JP2557613B2 - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、エミッタ領域を、ベー
ス領域を構成する半導体物質よりバンドギャップの大き
い半導体物質で構成してなるヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）
や、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）等の発展によ
り、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のエミッタ・ベース
間にヘテロ接合を採用したヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタは、従来の単一半導体物質で作られるホモ接合ト
ランジスタに比べ多くの利点を持つ事が知られている。
それらの利点とは、 （１）エミッタ領域を構成する半導体物質をベース領域
を構成する半導体物質よりバンドギャップの大きいもの
とする事で、エミッタ領域の不純物濃度とベース領域の
不純物濃度の比が小さくとも高いエミッタ注入効率が得
られる。 （２）（１）の結果、ベース領域の不純物濃度を高くで
きるため、ベース抵抗が低減できる。 （３）同様に、エミッタ領域の不純物濃度を低くできる
ためエミッタ容量を小さくできる。 等である。これらの利点により、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、はるかに優
れたものとなる可能性を持っている。

【０００３】しかしながら、このようなヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタを実際に製造し得る半導体物質の組
合せを考えると、広バンドギャップを有する材料は一般
に電子親和力が小さい事が多い。この結果、広バンドギ
ャップ物質からなるエミッタと狭バンドギャップ物質か
らなるベースを直接階段状に接合させたｎｐｎトランジ
スタを作製すると以下に述べるように注入効率が低下し
てしまい、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの利点を
活かせないという問題が生じる。

【０００４】図６は、エミッタ領域を構成する半導体物
質の電子親和力が、ベース領域を構成する半導体物質の
それよりよりΔＥｃだけ小さい場合の階段型ヘテロ接合
バイポーラトランジスタのベース・エミッタ接合近傍の
伝導帯の様子を示したものである。この図から明らかな
ように、伝導帯には電子親和力の差に起因する高さΔＥ
ｃのスパイク状の障壁が形成され、この障壁によりエミ
ッタからベースへの電子の注入が阻害されてしまう。こ
の事はエミッタ注入効率の低下を招きトランジスタ特性
を損うものである。

【０００５】この問題は、エミッタ・ベース間のヘテロ
接合を階段型とせずに、エミッタからベースに向って滑
らかにバンドギャップが変化している，いわゆる傾斜型
とする事で避ける事ができる。図７はエミッタ・ベース
間にバンドギャップが線形に変化している領域を設けた
場合の伝導帯の様子を示している。この図から分るよう
に、伝導帯に生じる障壁は傾斜型ヘテロ接合を用いる事
で除去する事が可能である。

【０００６】エミッタ領域とベース領域の間でバンドギ
ャップの変化する領域（以下では遷移領域と呼ぶ）は、
その領域を構成する物質の組成をベース領域を構成する
半導体物質とエミッタ領域を構成する半導体物質との中
間的組成にする事で実現される。従来遷移領域内ではバ
ンドギャップが線形、或いは２次関数的に滑らかに変化
する様に物質組成を徐々に変化させる事が行なわれてき
た。

【０００７】しかし、この様な遷移領域を実現するに
は、ＭＢＥ法においては分子線のフラックスを、ＭＯＣ
ＶＤ法ではガス流量を精密に連続的に変化させるという
制御を行なうことが必要である。このような制御は現在
の技術では難しいため、制御装置のコストが増すと共
に、遷移領域を成長する際の成長速度を十分遅くする必
要があるという問題が生じる。

【０００８】また、遷移領域内でバンドギャップを滑ら
かに変化させた場合、この領域内にはベースから正孔が
注入されやすく、特にキャリアライフタイムが小さい場
合キャリア再結合が大きくなる。このことは直流増幅率
の低下を生じるとともに、蓄積キャリアの増加による高
周波特性、スイッチング特性の劣化を生じる。即ち、ヘ
テロ接合を用いた利点が損われるという問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタにおけるエミッタ・ベー
ス間の接合を傾斜型とすると、伝導帯に生じるスパイク
状の障壁をなくしてエミッタ注入効率の向上をはかるこ
とはできるものの、遷移領域内にベースから正孔が注入
されやすくなり、直流増幅率の低下を生じるとともに、
蓄積キャリアの増加による高周波特性、スイッチング特
性の劣化を生じる。即ち、広バンドギャップのエミッタ
を用いた利点を生かすことができないという問題があっ
た。

【００１０】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
バンドギャップの大きい物質からなるエミッタ領域と、
バンドギャップの小さい物質からなるベース領域の間に
遷移領域を有し、エミッタ・ベース間の接合を傾斜型と
した場合と同様にエミッタ注入効率の向上をはかること
ができ、かつベースから遷移領域への正孔の注入に起因
する直流増幅率の低下や高周波特性，スイッチング特性
の劣化を抑制することができ、広バンドギャップのエミ
ッタを用いた利点を生かしたヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタを提供する事を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、次のような構成を採用している。即ち本発
明は、第１種半導体物質からなるｐ型ベース領域と、第
１種半導体物質よりバンドギャップが大きく、かつ電子
親和力の小さい第２種半導体物質からなるｎ型エミッタ
領域を有し、かつ前記ベース領域とエミッタ領域の間に
第１種半導体物質と第２種半導体物質の中間的組成を持
つ半導体物質からなる遷移領域を有するヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタにおいて、遷移領域を組成が異なる
複数の半導体物質層で形成し、かつ該遷移領域の価電子
帯にベース領域からエミッタ領域への正孔の注入を抑制
する障壁を形成したことを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明は、以下のような知見並びに考察に基づ
く。既に述べたように、バンドギャップの大きいエミッ
タ領域をバンドギャップの小さいベース領域に直接階段
状に接合させた、いわゆる階段型ヘテロ接合バイポーラ
トランジスタにおいても、また、ベース領域からエミッ
タ領域に向ってバンドギャップが滑らかに変化する遷移
領域を導入した傾斜型ヘテロ接合バイポーラトランジス
タにおいても、それぞれに難点がある。

【００１３】これらの難点を共に解決するためには、伝
導帯に生じる障壁を完全に除去するのではなく、ある妥
当な値以下にしつつ、ベース領域からエミッタ領域への
正孔の注入を抑制する障壁を価電子帯に形成できる構造
とすることが望ましい。この様な構造は、エミッタ・ベ
ース間に物質組成がステップ状に変化する複数の半導体
層からなる遷移領域を形成する事で実現できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を、広バンドギャップ
エミッタを構成する材料としてＧａ _0.7Ａｌ _0.3Ａｓ、
狭バンドギャップのベースを構成する材料としてＧａＡ
ｓを用いた場合について図１を参照しながら述べる。

【００１５】ヘテロ接合バイポーラトランジスタを製造
するには導電性、或いは半絶縁基盤上にコレクタ，ベー
ス，エミッタの各層をエピタキシァル成長させる事が必
要である。ＭＢＥ法、或いはＭＯＣＶＤ法を用いればこ
れら各層の厚さ，ドーピング濃度，物質組成を制御し、
本発明の構造を作成する事は容易である。

【００１６】図１は、ｎ⁺ 型ＧａＡｓ基板２を用い、こ
の基板２上に不純物として例えばＳｉを含有するｎ型Ｇ
ａＡｓコレクタ領域３、不純物として例えばＢｅを含有
するｐ型ＧａＡｓベース領域４、不純物として例えばＳ
ｉを含有する，組成がステップ状に変化する複数個の層
からなる遷移領域６、不純物として例えばＳｉを含有す
る広バンドギャップのＧａ _0.7Ａｌ _0.3Ａｓエミッタ領
域７を順次成長した場合を示している。

【００１７】トランジスタはこの様に作成されたエミッ
タ，ベース，コレクタの各領域に電気的に接触する電極
を形成する事で作成される。図１ではエミッタ電極８，
コレクタ電極１はウエハの両面に直接形成し、ベース電
極５はウエハ表面よりベース領域４までエッチングを行
った後に形成している。

【００１８】図２は、遷移領域６として、エミッタ領域
７とベース領域４の中間的組成をもつ二つの層から構成
した場合のエミッタ・ベース近傍のバンド形状を模式的
に示したものである。各層の界面では伝導帯に障壁が形
成されるが、その高さは単にエミッタ・ベース間に直接
ヘテロ接合を形成した場合よりも十分小さくなってい
る。一方、価電子帯に生じる障壁によりベースから正孔
が遷移領域内深く注入されてしまう事を抑制する効果が
ある事が期待される。また遷移領域内でのキャリア再結
合が著しくない場合でも後により具体的なデータで示す
通り、遷移領域内の組成変化を線形状ではなく多段のス
テップ状に形成してもそれによる素子特性の劣下は小さ
く実用上十分の特性を持つ素子を得る事ができる事が明
らかになった。

【００１９】この事はヘテロ接合バイポーラトランジス
タ用のウエハをＭＢＥ法、或いはＭＯＣＶＤ法で形成す
る際大きなメリットを与える。即ち、物質組成を滑らか
に変化させようとすると成長条件を精密に制御する事が
必要である上、成長速度を十分小さくする必要があるの
に対し、ステップ状に組成を変化させる場合には、はる
かに簡便な制御でよく、この結果ウエハ成長効率を大幅
に向上させる事が可能である。

【００２０】ここで注意すべき事は、エミッタ・ベース
間に挿入される遷移領域をエミッタ・ベースそれぞれを
構成する半導体物質の中間組成をもつ単一層で形成しよ
うとすると、この層の組成を十分正確に制御しない限り
ベース領域側、或いはエミッタ領域側に生じる伝導帯上
の障壁の高さを遷移領域を有しない場合の１／２にはで
きず、遷移領域を導入する効果を十分には活かせない事
である。

【００２１】この問題を回避するには、遷移領域を異な
る物質組成を持つ複数個の層で構成し、それらの層の組
成をベース領域からエミッタ領域に向って、ベース領域
の組成に近いものからエミッタ領域の組成に近いものに
順次変化させる事が必要である。また、この様にする事
で遷移領域として挿入される半導体層に対する組成制御
の厳密性を緩和する事ができる。

【００２２】以下に、具体的なデータに基づいて本発明
の効果を明らかにする。エミッタ及び遷移領域のドーピ
ング濃度が３×１０¹⁷ｃｍ^-3，ベースのドーピング濃度
が３×１０¹⁸ｃｍ^-3の場合に遷移領域の作製方法を変え
た場合のトランジスタ特性の変化を、図３から図５まで
に示した。これらの図中、Ａは遷移領域を設けない場
合、ＢはＡｌモル比０．１５の単一層からなる厚さ２０
ｎｍの遷移領域を設けた場合、ＣはＡｌモル比０．１，
０．２のそれぞれ１０ｎｍの厚さを持つ２層で遷移領域
を形成した場合、ＤはＡｌモル比０．０５，０．１，
０．１５．０．２５のそれぞれ４ｎｍの厚さを持つ５層
で遷移領域を形成した場合、Ｅは２０ｎｍの厚さの範囲
でＡｌモル比が０から０．３まで線形に変化している遷
移領域を形成した場合にそれぞれ対応している。即ち
Ｃ，Ｄが本発明の実施例である。

【００２３】図３はトランジスタの電流−電圧特性を、
図４は直流増幅率のコレクタ電流依存性を、図５は遮断
周波数のコレクタ電流依存性をそれぞれ示している。こ
れらのデータは遷移領域内でのキャリア再結合が著しく
ない場合のものであるため組成比が線形に変化している
遷移領域を有する素子（Ｅ）が最も良い特性を示してい
るが、これらの図から分る様に２層以上のステップ状の
遷移領域を形成した素子（Ｃ，Ｄ）では、Ｅに対してそ
の特性の低下は実用上問題となるほど大きくない。この
事は、素子作製の容易さを考えた場合本発明の構造が十
分に有効である事を示している。

【００２４】以上述べた実施例では、ベースをＧａＡｓ
で、エミッタをＧａ _0.7Ａｌ _0.3Ａｓで形成した場合を
示したが、エミッタのＡｌモル比が０．３以外の場合は
もちろん、エミッタ，ベースを構成する物質として他の
組合わせを用いた場合、例えばＩｎＰとＩｎＧａＡｓ，
ＧａＡｓとＧｅ，ＧａＰとＳｉなどの場合にも本発明を
同様に適用することができることはいうまでもない。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、エミッタ・ベース間に
組成が異なる複数の半導体層からなる遷移領域を設ける
ことにより、エミッタからベースへの電子に対する障壁
を十分小さくし、しかもベースからエミッタへの正孔に
対する障壁をある程度残して、広バンドギャップのエミ
ッタを用いた利点を活かしたヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタを得ることができる。また本発明においては、
遷移領域に滑らかな組成変化を与えないので、製造プロ
セス制御が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のトランジスタ構成を示す模
式図。

【図２】図１の素子のエミッタ・ベース近傍のバンド構
造を示す図。

【図３】実施例トランジスタの電流−電圧特性を従来例
と比較して示す図。

【図４】実施例トランジスタにおける直流増幅率のコレ
クタ電流依存性を従来例と比較して示す図。

【図５】実施例トランジスタにおける遮断周波数のコレ
クタ電流依存性特性を従来例と比較して示す図。

【図６】階段型ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエ
ミッタ・ベース近傍の伝導帯形状を示す図。

【図７】傾斜型ヘテロ接合バイポーラトランジスタのエ
ミッタ・ベース接合近傍の伝導帯形状を示す図。

【符号の説明】

１…コレクタ電極 ２…ｎ⁺ 型ＧａＡｓ基板 ３…ｎ型ＧａＡｓコレクタ領域 ４…ｐ型ＧａＡｓベース領域 ５…ベース電極 ６…複数個の異なった物質組成を持つ層より構成される
遷移領域 ７…ｎ型Ｇａ _0.7Ａｌ _0.3Ａｓエミッタ領域 ８…エミッタ電極。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１種半導体物質からなるｐ型ベース領域
   と、第１種半導体物質よりバンドギャップが大きく、か
   つ電子親和力の小さい第２種半導体物質からなるｎ型エ
   ミッタ領域を有し、かつ前記ベース領域とエミッタ領域
   の間に第１種半導体物質と第２種半導体物質の中間的組
   成を持つ半導体物質からなる遷移領域を有するヘテロ接
   合バイポーラトランジスタにおいて、 前記遷移領域は組成が異なる複数の半導体物質層からな
   り、かつ該遷移領域の価電子帯に前記ベース領域から前
   記エミッタ領域への正孔の注入を抑制する障壁が形成さ
   れてな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。
2. 【請求項２】前記遷移領域の複数の半導体物質層の組成
   は、該層の積層方向に対してステップ状に変化するもの
   である請求項１記載のヘテロ接合バイポーラトランジス
   タ。