DE69127849T2

DE69127849T2 - Bipolarer Transistor

Info

Publication number: DE69127849T2
Application number: DE69127849T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yamada
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-04-18
Filing date: 1991-04-17
Publication date: 1998-03-26
Anticipated expiration: 2011-04-18
Also published as: EP0453945B1; US5150185A; EP0453945A1; DE69127849D1

Description

Halbleiteranordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung und insbesondere einen Heterojunction-Bipolartransistor.
Im allgemeinen wird als Material für den Bipolartransistor Si (Silizium) verwendet, wobei jedoch Silizium die Beschleunigung des Bipolartransistors physikalisch beschränkt. Unter diesen Umständen besteht das Bedürfnis nach der Entwicklung eines Bipolartransistors, welcher Materialien verwendet, die hinsichtlich der Beschleunigung effektiver sind. Ein derartiger Bipolartransistor ist ein Heterojunction-Bipolartransistor (HBT) o.ä., der eine Basis und einen Kollektor aufweist, die aus Verbindungshalbleitern, Ge (Germanium) oder anderen Materialien bestehen.
Durch die Verwendung des Heteroübergangs zwischen dem Emitter und der Basis kann der HBT eine gute Emitter-Basis-Elektroneninjektionseffektivität besitzen. Zudem ist die Dotierung der Emitterschicht und der Basisschicht nicht beschränkt, und der Freiheitsgrad bei der Gestaltung ist entsprechend hoch. Demzufolge kann eine hinsichtlich der Beschleunigung geeignete Anordnung hergestellt werden.
Diesbezüglich wird erwartet, daß mit Hilfe des HBT die Sackgasse verlassen werden kann, in die man aufgrund der Si-Bipolartransistoren hinsichtlich der Beschleunigung geraten ist. Insbesondere der aus Verbindungshalbleitern hergestellte HBT ist für eine Höchstbeschleunigung aufgrund seiner überlegenen Elektronentransporteigenschaften in der Basisschicht und der Verarmungszone der Kollektorschicht vorteilhaft und ermöglicht zudem eine größere Freizügigkeit bei der Ausgestaltung hinsichtlich der Bandstruktur. Dieser HBT wird derzeit intensiv untersucht.
Es besteht die Tendenz, daß Verbindungshalbleiter aufgrund ihrer niedrigeren Bandabstandsenergie Eg für die Beschleunigung des Bipolartransistors wirkungsvoller sind. Die Bandabstandsenergie Eg von InGaAs entspricht ungefähr der Hälfte deijenigen von GaAs. Für die Beschleunigung des Bipolartransistors ist die Herstellung der Basis und des Kollektors mit Verbindungshalbleitern mit derartig geringen Bandabständen sehr wirkungsvoll. Andererseits wird umgekehrt der Spannungswiderstand zwischen der Basis und dem Kollektor verringert, wodurch Probleme beim Betreiben der Schaltung usw. hervorgerufen werden. Aufgrund dessen ist eine hohe Basis-Kollektor- Durchbruchspannung erforderlich.
Bei dem Bipolartransistor wird die Durchbruchspannung zwischen der Basis und dem Kollektor durch den Durchbruch eines p-n-Übergangs zwischen der Basis und dem Kollektor bestimmt. Für das Auftreten dieses Durchbruchs sind sowohl der Tunneleffekt als auch der Lawineneffekt wichtige Mechanismen, wobei gewöhnlich der Lawineneffekt die Durchbruchspannung bestimmt.
Wie in der Basis-Kollektor-Bandstruktur von Fig. 1 dargestellt ist, werden Elektronen von einer Basisschicht 102 in eine Kollektor-Verarmungszone 104 mit einer hohen kinetischen Energie Ek injiziert, wobei die Elektronen einem intensiven elektrischen Feld usw. ausgesetzt sind und mit Gitteratomen korndieren. Mit dem Weiterwandern der Elektronen zu der Kollektorschicht 106 erhöht sich die kinetische Energie Ek dieser Elektronen. Sobald die Intensität der kinetischen Energie Ek ausreicht, um die Elektronen von dem Valenzband in das Leitungsband oder Löcher von dem Leitungsband in das Valenzband anzuheben, d.h. hoch genug ist, um einen Bandabstand Eg zu überwinden, werden Bindungen zwischen den Gitteratomen aufgebrochen und Elektron-Loch-Paare erzeugt. Die somit erzeugten Elektronen und Löcher besitzen eine bestimmte Energie, sind dem elektrischen Feld ausgesetzt und erzeugen verschiedene neue Elektron-Loch-Paare. Dieser Prozeß wiederholt sich laufend, um somit einen Lawineneffekt auszulösen, und der pn- Übergang zwischen der Basis und dem Kollektor ist durchbrochen.
Um einen aufgrund des Lawineneffekts verursachten Durchbruch zu unterdrücken, wird der Bandabstand Eg in der Verarmungsschicht des p-n-Übergangs groß gewählt.
Das heißt, daß - wie in der Basis-Kollektor-Bandstruktur von Fig. 2 dargestellt ist - eine Kollektorschicht 112 aus einem Halbleitermaterial besteht, welches einen größeren Bandabstand Eg als das Material einer Basisschicht 110 besitzt. Um Spitzen in dem Band Ec zwischen der Basisschicht 110 und der Kollektorschicht 112 zu vermeiden, ist eine Übergangsschicht 114 mit einem sich stetig verändernden Bandabstand vorgesehen. Die andere Seite der Kollektorschicht 112 mit dem breiteren Bandabstand ist über eine mit einer hohen Störstellenkonzentration dotierten Übergangsschicht 116 mit einem sich stetig ändernden Bandabstand mit einer Nebenkollektorschicht 118 verbunden, die einen kleineren Bandabstand aufweist und mit einer hohen Störstellenkonzentration dotiert ist.
Für den Fall, daß die Basisschicht 110 beispielsweise aus Ge besteht, ist die Kollektorschicht 112 aus SiGe oder einem anderen Material gefertigt. Ist die Basisschicht 110 beispielsweise aus InGaAs gefertigt, so besteht die Kollektorschicht 112 aus InAlAs oder einem anderen Material.
Die bisher für eine hohe Durchbruchspannung des Kollektors durchgeführte Ausgestaltung der Kollektorschicht mit Halbleitermaterialien, die einen großen Bandabstand aufweisen, steht jedoch im Gegensatz zu der beabsichtigten Realisierung eines Bipolartransistors mit einer hohen Beschleunigung, bei dem die Basis und der Kollektor aus Halbleitermaterialien mit geringen Bandabständen herzustellen sind. Das heißt, nur die Basisschicht wird aus einem Haltleitermaterial mit einem geringen Bandabstand hergestellt, und die Betriebsbeschleunigung des Bipolarransistors kann dementsprechend nicht realisiert werden. Die Realisierung einer hohen Durchbruchspannung des Kollektors mit Hilfe des bekannten Verfahrens weist somit das Problem auf, daß die Beschleunigung des Bipolaransistors geopfert werden muß.
Für den Fall, daß die Basisschicht aus InGaAs und die Kollektorschicht aus InAlAs gefertigt ist, können, da eine Energiedifferenz ΔEΓ-L zwischen dem Γ-Tal und dem L-Tal in InAlAs relativ gering ist und 0,23 eV beträgt, von der Basisschicht in die Kollektorschicht injizierte Elektronen leicht von dem Γ-Tal in das L-Tal weiterwandern und der Geschwindigkeitsüberschuß ist nicht so wirksam, was zur Folge hat, daß sich die Geschwindigkeit der Elektronen verringert. Demzufolge kann die Steigerung der Elektronengeschwindigkeit aufgrund des Geschwindigkeitsüberschußeffektes nicht realisiert werden, und es besteht das Problem, daß die Beschleunigung des Bipolartransistors nicht verwirklicht werden kann.
Des weiteren wurde ein HBT mit einem aus verschiedenen Verbindungshalbleitern ausgewählten AlGaAs/GaAs-Heteroübergang auch wegen seines einfach zu steuernden Kristallwachstums intensiv untersucht. Als Ergebnis wurde festgestellt, daß dieser HBT die schnellste Schaltgeschwindigkeit der gegenwärtig verwendeten Halbleiteranordnungen aufweist.
Für die Ausgestaltung der Halbleiteranordnung hinsichtlich einer weiteren Höchstbeschleunigung ist jedoch die Verringerung der Durchlaufzeit der Basisschicht und der Kollektor-Verarmungsschicht sowie eine Verringerung der parasitären Kapazität und parasitären Widerstände wichtiger. Die Verringerung der Durchlaufzeit in der Basisschicht wird beispielsweise durch Verringerung der Dicke der Basisschicht und Abstufen der Basisschicht realisiert, wälirend die Verringerung der Durchlaufzeit in der Kollektor- Verarmungsschicht durch Optimierung des in der Verarmungszone wirkenden elektrischen Feldes durch Verwendung eines p-Kollektors, eines i-Kollektors oder einer BCT-Struktur (Ballistic Collection Tranistor) realisiert wird.
Fig. 3 zeigt die Band- und Schichtstrukturen eines gewöhnlichen HBT. Fig. 4 zeigt die Band- und Schichtstrukturen eines BCT, wobei als Höchstgeschwindigkeit- Kollekturstruktur eine i/p&spplus;/n&spplus;-Struktur verwendet wird.
Diesem HBT und BCT ist gemeinsam, daß eine n-Emitterschicht 122, 123 und p&spplus;- Basisschicht 124, 134 verwendet wird, während eine n-Kollektorschicht 126 des HBT einer Kollektorschicht des BCT entspricht, welche eine i-Schicht 136, eine planar dotierte p&spplus;-Schicht 138 und eine n&spplus;-Schicht 140 umfaßt.
Bei der i/p&spplus;/n&spplus;-Mehrschichten-Kollektorstruktur des BCT ist das elektrische Feld in der i- Schicht 136 optimiert, indem die Konzentration der planar dotierten p&spplus;-Schicht 138 derart eingestellt wird, daß die Elektronen einen Geschwindigkeitsüberschuß aufweisen und die gesamte i-Schicht 136, welche eine geringere Störstellenkonzentration besitzt, "quasiballistisch" durchlaufen.
Das heißt, daß bei dem in Fig. 3 dargestellten HBT mit der gewöhnlichen n- Kollektorstruktur die von der p&spplus;-Basisschicht 124 in die n-Kollektorschicht 126 injizierten Elektronen sofort in das L-Tal injiziert werden, während bei dem in Fig. 4 dargestellten BCT mit der i/p&spplus;/n&spplus;-Mehrschichten-Kollektorstruktur die Elektronen innerhalb eines bestimmten Kollektorspannungsbereiches Vce in nahezu dem gesamten Bereich der Kollektorschicht einen Geschwindigkeitsüberschuß besitzen, so daß die Elektronen quasiballistisch in das Γ-Tal wandern können, wo die Durchlaufgeschwindigkeit höher ist als in dem L-Tal. Demzufolge kann mit Hilfe der Verwendung der i/p&spplus;/n&spplus;-Mehrschichten- Kollektorstruktur die vorwiegend für die Verzögerung der Anordnung verantwortliche Elektronendurchlaufzeit, insbesondere die Elektronendurchlaufzeit in der Kollektor- Verarmungsschicht, verringert werden.
Aus einem Bericht ist beispielsweise die Anwendung der i/p&spplus;/n&spplus;-Mehrschichten- Kollektorstruktur bei einem HBT mit einem AlGaAs/GaAs-Heteroübergang bekannt, wodurch eine maximale Cut-Off-Frequenz von 105 GHZ realisiert werden konnte (T. Ishibashi et al., "ULTRA-HIGH SPEED AlGaAs/GaAs HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR", 1988 International Electron Divices Meeting TECHNICAL DIGEST, Seiten 826 - 829). Mit diesem Bericht wird die Brauchbarkeit dieser Struktur bewiesen.
Wird jedoch eine aus GaAs bestehende Basisschicht verwendet, wird die Einschaltspannung hoch, so daß eine entsprechend hohe Quellenspannung verwendet werden muß, wodurch der Stromverbrauch hoch wird. Demzufolge ist die Integration vieler HBTs problematisch.
Andererseits weist ein HBT mit den InAlAs/InGaAs oder InP/InGaAs-Systemen, wobei die Basisschichten aus InGaAs mit einem geringen Bandabstand bestehen, im Vergleich mit den HBT, dessen Basisschichten aus GaAs bestehen, eine höhere Elektronenbeweglichkeit und eine höhere Geschwindigkeit sowie eine geringere Einschaltspannung und dementsprechend einen geringeren Stromverbrauch auf.
Wird zur Erzielung eines niedrigeren Stromverbrauches die zuvor beschriebene BCT- Struktur auf den HBT mit einer Basisschicht, die einen geringen Bandabstand aufweist, angewendet, wie z.B. auf den InAlAs/In GaAs - oder den InP/InGaAs-HBT, weist der Kollektor des HBT die Struktur des i-InGaAs/p&spplus;-InGaAs/n&spplus;-InGaAs-Systems auf. InGaAs besitzt eine derartig hohe Elektronenbeweglichkeit und eine derartig große Energiedifferenz zwischen dem Γ-Tal und dem L-Tal, daß sich der Geschwindigkeitsüberschuß effektiver auswirkt.
Demzufolge wird die Anwendung der BCT-Struktur mit einer i/p&spplus;/n&spplus;-Mehrschichten- Kollektorstruktur auf den HBT mit einer InGaAs-Basis, welche einen geringen Bandabstand aufweist, als hinsichtlich der Beschleunigung sehr wirkungsvoll betrachtet.
Obwohl - wie bereits zuvor beschrieben worden ist - die Anwendung der BCT-Struktur mit einer i/p&spplus;/n&spplus;-Mehrschichten-Kollektorstruktur auf den HBT mit der InGaAs-Basis, welche einen geringen Bandabstand aufweist, für die Beschleunigung sehr wirkungsvoll ist, tritt dabei das folgende Problem auf.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist das in der Verarmungswne zwischen der planar dotierten p&spplus;-Schicht 138 und einer n&spplus;-Kollektorschicht 140 auftretende elektrische Feld starker als dasjenige in der Kollektor-Verarmungsschicht der gewöhnlichen Kollektorstruktur. Demzufolge wird die Durchbruchspannung dieser Kollektorstruktur durch einen p&spplus;-n&spplus;- Übergang zwischen der planar dotierten p&spplus;-Schicht 138 und der n&spplus;-Kollektorschicht 140 bestimmt und ist niedriger als die Durchbruchspannung der gewöhnlichen Kollektorstruktur.
Des weiteren ist es für den Fall, daß für die Basisschicht InGaAs mit einem geringen Bandabstand verwendet wird, üblich, die Kollektorschicht aus InGaAs zu fertigen. Halbleiter mit einem geringen Bandabstand, wie z.B. InGaAs, deren Ionisierverhältnis hoch ist, neigen zur Auslösung des Lawineneffekts und auch des Tunneleffekts. Die Kollektor-Durchbruchspannung wird des weiteren verringert, wenn die Kollektorschicht aus einem Halbieltermaterial mit einem geringen Bandabstand hergestellt wird.
Demzufolge besteht das Problem, daß die Abnahme der Durchbruchspannung des Kollektors die Schaltungsstruktur stark beschränkt, so daß der Schaltungsbetrieb problematisch ist.
Zur Lösung dieses Problems kann die Verwendung einer Doppelheterostruktur vorgeschlagen werden, um den Bandabstand der Kollektorschicht zu erhöhen, falls die Basisschicht aus einem Halbleitermaterial mit einem geringen Bandabstand hergestellt ist. In diesem Fall wird jedoch die Durchlaufzeit der Elektronen in der Kollektor- Verarmungsschicht entsprechend beeinträchtigt, was zu Lasten der Beschleunigung geht. Aus Applied Physics Letters, Vol 53, no. 11, September 1988, Seiten 983 - 985 (Tsang et al.) ist ein Bipolaransistor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Des weiteren offenbart die EP-A-0278 386 einen Bipolartransistor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Bipolartransistor zu schaffen, welcher einerseits eine hohe Basis-Kollektor-Durchbruchspannung aufweist und andererseits für Hochgeschwindigkeitsbetrieb geeignet ist.
Diese Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Bipolartransistor gemäß Anspruch 1 gelöst.
Erfindungsgemäß können die in die Basisschicht injizierten Ladungsträger in der dritten Kollektorschicht mit einer sehr hohen Geschwindigkeit fließen, da die dritte Kollektorschicht sowie die Basisschicht des ersten Leitfähigkeitstyps einen geringen Bandabstand aufweisen. Zudem tritt in keinem Fall ein Lawinendurchbruch in der dritten Kollektorschicht auf, da während des Betriebs die kinetische Energie Ek der Ladungsträger größer ist als der Bandabstand der dritten Kollektorschicht und im wesentlichen gleich groß oder größer ist als der Bandabstand der dritten Kollektorschicht an einer Kontaktstelle zwischen der dritten Kollektorschicht und der vierten Kollektorschicht, wobei die kinetische Energie nicht groß genug ist, um einen Lawinendurchbruch zu verursachen.
Da sich der Bandabstand Eg der vierten Kollektorschicht ausgehend von der Kontaktstelle mit der dritten Kollektorschicht vergrößert, ist des weiteren die kinetische Energie Ek der von der dritten Kollektorschicht in die vierte Kollektorschicht injizierten Ladungsträger im wesentlichen 1,0 bis 1,5 mal so groß oder geringer als der Bandabstand der vierten Kollektorschicht an entsprechenden Stellen in der vierten Kollektorschicht. Demzufolge tritt in der vierten Kollektorschicht ebenfalls niemals ein Lawineneffekt auf. Auf diese Weise kann eine hohe Durchbruchspannung der Kollektorschichten realisiert werden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird des weiteren durch einen Bipolartransistor gemäß Anspruch 7 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung wird das in der dritten Kollektorschicht auftretende elektrische Feld durch eine Differenz in der Störstellenkonzentration zwischen der Basisschicht und der weiteren Kollektorschicht eingestellt. Dieser Unterschied kann derart eingestellt werden, daß der Geschwindigkeitsüberschußeffekt der Ladungsträger in der dritten Kollektorschicht während des Betriebs einen Maximalwert annimmt. Demzufolge können von der Basisschicht in die Kollektorschicht injizierte Ladungsträger quasi-ballistisch in einem Geschwindigkeitsüberschußzustand in das Γ-Tal gelangen, wo ihre Durchlaufzeit höher ist. Demzufolge kann ein Höchstgeschwindigkeitsbetrieb realisiert werden.
Die weitere Kollektorschicht sowie die erste und vierte Kollektorschicht sind teilweise durch den pn-Übergang entleert. Da jedoch die erste und vierte Kollektorschicht jeweils einen großen Bandabstand aufweist, kann der Lawineneffekt vermieden werden, selbst wenn den durchlaufenden Ladungsträgern eine kinetische Energie von dem elektrischen Feld zugeführt wird.
Auf diese Weise kann eine Höchstgeschwindigkeit, ein niedriger Stromverbrauch und eine hohe Durchbruchspannung erzielt werden, was für den Betrieb von Schaltungen erforderlich ist.
Fig. 1 zeigt ein Energiebanddiagramm zur Erläuterung einer bekannten Halbleiteranordnung,
Fig. 2 zeigt ein Energiebanddiagramm zur Erläuterung einer anderen bekannten Halbleiteranordnung,
Fig. 3 zeigt ein Energiebanddiagramm zur Erläuterung eines bekannten HBT,
Fig. 4 zeigt ein Energiebanddiagramm zur Erläuterung eines bekannten BCT,
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht der Halbleiteranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 zeigt ein Energiebanddiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 5 dargestellten Halbleiteranordnung,
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild eines ECL-Gatters, bei dem HBTs gemäß der vorliegenden Erfindung Anwendung finden,
Fig. 8 zeigt eine Querschnittsansicht der Halbleiteranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 zeigt ein Energiebanddiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 8 dargestellten Halbleiteranordnung,
Fig. 10 zeigt eine Querschnittsansicht der Halbleiteranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 11 zeigt ein Energiebanddiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 10 dargestellten Halbleiteranordnung,
Fig. 12 zeigt eine Querschnittsansicht des HBT gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
Fig. 13 zeigt ein Energiebanddiagramm zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 12 dargestellten Halbleiteranordnung.
Nachfolgend wird ausführlich unter Bezugnahme auf Fig. 5 und 6 die Halbleiteranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfmdung erläutert.
Fig. 5 zeigt eine Querschnittsansicht der Halbleiteranordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Eine n&spplus;-InGaAs-Nebenkollektorschicht 4 ist mit einer Dicke von 500 nm auf einem InP- Substrat 2 ausgebildet. Auf diese Nebenkollektorschicht 4 ist über eine n&spplus;-(InGaAs)1-x (InAlAs)x-Vierstofflegierung-Übergangsschicht 6 mit einer Dicke von 50 nm eine n&spplus;- (InGaAs)0.4(InAlAs)0.6-Vierstofflegierung-Kollektorschicht 8 mit einem breiten Bandabstand und einer Dicke von 50 nm ausgebildet. Der InAlAs-Molenbruch x der Übergangsschicht 6 verändert sich ausgehend von dem Kontaktbereich mit der Nebenkollektorschicht 4 zu dem Kontaktbereich zwischen der Übergangsschicht 6 und der Kollektorschicht 8 mit dem den breiten Bandabstand hin stetig von 0 zu 0,6.
Auf der Kollektorschicht 8 mit dem breiten Bandabstand ist eine i-(InGaAs)1-x (InAlAs)x- Vierstofflegierung-Kollektorschicht 10 mit einer Dicke von 100 nm ausgebildet, welche durchbruchfest ist. Auf dieser durchbruchfesten Kollektorschicht 10 ist eine i-InGaAs- Kollektorschicht 12 mit einer hohen Elektronenbeweglichkeit und einer Dicke von 150 nm ausgebildet. Auf der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit ist wiederum eine p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 14 mit einer Dicke von 50 nm ausgebildet. Der InAlAs-Molenbruch x der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 verändert sich ausgehend von dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 8 mit dem breiten Bandabstand hin zu dem Kontaktbereich zwischen der Kollektorschicht 10 und der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit stetig von 0,6 zu 0.
Auf der Basisschicht 14 ist eine n-InAlAs-Emitterschicht 16 mit einer Dicke von 200 nm ausgebildet. Auf dieser Emitterschicht 16 ist über eine n&spplus;-(InGaAs)1-x (InAlAs)x- Vierstoffiegierung - Übergangsschicht 18 mit einer Dicke von 50 nm eine n&spplus;-InGaAs- Abdeckschicht 20 mit einer Dicke von 50 nm ausgebildet.
Auf der Nebenkollektorschicht 4, der Basissehicht 14 bzw. der Abdeckschicht 20 sind Kollektorelektroden 22, Basiselektroden 24 bzw. eine Emitterelektrode 26 vorgesehen.
Auf diese Weise ist ein InAlAs/InGaAs-HBT ausgebildet, der einen durch die InAlAs- Emitterschicht 16 ausgebildeten Emitter, eine durch die InGaAs-Basisschicht 14 ausgebildete Basis und einen durch die InGaAs-Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit, die durchbruchfeste (InGaAs)1-x(InAlAs)x-Kollektorschicht 10 und die (InGAAs)0.4(InAlAs)0,6-Kollektorschicht 8 mit dem breiten Bandabstand gebildeten Kollektor aufweist.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 6 der Betrieb dieses HBT erläutert.
Fig. 6 zeigt die Energiebandstruktur des Basis-Kollektor-Übergangs der in Fig. 5 dargestellten Halbleiteranordnung während dessen Betriebs.
Die Bandabstände Eg der p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 14 und der i-InGaAs-Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit betragen jeweils 0,76 eV. Der Bandabstand Eg der i-(InGaAs)1-x (InAlAs)x-Kollektorschicht 10, die spannungsdurchbruchfest ist, vergrößert sich stetig ausgehend von 0,76 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 12, welche die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, in Übereinstimmung mit dem sich ändernden InAlAs-Molenbruch x auf einen Wert von ungefähr 1,2 eV an dem Kontaktbereich zwischen der Kollektorschicht 10 und der Kollektorschicht 8, welche den breiten Bandabstand besitzt.
Der Bandabstand Eg der n&spplus;-(InGaAs)0,4 (InAlAs)0.6-Kollektorschicht 8 mit dem breiten Bandabstand beträgt ca. 1,2 eV und besitzt jedoch aufgrund der hohen n&spplus;- Dotierstoffkonzentration eine Krümmung. Der Bandabstand Eg der n&spplus;-(InGaAs)1-x (InAlAs)x-Übergangsschicht 6 verändert sich kontinuierlich und nimmt ausgehend von ca. 1,2 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 8, welche den breiten Bandabstand aufweist, kontinuierlich in Übereinstimmung mit dem InAlAs-Molenbruch x auf einen Wert von 0,76 eV an dem Kontaktbereich mit der Nebenkollektorschicht 4 ab. Der Bandabstand Eg der n&spplus;-InGaAs-Nebenkollektorschicht 4 beträgt 0,76 eV.
Während des Betriebs, d.h. bei Anlegen einer erforderlichen Spannung zwischen die Basiselektroden 24 und die Kollektorelektroden 22, werden Elektronen von der Basisschicht 14 injiziert und wandern zu der Schicht 8 mit dem breiten Bandabstand.
In der Kollektorschicht 12, welche die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, fließen die Elektronen aufgrund der hohen Elektronenbeweglichkeit wegen des schmalen Bandabstands von 0,76 eV mit einer sehr hohen Geschwindigkeit. Dabei wird angenommen, daß die Elektronen "quasi-ballistisch" die Kollektorschicht 12 durchwandern und eine kinetische Energie Ek annehmen, die demjenigen Energieniveau entspricht, um welches das Leitungsband Ec gegenüber der Basisschicht 14 abgesenkt ist. Demzufolge ist in der Kollektorschicht mit der hohen Elektronenbeweglichkeit die kinetische Energie der Elektronen stets niedriger als der Bandabstand Eg = 0,76 eV bzw. im wesentlichen genauso groß wie der Bandabstand Eg = 0,76 eV an dem Kontaktbereich mit der durchbruchfesten Kollektorschicht 10. Demzufolge fließen die Elektronen in der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, ohne den Lawineneffekt auszulösen.
In der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 vergrößert sich der Bandabstand Eg kontinuierlich ausgehend von 0,76 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 12, welche die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, auf ca. 1,2 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 8, die den breiten Bandabstand besitzt. Obwohl sich die kinetische Energie der in der durchbruchfesten Schicht 10 fließenden Elektronen ständig erhöht, ist der Bandabstand der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 stets kleiner als die kinetische Energie der Elektronen. Demzufolge fließen die Elektronen in der durchbruchfesten Kollektorschicht 10, ohne den Lawineneffekt auszulösen.
Die Kollektorschicht 8 mit dem breiten Bandabstand besitzt eine geringe Dicke von 50 nm und ist jedoch stark n&spplus;-dotiert. Demzufolge tritt eine Ausweitung der Verarmungszone aufgrund einer angelegten Basis-Kollektor-Spannung in der Kollektorschicht 8 mit dem breiten Bandabstand auf, welche etwas von dem Kontaktbereich mit der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 beabstandet ist. Demzufolge wirkt sich die aufgrund des breiten Bandabstandes hervorgerufene Abnahme der Elektronengeschwindigkeit nicht so stark auf die Durchlaufzeit aus.
Bei diesem Ausführungsbeispiel können von der Emitterschicht 16 injizierte Elektronen mit einer sehr hohen Geschwindigkeit in die Basisschicht 14 und die Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit fließen, da nicht nur die Basisschicht 14, sondern auch die Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit aus InGaAs mit schmalen Bandabständen gefertigt sind, so daß der Bipolartransistor mit hohen Geschwindigkeiten betrieben werden kann.
Insbesondere ist die Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit nicht nur aus InGaAs mit einer höheren Elektronenbeweglichkeit gefertigt, sondern besitzt auch zwischen dem Γ-Tal und dem L-Tal eine im Vergleich zu InAlAs relativ hohe Energiedifferenz ΔERΓ-L von 0,55 eV. Dadurch kann der Elektronen- Geschwindigkeitsüberschußeffekt realisiert werden. Des weiteren ist dies für die Verwirklichung der Beschleunigung des Bipolartransistors sehr wirkungsvoll.
In der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 wird der sich stetig verändernde Bandabstand Eg kontinuierlich in Richtung des Elektronenflusses vergrößert. Der Bandabstand ist an den entsprechenden Stellen höher als die kinetische Energie Ek der darin fließenden Elektronen, so daß die Elektronen in der durchhruchfesten Kollektorschicht 10 ohne Verursachung des Lawinendurchbruchs fließen können. Demzufolge kann ein Kollektor mit einer hohen Durchbruchspannung realisiert werden.
Tatsächlich fließen die Elektronen in der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 nicht "quasi-ballistisch", sondern werden durch das L-Tal usw. gestreut, wodurch sie kinetische Energie Ek verlieren. Demzufolge kann die Durchbruchspannung größer als der sich in Elektronenflußrichtung verbreiternde Bandabstand Eg gewählt werden.
Da die Kollektorschicht 8 mit dem breiten Bandabstand stark n&spplus;-dotiert ist, kann die Ausdehnung der Verarmungszone innerhalb der Kollektorschicht 8 mit dem breiten Bandabstand begrenzt werden. Demzufolge kann die Durchbruchspannung des Kollektors verbessert werden, und die Abnahme der Beweglichkeit aufgrund des breiten Bandabstandes beeinflußt gleichzeitig kaum die in der Kollektorschicht 8 mit dem breiten Bandabstand fließenden Elektronen.
Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit vorzugsweise dicker ausgestaltet, um die Durchlaufzeit zu verringern. Ist jedoch die Kollektorschicht 12 übermäßig dick ausgebildet, ist die kinetische Energie Ek der Elektronen bei abnehmender Durchbruchspannung zu hoch, um noch das Auftreten des Lawinendurchbruches vermeiden zu können. Aus diesem Grund wird für die Dicke der Kollektorschicht 12 vorzugsweise diejenige Obergrenze gewählt, bei der kein Durchbruch stattfindet.
Der Bandabstand der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 vergrößert sich kontinuierlich aus den von dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 12, welche die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt. Für eine höhere Elektronenbeweglichkeit und eine geringere Durchlaufzeit ist es vorteilhaft, wenn sich der Bandabstand der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 langsamer verändert. Ist jedoch die Veränderung des Bandabstandes der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 zu gering, so ist bei abnehmender Durchbruchspannung die kinetische Energie Ek der Elektronen zu hoch, um noch einen Lawinendurchbruch vermeiden zu können. Daher wird für den Bandabstand der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 vorzugsweise diejenige Untergrenze gewählt, bei der noch kein Durchbruch stattfindet.
Nachfolgend werden zunächst die Grenzwerte für die kinetische Energie Ek der Elektronen für einen Bandabstand Eg erläutert, bei denen noch kein Lawinendurchbruch verursacht wird. Die Obergrenze für die kinetische Energie Ek für den Bandabstand Eg kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
Ek = {( 2mn&spplus;mp ) / ( mn&spplus;mp )}x Eg = ( 1 + mn / ( mn&spplus;mp ) ) x Eg
Dabei bezeichnet mn die effektive Elektronenmasse und mp die effektive Lochmasse. Für mn=mp gilt Ek=1,5Eg, und für mn«mp gilt Ek=Eg (vgl. Karlheinz Seeger, "SEMICONDUCTOR PHYSICS", Springer-Verlag, New York, 1973, Seite 328). Demzufolge sind die Grenzen für die kinetische Elektronenenergie Ek, bei denen noch kein Lawinendurchbruch stattfindet, festgelegt durch
Eg < Ek < 1,5 Eg.
Demzufolge wird die Dicke der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit so gewählt, daß die kinetische Energie Ek der in der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit fließenden Elektronen kleiner als der 1,0 - bis 1,5 - fache Wert des Bandabstandes der Kollektorschicht 12 ist. Die Veränderung des Bandabstandes der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 wird so festgelegt, daß die kinetische Energie Ek der in der durchbruchfesten Kollektorschicht 10 fließenden Elektronen kleiner als der 1,0 - bis 1,5 - fache Wert des Bandabstandes der Kollektorschicht 10 ist.
Nachfolgend wird detailliert ein bevorzugter Dickebereich für die Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit erläutert.
Von einer Basisschicht in eine Kollektorschicht injizierte Elektronen werden durch eine zwischen die Basis- und die Kollektorschicht angelegte Spannung beschleunigt. Die kinetische Energie der in der Kollektorschicht fließenden Elektronen variiert abhängig von der zwischen der Basis- und die Kollektorschicht angelegten Spannung. Daher variiert der bevorzugte Dickebereich für die Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit abhängig von der Spannung.
Als typische Schaltung für die Verwendung von erfindungsgemäßen HBTs wurde eine in Fig. 7 dargestellte ECL-Gatterschaltung ausgewählt. Bei der ECL-Gatterschaltung besitzt ein Transistor Tr1 einen über einen Widerstand R1 an eine Kollektor- Versorgungsspannung VCC angeschlossenen Kollektor und eine an eine Eingangsspannung Vin angeschlossene Basis. Ein Transistor Tr2 besitzt einen über einen Widerstand R2 an VCC angeschlossenen Kollektor und eine an eine Bezugsspannung Vr angeschlossene Basis. Die Emitter der Transistoren Tr1 und Tr2 sind miteinander über eine Konstantstromquelle I1 an eine Emitter-Versorgungsspannung VEE angeschlossen. Ein Transistor Tr3 besitzt einen an VCC angeschlossenen Kollektor, eine mit dem Kollektor des Transistors Tr2 verbundene Basis und einen über eine Konstantstromquelle I2 an VEE angeschlossenen Emitter. An dem Emitter des Transistors Tr3 wird eine Ausgangsspannung Vout ausgegeben.
Es wird angenommen, daß für die Bezugsspannung Vr gilt:
Vr = VCC-Von-V1/2,
wobei Von die Einschaltspannung des HBT und V1 den logischen Spannungshub darstellt.
Die zwischen dem Kollektor und der Basis der Transistoren Tr1, Tr2 und Tr3 angelegten Kollektor-Basis-Spannungen Vbc nehmen folgende Werte an.
Besitzt die Eingangsspannung Vin einen hohen Pegel, wird der Transistor Tr1 eingeschaltet und es gilt Vbc = Von - V1, der Transistor Tr2 wird ausgeschaltet und es gilt Vbc = Von&spplus;V1/2, und der Transistor Tr3 wird eingeschaltet und es gilt Vbc = O. Nimmt die Eingangsspannung Vin einen niedrigen Pegel an, wird der Transistor Tr1 ausgeschaltet und es gilt Vbc = Von&spplus;V1, der Transistor Tr2 wird eingeschaltet und es gilt Vbc = Von - V1/2, und der Transistor Tr3 wird ausgeschaltet und es gilt Vbc = V1.
Die Halbleiteranordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein InAlAs/InGaAs-Heterojunction-Bipolartransistor, der eine n-InAlAs- Emitterschicht 16 und eine p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 14 aufweist. Die Einschaltspannung Von des InAlAs/InGaAs-HBT beträgt ca. 0,80 Volt. Unter der Annahme, daß der logische Spannungshub V1 0,4 Volt beträgt, besitzt der Transistor Tr1 die Spannung Vbc = 0,40 - 1,20 Volt, der Transistor Tr2 die Spannung Vbc = 0,60 oder 1,00 Volt und der Transistor Tr3 die Spannung Vbc = 0,00 oder 0,40 Volt. Werden die Transistoren Tr1, Tr2 und Tr3 eingeschaltet, beträgt Vbc maximal 0,60 Volt. Werden die Transistoren Tr1, Tr2 und Tr3 ausgeschaltet, beträgt die Spannung Vbc maximal 1,20 Volt.
Unter der Annahme, daß die Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit des InAlAs/InGaAs-HBT eine vollständig entleerte i-Schicht ist, welche einem gleichmäßigen elektrischen Feld ausgesetzt ist, kann das elektrische Feld Fc folgendermaßen dargestellt werden:
Fc = (Vbi + Vbc) / Wc,
wobei Vbi eine zwischen die Basis und den Kollektor angelegte Eigenspannung, Wc die Breite der Kollektorschicht 12 und Eg den Bandabstand der Kollektorschicht 12 darstellt. Die kinetische Energie Ek der Elektronen, die in der Kollektorschicht 12 ballistisch in einer Entfernung d von dem Kontaktbereich mit der Basisschicht 14 wandern, kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
Ek = Fc x d = { Vbi + Vbc ) / Wc } x d.
Unter der Annahme, daß gilt Ek = n x Eg mit n = 1,0 - 1,5, kann die Entfernung d ausgedrückt werden durch
d = Wc x Eg x n / (Vbi + Vbc).
Bei dem InAlAs/InGaAs-HBT gilt Eg = 0,76 eV, Wc = 300 nm und Vbi = 0,883 Volt (wobei die Basisschicht 14 mit einer Konzentration von 4 x 10 ¹&sup9;cm&supmin;³ p&spplus;-dotiert und die Nebenkollektorschicht 4 mit einer Konzentration von 5 x 10¹&sup8;cm&supmin;³ n&spplus;-dotiert ist). Ist der HBT eingeschaltet, ergibt sich für die Dicke d der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit der Ausdruck
d = 300 x 0,76 x n / (0,883 + 0,60)
= 153,7 x n
= 153,7 - 230,6.
Ist der HBT ausgeschaltet, ergibt sich für die Dicke d der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit der Ausdruck
d = 300 x 0,76 x n / (0,883 + 1,10)
= 109,4 x n
= 109,4 - 164,2.
Somit beträgt der bevorzugte Dickebereich der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit bei einem eingeschalteten HBT 153,7 - 230,6 nm oder 109,4 - 164,2 nm bei einem ausgeschalteten HBT.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 und 9 die Halbleiteranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausführlich erläutert.
Fig. 8 zeigt eine Querschnittaansicht der Halbleiteranordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Auf einem InP-Substrat 2 ist eine n&spplus;-InGaAs-Nebenkollektorschicht 4 mit einer Dicke von 300 nm ausgebildet. Auf dieser Nebenkollektorschicht 4 ist über eine n&spplus;-InGaAsP- Vierstofflegierung-Übergangsschicht 7 mit einer Dicke von 50 nm eine n-InP- Kollektorschicht 9 mit einem breiten Bandabstand und einer Dicke von 50 nm ausgebildet. Der Molenbruch der Übergangsschit 7 verändert sich kontinuierlich ausgehend von dem Kontakbereich mit der Nebenkollektorschicht 4 zu dem Kontakbereich mit der Kollektorschicht 9 hin, welche den breiten Bandabstand aufweist.
Auf der Kollektorschicht 9 mit dem breiten Bandabstand ist eine durchbruchfeste i- InGaAsP-Vierstofflegierung-Kollektorschicht 11 mit einer Dicke von 50 nm ausgebildet. Auf dieser durchbruchfesten Kollektorschicht 11 ist eine i-InGaAs-Kollektorschicht 12 mit einer hohen Elektronenbeweglichkeit und einer Dicke von 200 nm ausgebildet. Auf der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit ist eine p&spplus;-InGaAs- Basisschicht 14 mit einer Dicke von 50 nm ausgebildet.
Auf der Basisschicht 14 ist eine n-InP-Emitterschicht 17 mit einer Dicke von 200 nm ausgebildet. Auf dieser Emitterschicht 17 ist über eine n&spplus;-InGaAsP-Vierstofflegierung- Übergangsschicht 19 mit einer Dicke von 50 nm eine n&spplus;-InGaAs-Abdeckschicht 20 mit einer Dicke von 50 nm ausgebildet.
Auf der Nebenkollektorschicht 4, der Basisschicht 14 und der Abdeckschicht 20 sind Kollektorelektroden 22, Basiselektroden 24 bzw. eine Emitterelektrode 26 vorhanden.
Auf diese Weise ist ein InP/InGaAs-HBT ausgebildet, welcher einen durch die InP- Emitterschicht 17 gebildeten Emitter, eine durch die InGaAs-Basisschicht 14 gebildete Basis und einen durch die InGaAs-Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit, die durchbruchfeste InGaAsP-Kollektorschicht 11 und die InP- Kollektorschicht 9 mit dem breiten Bandabstand gebildeten Kollektor aufweist.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 9 der Betrieb dieses HBT erläutert.
Fig. 9 zeigt die Energiebandstruktur des Basis-Kollektorübergangs der in Fig. 8 dargestellten Halbleiteranordnung während deren Betriebs.
Die Bandabstände Eg der p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 14 sowie der i-InGaAs-Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit betragen jeweils 0,76 eV. Der Bandabstand Eg der spannungsdurchbruchfesten i-InGaAsP-Kollektorschicht 11 verändert sich kontinuierlich und erhöht sich kontinuierlich in Übereinstimmung mit der Veränderung des Molenbruches ausgehend von 0,76 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 12, welche die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, auf ca. 1,35 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 9, die den breiten Bandabstand aufweist.
Der Bandabstand Eg der n-InP-Kollektorschicht 9 mit dem breiten Bandabstand beträgt ca. 1,35 eV. Der Bandabstand Eg der n&spplus;-InGaAsP-Übergangsschicht 7 verändert sich kontinuierlich und verringert sich in Übereinstimmung mit dem Molenbruch ausgehend von 1,35 eV an dem Kontakbereich mit der Kollektorschicht 9, die den breiten Bandabstand aufweist, auf 0,76 eV an dem Kontatbereich mit der Nebenkollektorschicht 4. Der Bandabstand Eg der n&spplus;-InGaAs-Nebenkollektorschicht 4 beträgt 0,76 eV.
Während des Betrieb mit einer zwischen der Basiselektroden 24 und den Kollektorelektroden 22 angelegten erforderlichen Spannung werden Elektronen von der Basisschicht 14 injiziert und fließen zu der Schicht 9 mit dem breiten Bandabstand.
In der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit fließen die Elektronen aufgrund ihrer hohen Beweglichkeit wegen des schmalen Bandabstandes von 0,76 eV mit einer sehr hohen Geschwindigkeit. In der Kollektorschicht 12, die die hohe Elektronenbeweglichkeit sowie eine Dicke von 200 nm besitzt, ist jedoch die kinetische Energie der Elektronen stets geringer oder im wesentlichen gleich groß wie der Bandabstand Eg = 0,76 eV. Demzufolge fließen die Elektronen in der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit mit einer hohen Geschwindigkeit, ohne den Lawinendurchbruch auszulösen.
In der anschließenden durchbruchfesten Kollektorschicht 11 erhöht sich der Bandabstand Eg ausgehend von 0,76 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 12, welche die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, kontinuierlich auf ca. 1,35 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 9, die den breiten Bandabstand besitzt. Obwohl sich die kinetische Energie der in der durchbruchfesten Schicht 11 fließenden Elektronen kontinuierlich erhöht, ist der Bandabstand der durchbruchfesten Kollektorschicht 11 stets höher als die kinetische Energie der Elektronen. Demzufolge fließen die Elektronen in der durchbruchfesten Kollektorschicht 11, ohne den Lawinendurchbruch auszulösen.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel nicht nur die Basisschicht 14, sondern auch die Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit aus InGaAs mit einem schmalen Bandabstand, welches hinsichtlich der Elektronenbeweglichkeit bessere Eigenschaften aufweist, gefertigt ist, können von der Emitterschicht 17 injizierte Elektronen mit einer sehr hohen Geschwindigkeit in die Basisschicht 14 und die Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit fließen, und der Bipolartransistor kann mit hohen Geschwindigkeiten betrieben werden.
In der durchbruchfesten Kollektorschicht 11 vergrößert sich der sich verändernde Bandabstand Eg kontinuierlich in Richtung des Elektronenflusses. Der Bandabstand der Kollektorschicht 11 ist an den entsprechenden Stellen größer als die kinetische Energie Ek der darin fließenden Elektronen, so daß die Elektronen durch die durchbruchfeste Kollektorschicht 11 fließen können, ohne einen Lawinendurchbruch auszulösen. Demzufolge kann eine hohe Durchbruchspannung des Kollektors realisiert werden.
Der bevorzugte Dickebereich für die Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit des InP/InGaAs-HBT gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird mit Hilfe desselben Verfahrens wie bei dem HBT gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel berechnet.
Die Einschaltspannung Von des InP/InGaAs-HBT beträgt ca. 0,80 Volt. Die Spannung Vbc des Transistors Tr1 liegt im Bereich zwischen 0,35 und 1,15 Volt, die Spannung Vbc des Transistors Tr2 liegt im Bereich 0,55 bis 0,95 Volt und die Spannung Vbc des Transistors Tr3 liegt zwischen 0,00 und 0,40 Volt. Ist der Transistor Tr1, Tr2 bzw. Tr3 eingeschaltet, beträgt die Spannung Vbc maximal 0,55 Volt. Ist der Transistor Tr1, Tr2 bzw. Tr3 ausgeschaltet, beträgt die Spannung Vbc maximal 1,15 Volt.
Im eingeschalteten Zustand des HBT kann die Dicke d der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit folgendermaßen ausgedrückt werden:
d = 300 x 0,76 x n/(0,883 + 0,55)
= 159,0 x n
= 159,0 - 238,7.
Im ausgeschalteten Zustand des HBT kann die Dicke d der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit wie folgt dargestellt werden:
d = 300 x 0,76 x n / (0,883 + 1,15)
= 112,1 x n
= 112,1 - 168,2.
Im eingeschalteten Zustand des HBT umfaßt somit der bevorzugte Dickebereich der Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit 159,0 - 238,7 nm oder 112,1 - 168,2 nm im ausgeschalteten Zustand des HBT.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 10 und 11 die Halbleiteranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausführlich erläutert.
Fig. 10 zeigt eine Querschnittsansicht der Halbleiteranordnung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.
Auf einem GaAs-Substrat 32 ist eine n&spplus;-GaAs-Nebenkollektorschicht 34 mit einer Dicke von 500 nm ausgebildet. Auf dieser Nebenkollektorschicht 34 ist über eine n&spplus;-AlxGa1-xAs- Übergangsschicht 36 mit einer Dicke von 50 nm eine n-Al0,75Ga0,25As-Kollektorschicht 38 mit einem breiten Bandabstand und einer Dicke von 100 nm ausgebildet. Der AlAs- Molenbruch x der Übergangsschicht 36 verändert sich ausgehend von dem Wert 0,00 an dem Kontaktbereich mit der Nebenkollekt6rschicht 34 kontinuierlich auf einen Wert von 0,25 an dem Kontaktbereich der Kollektorschicht 38, die den breiten Bandabstand aufweist.
Auf der Kollektorschicht 38 mit dem breiten Bandabstand ist eine durchbruchfeste i- AlxGa1-xAs-Kollektorschicht 40 mit einer Dicke von 50 nm ausgebildet. Eine i-GaAs- Kollektorschicht 42 mit einer hohen Elektronenbeweglichkeit ist mit einer Dicke von 150 nm auf dieser durchbruchfesten Kollektorschicht 40 ausgebildet. Der AlAs-Molenbruch x der durchbruchfesten Kollektorschicht 40 verändert sich ausgehend von dem Wert 0,25 an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 38, die den breiten Bandabstand aufweist, kontinuierlich zu einem Wert von 0,00 hin, der an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 42, die die hohe Elektronenbeweglichkeit aufweist, vorhanden ist.
Auf der Kollektorschicht 42 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit ist eine p&spplus;AlxGa1-xAs- Basisschicht 44 mit einer Dicke von 100 nm ausgebildet. Auf der Basisschicht 44 ist eine n-AlxGa1-xAs-Übergangsschicht 45 mit einer Dicke von 50 nm ausgebildet. Eine n- Al0,75Ga0,25As-Emitterschicht 46 ist mit einer Dicke von 150 nm auf der Übergangsschicht 45 ausgebildet. Der AlAs-Molenbruch x der Basisschicht 44 verändert sich kontinuierlich ausgehend von einem Wert 0,00 an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 42, die die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, zu einem Wert 0,10 an dem Kontaktbereich mit der Übergangsschicht 45. Der AlAs-Molenbruch x der Übergangsschicht 45 verändert sich kontinuierlich ausgehend von einem Wert 0,10 an dem Kontaktbereich mit der Basisschicht 44 zu einem Wert 0,25 an dem Kontaktbereich der Emitterschicht 46.
Auf dieser Emitterschicht 46 ist über eine n&spplus;-AlxGa1-xAs-Übergangsschicht 48 mit einer Dicke von 50 nm eine n&spplus;-GaAs-Abdeckschicht 50 mit einer Dicke von 50 nm ausgebildet. Der AlAs-Molenbruch x der Übergangsschicht 48 verändert sich kontinuierlich von einem Wert 0,25 an dem Kontaktbereich mit der Emitterschicht 46 zu einem Wert 0,00 an dem Kontaktbereich mit der Abdeckschicht 50.
Auf der Nebenkollektorschicht 34, der Basisschicht 44 und der Abdeckschicht 50 sind Kollektorelektroden 52, Basiselektroden 54 bzw. eine Emitterelektrode 56 vorhanden.
Auf diese Weise ist ein AlGaAs/GaAs-HBT ausgebildet, der eine aus AlGaAs gefertigte Emitterschicht, eine aus AlGaAs gefertigte Basissehicht und eine aus GaAs und AlGaAs gefertigte Kollektorschicht aufweist.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 11 der Betrieb dieses HBT erläutert.
Fig. 11 zeigt die Energiebandstruktur des Basis-Kollektor-Übergangs der in Fig. 10 dargestellten Halbleiteranordnung während deren Betriebs.
Der Bandabstand Eg der p&spplus;-AlGaAs-Basisschicht 44 verändert sich kontinuierlich, d.h. verringert sich kontinuierlich in Übereinstimmung mit der Änderung des AlAs- Molenbruches ausgehend von 1,55 eV an dem Kontaktbereich mit der Übergangsschicht 45 auf ca. 1,42 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 42, die die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt. Der Bandabstand Eg der i-GaAs-Kollektorschicht 42 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit beträgt stets 1,42 eV. Der Bandabstand Eg der durchbruchfesten i-AlGaAs-Kollektorschicht 40 verändert sich kontinuierlich in Übereinstimmung mit dem sich ändernden Molenbruch, d.h. verringert sich kontinuierlich ausgehend von 1,42 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 42, die die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, auf ca. 1,80 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 38, die den breiten Bandabstand besitzt.
Der Bandabstand Eg der n-A0,75Ga0,25As-Kollektorschicht 38 mit dem breiten Bandabstand beträgt ca. 1,80 eV. Der Bandabstand Eg der n&spplus;-AlxGa1-xAs-Übergangsschicht 36 verändert sich in Übereinstimmung mit dem Molenbruch kontinuierlich, d.h. verringert sich kontinuierlich ausgehend von ca. 1,80 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 38, die den breiten Bandabstand besitzt, auf 1,42 eV an dem Kontaktbereich mit der Nebenkollektorschicht 34. Der Bandabstand Eg der n&spplus;-GaAs- Nebenkollektorschicht 34 beträgt 1,42 eV.
Im Betriebszustand mit einer zwischen die Basiselektroden 54 und die Kollektorelektroden 52 angelegten erforderlichen Spannung werden Elektronen von der Basisschicht 44 injiziert und wandern zu der Schicht 38 mit dem breiten Bandabstand.
Die Elektronen fließen in der Kollektorschicht 42, die die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, mit einer sehr hohen Geschwindigkeit. In der Kollektorschicht 42, die die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, ist jedoch die kinetische Energie der Elektronen stets geringer oder im wesentlichen gleich groß wie der Bandabstand Eg = 1,42 eV. Demzufolge fließen die Elektronen in der Kollektorschicht 42, die die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, ohne daß ein Lawinendurchbruch ausgelöst wird.
In der nachfolgenden durchbruchfesten Kollektorschicht 40 erhöht sich der Bandabstand Eg kontinuierlich ausgehend von 1,42 eV an dem Kontaktbereich mit der Kollektorschicht 42, die die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, auf ca. 1,80 eV an dem Kontabereich mit der Kollektorschicht 38, die den breiten Bandabstand besitzt. Obwohl sich die kinetische Energie der in der durchbruchfesten Kollektorschicht 40 fließenden Elektronen ständig erhöht, ist der Bandabstand der durchbruchfesten Kollektorschicht 40 stets höher als die kinetische Energie der Elektronen. Demzufolge fließen die Elektronen in der durchbruchfesten Kollektorschicht 40, ohne einen Lawinendurchbruch auszulösen.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel nicht nur die Basisschicht 44, sondern auch die Kollektorschicht 42 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit aus GaAs gefertigt ist, können von der Emitterschicht 46 injizierte Elektronen mit einer sehr hohen Geschwindigkeit in der Basisschicht 44 sowie der Kollektorschicht 42, die die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, fließen, und der Bipolartransistor kann mit hohen Geschwindigkeiten betrieben werden.
Der Bandabstand Eg der durchbruchfesten Kollektorschicht 40 vergrößert sich kontinuierlich in Flußrichtung der Elektronen. An den einzelnen Stellen der durchbruchfesten Kollektorschicht 40 ist der Bandabstand höher als die kinetische Energie Ek der darin fließenden Elektronen, so daß die Elektronen durch die durchbruchfeste Kollektorschicht 40 fließen können, ohne einen Lawinendurchbruch zu verursachen.
Demzufolge kann eine hohe Durchbruchspannung des Kollektors realisiert werden.
Der bevorzugte Dickebereich für die Kollektorschicht 42 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit des AlGaAs/GaAs-HBT gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird mit demselben Verfahren wie bei dem HBT gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel berechnet.
Die Einschaltspannung Von des MGaAs/GaAs-HBT beträgt ca. 1,60 Volt. Die Spannung Vbc des Transistors Tr1 liegt zwischen 1,20 und 2,00 Volt, die Spannung Vbc des Transistors Tr2 liegt zwischen 1,40 und 1,80 Volt, und die Spannung Vbc des Transistors Tr3 liegt zwischen 0,00 und 0,40 Volt. Ist der Transistor Tr1, Tr2 bzw. Tr3 eingeschaltet, beträgt die Spannung Vbc maximal 1,40 Volt. Ist der Transistor Tr1, Tr2 bzw. Tr3 ausgeschaltet, beträgt die Spannung Vbc maximal 2,00 Volt.
Im eingeschalteten Zustand des HBT kann die Dicke d der Kollektorschicht 42, die die hohe Elektronenbeweglichkeit besitzt, folgendermaßen ausgedrückt werden:
d = 300 x 1,42 x n / (1,525 + 1,40)
= 145,6 x n
= 145,6 - 218,4,
wobei die Eigenspannung Vbi 1,525 beträgt. Im ausgeschalteten Zustand des HBT kann die Dicke d der Kollektorschicht 42 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit folgendermaßen dargestellt werden:
d = 300 x 1,42 x n / (1,525 + 2,00)
= 120,9 x n
= 120,9 - 181,3.
Der bevorzugte Dickebereich für die Kollektorschicht 42 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit liegt somit im eingeschalteten Zustand des HBT zwischen 145,6 und 218,4 nm bzw. im ausgeschalteten Zustand des HBT zwischen 120,9 und 181,3 nm.
Bei dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel ist sowohl die durchbruchfeste Kollektorschicht 10, 11 bzw. 40 als auch die Kollektorschicht 12 bzw. 42 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit als i-Typ ausgestaltet; sie können jedoch auch als p&supmin;-Typ oder als n&supmin;-Typ ausgebildet sein. Insbesondere im Fall eines p&supmin;-Typs führt die aufgrund der Dotierung auftretende Bandkrümmung zu einer weiteren Verdickung der Kollektorschicht 12 bzw. 42, die die hohe Elektronenbeweglichkeit aufweist, was für eine hohe Beweglichkeit vorteilhaft ist. Demzufolge kann die Beschleunigung des Bipolartransistors weiter verbessert werden.
Bei dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel sind die Basisschicht 14 und die Kollektorschicht 12 mit der hohen Elektronenbeweglichkeit aus InGaAs gefertigt; sie können jedoch ebenfalls aus beispielsweise Ge, SiGe oder anderen Materialien gefertigt sein.
Bei dem ersten bis dritten Ausführungsbeispiel können ohne die Kollektorschicht 8, 9 oder 38, die den breiten Bandabstand besitzt, die grundlegenden vorteilhaften Wirkungen, nämlich eine Beschleunigung und eine hohe Durchbruchspannung, erzielt werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 12 und 13 ein HBT gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausführlich erläutert.
Fig. 12 zeigt eine Querschnittsansicht des HBT gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel.
Auf einem InP-Substrat 62 ist eine n&spplus;-InGaAs-Kollektorkontaktschicht 64 mit einer Dicke von 300 bis 500 nm ausgebildet. Auf der n&spplus;-InGaAs-Kollektorkontaktschicht 64 sind die folgenden Schichten nacheinander in der nachfolgend angegebenen Reihenfolge ausgebildet: eine n&spplus;-InGaAsP-Vierstofflegierung-Übergangsschicht 66 mit einer Dicke von 50 nm, eine n&spplus;-InP-Kollektorschicht 68 mit einem breiten Bandabstand und einer Dicke von 100 nm, eine n&spplus;-InGaAsP-Vierstofflegierung-Übergangsschicht 70 mit einer Dicke von 50 nm, eine planar dotierte p+-InGaAs-Schicht 72 mit einer Dicke von 20 nm, eine i- InGaAs-Kollektorschicht 74 mit einem schmalen Bandabstand und einer Dicke von 200 nm, eine p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 76 mit einer Dicke von 50 bis 100 nm, eine n-InP- Emitterschicht 78 mit einer Dicke von 200 nm, eine n&spplus;-InGaAsP-Vierstofflegierung- Übergangsschicht 80 und eine n&spplus;-InGaAs-Emitterkontaktschicht 82 mit einer Dicke von 50nm.
Auf der n&spplus;-InGaAs-Kollektorkontaktschicht 64, p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 76 bzw. n&spplus;- InGaAs-Emitterkontaktschicht 82 sind Kollektorelektroden 84, Basiselektroden 86 bzw. eine Emitterelektrode 88 ausgebildet.
Die n&spplus;-InGaAsP-Vierstofflegierung-Übergangsschichten 66, 70 und 80 sind (InP)x(InGaAs)1-x-Schichten, wobei sich der InP-Molenbruch x von 1 auf 0 oder von 0 auf 1 verändert.
Die p-Störstellenkonzentrationen der p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 76 sowie der planar dotierten p&spplus;-InGaAs-Schicht 72 werden so eingestellt, daß der Unterschied zwischen den beiden Konzentrationen ein elektrisches Feld erzeugen kann, welches den Geschwindigkeitsüberschuß der durchwandernden Elektronen in der i-InGaAs- Kollektorschicht 74 mit dem schmalen Bandabstand maximiert.
Die n&spplus;-InGaAs-Kollektorkontakschicht 64 ist zur Erzielung eines niedrigen Kontaktwiderstandes vorgesehen. Die n&spplus;-InGaAsP-Vierstofflegierung-Übergangsschicht 66 dient dazu, einen weichen Übergang zwischen den Energiebändern der n&spplus;-InGaAs- Kollektorkontakschicht 64 und der n&spplus;-InP-Kollektorschicht 68 mit dem breiten Bandabstand herbeizuführen, so daß in dem Leitungsband des dazwischen ausgebildeten Übergangsbereiches keine Spitze oder Stufe auftritt.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 13 der Betrieb des vierten Ausführungsbeispiels erläutert.
Fig. 13 zeigt die Energiebandstruktur des in Fig. 12 dargestellten HBT.
Der Emitter-Basis-Übergang zwischen der n-InP-Emitterschicht 78 und der p&spplus;-InGaAs- Basisschicht 76 wird durch einen abrupten Übergang gebildet, so daß in dem Leitungsband Ec des Übergangsbereiches eine Spitze von ca. 0,3 eV auftritt. Demzufolge besitzen die von der n-InP-Emitterschicht 78 in die p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 76 injizierten Elektronen den sogen. "hot electron"-Effekt und können die p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 76 mit einer sehr hohen Geschwindigkeit durchwandern.
Die Einschaltspannung, d.h. die zum Einschalten dieses HBT erforderliche Spannung, wird durch den Bandabstand der Basisschicht bestimmt. Der Bandabstand der p&spplus;-InGaAs- Basissehicht 76 beträgt Eg = 0,76 eV und ist beispielsweise im Vergleich zu dem Bandabstand Eg = 1,42 eV von GaAs niedriger. Demzufolge kann eine niedrige Einschaltspannung erzielt werden und es ist ein Betrieb mit einem geringen Stromverbrauch möglich. Zugleich ist die effektive Elektronenmasse des InGaAs, welches einen geringen Bandabstand besitzt, gering, so daß entsprechend die Eigenschaften des InGaAs für den Elektronentransport relativ gut sind, was wiederum dazu führt, daß die Durchlaufgeschwindigkeit der Elektronen in der p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 76 erhöht und die Durchlaufzeit in der Basis verringert werden kann.
Die Elektronen, die die p&spplus;-InGaAs-Basisschicht mit einer sehr hohen Geschwindigkeit durchlaufen haben, werden in die i-InGaAs-Kollektorschicht 74 mit dem schmalen Bandabstand injiziert. Die i-InGaAs-Kollektorschicht 74 sowie die p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 76 besitzen einen schmalen Bandabstand und zudem eine i-Schicht mit einer geringen Störstellenkonzentration. Demzufolge tritt lediglich eine geringe Streuung durch die Störstellen auf. Das in der i-InGaAs-Kollektorschicht 74 mit dem schmalen Bandabstand auftretende elektrische Feld ist derart optimiert, daß der Geschwindigkeitsüberschuß der Elektronen aufgrund des Unterschieds in der p-Störstellenkonzentration zwischen der p&spplus;- InGaAs-Basisschicht 76 und der planar dotierten p&spplus;-InGaAs-Schicht 72 einen maximalen Wert annimmt. Demzufolge weisen die Elektronen in dem gesamten Bereich der i-InGaAs- Kollektorschicht 74 mit dem schmalen Bandabstand einen Geschwindigkeitsüberschuß auf und können quasi-ballistisch in das Γ-Tal wandern, wo die Durchlaufgeschwindigkeit höher ist.
Durch den p&spplus;-n&spplus;-Übergang werden Teile der planar dotierten p&spplus;-InGaAs-Schicht 72, n&spplus;- InGaAsP-Vierstofflegierung-Übergangsschicht 70 und n&spplus;-InP-Kollektorschicht 68 mit dem breiten Bandabstand zu Verarmungszonen, an die ein starkes elektrisches Feld angelegt ist. Die Elektronen, die die i-InGaAs-Kollektorschicht 74 mit dem schmalen Bandabstand mit Höchstgeschwindigkeit durchwandert haben, gelangen in diesen Bereich mit dem starken elektrischen Feld. Ein Lawinendurchbruch der Elektronen kann jedoch verhindert werden, da sich der Bandabstand der n&spplus;-InGaAsP-Vierstofflegierung-Übergangsschicht 70 verändert und sich kontinuierlich von 0,76 eV auf 1,35 eV erhöht, wobei der Bandabstand der n&spplus;-InP-Kollektorschicht 68 mit dem breiten Bandabstand 1,35 eV beträgt. Demzufolge kann eine ausreichend hohe Kollektor-Durchbruchspannung erzielt werden.
Nachdem die Elektronen in diese Verarmungsschichten gelangt sind, wandern sie von dem Γ-Tal in das L-Tal. Die von den Elektronen in dem L-Tal zu durchlaufende Entfernung ist kurz, da sich die Breite der Verarmungsschichten aufgrund der hohen Störstellenkonzentrationen der n&spplus;-InGaAsP-Vierstofflegierung-Übergangsschicht 70 und der n&spplus;-InP-Kollektorschicht 68 mit dem breiten Bandabstand nicht vergrößert. Dementsprechend beeinflussen die Verarmungsschichten die Durchlaufzeit nur wenig.
Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel kann somit die Einschaltspannung verringert werden, um auf diese Weise einen Betrieb mit einem geringen Stromverbrauch zu ermöglichen, die Durchlaufzeit in der Basis und im Kollektor kann verringert werden, um einen Höchstgeschwindigkeitsbetrieb zu ermöglichen, und eine ausreichend hohe Durchbruchspannung für den Schaltungsbetrieb kann aufgrund der folgenden Merkmale erzielt werden: 1) eine Spitze in dem Leitungsband des Emitter-Basis-Übergangs zwischen der n-InP-Emitterschicht 78 und der p&spplus;-InGaAs-Schicht 76 verursacht den sogen. "hot electron"-Effekt; 2) sowohl die p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 76 als auch die i-InGaAs- Kollektorschicht 74 besitzen schmale Bandabstände; 3) Die i-InGaAs-Kollektorschicht 74 mit dem schmalen Bandabstand, die planar dotierte p&spplus;-InGaAs-Schicht 72 und die n&spplus;- InGaAsP-Vierstofflegierungsschicht 70 bilden eine i/p&spplus;/n&spplus;-Kollektorstruktur, wobei das in der i-InGaAs-Kollektorschicht 74 mit dem schmalen Bandabstand auftretende elektrische Feld durch einen Unterschied in der p&spplus;-Störstellenkonzentration zwischen der p&spplus;-InGaAs- Basisschicht 76 und der planar dotierten p&spplus;-InGaAs-Schicht 72 optimiert ist; 4) zur Vermeidung eines Lawinendurchbruchs der Elektronen weisen die n&spplus;-InGaAsP- Vierstofflegierung-Übergangsschicht 70 und die n&spplus;-InP-Kollektorschicht 68 mit dem breiten Bandabstand sich kontinuierlich yergrößernde und geneigte Bandabstände auf; usw.
Bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die planar dotierte p&spplus;-Schicht durch die aus InGaAs gefertigte planar dotierte p&spplus;-InGaAs-Schicht 72 gebildet, die wie die p&spplus;-InGaAs-Schicht 76 einen aufgrund des InGaAs hervorgerufenen schmalen Bandabstand besitzt, wobei jedoch die planar dotierte p&spplus;-Schicht ebenso durch eine Übergangsschicht gebildet sein kann, die aus derselben Vierstoffiegierung InGaAsP wie die n-InGaAsP- Vierstofflegierung-Übergangsschicht 70 besteht.
Das heißt, daß zwischen der i-InGaAs-Kollektorschicht 74 mit dem schmalen Bandabstand und der n&spplus;-InP-Kollektorschicht 68 mit dem breiten Bandabstand eine InGaAsP- Vierstofflegierung-Übergangsschicht ausgebildet ist, deren Bandabstand geneigt verläuft und sich kontinuierlich verbreitert. Der Teil der InGaAsP-Vierstofflegierung- Übergangsschicht am Übergangsbereich mit der i-InGaAs-Kollektorschicht 74, welche den schmalen Bandabstand aufweist, ist mit p-Störstellen dotiert, um eine planar dotierte p&spplus;- InGaAsP-Vierstofflegierung-Schicht 72 auszubilden, und der Rest der InGaAsP- Vierstofflegierung-Übergangsschicht am Übergang mit der n&spplus;-InP-Kollektorschicht 68, die den breiten Bandabstand aufweist, ist mit n-Störstellen dotiert, um eine n&spplus;-InGaAsP- Vierstofflegierung-Übergangsschicht auszubilden, deren Bandabstand kontinuierlich zu dem Bandabstand der planar dotierten p&spplus;-InGaAsP-Vierstofflegierung-Schicht verläuft.
Diese planar dotierte p&spplus;-InGaAsP-Vierstofflegierung-Schicht ist aufgrund eines daran angelegten starken elektrischen Feldes entleert. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es aus diesem Grund hinsichtlich einer hohen Kollektor- Durchbruchspannung vorteilhaft, wenn die planar dotierte p&spplus;-InGaAsP-Vierstofflegierung- Schicht als eine Übergangsschicht mit einem geneigten und sich kontinuierlich verbreiternden Bandabstand ausgestaltet ist.
Bei dem zuvor beschriebenen vierten Ausführungsbeispiel wird die die p&spplus;-InGaAs- Basisschicht 76 kontaktierende Kollektorschicht durch die i-InGaAs-Kollektorschicht 74 mit dem schmalen Bandabstand gebildet, wobei es jedoch nicht erforderlich ist, daß die Schicht 74 vom i-Typ ist, sondern sie kann genauso vom p-Typ oder n-Typ sein. Es ist allgemein bekannt, daß der p-Typ besser geeignet ist, um zur Beschleunigung bei einer niedrigen Stromdichte die von den Elektronen in ein Γ-Tal zu durchlaufende Entfernung zu vergrößern. Hingegen ist der n-Typ vorteilhaft, um bei einer hohen Stromdichte den Kirk- Effekt zu vermeiden und einen Höchstgeschwindigkeitsbetrieb zu ermöglichen. Ansonsten ist lediglich derjenige Abschnitt der Kollektorschicht p- oder n-dotiert, der an den Übergangsbereich der p&spplus;-InGaAs-Basisschicht 76 angrenzt, und der verbleibende Hauptanteil ist wie bei dem zuvor beschriebenen vierten Ausführungsbeispiel i-dotiert, um die Vorteile der beiden Typen zu kombinieren.
Die n-InP-Emitterschicht 78 ist nicht auf die Verwendung von InP beschränkt, sondern kann z.B. auch durch eine n-InAlAs-Emitterschicht gebildet werden. Die InP-Schichten können auch InAlAs-Schichten und die InGaAsP-Schichten können auch InAlGaAs- Schichten sein.
Zur Beschleunigung sind bei dem zuvor beschriebenen vierten Ausführungsbeispiel die p+- InGaAs-Basisschicht 76 und die i-InGaAs-Kollektorschicht 74 aus InGaAs hergestellt, welches einen schmalen Bandabstand aufweist. Wird jedoch die Durchbruchspannung der Beschleunigung vorgezogen, ist nicht die Verwendung eines Halbleitermaterials mit einem schmalen Bandabstand erforderlich, und es kann beispielsweise ebenso GaAs verwendet werden.
Die zuvor beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsbeispiele wurden anhand ihrer Anwendung an einem HBT erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung an einem HBT beschrärkt, sondern ist vielfältig auf Bipolartransistoren anwendbar.

Claims

1. Bipolartransistor, umfassend

eine Emitterschicht (16, 17, 45, 46)

eine die Emitterschicht (16, 17, 45, 46) kontaktierende Basisschicht (14, 44) eines ersten Leitfähigkeitstyps,

eine erste Kollektorschicht (8, 9, 38) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, und

eine zwischen der Basisschicht (14, 44) und der ersten Kollektorschicht (8, 9, 38) ausgebildete zweite Kollektorschicht (12, 42, 10, 11, 40), die eine die Basisschicht (14, 44) des ersten Leitfähigkeitstyps kontaktierende dritte Kollektorschicht (12, 42) umfaßt, welche einen den Bandabstand der Basisschicht (14, 44) des ersten Leitfähigkeitstyps entsprechenden Bandabstand besitzt und undotiert oder leicht mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp dotiert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kollektorschicht (12, 42, 10, 11, 40) des weiteren eine die dritte Kollektorschicht (12, 42) und die erste Kollektorschicht (8, 9, 38) des zweiten Leitfähigkeitstyps kontaktierende vierte Kollektorschicht (10, 11, 40) umfaßt, deren Bandabstand größer ist als der Bandabstand der dritten Kollektorschicht (12, 42), und die undotiert oder leicht mit dem ersten Leittahigkeitstyp oder dem zweiten Leitfahigkeitstyp dotiert ist.

2. Bipolartransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kollektorschicht (8, 9, 38) einen größeren Bandabstand aufweist als die dritte Kollektorschicht (12, 42).

3. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bandabstand der vierten Kollektorschicht (10, 11, 40) derart verändert, daß er sich ausgehend von dem Kontaktbereich mit der dritten Kollektorschicht (12, 42) kontinuierlich vergrößert.

4. Bipolartransistor nach deinem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

daß der Bandabstand der ersten Kollektorschicht (8, 38) dem maximalen Bandabstand der vierten Kollektorschicht (10, 11, 40) entspricht, und

daß die erste Kollektorschicht (8, 38) mit einer höheren Störstellenkonzentration als die vierte Kollektorschicht (10, 11, 40) dotiert ist.

5. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (14, 44) des ersten Leitfähigkeitstyps und die dritte Kollektorschicht (12, 42) aus InGaAs hergestellt sind.

6. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (14, 44) des ersten Leitfähigkeitstyps und die dritte Kollektorschicht (12, 42) aus GaAs hergestellt sind.

7. Bipolartransistor, umfassend

eine Emitterschicht (78),

eine die Emitterschicht (78) kontaktierende Basisschicht (76) eines ersten Leitfähigkeitstyps,

eine erste Kollektorschicht (68) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, und

eine zwischen der Basisschicht (76) und der ersten Kollektorschicht (68) ausgebildete zweite Kollektorschicht (74, 72, 70), die eine die Basisschicht (76) des ersten Leitfähigkeitstyps kontaktierende dritte Kollektorschicht (74) umfaßt und einen genauso großen Bandabstand wie die Basisschicht (76) des ersten Leitfähigkeitstyps aufweist und in dem gesamten nicht an die Basisschicht (76) angrenzenden Bereich undotiert ist, und

eine die dritte Kollektorschicht (74) kontaktierende planardotierte weitere Kollektorschicht (72) eines ersten Leitfähigkeitstyps,

dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Kollektorschicht (68) einen größeren Bandabstand als die dritte Kollektorschicht (74) aufweist, und

daß die zweite Kollektorschicht (74, 72, 70) des weiteren eine zwischen der weiteren Kollektorschicht (72) und der ersten Kollektorschicht (68) des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildete vierte Kollektorschicht (70) aufweist und einen Bandabstand besitzt, der sich derart verändert, daß er sich kontinuierlich ausgehend von einem Kontaktbereich mit der weiteren Kollektorschicht (72) vergrößert, wobei die Bänder der vierten Kollektorschicht (70) durch einen glatten Übergang mit den Bändern der ersten Kollektorschicht (68) verbunden sind.

8. Bipolartransistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (76) des ersten Leitfähigkeitstyps einen kleineren Bandabstand als die Emitterschicht (78) besitzt.

9. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 7-8, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Kollektorschicht (72) einen Bandabstand besitzt, der genauso groß ist wie der Bandabstand der dritten Kollektorschicht (74).

10. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 7-8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Bandabstand der weiteren Kollektorschicht (72) derart verändert, daß er sich ausgehend von dem Kontaktbereich mit der dritten Kollektorschicht (74) kontinuierlich vergrößert.

11. Bipolartransistor nach einem der Ansprüche 7-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (76) des ersten Leitfähigkeitstyps und die dritte Kollektorschicht (74) aus InGaAs gefertigt sind.