜層、12……仮の
エミッタの部分の金属層、13……仮のエミッタ、14
……フォトレジスト、15……フォトレジスト14中に
エミッタ部分に形成された凹み、16……エミッタ電極
およびエミッタ領域の側壁を形成するための保護膜、1
6−a……保護膜16より形成されたエミッタ電極およ
びエミッタ領域の側壁、17……ベース島、18……H
BT内部の半絶縁性領域、19……HBT外部の絶縁性
領域、20……HBT外部の絶縁性領域。
フロントページの続き (72)発明者 中川 敦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭50−39076(JP,A) 特開 昭61−114573(JP,A) 特開 昭61−89665(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板と、前記半導体基板上に形成さ
    れておりコレクタ領域と前記コレクタ領域の外側の第1
    の絶縁領域とを有する第1の半導体層と、前記第1の半
    導体層上に形成されており前記コレクタ領域上のベース
    領域と前記ベース領域の外側の第2の絶縁領域とを有す
    る第2の半導体層と、前記第2の半導体層上の前記ベー
    ス領域から前記第2の絶縁領域にかけてストライプ状に
    形成されており前記ベース領域上のエミッタ領域と第3
    の絶縁領域とを有する第3の半導体層とを備えたヘテロ
    接合バイポーラトランジスタであって、エミッタ電極は
    前記第3の半導体層上全面に形成され前記エミッタ領域
    から前記第2の半導体層上の第2の絶縁領域上まで段差
    なく引き出され、ベース電極は前記ベース領域上の前記
    エミッタ電極に近接して前記ベース領域に直接形成さ
    れ、コレクタ電極はコレクタ領域に接続され、前記第2
    の絶縁領域は前記第1の絶縁領域上に形成され、前記第
    3の絶縁領域は前記第2の絶縁領域上に形成されている
    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. 【請求項2】ベース電極がコの字状の形状をしており、
    ベース引き出しを兼ねていることを特徴とする特許請求
    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。
JP62036103A 1987-02-19 1987-02-19 ヘテロ接合バイポーラトランジスタ Expired - Lifetime JPH0654779B2 (ja)

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