JPS59210669A - 高速ヘテロ接合バイポーラ半導体装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、バイポーラトランジスタ、パーミアブルベー
ストランジスタ、プレーナドープト障壁トランジスタの
ととき３端子型半導体固停装置に関し、更に詳細には、
近弾動的電子運動（ｎ・ｅａｔ’１）ａｌｌｉｓｔｉｃ
　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｏｔｉｏｎ　）　　を許容する
ごとくエミッターベース障壁が形成され、非常に高速で
動作可能な半導体装置に関する。

（背景技術） 常流がエミッタからベースを介しコレクタに流れ、この
電流の流れがベース常流またはベース電圧により調整さ
れるような「垂直構造」を有する半導体装置では、電荷
キャリヤを該装置を介して移動させる拡散機構のため、
高周波領域において制限が生じてくる。この拡散の制限
はベース領域の厚さを減少させることにより低減させる
ことが可能であるが、このような低減はベース抵抗を増
加させ好ましくない。更に、通常のノくイボーラヘテロ
接合半導体装置では電子が小さ℃・熱エネルギー　（約
２６ｍｅＶ’　）　テベース領域に注入されるため、上
述のベース領域の厚さの減少によっては拡散機構の制限
は完全には除去されない。従って、この種の装置を高周
波、とりわけマイクロ波周波数領域用に製造することは
完全には成効してし・なかったＯ エサキ（Ｅｓａｋｉ　）氏に付与された米国特許第３２
０９２１５号は、狭いベース領域が与えられているが、
エミッタ、ベース及びコレクタは同じ導電形であるペテ
ロ接合半導体装置が開示されている先願特許である。こ
の特許には、トンネル効果が発生する構造が開示されて
いるが、反対の導電形を有するベースを具備するペテロ
接合トリオードＪ）使用についての考えは何ら開示され
ていない。

ハーブラム（Ｈｅｒｂｌｕｍ　）氏に伺与された米国特
許第４２８６２７５号は３端子半導体装置に関し、大き
なスイッチング速度を得るための構造に向けられている
。この特許は電荷キャリヤの拡散運動の制限を認識し、
優勢な電流注入機構がトンネル効果によるものとなるよ
うにエミッタ（またはキャリヤ注入領域）の障壁の高さ
及び幅を選択することによりこの問題を解決している。

チャン（Ｃｈａｉｎｇ　）氏等に付与された米国特許第
４１７３７６３号は、高速動作可能な装置を提供するた
めに１００Ａ以下の厚さのベースが使用され、エミッタ
からコレクタへのトンネルを形成するごときへテロ接合
トランジスタに関している。

上述の先行特許には、拡散機構の制限が知られているこ
と及び多くの試みが高周波数で動作するトランジスタを
製造するため種々の構造により上記の問題点を克服する
べくなされていることが示されているが、これらの先行
特許はキャリヤの弾劾輸送または近弾動輸送が動作速度
を改善するために使用できることを提示していない。

ＧａＡｓバイポーラトランジスタの薄いベース内におけ
る弾劾運動がロール（ＦＬｏｈｒ）氏等により提示され
ているが（ＳＳＥ　１７．７２９頁、　１９７４年参照
）、彼らは、電子が上方の谷部に散乱されるごとき散乱
効果が高エネルギー運動により導びかれるという事実を
考慮しておらず、またポテンシャル障壁が電子を放出す
るために使用できるという事実を認識しておらず、更に
このような運動が高速動作を得るための拡散制限の問題
を解決するために使用されている事実をみすごしている
。

（発明の課題） 本発明の目的は、拡散機構の制限を克服する、高速動作
可能な３端子型へテロ接合バイポーラ半導体装置を提供
することにある。

本発明の別の目的は、エミッタ領域及びコレクタ領域と
反対の導電形で形成されたベース領域を有し、ベース領
域の厚さが少数キャリヤの平均自由行程の長さ程度であ
り、キャリヤがエミッターベース・ヘテロ接合の砥遵帯
不連続部により生じた障壁によりエミッタ領域からベー
ス領域に注入されるごときパリスティックへテロ接合バ
イポーラトランジスタを提供することにある。

本発明の更に別の目的は、拡散機構による制限を、電子
を上方のエネルギー谷部に散乱させるエネルギーに近い
がそれ以下であるエネルギーに加速する役割をするエミ
ッターベース界面障壁を付与することにより克服した高
速動作可能なヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供
することＫある。

本発明の更に別の目的は、散乱なしで近弾動市。

子運動を許容するエミッターベース障壁を有するバリス
ティックへテロ接合バイポーラトランジスタを提供する
ことにある。

簡単に言えば、本発明は、エミッターベース接合がＧａ
ＭＡｓ−ＧａＡｓ接合もしくは他の川−■族化合物より
なる、エミッタ領域、ベース領域及びコレクタ領域を有
するヘテロ接合バイポーラ半導体装置に向けられたもの
である。この半導体装置は、エミッタ物質とベース物質
間の電子親和力の差が伝導帯端部にポテンシャルステノ
ブもしくは°′スパイク（５ｐｉｋｅ　）　”　障壁を
形成するごとく製造される。このスパイクは、障壁を横
切る電子の電位降下を生じせしめ、上方の谷部に散乱さ
せる（主に分極光学的フォノン相互作用（ｐｏｌａｒｏ
ｐｔｉｃａｌ　ｐｈｏ＋１ｏｎｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ
　）　ＩＦよる）エネルギーレベルと接近しているがそ
れ以下であるエネルギーレベルＶＷ子を央の谷部のエネ
ルギーレベル、ＥＬは上方の谷部のエネルギーレベルで
ある。Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓではΔＥ　Ｔ−。

−〇、５６　ｅＶである。散乱レベル以下のエネルギー
レベルを用いることにより、近弾動電子運動が、はとん
ど衝突しないで電子が薄いベース領域を通過できるよう
になされ、この運動は相反する効果が生じる表面よりむ
しろバルクのベース領域内にて起こる。これにより、垂
直構造が電子の上限速度を十分利用可能となり、サブピ
コ秒範囲以下のエミッターコレクタ通過時間を与える。

エミッターベース伝導帯ステップまたはスパイクは、そ
の高さがそれ以降のステップにおける電子の熱イオン的
放出を許容するよつＩＣ選択され、電子は熱エネルギー
の１０倍の範囲の運動エネルギーに加速される。この運
動エネルギーは電子を上方の谷部に移送させるのに必要
なエネルギーより約り０％小さいことが好ましく、これ
により最大電子速度及び最大平均自由行程表（０，３ｅ
Ｖ　Ｋ対して０６１５μｍ０程度）を与えることができ
ろ。このエネルギーレベルにおいて、電子は拡散機構よ
りむしろドリフトにより移動し、物質中の不純物とσ）
衝突が減少される。注入された電子のいくつかについて
衝突が起こったとしてもその影響は小さく、エネルギー
はわずか１０％強減少されるだけである。

求−た偏倚角の範囲も小さくすることができ（５°〜１
００）、所望の方向の電子の速度はあまり大きく変化し
ない。

スパイク領域（界面領域）の幅及び形状は、全障壁を介
するトンネル現象を防止するごとく設計され、多数電子
が適当なエネルギー（低いエネルギーではない）で加速
される。この形状は電子が注入されたときのようＶＣＣ
壬子量子論的反射を減少するように制御される。そして
障壁のスロープはベース側よりもエミッタ側において小
さくなげればならない。

ＧａＡｓ半導体では熱注入エネルギーは約０２６＃であ
る。エミッタとベース間の界面領域が例えば７７ｃｍと
なり、所望の電子速度となる。他のｌ１ｌ−Ｖ族化合物
半導体は異なった熱注入エネルギーを生じせしめ、異な
った界面の厚さは異なった結果を生じせしめろが一原理
は同じである。

界面領域σ）形状に加え、所望の電子速度を得るための
他（７）制御因子は、ベース領域の幅と半導体中の不純
物濃度である。これらの因子を変化させることにより、
界面部分（ｆなわち、半導体中の均一なＧａＡｓ領域と
均一なＧａＡ４領域との間の部分）において急峻な雷界
勾配またはなだらかな重界勾配を得ることができ、これ
らにより神々の形状及び高さのスパイクとすることが可
能となる。急峻な勾配においては界面領域の幅は］５Ａ
であり、一方、なだらかな勾配では界面領域の幅は１５
Ａ〜］（ＪＯ八へ）間となる。

これらの特徴を組込んだトランジスタは、準プレーナ構
造、メサ構造等への拡散技術またはイオン注入技術によ
り製造することかできる。

（発明の構成及び作用） 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

第１図において参照符号１０は、エミッタ領域Ｅ、ベー
ス領域Ｂ及びコレクタ領域Ｃを有するバイポーラトラン
ジスタのごとき３端子型の半導体同伴装置のエネルギー
バンドを示す。参照符号１２はエミッタ及びベース間の
界面１４またはへテロ接合にて形成されるスパイクまた
は障壁を示している。

エミッタはＮ型のＧａＡｄＡｓ半導体物質より成る０こ
の装置では、バイアスは零であり、ΔＥｃ＞　０．８５
ΔＥｇ・ここに示したベテロ接合バイポーラトランジス
タは、エミッタのドーピングレベルよりもかなり小さい
ドーピングレベルをベースσ）ために使用しているので
、伝導体スパイク領域１２１ｃおけるエネルギー差（Δ
Ｅｃ）は障壁の高さに非常に近くなっている。（ベース
におけるポテンシャルディノブもしくはポテンシャルノ
ツチ１６は無視できる。）ΔＥｃ（スパイクの高さ）は
、０．３１　ｅＶである散乱ポテンシャルΔＩＷ　ｒ−
Ｌ’ｔ’：等しいかまたはそれ以下でなければならない
ので、半導体物質中のアルミニウム含有量の範囲が次の
ように決定される。

Ａ１に７　（１，０６±０．０３）ＸμＡ８　（Ｘ工、
＜：　０．４５　）Ｘμ、はエミッタ中のアルミニウム
含有量と等しい。そして、ΔＥｃが約０．２６　ｅＶ　
（この値は前に定めた物質の散乱エネルギーレベルより
小さい）にセットされると、アルミニウム含有量は約２
５係となる。

また、適当な順バイアス（Ｖａ）を確立し、第２図に示
すようなエネルギーレベル値を形成しなければならない
。ここで、 Ｖａ−Ｖ。−ΔＥＧ Ｖａ　＝　Ｅ！ＩＢ−δＥ−δＢ である。ここでＶＤはエミッターベース接合に形成され
たポテンシャルであり、δＥ−δＢは伝導子（価電子帯
）とフェルミ準位と０）間のエネルギー差である。

スパイク領域１２の幅はエミッタの適当な領域のドーピ
ングレベルに依存する。この場合、ドーピングレベルは
約２　Ｘ　１０１６ｃｆ３であり、この値ではＶａ＝　
１．３　’Ｖのとき、領域（エミッタ）のデプレッショ
ン幅はｗＩ＝５００Ａとなる。これらの値に対しては、
約１６ＯＡの幅でさえトンネル現象は起こらない。

ポテンシャル障壁の幅は、第３Ａ図及び第３Ｂ図に示す
よ５）Ｋ、エミッタ領域とベース領域との間に薄い界面
物質１８を設け、金属的接合ＧａＡｌＡＳ−ＧａＡ、ｓ
を電気的接合に代えることにより調整されろ。物質】８
は適当にドープされたＰ−型ＧＷＡｓ／Ｉ！で、Ｌ’）
、その厚さは容易に調整可能であり、これによりスパイ
ク領域の幅を容易’ｉｃ　ＮｌＡｌ整することができる
。

Ｊ）−型物質のドーピングレベルは、層］８が通常動作
状態において十分空乏化するように選択される。

注入電子流は主にＧａＡｓベース領域の少数キャリヤ濃
度に依存し、その結果注入効率はがなり大きくなる。エ
ミッタのドーピングレベルはこの場合にはより大きくな
り、例えば１０′７１Ｚ７Ｍ　３　　となる。

よりなだらかなヘテロ接合スパイクを与える典型的な準
急峻界面のエネルギー帯は、第４Ａ図及び第４１３図並
びに第５図に模式的に示されている。

これらの場合、アルミニウムの勾配は、障壁の高さ■を
所望の値に調整するために界面領域において変化する。

第４Ａ図には、第」図に示したと同様なＮ型ＧａＡノＡ
ｓ−Ｐ＋型ＱａＡｓヘテロ接合が示されている。なお、
値ΔＥｃを有するように期待されるスパイク２０は、界
面領域２２内のアルミニウム含有量を変化させることに
よりΔＥｃ（有効値）に調整される。このようなアルミ
ニウム濃度の変化は電界の変化を生ピさせ、スパイクの
形状及び高さを変化させる。第４Ａ図はほぼ直線状のス
ロープを有する短いスパイクを示しているが、曲線の如
き更に複雑な形状にすることも可能である。有効障壁の
高さはＸＡ、ｇ＞０．３のときでさえも０．３　ｅＶ　
Ｋ近くなる。

別のＮ型ＧａＡｆｆ１．Ａｓ−佑型ＱａＡｓへテロ接合
のエネルギーバンドを第４ＢｌｌＦＩｒ示す。この場合
、エミツタ層のアルミニウム含有量が欠乏層において増
加し、界面において減少する。そして期待されるポテン
シャル曲線２４が新しい形状２６ＶＣ変化し、所望の障
壁電圧値を形成する。

エミッタ物質のアルミニウム含有量を変化させる第４Ａ
図及び第４Ｂ図のへテロ接合の製造は、スパイク領域の
高さ及び幅を適肖な値に−するために、例えば分子線エ
ピタキシャル成長法を使用することにより容易に制御す
ることができろ。なお、このような変形を行なうために
、スパイクの最大エネルギー値を電子が上方の谷部に移
送されるのに必要なエネルギー以下に保つこと、スパイ
クの偏倚を最小ｒｆること、及びトンネル現象を防止す
ることに注意する必要がある。

第３Ａ図に示すタイプの装置では、Ｎ型ＧａＡｌＡｓ物
質（エミッタ）のアルミニウム含有量は３０％以上、典
型的には４５チまでとすることができる。ややゆるやか
な界面をエミツタ層とＰ−型ＧａＡｌＡｓ物質からなる
薄い層Ｚとの間に描くことができ（第５図参照〕、この
層は前述したように金属的接合を雷気的接合に置換える
役割をする。界面はＮ型層とｗ型層の間のＸＡＪ、を３
０係より犬とする。Ｐ−型層２８とＰ＋型ＱａＡｓ物質
とσ）間の接合では、高い電界を達成するためにアルミ
ニウム含有量を短い距離に亘って減少させることかでき
る。

次に上述の如き特徴を持ったパリスティックへテロ接合
１ランジスタカ製造方法について第６灰１〜第８図を参
照して説明する。第６図は１９７８年のフランス国特許
第７８２６０６９号に記載されているタイプの準プレー
ナトランジスタ構造３０を示す。このような構造は、公
知の方法によりベースをＰ４−型領域を介してエミッタ
と同じ平面に接触させてイオン注入または拡散により実
現できろ。界面のドーピング及び幅は上述の特徴を生じ
せしめるために制御される。

第７Ａ図〜第７Ｄ図に示すタイプのメサ構造を使用する
こともでき、この構造はｉ４Ｂ図に関して述べたＸ点８
≧４（ＪＬｆｂであるなだらかな界面のタイプのものに
対して特に有用である。製造工程はトランジスタ３２の
ようなメサトランジスタを７Ｎｇするごときものである
。

底部にエミツタ層を用いた別の構造を第８Ａ図に示す。

この装置では、エミッタのインダクタンスを高周波動作
に好適な小さい値に低減することができる。この構造は
、ベースをコレクタと同じ面に接触させるためにν型の
注入壁を使用する。

側方エミッタ容量を減少させるために１第２のイオン注
入（ＧａＡｓに対してプロトン、酸素または硼素を用い
たアイソレーション）を使用することができる。

底部をエミッタにした同様なトランジスタ構造が、第８
．ｌＪ図の参照符号３６で示すようにメサにより実現可
能となる。ベース領域はエツチングにより露出でき、自
己整合型構造がベースとコレクタとを非常に近接させて
接触させるために使用でき、る。エミツタ層においてベ
ース接触の下でのアイソレーションイオン注入はエミッ
ターベースの寄生容量を減少させることができる。

本発明ノ半導体へテロ接合装置は、エピタキシャル成長
法により形成されたｕｉ　−ｖ族化合物から製造される
。特にこの化合物はＧａＡｌＡｓ　−ＧａＡｓ　。

Ｉ　ｎ、Ｐ−Ｑａ　Ｉ　ｎＡｓ　、ＡｌＧａＡ、ｓ　Ｉ
　ｎ−Ｇａ　Ｉ　ｎＡｓ　、またはＡＪ　Ｉ　ｎＡ　５
−ＱａＩｎＡｓを含み、更に液体窒素においては（３ａ
Ｓｂ−ＡｌＳｂ、　Ｉｎ５ｂ−Ｃｄｉ’ｅのごとき別の
物質が使用可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい形態による急峻なヘテロ接合
を有する３端子半導体装置のエネルギーバンド図、第２
図は順バイアスを加えた第１図の半導体装置のエネルギ
ーバンド図、第３Ａ図は本発明の半導体へテロ接合の第
２の実施例のエネルギーバンド図、第３Ｂ図は本発明の
半導体へテロ接合の第３の実施例のエネルギーバンド図
、第４Ａ図及び第４Ｂ図はそれぞれ本発明の半導体へテ
ロ接合の第４及び第５の実施例のエネルギーバンド図、
第６図は本発明による準プレーナトランジスタ構造の概
略図、第７Ａ図〜第７Ｄ図はメサトランジスタ構造の製
造方法を示す概略図、第８Ａ図及び第８Ｂ図は本発明に
よるトランジスタ構造の付加的形状の概略図である。 ＼ご Ｕ） − １ぺ 手続補正書（方式） 昭和５８年６月１５日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １．４件の表示 昭和５８年　特許願　第１７２０４７号２、発明の名称 ヘテロ接合バイポーラ半導体装置及びその製造方法３、
補正をする者 事件との関係　　　特許出願人 名　称　　　　　　フランス国 ４、代理人 ５、補正命令の日付　　　昭和５９年１月３１日（発送
日）６、補正の対象 願書の特許出願人の名称及び代表者の欄、明細書の図面
の簡単な説明の欄及び委任状並びに法人国籍証明書 ７、補止の内容 （１）訂正願書を別紙のとおり提出する。 （２）明細書第１８頁第１４行〜第１５行の「エネルギ
ーバンド図、第６図は」を［エネルギーバンド図、第５
図は本発明による半導体へテロ接合の第６の実施例のエ
ネルギーバンド図、第６図は」と補正する。 （３）委任状及び訳文を別紙のとおり提出する。 （４）法人国籍証明書及び訳文を別紙のとおり提出する
。 ８、添イ・Ｊ書類の目録 （１）訂正願書　　　　ｌ連 （２）委任状及び訳文　　　　　　　　各１　通（３）
法人国籍証明書及び訳文　　　　各１　通（４）誤記理
由書　　　　　　１　通 以　　ト ３２９−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　第１の導電形のベース領域と該ベース領域の
   近傍にある第２の導電形のエミッタ領域及びコレクタ領
   域とを有し、エミッターベース接合およびコレクターベ
   ース接合が形成され、前記エミッタ、ベース領域が半導
   体物質のドーグにより形成される界面を有し、前記エミ
   ッタから前記ベースを通過する電子を前記ベース領域を
   介する前記電子の近弾動輸送を与える大きい運動エネル
   ギーレベルに加速するのに十分な高さを有するエミッタ
   ーベース伝導帯ステップを形成せしめ、前記運動エネル
   ギーが前記電子を上方の谷点のエネルギーレベルに散乱
   するのを防止するのに十分小さく、これにより前記ベー
   ス領域内の拡散機構の制限を取除くことを特徴とする高
   速動作可能なヘテロ接合バイポーラ半導体装置。 （２）前記運動エネルギーレベルが前記半導体物質中の
   通常の電子の熱エネルギーの約１０倍である特許請求の
   範囲第１項記載の半導体装置。 （３）前記運動エネルギーレベルが前記電子の散乱エネ
   ルギーより約１０５Ｊはど少ない特許請求の範囲第１項
   記載の半導体装置。 （４）前記エミッターベース界面が電子のトンネル現象
   を防止するのに十分な幅を有する特許請求の範囲第１項
   記載の半導体装置。 （５）前記伝導帯ステップの幅および形状を調整するた
   めに前記半導体物質のドープが前記界面内で変化する特
   許請求の範囲第１項＝ｂ載の半導体装置。 （６）前記エミッタと前記ベースの間に介在する第３の
   導電形を有する界面物質を具備し、該界面物質が前記伝
   導帯ステップのなだらかな電界勾配を形成するためにド
   ープされる特許請求の範囲第１項記載の半導体装置。 （力　前記ベース−エミッタ接合がＧａＡｌＡｓ　−Ｇ
   ａＡｓ接合である特許請求の範囲第１項記載の半導体装
   置。 （８）前記ベース−エミッタ接合が、ＣＥｌＭＡｓ−Ｃ
   踊ＬＳ。 ＩｎＰ−ＧａＩｎＡｓ、　Ａ６ＧａＩｎＡｓ−ＧａＩｎ
   Ａｓ及び＃ＩｎＡｓ−ＧａＩｎＡｓの対を含むＩｌｌ　
   −Ｖ族化合物半導体から選ばれて成る特許請求の範囲第
   １項記載の半導体装置。 （９）前記ベース領域が、前記発導帯ステップてより加
   速された電子の平均自由行程程度の厚さを有する特許請
   求第１項記載の半導体装置。 （１０）第１の導電形を有するベース領域と第２の導電
   形を有するエミッタ領域およびコレクタ領域とを具備す
   る半導体を形成し、前記ベース領域と前記エミッタ領域
   の界面領域をドープし、前記エミッタ領域から前記ベー
   ス領域に注入された電子を前記ベース領域を介する前記
   電子の通過時間を減少させる近弾動運動エネルギーに加
   速せしめる高さを有するスパイク状の伝導帯不連続部を
   形成させることより成る高速動作可能な３端子型へテロ
   接合バイポーラ半導体装置の製造方法。 （ＩＩ）前記界面領域のドーグが前記不連続スパイクの
   高さを調整するのに十分な量の不純物を添加することよ
   り成る特許請求の範囲第１０項記載の製造方法。