JPH0656852B2 - 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Info
- Publication number
- JPH0656852B2 JPH0656852B2 JP62158100A JP15810087A JPH0656852B2 JP H0656852 B2 JPH0656852 B2 JP H0656852B2 JP 62158100 A JP62158100 A JP 62158100A JP 15810087 A JP15810087 A JP 15810087A JP H0656852 B2 JPH0656852 B2 JP H0656852B2
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- Japan
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- base
- concentration
- base layer
- bipolar transistor
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はヘテロ接合バイポーラトランジスタに関する。
近年、次世代の高速・高周波用のデバイスとして特にGa
As/AｌGaAs系のヘテロ接合バイポーラトランジスタが注
目を浴びるようになり、基礎・応用の両面から研究がさ
かんである。ヘテロ接合バイポーラトランジスタの着想
の時期は非常に古く、トランジスタの発明とほぼ同時期
であるが、理論的にその優位性を評価されながらも、材
料となるGaAsそのものあるいはその周辺の知識の不足，
結晶成長技術の未発達等から最近までほとんどかえりみ
られることがなかった。
As/AｌGaAs系のヘテロ接合バイポーラトランジスタが注
目を浴びるようになり、基礎・応用の両面から研究がさ
かんである。ヘテロ接合バイポーラトランジスタの着想
の時期は非常に古く、トランジスタの発明とほぼ同時期
であるが、理論的にその優位性を評価されながらも、材
料となるGaAsそのものあるいはその周辺の知識の不足，
結晶成長技術の未発達等から最近までほとんどかえりみ
られることがなかった。
しかし、今日、にわかに研究開発がさかんになったの
は、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法や有機金属ＣＶ
Ｄ（ＭＯＣＶＤ）法等の多層薄膜形成技術が可能にな
り、実用に耐える良好なヘテロ接合が形成できるように
なったからである。
は、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法や有機金属ＣＶ
Ｄ（ＭＯＣＶＤ）法等の多層薄膜形成技術が可能にな
り、実用に耐える良好なヘテロ接合が形成できるように
なったからである。
このような、ベースよりも禁制帯幅の広い半導体材料を
エミッタに使用してエミッタ注入効率を向上した、ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタの高速・高周波性能を一
段と高める為には、少数キャリヤのベース走行時間を一
層短縮することが必要である。
エミッタに使用してエミッタ注入効率を向上した、ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタの高速・高周波性能を一
段と高める為には、少数キャリヤのベース走行時間を一
層短縮することが必要である。
従来、そのためにベース領域中の少数キャリヤのバリス
ティック伝導という現象を応用する方法とベース領域の
内部電界によって少数キャリヤを駆動する方法が試みら
れている。
ティック伝導という現象を応用する方法とベース領域の
内部電界によって少数キャリヤを駆動する方法が試みら
れている。
第３図は従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタの第
１の例のバンド構造図である。
１の例のバンド構造図である。
この例は、ｎ型のコレクタ層３′上にｐ型のベース層
５′とベース層５′よりも電子親和力が小さくかつ禁制
帯幅が広いｎ型のエミッタ層６′とを順次積層した構造
をとることにより、ヘテロ接合部の伝導帯に生じた電子
親和力の差に相当するエネルギー不連続δＥｃが、エミ
ッタからベースに注される電子９′の初期運動エネルギ
ーとなり、通常の拡散よりも速いいわゆるバリスティッ
ク飛行１０′による伝導を可能にする。
５′とベース層５′よりも電子親和力が小さくかつ禁制
帯幅が広いｎ型のエミッタ層６′とを順次積層した構造
をとることにより、ヘテロ接合部の伝導帯に生じた電子
親和力の差に相当するエネルギー不連続δＥｃが、エミ
ッタからベースに注される電子９′の初期運動エネルギ
ーとなり、通常の拡散よりも速いいわゆるバリスティッ
ク飛行１０′による伝導を可能にする。
しかしながら、電子９′のバリスティック飛行１０′に
よる伝導の有効距離は電子の平均自由行程程度なので、
それ以降はベース層５′中を通常の拡散によってコレク
タに到達するため、通常のヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタのようにベース層５′厚が千数百Å程度もある場
合には、電子の平均自由行程が数百Åと比較的短いので
電子がバリステック飛行により伝導する距離はベース層
５′中のわずかの部分にすぎない。従って、ベース走行
時間は拡散走行の時間で決ってしまい、大幅なベース走
行時間の短縮は期待できないばかりでなく、拡散走行中
におけるベース層５′の高い正孔の濃度のために電子の
再結合確率が顕著になってコレクタへの到達率が低く、
注入効率があまり良くない。
よる伝導の有効距離は電子の平均自由行程程度なので、
それ以降はベース層５′中を通常の拡散によってコレク
タに到達するため、通常のヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタのようにベース層５′厚が千数百Å程度もある場
合には、電子の平均自由行程が数百Åと比較的短いので
電子がバリステック飛行により伝導する距離はベース層
５′中のわずかの部分にすぎない。従って、ベース走行
時間は拡散走行の時間で決ってしまい、大幅なベース走
行時間の短縮は期待できないばかりでなく、拡散走行中
におけるベース層５′の高い正孔の濃度のために電子の
再結合確率が顕著になってコレクタへの到達率が低く、
注入効率があまり良くない。
実際に、ｐ型にドープされているGaAsないしAｌ1-xGaxA
sにおける電子の再結合寿命は、経験的に、次式で表わ
すことがきる。
sにおける電子の再結合寿命は、経験的に、次式で表わ
すことがきる。
ここでＮTはｐ型不純物濃度、Ｎref は実験との参照濃
度を表わす。即ち、不純物濃度を下げれば、電子の再結
合寿命が伸びて再結合確率を小さくすることができる。
度を表わす。即ち、不純物濃度を下げれば、電子の再結
合寿命が伸びて再結合確率を小さくすることができる。
第４図は従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタの第
２の例のバンド構造図である。
２の例のバンド構造図である。
この例では、ｎ型のコレクタ層３″上に材料の構成比率
を変えたグレーデッドバンドギャップ構造のｐ型のベー
ス層５″とベース層５″よりも電子親和力が小さくかつ
禁制帯幅の広いｎ型のエミッタ層６″とを順次積層した
構造となっているので、エミッタ層６″からベース層
５″に注入された電子９″は、伝導帯の傾斜に基づく内
部電界によって矢印１０″のように加速されて拡散走行
よりも速い伝導が期待される。
を変えたグレーデッドバンドギャップ構造のｐ型のベー
ス層５″とベース層５″よりも電子親和力が小さくかつ
禁制帯幅の広いｎ型のエミッタ層６″とを順次積層した
構造となっているので、エミッタ層６″からベース層
５″に注入された電子９″は、伝導帯の傾斜に基づく内
部電界によって矢印１０″のように加速されて拡散走行
よりも速い伝導が期待される。
しかしながら、電子が充分加速されてある一定の運動エ
ネルギーを越えると谷間散乱が顕著になり、電子の実行
的な速度が低下してしまう。例えば、ベース層５″厚を
１５００Åとしてベース材料のAｌxGa1-xAsのｘを0.15
→０とした場合、内部電界は約１０ｋＶ／cmになり容易
に谷間散乱が生じる条件になることがわかる。
ネルギーを越えると谷間散乱が顕著になり、電子の実行
的な速度が低下してしまう。例えば、ベース層５″厚を
１５００Åとしてベース材料のAｌxGa1-xAsのｘを0.15
→０とした場合、内部電界は約１０ｋＶ／cmになり容易
に谷間散乱が生じる条件になることがわかる。
以上、従来のヘテロ接合バイポーラトランジスタの代表
的な例を２つ挙げたが、グレーデッドバンドギャップ構
造よりも、バリスティック飛行を可能にするベース構造
の方が有利であるというシュミレーション結果が最近報
告されている。
的な例を２つ挙げたが、グレーデッドバンドギャップ構
造よりも、バリスティック飛行を可能にするベース構造
の方が有利であるというシュミレーション結果が最近報
告されている。
上述したように従来のヘテロ接合バイポーラトランジス
タの第１の例では、エミッタ層からベース層に注入され
た少数キャリヤ（この場合は電子）がバリスティック飛
行による高速の伝導を行うが、ベース層厚に比べてその
伝導距離が平均自由行程程度と非常に短いので大部分が
低速の拡散走行による伝導となり、実効的な速度が低速
の拡散速度で決まるので、高速・高周波性能があまり向
上しないこと及び通常ベース抵抗を下げるためにベース
層の不純物濃度を高くしてあるのでキャリヤの再結合確
率が高くなりコレクタ層への到達率を低下して注入効率
を悪くすることなどの欠点がある。
タの第１の例では、エミッタ層からベース層に注入され
た少数キャリヤ（この場合は電子）がバリスティック飛
行による高速の伝導を行うが、ベース層厚に比べてその
伝導距離が平均自由行程程度と非常に短いので大部分が
低速の拡散走行による伝導となり、実効的な速度が低速
の拡散速度で決まるので、高速・高周波性能があまり向
上しないこと及び通常ベース抵抗を下げるためにベース
層の不純物濃度を高くしてあるのでキャリヤの再結合確
率が高くなりコレクタ層への到達率を低下して注入効率
を悪くすることなどの欠点がある。
又、第２の例では、ベース層をグレイデッドバンドギャ
ップ構造にしているのでそれに基づく内部電界により少
数キャリヤ（この場合電子）は加速されるが、内部電界
が一定値以上になると谷間散乱による実効的移動度の低
下が起きてくるので、高速・高周波性能の向上はあまり
望めない。
ップ構造にしているのでそれに基づく内部電界により少
数キャリヤ（この場合電子）は加速されるが、内部電界
が一定値以上になると谷間散乱による実効的移動度の低
下が起きてくるので、高速・高周波性能の向上はあまり
望めない。
本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタは、エミッ
タとベースが階段型ヘテロ接合をなし、前記ベース層が
前記エミッタ層に近いほど禁制帯幅が大きくなる複数の
サブベース層に分割され、さらに各サブベース層が前記
エミッタ層に近い側の高濃度サブベース層と低濃度サブ
ベース層とに分割されることを特徴とする。
タとベースが階段型ヘテロ接合をなし、前記ベース層が
前記エミッタ層に近いほど禁制帯幅が大きくなる複数の
サブベース層に分割され、さらに各サブベース層が前記
エミッタ層に近い側の高濃度サブベース層と低濃度サブ
ベース層とに分割されることを特徴とする。
このような本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタ
によると、ベース領域中でバリスティック伝導を終えた
キャリヤ（この場合電子）はわずかの拡散伝導の後、再
度バリスティック伝導を始めるという運動を繰り返しし
かも拡散伝導領域で正孔の濃度が小さくなっているの
で、キャリヤの伝導速度が向上すると共に、再結合によ
る損失も減少して高速・高周波性能が飛躍的に改善され
る。
によると、ベース領域中でバリスティック伝導を終えた
キャリヤ（この場合電子）はわずかの拡散伝導の後、再
度バリスティック伝導を始めるという運動を繰り返しし
かも拡散伝導領域で正孔の濃度が小さくなっているの
で、キャリヤの伝導速度が向上すると共に、再結合によ
る損失も減少して高速・高周波性能が飛躍的に改善され
る。
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
る。
第１図は本発明の一実施例の断面図である。
この実施例は、半絶縁性基板１上にプロトンをイオン注
入して形成した絶縁領域１ａにより仕切られかつドーパ
ントをSiとし不純物濃度が３×１０18atom/cm3厚さ４０
００Åのｎ＋−GaAs層からなる高濃度層２をＭＢＥ法に
より形成して設け、高濃度層２上にドーパンをSiとし不
純物濃度が５×１０16atom/cm3で厚さ５０００Åのｎ−
−GaAs層からなるコレクタ層３、ドーパントをBeとし不
純物濃度がそれぞれ１×１０18atom/cm3及び１×１０20
atom/cm3で厚さ１００Å及び４００Åのｐ及びｐ＋−Ga
As層からなる低濃度及び高濃度ベース層４ａ及び４ｂの
積層、ドーパントをBeとし不純物濃度がそれぞれ１×１
０18atom/cm3及び１×１０20atom/cm3で厚さ１００Å及
び４００Åのｐ及びｐ＋−Aｌ0.15Ga0.85As層からなる
低濃度及び高濃度ベース層５ａ及び５ｂの積層、ドーパ
ントをSiとし不純物濃度が３×１０17atom/cm3のｎ−A
ｌ0.3Ga0.7As層からなるエミッタ層６並びにドーパント
をSiとし不純物濃度が５×１０18atom/cm3のｎ＋−GaAs
層からなる高濃度層７をＭＢＥ法等により順次所定のパ
ターンに形成して設け、高濃度層２及び７並びに高濃度
ベース層５ｂ上にそれぞれコレクタ及びエミッタ並びに
ベース電極８ｃ及び８ｅ並びに８ｂを設けた構造をして
いる。
入して形成した絶縁領域１ａにより仕切られかつドーパ
ントをSiとし不純物濃度が３×１０18atom/cm3厚さ４０
００Åのｎ＋−GaAs層からなる高濃度層２をＭＢＥ法に
より形成して設け、高濃度層２上にドーパンをSiとし不
純物濃度が５×１０16atom/cm3で厚さ５０００Åのｎ−
−GaAs層からなるコレクタ層３、ドーパントをBeとし不
純物濃度がそれぞれ１×１０18atom/cm3及び１×１０20
atom/cm3で厚さ１００Å及び４００Åのｐ及びｐ＋−Ga
As層からなる低濃度及び高濃度ベース層４ａ及び４ｂの
積層、ドーパントをBeとし不純物濃度がそれぞれ１×１
０18atom/cm3及び１×１０20atom/cm3で厚さ１００Å及
び４００Åのｐ及びｐ＋−Aｌ0.15Ga0.85As層からなる
低濃度及び高濃度ベース層５ａ及び５ｂの積層、ドーパ
ントをSiとし不純物濃度が３×１０17atom/cm3のｎ−A
ｌ0.3Ga0.7As層からなるエミッタ層６並びにドーパント
をSiとし不純物濃度が５×１０18atom/cm3のｎ＋−GaAs
層からなる高濃度層７をＭＢＥ法等により順次所定のパ
ターンに形成して設け、高濃度層２及び７並びに高濃度
ベース層５ｂ上にそれぞれコレクタ及びエミッタ並びに
ベース電極８ｃ及び８ｅ並びに８ｂを設けた構造をして
いる。
第２図は本発明の一実施例のバンド構造図である。
この実施例では、ベース層が電子親和力の等しい低濃度
及び高濃度ベース層４ａ及び４ｂの積層と電子親和力が
高濃度ベース層４ｂよりも小さくかつ互いに等しい低濃
度及び高濃度ベース層５ａ及び５ｂの積層とからなり、
更にエミッタ層が高濃度ベース層５ｂよりも電子親和力
が小さくかつ禁制帯幅が広くなっているので、高濃度及
び低濃度ベース層４ｂ及び５ａの界面並びに高濃度ベー
ス層５ｂ及びエミッタ層６の界面にそれぞれ伝導帯の不
連続δＥｃ′並びにδＥｃが約0.1 ｅＶ程度生じる。こ
こで、高濃度ベース層４ｂ及び５ｂの濃度は電子の平均
自由行程程度である。
及び高濃度ベース層４ａ及び４ｂの積層と電子親和力が
高濃度ベース層４ｂよりも小さくかつ互いに等しい低濃
度及び高濃度ベース層５ａ及び５ｂの積層とからなり、
更にエミッタ層が高濃度ベース層５ｂよりも電子親和力
が小さくかつ禁制帯幅が広くなっているので、高濃度及
び低濃度ベース層４ｂ及び５ａの界面並びに高濃度ベー
ス層５ｂ及びエミッタ層６の界面にそれぞれ伝導帯の不
連続δＥｃ′並びにδＥｃが約0.1 ｅＶ程度生じる。こ
こで、高濃度ベース層４ｂ及び５ｂの濃度は電子の平均
自由行程程度である。
従って、この実施例では、エミッタ層６から注入された
電子９が、矢印１０に示すように、δＥｃを初期運動エ
ネルギーとして高濃度ベース層５ｂ中をバリスティック
飛行による伝導をし、次に、低濃度ベース層５ａを拡散
走行し、次に、高濃度ベース層４ｂ中をδＥｃ′を初期
運動エネルギーとして再びバリスティック飛行による伝
導をし、更に、低濃度ベース層４ａを拡散走行してコレ
クタ層３に到達する。
電子９が、矢印１０に示すように、δＥｃを初期運動エ
ネルギーとして高濃度ベース層５ｂ中をバリスティック
飛行による伝導をし、次に、低濃度ベース層５ａを拡散
走行し、次に、高濃度ベース層４ｂ中をδＥｃ′を初期
運動エネルギーとして再びバリスティック飛行による伝
導をし、更に、低濃度ベース層４ａを拡散走行してコレ
クタ層３に到達する。
ここで、本発明の実施例においては、半導体材料として
互いに格子整合しているAｌGaAsとGaAsを用いたが、材
料はこれに限らず、電子親和力に差のあるものなら何れ
でもよい。また、本発明に用いるヘテロ接合は、格子整
合系に限らず格子不整合系でもよい。
互いに格子整合しているAｌGaAsとGaAsを用いたが、材
料はこれに限らず、電子親和力に差のあるものなら何れ
でもよい。また、本発明に用いるヘテロ接合は、格子整
合系に限らず格子不整合系でもよい。
以上述べたように本発明は、ベース層を所定の厚さの低
濃度及び高濃度ベース層からなる積層を、複数電子親和
力が順次小さくなるように堆積し、その上に更に電子親
和の小さなエミッタ層を形成することにより、エミッタ
層からの注入キャリヤがベース層中をバリスティック飛
行及び拡散走行による伝導を複数回くり返しながらコレ
クタ層に到達するようにすることにより、従来のものよ
り拡散走行距離の割合が少なくしてバリスティック飛行
距離の割合を大きくした、ベース層の走行時間が短くし
かも少数キャリヤの再結合確率も低減したベース抵抗の
小さな高速・高周波性能の一段と優れたヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタが実現出来るという効果がある。
濃度及び高濃度ベース層からなる積層を、複数電子親和
力が順次小さくなるように堆積し、その上に更に電子親
和の小さなエミッタ層を形成することにより、エミッタ
層からの注入キャリヤがベース層中をバリスティック飛
行及び拡散走行による伝導を複数回くり返しながらコレ
クタ層に到達するようにすることにより、従来のものよ
り拡散走行距離の割合が少なくしてバリスティック飛行
距離の割合を大きくした、ベース層の走行時間が短くし
かも少数キャリヤの再結合確率も低減したベース抵抗の
小さな高速・高周波性能の一段と優れたヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタが実現出来るという効果がある。
第１図及び第２図はそれぞれ本発明の一実施例の断面図
及びバンド構造図、第３図及び第４図はそれぞれ従来の
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの第１及び第２の例
のバンド構造図である。 １……半絶縁性基板、１ａ……絶縁領域、２……高濃度
層、３，３′，３″……コレクタ層、４ａ，５ａ……低
濃度ベース層、４ｂ，５ｂ……ベース層、６，６′，
６″……エミッタ層、７……高濃度層、８ｂ……ベース
電極、８ｃ……コレクタ電極、８ｅ……エミッタ電極、
１１，１１′，１１″，１２，１２′，１２″，１３，
１３′，１３″……フェルミレベル。
及びバンド構造図、第３図及び第４図はそれぞれ従来の
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの第１及び第２の例
のバンド構造図である。 １……半絶縁性基板、１ａ……絶縁領域、２……高濃度
層、３，３′，３″……コレクタ層、４ａ，５ａ……低
濃度ベース層、４ｂ，５ｂ……ベース層、６，６′，
６″……エミッタ層、７……高濃度層、８ｂ……ベース
電極、８ｃ……コレクタ電極、８ｅ……エミッタ電極、
１１，１１′，１１″，１２，１２′，１２″，１３，
１３′，１３″……フェルミレベル。
Claims (1)
- 【請求項１】エミッタとベースが階段型ヘテロ接合をな
すヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記ベ
ース層が前記エミッタ層に近いほど禁制帯幅が大きくな
る複数のサブベース層に分割され、さらに各サブベース
層が前記エミッタ層に近い側の高濃度サブベース層と低
濃度サブベース層とに分割され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。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62158100A JPH0656852B2 (ja) | 1987-06-24 | 1987-06-24 | ヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ |
| US07/136,589 US4929997A (en) | 1986-12-22 | 1987-12-22 | Heterojunction bipolar transistor with ballistic operation |
| EP87119044A EP0273363B1 (en) | 1986-12-22 | 1987-12-22 | Heterojunction bipolar transistor with ballistic operation |
| DE8787119044T DE3780284T2 (de) | 1986-12-22 | 1987-12-22 | Bipolarer heterouebergangs-transistor mit ballistischem betrieb. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62158100A JPH0656852B2 (ja) | 1987-06-24 | 1987-06-24 | ヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH012358A JPH012358A (ja) | 1989-01-06 |
| JPS642358A JPS642358A (en) | 1989-01-06 |
| JPH0656852B2 true JPH0656852B2 (ja) | 1994-07-27 |
Family
ID=15664302
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62158100A Expired - Fee Related JPH0656852B2 (ja) | 1986-12-22 | 1987-06-24 | ヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0656852B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63280674A (ja) * | 1987-05-13 | 1988-11-17 | Canon Inc | 文書処理装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH067554B2 (ja) * | 1986-12-22 | 1994-01-26 | 日本電気株式会社 | バリステイツクヘテロ接合バイポ−ラトランジスタ |
-
1987
- 1987-06-24 JP JP62158100A patent/JPH0656852B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS642358A (en) | 1989-01-06 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |