JPH08504540A - バイポーラトランジスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は高周波用バイポーラトランジスタに関し、該バイポーラトランジスタではベースはδドーピングされ、そして、ベース層とコレクタ端子層との間のわずかにｎ−ドーピングされたドリフト領域はドリフト方向で軽量の電子をエネルギ的に優位に支配させる伝導帯最小（特性状態量）部の分割、分裂を呈する。

Description

【発明の詳細な説明】 バイポーラトランジスタ 本発明は高周波用のバイポーラトランジスタに関する。 １０¹⁰Ｈｚを越える著しく高い高周波用のトランジスタの必要性が存している 。このために既に、幾つかの実現のための提案がなされてる。 例えばＳｏ１ｉｄ ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３３，Ｎ ｏ．２，Ｓ．１９９−２０４ １０９０ではコレクタ及びエミッタのためのｎ− ドーピングされたＳｉ層間に濃くＰ形ドーピングされたＳｉ−Ｇｅ−ベース層を 有するＳｉ／ＳｉＧｅヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の構成が記 載されている。ベース層と濃く（強く）ｎ−ドーピングされたコレクタ接続（端 子）層との間に存在するドリフトゾーンは薄く（弱く）ｎ−ドーピングされたＳ ｉ−層から成り、それによりコレクタベース−容量が減少され、絶縁破壊の強さ が高められる。ドリフトゾーンは文献では通常コレクタの一部と称される。 ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ、Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏ１・１０ 、Ｎｏ．１２，Ｄｅｃ．１９８９ではＳｉＧｅベース層を有するＳｉ／ＳｉＧｅ −ＨＢＴが記載されており、ここではベース内部のＧ ｅ含有量がエミッタ側からコレクタ側に向かって増大しており、それにより、変 化するバンドギャップに基づき、ベース内部のドリフトフィールドが期せられ、 それによりエミッタから注入された荷電キャリアのベースを通っての輸送を加速 させるものである。 ＨＢＴにおける１におけるＳｉＧｅ混合格子の使用に対するより一般的な考察 はＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃ ｅｓ，Ｖｏ１．３６，Ｎｏ、１０，Ｏｃｔ．１９８９になされており、ことに、 Ｓｉサブストレート上でのＳｉＧｅ層の仮晶成長に対する認識及び格子ひずみに より生じる、バンド構造への影響についての考察もなされている。 ＤＥ４０３９１０３Ａ１に記載されているＳｉバイポーラトランジスタではエ ミッタ、ベースコレクタはラテラルに構造化されたプレーナ形でのドーピングさ れた平面構造（体）として基体（担体）材料内に構成されている。ここでベース 平面（体）の領域にてＳｉＧｅ混晶として基体材料を構成することにより、価電 子帯におけるホールのため電位落ち込み部（谷）の深部形成が図られる（期せら れる）。 Ａｐｐｌ・Ｐｈｌｙ・Ｌｅｔｔ・４６（１１），Ｊｕｎｉ １９８５，Ｓ １ ０８４−１０８６，ではわずかにｎ−ドーピングされた注入−及びドリフトゾー ン間にδ（Ｐ⁺）ドーピングされたベースを有するＧ ａＡｓ−バイポーラトランジスタが記載されている。ベース層により形成される 電位障壁の高さはベースに加えられる電圧により制御され得る。障壁を介する電 流は熱イオンエミッションの理論により表現し得る。 本発明の課題とするところは著しく高い周波数用のバイポーラトランジスタを 提供することにある。 本発明（の要旨）は請求の範囲１に記載されている。サブフレームは本発明の 有利な構成例及び発展形態を規定する。 δ−ドーピングとはベースにおけるホールのコヒーレント長より小さいベース 層の層厚の謂である。それにより２次元の荷電キャリアガスが形成される。ホー ルのコヒーレント長は室温の際シリコンにてほぼ１０ｎｍである。 先行の１つの多重縮退付きの１つの伝導帯最小（特性状態量）部を、異なった 有効質量をもって２つのエネルギ的に別個の最小（特性状態量）部へエネルギ的 に分割、分裂することは例えばシリコン上に仮晶成長したＳｉＧｅについて公知 である。シリコンは６重に縮退された１つの伝導帯最小（特性状態量）部を呈し 、該伝導帯最小部は（１００）方向で仮晶成長したＳｉＧｅ層において、エネル ギ的に比較的低いところに位置する４重縮退された最小（特性状態量）部と、エ ネルギ的に比較的に高いところに位置する３２重に縮退された最小（状態特性量 ）部とに分割、分裂され、こ こで、それぞれの伝導帯最小（特性状態量）部にて異なる異方性の有効質量を以 て分割分裂される。ドリフト方向にて、即ち成長方向に対して平行な方向で、且 つ層平面に対して垂直な方向で電子は比較的低いところに位置する伝導帯最小（ 特性状態量）部にて、比較的わずかな有効質量を有し、換言すればエネルギ的に 比較的高いところに位置する伝導帯最小（特性状態量）部における電子より軽量 である。 δ−ドーピングされたベース層はＳｉＧｅを含むドリフトゾーンと合わさって 特に有利な高周波特性を有する。このことは注入された電子に対する質量フィル タ（これによってはドリフト方向で比較的小さな有効質量をもっての電子の有効 注入が生ぜしめられる）としての薄いベースの電子障壁の機能により説明され得 る。軽量の電子はドリフトゾーンの電界中で比較的高いドリフト速度を生じさせ る。特別に重要であるのはベース層のほうに向いたドリフトゾーンの部分におけ るゲルマニウム含有量である。 次ぎに実施例を用いて図を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるも のではない。 図１はｎ⁺−ｎ−δｐ−ｎ⁺構造を有するメサ構成法におけるバイポーラトラン ジスタを示す。 図１ｂはベース層におけるＧｅ成分を示す。 図１ｃはドーピングプロフィール及びエネルギバンド特性経過を示す。 図２ａはδ_n−ｎ−δ_p−ｎ−ｎ⁺構造を有するプレーナ形バイポーラトランジス タを示す。 図２ｂはベース層におけるＧｅ成分を示す。 図２ｃはドーピング特性経過及びエネルギバンド特性経過の略示図である。 図１ａに略示するメサ形構成法のバイポーラトランジスタの構成はｎ⁺−ｎ− δｐ−ｎ−ｎ⁺の層列を有する。最下方の層１はドーピング濃度、例えば１０²⁰ ｃｍ^-3を有するｎ⁺ドーピングされたシリコンから成り、コレクタ端子層を形成 する。そのうえに成長した層２は弱く（薄く）ｎドーピングされており（例えば ５．１０¹⁶ｃｍ^-3の濃度で）、ドリフトゾーンを形成する。図２ｃはドーピング 特性経過及びエネルギバンド特性経過の略示図である。この層２は屡々、コレク タの一部と称せられ、ドリフトゾーンの幅Ｌ２は例えば１００ｎｍである。層２ は仮晶成長したＳｉＧｅを含む。Ｓｉ_1-xＧｅ_x−混晶におけるゲルマニウム含有 量ｘはＸ＝０．４以下であり、有利にはＸ＜０．２であり、ここで、コレクタ側 からベース側に向かってＧｅ濃度は増大する。ドリフトゾーンにおけるゲルマニ ウム含有量は有利にはベース層への層境界のとこらで最大である。ベース層にお けるゲルマニウム含有量は殆どクリティカルでない。 ドリフトゾーンはベース層のほうに向いた領域（これは幅Ｌ２の一部をなすに 過ぎない）においてのみ仮 晶成長したＳｉＧｅから成り、そしてコレクタ層１のほうに向いた、ドリフトゾ ーン部分ではＳｉから成り、ここで、ＳｉＧｅ領域は有利にベース層からドリフ トゾーン幅Ｌ２の少なくとも２０％を占める。有利にはＧｅ含有量は少なくとも ２０ｎｍの層厚では１０％より高い。ゲルマニウム含有（量）の特性経過はドリ フトゾーン全体において一定又は有利には直線的又は単調に又は段階的にドリフ トゾーンのベース層側から低下し得る。 ベース層３は有利にはδｐドーピングされており、ここでドーピングは面ドー ピングとしてたんに数ｎｍのベース層のわずかな厚さに基づきドーピング濃度例 えば１０¹⁴（１０の１４乗）ｃｍ^-2を以て表され得る。ベース層はＳｉ又は仮晶 成長のＳｉＧｅ（これは有利には一定のＧｅ含有量を有する）から成り、上記の 一定のＧｅ含有量はベース層の境界におけるドリフトゾーンのＧｅ含有量に等し いものである。 層４はドーピング濃度例えば５．１０¹⁶ｃｍ^-3を有する弱く（薄く）ｎドーピ ングされたＳｉ層であり、そして、注入ゾーンを形成する。注入ゾーンの幅Ｌ１ は例えば５０ｎｍである。注入ゾーンは屡々エミッタ部分と称される。 層５はドーピング濃度例えば１０²⁰ｃｍ^-3を有するｎ⁺ドーピングされたシリ コンから成り、そして、低オームのエミッタコンタクト層を形成する。 ドーピング材料としては有利にベース層にはホウ（硼）素（Ｂ）、ｎないしｎ⁺ ドーピングされた層にはヒ（砒）素（Ａｓ）又はアンチモン（Ｓｂ）が使用さ れる。Ｅ，Ｂ，Ｃによってはエミッタ、ベース、コレクタに対する金属性コンタ クトが表されている。 エミッタの幅Ｓ^Eは例えば１μｍであり、ベース−エミッタ間隔Ｓはほぼ０． ５μｍである。バイポーラトランジスタは従来形式で作製可能である。 ベース層への境界にてドリフトゾーンが図１ｂに相 分を有する場合、ドリフトゾーンにて比較的短い走行時間（ｔｒａｎｓｉｔ ｔ ｉｍｅ）を有する。それというのはＳｉ（００１）上へのＳｉＧｅの仮晶成長に より６重縮退した伝導帯最小（特性状態量）部の２−及び４−重縮退した最小（ 特性状態量）部への分割、分裂がドリフトゾーンにて行われ、そして、荷電キヤ リアが有利に注入ゾーンからエネルギ的に一層有利な４重縮退した、ドリフトゾ ーンの最小（特性状態量）部へ注入されるからである。エネルギ的に低下した、 ４重縮退した最小（特性状態量）部における荷電キャリヤはドリフトゾーン方向 で比較的小さな有効質量、以て、高められたドリフト速度を有する。 図２ａではδドーピングされたベースと、同じくδドーピングされたエミッタ とを有するバイポーラトランジスタ構造が示してある。その種の構造によっては 少数キャリア（ベースにおける電子、エミッタにおける欠損電子）に対する蓄積 時間が著しく低減される。例えば１０²⁰Ａｓ／ｃｍ³の荷電キャリア濃度を有す るシリコンから成るｎ⁺ドーピングされたコレクタ層上にはほぼ５．１０¹⁶ｃｍ^{- 3} の荷電キャリア濃度を有するほぼ１００ｎｍ厚のシリコン層が被着される。適 当なマスクを用いてコレクタ層からほぼ１００ｎｍの間隔をおいてｎドーピング されたシリコン層内にベースに対して例えば１０¹⁴Ｂ／ｃｍ²の面ドーピングを もっての第１のδドーピングが注入され，そして、該δｐドーピング上方ほぼ５ ０ｎｍのところに例えば１０¹⁴のＳｂ／ｃｍ²面ドーピングをもっての第２のδ ドーピングδｎが注入される。それに引き続いてコンタクト打ち込みによりコン タクトゾーンが生成され該コンタクトゾーンによってはアクティブな（能動）構 成素子が層列の表面上に配されたコンタクトと接続される。コレクタ層と第１δ ドーピングδｐとの間のドリフトゾーンが図２ｂのＧｅ成分を有する場合、上述 のようにドリフト速度は有利に高められる。プレーナ形バイポーラトランジスタ 構造に所属するドーピング及びエネルギバンド特性経過は図２ｃに示してある。 上述の低ノイズのバイポーラトランジスタによっては１００ＧＨｚを越える遮 断周波数ｆｍａｘが達成される。 本発明は上述のトランジスタ構造に限られるもので なく、Ｐ⁺−ｐ−δｎ−ｐ−ｐ⁺−並びにδｐ−ｐ−δｎ−ｐ−ｐ⁺構造も作製可 能であり、それらに対しては伝導帯構造に対して前述した特性が価電子帯構造に も転用され得る。 本発明は亦例として選定された特に良好に確かめられた材料組合せＳｉ／Ｓｉ Ｇｅに限られるものでなく、一般的に半導体材料（これはドリフト方向で軽量の 電子に対して比較的低いところに位置する伝導体最小（特性状態量）部を示すも のである）例えばＡｌＡｓにも適用可能である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年１０月１９日 【補正内容】 明細書 バイポーラトランジスタ 本発明は高周波用のバイポーラトランジスタに関する。 １０¹⁰Ｈｚを越える著しく高い高周波用のトランジスタの必要性が存している 。このために既に、幾つかの実現のための提案がなされてる。 例えばＳｏｌｉｄ ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ．３３，Ｎ ｏ．２，Ｓ．１９９−２０４ １９９０ではコレクタ及びエミッタのためのｎ− ドーピングされたＳｉ層間に濃くＰ形ドーピングされたＳｉ−Ｇｅ−ベース層を 有するＳｉ／ＳｉＧｅヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の構成が記 載されている。ベース層と濃く（強く）ｎ−ドーピングされたコレクタ接続（端 子）層との間に存在するドリフトゾーンは薄く（弱く）ｎ−ドーピングされたＳ ｉ−層から成り、それによりコレクタベース−容量が減少され、絶縁破壊の強さ が高められる。ドリフトゾーンは文献では通常コレクタの一部と称される。 ＩＥＥＥ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ、Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏ１・１０ 、Ｎｏ．１２，Ｄｅｃ．１９８９ではＳｉＧｅベース層を有するＳｉ／ＳｉＧｅ −ＨＢＴが記載されており、ここではベース内部のＧ ｅ含有量がエミッタ側からコレクタ側に向かって増大しており、それにより、変 化するバンドギャップに基づき、ベース内部のドリフトフィールドが期せられ、 それによりエミッタから注入された荷電キャリアのベースを通っての輸送を加速 させるものである。 ＨＢＴにおける１におけるＳｉＧｅ混合格子の使用に対するより一般的な考察 はＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃ ｅｓ，Ｖｏｌ．３６，Ｎｏ、１０，Ｏｃｔ．１９８９参照２０４３−２０６４に なされており、ことに、Ｓｉサブストレート上でのＳｉＧｅ層の仮晶成長に対す る認識及び格子ひずみにより生じる、バンド構造への影響についての考察もなさ れている。 ＤＥ４０３９１０３Ａ１に記載されているＳｉバイポーラトランジスタではエ ミッタ、ベースコレクタはラテラルに構造化されたプレーナ形でのドーピングさ れた平面構造（体）として基体（担体）材料内に構成されている。ここでベース 平面（体）の領域にてＳｉＧｅ混晶として基体材料を構成することにより、価電 子帯におけるホールのため電位落ち込み部（谷）の深部形成が図られる（期せら れる）。 Ａｐｐｌ・Ｐｈｌｙ・Ｌｅｔｔ・４６（１１），Ｊｕｎｉ １９８５，Ｓ １ ０８４−１０８６，ではわずかにｎ−ドーピングされた注入−及びドリフトゾー ン間にδ（Ｐ⁺）ドーピングされたベースを有するＧ ａＡｓ−バイポーラトランジスタが記載されている。ベース層により形成される 電位障壁の高さはベースに加えられる電圧により制御され得る。障壁を介する電 流は熱イオンエミッションの理論により表現し得る。 本発明の課題とするところは著しく高い周波数用のバイポーラトランジスタを 提供することにある。 本発明の請求の範囲１によれば、δｐドーピングされたベース層、及びベース とｎ⁺ドーピングされたコレクタ端子層との間にドリフトゾーンを有するバイボ ーラトランジスタにおいて、上記ドリフトゾーンは少なくともベース側に分割、 分裂された伝導帯構造付きの領域を有し、該伝導帯構造によってはドリフト方向 で軽量の電子がエネルギ的に優位的に支配するように構成される、換言すれば、 δｐドーピングされたべース層、及びベースとｎ⁺ドーピングされたコレクタ端 子層との間にドリフトゾーンを有するバイポーラトランジスタにおいて、上記ド リフトゾーンは少なくともベース側領域にて分割、分裂された伝導帯構造付きの 材料から成り、該伝導帯構造によってはドリフト方向で軽量の電子がエネルギ的 に優位的に支配するように構成されるのである。サブフレームは本発明の有利な 構成例及び発展形態を規定する。 δ−ドーピングとはベースにおけるホールのコヒーレント長より小さいベース 層の層厚の謂である。それにより２次元の荷電キャリアガスが形成される。ホー ルのコヒーレント長は室温の際シリコンにてほぼ１０ｎｍである。 先行の１つの多重縮退付きの１つの伝導帯最小（特性状態量）部を、異なった 有効質量をもって２つのエネルギ的に別個の最小（特性状態量）部へエネルギ的 に分割、分裂することは例えばシリコン上に仮晶成長したＳｉＧｅについて公知 である。シリコンは６重に縮退された１つの伝導帯最小（特性状態量）部を呈し 、該伝導帯最小部は（１００）方向で仮晶成長したＳｉＧｅ層において、エネル ギ的に比較的低いところに位置する４重縮退された最小（特性状態量）部と、エ ネルギ的に比較的に高いところに位置する３２重に縮退された最小（状態特性量 ）部とに分割、分裂され、ここで、それぞれの伝導帯最小（特性状態量）部にて 異なる異方性の有効質量を以て分割分裂される。ドリフト方向にて、即ち成長方 向に対して平行な方向で、且つ層平面に対して垂直な方向で電子は比較的低いと ころに位置する伝導帯最小（特性状態量）部にて、比較的わずかな有効質量を有 し、換言すればエネルギ的に比較的高いところに位置する伝導帯最小（特性状態 量］部における電子より軽量である。 請求の範囲 １．δｐドーピングされたベース層（３）、及びベースとｎ⁺ドーピングされた コレクタ端子層（１）との間にドリフトゾーン（２）を有するバイポーラトラン ジスタにおいて、上記ドリフトゾーンは少なくともベース側領域にて分割、分裂 された伝導帯構造付きの材料から成り、該伝導帯構造によってはドリフト方向で 軽量の電子がエネルギ的に優位的に支配するように構成されていることを特徴と するバイポーラトランジスタ。 ２．前記領域はドリフトゾーンの幅（Ｌ２）の少なくとも２０％を有する請求の 範囲１記載のバイポーラトランジスタ。 ３．前記伝導帯構造のエネルギ的分割、分裂がドリフトゾーンにてドリフト方向 で可変であって、ベース層への層境界にて最大値に達する請求の範囲１又は２記 載のバイポーラトランジスタ。 ４．分割、分裂された伝導帯構造を有する領域はＳｉ上に（１００）一方位（配 向）で仮晶成長されたＳｉＧｅから成る請求の範囲１から３までのうちいずれか １項記載のバイポーラトランジスタ。 ５．ドリフトゾーンにてＧｅ含有度はコレクタ端子層への境界における０％から ベースにおける最大４０％へ上昇する請求の範囲４記載のバイポーラトラン ジスタ。 ６．ベース層は仮晶成長したＳｉＧｅから成る請求の範囲３又は４記載のバイポ ーラトランジスタ。 ７．ベース層の幅は１０ｎｍより小である請求の範囲３から５までのうちいずれ か１項記載のバイポーラトランジスタ。 ８．ベース層は少なくとも１０¹³ドーピング原子／ｃｍ²のＰ面ドーピングを有 する請求の範囲１から７までのうちいずれか１項記載のバイポーラトランジスタ 。 ９．エミッタはδｎドーピング層として構成されている請求の範囲１から８まで のうちいずれか１項記載のバイポーラトランジスタ。 １０．トランジスタはメサ構成法で構成されている請求の範囲１から９までのう ちいずれか１項記載のバイポーラトランジスタ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．δｐドーピングされたベース層（３）、及びベースとｎ⁺ドーピングされた コレクタ端子層（１）との間にドリフトゾーン（２）を有するバイポーラトラン ジスタにおいて、上記ドリフトゾーンは少なくともベース側に分割、分裂された 伝導帯構造付きの領域を有し、該伝導帯構造によってはドリフト方向で軽量の電 子がエネルギ的に優位的に支配するように構成されていることを特徴とするバイ ポーラトランジスタ。 ２．前記領域はドリフトゾーンの幅（Ｌ２）の少なくとも２０％を有する請求の 範囲１記載のバイポーラトランジスタ。 ３．前記伝導帯構造のエネルギ的分割、分裂がドリフトゾーンにてドリフト方向 で可変であって、ベース層への層境界にて最大値に達する請求の範囲１又は２記 載のバイポーラトランジスタ。 ４．分割、分裂された伝導帯構造を有する領域はＳｉ上に（１００）一方位（配 向）で仮晶成長されたＳｉＧｅから成る請求の範囲１から３までのうちいずれか １項記載のバイポーラトランジスタ。 ５．ドリフトゾーンにてＧｅ含有度はコレクタ端子層への境界における０％から ベースにおける最大４０％へ上昇する請求の範囲４記載のバイポーラトラン ジスタ。 ６．ベース層は仮晶成長したＳｉＧｅを含む請求の範囲３又は４記載のバイポー ラトランジスタ。 ７．ベース層の幅は１０ｎｍより小である請求の範囲３から５までのうちいずれ か１項記載のバイポーラトランジスタ。 ８．ベース層は少なくとも１０¹³ドーピング原子／ｃｍ²のＰ面ドーピングを有 する請求の範囲１から７までのうちいずれか１項記載のバイポーラトランジスタ 。 ９．エミッタはδｎドーピング層として構成されている請求の範囲１から８まで のうちいずれか１項記載のバイポーラトランジスタ。 １０．トランジスタはメサ構成法で構成されている請求の範囲１から９までのう ちいずれか１項記載のバイポーラトランジスタ。