JPH0883806A - Hetero junction bipolar transistor - Google Patents

Hetero junction bipolar transistor

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JPH0883806A
JPH0883806A JP21762194A JP21762194A JPH0883806A JP H0883806 A JPH0883806 A JP H0883806A JP 21762194 A JP21762194 A JP 21762194A JP 21762194 A JP21762194 A JP 21762194A JP H0883806 A JPH0883806 A JP H0883806A
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JP
Japan
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semiconductor layer
layer
semiconductor
layers
base
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JP21762194A
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Japanese (ja)
Inventor
Kohei Moritsuka
宏平 森塚
Sadahito Hongo
禎人 本郷
Tetsuo Nozu
哲郎 野津
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Abstract

PURPOSE: To suppress the reduction in collector carrier efficiency and to achieve a high-speed operation by determining the thickness of a base region within a specific range and setting the energy of a first excitation state of electron at the base region within a range which is equal to or less than a specific electron volt from the conduction band of a collector region. CONSTITUTION: A prohibition bandwidth Ea of a semiconductor layer (base layer) 24 is in a double hetero structure which is smaller than a prohibition band Eg of a semiconductor layer (collector layer) 23 and semiconductor layers (grading layer, emitter layer, grading layer) 25, 26, and 27. Further, the thickness of the semiconductor layer 24 is equal to or less than a critical film thickness where at least dislocation occurs in either of semiconductor layers 23, 24, 25, 26, and 27 due to the stress caused by the difference of lattice constant between the semiconductor layer 24 and the semiconductor layers 23, 25, 26, and 27. Then, a quantum well structure is formed by the semiconductor layers 23, 24, 25, 26, and 27 and the semiconductor layer 24 is 5-15nm thick and then the energy of the first excitation state of electrons inside the quantum well is equal to or less than 0.05eV from the conduction band of the semiconductor layer 23.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、超高速LSI、超高速
・大容量光通信、マイクロ波帯からテラヘルツ帯での通
信等に用いられるヘテロ接合バイポーラトランジスタ
(以下HBTという)に関する。より詳細には、ダブル
ヘテロ構造を有したHBTの長寿命化・高信頼性化・高
速化に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heterojunction bipolar transistor (hereinafter referred to as HBT) used for ultra-high speed LSI, ultra-high speed / large capacity optical communication, communication in the microwave band to terahertz band and the like. More specifically, the present invention relates to long life, high reliability and high speed of HBTs having a double hetero structure.

【0002】[0002]

【従来の技術】バイポーラトランジスタを高速化する際
の指標として、最大発振周波数を向上させることが求め
られている。最大発振周波数fmax
2. Description of the Related Art It is required to improve the maximum oscillation frequency as an index for increasing the speed of a bipolar transistor. The maximum oscillation frequency f max is

【数1】 と表わされる。ここにre =kT/nqIc 、Re は外
部エミッタ抵抗、Rc はコレクタ直列抵抗,Cbe,Cbc
はベース・エミッタ、ベースコレクタ接合容量、Cp
寄生容量、τF は総電子走行時間、τB ,τC はベー
ス、コレクタ走行時間である。
[Equation 1] Is represented. Where r e = kT / nqI c , R e is the external emitter resistance, R c is the collector series resistance, C be , C bc.
Is the base-emitter / base-collector junction capacitance, C p is the parasitic capacitance, τ F is the total electron transit time, and τ B and τ C are the base and collector transit times.

【0003】(1) 式からは最大発振周波数を向上させる
ためには、遮断周波数fT を向上する事とベース抵抗R
B を下げることが必要であることがわかる。この2つの
要素は、ベース層の設計に対し相反する要求を提起す
る。すなわち、fT の向上にはベース幅WB の縮小が必
要で、RB の低下にはベース幅の増加が必要である。こ
の相反する要求を満足できる構造としてHBTが開発さ
れている。この構造では広禁止帯幅のエミッタを用いる
ことで注入効率を向上させている。その結果、エミッタ
濃度を低下させても注入効率が所定値を維持できるので
ベース・エミッタ間の空乏層をエミッタ層に伸ばす様に
設定し、エミッタ・ベース間のトンネル電流を抑えつ
つ、ベース濃度を向上することが可能と成った。この結
果、ベース幅を縮小しても、ベース抵抗を低く維持でき
るのでfmax を大幅に改善することができる様になっ
た。
From the equation (1), in order to improve the maximum oscillation frequency, it is necessary to improve the cutoff frequency f T and the base resistance R
It turns out that it is necessary to lower B. These two factors pose conflicting requirements for the design of the base layer. That is, the base width W B needs to be reduced in order to improve f T , and the base width needs to be increased in order to reduce R B. An HBT has been developed as a structure that can satisfy these conflicting requirements. In this structure, a wide bandgap emitter is used to improve the injection efficiency. As a result, the injection efficiency can be maintained at a predetermined value even if the emitter concentration is lowered, so the depletion layer between the base and emitter is set to extend to the emitter layer, and the base concentration is reduced while suppressing the tunnel current between the emitter and base. It has become possible to improve. As a result, even if the base width is reduced, the base resistance can be kept low, so that f max can be significantly improved.

【0004】HBTへの期待の背景には、しきい値分散
や駆動能力がGaAsFET集積回路においては依然と
して課題となっていることもあろう。マイクロ波ICの
分野ではSiバイポーラトランジスタに対して圧倒的な
優位性を持つGaAsFETも、デジタルICではその
集積規模が大きくなると、配線負荷容量等のために、必
ずしも素子単体の性能を生かし切れなくなる。HBTの
動作特性は、基本的にはSiバイポーラトランジスタと
同じであり、相互コンダクタンスは標準的なGaAsM
ESFETに比べ、10〜20倍も大きい(動作電流1
mAでgm =40mS)。この電流駆動能力の高さと、
III−V族半導体が備えている優れた電子輸送特性から
もたらされる高速性が、HBTの開発の原動力となって
いる。
Behind the expectations for HBTs, threshold dispersion and driving capability may still be problems in GaAs FET integrated circuits. In the field of microwave ICs, GaAsFETs, which have overwhelming advantages over Si bipolar transistors, do not necessarily make full use of the performance of a single element due to wiring load capacitance and the like when the scale of integration increases in digital ICs. The operating characteristics of HBT are basically the same as those of Si bipolar transistor, and the mutual conductance is standard GaAsM.
10 to 20 times larger than ESFET (operating current 1
g m = 40 mS in mA). With this high current drive capability,
The high speed resulting from the excellent electron transport characteristics of III-V semiconductors has been the driving force for the development of HBTs.

【0005】GaAsFETに対するHBTの特長をま
とめると、 (1) 相互コンダクタンスが高い (2) しきい値がベースのバンドギャップでほぼ決まるの
で安定(エピ厚、ドーピング濃度に対して特性変動が小
さい) (3) 電流制御がベースのポテンシャルによるので、FE
Tにおけるいわゆる短チャネル効果に相当するようなス
ケールダウンにともなう特性劣化がない (4) 入力/出力分離が良いため、出力コンダクタンスが
十分に小さい (5) 素子表面の影響が少ないため1/fノイズが小さい (6) 素子耐圧がエピ構造で決まり、これを比較的大きく
できる (7) 素子の真性部分がエピ構造で決まるので、リソグラ
フィのばらつきの影響が小さい などである。現在までこのHBT構造でもっとも成功し
ているのは、AlGaAsとGaAsの組み合わせを用
いた材料を基本としたものである。これは主に、GaA
sの電子の輸送特性が高速動作に適している事と、Ga
AsとAlGaAsでは格子不整合がほとんどなく、良
質のヘテロ接合を容易にエピタキシャル成長できること
による。
The features of the HBT with respect to the GaAs FET are summarized as follows: (1) High transconductance (2) Threshold is almost determined by the bandgap of the base, so it is stable (characteristic variation with epi thickness and doping concentration is small) ( 3) Since the current control depends on the potential of the base, FE
There is no characteristic deterioration due to scale-down, which is equivalent to the so-called short channel effect at T. (4) Output conductance is sufficiently small due to good input / output separation. (5) 1 / f noise due to small influence of element surface. (6) The device breakdown voltage is determined by the epi structure, and it can be made relatively large. (7) Since the intrinsic part of the device is determined by the epi structure, the influence of lithography variations is small. To date, the most successful HBT structures have been based on materials using a combination of AlGaAs and GaAs. This is mainly GaA
s electron transport characteristics are suitable for high-speed operation, and Ga
This is because there is almost no lattice mismatch between As and AlGaAs, and a high-quality heterojunction can be easily epitaxially grown.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、以下に述べる
二点でAlGaAsとGaAsの組み合わせではまだ克
服されない問題が残っている。
However, there are still some problems that cannot be overcome by the combination of AlGaAs and GaAs in the following two points.

【0007】(1) 第1は、この材料系では、素子寿命が
短いことである。AlGaAsとGaAsからなるHB
Tは高電流密度で動作させるがこの際、通電時間の増加
に伴い素子内には多量の欠陥が発生し、例えば素子の電
流利得が低下し、ついには動作不能になってしまう。こ
の劣化の原因は未だに明らかではないが、特にAlGa
Asに特有の現象でAlGaAsを用いる限り避けられ
ないものと考えられる。特に、ベースドーパントに高濃
度のBeを用いた場合、周囲温度200℃程度の高温下
で通電試験を行うと数10〜数100時間の内に電流増
幅率が低下し、素子が劣化してしまうことが明らかにな
った(参考文献:野津他、電子情報通信学会研究会 ED
91-163,MW91-146,ICD91-189)。すなわち素子寿命を表
わす平均故障間隔(Mean Time to Failure;以下MTT
Fという)が短いという欠点があった。ベースドーパン
トとしてBeの代わりにCあるいはZnを用いた場合で
も程度の差はあるが、同様な結果が得られている。これ
らの結果は同素子が室温動作においても信頼性に乏しい
ことを意味している。現在までのところ、高温通電試験
での電流増幅率の低下の原因は完全には理解されていな
い。しかしながら高温動作時に、ベース層中の非発光性
再結合中心による転移あるいは欠陥の増殖が電流増幅率
の低下の原因となっていることが考えられる。
(1) First, this material system has a short device life. HB consisting of AlGaAs and GaAs
T operates at a high current density, but at this time, a large number of defects occur in the element as the energization time increases, and for example, the current gain of the element decreases, and the element eventually becomes inoperable. The cause of this deterioration is not yet clear, but especially AlGa
This is a phenomenon peculiar to As and is considered to be unavoidable as long as AlGaAs is used. In particular, when a high concentration of Be is used as the base dopant, the current amplification factor decreases within several tens to several hundreds of hours and the device deteriorates when conducting an energization test at a high temperature of about 200 ° C. in ambient temperature. (Reference: Nozu et al., IEICE Technical Committee ED
91-163, MW91-146, ICD91-189). That is, Mean Time to Failure (MTT)
The shortcoming (F) was short. Similar results were obtained when C or Zn was used as the base dopant instead of Be, although there were some differences. These results mean that the device has poor reliability even at room temperature operation. So far, the cause of the decrease in current amplification factor in the high temperature current test is not completely understood. However, it is conceivable that the transition of non-radiative recombination centers in the base layer or the proliferation of defects at the time of high-temperature operation causes the current amplification factor to decrease.

【0008】(2) 第2の問題は、消費電力が大きいこと
である。これは、AlGaAsのバンドギャップがおよ
そ1.4eV〜2.4eVと大きいことによっている。
一方、一般に用いられるSiトランジスタではバンドギ
ャップは1.1eVであるから、動作電圧は数10%は
大きくなり消費電力の増加は避けられない。
(2) The second problem is that the power consumption is large. This is because the band gap of AlGaAs is as large as about 1.4 eV to 2.4 eV.
On the other hand, in a commonly used Si transistor, the bandgap is 1.1 eV, and therefore the operating voltage increases by several tens of percent, and an increase in power consumption cannot be avoided.

【0009】このような問題を、本質的に避け、しかも
安定で高信頼でかつ回路応用の観点からも好ましくしよ
うとすれば、他のバンドギャップを持つ物質を構成材料
に持つHBTを実現することが必要である。しかし、一
般に任意の材料では、ヘテロ接合を得るのに十分な格子
整合を得る事が不可能でGaAsとAlGaAsの場合
とは異なる問題を抱えている。例えば、化学的に不安定
なAlを用いないGaAsとInGaAsを組み合わせ
たようなHBTでは、素子寿命の向上とInGaAsの
バンドギャップが小さいことによる消費電力の向上が期
待される。このInGaAs/GaAsヘテロ接合は、
HBTとは全く異なる機能、動作をする光デバイスの分
野では、GaAs基板に格子整合しないInGaAs層
を活性層として用いた半導体レーザが長寿命であること
が報告されている(S.L.Yellen et al.: Electronics L
etters,26,pp2083-2084(’90))。しかし、HBTの分野
では、GaAsとInGaAsの組み合わせでは格子不
整が大きく今まで満足のいく素子特性は得られなかっ
た。GaAs基板上にInGaAsを成長すると膜厚の
増加に従い格子不整合による応力が増すため、ある膜厚
(臨界膜厚hc )を越えると転移を発生してしまうから
である。図11はその臨界膜厚とInの組成比を示した
ものである。例えば、HBTとしてはGaAsとのハン
ドギャップ差が0.15eV程度必要なのでIn組成比
は0.15以上必要である。しかし、その時の膜厚は3
0nm以下に限定される。この制限の下では以下に述べ
る問題が発生する。GaAsとInGaAsでは、バン
ドギャップの差は伝導帯側と荷電子帯側に各々40%と
60%現れる。今、npnトランジスタを構成するもの
としエミッタとコレクタをGaAsで、ベースをInG
aAsで構成することを考えると、図5のようなバンド
構造になる。図5のようなダブルヘテロ構造にするひと
つの理由はInGaAsをベースに用いた材料系のHB
TではInGaAsのバンドギャップが小さいため、通
常のシングルヘテロHBT構造の場合には、ベース・コ
レクタ間耐圧が小さくなってしまうからである。さらに
基板としては、二元化合物のGaAsやInPが工業的
に安価で使用されるが、コレクタ層は、耐圧確保の観点
より、相応の厚みが必要で、GaAsを基板とした場合
には格子歪を抑えるためにInGaAsをコレクタに使
用できないという問題点がある。このような問題点を回
避するために、コレクタ層にワイドバンドギャップのG
aAsやInP等を用いた、ダブルヘテロ構造とするの
である。このようなバンド構造では、 (1) まず、第1にエミッタの注入効率が不十分になる。
すなわち、注入効率を十分とるにはエミッタとベースの
価電子帯端のエネルギー差が0.15eV以上必要であ
るが、このためには、ベース中のIn組成比を0.25
以上にしなければならず、ベース膜厚は15nm以下に
設定する必要がある。このためベース抵抗が増加し良好
な素子特性が得られない。ベース中のIn組成比を0.
15程度に保って注入効率を増加するためには、エミッ
タ空乏層中にIn組成比の傾斜層を設けてバンドを滑ら
かにつなげることが考えられる。しかしこの場合実効的
に格子不整による応力が増加するので、やはりベース厚
みを減ずる必要があり好ましい結果を得られない。
In order to avoid such a problem essentially, and to be stable, highly reliable, and preferable from the viewpoint of circuit application, it is necessary to realize an HBT having a substance having another band gap as a constituent material. is necessary. However, in general, it is impossible to obtain a sufficient lattice matching to obtain a heterojunction with any material, and there is a problem different from that of GaAs and AlGaAs. For example, in an HBT in which GaAs that does not use chemically unstable Al and InGaAs are combined, it is expected that the device life is improved and the power consumption is improved due to the small band gap of InGaAs. This InGaAs / GaAs heterojunction
In the field of optical devices that have functions and operations that are completely different from those of HBTs, it has been reported that a semiconductor laser using an InGaAs layer that is not lattice-matched with a GaAs substrate as an active layer has a long lifetime (SLYellen et al .: Electronics L
etters, 26, pp2083-2084 ('90)). However, in the field of HBT, the combination of GaAs and InGaAs has a large lattice mismatch, and so far satisfactory device characteristics have not been obtained. This is because when InGaAs is grown on a GaAs substrate, stress due to lattice mismatch increases as the film thickness increases, so that a transition occurs when the film thickness exceeds a certain film thickness (critical film thickness h c ). FIG. 11 shows the critical film thickness and the composition ratio of In. For example, the HBT needs a hand gap difference of about 0.15 eV with respect to GaAs, and therefore an In composition ratio of 0.15 or more is required. However, the film thickness at that time is 3
It is limited to 0 nm or less. The problems described below occur under this limitation. In GaAs and InGaAs, the band gap difference is 40% and 60% on the conduction band side and the valence band side, respectively. Now, it is assumed that the npn transistor is configured and the emitter and collector are GaAs and the base is InG.
Considering the configuration of aAs, the band structure is as shown in FIG. One reason for making the double hetero structure as shown in FIG. 5 is HB of a material system using InGaAs as a base.
This is because the band gap of InGaAs at T is small, and thus the breakdown voltage between the base and the collector becomes small in the case of the normal single hetero HBT structure. Further, binary compounds such as GaAs and InP are industrially used at low cost as the substrate, but the collector layer needs to have an appropriate thickness from the viewpoint of ensuring the breakdown voltage. There is a problem that InGaAs cannot be used for the collector in order to suppress the above. In order to avoid such a problem, the collector layer has a wide bandgap G
A double hetero structure is formed using aAs, InP, or the like. In such a band structure, (1) First, the injection efficiency of the emitter becomes insufficient.
That is, the energy difference between the valence band edge of the emitter and the base must be 0.15 eV or more in order to obtain sufficient injection efficiency. To this end, the In composition ratio in the base is 0.25.
Therefore, the base film thickness needs to be set to 15 nm or less. For this reason, the base resistance increases and good device characteristics cannot be obtained. The In composition ratio in the base is 0.
In order to increase the injection efficiency while keeping the band at about 15, it is conceivable to provide a graded layer with an In composition ratio in the emitter depletion layer to smoothly connect the bands. However, in this case, the stress due to the lattice misalignment effectively increases, so that it is necessary to reduce the thickness of the base as well, and a desirable result cannot be obtained.

【0010】(2) 第2にコレクタへの輸送効率が低下す
る。これは、伝導帯端のベース・コレクタ界面に電子に
たいするエネルギー障壁が発生することから明らかであ
る。その結果、却って動作速度が低下することとなる。
この対策としては、一般に、コレクタ空乏層中にIn組
成比の傾斜層を設け伝導帯端のエネルギーを滑らかにつ
なげエネルギー障壁を消失することが行われている。し
かし、この場合も実効的に格子不整による応力が増加す
るので、やはりベース厚みを減ずる必要があり好ましい
結果を得られない。
(2) Second, the efficiency of transportation to the collector is reduced. This is clear from the fact that an energy barrier for electrons is generated at the base-collector interface at the conduction band edge. As a result, the operating speed is rather reduced.
As a countermeasure against this, in general, a graded layer having an In composition ratio is provided in the collector depletion layer to smoothly connect the energy at the conduction band edge to eliminate the energy barrier. However, also in this case, the stress due to the lattice misalignment is effectively increased, so that it is necessary to reduce the thickness of the base as well, and a preferable result cannot be obtained.

【0011】以上述べたような問題は格子不整を内蔵す
る材料系では一般に見られHBTへの応用展開を著しく
狭めていた。
The above-mentioned problems are generally found in the material system having the built-in lattice disorder, and the application development to the HBT has been considerably narrowed.

【0012】そこで本発明は上記の問題を解決するため
に、高温においても電流増幅率の低下が少なく、長寿命
を持つ高信頼性HBTの提供を目的とする。
In order to solve the above problems, the present invention has an object to provide a highly reliable HBT having a long life and a small decrease in current amplification factor even at high temperatures.

【0013】本発明の他の目的はエミッタ接合側に傾斜
層を設けることなくエミッタ注入効率を改善し、コレク
タ接合側に傾斜層を設けることなくコレクタ輸送効率を
改善することができ、したがってベース幅WB を臨界膜
厚hc 以下にすることができる新規な構造のHBTを提
供することである。
Another object of the present invention is to improve the emitter injection efficiency without providing a graded layer on the emitter junction side and improve the collector transport efficiency without providing a graded layer on the collector junction side, and thus the base width. It is an object of the present invention to provide an HBT having a novel structure capable of reducing W B to a critical film thickness h c or less.

【0014】本発明のさらに他の目的はベース幅WB
十分厚くし、ベース抵抗RB を低減させても、ベース領
域中の転位発生の増殖が抑制しうる新規な構造のHBT
を提供することである。
Still another object of the present invention is to make the base width W B sufficiently thick and reduce the base resistance R B to suppress the growth of dislocation generation in the base region.
Is to provide.

【0015】本発明のさらに別の目的は負性微分抵抗等
の効果が発生しない程度にベース幅WB を厚くしても、
長寿命・高信頼性であるHBTの新規な構造を提供する
ことである。
Still another object of the present invention is to increase the base width W B to such an extent that effects such as negative differential resistance do not occur,
It is to provide a novel structure of HBT having a long life and high reliability.

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の第1の特徴は図1に示すように半導体基板
21上に形成された第1導電型の第1の半導体層22
と、該第1の半導体層の上部に形成された第1又は第2
導電型のいずれかの第2の半導体層23と、該第2の半
導体層の上部に形成された第2導電型の第3の半導体層
24と、該第3の半導体層の上部に形成された第1導電
型の第4の半導体層25,26,27と、該第4の半導
体層の上部に形成された第1導電型の第5の半導体層2
8,29とを少なく共具備し、該第3の半導体層の禁制
帯幅Eg は、該第2および第4の半導体層の禁制帯幅E
g よりも小さいダブルヘテロ構造を有し、かつ該第3の
半導体層24の厚みが、該第3の半導体層と該第2およ
び第4の半導体層との格子定数の差に起因する応力によ
って少なく共第2,第3または第4の半導体層のいずれ
かに転位が発生する臨界膜厚hc 以下であり、該第1お
よび第2の半導体層とコレクタ領域、第3の半導体層を
ベース領域、該第4および第5の半導体層をエミッタ領
域とするエミッタトップのnpnもしくはpnpのバイ
ポーラトランジスタで、第2,第3,第4の半導体層で
量子井戸構造を形成し、該第3の半導体層24の厚みが
5〜15nmであって、量子井戸の内部における電子の
第1励起状態のエネルギーが該第2の半導体層の伝導帯
から0.05eV以下の範囲にあるHBTであることで
ある。好ましくは第3の半導体層24はInを含む III
−V族化合物半導体、たとえばInGaAsであること
である。
In order to solve the above problems, the first feature of the present invention is that the first conductivity type first semiconductor layer 22 formed on the semiconductor substrate 21 as shown in FIG.
And a first or second layer formed on the first semiconductor layer.
A second semiconductor layer 23 of any conductivity type, a third semiconductor layer 24 of the second conductivity type formed on the second semiconductor layer, and a third semiconductor layer 24 formed on the third semiconductor layer. And a fourth semiconductor layer 25, 26, 27 of the first conductivity type and a fifth semiconductor layer 2 of the first conductivity type formed on the fourth semiconductor layer.
8 and 29, the forbidden band width E g of the third semiconductor layer is equal to the forbidden band width E of the second and fourth semiconductor layers.
has a double heterostructure smaller than g , and the thickness of the third semiconductor layer 24 depends on the stress due to the difference in lattice constant between the third semiconductor layer and the second and fourth semiconductor layers. At least the critical thickness h c at which dislocations occur in any of the second, third, or fourth semiconductor layers, and the first and second semiconductor layers, the collector region, and the third semiconductor layer are used as bases. Region, an npn or pnp bipolar transistor having an emitter top with the fourth and fifth semiconductor layers as emitter regions, forming a quantum well structure with the second, third, and fourth semiconductor layers, The thickness of the semiconductor layer 24 is 5 to 15 nm, and the energy of the first excited state of electrons inside the quantum well is an HBT within the range of 0.05 eV or less from the conduction band of the second semiconductor layer. is there. Preferably, the third semiconductor layer 24 contains In III
It is a group V compound semiconductor such as InGaAs.

【0017】本発明の第2の特徴は、エミッタトップ型
ダブルヘテロ構造のHBTであることは第1の特徴と同
様であるが、第2および第4の半導体領域の第3の半導
体領域近傍に第1導電型の電荷担体を供給する第1のプ
レーナドープ領域3および第2のプレーナドープ領域7
を形成し、このプレーナドープ領域による強電界により
エミッタ側ヘテロ接合、コレクタ側ヘテロ接合における
電位障壁をトンネル効果により電荷担体が透過できるよ
うに構成されたことである。好ましくは、コレクタ側の
プレーナドープ領域3による強電界領域中の電位降下Δ
C が、コレクタ側ヘテロ接合(第2・第3の半導体層
界面)における第1導電型バンド端エネルギー不連続量
ΔEC よりも大きく、エミッタ側のプレーナドープ領域
7による強電界領域中の電位降下ΔVE が、エミッタ側
ヘテロ接合(第3・第4の半導体層界面)におけるΔE
C よりも小さいことを特徴とする。より好ましくは第
2,第4の半導体層はGaAs層であり、第3の半導体
層24はInGaAs等のInを含む半導体層であるこ
とである。さらに好ましくは第3の半導体層をInx
1-x As層としたとき、第3の半導体層の厚み(ベー
ス幅)WB は、Inの組成(モル比)xに対して WB <6/x [nm] …(2) となることである。また好ましくは、第2,第4の半導
体層はSiであり第4の半導体層はSiGeなることで
ある。
A second feature of the present invention is that it is an HBT having an emitter top type double hetero structure, which is similar to the first feature, but it is provided in the vicinity of the third semiconductor region of the second and fourth semiconductor regions. A first planar doped region 3 and a second planar doped region 7 supplying charge carriers of the first conductivity type.
And the electric field generated by the planar-doped region allows the charge carriers to pass through the potential barriers at the emitter-side heterojunction and the collector-side heterojunction by the tunnel effect. Preferably, the potential drop Δ in the strong electric field region due to the collector-side planar doped region 3
V C is larger than the first conductivity type band edge energy discontinuity ΔE C at the collector side heterojunction (the interface between the second and third semiconductor layers), and the potential in the strong electric field region due to the emitter side planar doped region 7 is large. The drop ΔV E is ΔE at the emitter-side heterojunction (the interface between the third and fourth semiconductor layers).
Characterized by being smaller than C. More preferably, the second and fourth semiconductor layers are GaAs layers, and the third semiconductor layer 24 is a semiconductor layer containing In such as InGaAs. More preferably, the third semiconductor layer is made of In x G
when the a 1-x As layer, the third thickness of the semiconductor layer (base width) W B is, W B <6 / x with respect to the composition of In (molar ratio) x [nm] ... (2) Is to be. Also preferably, the second and fourth semiconductor layers are Si and the fourth semiconductor layer is SiGe.

【0018】本発明の第3の特徴は、エミッタトップ型
ダブルヘテロ構造のHBTであることは第1,第2の特
徴と同様であるが、図3および図4に示すように第3の
半導体層8は格子定数の異なる2種類以上の化合物半導
体層81,82,83で構成されていることである。好
ましくは、第1および第2の半導体層22,23はGa
As層であり、第3の半導体層8は複数のInx Ga
1-x As層82と、GaAs層81とを交互に積層して
なり、しかもInの組成(モル比)xは0.2以下であ
り、Inx Ga1-x As層82の一層の膜厚は12nm
以下であり、かつ第3の半導体層全体の厚みは10〜1
00nmであることである。より好ましくは、第4の半
導体層はInGaP層91もしくはAlGaAs層26
6のいずれであることである。さらに好ましくは第3の
半導体層8の最上層、すなわちエミッタ接合側の層はG
aAs層81,83であることである。また負性微分抵
抗等の効果を抑制したいときはGaAs層81,83、
InGaAs層82とが構成する超格子構造においてG
aAs層81,83とInGaAs層82との間での量
子力学的結合が生じない程度に厚い、すなわちド・ブロ
イ波長に比して十分厚くすることである。
The third feature of the present invention is that it is an emitter-top type double hetero structure HBT, which is similar to the first and second features, but as shown in FIGS. The layer 8 is composed of two or more kinds of compound semiconductor layers 81, 82, 83 having different lattice constants. Preferably, the first and second semiconductor layers 22 and 23 are Ga
The third semiconductor layer 8 is an As layer, and the third semiconductor layer 8 includes a plurality of In x Ga layers.
The 1-x As layer 82 and the GaAs layer 81 are alternately laminated, and the In composition (molar ratio) x is 0.2 or less, and the In x Ga 1-x As layer 82 is a single layer film. Thickness is 12 nm
And the total thickness of the third semiconductor layer is 10 to 1
It is to be 00 nm. More preferably, the fourth semiconductor layer is the InGaP layer 91 or the AlGaAs layer 26.
It is any of 6. More preferably, the uppermost layer of the third semiconductor layer 8, that is, the layer on the emitter junction side is G
That is, the aAs layers 81 and 83. When it is desired to suppress the effects of negative differential resistance, the GaAs layers 81, 83,
In the superlattice structure formed by the InGaAs layer 82, G
It is to be thick enough not to cause quantum mechanical coupling between the aAs layers 81 and 83 and the InGaAs layer 82, that is, sufficiently thick as compared with the de Broglie wavelength.

【0019】[0019]

【作用】本発明の第1の特徴のHBTは、ベース領域
(第3の半導体層)24の厚みWB を5〜15nmと薄
くしているので、ベース領域中への転移の発生・増殖が
少なく通電による電流増幅率の低下がなくなる。しかも
禁制帯幅Eg の小さいベース領域を禁制帯幅Eg の大き
いエミッタ領域およびコレクタ領域で挟んだダブルヘテ
ロ構造であり、図5に示すようにベース領域に関し量子
井戸が形成される。図5はエミッタ領域、コレクタ領域
をGaAs層、ベース領域をInx Ga1-xAs層とし
た場合のバンド構造である。Inの組成x=0.2とす
れば、伝導帯に生じるバンドの不連続ΔEc=0.1e
Vとなる。ベース幅WB が電子のド・ブロイ波長程度以
下に薄いときは図5に示した深さΔEC 、幅WB の井戸
型ポテンシャルの内部の電子のエネルギー準位、すなわ
ち伝導帯レベルおよび価電子帯レベルはそれぞれ量子化
される。量子化された最小の伝導レベルを基底状態(E
0 )、次に小さい値を第1励起状態(E1 )としてベー
ス幅WB に対する電子エネルギー準位を求めた結果が図
6である。ベース幅WB 、すなわち井戸幅が狭くなる
と、基底状態(E0 )および第1励起状態(E1 )の電
子エネルギー準位は高くなることがわかる。図6からI
0.5 Ga0.5 As/GaAsダブルヘテロ構造におい
ては、ベース幅WB を5〜15nmとすれば、第1励起
状態の電子エネルギー準位E1 は、コレクタ層の伝導帯
端から0.05eVの範囲に入る。したがってエミッタ
からベースに注入された電子は基底状態のエネルギー準
位E0に緩和する以前に第1励起状態のエネルギー準位
1 上を走行することになるために、電子がベース・コ
レクタ界面で感じる障壁はΔEC よりも小さくなる。し
たがって、ベース・コレクタ界面におけるポテンシャル
障壁をトンネル効果により透過する確率も増大し、コレ
クタ側への輸送効率が低下する。つまりコレクタ側ヘテ
ロ接合による電位障壁はベース幅WB が厚い場合に比し
て相対的に小さくなり、ベース・コレクタ間の抵抗が実
効的に小さくなる。
In the HBT of the first feature of the present invention, since the thickness W B of the base region (third semiconductor layer) 24 is as thin as 5 to 15 nm, the occurrence and multiplication of transition into the base region is prevented. There is little reduction in the current amplification factor due to energization. Moreover a double heterostructure sandwiching a small base region bandgap E g a large emitter and collector regions of the bandgap E g, the quantum well is formed relates the base area, as shown in FIG. Figure 5 is a band structure in the case where the emitter region, GaAs layer collector region, a base region and an In x Ga 1-x As layer. If the composition of In is x = 0.2, band discontinuity ΔEc = 0.1e generated in the conduction band
It becomes V. When the base width W B is thin below the de Broglie wavelength of electrons, the energy level of electrons inside the well-type potential having the depth ΔE C and width W B shown in FIG. 5, that is, the conduction band level and valence electrons Each band level is quantized. The minimum quantized conduction level is the ground state (E
0 ), and the next smallest value is the first excited state (E 1 ), and the electron energy level with respect to the base width W B is obtained. It can be seen that the electron energy levels in the ground state (E 0 ) and the first excited state (E 1 ) increase as the base width W B , that is, the well width, decreases. From Figure 6
In the n 0.5 Ga 0.5 As / GaAs double hetero structure, when the base width W B is 5 to 15 nm, the electron energy level E 1 in the first excited state is in the range of 0.05 eV from the conduction band edge of the collector layer. to go into. Therefore, the electrons injected from the emitter to the base travel on the energy level E 1 of the first excited state before relaxing to the energy level E 0 of the ground state, so that the electrons at the base-collector interface. The barrier to feel is smaller than ΔE C. Therefore, the probability of passing through the potential barrier at the base-collector interface due to the tunnel effect also increases, and the transport efficiency to the collector side decreases. That is, the potential barrier due to the collector-side heterojunction is relatively smaller than that when the base width W B is thick, and the resistance between the base and the collector is effectively reduced.

【0020】本発明の第2の特徴のHBTではエミッタ
注入効率、コレクタ輸送効率を改善するために、エミッ
タ側ヘテロ接合界面、コレクタ側ヘテロ接合界面におけ
る電位障壁をトンネル効果で電子あるいは正孔が透過す
る。したがってエミッタ接合側、コレクタ接合側に傾斜
層を設ける必要がなくベース幅WB を臨界膜厚hc 以下
にできる。図5においてベース領域のInx Ga1-x
sの組成x=0.15とすれば伝導帯に生じるバンドの
不連続ΔEC =0.06eVとなる。伝導帯側の障壁が
三角ポテンシャル形状でWKB近似が使えるとすればト
ンネル確率は
In the HBT of the second feature of the present invention, in order to improve the emitter injection efficiency and the collector transport efficiency, electrons or holes pass through the potential barriers at the emitter side heterojunction interface and the collector side heterojunction interface by tunnel effect. To do. Therefore, it is not necessary to provide the inclined layers on the emitter junction side and the collector junction side, and the base width W B can be set to the critical film thickness h c or less. In x Ga 1-x A of the base region in FIG.
If the composition x of s is 0.15, the discontinuity of the band occurring in the conduction band is ΔE C = 0.06 eV. If the barrier on the conduction band side has a triangular potential shape and the WKB approximation can be used, the tunnel probability is

【数2】 ここでFは障壁中の電界強度、ΔEC は図5に示した伝
導帯端のエネルギー差である。図7はトンネル確率を電
界強度の関数として計算したものである。図7より電界
強度として108 V/mを障壁中に設ければ十分なトン
ネル確率が得られることがわかる。
[Equation 2] Here, F is the electric field intensity in the barrier, and ΔE C is the energy difference at the conduction band edge shown in FIG. FIG. 7 is a calculation of tunnel probability as a function of electric field strength. It can be seen from FIG. 7 that a sufficient tunnel probability can be obtained by providing 10 8 V / m as the electric field strength in the barrier.

【0021】本発明の第2の特徴では、第2および第3
の半導体領域すなわち、ワイドギャップ側(GaAs
側)にプレーナドープ領域(ドナーシート)が挿入され
ている。ドナーシート(プレーナドープ領域)の両端に
おける電界強度の変化はドナーシート濃度をNs (cm
-2)とすれば、
In the second aspect of the present invention, the second and third aspects are provided.
Semiconductor region of the wide gap side (GaAs
The planar doped region (donor sheet) is inserted in the side). The change in the electric field strength at both ends of the donor sheet (planar-doped region) depends on the donor sheet concentration N s (cm
-2 )

【数3】 ここでqは素電荷、εはGaAs中の誘電率である。(Equation 3) Here, q is the elementary charge, and ε is the dielectric constant in GaAs.

【0022】今、F1 =FおよびF2 ≒0とすればNow, if F 1 = F and F 2 ≈0,

【数4】 よってNs ≒7×1012cm-2となる。電子の流れが阻
害されないためには図8に示す様にエミッタ側ではエミ
ッタの低電界領域の伝導帯端がベースの伝導帯端よりも
高エネルギーでコレクタ側ではコレクタの低電界領域の
伝導帯端がベースの伝導帯端よりも低エネルギーである
ことが望ましい。従ってヘテロ接合からのドナーシート
の位置をそれぞれエミッタ側とコレクタ側をΔXE とΔ
C とすれば、エミッタ側での強電界領域中の電圧降下
ΔVE 、およびコレクタ側での電圧効果ΔVC
[Equation 4] Therefore, N s ≈7 × 10 12 cm -2 . In order to prevent the flow of electrons from being disturbed, as shown in FIG. 8, the conduction band edge of the low electric field region of the emitter has higher energy than the conduction band edge of the base on the emitter side and the conduction band edge of the low electric field region of the collector on the collector side. Is preferably lower in energy than the conduction band edge of the base. Therefore, the positions of the donor sheet from the heterojunction are ΔX E and Δ on the emitter side and the collector side, respectively.
X C is the voltage drop ΔV E in the strong electric field region on the emitter side and the voltage effect ΔV C on the collector side.

【数5】 今、ΔVE =0.06V,ΔVC =0.15Vとすれば
ΔXE =0.6nm,ΔXC =1.5nmとなる。プレ
ーナドープ領域のドナーシートの濃度の実現できる範囲
には上限があると考えられるが、この場合(6) ,(7) 式
に従ってプレーナドープ領域3,7の位置を設計すれ
ば、電子はヘテロ接合界面で輸送効率を低下させること
なく、高速に走行する。すなわちΔVC をΔEC より大
きく、ΔVEをΔEC より小さくしておけばよい。pn
p型HBTでは、エミッタ・ベース界面に生じたヘテロ
障壁を正孔がトンネル効果で通過できる様に、エミッタ
・ベース界面近傍の電界強度を大きくし、かつベース・
コレクタ界面近傍の伝導帯の障壁層を正孔がトンネル効
果で通過できる様に、ベース・コレクタ界面近傍の電界
強度を大きくしておけば、同様にヘテロ接合界面での輸
送効率の低下はない。
(Equation 5) Now, if ΔV E = 0.06 V and ΔV C = 0.15 V, then ΔX E = 0.6 nm and ΔX C = 1.5 nm. It is considered that there is an upper limit to the range in which the concentration of the donor sheet in the planar doped region can be realized. It travels at high speed without reducing transport efficiency at the interface. That is, ΔV C may be larger than ΔE C and ΔV E may be smaller than ΔE C. pn
In the p-type HBT, the electric field strength in the vicinity of the emitter-base interface is increased so that holes can tunnel through the hetero barrier generated at the emitter-base interface, and
If the electric field strength near the base-collector interface is increased so that holes can pass through the barrier layer in the conduction band near the collector interface due to the tunnel effect, the transport efficiency at the heterojunction interface does not decrease.

【0023】本発明の第3の特徴はHBTでは、ベース
層8を基板21、第1の半導体層22、第2の半導体層
23に格子整合した半導体層81,83と格子整合しな
い半導体層82等のように格子定数の異なる2種以上の
半導体層を交互に積層させた構造にすることで、各層は
臨界膜厚hc 以下の層を利用し、歪みを保ったまま、全
体の厚みは低ベース抵抗確保のために実用上必要な膜
厚、たとえばhc よりはるかに大きな100nmまでベ
ース層の膜厚WB を変化させることが可能である。
The third feature of the present invention is that in the HBT, the semiconductor layer 82 in which the base layer 8 is lattice-matched with the substrate 21, the first semiconductor layer 22 and the second semiconductor layer 23 is not lattice-matched with the semiconductor layers 81 and 83. By using a structure in which two or more kinds of semiconductor layers having different lattice constants are alternately laminated, each layer uses a layer having a critical film thickness h c or less, and the total thickness is maintained while maintaining strain. It is possible to change the film thickness W B of the base layer to 100 nm, which is much larger than the practically necessary film thickness for ensuring a low base resistance, for example, h c .

【0024】また、エミッタ層をInGaP91、ベー
ス層のエミッタ端をGaAs層83で構成することによ
り、ベース電極形成工程におけるエミッタ層除去工程で
ベース層に対しエミッタ層を選択的に除去することが可
能である。またこの際、ベース層上に形成されたベース
電極32は直接GaAs層83,81上に形成されるの
でInGaAs上に形成される場合よりも耐熱性が向上
する。
Further, by forming the emitter layer with InGaP91 and the emitter end of the base layer with the GaAs layer 83, the emitter layer can be selectively removed with respect to the base layer in the emitter layer removing step in the base electrode forming step. Is. At this time, since the base electrode 32 formed on the base layer is formed directly on the GaAs layers 83 and 81, the heat resistance is improved as compared with the case where it is formed on InGaAs.

【0025】さらに、ベース層中の各層間でトンネル電
流等による量子力学的結合が生じないように各層の膜厚
およびエネルギーギャップを制御すれば、負性微分抵抗
等のトランジスタ動作上好ましくない効果を避けること
が可能である。
Furthermore, if the film thickness and energy gap of each layer are controlled so that quantum mechanical coupling due to tunneling current or the like does not occur between the layers in the base layer, unfavorable effects on transistor operation such as negative differential resistance will be obtained. It is possible to avoid.

【0026】[0026]

【実施例】図1は、本発明の一実施例に係るエミッタト
ップnpn型HBTの断面図である。半絶縁性GaAs
基板21に順次、n+ 型GaAsコレクタコンタクト層
22、n型GaAsコレクタ層23、p+ 型InGaA
sベース層24、n型Alx Ga1-x As層25、n型
Al0.3 Ga0.7 Asエミッタ層26、n型AlxGa
1-x As層27、n型Iny Ga1-y As層28、n+
型In0.5 Ga0.5Asエミッタコンタクト層29が積
層構造となっている。ここでたとえば、n+型GaAs
コレクタコンタクト層22は500nm、Si濃度6×
1018cm-3、n型GaAsコレクタ層23は600n
m、Si濃度5×1016cm-3、p+型InGaAsベ
ース層24は7nm、Be濃度5×1019cm-3、n型
AlxGa1-x As層25は30nm、Si濃度1×1
18cm-3、n型Al0.3 Ga0.7 Asエミッタ層26
は30nm、Si濃度1×1018cm-3、n型Alx
1-x As層27は30nm、Si濃度1×1018cm
-3、n型InGa1-y As層28は50nm、Si濃度
3×1019cm-3、n+ 型In0.5 GaAs0.5Asエ
ミッタコンタクト層29は50nm、Si濃度3×10
19cm-3である。
1 is a sectional view of an emitter top npn type HBT according to an embodiment of the present invention. Semi-insulating GaAs
N + type GaAs collector contact layer 22, n type GaAs collector layer 23, p + type InGaA on the substrate 21 in this order.
s base layer 24, n-type Al x Ga 1-x As layer 25, n-type Al 0.3 Ga 0.7 As emitter layer 26, n-type Al x Ga
1-x As layer 27, n-type In y Ga 1-y As layer 28, n +
The type In 0.5 Ga 0.5 As emitter contact layer 29 has a laminated structure. Here, for example, n + type GaAs
Collector contact layer 22 is 500 nm, Si concentration is 6 ×
10 18 cm −3 , n-type GaAs collector layer 23 is 600 n
m, Si concentration 5 × 10 16 cm −3 , p + type InGaAs base layer 24 is 7 nm, Be concentration 5 × 10 19 cm −3 , n type Al x Ga 1-x As layer 25 is 30 nm, Si concentration 1 × 1
0 18 cm −3 , n-type Al 0.3 Ga 0.7 As emitter layer 26
Is 30 nm, Si concentration is 1 × 10 18 cm −3 , n-type Al x G
a 1-x As layer 27 is 30 nm, Si concentration is 1 × 10 18 cm
-3 , the n-type InGa 1-y As layer 28 is 50 nm, the Si concentration is 3 × 10 19 cm -3 , the n + -type In 0.5 GaAs 0.5 As emitter contact layer 29 is 50 nm, and the Si concentration is 3 × 10 3.
It is 19 cm -3 .

【0027】図1ではエミッタ電極31としてTi/P
t/Auをn+ 型In0.5 Ga0.5Asエミッタコンタ
クト層29の上に、ベース電極としてPt/Ti/Pt
/Auをp+ 型InGaAsベース層24の上へ、コレ
クタ電極としてAuGe/Ni/Ti/Auをn+ 型G
aAsコレクタコンタクト層の上にそれぞれ積層した構
造をとっている。p+ 型InGaAsベース層24を7
nmと薄くしているので、ベース層中の第1励起状態の
エネルギー準位はコレクタ層の伝導帯から0.05eV
の範囲内に入り、エミッタから注入された電子は、ベー
ス・コレクタ界面でほとんど電位障壁を感じることはな
い。
In FIG. 1, Ti / P is used as the emitter electrode 31.
t / Au is formed on the n + type In 0.5 Ga 0.5 As emitter contact layer 29 as Pt / Ti / Pt as a base electrode.
/ Au on the p + type InGaAs base layer 24, and AuGe / Ni / Ti / Au as the collector electrode on the n + type G
It has a structure in which it is laminated on each of the aAs collector contact layers. p + type InGaAs base layer 24 is 7
Since the thickness is as thin as nm, the energy level of the first excited state in the base layer is 0.05 eV from the conduction band of the collector layer.
Electrons injected from the emitter within the range of (1) hardly sense the potential barrier at the base-collector interface.

【0028】図1に示したHBTを製造するにはまず、
減圧MOCVD法、MBE法、CBE法(Chemical Beam
Epitaxy法)、あるいはMLE法(Molecular Layer Epi
tary法)等を用いて、GaAs基板21上に、GaAs
層22,23、InGaAs層24、AlGaAs層2
5,26,27、InGaAs層28,29を形成す
る。
To manufacture the HBT shown in FIG. 1, first,
Low pressure MOCVD method, MBE method, CBE method (Chemical Beam
Epitaxy method) or MLE method (Molecular Layer Epi
tary method) or the like to form GaAs on the GaAs substrate 21.
Layers 22 and 23, InGaAs layer 24, AlGaAs layer 2
5, 26, 27 and InGaAs layers 28, 29 are formed.

【0029】例えばCBE法で成長する場合、圧力1.
3×10-3Paにおいて、基板温度520℃で、TEG
(トリエチルガリウム)とAsH3 (アルシン)を導入
しGaAs層22,23を成長し、TEG,TMIn
(トリメチルインジウム)とAsH3 によりInGaA
s層24を成長し、TMAl(トリメチルアルミニウ
ム)、TEGとAsH3 でAlGaAs層25,26,
27を成長し、TEG,TMInとAsH3 でInGa
As層28,29を同一チャンバー中で連続的に成長す
ればよい。AsH3 のかわりにTBA(ターシャリー・
ブチル・アルシン((C4 9 )AsH2 ))を用いてもよ
い。p型のドーパントガスとしてはたとえば、固体のB
eソースを用いればよい。n型のドーパントガスとして
はSiH4 (モノシラン)、Si2 6 (ジシラン)、
あるいはDESe(ジエチルセレン)、DETe(ジエ
チルテルル)等を用いればよい。またCBE法に用いる
ソースガスを交互導入し、半導体基板上の交換表面反応
を用いればMLE法となる。たとえば基板温度450
℃、圧力6×10-4PaにおいてTEGを4秒導入、3
秒真空排気、AsH3 を20秒導入、その後3秒真空排
気のガス導入1サイクルでGaAs1分子層が成長でき
るので、MLE法によれば図1の積層ウェハは分子層単
位の精度を有した構造となる。
For example, when growing by the CBE method, pressure 1.
At 3 × 10 −3 Pa, substrate temperature of 520 ° C., TEG
(Triethylgallium) and AsH 3 (arsine) were introduced to grow GaAs layers 22 and 23, and TEG and TMIn
InGaA by (trimethylindium) and AsH 3
The s layer 24 is grown, and the AlGaAs layers 25 and 26 are formed by using TMAl (trimethylaluminum), TEG and AsH 3 .
27, and InGa with TEG, TMIn and AsH 3
The As layers 28 and 29 may be continuously grown in the same chamber. Instead of AsH 3 , TBA (tertiary
Butyl arsine ((C 4 H 9 ) AsH 2 )) may be used. As the p-type dopant gas, for example, solid B is used.
e source may be used. As n-type dopant gas, SiH 4 (monosilane), Si 2 H 6 (disilane),
Alternatively, DESe (diethyl selenium), DETe (diethyl tellurium), or the like may be used. Further, if the source gas used for the CBE method is alternately introduced and the exchange surface reaction on the semiconductor substrate is used, the MLE method is obtained. For example, substrate temperature 450
Introduce TEG for 4 seconds at ℃ and pressure of 6 × 10 -4 Pa, 3
Second evacuation, AsH 3 is introduced for 20 seconds, and then GaAs 1 molecular layer can be grown by 1 cycle of 3 seconds evacuation gas introduction. Therefore, according to the MLE method, the laminated wafer of FIG. 1 has a structure with an accuracy of a molecular layer unit. Becomes

【0030】次に、このウェハ上にフォトレジストでベ
ース電極取り出し用のU溝エッチングのためのマスクパ
ターンを形成し、それを用いてInGaAs層29,2
8とAlGaAs層27,26,25をRIE法あるい
はECRイオンエッチ法によりベース層24の上部にn
Alx Ga1-x As層25が薄く残るようにエッチング
しU溝を形成する。この後フォトレジストマスクをつけ
た状態でさらにウェットエッチングによってU溝の側壁
の半導体層を僅かにサイドエッチングする。このサイド
エッチングの量でベース電極とエミッタ領域の分離が決
まる。サイドエッチング量の最適値はエピ膜の構成や膜
質あるいはパターンサイズその他に依存するが、たとえ
ば0.1μm程度行えばよい。ここでは主なエッチング
手段としてドライエッチングを用いたが、ウェットエッ
チングのみでも可能である。続いてベース電極用Pt/
Ti/Pt/Auをウェハ全面に蒸着し、その後フォト
レジストを除去する、いわゆるリフトオフ法によってベ
ース電極32をU溝の底部に形成する。その後ランプア
ニール炉等で350℃程度の熱処理を施し、ベース電極
層32の最下層のPtをnAlGaAs層25と反応拡
散させることにより、ベース層24との電気的接触を得
ている。図1は模式的であり、ベース電極層32がベー
ス層に接触していないような印象を与えるが、Ptのア
ロイ層により接触していることに注意されたい。このよ
うな製造工程により、ベース領域は、ガードリングを併
せ持つ構造となり、電流増幅率の向上を得ることができ
る。次に、ベース電極とエミッタ電極の絶縁層を形成す
るため、基板表面全体にポリイミド樹脂のプレポリマー
溶液をスピンコート法により塗布し、このポリイミド樹
脂の熱硬化温度(350℃)まで段階的に加熱して全面
にポリイミド樹脂34を形成する。次にCF4 /O2
用いたRIE法等によりn+ 型In0.5 Ga0.5Asエ
ミッタコンタクト層29が露出するまでポリイミド樹脂
をエッチングし、U溝内のベース電極32上のみにポリ
イミド樹脂34を残す。その後Ti/Pt/Auを真空
蒸着し、フォトリソグラフィにより図1に示すようにパ
ターニングしエミッタ電極31を形成する。ついでプロ
トンイオン注入で素子間分離領域35を形成し、最後に
+ 型GaAsコレクタコンタクト層22をウェットエ
ッチングによって露出させAuGe/Ni/Ti/Au
を蒸着後、パターニングし、さらに370℃程度の熱処
理によりアロイを行うことにより図1に示すようなコレ
クタ電極33を形成する。この工程ではエミッタ電極形
成用のコンタクトホール開孔は自己整合的に形成され、
エミッタ面積の小面積化が可能で、高周波動作に適した
構造となる。
Next, a mask pattern for etching the U-groove for taking out the base electrode is formed on this wafer with a photoresist, and the InGaAs layers 29, 2 are formed by using the mask pattern.
8 and AlGaAs layers 27, 26 and 25 are formed on the base layer 24 by RIE or ECR ion etching.
Etching is performed so that the Al x Ga 1-x As layer 25 remains thin to form a U groove. Then, with the photoresist mask attached, the semiconductor layer on the sidewall of the U groove is slightly side-etched by wet etching. The amount of this side etching determines the separation between the base electrode and the emitter region. The optimum value of the side etching amount depends on the structure of the epitaxial film, the film quality, the pattern size, etc., but may be about 0.1 μm. Here, dry etching is used as the main etching means, but wet etching alone is also possible. Then Pt / for the base electrode
A base electrode 32 is formed on the bottom of the U groove by a so-called lift-off method in which Ti / Pt / Au is vapor-deposited on the entire surface of the wafer and then the photoresist is removed. After that, heat treatment is performed at about 350 ° C. in a lamp annealing furnace or the like, and Pt in the lowermost layer of the base electrode layer 32 is reacted and diffused with the nAlGaAs layer 25 to obtain electrical contact with the base layer 24. Note that although FIG. 1 is schematic and gives the impression that the base electrode layer 32 is not in contact with the base layer, it is in contact with the alloy layer of Pt. Through such a manufacturing process, the base region has a structure that also has a guard ring, and an improvement in current amplification factor can be obtained. Next, in order to form an insulating layer for the base electrode and the emitter electrode, a prepolymer solution of a polyimide resin is applied to the entire surface of the substrate by a spin coating method, and the polyimide resin is heated stepwise to a thermosetting temperature (350 ° C.). Then, the polyimide resin 34 is formed on the entire surface. Next, the polyimide resin is etched until the n + type In 0.5 Ga 0.5 As emitter contact layer 29 is exposed by the RIE method using CF 4 / O 2 , etc., and the polyimide resin 34 is formed only on the base electrode 32 in the U groove. leave. Then, Ti / Pt / Au is vacuum-deposited and patterned by photolithography as shown in FIG. 1 to form an emitter electrode 31. Then, an element isolation region 35 is formed by proton ion implantation, and finally the n + type GaAs collector contact layer 22 is exposed by wet etching to expose AuGe / Ni / Ti / Au.
Is vapor-deposited, patterned, and alloyed by heat treatment at about 370 ° C. to form a collector electrode 33 as shown in FIG. In this process, the contact hole opening for forming the emitter electrode is formed in a self-aligned manner,
The emitter area can be reduced and the structure is suitable for high frequency operation.

【0031】なお、本発明の第1の実施例においてエミ
ッタ層はGaAs、InGaAs、InP等の他の材料
であってもよいことはもちろんである。
Of course, in the first embodiment of the present invention, the emitter layer may be made of other materials such as GaAs, InGaAs and InP.

【0032】図2は本発明の第2の実施例のエミッタト
ップnpn型HBTで、第1の実施例よりもベース層を
厚くし、ベース層中の電子の第1励起状態のエネルギー
準位が有効でないようにし、かわりにベース・コレクタ
界面をトンネル効果で電子が通過できるようにした場合
である。図2に示す様に半絶縁性GaAs基板21上に
厚み500nmドーピング濃度5×1018cm-3のn+
型GaAsコレクタコンタクト層22、厚み300nm
のアンドープのn型GaAsコレクタ層23、その上に
7×1012cm-2のSiプレーナドープ領域3、さらに
その上に厚み1.6nmのlアンドープn型GaAsコ
レクタ層233、その上に20nmのBeアクセプター
を5×1019cm-3ドープしたIn0.15Ga0.85Asベ
ース層24、その上に1.6nmのアンドープGaAs
層234、その上に7×1012cm-2のSiのプレーナ
ドープ領域7、その上に厚み500nmドーピング濃度
5×1017cm-3のn型GaAsエミッタ層236、さ
らにその上に厚み700nmドーピング濃度5×1018
cm-3のn+ 型GaAsエミッタコンタクト層237を
形成している。
FIG. 2 shows an emitter top npn type HBT according to a second embodiment of the present invention, in which the base layer is made thicker than in the first embodiment, and the energy level of the first excited state of electrons in the base layer is This is the case when it is made ineffective and, instead, electrons can pass through the base-collector interface by the tunnel effect. As shown in FIG. 2, n + with a thickness of 500 nm and a doping concentration of 5 × 10 18 cm −3 is formed on the semi-insulating GaAs substrate 21.
Type GaAs collector contact layer 22, thickness 300 nm
Undoped n-type GaAs collector layer 23, a 7 × 10 12 cm −2 Si planar-doped region 3 on the undoped n-type GaAs collector layer 23, and a 1.6 nm-thickness 1 undoped n-type GaAs collector layer 233 on which a 20 nm thick In 0.15 Ga 0.85 As base layer 24 doped with Be acceptor 5 × 10 19 cm −3 , and 1.6 nm of undoped GaAs
A layer 234, a 7 × 10 12 cm −2 planar-doped region 7 of Si, a 500 nm thick doping layer on the n-type GaAs emitter layer 236 having a doping concentration of 5 × 10 17 cm −3 , and a 700 nm thick doping layer thereon. Concentration 5 × 10 18
A cm −3 n + type GaAs emitter contact layer 237 is formed.

【0033】本発明の第2の実施例の製造は前述した本
発明の第1の実施例と同様な工程で可能である。なお、
本発明の第1の実施例ではベースのU溝エッチングをベ
ース層24の上に薄くエミッタ層25が残るようにエッ
チングし、その後ベース金属の最下層のPtがエミッタ
層と反応(アロイ)し、ベース層24と電気的に接触す
るようにしたが、この方法に限る必要はない。本発明の
第2の実施例ではベース層24にInGaAsを用い、
エミッタ層234,236,237にGaAsを用いて
いるのでGaAsの選択エッチングによりInGaAs
層24をエッチングストッパーとして用いて正確にU溝
の深さを制御することも可能である。この場合ベース電
極32は熱処理を行なわない、いわゆるノンアロイコン
タクトとすることも可能である。
The manufacture of the second embodiment of the present invention can be performed by the same process as that of the first embodiment of the present invention described above. In addition,
In the first embodiment of the present invention, the U-groove etching of the base is performed so that the emitter layer 25 remains thin on the base layer 24, and then Pt of the bottom layer of the base metal reacts (alloys) with the emitter layer. Although the electric contact is made with the base layer 24, it is not limited to this method. In the second embodiment of the present invention, InGaAs is used for the base layer 24,
Since GaAs is used for the emitter layers 234, 236 and 237, InGaAs is selectively etched by GaAs.
It is also possible to precisely control the depth of the U-groove by using the layer 24 as an etching stopper. In this case, the base electrode 32 may be a so-called non-alloy contact that is not heat-treated.

【0034】本発明の第2の実施例は III−V族化合物
半導体に限るものではなく、pnp型のSi/SiGe
ダブルヘテロ構造HBTにも適用できる。この場合、第
1〜第5の半導体層はMBE法、超高真空CVD法、M
LE法等で連続エピタキシャル成長すればよい。超高真
空CVD法では基板温度550℃〜700℃で形成でき
る。SiH2 Cl2 ,GeH4 およびH2 との交互導入
を用いたMLE法を用いれば1分子層単位のSi/Si
GeのHBTができる。プレーナドープ層3,7はボロ
ン(B)を用いればよい。
The second embodiment of the present invention is not limited to III-V group compound semiconductors, but pnp type Si / SiGe.
It can also be applied to a double hetero structure HBT. In this case, the first to fifth semiconductor layers are formed by MBE method, ultra high vacuum CVD method, M
The continuous epitaxial growth may be performed by the LE method or the like. The ultra-high vacuum CVD method can be performed at a substrate temperature of 550 ° C to 700 ° C. If the MLE method using alternate introduction with SiH 2 Cl 2 , GeH 4 and H 2 is used, one molecule layer of Si / Si
HBT of Ge can be done. Boron (B) may be used for the planar doped layers 3 and 7.

【0035】図3は本発明の実施例に係るエミッタトッ
プnpn型HBTの断面構造を示す。このInGaPエ
ミッタ/(InGaAs/GaAs)ベースHBTは半
絶縁性GaAs基板21上に厚さ500nmのn+ 型G
aAsコレクタコンタクト層(Siドープ:5×1018
cm-3)22、厚さ200nmのn型GaAsコレクタ
層(Siドープ5×1016cm-3)23、p歪みベース
層8、厚さ85nmのnIn0.5 Ga0.5 Pエミッタ層
(Siドープ:5×1017cm-3)91、厚さ100n
mのn型GaAs層(Siドープ:5×1018cm-3
239、厚さ100nmのn+ 型InGaAsエミッタ
コンタクト層(Siドープ:2×1019cm-3)29が
順次積層され構成されている。p歪みベース層8は、基
板側より厚さ5nmのGaAs層(Cドープ:5×10
19cm-3)81、厚さ4nmのIn0.2 Ga0.8 As層
(Cドープ:2×1020cm-3)82、GaAs層8
1、In0.2 0.8 As層82、および厚さ10nmの
GaAs層(Cドープ:5×1019cm-3)83を交互
に積層した構造になっており、p歪みベース層8全体の
膜厚は28nmとなっている。GaAs層83のみ10
nmと厚くなっている。なお、nInGaPエミッタ層
91中のInモル比は概ねGaAs基板1と格子整合す
るよう選ばれている。Ti/Pt/Auエミッタ金属電
極31がn+ 型InGaAsエミッタコンタクト層29
の上に、Ti/Pt/Au金属ベース電極32がp歪み
ベース層8の最上層のGaAs層83の上に、AuGe
/Ni/Au金属コレクタ電極がn+ 型GaAsコレク
タコンタクト層22の上に形成されている。この構造は
ベース電極形成用のU溝エッチング深さが、InGaP
のGaAsに対する選択エッチングを用いて行うことが
できるため、正確に制御できる利点を有している。すな
わち、HCl:H2 O、あるいはHCl:H3 PO4
の塩酸系エッチャントのエッチング速度はInGaPお
よびInGaAsに対して大きく、GaAsに対しては
非常に小さいので、GaAs層83がエッチングストッ
パーとして働き、正確なエッチング深さが制御できる。
また、Ti/Pt/Au金属ベース電極32が、InG
aAs層上ではなく、GaAs層83上に形成されてい
るのでベース電極部の金属・半導体接合は耐熱性にすぐ
れたものとなっている。
FIG. 3 shows a sectional structure of an emitter top npn type HBT according to an embodiment of the present invention. This InGaP emitter / (InGaAs / GaAs) base HBT is a 500 nm thick n + type G on a semi-insulating GaAs substrate 21.
aAs collector contact layer (Si-doped: 5 × 10 18
cm −3 ) 22, 200 nm thick n-type GaAs collector layer (Si-doped 5 × 10 16 cm −3 ) 23, p-strained base layer 8, 85 nm thick nIn 0.5 Ga 0.5 P emitter layer (Si-doped: 5 × 10 17 cm -3 ) 91, thickness 100n
m n-type GaAs layer (Si-doped: 5 × 10 18 cm −3 )
239, an n + type InGaAs emitter contact layer (Si doping: 2 × 10 19 cm −3 ) 29 having a thickness of 100 nm is sequentially laminated. The p strained base layer 8 is a GaAs layer (C-doped: 5 × 10 5 nm thick) from the substrate side.
19 cm −3 ) 81, 4 nm thick In 0.2 Ga 0.8 As layer (C-doped: 2 × 10 20 cm −3 ) 82, GaAs layer 8
1, an In 0.2 G 0.8 As layer 82, and a GaAs layer (C-doped: 5 × 10 19 cm −3 ) 83 having a thickness of 10 nm are alternately laminated. Is 28 nm. GaAs layer 83 only 10
It is as thick as nm. The In molar ratio in the nInGaP emitter layer 91 is selected so as to be approximately lattice-matched with the GaAs substrate 1. The Ti / Pt / Au emitter metal electrode 31 is an n + type InGaAs emitter contact layer 29.
A Ti / Pt / Au metal base electrode 32 on top of the p-strained base layer 8 on top of the GaAs layer 83, AuGe.
A / Ni / Au metal collector electrode is formed on the n + type GaAs collector contact layer 22. In this structure, the etching depth of the U groove for forming the base electrode is InGaP.
Since it can be performed using selective etching for GaAs, it has an advantage that it can be accurately controlled. That is, since the etching rate of a hydrochloric acid-based etchant such as HCl: H 2 O or HCl: H 3 PO 4 is high for InGaP and InGaAs and very low for GaAs, the GaAs layer 83 acts as an etching stopper. The precise etching depth can be controlled.
In addition, the Ti / Pt / Au metal base electrode 32 is made of InG.
Since it is formed not on the aAs layer but on the GaAs layer 83, the metal / semiconductor junction of the base electrode portion has excellent heat resistance.

【0036】図4は本発明の第4の実施例に係るエミッ
タトップnpn型HBTの断面構造で、図3と同様にp
歪みベース層8を有している。半絶縁性GaAs基板2
1上に厚み500nmのn+ 型GaAsコレクタコンタ
クト層(Siドープ:5×1018cm-3)22、厚み2
00nmのn型GaAsコレクタ層(Siドープ:5×
1016cm-3)23、p歪みベース層8、厚み100n
mのnAlGaAsエミッタ層(Siドープ:5×10
17cm-3)266、厚み100nmのn型GaAs層
(Siドープ:5×1018cm-3)239、厚み100
nmのn+ 型InGaAsエミッタコンタクト層(Si
ドープ:2×1019cm-3)29が順次積層され構成さ
れている。p歪みベース層8は、厚み5nmのGaAs
層(Cドープ:5×1019cm-3)81および厚み4n
mのIn0.2 0.8 As層(Cドープ:5×1019cm
-3)82を交互に積層した構造になっており、エミッタ
端およびコレクタ端は厚み5nmのGaAs層(Cドー
プ:5×1019cm-3)81であり、p歪みベース層8
全体の膜厚は50nmとなっている。
FIG. 4 is a cross-sectional structure of an emitter top npn type HBT according to the fourth embodiment of the present invention.
It has a strained base layer 8. Semi-insulating GaAs substrate 2
N + -type GaAs collector contact layer (Si-doped: 5 × 10 18 cm −3 ) 22 having a thickness of 500 nm and a thickness of 2
00 nm n-type GaAs collector layer (Si-doped: 5 ×
10 16 cm -3 ) 23, p strained base layer 8, thickness 100n
m nAlGaAs emitter layer (Si-doped: 5 × 10
17 cm −3 ) 266, 100 nm thick n-type GaAs layer (Si doping: 5 × 10 18 cm −3 ) 239, thickness 100
nm n + type InGaAs emitter contact layer (Si
Dope: 2 × 10 19 cm −3 ) 29 is sequentially laminated and configured. The p-strain base layer 8 is GaAs with a thickness of 5 nm.
Layer (C-doped: 5 × 10 19 cm −3 ) 81 and thickness 4n
m In 0.2 G 0.8 As layer (C-doped: 5 × 10 19 cm
-3 ) 82 is alternately laminated, and the emitter end and the collector end are a GaAs layer (C-doped: 5 × 10 19 cm -3 ) 81 having a thickness of 5 nm, and the p-strained base layer 8
The total film thickness is 50 nm.

【0037】なお、以上の実施例においてエミッタトッ
プ型のHBTで説明したが、本発明はコレクタトップ型
のHBTに適用してもよいことはもちろんである。
Although the emitter-top type HBT has been described in the above embodiments, the present invention may of course be applied to a collector-top type HBT.

【0038】[0038]

【発明の効果】以上のように請求項1記載の本発明によ
ればベース層(第3の半導体層)24を5〜15nmと
薄くしているので、通電による電流増幅率の低下が少な
く、長期信頼性に秀れている。たとえば本発明の第1の
実施例に示したHBTを200℃で、105 A/cm2
の電流密度で動作させたときのMTTFは108 時間
で、従来のAlGaAs/GaAsのHBTの100倍
以上の長寿命化が達成できた。しかも請求項1記載の本
発明によればベース領域中の電子の第1励起状態のエネ
ルギーレベルを用いることにより、ベース・コレクタ界
面における電位障壁によるコレクタへの輸送効率の低下
が抑制され、gm が増大し、高速動作が可能となる。図
9は本発明の第1の実施例によるHBTの典型的なI−
V特性と従来技術における厚いベース層をもつHBTの
C −VCE特性を比較したものである。従来技術に比べ
て、オン抵抗が小さくなっており、電流の立ち上がりが
急峻になり、gm が増大していることがわかる。
As described above, according to the present invention as set forth in claim 1, since the base layer (third semiconductor layer) 24 is as thin as 5 to 15 nm, the decrease in current amplification factor due to energization is small, Excellent long-term reliability. For example, the HBT shown in the first embodiment of the present invention is heated at 200 ° C. to 10 5 A / cm 2
The MTTF when operated at the current density of 10 8 hours was 10 8 hours, and the lifespan of 100 times or more of the conventional HBT of AlGaAs / GaAs was achieved. Moreover, according to the present invention as set forth in claim 1, by using the energy level of the first excited state of the electrons in the base region, the reduction of the transport efficiency to the collector due to the potential barrier at the base-collector interface is suppressed, and g m Is increased, and high speed operation becomes possible. FIG. 9 shows a typical I- of the HBT according to the first embodiment of the present invention.
6 is a comparison of the V characteristic and the I C -V CE characteristic of the HBT having the thick base layer in the conventional technique. It can be seen that the on-resistance is smaller, the rising of the current is steeper, and g m is increased as compared with the conventional technique.

【0039】請求項2記載の本発明によればダブルヘテ
ロ構造のHBTにおいて、エミッタ注入効率およびコレ
クタ輸送効率を低下させることなくベース幅WB を減少
させることができる。すなわちエミッタ・ベース界面、
およびベース・コレクタ界面に組成比の傾斜層を設ける
ことなくエミッタ注入効率、およびコレクタ輸送効率の
改善が可能である。したがってベース幅WB を臨界膜厚
c 以下にすることが可能で、転移の発生・増殖が抑制
され、格子不整合がある材料を用いても電流利得の劣化
が生じない。本発明の第2の実施例に係るHBTによれ
ば、200℃で、105 A/cm2 の電流密度で動作し
た場合のMTTFは108 時間であった。請求項2記載
の本発明によれば格子不整合の生じる種々の材料の組み
合わせによるダブルヘテロ構造HBTが、高信頼性、高
寿命の特性を有して得られる。図10は本発明の第2の
実施例に示したHBTと、プレーナドープ層3,7がな
いHBT(従来例)と、エミッタ接合側にプレーナドー
プ層7がなく、コレクタ接合側にのみプレーナドープ層
3があるHBT(参考例)を作りその電流利得を比較し
たものである。従来例ではコレクタ・ベース界面のヘテ
ロ障壁によって電子の著しい蓄積が生じ電流利得は得ら
れなかった(1以下であった)。一方、参考例ではコレ
クタ・ベース界面のヘテロ障壁の問題は緩和されている
ので、電流利得は20に向上したがまだ十分な特性とは
いえない。一方、本発明の第2の実施例のHBTではエ
ミッタ注入効率も改善されたので電流利得は400とな
り著しい改善が得られた。したがって請求項2記載の本
発明によれば、長寿命化、高信頼性化が実現すると同時
に高周波化、高出力化が実現できる。特に高温において
安定なので大電流が流せ、高出力化が容易である。
According to the second aspect of the present invention, in the double heterostructure HBT, the base width W B can be reduced without lowering the emitter injection efficiency and the collector transport efficiency. Ie the emitter-base interface,
Further, the emitter injection efficiency and collector transport efficiency can be improved without providing the composition / gradient layer at the base / collector interface. Therefore, the base width W B can be made equal to or less than the critical film thickness h c , the generation and multiplication of dislocations are suppressed, and the current gain is not deteriorated even if a material having a lattice mismatch is used. According to the HBT according to the second example of the present invention, the MTTF when operating at a current density of 10 5 A / cm 2 at 200 ° C. was 10 8 hours. According to the second aspect of the present invention, a double heterostructure HBT made of a combination of various materials causing lattice mismatch can be obtained with high reliability and long life. FIG. 10 shows the HBT shown in the second embodiment of the present invention, the HBT without the planar doped layers 3 and 7 (conventional example), the planar doped layer 7 is not present on the emitter junction side, and the planar doped layer is only on the collector junction side. The HBT (reference example) with the layer 3 is prepared and the current gains thereof are compared. In the conventional example, the electrons were significantly accumulated due to the hetero barrier at the collector-base interface, and the current gain could not be obtained (1 or less). On the other hand, in the reference example, the problem of the hetero barrier at the collector-base interface is alleviated, so that the current gain is improved to 20, but it cannot be said that the characteristics are still sufficient. On the other hand, in the HBT of the second embodiment of the present invention, the emitter injection efficiency was also improved, so that the current gain was 400 and a remarkable improvement was obtained. Therefore, according to the second aspect of the present invention, it is possible to realize a long service life and high reliability, and at the same time, to realize high frequency and high output. In particular, since it is stable at high temperatures, a large current can flow and it is easy to achieve high output.

【0040】請求項3に記載の本発明によれば、ベース
層8を複合膜とすることにより、単層の場合の臨界膜厚
c よりもはるかに厚く、ベース層8の全体の膜層を選
ぶことができるので、長寿命・高信頼性の特性を維持し
つつ、HBTのベース抵抗RB の低減化ができる。式
(1) に示したようにバイポーラトランジスタの高周波特
性を決定する主要かつ本質的な要因がRB であり、本発
明によればHBTの高周波化が容易に実現できる。ま
た、請求項3記載の本発明によれば、ベース層8の最上
層をGaAs層とすることも可能であり、この場合は、
ベース電極形成時のエッチングが選択エッチングにより
実現され、ベース層8の最上層のGaAs層83,81
がストッパーとして働くので、ベース幅WB 等の精密な
制御が可能となる。しかもベース電極の金属・半導体界
面の熱的安定性が高い。したがって製造に当り再現性が
高く、信頼性、生産性が向上すると同時にHBT自身の
特性としては高周波化・長寿命化が実現できる。さら
に、請求項3記載の本発明によれば、量子力学的結合が
生じない程度にベース層8を厚くしてもベース層8にお
ける転位の発生・増殖が抑制される構造とすることも可
能で、負性微分抵抗等の好ましくない効果を防止すると
同時にHBTの長寿命化・高信頼性化が実現できる。
According to the present invention as set forth in claim 3, since the base layer 8 is a composite film, it is much thicker than the critical film thickness h c in the case of a single layer, and the whole film layer of the base layer 8 is formed. Therefore, the base resistance R B of the HBT can be reduced while maintaining the characteristics of long life and high reliability. formula
As shown in (1), the main and essential factor that determines the high frequency characteristics of the bipolar transistor is R B , and according to the present invention, the high frequency of the HBT can be easily realized. Further, according to the present invention of claim 3, the uppermost layer of the base layer 8 can be a GaAs layer. In this case,
The etching for forming the base electrode is realized by the selective etching, and the uppermost GaAs layers 83, 81 of the base layer 8 are formed.
Acts as a stopper, which enables precise control of the base width W B and the like. Moreover, the metal / semiconductor interface of the base electrode has high thermal stability. Therefore, high reproducibility in manufacturing, reliability and productivity are improved, and at the same time, higher characteristics and longer life can be realized as characteristics of the HBT itself. Further, according to the present invention of claim 3, even if the base layer 8 is thickened to the extent that quantum mechanical coupling does not occur, generation and multiplication of dislocations in the base layer 8 can be suppressed. In addition, it is possible to prevent unfavorable effects such as negative differential resistance, and at the same time realize a long service life and high reliability of the HBT.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例に係るHBTの断面模式
図。
FIG. 1 is a schematic sectional view of an HBT according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施例に係るHBTの断面模式
図。
FIG. 2 is a schematic sectional view of an HBT according to a second embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第3の実施例に係るHBTの断面模式
図。
FIG. 3 is a schematic sectional view of an HBT according to a third embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第4の実施例に係るHBTの断面模式
図。
FIG. 4 is a schematic sectional view of an HBT according to a fourth embodiment of the present invention.

【図5】GaAs/InGaAs/GaAsダブルヘテ
ロ構造HBTのエネルギーバンド図。
FIG. 5 is an energy band diagram of a GaAs / InGaAs / GaAs double heterostructure HBT.

【図6】ベース幅WB とベース領域内での電子のエネル
ギー準位との関係。
FIG. 6 shows the relationship between the base width W B and the energy level of electrons in the base region.

【図7】GaAs/InGaAsヘテロ障壁中の電界強
度と電子のトンネル確率との関係。
FIG. 7 shows the relationship between the electric field strength in a GaAs / InGaAs heterobarrier and the electron tunneling probability.

【図8】本発明の第2の実施例に係るHBTのエネルギ
ーバンド図。
FIG. 8 is an energy band diagram of the HBT according to the second embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第1の実施例に係るHBTおよび従来
技術におけるHBTのI−V特性。
FIG. 9 is an IV characteristic of the HBT according to the first embodiment of the present invention and the HBT of the related art.

【図10】本発明の第2の実施例に係るHBT、参考
例、従来技術におけるHBTの電流利得。
FIG. 10 is a current gain of the HBT according to the second embodiment of the present invention, the reference example, and the HBT according to the related art.

【図11】GaAs基板上にInGaAsが擬エピタキ
シャル成長する臨界膜厚(hc )とIn組成(x)との
関係。
FIG. 11 shows the relationship between the critical film thickness (h c ) at which InGaAs is pseudo-epitaxially grown on a GaAs substrate and the In composition (x).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

21 半絶縁性GaAs基板 22 n+ 型GaAsコレクタコンタクト層 23,233 n型GaAsコレクタ層 24 p+ 型InGaAsベース層 25 n型Alx Ga1-x Asグレーディング層 26 n型Al0.3 Ga0.7 Asエミッタ層 27 n型Alx Ga1-x Asグレーディング層 28 n+ 型Iny Ga1-y Asグレーディング層 29 n+ 型In0.5 Ga0.5 Asエミッタコンタクト
層 31 エミッタ電極 32 ベース電極 33 コレクタ電極 34 ポリイミド 35 イオン注入等による高抵抗化領域 3,7 プレーナドープ領域 234 アンドープGaAs層 236,239 n型GaAsエミッタ層 237 n+ 型GaAsエミッタコンタクト層 8 p歪みベース層 81,83 GaAs層 82 In0.2 Ga0.8 As層 91 nIn0.5 Ga0.5 Pエミッタ層 266 nAlGaAsエミッタ層
21 semi-insulating GaAs substrate 22 n + type GaAs collector contact layer 23, 233 n type GaAs collector layer 24 p + type InGaAs base layer 25 n type Al x Ga 1-x As grading layer 26 n type Al 0.3 Ga 0.7 As emitter Layer 27 n-type Al x Ga 1-x As grading layer 28 n + type In y Ga 1-y As grading layer 29 n + type In 0.5 Ga 0.5 As emitter contact layer 31 emitter electrode 32 base electrode 33 collector electrode 34 polyimide 35 High resistance region by ion implantation 3,7 Planar-doped region 234 Undoped GaAs layer 236,239 n-type GaAs emitter layer 237 n + -type GaAs emitter contact layer 8 p strained base layer 81,83 GaAs layer 82 In 0.2 Ga 0.8 As layer 91 nIn 0.5 Ga 0.5 P Emitter layer 266 nAlGaAs emitter layer

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体基板上に形成された第1導電型の
第1の半導体層と、該第1の半導体層の上部に形成され
た第1又は第2導電型のいずれかの第2の半導体層と、
該第2の半導体層の上部に形成された第2導電型の第3
の半導体層と、該第3の半導体層の上部に形成された第
1導電型の第4の半導体層と、該第4の半導体層の上部
に形成された第1導電型の第5の半導体層とを少なく共
具備し、 該第3の半導体層の禁制帯幅は、該第2および第4の半
導体層の禁制帯幅よりも小さく、 かつ該第3の半導体層の厚みが、該第3の半導体層と該
第2および第4の半導体層との格子定数の差に起因する
応力によって少なく共第2,第3または第4の半導体層
のいずれかに転位が発生する臨界膜厚以下であり、 該第1および第2の半導体層をコレクタ領域、該第3の
半導体層をベース領域、該第4および第5の半導体層を
エミッタ領域とする半導体装置であって、 該第3の半導体層の厚みが5〜15nmであって、該第
3の半導体層における電子の第1励起状態のエネルギー
が該第2の半導体層の伝導帯から0.05eV以下の範
囲にあ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。
1. A first semiconductor layer of a first conductivity type formed on a semiconductor substrate, and a second semiconductor layer of either a first conductivity type or a second conductivity type formed on the first semiconductor layer. A semiconductor layer,
A second conductive type third layer formed on the second semiconductor layer;
Semiconductor layer, a fourth semiconductor layer of the first conductivity type formed on the third semiconductor layer, and a fifth semiconductor of the first conductivity type formed on the fourth semiconductor layer. The third semiconductor layer has a forbidden band width smaller than the forbidden band widths of the second and fourth semiconductor layers, and the third semiconductor layer has a thickness smaller than that of the third semiconductor layer. A critical film thickness at which dislocations occur in either the second, third or fourth semiconductor layers due to the stress caused by the difference in lattice constant between the third semiconductor layer and the second and fourth semiconductor layers. A semiconductor device having the first and second semiconductor layers as a collector region, the third semiconductor layer as a base region, and the fourth and fifth semiconductor layers as an emitter region. The semiconductor layer has a thickness of 5 to 15 nm, and the electrons in the first excited state of electrons in the third semiconductor layer are A heterojunction bipolar transistor characterized in that the energy is in the range of 0.05 eV or less from the conduction band of the second semiconductor layer.
【請求項2】 半導体基板上に形成された第1導電型の
第1の半導体層と、該第1の半導体層の上部に形成され
た第1又は第2導電型のいずれかの第2の半導体層と、
該第2の半導体層の上部に形成された第2導電型の第3
の半導体層と、該第3の半導体層の上部に形成された第
1導電型の第4の半導体層と、該第4の半導体層の上部
に形成された第1導電型の第5の半導体層とを少なく共
具備し、 該第3の半導体層の禁制帯幅は、該第2および第4の半
導体層の禁制帯幅よりも小さく、 かつ該第3の半導体層の厚みが、該第3の半導体層と該
第2および第4の半導体層との格子定数の差に起因する
応力によって少なく共第2,第3または第4の半導体層
のいずれかに転位が発生する臨界膜厚以下であり、 該第1および第2の半導体層をコレクタ領域、該第3の
半導体層をベース領域、該第4および第5の半導体層を
エミッタ領域とする半導体装置であって、 該第2および第4の半導体層に第1導電型の電荷担体を
供給する第1および第2のプレーナドープ領域を形成
し、 該第2・第3の半導体層界面、および第3・第4の半導
体層界面における禁止帯幅の差によって生じた電位障壁
を、電荷担体がトンネル効果によって透過できるように
該プレーナドープ領域の不純物密度および位置を選定し
た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. A first semiconductor layer of a first conductivity type formed on a semiconductor substrate, and a second semiconductor layer of either the first or second conductivity type formed on the first semiconductor layer. A semiconductor layer,
A second conductive type third layer formed on the second semiconductor layer;
Semiconductor layer, a fourth semiconductor layer of the first conductivity type formed on the third semiconductor layer, and a fifth semiconductor of the first conductivity type formed on the fourth semiconductor layer. The third semiconductor layer has a forbidden band width smaller than the forbidden band widths of the second and fourth semiconductor layers, and the third semiconductor layer has a thickness smaller than that of the third semiconductor layer. A critical film thickness at which dislocations occur in either the second, third or fourth semiconductor layers due to the stress caused by the difference in lattice constant between the third semiconductor layer and the second and fourth semiconductor layers. A semiconductor device in which the first and second semiconductor layers are collector regions, the third semiconductor layer is a base region, and the fourth and fifth semiconductor layers are emitter regions. First and second planar doped regions providing charge carriers of the first conductivity type to the fourth semiconductor layer And a potential barrier generated by a difference in forbidden band widths at the interfaces between the second and third semiconductor layers and the interfaces between the third and fourth semiconductor layers, so that the charge carriers can pass through the tunnel effect. A heterojunction bipolar transistor characterized by selecting an impurity density and a position of a doped region.
【請求項3】 半導体基板上に形成された第1導電型の
第1の半導体層と、該第1の半導体層の上部に形成され
た第1又は第2導電型のいずれかの第2の半導体層と、
該第2の半導体層の上部に形成された第2導電型の第3
の半導体層と、該第3の半導体層の上部に形成された第
1導電型の第4の半導体層と、該第4の半導体層の上部
に形成された第1導電型の第5の半導体層とを少なく共
具備し、 該第3の半導体層の実効的な禁制帯幅は、該第2および
第4の半導体層の禁制帯幅よりも小さく、 該第1および第2の半導体層をコレクタ領域、該第3の
半導体層をベース領域、該第4および第5の半導体層を
エミッタ領域とする半導体装置であって、 前記第3の半導体層は格子定数の異なる2種類以上の化
合物半導体層で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。
3. A first semiconductor layer of a first conductivity type formed on a semiconductor substrate, and a second semiconductor layer of either the first or second conductivity type formed on the first semiconductor layer. A semiconductor layer,
A second conductive type third layer formed on the second semiconductor layer;
Semiconductor layer, a fourth semiconductor layer of the first conductivity type formed on the third semiconductor layer, and a fifth semiconductor of the first conductivity type formed on the fourth semiconductor layer. The third semiconductor layer has an effective forbidden band width smaller than the forbidden band widths of the second and fourth semiconductor layers, and the first and second semiconductor layers are A semiconductor device having a collector region, the third semiconductor layer as a base region, and the fourth and fifth semiconductor layers as an emitter region, wherein the third semiconductor layer is two or more kinds of compound semiconductors having different lattice constants. A heterojunction bipolar transistor characterized in that it is composed of layers.
JP21762194A 1994-09-12 1994-09-12 Hetero junction bipolar transistor Pending JPH0883806A (en)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002359249A (en) * 2001-05-31 2002-12-13 Matsushita Electric Ind Co Ltd Compound semiconductor device and manufacturing method therefor
JP2007294782A (en) * 2006-04-27 2007-11-08 Sony Corp Semiconductor device
JP2017195388A (en) * 2015-09-04 2017-10-26 ウィン セミコンダクターズ コーポレーション Heterojunction bipolar transistor

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JP2007294782A (en) * 2006-04-27 2007-11-08 Sony Corp Semiconductor device
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