JPH0283932A

JPH0283932A - ゲルマニウムを用いたヘテロ構造バイポーラ・トランジスタ

Info

Publication number: JPH0283932A
Application number: JP63237058A
Authority: JP
Inventors: Junichi Sone; 曽根　純一
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1988-09-20
Filing date: 1988-09-20
Publication date: 1990-03-26
Anticipated expiration: 2011-08-07
Also published as: JP2522358B2

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）本発明はベース層を構成する半導体のエネルギー・ギャ
ップよりも広いエネルギー・ギヤツブを持った半導体で
エミッタ層を構成したヘテロ構造バイポーラ・トランジ
スタ（ＨＢＴ）、特に液体窒素温度で動作するＨＢＴに
関する。

（従来の技術）文献アイイーイーイー　トランザクションズオンエレク
トロンデバイスイズ（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏ
ｎ　ｏｎＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）誌３４巻
１号１頁〜３頁に述べられる如く、微細化したトランジ
スタを高度に集積化したディジタル回路では、配線の微
細化に伴い、配線抵抗が増大し、集積回路を高速化する
上で障害となる問題点が、また配線に流す電流密度の増
大に伴い、エレクトロマイグレーション等の問題が生じ
、信頼性の問題点が、各々顕在化してくる。

これを解決する方法として半導体素子を液体窒素温度で
動作させることが考えられる。ところが室温で高速動作
素子として、広く使用されているジノコンバイポーラ、
トランジスタは、液体窒素温度で動作させた場合、文献
アイイーイーイートランザクションズオンエレクトロン
デバイスイズ（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　
ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ）誌２８巻５
号４９４頁〜５００頁に述べられているようにベース層
でギヤリア凍結を起こすためにベース抵抗が増大し、高
速動作に障害を生じる、あるいは不純物補償されたベー
ス層でエミッタ層より注入されたキャリアが不純物によ
りトラップされ、電流利得が低下する、あるいは高濃度
にドープされたエミッタ層でバンド・ギャップナローイ
ングが起き、このため低温での動作に伴い、電流利得が
著しく低下する等の問題点がある。また低温動作に伴い
、集積回路の発熱量を抑えるため、トランジスタの消費
電力を下げる必要があるが、バイポーラ・トランジスタ
の電源電圧は用いている半導体材料のバンド・ギャップ
によって決まってしまうため、シリコンを使う限り、電
源電圧を室温動作に比べ下げることは不可能であり、ま
た動作電流を下げることはトランジスタの動作速度が遅
くなるため、高速性を維持したまま消費電力を下げるこ
とは不可能である。

一方、文献ブロスイーディング・オブ・ジ・アイイーイ
ーイー（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥ
Ｅ）誌７０巻１３頁〜２５頁に述べられる如く、砒化ガ
リウムをベース層とコレクタ層、砒化アルミニウムガリ
ウムをエミッタ層とするヘテロ構造バイポーラ・トラン
ジスタ（ＨＢＴ）は第９図のトランジスタ断面模式図に
示される如く、広いバンド、ギャップを持つエミッタ層
を有するため、前述したエミッタ層のバンド・ギャップ
・ナローイングによる電流利得の低下という問題点は避
けられるが、砒化ガリウムのバンド・ギャップがシリコ
ンのバンド、ギャップに比べ大きいのでトランジスタの
消費電力はより大きく、液体窒素温度での動作には適し
ていない。

（発明が解決しようとする課題）以上のように、シリコンを用いたバイポーラ・トランジ
スタは液体窒素温度等の低温で使用した場合、エミッタ
層でのバンド・ギャップ・ナローイングおよび不純物補
償されたベース層での不純物による、少数キャリアのト
ラップにより著しく電流利得が下がる、またベース層で
キャリア凍結を起こし、ベース抵抗の増大を招き、高速
動作特性を劣化させる等の問題点がある。また砒化アル
ミニウムガリウムと砒化ガリウムのヘテロ接合よりなる
ＨＢＴは消費電力が大きいため、集積回路チップからの
発熱量を小さく抑える必要のある液体窒素温度等の低温
動作には適さないという欠点がある。

本発明の目的はこれら従来のバイポーラ・トランジスタ
の持つ欠点を除去し、新規なヘテロ構造バイポーラ・ト
ランジスタを提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明によればゲルマニウム基板上にゲルマニウムから
なるコレクタ層、ベース層、ゲルマニウムとシリコンの
混晶からなるエミッタ層を設けたことを特徴とするヘテ
ロ構造バイポーラ・トランジスタがまたこのヘテロ構造
バイポーラ・トランジスタにおいて、エミッタ層を構成
するシリコンとゲルマニウムの混晶の混晶比をベース側
からエミッタ層の内部に向かって零から有限の値まで空
間的に変化させたことを特徴とするヘテロ構造バイポー
ラ・トランジスタが、またゲルマニウム基板上にゲルマ
ニウムからなるコレクタ層、ゲルマニウムとシリコンの
混晶からなるベース層、エミッタ層を設け、ベース層を
構成するシリコンとゲルマニウムの混晶の混晶比をコレ
クタ側からエミッタ側へ向かって零から有限の値まで空
間的に連続的に変化させたことを特徴とするヘテロ構造
バイポーラ・トランジスタが各々得られる。

（作用）ゲルマニウムのバンド・ギャップは０゜６６ｅＶとシリ
コンのバンド・ギャップ１．１２ｅＶに比べ小さいうえ
、アンチモン（Ｓｂ）、砒素（Ａｓ）、リン（Ｐ）のＮ
型ドーパントおよびガリウム（Ｇａ）、ボロン（Ｂ）等
のＰ型ドーパントの不純物結合エネルギーが１０ｍｅＶ
と小さく、液体窒素温度等の低温でもキャリアの凍結は
起きない。さらにシリコンに比べ、ゲルマニウム中では
電子移動度、正孔移動度が大きく高速動作をする上で有
利な材料である。

シリコンとゲルマニウムは格子間隔のずれが４％あり、
そのままでは界面欠陥のないエピタキシャル成長は困難
であるが、文献［モデュレテイド・セミコンダクタ・ス
トラフチャＪ　（ＭｏｄｕｌａｔｅｄＳｅｍｉｃｏｎｄ
ｕｃｔｏｒ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅ）１９８５年第２回国
際会議のコレクチイド・ペーパーズ（Ｃｏｌｌｅｃｔｅ
ｄ　Ｐａｐｅｒｓ）７１７頁〜７２３頁に記述される如
くゲルマニウムとシ゛リコンの薄膜混晶が分子線エピタ
キシャル法により、シリコン基板上、あるいはゲルマニ
ウム基板上にエピタキシャル成長できることが報告され
ている。

以上により、ゲルマニウム基板上に、ゲルマニウムおよ
びゲルマニウム・シリコン混晶を組み合せることにより
、液体窒素温度等の低温で動作可能なゲルマニウムＨＢ
Ｔを構成することができる。

（実施例）第１図は請求項１に記載の発明のゲルマニウムＨＢＴの
一実施例を示した断面模式図である。Ｐ型ゲルマニウム
基板１の上に高濃度Ｎ型ゲルマニウム２、コレクタ層を
形成するＮ型ゲルマニウム３、ベース層を形成する高濃
度Ｐ型ゲルマニウム４、エミッタ層を形成するシリコン
の混晶比２０％のＮ型ゲルマニウムとシリコンの混晶５
、高濃度Ｎ型ゲルマニウム６を連続してエピタキシャル
成長させる。エピタキシャル成長の方法としては分子線
エピタキシャル成長法が採用できる。図中７はコレクタ
電極、図中８はベース電極、図中９はエミッタ電極であ
る。Ｎ型ドーパントとしては砒素、Ｐ型ドーパントとし
てはガリウムを′使う。電極用材料としてはアルミニウ
ムを使う。

第２図はこのトラジスタの動作時のエネルギーダイアグ
ラムを示す。図中１０は伝導帯エッヂ部、１１は充満帯
エッヂ部、１２．１３はそれぞれヘテロ接合部に生ずる
伝導帯エッヂ部の不連続ΔＥｏと充満帯エッヂ部に生ず
る不連続ΔＥ廷各々示す。エミッタ層を構成するシリコ
ン・ゲルマニウム混晶Ｓｔｏ、ｚＧｅ。、Ｂのバンド・
ギャップは０．８６ｅＶとなり、ベース層を構成するゲ
ルマニウムのバンドギャップ０．６６ｅＶに比べ、大き
くなり、注入効率が改善される。このためエミッタ層の
不純物濃度を下げても大きな電流利得が得られ、低温下
でも高電流利得特性が期待できる。またベース中にドナ
ー型の不純物１４例えば砒素等が存在しても、不純物結
合エネルギーが小さく、エミッタ層より注入された電子
をトラップすることはない。またベース層の主要な不純
物であるガリウムの不純物結合エネルギーは小さく、液
体窒素温度でもキャリアが凍結することがなく、従って
ベース抵抗も低く保てる。

第３図は請求項２に記載の発明のゲルマニウムＨＢＴの
一実施例を示した断面模式図である。エミッタ層を構成
するシリコンゲルマニウムの混晶１５の混晶比がベース
層４側からＮ型高濃度層６に向かい、零から２０％まで
連続的に増加し、その後、２０％から零まで単調に減少
する構造を持つ。他は第１図の実施例と同様である。第
４図はこのトランジスタの動作時のエネルギーダイアグ
ラムである。

エミッタ層の混晶比が空間的に連続的に変化しているこ
とに対応して、伝導帯エッヂ１０、充満帯エッヂ１１が
連続的にエミッタ層からベース層にかけつながっている
。このため、このトランジスタをオンさせるに必要なし
きい値電圧が第１図実施例に比べ、伝導帯エッヂ部不連
続のエネルギー差ΔＥｏたけ小さくなり、より低電圧で
の動作、従ってより低消費電力特性が期待できる。この
例ではしきい値は０．１ｖ程度低下する。

第５図は請求項３に記載の発明のゲルマニウムＨＢＴの
一実施例を示した断面模式図である。Ｐ型ゲルマニウム
基板２０の上に高濃度Ｎ型ゲルマニウム２１、コレクタ
層を形成するＮ型ゲルマニウム２２、ベース層を構成す
るＰ型ゲルマニウムとシリコンの混晶２４、高濃度Ｎ型
ゲルマニウム２５を連続してエピタキシャル成長させる
。エピタキシャル成長の方法としては分子線エピタキシ
ャル成長法が採用できる。図中２６．２７．２８はそれ
ぞれアルミニウムよりなるコレクタ電極、ベース電極、
エミッタ電極である。Ｎ型ドーパントには砒素を、Ｐ型
ドーパントにはガリウムを使用する。ベース層を構成す
るシリコンとゲルマニウムの混晶２３の混晶比はコレフ
タ２２側からエミッタ２４側に向かい零から１０％まで
空間的に連続的に変化する。エミッタ層を構成するシリ
コンとゲルマニウムの混晶２４の混晶比はベース２３側
から高濃度Ｎ型ゲルマニウム層２５に向かって１０％か
ら一度２０％まで連続的に増加し、その後２０％から零
まで単調に減少する。

第６図はこのトランジスタの動作時のエネルギー・ダイ
ダラムを示す。図中２９．３０は伝導帯エッヂ部、充満
帯エッヂ部を各々示す。エミッタ層を構成するシリコン
、ゲルマニウム混晶２４の混晶比は最大２０％となり、
ベース側のシリコン・ゲルマニウム混晶２３の混晶比の
最大値１０％に比べ大きく、注入効率が改善される。こ
のためエミッタ層の不純物濃度を下げても大きな電流利
得が得られ、低温下で°も高電流利得特性が期待できる
。またベース中にドナー型の不純物３１、例えば砒素等
が存在しても不純物結合エネルギーが小さく、エミッタ
層より注入された電子をトラップすることはない。また
ベース層の主要な不純物であるガリウムの不純物結合エ
ネルギーは小さく、液体窒素温度でもキャリアが凍結す
ることがなく、従ってベース抵抗も低く保てる。

さらに本実施例においては、ベース中で混晶比が連続的
に変化しているため、内部電界が生じる。ベース層のエ
ミッタ端とコレクタ端のバンド・ギャップ差は０．１ｅ
Ｖ存在するため、ベース層の厚さとして１１００ｎを想
定すると内部電界は１０４Ｖ／ｃｍにも達する。このた
めベース中に注入された電子は上記内部電界で加速され
、ベース中を高速で走行する。このためベース走行時間
が短くなり、高速動作が期待される。

第７図は請求項３に記載の発明のゲルマニウムＨＢＴの
他の実施例を示した断面模式図である。エミッタ層を構
成するシリコンとゲルマニウムの混晶２４の混晶比はシ
リコン２０％で、空間的に一様となっている。他は第５
図の実施例と同様である。

第８図はこのトランジスタの動作時のエネルギーダイア
グラムを示す。図中２９．３０は伝導帯エッヂ部、充満
帯エッヂ部を各々示す。エミッタ層を構成するシリコン
・ゲルマニウム混晶３２のシリコン混晶比は２０％であ
り、ベース側のシリコン・ゲルマニウム混晶２３のシリ
コン混晶比の最大値１０％に比べ、大きく、注入効率が
改善される。このためエミッタ層の不純物濃度を下げて
も大きな電流利得が得られ、低温下でも高電流利得特性
が期待できる。

また第５図の実施例と同様、ベース中の不純物補償され
るドナー型の不純物３１による注入電子のトラップは起
きず、またベース中での多数キャリアであるホールの凍
結も起きない。さらに第５図の実施例と同様、ベース中
に１０’Ｖ／ｃｍ程度の内部電界が生じており、ベース
中に注入された電子が電界で加速され、短いベース走行
時間、従って高速動作等が実現できる。

以上述べた実施例ではすべてｎｐｎ型トランジスタにつ
いて述べたがｐｎｐ型でもよいことは明らかである。ま
た動作温度も液体窒素温度（７７ｋ）に限らず他の温度
（例えば１００ｋ）でもよい。また実施例ではｎ型不純
物として砒素、Ｐ型不純物としてガリウムを使ったがア
ンチモン、リン、ボロン等も使うことができる。さらに
実施例ではすべてエミッタトップ型であるがコレクタト
ップ型でもよい。

（発明の効果）以上、本発明によれば、半導体材料にゲルマニウムを使
用するため、不純物結合エネルギーが小さく、液体窒素
温度等の低温下でもキャリアの凍結が起きず、ベース抵
抗の増大を招かない。また液体窒素温度でもベース中の
不純物が注入されたキャリアのトラップとして働かない
ため、利得の低下を招かない。またバンド・ギャップ・
エネルギーもシリコンに比べ小さく、低電圧動作が可能
で、低消費電力特性が期待できる。

またバンド・ギャップ・エネルギーの大きなシリコンと
ゲルマニウムの混晶をエミッタ層として使用しているた
め、注入効率が大きく、エミッタ層の不純物密度を下げ
ても高電流利得特性が実現できる。

さらに第５図および第７図の実施例に示される如く、ベ
ース層にもシリコンとゲルマニウムの混晶を使用するこ
とによりベース層内部に電界を生じさせ、エミッタ層よ
りベース層に注入された電子を加速し、ベース走行時間
を短縮させ、高速動作を実現できる。特に、低温下では
キャリアの拡散定数が小さくなるため、ベース層の走行
を拡散だけで行なうと、ベース走行時間が長くなるため
、上記効果は低温下で高速動作を保つうえで重要である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は請求項１に記載のゲルマニウムＨＢＴの一実施
例を示した断面模式図、第２図はそのトランジスタの動
作時のエネルギー、ダイアグラム、第３図は請求項２に
記載のゲルマニウムＨＢＴの一実施例を示した断面模式
図、第４図は該トランジスタの動作時のエネルギーダイ
アグラム、第５図は請求項３に記載のゲルマニウムＨＢ
Ｔの一実施例を示した断面模式図、第６図は該トランジ
スタの動作時のエネルギーダイアグラム、第７図は請求
の項３に記載のゲルマニウムＨＢＴの他の実施例を示し
た断面模式図、第８図は該トランジスタの動作時のエネ
ルギーダイアグラム、第９図は砒化ガリウムと砒化アル
ミニウムガリウムのヘテロ接合により構成されるヘテロ
・バイポーラ斗うンジスタの断面模式図。１．２０・・・Ｐ型ゲルマニウム基板、２．２１・、・
高濃度Ｎ型ゲルマニウム、３．２２・・・Ｎ型ゲルマニ
ウム、４、・・高濃度Ｐ型ゲルマニウム、５、　Ｉ５．２４・・・Ｎｆｆゲルマニウムとシリコン
の混晶、６．２５・・・高濃度Ｎ型ゲルマニウム、７．
２６・・・コレクタ電極、８，２７・・・ベース電極、
９．２８・・、エミッタ電極、１０．２９・・・伝導帯
エッヂ部、１１、３０・・・充満帯エッヂ部、１２０９．伝導帯エッヂ部の不連続、１３・・・充満帯エッヂ部の不連続、１４、３１・・・ドナー型不純物、

Claims

【特許請求の範囲】１）ゲルマニウム基板上にゲルマニウムからなるコレク
タ層、ベース層、ゲルマニウムとシリコンの混晶からな
るエミッタ層を設けたことを特徴とするヘテロ構造バイ
ポーラ・トランジスタ。２）請求項１のヘテロ構造バイポーラ・トランジスタに
おいて、エミッタ層を構成するシリコンとゲルマニウム
の混晶の混晶比をベース側からエミッタ層の内部に向か
って零から有限の値まで空間的に変化させたことを特徴
とするヘテロ構造バイポーラ・トランジスタ。３）ゲルマニウム基板上にゲルマニウムからなるコレク
タ層、ゲルマニウムとシリコンの混晶からなるベース層
、エミッタ層を設け、ベース層を構成するシリコンとゲ
ルマニウムの混晶の混晶比をコレクタ側からエミッタ側
へ向かって零から有限の値まで空間的に連続的に変化さ
せたことを特徴とするヘテロ構造バイポーラ・トランジ
スタ。