JPH09283533A

JPH09283533A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ

Info

Publication number: JPH09283533A
Application number: JP9234696A
Authority: JP
Inventors: Katsuya Nozawa; 克弥能澤; Minoru Kubo; 実久保
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-04-15
Filing date: 1996-04-15
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】ＳｉＧｅＣを用いたＨＢＴを提供する。【解決手段】 p型Si基板６１上に高濃度ｎ型領域Si６
２を成長させ、その上にコレクタ領域となるｎ型Si層６
３を成長させ、その上にベース領域となるｐ型Si層６４
を成長させ、その上にエミッタ領域であるｎ型SiGeC混
晶６５を成長させる。これらは、各接合界面は転位が発
生しないようにエピタキシャル成長させている。この構
成では、基板、コレクタ領域、ベース領域、エミッタ領
域のすべてで格子定数をSiに一致させているため、ヘテ
ロ接合に伴う格子不整合は発生せず、従って格子不整合
に起因する歪みによる格子欠陥は発生しない。また格子
整合系であるため、臨界膜厚は存在しないため、希望す
る任意の膜厚を結晶成長させることができる。このよう
に、SiGeC混晶をエミッタ領域に使用すれば、SiGe混晶
によるHBTでは不可避であった格子不整合の問題を解決
することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はエミッタ領域のバン
ドギャップがベース領域のバンドギャップよりも大きく
なるような半導体の組み合わせにより構成されたヘテロ
接合バイポーラトランジスタ(HBT)に関する。

【０００２】

【従来の技術】エミッタ領域のバンドギャップをベース
領域より大きくすることにより、エミッタの注入効率を
大幅に向上させ、トランジスタの電流利得を増大させる
ヘテロバイポーラトランジスタ（以下HBT）の概念は194
8年にShockleyにより提唱され、従来から高機能素子と
して注目を集めていた。HBTにおける最高電流利得βmax
は、エミッタキャリア濃度Ne、ベースキャリア濃度Pb、
電子及び正孔の平均速度をそれぞれvnb、vpe、エミッタ
とベース領域のバンドギャップの差をΔEgとするとβma
x＝Ne／Pb・vnb／vpe・exp（ΔEg／ｋＴ）で与えられ
る。ここで、kはボルツマン定数であり、Ｔは温度であ
る。ΔEg＝０の時の値を１として、ΔEgと温度を変化さ
せた場合のβmaxの値の変化を図１に示す。

【０００３】この図から明らかなように、βmaxはΔEg
に対し指数関数的に依存するので、Ｔとして300K(27℃)
をえらび、ΔEg＝0.3eVの場合を考えるとβmaxはΔEg＝
0の場合に比べて約110000倍大きくなる。このΔEgによ
るβmaxの改善効果をそのまますべて電流利得の改善に
用いることもできるが、逆にβmaxの値をΔEg＝0のバイ
ポーラトランジスタと同程度の値に抑えるならば、エミ
ッタ領域のキャリア濃度Neを十分小さくし、またベース
のキャリア濃度Pbを十分大きくすることができることに
なる。Neを小さくするとエミッタ-ベース間の接合容量
を低減でき、Pbすなわちベースにおけるドーパントの濃
度を高めるとベースの抵抗が下がる。これら二つの効果
によりトランジスタの高周波動作が可能になる。つまり
最大発振周波数fmaxが大きいトランジスタが実現でき
る。最大発振周波数の高いトランジスタは、携帯電話等
の移動体通信分野において不可欠のデバイスであるた
め、その需要拡大に伴い、高速動作可能なHBTに対する
要望は高まる一方である。

【０００４】（SiGeを用いたHBT）これら、HBTは従来Ga
As半導体とAlGaAs半導体の組み合わせなどにより制作さ
れていた。それに対し近年、Geのバンドギャップ(0.66e
V)がSiのバンドギャップ(1.12eV)よりも小さいためSiGe
混晶のバンドギャップがSiのものよりも小さくなること
を利用したSiGe混晶半導体を使用したHBTが開発され注
目を集めている。

【０００５】SiGe混晶のバンドギャップの組成比依存性
を図２に示す。本図は1993年のJournal of Crystal Gro
wth誌の425頁に掲載されたA.R. Powellらの論文から引
用した。なお、後述するように、混晶に歪みが加わった
場合バンドギャップが変化するので、歪みが存在しない
場合のバンドギャップの値１とSiとの接合による歪みを
受けている場合のバンドギャップの値２の両方を示す。
どちらの場合でも単体のSiに比べればバンドギャップが
小さくなっているのは明らかである。なお、Siとの接合
により発生する歪みの効果でSiGe混晶のバンドギャップ
が変化しバルクの状態に比べ小さくなっているのが分か
る。

【０００６】この、SiとSiGeとの組み合わせによるHBT
の制作例では、たとえば、 Daimler-Benz社により制作
され、1995年度のIEDMにおいて発表されたfmax=160GHz
のHBTをあげることができる（1995年IEDM Technical Di
gest743頁参照）。このSiGe混晶を用いたHBTは、長年の
技術蓄積の成果により高度で大規模な集積回路を実現し
ているSiプロセスとの整合性や、Asを大量には使用しな
いという環境への配慮などの点でGaAsを用いたHBTに対
し有利であるため非常に期待されている技術である。

【０００７】しかしながら、SiとGeの場合、それぞれ単
体の場合の格子定数は5.43Åと5.65Åであり、格子不整
合は4%以上にも及ぶ。そのため、SiとGeの中間の格子定
数を持つSiGe混晶半導体を単体のSi上に結晶成長させる
場合、格子不整合に起因する歪みを結晶がうけることと
なり、ある一定の厚さ(臨界膜厚)以上にSiGe混晶をSi上
に結晶成長させると転位等の結晶欠陥が発生してしまう
問題が生じる。格子不整合の割合と臨界膜厚の関係を図
3に示す。これはThomas P. Pearsall著 Strained-Layer
Superlattices: Physics （Academic Press , Inc.
刊）３頁より引用した。

【０００８】この格子不整合の問題はSiGe混晶をベース
領域に使用し、Siをエミッタ領域に使用するHBTの制作
の場合においても当然発生する。従って、結晶欠陥を抑
制するためにはSiGe混晶の膜厚を臨界膜厚以下に制限す
る必要がある。一方、 SiGe半導体において、Geの組成
比を小さくすれば混晶の格子定数はSiの格子定数に近づ
くため、 SiGe混晶とSi結晶とのヘテロ界面における格
子不整合に起因する歪みは抑えることができるが、この
場合格子定数とともにバンドギャップの差がSiGe混晶と
Siとの間で小さくなるため、ヘテロ接合間でのバンドギ
ャップの差を利用して高性能を実現するHBTの場合、こ
のようにバンドギャップの差を制限する方法は好ましく
ない。

【０００９】また、SiGeの場合バンドギャップは必ずSi
よりも小さく、Geの組成比を上げるに従いバンドギャッ
プが減少するため、エミッタ領域のバンドギャップをベ
ース領域のバンドギャップに比べて大きく取ることによ
る性能向上を目的としたHBTの場合、その組成比の組み
あわせは必然的に制限され、例えばSiGe混晶とSiとの組
み合わせの場合、ベース領域にSiGe混晶を、エミッタ領
域にSiを使用することとなる。

【００１０】（SiGeCを用いたHBT）また、その一方で同
じ４族の元素であるCを加えてSiGeC三元混晶を利用した
半導体が近年提唱され、注目されている。これは、CがS
iやGeよりも小さな格子定数を持つことによりCをSiGe混
晶に加えると格子定数を小さくすることができ、Siとヘ
テロ接合する際の格子不整合を緩和することができるた
めである。

【００１１】実際にSiGeC混晶を利用したHBTについては
L.D.Lanezerottiらがベース領域のみにSiGeC混晶を使用
し、エミッタ領域とコレクタ領域にSiを使用したものを
制作し、1994年のIEDMにおいて報告している(1994年 IE
DM Technical Digest 930頁参照)。この例の構造概念図
を図４に示す。

【００１２】しかしこの制作例のように、エミッタ領域
にSiを使用しベース領域のみにSiGeC混晶を用いた場
合、格子不整合を緩和するためにSiの格子定数に近づけ
なければならないという制限と、HBTの長所を発揮させ
るためにバンドギャップをエミッタ領域のSiのバンドギ
ャップより小さくせねばならないという二つの制限要素
が発生するため、混晶比すなわち格子定数とバンドギャ
ップ等の選択可能範囲が著しく制限される。また、エミ
ッタ領域が単一元素の半導体により構成されるため、空
間的なバンドギャップ変化を与えることが出来ず、ベー
スオン電圧の均一性向上やデジタル回路における電源電
圧の低減に有効な、エミッタ領域において空間的にバン
ドギャップを連続に変化させたいわゆる傾斜型エミッタ
構造を実現することができない。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】従来のSiとGeおよびそ
れら２種の混晶を利用したHBTの場合、エミッタ領域の
バンドギャップをベース領域のバンドギャップより大き
くする場合、必ずエミッタ領域とベース領域で格子定数
の差が生じ、その格子定数の差により歪みが発生し、良
好な結晶性を保ったまま積層できる結晶膜厚に限界が生
じる。また、バンドギャップと格子定数は結晶に加わる
歪みが固定されている場合、一方を決定すると他方が必
然的に決定するため、両者を自由に選択することができ
ない。したがって、格子不整合の割合を抑えるためには
取り得るバンドギャップの差が小さく限定される。

【００１４】また、ベース領域のみにSiGeC混晶を使用
し、エミッタ領域にSiを使用したHBTの場合、ベース領
域のバンドギャップをエミッタ領域のバンドギャップよ
り小さくしなければならないという制限と、格子不整合
を結晶欠陥発生が生じない程度に抑えるためにベース領
域の格子定数と膜厚を選択しなければならない制限か
ら、SiGeC混晶の組成比として選択可能な範囲が限定さ
れ、結果、ベース領域とエミッタ領域とのバンドギャッ
プの差が小さく制限される。また、エミッタ領域におけ
るバンドギャップの傾斜構造を用いることが出来ない。

【００１５】本発明は上記問題点に鑑み、HBTにおいて
バンドギャップと格子定数の選択の自由度を向上させる
ことにによりバンドギャップの差を大きくすることを可
能にし、また、従来の構成では不可能であった格子整合
系におけるHBTや傾斜型エミッタ構造の採用を可能にし
たHBTを提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体デバイス
においては、特にエミッタ領域にSiとGeとCからなる三
元混晶半導体SiGeCを使用することを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】

（SiGeC混晶の特徴）Si、Ge、Cはそれぞれ14族に属する
半導体である。その物性は、格子定数がそれぞれ5.43Å
(Si)、5.65Å(Ge)、3.57Å(C:ダイアモンド)であり、バ
ンドギャップが1.12eV(Si)、0.66eV(Ge)、5.47eV(C:ダ
イアモンド)である。つまり、CはSi、Geの両者よりも格
子定数が小さく、両者よりもバンドギャップが大きいと
いう特徴を持つ。

【００１８】従って、 SiとGeの二元混晶SiGeの場合、
混晶比によらず格子定数は必ずSi以下であり、バンドギ
ャップはSi以上であったものが、Cを加えてSiGeCの三元
混晶とすれば、バンドギャップと格子定数をSi以上にす
ることもそれ以下にすることも可能になる。

【００１９】また、 Si1-yGey の場合混晶比の自由度が
１であるため、例えば格子定数を決めた場合ｙを決定す
ることとなり、バンドギャップは一意に決まり両者を自
由に選択することができない。なお、後述するように格
子歪みが加わっている場合同一の組成比でもバンドギャ
ップが変化するが、結晶に加わる歪みはその結晶と結合
させる結晶の格子定数により決まるため、単体で格子歪
みを変化させることはできない。

【００２０】これに対し、SiGeC混晶の場合混晶比の自
由度が２であるため、格子定数を決定してもバンドギャ
ップとしてある範囲から選択することができる。このた
め、ヘテロ結合を行う場合、格子整合をとりながらバン
ドギャップに違いを与えられるために格子不整合による
歪みを抑制することができ、臨界膜厚の問題を緩和もし
くは無くすことが可能となり、良好な結晶状態を持った
混晶を必要な厚さだけ成長させることができる。また、
急峻なヘテロ接合の場合に限らず、格子整合を保ちつつ
連続的にバンドギャップを変化させることが可能になる
ため、いわゆる傾斜型バンド構造を実現することも可能
となる。

【００２１】この格子定数とバンドギャップの選択の自
由度を示す一例を図5に示す。これは、1995年のJournal
of Crystal Growth誌vol.157の386〜391頁に掲載され
たJ.Kolodzeyにより計算されたSi1-9.22yGe8.22yCy混晶
のバンドギャップの組成比y依存性である。なお、計算
は歪みが存在しない場合について行われている。この混
晶は0≦ｙ≦0.108の範囲においてSiと格子整合する。こ
の図にはそれぞれ異なる三つの伝導帯のエネルギー準位
が価電子帯の最高エネルギーを原点として描かれている
が、この三つのエネルギー準位のうち最低のものがバン
ドギャップの値となる。図より明らかなようにy=0の時
にバンドギャップはSi単体の場合の値1.12eVとなり、y=
0.10で1.4eV程度となる。従って、Siに格子整合する混
晶において、1.12eVから1.4eV程度まで自由にバンドギ
ャップを選択することができ、最大約0.3eV程度までバ
ンドギャップに差を与えることができる。この場合、Si
に格子整合する混晶の例を取り上げたが、最小Cに格子
整合する系から最大Geに格子整合する系まで、それぞれ
の格子定数においてある範囲でバンドギャップの値を選
択することができる。

【００２２】格子整合系における利点をまず述べたが、
格子不整合系においてもSiGeC混晶を用いる利点は存在
する。例えば、SiとSiGeの格子不整合を有するヘテロ接
合においてSiをSiと格子定数が同じでよりバンドギャッ
プの大きいSiGeC混晶で置き換えれば、バルク状態での
バンドギャップ差分だけSiGeとのバンドギャップの差を
より大きくとることが可能になる。バンドギャップを連
続に変化させる構造を採用する場合においても、同一の
歪みまでを許容するならばSiGe二元混晶よりもバンドギ
ャップの変化の範囲を広くとることが可能である。

【００２３】また、SiGe混晶では必ずSiよりも格子定数
が大きいため、Siとのヘテロ結合を行なった場合、Siは
格子定数を広げられる向きに、SiGe混晶は狭められる向
きに歪み応力を受ける。SiGeC混晶はSiよりも格子定数
を大きくも小さくもできるので、Siに対してどちらの向
きにも応力を与えられることになり、歪みの導入による
素子特性制御を目指した格子不整合制御を行なう場合に
おいてもSiGeに比べ取り得る格子定数の制御自由度が高
く、格子歪みが存在しない場合のバンドギャップの自由
度と組み合わせることにより、ヘテロ接合時にSiGeより
も大きな効果を得ることが出来る。

【００２４】このSiGeC混晶の、格子定数とバンドギャ
ップを一定の範囲で独立に変化させることのできる特徴
を利用したことを特徴とする本発明のHBTについて説明
する。

【００２５】（実施例その１：エミッタ領域にSiGeC混
晶を使用し、格子整合を取った例）まず、本発明請求項
2に記載のHBTの一実施例について説明する。この一実施
例の構造断面模式図を図６に示し、図７にこの実施例の
HBTの動作時のエネルギー帯図を示す。

【００２６】まず、p型Si基板６１上に高濃度ｎ型領域S
i６２を成長させ、その上にコレクタ領域となるｎ型Si
層６３を成長させ、その上にベース領域となるｐ型Si層
６４を成長させ、その上にエミッタ領域であるｎ型SiGe
C混晶６５を成長させる。これら、コレクタ領域、ベー
ス領域、エミッタ領域の各接合界面は転位が発生しない
ようにエピタキシャル成長させている。これら、各領域
のエピタキシャル成長はUHV-CVD法で行うことができ
る。そのソースとしては、Si領域の成長にはシランもし
くはジシランを、SiGe領域の成長にはシランもしくはジ
シラン及びゲルマンを、SiGeC領域の成長にはシランも
しくはメチルシラン等の有機シラン及びゲルマンもしく
はメチルゲルマン等の有機ゲルマンおよび場合によりエ
チレンを使用することができる。伝導型を決定するドー
ピング用不純物（ドーパント）としては、n型不純物と
してAs、Pなどを、p型不純物としてＢなどを使用するこ
とができる。なお、これら各領域の結晶成長法に関して
は以下の各実施例に共通となるので、後で詳述する。

【００２７】このSiGeC混晶の組成比としてはベース領
域のSiと格子定数が同一でまた、Siよりバンドギャップ
が大きくなるようにSi0.078Ge0.822C0.1の組成比を選択
している。この組成比の場合、先に述べたようにバンド
ギャップは約1.4eVとなりベース領域のSiのバンドギャ
ップより約0.3eV大きくなる。また、格子整合系である
ので歪みによるバンドギャップ変化は存在しない。従っ
て、温度300K（約27℃）の条件ではバンドギャップの差
によるβmaxの改善効果はΔEg=0の場合に比べて約11000
0倍である。

【００２８】このHBTの場合、基板、コレクタ領域、ベ
ース領域、エミッタ領域のすべてで格子定数をSiに一致
させているため、ヘテロ接合に伴う格子不整合は発生せ
ず、従って格子不整合に起因する歪みによる格子欠陥は
発生しない。また格子整合系であるため、臨界膜厚は存
在しないため、希望する任意の膜厚を結晶成長させるこ
とができる。このように、SiGeC混晶をエミッタ領域に
使用すれば、SiGe混晶によるHBTでは不可避であった格
子不整合の問題を解決することが出来る。

【００２９】（実施例２：格子歪みを積極的に導入した
例）次に図８に本発明請求項３に記載のHBTの一実施例
の構造断面図を示す。また、図９にこのHBTの動作時の
エネルギー帯図を示す。このHBTの形成は、p型Si基板８
１上に高濃度ｎ型領域Si８２を成長させ、その上にコレ
クタ領域となるｎ型Si層８３を成長させ、その上にベー
ス領域としてp型SiGe混晶層８４をエピタキシャル成長
させ、その上にエミッタ領域であるｎ型SiGeC混晶８５
をエピタキシャル成長させることにより行う。

【００３０】この実施例では、エミッタ領域のSiGeC混
晶はバンドギャップがSiのバンドギャップより大きくな
るように組成比が選択されている。先にあげたJ. Kolod
zeyによる計算に従えば、 Si0.078Ge0.822C0.1の組成比
を選択すればこの混晶の格子定数はSiにほぼ一致し、バ
ンドギャップを約1.4eVとすることができ、Siのバンド
ギャップ1.12eVよりも約0.3eV大きくすることができ
る。また、ベース領域のSiGeの組成比としてSi0.8Ge0.2
が選択されている。この場合、ベース領域とコレクタお
よびエミッタ領域との間で格子整合が取れていないため
歪みが発生し、ベース領域のバンド構造が変化してバン
ドギャップが歪みのない場合に比べ約0.1eV小さくなり
バンドギャップは約1.0eVとなる。従ってベース、エミ
ッタ間のバンドギャップ差は0.4eVとなる。なお、格子
整合が取れていないために臨界膜厚が存在し、その値は
約1000Åとなるので、ベースの厚みを900Åに抑えてい
る。

【００３１】なお、この実施例のようにベース領域にSi
Ge混晶を用いると、Geのキャリアの移動度がSiに比べ大
きいため、ベースにおけるキャリアの走行速度が大きく
なり、トランジスタの高速化を期待できる。

【００３２】このように、エミッタ領域にSiよりも大き
なバンドギャップをもつSiGeC混晶を使用すると、Siを
エミッタ領域に使用したHBTに比べ、よりベース領域と
のバンドギャップ差を与えることができるため、バンド
ギャップ差による性能改善効果をより多く得ることがで
きる。

【００３３】（実施例３：エミッタ領域でバンドギャッ
プの変化を与えた例）次に図10に本発明請求項４に記載
のHBTの一実施例の構造断面模式図を示す。また、動作
時のエネルギー帯図を図11に示す。この実施例の場合、
ｐ型Si基板１０１上に高濃度n型領域１０２を成長さ
せ、その上にコレクタ領域となるｎ型Si層１０３を成長
させ、その上にベース領域となるp型Si層１０４を、そ
のベース上にエミッタ領域となるｎ型SiGeC混晶層１０
５を成長させる。このエミッタ領域のSiGeC混晶はベー
ス領域のSiと格子整合するように混晶比が選択されてお
り、またベースとの接合部分において組成が単体のSiと
同一で、それからエミッタ領域の内側に行くにしたがっ
て格子整合を保ちつつCの組成比を大きくし、バンドギ
ャップが空間的に連続に大きくなるように変化するよう
にしている。先述のJ. Kolodzeyらの計算によればSi1-
9.22yGe8.22yCyなる混晶比を用い、ベースとの接合部分
でy=0、ベースからエミッタ領域の内側に行くにしたが
いyの値を0.1まで連続に変化させればこのような構造を
実現できる。バンドギャップの総変化量は約0.3eVであ
る。

【００３４】このように傾斜型エミッタ構造を採用する
と、エミッタから注入される電子のエネルギーバリアが
Siベースとなりベースオン電圧ははぼSiにより決定され
る。従ってベースオン電圧の均一性を高めることがで
き、また、デジタル回路に使用した場合には電源電圧を
低く抑えることができる。

【００３５】このような傾斜型エミッタ構造は従来のSi
Ge混晶を用いたHBTの場合、バンドギャップの変化に伴
い必然的に格子定数の変化が生じ歪みが発生が不可避で
あった。しかし、本発明によれば、上記のように格子整
合系でかつ傾斜エミッタ構造が実現可能になる。また、
ここでは格子整合系の例をとりあげたが、格子不整合系
においてもSiGe混晶を用いたHBTでは実現不可能だった
ベース領域へのSiの使用を可能にするなど、組成の配置
構造などの自由度を高めることができる。

【００３６】（実施例４：ベース領域でバンドギャップ
の変化を与えた例）次に図12に本発明請求項５に記載の
HBTの一実施例の構造断面模式図を示す。このHBTの動作
時のエネルギー帯図を図13に示す。この実施例の場合、
ｐ型Si基板１２１上に高濃度n型Si層１２２を成長さ
せ、その上にコレクタ領域となるn型Si層１２３を成長
させ、その上にベース領域となるp型SiGeC混晶層１２４
を成長させる。その上にエミッタ領域となるn型SiGeC混
晶層１２５を成長させる。このベース領域のSiGeC混
晶、エミッタ領域のSiGeC混晶ともに格子定数をSiに一
致するように組成比を選択している。また、ベース領域
においては、エミッタ領域との接合部分からコレクタと
の接合部分に向かうにしたがい、バンドギャップが連続
的に小さくなるように組成比を空間的に変化させてい
る。この実施例の場合はエミッタ領域の混晶の組成比と
してSi0.078Ge0.822C0.1を選択し、ベース領域の組成比
として、 Si1-9.22yGe8.22yCyとし、エミッタ領域と接
合部分でy=0.08をとり、コレクタ領域との接合部分でy=
0を取るように空間的に連続にyを変化させる。このよう
な組成比を選択すると、エミッタ領域のバンドギャップ
は約1.4eVとなり、ベース領域のバンドギャップは約1.3
eVから1.12eVまで連続に変化する。

【００３７】このようにベース領域でバンドギャップが
変化するような構造を、傾斜型ベース構造もしくはドリ
フト型ベース構造と呼ぶ。このようにバンドギャップに
傾斜を与えるとベース領域に内部電場が発生し、キャリ
アをこの電界により加速することができるのでトランジ
スタの動作速度を向上させることが出来る。

【００３８】この様な傾斜型ベース構造HBTをSiGe半導
体で実現するには、先の傾斜型エミッタ構造の場合と同
じく格子不整合の問題は不可避であった。しかし、SiGe
C混晶をベース領域に使用すれば格子整合系で傾斜型ベ
ース構造を実現可能となる。また、エミッタ領域にもSi
GeC混晶を用いているために、ベース、エミッタ間で格
子整合をとりつつエミッタ側のバンドギャップを大きく
することが可能である。なお、格子不整合系においてSi
GeC半導体をベースおよびエミッタ領域に使用しても、
先の傾斜エミッタ構造で述べたように、バンドギャップ
の傾斜変化増大などの設計自由度を高めることが可能と
なり、従来のSiGe系HBTに比べ長所を主張できる。

【００３９】（実施例5：エミッタ領域およびベース領
域でバンドギャップの変化を与えた例）次に本発明請求
項６に記載のHBTの実施例について説明する。このHBTの
構造模式図を図14に、動作時のエネルギー帯図を図15に
示す。構造はｐ型Si基板１４１上に高濃度n型Si領域１
４２を成長させ、その上にコレクタ領域となるn型Si層
１４３を成長させ、その上にベース領域となるp型SiGeC
混晶１４４を成長させる。そのベース上にエミッタ領域
となるn型SiGeC混晶層１４５を成長させHBTを構成す
る。各領域の形成は先述の実施例１同様UHV-CVD法を用
いて行う。組成比としてはベース領域、エミッタ領域を
通じてSi1-9.22yGe8.22yCyの組成比を選択し、ベース領
域においてはコレクタ領域との接合部分でy=0の値をと
り、エミッタ領域との接合部分においてy=0.05となるま
で空間的に連続にyの値を増大させている。また、エミ
ッタ領域においては、ベース領域との接合部分において
y=0.05をとり、そこからエミッタ領域内部に向かうにし
たがいyの値を連続的にy=0.1まで増加させている。 J.
Kolodzeyの計算によれば、このような組成比にすれば、
格子定数が一定でバンドギャップがベース領域、エミッ
タ領域で傾斜構造をなし、先に述べた傾斜型エミッタ構
造と傾斜型ベース構造の組み合わせを実現し、またエミ
ッタ領域のバンドギャップがベース領域のバンドギャッ
プに比べて常に大きくなる。このような傾斜型エミッタ
構造と傾斜型ベース構造の組み合わせた構造は、先に述
べたそれぞれの傾斜構造の利点をともに備えている。こ
のように、傾斜型エミッタ構造と傾斜型ベース構造を兼
ね備える構造においてSiGeC混晶を用いる利点はそれぞ
れ個別に述べた利点と同様である。即ち、SiGe系HBTで
は不可能な格子整合をとったバンドの傾斜構造を可能に
し、格子不整合系の場合でもSiGe混晶にくらべバンド傾
斜構造の傾斜度などの自由度を高めることができる。

【００４０】以上の実施例に、すべてnpn型HBTを例とし
て取り上げたが、無論pnp型HBTにおいても本発明の構造
を採用することにより、同様の効果を得ることが出来
る。

【００４１】また、エミッタトップ型の構造において本
発明の効果を説明したが、コレクタトップ型でも本発明
の効果を得ることができる。

【００４２】（SiGeC混晶作成方法）これらHBTに使用す
るSiGeC混晶はイオン注入法やMBE法、もしくはUHV-CVD
法により作製することができる。

【００４３】イオン注入法を選択する場合、Si結晶にGe
イオンとCイオンを注入することによりSiGeC混晶を作成
することができ、本発明のHBTを作成することができ
る。また、Si結晶に対して注入を行うのではなく、SiGe
混晶をあらかじめMBEやUHV-CVDといった別の方法で作成
しておき、それに対しCイオンを注入する方法でもSiGeC
混晶を作成でき、本発明を実施できる。このイオン注入
法の利点としては、加速電圧を変化させることにより注
入深さの制御が行える点である。傾斜型エミッタ等の空
間的に組成比が変化するような実施例の場合、このよう
に容易に空間的な組成比の制御ができる方法は都合がよ
い。しかしながらイオン注入法の場合、注入により導入
される結晶欠陥の問題は不可避である。この結晶欠陥の
除去には一般に熱処理を要するが、SiGeC半導体の場合
高温処理を行うとβ-SiCが析出し、結晶性を低下させて
しまう。従って、良好な品質の本発明HBTの作成にはMBE
法やUHV-CVD法の方が適している。

【００４４】一方、MBE法およびUHV-CVD法の場合、原子
層オーダーでの成長制御が可能であり、請求項４〜６に
記載されているような格子整合を保ちつつ組成比が空間
的に変化するような構造も容易に制作することが可能で
ある。このような組成比の空間的変化は、Si、Ge、Cそ
れぞれのソースの供給量を制御することにより実現でき
る。例えば、MBEおよびUHV-CVD法によりSiGeC混晶の組
成比の空間変化の制御を行う場合、非常に薄い例えば数
原子層単位で結晶成長を行い、各層の成長の際に実現し
たい組成比に対応してソースの供給量およびその比を制
御し、各層の成長の切り替えの間ではソースの供給を停
止する方法を用いれば高精度の組成比制御が可能とな
る。このようなMBE法およびUHV-CVD法を用いた結晶成長
の場合、結晶欠陥の発生を防ぎながら成長を行うことが
できるため、結晶性回復のための高温処理は不要であ
る。

【００４５】なお、MBE成長法の場合SiGeC混晶を成長さ
せる場合において2％程度までしかCの組成比を高めるこ
とが困難であることが知られているので、Cの組成比を
より高めることができるUHV-CVD法の法が本発明のHBTの
作製に適している。量産性の観点からもUHV-CVD法の方
が優れている。

【００４６】UHV-CVD法のガスソースとしてはシラン、
ゲルマン、メチルシラン、メチルゲルマン、エチレンな
どを使用してSiGeC混晶を成長させることが可能であ
り、本発明のHBTを作製することができる。なお、結晶
成長における基板温度に関しては高温にするとβ-SiCが
析出する問題が存在するので500度から600度程度で行な
うことが好ましい。

【００４７】（伝導型決定のためのドーパント）Si，Si
Ge、SiGeCともに4族だけで構成される半導体であるの
で、各領域でのn型不純物としてAs、Pなどの5族元素を
使用することができ、p型不純物としてＢなどの3族元素
を使用することができる。

【００４８】以上のようにHBTにおいてエミッタ領域にS
iGeC混晶半導体を使用すれば、ベース領域とのヘテロ界
面における格子不整合の問題を緩和もしくは解消しつ
つ、より大きなバンドギャップの差を与えたり傾斜バン
ド構造を実現することができ、また、バンドギャップや
格子定数を空間的に変化させることが容易になるため、
バンドギャップの変化による特性改善効果をより高め、
高性能のHBTを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ベース領域とエミッタ領域のバンドギャップ差
ΔEgによる最高電流利得βmaxの改善効果を示す図

【図２】SiGe混晶のバンドギャップの組成比依存性を示
す図

【図３】格子不整合と臨界膜厚の関係を示す図

【図４】ベース領域のみにSiGeCを使用したHBTの構造概
念図

【図５】SiGeC混晶におけるSiに格子整合する条件での
バンドギャップの組成比依存性を示す図

【図６】エミッタ領域にSiGeC混晶を使用し、ベース領
域のSiと格子整合をとった本発明のHBTの構造概念図

【図７】図６のトランジスタの動作時のエネルギー帯図

【図８】ベース領域にSiGeを使用し、エミッタ領域にSi
GeC混晶を使用した本発明のHBTの構造概念図

【図９】図８のトランジスタの動作時のエネルギー帯図

【図１０】SiGeC混晶による傾斜エミッタ構造を採用し
た本発明の一実施例の構造概念図

【図１１】図１０のトランジスタの動作時のエネルギー
帯図

【図１２】SiGeC混晶による傾斜ベース構造を採用した
本発明のHBTの一実施例の構造概念図

【図１３】図１２のトランジスタの動作時のエネルギー
帯図

【図１４】SiGeC混晶による傾斜エミッタおよび傾斜ベ
ース構造を採用した本発明のHBTの一実施例の構造概念
図

【図１５】図１４のトランジスタの動作時のエネルギー
帯図

【符号の説明】

２１歪みが存在しない場合のバンドギャップ２２Ｓｉとの接合による歪みが存在する場合のバンド
ギャップ６１ｐ型Ｓｉ基板６２高濃度ｎ型Ｓｉ６３ｎ型Ｓｉからなるコレクタ領域６４ｐ型Ｓｉからなるベース領域６５ｎ型ＳｉＧｅＣからなるエミッタ領域６６コレクタ領域６７ベース領域６８エミッタ領域８１ｐ型Ｓｉ基板８２高濃度ｎ型Ｓｉ８３ｎ型Ｓｉからなるコレクタ領域８４ｐ型ＳｉＧｅからなるベース領域８５ｎ型ＳｉＧｅＣからなるエミッタ領域８６コレクタ領域８７ベース領域８８エミッタ領域１０１ｐ型Ｓｉ基板１０２高濃度ｎ型Ｓｉ１０３ｎ型Ｓｉからなるコレクタ領域１０４ｐ型ＳｉＧｅからなるベース領域１０５ｎ型ＳｉＧｅＣからなるエミッタ領域１０６コレクタ領域１０７ベース領域１０８エミッタ領域１２１ｐ型Ｓｉ基板１２２高濃度ｎ型Ｓｉ１２３ｎ型Ｓｉからなるコレクタ領域１２４ｐ型ＳｉＧｅからなるベース領域１２５ｎ型ＳｉＧｅＣからなるエミッタ領域１２６コレクタ領域１２７ベース領域１２８エミッタ領域１４１ｐ型Ｓｉ基板１４２高濃度ｎ型Ｓｉ１４３ｎ型Ｓｉからなるコレクタ領域１４４ｐ型ＳｉＧｅからなるベース領域１４５ｎ型ＳｉＧｅＣからなるエミッタ領域１４６コレクタ領域１４７ベース領域１４８エミッタ領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体からなるコレクタ領域、Siもしくは
SiとGeとの混晶もしくはSiとGeとCとの混晶からなるベ
ース領域、SiとGeとCとの混晶からなるエミッタ領域を
設け、前記エミッタ領域のバンドギャップが、前記ベー
ス領域のバンドギャップより大きくなるようにエミッタ
領域およびベース領域の混晶の組成比を選択したヘテロ
接合バイポーラトランジスタ。
【請求項２】エミッタ領域とベース領域の接合面におい
て、エミッタ領域とベース領域を構成する半導体の格子
定数がほぼ一致するように、エミッタ領域およびベース
領域の混晶の組成比を選択した請求項１に記載のヘテロ
接合バイポーラトランジスタ。
【請求項３】エミッタ領域とベース領域の接合面におい
て、エミッタ領域とベース領域を構成する半導体の格子
定数が異なっており、格子定数の違いによる歪みにより
ベース領域もしくはエミッタ領域もしくはその両方のバ
ンド構造が変化するようにし、また格子定数の違いによ
る歪みにより転位が発生しないように、エミッタ領域お
よびベース領域の混晶の組成比と膜厚を選択した請求項
１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項４】半導体からなるコレクタ領域、Siもしくは
SiとGeとの混晶もしくはSiとGeとCとの混晶からなるベ
ース領域、SiとGeとCの混晶からなるエミッタ領域を設
け、エミッタ領域のバンドギャップがベース領域との接
合部分でベース領域のバンドギャップと同一の値をと
り、ベース領域との接合部分からエミッタ領域の内部に
向かって連続的もしくは段階的にバンドギャップが大き
くなるようにエミッタ領域の混晶の組成比を空間的に変
化させた部分が存在するヘテロ接合バイポーラトランジ
スタ。
【請求項５】半導体からなるコレクタ領域、SiとGeとの
混晶もしくはSiとGeとCとの混晶からなるベース領域、S
iとGeとCの混晶からなるエミッタ領域を設け、ベース領
域のバンドギャップがエミッタ領域との接合部分でエミ
ッタ領域のバンドギャップと同一の値をとり、エミッタ
領域との接合部分からベース領域の内部に向かって連続
的もしくは段階的にバンドギャップが小さくなるように
ベース領域の混晶の組成比を空間的に変化させた部分が
存在するヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項６】半導体からなるコレクタ領域、SiとGeとの
混晶もしくはSiとGeとCとの混晶からなるベース領域、S
iとGeとCの混晶からなるエミッタ領域を設け、ベース領
域のバンドギャップがエミッタ領域との接合部分でエミ
ッタ領域のバンドギャップと同一の値をとり、エミッタ
領域との接合部分からベース領域の内部に向かって連続
的もしくは段階的にバンドギャップが大きくなるように
ベース領域の混晶の組成比を空間的に変化させた部分が
存在し、エミッタ領域のバンドギャップが、ベース領域
との接合部分からエミッタ領域の内部に向かって連続的
もしくは段階的にバンドギャップが小さくなるようにエ
ミッタ領域の混晶の組成比を空間的に変化させた部分が
存在するヘテロ接合バイポーラトランジスタ。