JPH07193084A - ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ - Google Patents

ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ

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JPH07193084A
JPH07193084A JP33128493A JP33128493A JPH07193084A JP H07193084 A JPH07193084 A JP H07193084A JP 33128493 A JP33128493 A JP 33128493A JP 33128493 A JP33128493 A JP 33128493A JP H07193084 A JPH07193084 A JP H07193084A
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Kenko Taguchi
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Abstract

(57)【要約】 【目的】ヘテロ接合型バイポータトランジズタのコレク
タ層としてバンドギャップの異なる半導体より構成し、
かつこのヘテロ接合のバンド不連続に起因したキャリア
の蓄積効果を回避する為に、相反する伝導型の高濃度不
純物濃度領域をこのヘテロ界面の両側に配した構成によ
りコレクタ領域での高速走行と高いコレクタ耐圧を実現
するものである。 【構成】本発明のHBTの構造はn−InPエミッタ層
16、p+ InGaAsベース層15、ベース層15に
接して設けられたi−InGaAsコレクタ層14、こ
れに続く第2のn−InPコレクタ層13より形成さ
れ、コレクタ層を形成する層13−14ヘテロ界面に接
してInGaAs側にはp+ をInP側にはn+ 領域を
形成する。これにより、高速性能と高いコレクタ耐圧を
有するHBTを得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はヘテロ接合トランジスタ
(以下HBTと略す)に関し、特にその特性向上に関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】ヘテロ接合バイポーラトランジスタにお
いてはエミッタ層の禁制帯幅をベース層より大きく設定
できるため、ベース抵抗を低減するためにベース層を高
濃度化してもエミッタ注入効率が低下しないという優れ
た特徴を持っている。このため、分子線エピタキシャル
(MBE)技術や有機金属気相成長(MOVPE)技術
を用いた化合物半導体によるヘテロ接合型バイポーラト
ランジスタの研究開発が盛んに行われている。
【0003】このような優れた特性を持つ化合物半導体
のヘテロ接合バイポーラトランジスタをより高周波化・
高速化するためには、例えばnpnトランジスタの場合
では、ベース層での電子走行時間を短縮することだけで
なくコレクタ層の空乏層領域での電子走行時間をも短縮
することが重要となっている。また、実際に作製、使用
する場合に設計の余裕度と高い信頼性が求められてい
る。最近においては、超高速なHBTを得る半導体材料
として、従来から用いられているGaAs系材料と共
に、InP基板に格子整合するIn0.53Ga0.47As材
料がその優れたキャリア走行特性から注目されてきてい
る。
【0004】図3に従来例のヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタの一例のバンド構造図を示す。図において、エ
ミッタ層5はn−InP層16からなり、ベース層6は
+−In0.53Ga0.47Asn層15からなる。さら
に、コレクタ層は低濃度の不純物がドーピングされたn
−In0.53Ga0.47As層21でベース層と接し、n+
−In0.53Ga0.47As層12でコレクタ・コンタクト
層を形成している。これにより、ベース・コレクタ接合
の空乏層がコレクタ側に大きく広がり、いわゆるコレク
タ空乏層領域22ができるが、ベース領域を通過した電
子10がコレクタ電極に到達するまでの時間は、このコ
レクタ空乏層を電子が走行する時間で決まる。ところ
が、このコレクタ空乏層には、ベース・コレクタ間のポ
テンシャル差(qVBC9)、印加電圧(VBC)に相当す
る強電界がかかるため、大部分の電子はコレクタ空乏層
に入るとすぐにホットエレクトロン状態になって、伝導
帯のL谷4に移動してしまう。L谷の電子の有効質量
は、伝導帯底1であるΓ谷の有効質量よりも大きいため
に、電子がL谷へ移る(10a)と電子のドリフト速度
は大幅に遅くなり、HBTの高速特性を著しく制限する
ことになる。また、コレクタ層を形成するIn0.53Ga
0.47As材料はその禁制帯幅が高々0.75eV程度で
ありエミッタ・コレクタ間印加電圧、あるいはベース・
コレクタ間印加電圧を高くした時には印加電圧の大部分
が印加されることになるコレクタ空乏層でアバランシ降
伏を引き起こす。これを抑えるためには、ベース・コレ
クタ間での印加電圧を常に低く抑える必要があり、設計
の許容度が低い、さらには不測の電圧擾乱に対して弱い
という不都合が生ずる。図4の例は、この様な不都合を
除去するために、低濃度コレクタ層を従来のn−In
0.53Ga0.47As層21一層からi−In0.53Ga0.47
As層14とバンドギャップエネルギーの大きなn−I
nP層13の二層構造にした例である。この場合には、
In0.53Ga0.47Asコレクタ14層を低濃度で薄くし
て、これに続く第2のコレクタ層をバンドギャップの大
きなInP層13とすることによって、ベース領域から
コレクタ領域に注入された電子のΓ谷からL谷への移動
を実効的に抑制して全コレクタ領域での電子の走行時間
を短縮しようとするものである。また、この構成により
コレクタ空乏層22はIn0.53Ga0.47Asコレクタ層
14と共にバンドギャップの大きなInPコレクタ層1
3にも広がっており、ベース・コレクタ印加電圧VBC
のIn0.53Ga0.47Asコレクタ層への配分を低下し
て、配分比の大きな領域をバンドギャップの大きなIn
P層13を用いることによりアバランシ降伏を防ぐよう
に工夫されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コレク
タ層として、この様な意図からバンドギャップの異なる
半導体を用いた構成のHBTが試作されているが、素子
の動作電圧、即ち、エミッタ・コレクタ間印加電圧ある
いはベース・コレクタ間の電圧特性の向上には顕著な改
善効果が見られているものの、高速特性においては、逆
にIn0.53Ga0.47As単層のコレクタを持つ従来構造
と比べて、逆に遅くなるような例も多い。この原因とし
て新たに導入したヘテロ構造を有するコレクタ層中、ヘ
テロ界面での伝導帯不連続に起因した注入キャリアの蓄
積・滞在効果が上げられている(図4の電子10b)。
【0006】本発明は構造を工夫することによって、こ
の様な問題点を特に新しい技術を用いることなく容易に
解決でき、上記欠点を除去して高速且つ安定動作が可能
なヘテロ接合型バイポーラトランジスタを提供すること
を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明のヘテロ接合型バ
イポーラトランジスタは、コレクタ層としてベース・コ
レクタ接合から遠ざかる方向にバンドギャップが不連続
に増大する層構造を有し、且つ各々のバンド不連続を形
成するヘテロ界面において、各ヘテロ界面を隔てて、バ
ンドギャップが狭い領域では該半導体を構成する導伝型
とは反対の導伝型を形成する高濃度領域を、バンドギャ
ップが広い領域では該半導体層と同一導伝型の高濃度領
域を選択的に接近して形成することを特徴とするもので
ある。
【0008】
【作用】このような手段をとることによって、バンドギ
ャップの異なる半導体層より構成されたコレクタ層にお
いて、各ヘテロ界面でのキャリア走行にとっての障害と
なるバンドギャップ不連続に起因したポテンシャル障壁
を実効的に低下・狭小させることにより高速特性を得る
ことができる。このようにする事によって、始めて、コ
レクタ層としてバンドギャップの異なる層を導入した意
図、即ち、高速特性と高耐圧特性を得ることができ、素
子設計の自由度、素子作製上の余裕度、素子の安定性等
が向上する。
【0009】
【実施例】次に、本発明について図面を参照にして説明
する。
【0010】図1は本発明の一実施例のエネルギーバン
ド図であり、バイアスを印加した動作状態を示してい
る。qVBE8はベース・エミッタ間にかかるバイアス
(ポテンシャル)を、qVBC9はベース・コレクタ間に
かかるバイアス(ポテンシャル)を各々示す。本実施例
においては、コレクタ層をIn0.53Ga0.47As層とI
nP層より構成しており、i−In0.53Ga0.47Asコ
レクタ層14とn−InPコレクタ層13の接合するヘ
テロ界面を接してInGaAs層側には高濃度p+領域
14aが、InP層側にはn+ 領域13aが設けられて
いる。この結果、このヘテロ界面には、p++ 形成に
対応したポテンシャル差、高電界が生成さており、In
0.53Ga0.47AsとInPでの伝導帯不連続差(電子親
和力差)ΔEc23に起因した障壁として感じる実効的
な障壁高さとその領域幅を減少させている。この結果、
従来構造とはことなり、この領域に到達したキャリアは
この領域での局部的な電界増大の影響と、従来構造と比
べれ実効的な障壁高さのの減少と障壁層厚の減少によ
り、実質的にバリアの影響を殆ど受けることなくこの領
域を電子が通過できることになり、キャリア走行への障
害が取り除かれたことになる。
【0011】図2は図1のエネルギーバンドを実現する
ためのHBT主要部分の概略横断面図を示す。半絶縁性
基板InP11上に、n+ −In0.53Ga0.47Asコレ
クタ・コンタクト層12(不純物濃度5×1018
-3、400nm)、n−InPコレクタ層13(不純
物濃度1×1016cm-3、300nm),n+ −InP
層13a(不純物濃度5×1017cm-3、10nm)、
+ −In0.53Ga0.47As層14a(不純物濃度5×
1017cm-3、10nm)、i−In0.53Ga0.47As
コレクタ層14(不純物無添加、60nm)、p+ −I
0.53Ga0.47Asベース層15(不純物濃度5×10
19cm-3、70nm)、n−InPエミッタ層16(不
純物濃度5×1017cm-3、80nm)、n+ −InP
キャップ層16a(不純物濃度1×1019cm-3、10
nm)、n+−In0.53Ga0.47Asキャップ
層17(不純物濃度3×1019cm-3、100nm)の
各層をInPに格子整合するように成長する。本図のメ
サ構造はベース層15及びコレクタ層12を選択的に露
出した所に、電極18,19,20を形成することによ
って形成されている。
【0012】本発明に用いる半導体材料は、本実施例の
ような格子整合系に限らず、格子不整合系でもよい。ま
た、本発明の特許請求の範囲においては、エミッタ層と
して傾斜型半導体層を用いる事によって、厳密にはエッ
ミッタ・ベース接合がヘテロ接合となっていない構成に
おいても、組成の異なる半導体材料を用いいている点か
ら一般的な意味においてヘテロ接合型と言う言葉が適用
され、本発明が適用されるものとする。また、本発明の
実施例として、ヘテロ界面を介してp+ 領域とn+ 領域
が直接接するのではなく、ヘテロ界面自体を高濃度領域
としない様な実施例も本発明の範疇に入るものと言え
る。
【0013】
【発明の効果】以上説明したように本発明を用いること
により、高速にしかも高耐圧で動作するHBTを得るこ
とが出来、実用的な高速トランジズタ回路を構成する上
での安定な動作条件、製造方法も含めた信頼性を向上で
きるという効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わるHBTのエネルギーバンド構造
を示す図である。
【図2】図1のエネルギーバンド構造を実現するための
結晶構造及び素子構造を示す概略横断面図である。
【図3】従来のHBTのエネルギーバンド構造を示す図
である。
【図4】別の従来例としてのHBTエネルギーバンドの
構造図である。
【符号の説明】
1 伝導帯底(Γ−谷) 2 価電子帯上限 3 フェルミ準位 4 伝導帯L−谷 5 エミッタ層 6 ベース層 7 コレクタ層 8 ベース・エミッタ間バイアス(ポテンシャル) 9 ベース・コレクタ間バイアス(ポテンシャル) 10 電子 10a 電子がΓ谷からL谷へ移る様子 10b 伝導帯不連続領域に停滞する電子 11 半絶縁型InP基板 12 n+ 型In0.53Ga0.47Asコレクタ・コンタ
クト層 13 n型InPコレクタ層 13a n+ 型高濃度InP層 14 n型高純度In0.53Ga0.47Asコレクタ層 14a p+ 型高濃度In0.53Ga0.47As層 15 p+ 型In0.53Ga0.47Asベース層 16 n型InPエミッタ層 16a n+ 型InPキャップ層 17 n+ 型In0.53Ga0.47Asキャップ・コンタ
クト層 18 コレクタ電極 19 ベース電極 20 エミッタ電極 21 n型In0.53Ga0.47Asコレクタ層 22 コレクタ空乏層 23 InPとIn0.53Ga0.47As伝導帯不連続差

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一導電型のコレクタ層上に形成した反対
    導電型のベース層と該ベース層上に形成したバンドギャ
    ップが前記ベース層より広いエミッタ層を有するヘテロ
    接合型バイポーラトランジスタにおいて、前記コレクタ
    層中にベース・コレクタ接合から遠ざかる方向にバンド
    ギャップが不連続に増加する領域を有し、且つ、この不
    連続を形成するヘテロ界面を隔てて、バンドギャップが
    狭い領域では該半導体を構成する導電型とは反対の導電
    型を示す高濃度領域を、バンドギャップが広い領域では
    該半導体層と同一導電型の高濃度領域を選択的に接近し
    て形成する事を特徴とするヘテロ接合型バイポーラトラ
    ンジスタ。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6881988B2 (en) 2002-01-18 2005-04-19 Nec Compound Semiconductor Devices, Ltd. Heterojunction bipolar transistor and semiconductor integrated circuit device using the same
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