JPH0656853B2 - ヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ - Google Patents

ヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ

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JPH0656853B2
JPH0656853B2 JP62158102A JP15810287A JPH0656853B2 JP H0656853 B2 JPH0656853 B2 JP H0656853B2 JP 62158102 A JP62158102 A JP 62158102A JP 15810287 A JP15810287 A JP 15810287A JP H0656853 B2 JPH0656853 B2 JP H0656853B2
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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〕
近年、次世代の高速・高周波用のデバイスとして化合物
半導体、特にGaAs/AlGaAs系のヘテロ接合バイポーラト
ランジスタが注目を浴びるようになり、基礎・応用の両
面から研究がさかんである。
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの着想の時期は非常
に古く、トランジスタの発明とほぼ同時期である。しか
し、理論的にその優位性を評価されながらも、材料とな
るGaAsそのものあるいはその周辺の知識不足,結晶成長
技術の未発達等から、最近まで、ほとんどかえりみられ
ることがなかった。
今日、にわかに研究開発がさかんになった背景には、分
子線エピタキシャル(MBE)法や有機金属CVD(M
OCVD)法等の多層薄膜形成技術が可能になり、実用
に耐える良好なヘテロ接合が形成されるようになったと
いう事実がある。
このような技術が背景となり、ベースよりも禁制帯幅の
広い半導体材料をエミッタに使用することにより高いエ
ミッタ注入効率を得ることのできるヘテロ接合バイポー
ラトランジスタにとって、その高周波特性を上げる為に
は、少数キャリヤのベース走行時間を短縮することが必
要となる。
従来、そのためにベース領域中の少数キャリヤのバリス
ティック伝導という現象を応用する方法とベース領域の
内部電界によって少数キャリヤを加速する方法が試みら
れている。
第3図は従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタの第
1の例のバンド構造図である。
この例は、n型のコレクタ層3′上にp型のベース層
5′とベース層5′よりも電子親和力が小さくかつ禁制
帯幅が広いn型のエミッタ層6′を順次積層した構造を
とることにより、ヘテロ接合部の伝導帯に生じた電子親
和力の差に相当するエネルギー不連続δEc が、エミッ
タからベースに注される電子9′の初期運動エネルギー
となり、通常の拡散よりも速いいわゆるバリスティック
飛行10′による伝導を可能にする。しかしながら、電
子9′のバリスティック飛行10′による伝導の有効距
離は電子の平均自由行程程度なので、それ以降はベース
層5′中を通常の拡散によってコレクタに到達するた
め、ベース層5′厚が千数百Å程度ある場合には、電子
の平均自由行程が数百Åと比較的短いので、電子がバリ
スティック飛行により伝導する距離はベース層5′中の
一部分にすぎない。
従って、ベース走行時間は拡散走行の時間で決ってしま
い、大幅なベース走行時間の短縮は期待できないばかり
でなく、拡散走行中におけるベース層5′の高い正孔の
濃度のために電子の再結合確率が顕著になってコレクタ
への到達率が低く注入効率が低い。
第4図は従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタの第
2の例のバンド構造図である。
この例では、n型のコレクタ層3″上に材料の構成比率
を変えたグレーディッドバンドギャップ構造のp型のベ
ース層5″とベース層5″よりも電子親和力が小さくか
つ禁制帯幅の広いn型のエミッタ層6″とを順次積層し
た構造となっているので、エミッタ層6″からベース層
5″に注入された電子9″は、伝導帯の傾斜に基づく内
部電界によって矢印10″にように加速されるため拡散
走行よりも速い伝導が期待される。
しかしながら、電子が充分加速されてある一定の運動エ
ネルギーを越えると谷間散乱が顕著になり、電子の実効
的な速度が低下してしまう。例えば、ベース層5″厚を
1500Åとしてベース材料の AlxGa1-xAsのxを0.15
→0とした場合、内部電界は約10kV/cmになり容易
に谷間散乱が生じる条件になることがわかる。
以上、従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタの代表
的な例を2つ挙げたが、グレーディッドバンドギャップ
構造よりも、バリスティック飛行を可能にするベース構
造の方が有利であるというシュミレーション結果が最近
報告されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上述したように従来のバリスティックヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタの第1の例では、エミッタより注入さ
れた電子の全てが、ベース層全体にわたりバリスティッ
ク飛行による伝導をすることが理想であるが、実際に
は、バリスティック飛行中に電子が一定の確率で格子と
の間のエネルギー緩和過程等によりエネルギーを失っ
て、伝導帯の底に落下し、その後、準熱平衡状態で残り
のベース層を拡散走行してコレクタ層に到達する。しか
し、バリスティック飛行による高速伝導は、ベース層厚
に比べて、その伝導距離が平均自由行程程度と非常に短
いので、大部分が低速の拡散走行による伝導となり、実
効的な速度が低速の拡散速度に近く低速で高速・高周波
性能の向上があまり期待できないいうこと及びベース抵
抗を下げる都合上、一般にベース層の不純物濃度を高く
してあるのでキャリヤの再結合確率が高くなりコレクタ
層への到達率を低下して注入効率をも悪くすることなど
の欠点がある。
又、第2の例では、ベース層をグレーディッドバンドギ
ャップ構造にしているのでそれに基づく内部電界により
少数キャリヤ(この場合電子)は加速を受けるが、内部
電界が一定値以上になると谷間散乱による実効的移動度
の低下が起きてきてしまい、高速・高周波性能の向上は
あまり望めない。
本発明の目的は、ベース層中における少数キャリヤの拡
散走行による伝導距離の割合いを出来るだけ少くして、
再結合確率を下げるとともに、バリスティック飛行とグ
レーディッドバンドギャップ構造に基づく内部電界とに
より少数キャリヤの走行時間を短縮して高速・高周波性
能の優れたヘテロ接合バイポーラトランジスタを実現す
ることにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、エミッ
タとベースが階段型ヘテロ接合をなし、エミッタの電子
親和力がベースより大きく、前記ベース層が前記エミッ
タ層に近い順に、一定のバンド幅を有する第1のベース
層と、バンドギャップがコレクタ層の方向へ単調減少す
る第2のベース層とから構成されていることを特徴とす
る。
〔作用〕
ヘテロ接合バイポーラトランジスタでは、エミッタから
ベースに注入され、接合部の伝導帯のエネルギー不連続
に相当する初期運動エネルギーを得た電子は、バリステ
ィック飛行を開始するが、ベース層中でエネルギーを失
うことなく最後までバリスティック飛行するのは一部の
電子であり、他の電子は途中で主に格子との間のエネル
ギー緩和によりエネルギーを失い伝導帯の底に落ちて以
降低速の拡散伝導する。
従来のバリスティックヘテロ接合バイポーラトランジス
タのようにベース層中の禁制帯幅が一定である場合に
は、バリスティック飛行を中断した電子は以降低速の拡
散走行による伝導をするので、低周波域の増幅動作にし
か寄与できず、高速・高周波性能のより一層の向上は望
めない。
本発明のベース層構造の場合には、エミッタから注入さ
れたキャリヤが、先ず、禁制帯幅が一定の部分をバリス
ティック飛行による伝導をし、次にグレーディッドバン
ドギャップ構造の部分を内部電界により加速されつつ伝
導してコレクタ層に到達するので、ベース層中の走行時
間がより短縮されると共に再結合確率が下がりキャリヤ
の透過率が向上し、高速・高周波性能がより一層改善さ
れる。
〔実施例〕
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
第1図は本発明の一実施例の断面図である。
この実施例は、半絶縁性基板1表面にプロトンのイオン
注入により形成された絶縁領域1aによって仕切られた
ドーパントをSiとし不純物濃度が3×1018atom/cm3
厚さが4000Åのn−GaAs層からなる高濃度層2を
MBE法により形成することにより設け、高濃度層2上
にドーパントをSiとし不純物濃度が5×1016atom/cm3
で厚さが5000Åのn−GaAs層からなるコレクタ層
3、ドーパントをBeとし不純物濃度が3×1019atom/c
m3でp−AlxGa1-xAs層(x:0→0.15)からなるベー
ス層4,ドーパントをBeとし不純物濃度が3×1019at
om/cm3でp−Al0.15Ga0.85As層からなるベース層5,
ドーパントをSiとし不純物濃度が3×1017atom/cm3
厚さが2000Åのn−Al0.35Ga0.7As層からなるエミ
ッタ層6及びドーパントをSiとし不純物濃度が5×10
18atom/cm3で厚さが2000Åのn−GaAs層からなる
高濃度層7をMBE等によって順次形成して設け、更に
高濃度層2及び7並びにベース層5上にそれぞれコレク
タ及びエミッタ並びにベース電極8c及び8e並びに8
bを設けた構造をしている。
第2図は本発明の一実施例のバンド構造図である。
この実施例では、ベース層が、Alの組成がx:0→0.15
に変化するp−AlxGa1-xAs層からなるベース層4とp
−Al0.15Ga0.85As層からなるベース層5との積層から
なり、エミッタ層6がn−Al0.35Ga0.7As層からなって
いるので、エミッタ層6とベース層5との接合部で伝導
帯のエネルギー不連続δEc が約0.1 eV程度生じ、ベ
ース層4においてグレーディッドバンドギャップ構造に
基づく内部電界が生じている。即ち、エミッタ層6から
注入された電子9はδEc に相当する初期運動エネルギ
ーによってベース層5中を、矢印10aに示すようにバ
リスティック飛行で平均自由行程程度の距離を伝導し、
以降(矢印10b)に示すように、ベース層4の内部電
界で加速されてコレクタ層3に到達する。
従って、ベース層5を電子の平均自由行程程度厚さにし
ておけば、バリスティック飛行と内部電界とによって少
数キャリヤである電子がベース層5及び4中を常に加速
されつつ走行するので走行時間が短縮されて、高速・高
周波性能が一層向上ししかも再結合確率も下がって透過
率の低下を防止できる。
勿論、平均自由工程よりも短い距離でバリスティック飛
行を停止して拡散走行する電子もあるが、ベース層4の
内部電界で再び加速されるので、従来例よりも、走行時
間はずっと短縮される。
又、この実施例においては、半導体材料として互いに格
子整合している AlGaAsとGaAsとを用いたが、特に格子
整合した材料に限らず電子親和力に差のあるものなら何
れでもよいし、格子整合系に限らず格子不整合系のヘテ
ロ接合でもよい。
〔発明の効果〕
上述したように本発明は、ベース層をグレーディッドバ
ンドギャップ構造の第1のベース層と禁制帯幅は一定で
エミッタ層より電子親和力の大きい第2のベース層とか
ら構成することにより、エミッタ層から注入された少数
キャリヤの電子が第2のベース層中をバリスティック飛
行で伝導した後第1のベース層中を内部電界で加速され
走行してコレクタ層に到達するので、ベース層中の少数
キャリヤの走行時間が大幅に短縮されると共にベース層
中の再結合が低くなって少数キャリヤのベース透過率を
高め、一層高速・高周波性能が向上したヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタが実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図はそれぞれ本発明の一実施例の断面図
及びバンド構造図、第3図及び第4図はそれぞれ従来の
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの第1及び第2の例
のバンド構造図である。 1……半絶縁性基板、1a……絶縁領域、2……高濃度
領域、3,3′,3″……コレクタ層、4,5,5′,
5″……ベース層、6,6′,6″……ベース層、7…
…高濃度層、8b……ベース電極、8c……コレクタ電
極、8e……エミッタ電極、11,11′,11″,1
2,12′,12″,13,13′,13″……フェル
ミレベル。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】エミッタとベースが階段型ヘテロ接合をな
    し、エミッタの電子親和力がベースより大きいヘテロ接
    合バイポーラトランジスタにおいて、前記ベース層が前
    記エミッタ層に近い順に、一定のバンド幅を有する第1
    のベース層と、バンドギャップがコレクタ層の方向へ単
    調減少する第2のベース層とから構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。
JP62158102A 1987-06-24 1987-06-24 ヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ Expired - Fee Related JPH0656853B2 (ja)

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