JPS61131490A - 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】 （産業上の利用分野） この発明はバイポーラトランジスタ、特に−個のトラン
ジスタで発光、受光及び電流増幅の各機能を具えた。化
合物半導体を用いたバイポーラトランジスタに関する。

（従来の技術） 従来、この種の化合物半導体な用いたバイポーラトラン
ジスタとして１本出願人に係る特開昭５７＝１１８５１
１８号及び同５７−１１７８８５号において提案された
ものがある。この従来提案されたバイポーラ型発光受光
トランジスタの構造の一例を第３図に概略的に示す、こ
の従来のトランジスタはａｌｌ半導体基板！上にａｌｌ
コレクタ層２．ｐｌ！ベース層３、ａｌｌエミッタ層４
及びｎ５１コンタクト層５をそれぞれ半導体結晶層とし
て積層して成るｎｐｎ型トランジスタである。このコン
タクト層５の一部分をエツチング線去して光の入射及び
出射の邪魔とならない部分をコンタクト層５として残存
させ、この残存させたコンタクト層５．エミッタ層４及
びベース層３に１例えばｐｍ不純物拡散を行って、これ
ら各層５，４及び３の一部分をｐ５！に反転することに
より２ｐ型領域６，７及び８をそれぞれ形成した構造と
なっている。９は光の入射及び出射の邪魔とならない基
板の下面部分に設けたオーム性コレクタ電極、１０はコ
ンタクト層５上に設けたオー１、性エミッタ上極及び１
１はｐ型領域６１．に設けたオーム性ヘース゛ｌｉ、極
である。

゛このような構造の従来のトランジスタの客層のエネル
ギーギャップ（禁制、帯幅）の大きさの関係を第４図に
示す、第４５図において、横軸に層の厚さをコンタクト
層５（１１から取って示し、縦−軸にエネルギーギャッ
プの相対的な大きさを取って示しである。この図からも
明らかなように、基板ｌ、コレクタ層２．ベース層３．
コンタクト層４及びｐ型領域６のそれぞれのエネルギー
ギャップＥ、ＩＥ９２　、　Ｅ１３　　、　Ｅり５．Ｅ
シロは同−又はほぼ同一の大・　　きざであるが、エミ
ッタ層４のエネルギーギャップＥｒａはこれら他の曖ｌ
、２．３．５．６のそれよりも大きく設定し、それによ
り増幅率の増大を図っていた。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このようにエミッタ層４のエネルギーギ
ャップ！う４を他の暦のそれよりも大きくすると、増幅
率の改善を図ることが出来るが１発光波長と高感度の受
光波長領域との整合性が悪くなるという欠点があった。

第５図はこのような従来のトランジスタの波長（横軸）
と発光強度及び受光感度（縦軸）との関係を示した特性
曲線図であり、図中曲線Ａは受光感度の高い領域のスペ
クしている。この図からも明らかなように、受光感度の
高い波長領域と１発光波長領域とがずれているので、こ
の種の同一のトランジスタを複数個用いてこれらトラン
ジスタ間で光の授受を行わせようとすると、上述したよ
うに波長の整合性が悪く、そのためにトランジスタ間で
の光の結合を良好に行わせることが極めて困難であった
。

この発明す目的は、上述した従来のバイポーラトランジ
スタが有する欠点を除去し、−偏のトランジスタで発光
、受光及び電流増幅の各機能を有　　。

すると共に１発光波長と受光感度波長との整合が取れる
ようにした構造のバイポーラトランジスタを提供するこ
とにある。

（問題点を解決するための手段） この発明の目的の達成を図るため、この発明によれば、
ノ＋Ｌｉ＆１１：にコレクタ層２、ベース層３及びエミ
ッタ層４を几え゛る。化合物半導体を用いたバイポーラ
トランジスタにおいて、このコレクタ層２のエネルギー
ギャッｉＦ、＞２をベース層３のエネルギーギャップＥ
＃３より小さくしてなることを特徴とする。

さらに、この発明の実施に当っては、基板１のエネルギ
ーギャップＥｐをコレクタ層２のエネルギー軍ヤツデＥ
３２よ゛りも大きくしておくことが好適である。

（作用） このように！、２＜Ｅ、３　とゝな−るように構成すれ
ば、このトランジスタの高感度受光波長領域はほぼ入ｓ
　　（＝　Ｋ　／Ｅ２３　）で入２　　（＝に／ＥＪ２
　）　　（（旦し、Ｋは定数で、約１：’４０’ｊｉｓ
／ｅＶ　）となるノテ、発光波長をコレクタ層２での吸
収波長帯の長波長端よりも小さく出来、従って１発光と
受光の波長の整合性の良い特性が得られる。

また、　Ｅ、、　＞Ｅ、２とすることにより、基板側か
ら光が入射した場合に、′より効率の良い受光特性が得
られると」（に、エミャタ側から光を効率良く出射出来
るので、一方向性の発光受光トランジスタを得ることが
出来る。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明のバイポーラトランジス
タの一実施例につき説明する。

この実施例でのトランジスタの層構造は第３図に示した
従来の層構造と同様な構造を成しているのでその詳細は
省略するが、これら半導体結晶基板！、コレクタ層２．
ベース暦３．エミッタ暦４、コンタクト層５及び６のエ
ネルギーギャップの大きさが従来と相違する。この場合
にも、前述と同様に、コレクタ層２及びエミッタ層４を
ｎ型とし、ベース層３をｐ型とした例につき説明するが
、導電型を反転した゛構造としても良いし、また、コレ
クタ層とエミッタ層とを入れ換え基板ｌをエミッタ層４
のためのコンタクト層として作用させしかもコンタクト
層５を除去した構造どしでも良い。

この構造において、ｎ型半導体結晶基板１は一般にはｎ
型層２，４及び５と結晶学的及び電気的に適合する類似
の性質を有する材料で形成し１例えば、コレクタ層２を
ｎ型ＧａＡｓとする場合には。

基板１をｎ型ＧａＡｓ或いはｎ型Ｓｉ、　　ｎ型Ｇａで
あっても良い、また、このコレクタ層２は電極９との接
続を兼ているので電気伝導率の高いものが良く。

高周波特性の点からも望ましい、また１、これらの各層
２．３．４及び５もまた半導体結晶である。

そして、このトランジスタ構造で最も重要な活性層はコ
レクタ層２．ベース層３及びエミッタ層４である。

このトランジスタの各層を発光効率の良い化合物半導体
で形成すると、このトランジスタは受光トランジスタと
してはもとより発光トランジスタとしても動作し得る。

そして、光の入射及び出射は上部、下部或いは横方向か
らも可能であり、それらの入出力光を図中１２．１３及
び１４でそれぞれ示しである。゛ このようなトランジスタ構造において、各層の１．２．
３．４．５及び６の電子エネルギーギャップＥ１＋−Ｅ
ｊｂの大きさの関係を第１図に示し、これに′＞き説明
する。

この発明で木質的に最も重要なエネルギーキャップの関
係は、コレクタ層２．ベース層３及びエミッタ層４の間
のエネルギーギヤ、プＥｔ２〜Ｅｙｅ間の関係である１
１に示すように、この発明においてはＥｒａ≧Ｅ３ａ　
＞Ｅ１２の関係となるように結晶の組成を設定している
。

Ｅ１４≧Ｅｓ３の場合には、一般に良く知られているよ
うに、ワイドギャップエミッタによる電流注入効率の向
−上と、上部のエミッタ暦４側での光の入出力効率の向
上を図ることが出来る。ワイドギャップのｒＬ型エミ？
り層４から注入された電子はＰ型代−ス層３に注入され
てその一部分が正孔と再結合して発光するので、このト
ランジスタの主な発光層はベース層となる。又、正孔に
よる逆注入によってエミッタ層４が発光する場合がある
。

すＩＦｆｆＩ　　ゝドク、−＋するのＣＩｌ、Ｉ・ン／
シ゛ス＋１の晶感度受光波長帯域はほぼ入４　　（＝に
／Ｅｙｎ　）く入３　　（−Ｋ／Ｅ、３）　＜入２・（
”Ｋ／Ｅｙｚ　）　　（但し、には定数で、約１２４０
ｎｐ／ａＶ　）となる、従って１発光波長をコレクタ層
２での吸収波長帯域の長波長端よりも小さく出来る。よ
ってこのトランジスタは上、下及び横方向からの外部入
射光に対し、出射光の波長よりも長い波長まで高感度受
光波長帯域を有するという特性をもつことになる。

このようなエネルギーギャップの関係を有するトランジ
スタの波長と、発光強度及び受光感度との関係を示すス
ペクトル特性を第２図に示す。

同図において、横軸に波長をプロットして示し、縦軸に
発光強度及び受光感度をプロットして示し１曲線Ｃは受
光スペクトル曲線であり１曲線りは発光スペクトル曲線
である。この第２図からも明らかなように、この発明の
トランジスタの発光波長帯域は受光感度波長帯域内に入
っているので１発光と受光との波長の整合が確実かつ良
好に得られる。

ところで、これら各層２．３及び４の１．　Ａ　Ｌ　／
：ような関係を有するエネルギーギャップをもまた半導
体結晶は非常に多数の組み合わせが考えられる０例えば
、材料としてはＡＱＧａＡａとか、　ＩｎＧａＡａとか
、　ＩｎＰとかその他の三元系半導体を用いることが出
来る。さらに１例えばＡ９　ｔＧａ　Ｈ−）ｔ＾１の場
合にはｌ≧エミッタ層４のＸ≧ペース層３のＸ〉コレク
タ層２のｘ＞Ｏの関係を満足するように組成関係を設定
することが出来る。尚、この場合、発光効率の良いベー
ス層３には液相成長法でｐＨ１不純物を導入するのが有
益となる。

次に、基板ｌのエネルギーギャップ！＄１につき説明す
る。この基板ｌのエネルギーギヤ、ブリ。

は先ず第一にや≧Ｅ＄１となるように設定することが出
来る。このようにす、る′と、基板ｌはコレクタＭ２と
同様に光の吸収層として作用し、エミッタ側（１２で示
す）又は横方向、（１４で示す）から光を入射及び出射
させるのに好適となる。

或いは又、Ｅｙｌ　）Ｅｊ２の関係となるように設定す
ることも出来る。この場合には、下方の基板側から光が
入射した場合（１３で示す）に、より効率の良い受光特
性が得られる。従って、基板ｌの側から入射し、エミッ
タ４側から光を有効に出射する一方向性の発光受光トラ
ンジスタを形成することが出来る。

尚、詳細な説明は省略するが、上述したようなＥ５３　
）Ｅ＄２の関係となるようにベース層３とコレクタ層２
のエネルギーギャップを設定した場合には５発光層であ
るベース層３で発光した光はコレクタ層２においてより
有効的に吸収されベース−コレクタ間で有効な受光電流
を生ずるので、一種の正帰還現象となり、従ってその場
合には電流増幅率がより大きくなるという効果が得られ
る。

また、各層をその層内では均一組成でかつ均一なエネル
ギーギャップを有するように形成しても良いし、或いは
、必ずしもその必要はなく、前述のエネルギーギャップ
の関係５．≧！、、〉！、、を満足する範囲内で層内に
不均一性が一つでも良い、このような不均一性を積極的
に利用して層内のエネルギーギャップに勾配を付け、こ
の勾配を利用してキャリアのドリフト効果や、光吸収効
果や、或いは、界面準位の低下効果等を必要に応じ有効
に活用することが出来る。

この発明は上述した実施例にのみ限定されるものではな
いこと明らかである。

例えば、コレクタ層２のエネルギーギャップがベース層
３のエネルギーギャップよりも小さいという条件を満足
するものであれば、化合物半導体材料は七の種類を問わ
ず用いることが出来ると共に、その組成も任意に設定す
ることが出来る。

例えば、既に説明したように、このバイポーラトランジ
スタをｐｎｐＨのトランジスタとして構成すること−が
出来るし、基板ｌ上の積層順序をエミッタ層４．ベース
層３．コレクタ層２としてコンタクト層を設けない構造
とすることも出来るし、各層の導電型を上述した実施例
の場合とは反転させても良い。

さらに、例えばコンタクト層５を設けずにオーム性電極
１０を直接エミッタ層４に接触させても良いし、さらに
、一方の導電型例えばｐｍの領域６．７．８を設ける八
りに、エミッタ層４にエツチング等の手凌により電極用
穴又は溝を開けてオーム性電極１１をベース層３の一部
分と接触させるようにしても良い。

また、このバイポーラトランジスタを集積回路として構
成することが出来ることも容易に推察出来る０例えば、
基板１を絶縁性の基板とし、コレクタ層２に対しては別
途の方法で電極の取り出しを行うことも可能であるし、
基板ｌの層のｙ側にさらに別個の絶縁性基板を設けてこ
の基板１の暦をエピタキシャル成長法で成長させた構造
としても良い、このようにすれば、同一基板上に多数個
のバイポーラトランジスタを形成してモノリシック発光
受光集積回路を構成することが出来る。

また、横方向に天竜・流動作を行わせることによってレ
ーザ発光動作壷行わせることも可能であるが、その詳細
は省略する。

（発明の効果） 上述した説明からも明らかなように、この発明のバイポ
ーラトランジスタによれば、コレクタ層とベース層の組
成を変えて、コレクタ層のエネルギーギャップをベース
層のエネルギーギャップよりも小さくした構造となって
いるので、ベース領域から発光した光の波長はコレクタ
層の高感度受光波長帯域内に入る。これがため、発光波
長と高感度受光波長域との整合を確実にかつ良好に取る
ことが出来、従って、これらトランジスタ間で光の授受
を行わせる場合であっても、光結合を従来よりも逼に効
果的に行うことが出来る。

また、基板のエネルギーギャップをコレクタ層のエネル
ギーギャップよりも大きくする場合には、一方向性の発
光受光トランジスタが得られる。この発明のバイポーラ
トランジスタは発光及び受光の波長の整合性が良い特性
を有するので。

光素子導体として光通信や、光制御装置に使用して好適
であるばかりではなく、このバイポーラトランジスタを
光集積回路にも適用して頗る好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のバイポーラトランジスタの各層のエ
ネルギーギャップの大きさのＩ！Ｉ係を示す線図、 第２図はこの発明のバイポーラトランジスタの発光及び
受光スペクトルを示すスペクトル曲線図。 ＠３図は従来及びこの発明のバイポーラ−トランジスタ
の構造を説明するための線図、 第４図は従来のバイポーラトランジスタの、第１図と同
様な線図、 第５図は従来のバイポーラトランジスタの、第２図と同
様なスペクトル曲線図である。 ｌ・・・ｆｉ型基板、　　　　　２・・・ｎ型コレクタ
層３・・・ｐ型ベース層、　　　４・・・ｎ型エミフタ
暦５・・・コンタクト暦、　　８．７．８・・・ｐ５！
領域９・・・オーム性コレクタ電極 １０・・・オーム性エミフタ電極 １１・・・オーム性ベース電極 ＋２．１３．１４・・・発光及び受光する光。 第・１図 坂 第２図 成長 聾　Ｍ　　〜　Ｎ ４１　、ｌｔ−寿、￥−０い昧プ 手続補正書 昭和６１年２月２５日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基板上にコレクタ層、ベース層及びエミッタ層を具
   える、化合物半導体を用いたバイポーラトランジスタに
   おいて、前記コレクタ層のエネルギーギャップを前記ベ
   ース層のエネルギーギャップより小さくしてなることを
   特徴とするバイポーラトランジスタ。 ２、基板のエネルギーギャップをコレクタ層のエネルギ
   ーギャップよりも大きくしてなることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載のバイポーラトランジスタ。