JPS59211266A - ヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ - Google Patents

ヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ

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JPS59211266A
JPS59211266A JP8606983A JP8606983A JPS59211266A JP S59211266 A JPS59211266 A JP S59211266A JP 8606983 A JP8606983 A JP 8606983A JP 8606983 A JP8606983 A JP 8606983A JP S59211266 A JPS59211266 A JP S59211266A
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JP
Japan
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layer
emitter
base layer
impurity concentration
bipolar transistor
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JP8606983A
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English (en)
Inventor
Mamoru Kurata
倉田 衛
Jiro Yoshida
二朗 吉田
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof  ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70Bipolar devices
    • H01L29/72Transistor-type devices, i.e. able to continuously respond to applied control signals

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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、エミッタ・ペース接合にヘテロ接合を用いた
バイポーラトランジスタに関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
従来のパイボーラド・ランジスタは、エミッタ。
ペースおよびコレクタの各層に同一半導体材料を用いた
npn又はpnp m造となっている。この場合、エミ
ッタ接合、コレクタ接合共にホモ接合である。
最近、エミッタ接合、コレクタ接合の一方又は両方をヘ
テロ接合としたパイポーラトランジスタが注目され、研
究開発の対象となりつつある。ヘテロ接合バイポーラト
ランジスタのひとつの利点は、エミツタ層をベース層よ
りバンドギャップの広い半導体制料で構成することによ
り、エミ、り注入効率を高めることができることにある
。エミツタ層とベース層のバンドギャップの差によシ、
エミッタ接合に順方向バイアスしたときにエミッタから
ペースへのキャリア注入が容易におこるのに対し、ペー
スからエミッタへのキャリア注入が抑制されるからであ
る。
従って通常のホモ接合バイポーラトランジスタに比べて
高い電流利得を宿ることができる。
このようなヘテロ接合バイポーラトランジスタは、その
基本概念は古くから知られており、最近においてもいく
つかの発表例がある。エミッタ接合にヘテロ接合を用い
た場合の従来の基本構造を示すと第1図の如くである。
図はGaAs−GaAlAs糸を用いた例で、n+型G
aAs基板1を用い、この上にn型GaAsコレクタ層
2、p型GaAsペース層3、n型Ga、−XAtxA
IIエミッタ層4を順次積層した構造となっている。5
はコレクタ電極、6はペース電極、7はエミッタ電極で
ある。エミツタ層4は、エミッタ電極7側を高不純物濃
度(n+)の第一エミツタ層41によシ栴成し、ベース
層3側をこれよシ低不純物濃度(n−)の第二エミツタ
層42によ多構成している。
従来発表されている多くのものは、第二エミツタ層42
に十分な厚みを持たせている点で共通している。このよ
うに、エミツタ層を高不純物濃度層と低不純物濃度の二
層構造とし、かつ低不純物濃度の第二エミツタ層の厚み
を十分大きくする理由は、エミッタ接合容量CJwを小
さくしてスイッチング速度の向上を図るためであるとさ
れている(例えば、H9Kroemer。
”Heterostructuke Bipolar 
Transistors andIntegrated
 C1rcults ” r Proe、 IEEK 
、 Vol 。
70 、AI + pp−13−25* Januar
y 1982)。
事実、不純物濃度が接合面を境として大幅に異なる片側
階段接合において、低不純物濃度層の厚みが十分大きい
場合、その接合容量CJliが低不純物濃度層の不純物
濃度N8を用いてCCX−N捧 JE       E と嵌わされることは周知のとおシである。
ここで以下の議論を明確にするため、トランジスタのス
イッチング速度という概念を明確にしておく。一般にト
ランジスタのスイッチング動作にはターンオンとターン
オフとがあシ、ターンオン時間t  とターンオフ時間
t。、、 ヲ平n 均した伝播遅延時間t1.をスイッチング速度の基準と
する。ターンオン時間t。nは出力電流がo4から50
係まで立上る時間、ターンオフ時間t。ffは出力電流
が100係から50係まで降下する時間とする。以上の
関係を第2図に示す。
本発明者らはこの程、第1図に示すようなヘテロ接合バ
イポーラトランジスタについて、各層の厚み、不純物濃
度とスイッチング速度の関係を数値解析モデルによシ詳
細に検討した(例えば、吉日、[バイポーラトランジス
タの動作理論」昭和55年近代科学社、M、Kurat
a 。
Numerical Analysis for Se
m1conductorDevices ’ + 19
82 + Ltxington Books、 D、C
Heath and Company、等)。その結果
、従来説とは相反する結論が得られた。即ち数値解析モ
デルによれば、従来例のように低不純物濃度の厚い第二
エミツタ層をもつトランジスタ(以下タイプAと呼ぶ)
のスイッチング速度は、このような第二エミツタ層をも
たずエミッタが高不純物濃度層一層のみからなるトラン
ジスタ(以下タイプBと呼ぶ)のそれに比べて大幅に劣
っている。その解析結果を第1表に示す。
第  1  表 この数値解析に与えた条件は、第3図の回路において、
コレクタ電源Ec= 2 (V) 、負荷抵抗RL=2
00(Ω〕、トランジスタQをオフにする入力信号電圧
■。、、−0,5(V:l、オンにする入力信号電圧V
 は表に示す値である。まだタイプn 人では、第二エミツタ層が不純物濃度NI+=3 X 
10” cm−3、その埋みv = 1 pmである。
第1表のJ、、 Jcはそれぞれエミッタ、コレクタの
電流密度である。
このように従来の常識と相反する結果となった理由は次
のとおりである。一般にバイポーラトランジスタを高速
でスイッチング動作させるには、エミッタ、コレクタ各
電流密度を103〜10’ )y’cm2ないしこれ以
上の値に設定する必要がある。このことはバイポーラ論
理集積回路の実例や数値解析モデルを用いた解析結果か
ら明らかである。タイプAのように低不純物濃度の厚い
第二エミツタ層をもつ場合、タイfHに比べてエミッタ
からペースへのキャリア供給能力が低いため、所定のエ
ミッタおよびコレクタ電流密度を得るためには、エミッ
タ・ペース間接合に深い順方向バイアス電圧を印加しな
ければい第二エミツタ層およびコレクタ層に過剰キャリ
アが蓄積され、ターンオフ時間が増大して伝播遅延時間
が増大する結果となるのである。
以上の結果を要約すれば、エミッタ接合容量C5゜はタ
イfAの方がタイプBよル小さいにも拘ラス、スイッチ
ング速度はタイプBの方が優れているということである
。これは、トランジスタのスイッチング速度を決める要
因として、エミッタ接合容量CJlだけでなく、全エミ
、り容量CE= C,、+ CDff1を考慮しなけれ
ばならないことを意味する。CDIは過剰キャリア蓄積
量によって決まるエミッタ拡散容量として知られている
ものである。そして従来のへテロ接合バイポーラトラン
ジスタでは、低不純物濃度の厚いエミッタ第二層を設け
ているためにC□がCJlに比べてはるかに大きり、C
7Il、を小さくしたことによるスイッチング速度への
影響がC□のそれにかくれて全く観測されないのである
以上によシ、スイッチング速度の点ではタイプAよシも
タイプBを採用した方が有利であることが明らかとなっ
た。′ところが、タイfBは畠不純物濃度のエミツタ層
が直接ペース層と接合を形成しているため、エミッタ接
合の降服電圧が非常に低いという難点がある。通常のp
n接合での降服の主要因はアバランシェ現象であるが、
アバランシェ現象を回避できたとしてもトンネル効果に
よる降服がある。特にヘテロ接合の場合、トンネル効果
に基づく電流はキャリアのバンド間直接遷移によシ決ま
る成分に加えて、ヘテロ接合界面に多数存在する界面準
位によ多支配される成分が多い。このため実際のトンネ
ル電流は単純な理論値よシはるかに大きくなることが珍
らしくなく、エミッタ接合耐圧が非常に小さいものとな
ってしまう。
〔発明の目的〕
本発明は以上の考察に基づいてなされたもので、スイッ
チング速度と耐圧に関して最適設計基準を与えたへテロ
接合バイポーラトランジスタを提供することを目的とす
る。
〔発明の概賛〕
本発明に係るトランジスタは、高不純物濃度のエミツタ
層をベース層よシパンドギャップの広い半導体材料によ
多構成することを基本とし、かつベース層を、エミッタ
側にある低不純物濃度ノ第一ベース層とコレクタ側にあ
る第一ヘ−ス層よシ高不純物濃度の第二ベース層とから
構成する。そして以上の構造において、スイッチング速
度とエミッタ耐圧に関する設計基準として、第一ベース
層の不純物濃度NBとその厚みWとの関係を、 を満たすように設定したことを特徴とする。(1)式に
おいて、qは電子電荷絶対値(=1.6X10−”クー
ロン)、ε は真空の誘電率(=8.86X10−14
ファラッド/crn)、C8は第一ベース層の比誘電率
、vbiはエミツタ層と第一ベース層が形成するヘテロ
接合のビルトインポテンシャル、VBは同ヘテロ接合の
降服電圧である。
このような設計基準を与えた理由を次に説明する。エミ
ッタ・ペース間のへテロ接合に逆方向電圧VBを印加し
たとき、その接合両端に生ずる内部電位差はV、、+V
Bである9、。この電位差によシヘテロ接合部に生じる
電界分布は第4図のようになる。第4図(、)は低不純
物濃度の第一ペース層の厚みWが十分大の場合、同図(
b)は同第−ペース層の厚みWが内部電位差によシ伸び
る空乏層の厚みWde、と等しい場合、同図(c)はW
がW、epよシ小さい場合である。いま、エミツタ層の
不純物濃度N8よシ第−ペース層の不純物濃度NBがは
るかに低いものとすると、周知の理論によシ第4図(a
) 、 (b)の場合についてそれぞれ下記式が成立す
る。
”E”)w  = V  + V  、−(3)2 m
ax dep   bl   Bこの両式からE(0)
を消去すると mlL! となる。同様にして第4図(C)の場合は下記式が成立
する。
Ernlnw+ヲ(Emax  ”m1n)W= vb
i+VB ・・・(6)との両式から”maxを求める
と、 となる。ただし上記において第一ペース層内の電界最大
値をEい工、電界最小値を”m i nとしている。
以上の関係を踏まえて、外部印加電圧■8を降服電圧と
したときにW=W、jpとなる第4図(b)の状態、即
ち(4)式が成立するNBW O値を上限としてスイッ
チングスピードをできる限シ速くし、しかも(7)式に
示すErnaxがヘテロ接合の最大許容電界を越えない
ようにWを設定できるような基準として、前記(0式を
与えたものである。
なお、エミツタ層と第一ペース層の間のへテロ接合のビ
ルトインポテンシャルvbiは下記式1式% ただし、kはポルラミン定数、Tは絶対温度、N、はエ
ミツタ層の不純物濃度、nl(T)は第一ペース層の真
性電子密度、χ3は第一ペース層の電子親和力、χ8は
エミツタ層の電子親和力である。
(8)式・において、右辺第一項は通常のホモ接合にお
けるのと同一であり、第二項がへテロ接合に個有の項で
ある。
具体的に、エミツタ層としてn型Gao、7At、3A
s、第一ペース層としてp型GaAsを選んだ場合の代
表的な不純物濃度の組合せについてvbtの数値例を示
すと下表のとおシである。
第  2  表 〔発明の効果〕 本発明によれば、NBw を必要最小限の値に設定する
ことによって、エミッタ・ペース間耐圧を確保しながら
高速スイッチング動作が可能なヘテロ接合バイポーラト
ランジスタを実現スることができる。
〔発明の実施例〕
以下本発明の詳細な説明する。QaAtAs−GaA+
s糸を用いた一実施例の構造を第5図に示す。
これを製造工程に従って説明すれば、まず高不純物濃度
のn+型GaAs基板1ノを出発基板とし、この上に不
純物として例えばSiをr−グした低不純物濃度のn型
GaAsコレクタ層12をエピタキシャル成長させる。
これはコレクタ・ペース間接合をホモ接合とする場合で
あル、この接合にもヘテロ接合を導入する場合にはn型
G a 1−xAZxA s層をエピタキシャル成長さ
せレハヨい。いずれの場合もエピタキシャル成長にはM
BE法又はMOCVD法を用いることが好ましい。
以下の工程でも同じである。この後、コレクタ層12上
に不純物として例えばBeをドープした比較的高不純物
濃度のp型GaAs第二ペース層13゛2をエピタキシ
ャル成長させる。第二ペース層132の厚みは高速スイ
ッチング動作を実現するため100OXないしそれ以下
とすることが好ましい。この後第二ベース層132上に
、低不純物濃度のp−型GaAs第一ペース層131、
続いて高不純物凝度のn+型Ga 、−XAtXAsエ
ミツタ層14をエピタキシャル成長させる。このとき第
一ペース層13Hの濃度と厚みの関係を(1)式を満た
すように設定する。最後にエツチングによシエミッタ中
心部を残して周辺部を除去し、第二ペース層is、の表
面を露出させて、コレクタ、ペース、エミッタの各電極
15.ノロ。
17を形成して完成する。
よシ具体的な数値例を挙げて説明する。エミッタ層ノ4
としてバンドギャップエネルギ1.80eVのGao、
At、)、5As層を、用い、そのドナー不純物濃度を
Nl+=10crn  とする。一方、第一ベース層1
31としてアクセプタ濃度N、=3X10”α 、バン
ドギャップエネルギが1−42 eVでh ル厚ミw 
= 0.1μmのGaAsを用いる。このとき、常温T
=300°にでのビルトインポテンシャルvb1は、(
8)式においてx、 =3.77 eV %  Z、 
=4、07 eV、  n、(T) =1.101 X
I 07tyn−’として、Vbi=1.64vとなる
そこでエミッタ・ペース間接合耐圧をv、=3Vと決め
れば、もし仮に、低濃度第一ペース層が十分に厚い場合
に広がるべき空乏層の厚みると、 Wd@、 =Q、4
70 pm 、 E呈、 =198X105η−となる
。とこφがいまの場合、y=Q、1μmであるからw 
(Wa。、となる。′このとき最大電界Emaxは(7
)式から、EfrlaX=4.85×1o5v/Crn
 となる。不純物濃度3X10”cm−3に対して接合
降服を生じることなく許容し得る最大電界値は約5、 
I X 10  V/mであるから(例えば、S、M、
Sge。
”Physics of Sem1conductor
 Devlces”。
1969 +Wiley−Interscienee参
照)、上記EITlaxはこれよシ低く、上記設計例を
現実に採用することができる。
次に別の設計例として、上記と同じ材料を用い、Nl!
=10  tyn  s N、 =10  yn  %
 w=0、1μm、’P = 3 Vとした場合を挙げ
る。このw (w、、、となっている。またEm、!=
5.37 Xl 05V/mであるが、10” tyn
−’の不純物濃度に対応する許容最大電界は約6.4 
X 105V/cmであるから、この設計例も現実に採
用し得る。
以上の二つの設計例を適用したときの数値解析モデルに
よシ求めたスイッチング特性を第3表に示す。回路条件
は第1表め場合と同じである。
第  3  表 これらの結果を先の第1表と比較すれば明らかなように
、スイッチング速度は、タイプBに比べて若干劣るがタ
イプAよシはるかに優れたものとなっている。しかもタ
イプBではエミッタ・ペース間耐圧の確保が困難である
のに対し、本実施例では実用上十分な耐圧確保が容易で
ある。
なお本発明は上記実施例に限られるものではない。
例えば半導体材料の組合せとして、広バンドギャップの
エミツタ層にGaR狭パンドギャッグのベース層に81
を用いてもよいし、また広バンドギヤ、プのエミツタ層
にGaAs 、狭バンドギヤ、グのベース層にGoヲ用
いることもできる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のへテロ接合バイポーラトランジスタの一
例を示す図、第2図はトランジスタのスイッチング特性
を説明するだめの図、第3図は同じくスイッチング特性
を求めるための回路図、第4図(、)〜(c)は本発明
の詳細な説明するだめの不純物濃度分布と電界分布を示
す図、第5図は本発明の一実施例のへテロ接合バイポー
ラトランジスタを示す図である。 1・J・−n+型GaA@基板、12− n型GaAs
 :ルクタ層、131・・・p−型GaAs第一ペース
層、1s2−p型GaAs第一ペース層、14 ・= 
n+型Ga1□AtXAsエミッタ層、15〜ノア・・
・電極。 出願人代理人 弁理士 鈴 江 武 音節1図 第2図 第3図 出力体3 第511 17 [18ゎ p9・揄、−28 特許庁長官  若 杉 和 夫  殿 1、事件の表示 特願昭58−86069号 2、発明の名称 ヘテロ接合バイポーラトランジスタ 3、補正をする者 事件との関係   特許出願人 (307)  東京芝浦電気株式会社 4、代理人 5、自発補正 7、補正の内容 (11特許請求の範囲を別紙のとおり引止する。 (21明細書第10頁第12行の式(1)を下記のとお
り訂正する。 (31同第10頁第18行〜第19行の「ビルトインポ
テンシャル、VBは・・・である。」を「ビルトインポ
テンシャルである。」と¥1正イ〜る。 (41同第11頁第2杓〜第4行の「エミッタ・ベース
間のへテロ接合に逆方向電圧■8を印加したとき、その
接合両端に生する内部電位差はvbi+VBである。」
を「エミッタ・ベース間のへテロ接合に印加される電圧
がゼロのとき接合両端に生ずる内部電位差はVbiであ
る。」と訂正する。 (51同第11頁下から2行目の式(3)を次のとおり
訂正する。 (0) +Errax ”dsp = Vbi   ・・・(3
)(6)  同第12頁第1杓の式(41を次のとおり
訂正する。 (7)  同第12頁第5杓の式(6)を次のとおり訂
正する。 Emin”十+(Emax−Emin)” −■bi 
 ’・・(61(8)  同第12頁第7行の式(71
を次のとおを)訂正する。 (9)同第12頁第11行〜第12行の「外部印加電圧
VBを降服電圧としたときに」を「外部印加電圧をゼロ
としたときに」と訂正する。 00)  同第16負第151−j〜第16行の「接合
副圧をvB=3vと決めわは、」を[の印加電圧がゼロ
のとき、」と訂正′f/−0 α〃 同第16員千から1〜2行目の”dep””0.
470 pm 、E胃ax = 1.98 xlO”/
、、Jを[ε8=12.9として、Wdep=0.27
9μm、”’max=(121間第17頁第2行の「E
n1aX=485×1011V、zcmJ k r E
mllX=1.85xlO” V/cmJと訂正する。 03)同第17頁第9行のLできる。」の次に「参考の
ため、最大電界b ma xが丁度最大許容電界値とな
るような外部印加電圧を求めると、その値は約3.2V
となり、実用上十分な耐圧が確保される。」を加入する
。 Q41  同第17頁第12行のI O,1pm 、 
VB=3Vとした」を「0.1μm とした」と訂正す
る。 05)同第17頁第13行〜第14行の’−”dep=
0.258 pm、B’:ax=3.62xlO’ V
/crtt Jを「wd、pm 0.154μm、 喋
ax= 2.16xl O’ V/cm Jと訂正する
、 lυ 同第17頁第15行〜第16行の’ Emax”
5.37xl O’ V/cm  J、 ’4r: r
 B、、、、=2.37xlO’ V/m Jと言J正
才る。 α7)同第12頁第11行の「し得る。」の次に[先の
設計例と同様に許容される印加電圧な求めると、その値
は約4.OVとなり、実用上十分である。」を加入する
。 2、特許請求の範囲 (1)  エミツタ層をベース層よりバンドギャップの
広い高不純物濃度の半畳体材料により桐成するヘテロ接
合バイポーラトランジスタにおいて、前記ベース層を、
エミッタ側にある低不純物濃度の第一ベース層とコレク
タ側にある第一ベース層より筒不純物濃度の第二ベース
層とから#4成し、かつ前記第一ベース層の不純物濃度
へBとkみ二を下記式を満たすように設定したことを特
徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 記 たたし上式l二おいて。 q:電子電荷絶対値(= 1.6 x 10−toツク
−ン)ε。: 真空の誘電率(=8.86 x 10”
ファラッド/−)ε8二第−ベース層の比誘電率 ■biニエミッタ層と第一ベース層が形成するヘテロ接
合のビルトインボテンンヤル (2)  エミツタ層がG a 1−xk 7X A 
B−ベース層が0aAs 、 コL/クタ層がG a 
A s又はGaA、AAsである特許請求の範囲第1項
記載のへテロ接合バイポーラトランジスタ。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)  エミツタ層をベース層よシパンドギャッグの
    広い高不純物濃度の半導体制料によ多構成するヘテロ接
    合バイポーラトランジスタにおいて、前記ベース層を、
    エミッタ側にある低不純物濃度の第一ベース層とコレク
    タ側にある第一ベース層より高不純物濃度の第二ベース
    層とから構成し、かつ前記第一ベース層の不純物濃度N
    Bと犀みを下記式を満たすように設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。 記 ただし上式において、 q:電子電荷絶対値(=1.6X10   クーロン)
    e:真空の誘電率(=8,86X10  ファフッド/
    crn)e:第一ベース層の比誘電率 vbi=エミッタ層と第一ベース層が形成するヘテロ接
    合のビルトインポテンシャル vB二同へテロ接合の降服電圧
  2. (2)エミツタ層がGa、−XAtXAs %ベース層
    がGaAs、=+レクタ層がGaAs又はGaAtAs
    である特許請求の範囲第1項記載のへテロ接合バイポー
    ラトランジスタ。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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US5177583A (en) * 1990-02-20 1993-01-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Heterojunction bipolar transistor

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