JPS59211267A - ヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明はへテロ接合を応用した半尋体累子に係わシ、と
シわけ、ペース・コレクタ間にヘテロ接合を用いたへテ
ロ接合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〕

近年、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ　）や、有機金属
気相堆積法（ＭＯＣＶＤ　）の発展によシ、異種の半導
体物質を接合させた、いわゆるヘテロ接合を利用した半
導体素子の開発が盛んに行なわれるようになった。バイ
ポーラトランジスタにヘテロ接合を利用した、ヘテロ接
合バイポーラトランジスタは、従来の単−半導体物質で
作られるホモ接合型トランジスタに比べ多くの利点を持
つ事が知られている。これらの利点はエミッタ・ペース
間をヘテロ接合とする事によって得られるものとペース
・コレクタ間をヘテロ接合とする車によって得られるも
のの２つに大別できる。前者はいわゆる広バンドギヤツ
ノエミッタ構造として知られているもので、その利点と
しては、 （１）　　エミッタ領域の不純物密度とペース領域の不
純物密度の比が小さくともエミッタ注入効率を高くでき
る、。

（２）　　ペース不純物密度を大ぎくできるためペース
抵抗を小さくできる、 （３）　　エミッタ領域の不純物密度を小さくできるた
めエミッタ容量を小さくできる、 等があげられる。

一方、コレクタをペース領域よシバンドギャップの大き
い物質で形成する広バンドギヤツプコレクタ構造によっ
て得られる利点としては、（１）　　飽和領域内の動作
条件下で、ペースからコレクタへの少数キャリアの注入
が抑制でき、過剰キャリアの蓄積領域を狭くできる、（
２）　　高注入動作時にペース押出し効果が抑１ワ１］
でき、過剰キャリアの著積領域を狭くできる、等がある
。これらの利点によシ、ヘテロ接合バイポーラトランジ
スタは従来のホモ接合バイポーラトランジスタに比べ高
周波特性、スイッチング特性ではるかに秀れたものとな
る可能性を持っている。

しかしながら、広バンドギヤツプコレクタ構造のｎｐｎ
　トランジスタにおいて、ベース領域ニ直接広バンドギ
ャップのコレクタを接続し、階段型へテロ接合を形成す
ると、後述する様に接合部において伝導帯にΔＥｃだけ
の不連続を生じ、この不連続によシ、エミッタから注入
された′亀子がコレクタ物板に到達するのが妨げられて
しまう−０この小はペースの輸送効率の低下を招き、ト
ランジスタの直流特性を損なうものである。

直流特性の低下を防ぐには、ペース・コレクタ間のへテ
ロ接合を階段型とせすに、ペースからコレクタに向って
徐々にバンドギャップが変化する構造をとる事が有効で
ある。これは後１１ど示すように、伝導帯に生じる凸部
の尚さΔＰＪ’ｃが、階段型へテロ接合の場合のΔＥｅ
に比べ低下するためである。しかし、このバンドギャッ
プが変化する領域（以下遷移領域と呼ぶ）をどの程度の
値に設計する事が最適であるかについては十分な議論が
成されていなかった。

〔発明の目的〕

本発明は上述した点に鑑みなされ／ζもので、広バンド
ギヤツプコレクタ構造のオリ点を生かした上で、直流特
性が損なわれないよう、ペース・コレクタ間の遷移領域
が最適設訂−１されたへゾロ接合バイポーラトランジス
タを提供する都を目的とする。

〔発明の概賛〕

２釉の異なった半導体を接続すると、これら半導体間の
電荷の再分布を考慮しない場合、第１図（ａ）に示した
様に゛岨子栽和力χ１．χ２とバンドギャップＥＧ１’
　ＥＧ２の違いによって伝導帯、価電子帯にそれぞれΔ
Ｅｃ、ΔＥｖの段差を生じる。本発明のへテロ接合バイ
ポーラトランジスタに利用されるのは、この図でバンド
ギャップの広い力をコレクタ、狭い方をペースとする構
造である。

狭パンＰギャップ側をｐ型、広パン１２ギャッグ側をｎ
型とすると、接合を形成した結果化じるを荷の再分布に
よシ伝導帯、価電子帯の形状は第１図（ａ）で示したも
のから変化する。ｐｎ接合が逆電圧、或いはビルトイン
電圧の効果によって空乏化している場合の伝導帯、価電
子帯の様子を第１図（ｂ）に示した。同様に、ヘテロ接
合が階段状でなく、遷移領域を有している場合の伝導帯
、価電子帯について、バンド構造の違いに起因するもの
のみを考えた場合の形状を第２図（、）に、電荷の再分
布の効果を合せて考腫した場合の形状を第２図（ｂ）に
示す。但し、第２図で位置座標Ｘの原点はｐｎ接合の位
置にと９、狭バンドギヤラグ領域から広バンドギャップ
領域に向う向きを正と定義する。また、ｐｎ接合に逆電
圧が印加されている場合に広バンドギヤツプコレクタ側
に生じる空乏層の端をＷｎＤ、狭バンドギヤツプベース
側に生じる空乏層の端を−Ｗｐｎとし、バンドギャップ
が徐々に変化している遷移領域のペース側端を−Ｗｐ　
ｔ・−ｙｖりｐ側端をＷｎ　ｔと定義する。以下、第２
図（ｂ）を用い、本発明の内容を詳細に説明する。

伝導帯の形状を等測的に表わす量として、（３）、式で
定義される電位Ｆを考える。

Ｆ（ｘ）　−−−！°（ｘ　）　　　　　　（３）但し
、上式においてＥｃ（ｘ）は伝導帯のエネルギーであシ
、ｑは電気素量である。

￥ｆ（Ｘ）は電荷の再分布に起因する静電電位Ｆｅ（ｘ
）と、バンド構造の変化に起因する′電位Ｗ　ｓ　（ｘ
　）の和として表わされる。即ち、Ｆ（ｘ）＝　Ｆｅ（
ｘ）　＋　Ｆａ（ｘ）　　　（４）である。

Ｆｅ（ｘ）は′電荷分布によって決まる電位であるので
、逆電圧を印加されたｐｎ接合を考え、完全空乏近似を
用いると、（５）式で示すポアソン方程式を満たすはず
である。

但し上式において、ε（ｘ’）は位置Ｘにおける半導体
の誘電率、ＮＤ（Ｘ）　＋　ＮＡ（Ｘ）はそれぞれイオ
ン化しているドナー濃度、アクセプタ濃度である。

電位Ｆｅ（ｘ）の変化に対応した電界Ｅｅ（ｘ）をで定
義し、（５）のポアソン方程式を書き町すととなる。

ｘ　＝　Ｗｎ　ＤでＥｅ（ｘ）　＝＝　０．　ｘ　＝　
ＷｐａでＥｅ＜ｘ）　＝　０であるから、この条件を用
いて（７）式を解くとが得られる。

次に、バンド構造の変化に起因する電位Ｆｔｚ　（ｘ　
）に対応した電界を ａＦ、　（ｘ　） Ｅｓ（Ｘ）　＝　−（９） ｘ とする。一般に遷移領域は、ベース領域を形成する第１
′ａ！半導体物質からコレクタ領域を形成する第２種半
導体物質へ混晶比を徐々に変化させる事で形成される。

ＭＢＥ技術等を用いてこのような遷移領域を形成する事
を考えると、混晶比を位置の変化に対して線形に変化さ
せる串が制御上液も容易である。この時、伝導帯の形状
は狭バンドギヤラグ側から広バンドギヤツプ側へ線形に
近い変化をすると考えても良いのでＥ８（ｘ）＝”’　
＝一定　（−Ｗｐｔ≦Ｘ≦Ｗｎｔ）α１ｔ が成シ立つものとする。但し、（１０式でΔＥｅは広バ
ンドギヤツプコレクタと狭バンドギヤツプペースを遷移
領域なしに接続した場合に伝導帯に生じる段差をｅＶ単
位で測った泄である。また、Ｗｔ、は遷移領域の全幅で Ｗｔ　＝　Ｗｐ　ｔ　＋　Ｗｎ　ｔ　　　　　　　Ｑυ
である。

遷移領域を有するヘテロ接合がペース・コレクタ間に形
成されているｎｐｎ　トランジスタにおいて、エミッタ
から注入された電子がコレクタ領域に到達するまでに受
ける電界は（８）式とα０式の和で与えられる。この合
成電界の様子を第３図に実線で示した。第３図中破線で
示したものは（８）式で与えられるＥ６、一点鎖線は０
１式で与えられるＥ、である。合成電界が正の値を持つ
と、電子はこの電界によってエミッタ側へ押し返される
力を受ける。従って、エミッタよりペースに注入された
電子が反発力を受ける事なくコレクタに到達するには合
成電界Ｅ（ｘ）の最大値が負である事が必袈である。も
し、遷移領域が空乏層域よりも外側にまで伸びていると
、合成電界が正になる領域が玩われるのは明らかである
。

そこで本発明においては、ペース・コレクタ間の遷移領
域が、このｐｎ接合が降服する最大逆電圧（降服電圧）
が印加されたときに生じる空乏層内に含まれることを第
１の条件とする。

このように遷移領域が空乏層領域に含まれる場合に、ｐ
ｎ接合の位置よりコレクタ匝での合成電界は Ｅ（ｘ）　＝ で与えられる。上式中の積分項はＸの単調増力１１関数
であるので、Ｅ（ｘ）が最大となるのは明らかにｘ＝Ｗ
ｎｔの場合である。この最大電界を輻ａｘとすると （１Ｑ式の積分は遷移領域のコレクタ側の端よシ外側の
コレクタ領域内にとるのであるから誘電率εの場所的変
化はないと考えられ、ε（ｙ）＝ε２（＝コレクタを形
成する第２種半導体物質の誘電率）として良い。（１３
）式の６０　が負である事がａｘ エミッタよシ注入された電子が反発力を受けずにコレク
タに達するだめの条件であるから、結局、ペースの輸送
効率を低下させない条件として が得られる。（Ｉ４）式の右辺の積分は、コレクタ側に
伸びる空乏層中で遷移領域に含まれない部分にあ・る実
効的ドナーの総量ｐ２に等しいので、が得られる。

同様の議論をペース領域側に通用するとか得られる。但
し、α６）式において６．はペース領域を形成する第１
種半導体物質の誘電率、Ｆ。

はｐｎ接合からペース領域側に伸びる空乏層中で遷移領
域に含まれない部分にある実効的アクセプタの総量であ
る。

以上に示したａ９，００式が本発明において設足する第
２の条件である。なお、（１５１、（Ｉ６）式における
各要素の単位はΔＦＪｃが〔ｅｖ〕、ｗｔが〔画〕、ｑ
が〔クーロン〕、ε、およびε２が〔ファラッド／ｃｒ
ｎ〕とする。これらの条件は、遷移領域の幅Ｗｔの設計
値として上限及び下限を知、定するものである。以下に
、この点を具体的に示す。

今、簡単のためにコレクタ側の実効的ドナー濃度が一定
である場合を考えると、（１５）式はとなる。また、 が成シ立つ。但しαυ式でΔＥｃｎはｐｎ接合位置の組
成を持つ半導体物質とコレクタ領域を形成する半導体物
質の間に階段状のへテロ接合を形成した場合に伝導帯に
生じる段差である〇（１７）　、　Ｈ式により Δｇｃｎ　　　ｑ □≦−ＮＤ　（ＷｎＤ−Ｗｎ　ｔ　）　　（Ｌ９）Ｗｎ
　ｔ　　ε２ とな、る。この式をＷｎ　ｔについて解くと、（２１Ｊ
ｌ が得られる。即ち、ｐｎ接合の位置からコレクタ側に伸
びる遷移領域の幅Ｗｎｔの上限、下限が与えられる事に
なる。同様の式がＷｐｔについても成シ立つため、結局
、遷移領域の幅 Ｗｔ　’＝　Ｗｎ　ｔ　＋Ｗｐ　ｔに対し、その最適な
設計範囲が規定される。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ペース・コレクタ間のへ
テロ接合の遷移領域の幅Ｗｔを所定の条件に設定する事
によシ、直流特性を損ねる事なく、広バンドギヤツプコ
レクタ構造の持つ利点を生かしたへテロ接合パイ・トラ
トランジスタを作製できる。この事によシ、従来のシリ
コン等を利用したホモ接合パイボー〉トランジスタに比
べ、高周波特性、スイッチング特性に大幅な改善が成さ
れた半導体素子が実現される効果がある。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を広バンドギヤツプ半導体物質と
してＧａ１□ＡＺｘＡ　ｓ　’狭″′ドギャップ半導体
物質としてＧａＡｓを使用した場合について第４図を参
照しながら述べる。

ヘテロ接合バイポーラトランジスタを製造スるには、導
電性、或いは半絶縁性基板の上に順次、コレクタ、ペー
ス、エミッタ領域をエピタキシャル成長させる事が必要
である。コレクタ物質としてＧａ　１□ＡＺｘＡｍを用
いる本実施例の場合、基板材料としてはＧＪＩＡｌｌが
最適である。この基板上にトランジスタを形成するには
ＭＢＥ法、或いはＭＯＣＶＤ法が考えられるが、本発明
の構造のように、物質の組成の精密制御が必要な場合、
ＭＢＥ法が最適である。第４図に示すようにＧａＡｇ基
板上１にｎ型のＧａ　、−ｘＡＺＸＡ　ｓコレクタ領域
２を成長させるには、Ｇａ、　Ａｓ＋　Ａｔの流量を制
御し、更に不純物として例えばＳｉを成長時に混入して
やれば良い。コレクタ領域からペース領域への遷移領域
３ではＡｔ淀、量を制御し、Ｇａ１〜ＸＡｔＸＡ３から
ＧａＡｓへ徐々に組成が変わるようにする。この時のＡ
ｔの流量制御は精密に行なう早が必要であるが、本実施
例では以下に述べるように遷移領域３の厚みは数１００
Ｘ以上であるので、ＭＢＥ技術を用いる事により制御は
可能である。まだ、Ｇａ　１−ｘＡｌｘＡｓではＸが０
．３程度以下でバンドギャップはｘＫはは比例して変化
するため＞Ａｔの流量を成長時間に比例して変化させる
事でバンドギヤツノがほぼ線形に変化する遷移領域を形
成できる。

ｐ型ＧａＡａペース価域４は同様にＭＢＥ技術を用い、
不純物として例えばＢｅを混入させながら成長する事で
形成できる。更に、ｎ型エミッタ領域５はコレクタ領域
２と同様にｎ型不純物を混入させつつＧａ　１　、、、
ｘＡｔｘＡｓを成長させてやれば良い。

次に、コレクタ領域２を不純物密度ＮＤ−３Ｘ１０　　
ｃＩｎ　のＧａ　Ｏ，７Ａｔ０４Ａ８、ベース９域４を
不純物密度ＮＡ　＝　Ｉ　Ｘ　１０１８ｃｍ−’のＧａ
Ａｓとした時について、遷移領域３の幅の設計法につい
て具体的に述べる。

今、遷移領域全体がコレクタと同じく ３×ｌＯ儒　のｎ型にドープされ、遷移領域のペース側
の端がｐｎ接合の位置になっているとする。この場合、
特許請求の範囲の（１）式の条件が満たされれば自動的
に（２）式は満たされるので、（１）式のみを考慮すれ
ば良い。（１）式をこの場合に具体的に１き表わすと であるから、Ｗｔの満たすべき条件は ■ となる。完全空乏近似を用い、遷移領域内での誘電率は
コレクタ領域での値に十分近い事を考えると、 が成シ立つ。但し上式でＶはペース・コレクタ間に加え
られている逆電圧、ｖｂｔはペース・コレクタ間のビル
トイン電圧であシ（ハ）式で与えられる。

０４式でχ１．χ２はそれぞれペース領域、コレクタ領
域の電子親和力（単位：ｅＶ　）　、Ｅｇｔはペース領
域のバンドギャツｆ（単位：　ｅＶ　）　、Ｎｖｔ　ハ
ペース領域の価寛子帯の実効状態密度（単位：Ｊ−３）
、ＮＣ２はコレクタ領域の伝導帯の実効状態密度（単位
：ｃｍ”−３＞、ｋはゲルラマン定数、Ｔは絶対温度で
ある。

ベース・コレクタ間に加えられる逆電圧ｖ７Ｅ大きくな
ると（ト）式よｐ　Ｗｎｐは太きくなシ、この結果に）
式で与えられるＷｔの設計範囲は広くなる。

従って、実際の設計においてはｖ−０の場合にけば十分
でおる。

Ｖ＝０．’Ｉ’＝３００°Ｋ（Ｄ場合に＃、　ｆ？！１
．（２４式に具体的数値を入れて計算すると、Ｖｂｉ″
−，１ｓｚｃ’ｖ）、Ｗｎｐ貴２．５５Ｘ１０　　〔ｃ
ｍ’Ｊとなシ、Ｗｔの設計条件として（ハ）式が得られ
る。

２９５Ｘ≦Ｗｔ≦２２６０Ｘ　　　（ハ）従って、ＮＤ
　＝３　Ｘ　１０　　ｃｍのＧａ　０７Ａ／−ｏ、３Ａ
　８コレクタとＮＡ＝ＩＸ１０　　ｃｍ　　＋７）Ｇａ
Ａｓベースを持つｎｐｎヘテロ接合バイポーラトランジ
スタにおいては遷移領域を（ハ）式の範囲に規定するこ
とによって、直流特性を損うことなく、高速動作が可能
となる。

以上述べた実施例はペース領域をＧａＡａで、コレクタ
領域をＧａ、７Ａｔ、３Ａａで形成した場合を示したが
、ペース領域とコレクタ領域を他の半導体物質、例えば
ＧｏとＧａＡｓ、或いはＳｌとＧａＰの組合せで形成す
る場合にも本発明は同様に適用されるものである事は言
うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　、　（ｂ）は遷移領域を持たない階段型
へテロ接合のエネルギーバンド図を電荷の再分布を考慮
しない場合と考殖した場合について示す図、 第２図（ａ）　、　（ｂ）は遷移領域を有するヘテｔ２
接合のエネルギーバンド図を電荷の再分布を考慮しない
場合と考慮した場合について示す図、第３図は遷移領域
を含むヘテロ接合の空乏層内の電界分布を示す図、第４
図は本発明の一実施例のトランジスタ構造を示す図であ
る。 １−＝　ｎ＋型ＧａＡａ基板、２・・・ｎ型ＧａＡｔＡ
ｓ　コレクタ領域、３・・・遷移領域、４・・・ｐ型Ｇ
ａＡｓベース領域、５・・・ｎ＋型ＧａＡｔＡｓエミッ
タ領域。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第１図 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第１種牛導゛体物質からなるｐ型ベース領域と、とれよ
   シバンドギャップが広く第１種半導体物質との間に直接
   へテロ接合を形成した場合に接合部において伝棉帯にΔ
   Ｅｃ　（ｅＶ　）の不連続を生じる第２種半導体物質か
   らなるｎ型コレクタ領域とを有し、かつ前記ベース領域
   とコレクタ領域間に半導体物質の組成が徐々に変化する
   犀さＷｔ　（備〕の遷移領域を設けて構成されるヘテロ
   接合バイポーラトランジスタにおいて、前記遷移領域が
   ベース・コレクタ領域間に降服電圧が印加された状態で
   生じるを互層内に包含され、かつΔＥｃとＷｔの間に下
   記式（１）、　（２）で示される条件が成立することを
   特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。 ただし、（ｚ）　、　（２）式において、ｑ：電子電荷
   絶対値〔クーロン〕 ε１：第１種半導体物質の誘電率〔ファラッド／ｍ〕 ε２：第２ｍ半導体物質の誘電率〔ファラッド／α〕 Ｆ、二ヘース・コレクタ間に降服電圧が印加されたとき
   にｐｎ接合位置からベース佃域側に伸びる空乏層のうち
   遷移領域に含まれない部分に存在する実効的アクセプタ
   総量 ｒ２：ベース・コレクタ間に降服′電圧が印加されたと
   きにｐｎ接合位置からコレクタ領域側に伸びる空乏層の
   うち遷移領域に含まれない部分に存在する実効的ドナー
   総量