JPH047096B2 - - Google Patents

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・ギヤツプよりも広いエネルギー・ギヤツプを
持つた半導体でエミツタ層を構成したヘテロ構造
バイポーラ・トランジスタに関する。

（従来の技術） ベース層を構成する半導体に比べ、広いバン
ド・ギヤツプを持つた半導体でエミツタを構成す
るヘテロ構造バイポーラ・トランジスタは例え
ば、プロスイーデイング・オブ・ザ・アイイーイ
ーイー（Proceeding of the IEEE）誌70巻１号
13頁〜25頁に述べられいる。具体的にエミツタ層
を構成する半導体として砒化アルミニウム・ガリ
ウム、ベース層、コレクター層を構成する半導体
として砒化ガリウムを用いたヘテロ構造バイポー
ラ・トランジスタは例えば応用物理学会誌54巻11
号1192頁〜1197頁に述べられている。これらのヘ
テロ構造バイポーラ・トランジスタは分子線エピ
タキシヤル成長法を用いてヘテロ構造のエピタキ
シヤル成長が実現できる。第５図は従来例のヘテ
ロ構造バイポーラ・トランジスタの断面構造を示
したものである。半絶縁性砒化ガリウム基板１の
上に高濃度のＮ型砒化ガリウム２、Ｎ型にドープ
した砒化ガリウム３、高濃度のＰ型砒化ガリウム
４、Ｎ型砒化アルミニウム・ガリウム５、高濃度
のＮ型砒化ガリウム６を連続してエピタキシヤル
成長させた後、前記エピタキシヤル成長層５，６
をエツチングしてベース電極９を取り付け、前記
エピタキシヤル成長層５，６，４，３をエツチン
グしてコレクター電極７を取り付ける。前記エピ
タキシヤル成長層６にはエミツタ電極１０が取り
付けられ、前記ベース電極９とエミツタ電極１０
は絶縁層８により電気的に分離されている。

該従来例のヘテロ構造バイポーラ・トランジス
タは、やはり従来広く使用されているシリコンホ
モ構造バイポーラ・トランシスタに比べ以下の利
点を持つ。

(1) 砒化ガリウムの上に砒化アルミニウムガリウ
ムがヘテロエピタキシヤル成長するのでヘテロ
構造バイポーラ・トランジスタが実現でき、注
入効率を落とさずにＰ型の砒化ガリウムのベー
ス層４を高濃度にドープできる。従つてベース
抵抗を下げることができ高速動作が期待でき
る。

(2) エミツタ層５よりベース層４に注入された電
子は砒化ガリウムからなるベース層４、コレク
ター層３を走行するが、砒化ガリウム中の電子
はシリコン中の電子に比べ、４〜５倍高い移動
度、高い飽和速度を持つので走行時間が短かく
なり高速動作が期待できる。

(3) 半絶縁性の砒化ガリウム基板が利用できるの
で配線部における寄生容量が小さく、高速動作
が期待できる。しかしながら、砒化ガリウムと
砒化アルミニウムガリウムからなる該従来例の
ヘテロ構造バイポーラトランジスタは同時に以
下に述べるような欠点を持つ。

(4) ベース層に用いる砒化ガリウムはバンド・ギ
ヤツプが1.42eVと、シリコンのバンド・ギヤ
ツプ1.12eVに比べ大きいため、シリコンを用
いたホモ構造バイポーラ・トランジスターに比
べ、高電圧動作となり、消費電力が大きくな
る。これは該ヘテロ構造バイポーラ・トランジ
スタを高い集積度を持つデイジタル集積回路に
応用しようとする時不利になる。

(5) 砒化ガリウムはシリコンに比べ電子の移動度
が４〜５倍大きいが、ホールの移動度は、ほぼ
同じで、ベース抵抗の低減には、ヘテロ構造ト
ランジスタであるためベース層４を高濃度のＰ
型にドープできるという点以外、材料の差異に
よる効果は利用できない。

(6) 砒化ガリウムはバンド・ギヤツプが1.4eVと
大きく、特にＮ型の場合、金属と接触させた
時、高いバリアのシヨツトキ接合が形成され、
低抵抗のオーミツク接触が取りにくい。この事
情は1.8eVと高いバンド・ギヤツプを持つ砒化
アルミニウムガリウムの場合より顕著で、第５
図に示した従来例では砒化アルミニウムガリウ
ム層５の上に高濃度の砒化ガリウム層６を一度
エピタキシヤル成長させ、砒化ガリウム層６と
オーミツク接触を取るという工夫をしており、
この結果構造、ひいては製造プロセスが複雑に
なるという欠点がある。この事情はエミツタ電
極１０、コレクタ電極７に共通だが、特に接触
面積の小さなエミツタ電極１０のオーミツク接
触では顕著で、接触抵抗を下げることが困難と
なり、高速動作に悪い影響を与える。

(7) ベース層４に使われる砒化ガリウムは直接遷
移型の半導体であり、ベース層４に注入された
少数キヤリアである電子は再結合する時間が、
間接遷移型の半導体、例えばシリコン、ゲルマ
ニウムに比べ極めて短い。ベース層４に注入さ
れた電子が再結合すると、注入効率の低下、従
つて電流利得の低下を招くので、ベース層とし
ては間接遷移型半導体が望ましい。

上記(4)、(5)、(7)の欠点を解除するため、前記文
献プロシーデイングオブザアイイーイーイー
（Proceeding of the IEEE）誌70巻１号23頁にコ
レクター層は砒化ガリウム、ベース層にゲルマニ
ウム、エミツタ層に砒化ガリウムを用いたヘテロ
構造バイポーラ・トランジスタが提案されてい
る。ベース層に用いられるゲルマニウムはバン
ド・ギヤツプが0.66eVと小さく、またホールの
移動度も砒化ガリウム、あるいはシリコンに比べ
４〜５倍大きく、また間ム、あるいはシリコンに
比べ４〜５倍大きく、また間接遷移型半導体であ
るため前記(4)、(5)、(7)に述べた欠点を有しない。
しかしながらゲルマニウムの上に砒化ガリウムを
エピタキシヤル成長させなければならず、これは
前記文献プロシーデイングオブザアイイーイーイ
ー（Proceeding of the IEEE）誌70巻１号23頁
に記述される如く、アンタイ・フエイズ・ドメイ
ンと呼ばれる界面欠陥なしに上記成長を行なうこ
とは困難である。これはエピタキシヤル成長した
ゲルマニウムの表面層を構成する各ゲルマニウム
原子に砒素原子が結合するかガリウム原子が結合
するかは任意性があり、一度例えば砒素原子があ
るゲルマニウム原子サイトに結合してしまえば、
その隣りの原子サイトにはガリウム原子が、また
その隣りの原子サイトには砒素原子がという様に
結合していき砒化ガリウムの結晶ドメインが形成
される。前記結晶ドメインに属しない別の原子サ
イトから同様にやはり砒化ガリウムの結晶ドメイ
ンが成長していくと、各結晶ドメインの接触面で
砒素と砒素、あるいはガリウムとガリウムという
結合が生じる可能性がある。これは界面欠陥が生
ずることを意味し、電子がトランプされる原因と
なる。

さらにエミツタ層の半導体として砒化ガリウム
用いているため前記(6)の問題は解決されず、エミ
ツターのオーミツク接触抵抗を低くすることは困
難である。

（発明が解決しようとする問題点） 以上の如く砒化ガリウムと砒化アルミニウムガ
リウムを用いたヘテロ構造バイポーラ・トランジ
スタは超高速のデイジタル集積回路に応用した場
合、上記(4)に述べた理由で消費電力の増大、上記
(6)の理由でエミツタのオーミツク抵抗の低減化の
困難、これに伴う高速動作の制限、上記(7)に述べ
た理由で、注入効率、電流利得の低下、上記(5)に
述べた理由で著しいベース抵抗の低減化が期待で
きない等の欠点がある。またコレクター層、エミ
ツタ層に砒化ガリウムベース層にゲルマニウムを
用いたヘテロ構造バイポーラ・トランジスタはゲ
ルマニウムを用いたヘテロ構造バイポーラ・トラ
ンジスタはゲルマニウムの上に砒化ガリウムをエ
ピタキシヤル成長させる際に生ずる界面欠陥のた
め、電子が前記界面欠陥にトラツプされ、著しい
注入効率の低下が起こる可能性がある事、またエ
ミツタ層に砒化ガリウムを用いているため、低い
オーミツク接触抵抗が実現できない等の問題があ
る。本発明の目的はこれら従来のヘテロ構造バイ
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。

（問題点を解決するための手段） 本発明によれば、半導体基板上に砒化ガリウ
ム、ゲルマニウム、ゲルマニウムとシリコンの混
晶を備え、前記砒化ガリウムをコレクタ層、前記
ゲルマニウムをベース層、前記ゲルマニウムとシ
リコンの混晶をエミツター層として用いたことを
特徴とするヘテロ構造バイポーラ・トランジスタ
が、また半導体基板上に砒化ガリウム、ゲルマニ
ウム、ゲルマニウムとシリコンの混晶を備え、前
記砒化ガリウムをコレクタ層、前記ゲルマニウム
をベース層、前記ゲルマニウムとシリコンの混晶
をエミツタ層として用い、前記ゲルマニウムとシ
リコンの混晶と前記ゲルマニウムとの間にシリコ
ンの混晶比を零から有限の値まで、空間的に連続
的に変化させたゲルマニウムとシリコンの混晶を
備え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、また上記２つのヘテロ構造バイ
ポーラ・トランジスタにおいて、砒化ガリウムを
Ｎ型、ゲルマニウムをＰ型、ゲルマニウムとシリ
コンの混晶をＮ型にドープしたヘテロ構造バイポ
ーラ・トランジスタが、また上記ヘテロ構造バイ
ポーラ・トランジスタにおいて半導体基板を砒化
ガリウム基板としたヘテロ構造バイポーラ・トラ
ンジスタができる。

（作用） エー・ジー・ミルネス（A.G.Milnes）とデ
ー・エル・フオイヒト（D.L.Feucht）の著によ
る文献「ヘテロジヤンクシヨンズ・アンド・メタ
ル−セミコンダクタ・ジヤンクシヨンズ」の９頁
に記述される如く、ゲルマニウムとシリコンの混
晶、例えばGe_0.9Si_0.1は0.77eVとゲルマニウムの
0.66eVに比べ、広いバンド・ギヤツプを持つこ
とが理論的に知られている。従つて本発明の構成
によりベース層半導体（ゲルマニウム）に比べ広
いバンド・ギヤツプを持つエミツタ層半導体（ゲ
ルマニウムとシリコンの混晶）からなるヘテロ構
造バイポーラトランジスタが構成できる。さらに
基板及びコレクター層に砒化ガリウムを用いてい
るので、前記(1)、(2)、(3)に述べた砒化ガリウムと
砒化アルミニウム・ガリウムからなるヘテロ構造
バイポーラトランシスタの長所が利用でき、また
ゲルマニウムをベース層に用いるため、前記(4)、
(5)、(7)に述べた従来例ヘテロ構造バイポーラ・ト
ランジスタの欠点を除去でき、また、エミツタ層
にバンド・ギヤツプ1.42eVの砒化ガリウムに比
べ、小さなバンド・ギヤツプ0.8〜0.9eVのゲルマ
ニウムとシリコンの混晶を用いるため、低抵抗の
オーミツク接触が実現でき、前記(6)の欠点が除去
できる。

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
ヤル成長は困難であるが、文献「モデユレイテイ
ド・セミコンダクタ・ストラクチヤ」
（Mondulated Semiconductor Structure）1985
年第２回国際会議のコレクテイド・ペーパーズ
（Collected 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シリコ
ン基板上にエピタキシヤル成長し、Ｎ型にもＰ型
にもドーピング可能と報告されている。同様のこ
とがゲルマニウム基板上のゲルマニウムとシリコ
ンの混晶についても実験的に確かめられ、ゲルマ
ニウム上にゲルマニウムとシリコンの混晶がエピ
タキシヤル成長させることが可能であることがわ
かつた。

（実施例） 第１図は本発明の特許請求の範囲第１項記載の
ヘテロ構造バイポーラ・トランジスタの一実施例
を示した断面図で半絶縁性砒化ガリウム基板１の
上に高濃度ｎ型砒化ガリウム２、ｎ型砒化ガリウ
ム３、高濃度Ｐ型ゲルマニウム１１、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
Ge_0.8Si_0.2１２、高濃度Ｎ型ゲルマニウム１３を
連続してエピタキシヤル成長させる。エピタキシ
ヤル成長の方法としては分子線エピタキシヤル成
長法が採用できる。図中１０はエミツター電極、
７はコレクター電極、９はベース電極である。前
記混晶比20％のゲルマニウムとシリコンの混晶と
ゲルマニウムとのバンド・ギヤツプ差ΔEgは
0.22eVが期待され、第２図に示す様なNPNヘテ
ロ構造バイポーラ・トランジスタのエネルギーダ
イアグラムが期待される。

本構造のトランジスタにおいてはエミツタ層の
ゲルマニウムとシリコンの混晶からベース層のゲ
ルマニウムに電子を注入するに要する電圧Vtは
Ｎ型ゲルマニウム・シリコンの混晶の伝導帯エツ
ヂとＰ型ゲルマニウムの伝導帯エツヂの差に、伝
導帯のオフセツト分ΔVcを加えたものになる。

第３図は本発明の特許請求の範囲第３項記載の
ヘテロ構造バイポーラトランジスタの実施例に示
した断面図で、半絶縁性砒化ガリウム基板１の上
に高濃度Ｎ型砒化ガリウム２、Ｎ型砒化ガリウム
３、高濃度Ｐ型ゲルマニウム１１、シリコンの混
晶比を０％から20％まで上方に向かつて空間的に
連続に変化されたＮ型のゲルマニウムとシリコン
の混晶Ge_1-xSi_x１４、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Ge_0.8Si_0.2１２、
高濃度Ｎ型ゲルマニウム１３を連続してエピタキ
シヤル成長させる。エピタキシヤル成長の方法と
しては分子線エピタキシヤル成長法が採用でき
る。図中７，９，１０はそれぞれコレクタ電極、
ベース電極、エミツタ電極である。シリコンの混
晶比を０％から20％まで空間的に連続に変化させ
たゲルマニウムとシリコンの混晶の存在のため、
該NPNヘテロ構造バイポーラ・トランジスタの
エネルギーダイアグラムは第４図に示した様にな
り、第２図に示した伝導体オフセツトΔVcが消
え、シリコンの混晶比20％のゲルマニウムとシリ
コンの混晶からなるエミツタ層１２からゲルマニ
ウムからなるベース層１１に電子を注入するに要
する電圧Vtはゲルマニウム・シリコンの混晶１
２とゲルマニウム１１の伝導帯エツヂの差のみと
なり、第１図に示したヘテロ構造バイポーラ・ト
ランジスタの実施例に比べ、より低電圧動作が可
能となり、低消費電力特性が得られる。

なお、上記第１図及び第３図の実施例によるヘ
テロ構造バイポーラトランジスタにおいてはエミ
ツタ層を構成するゲルマニウムとシリコンの混晶
１２とエミツタ電極１０の間に高濃度のＮ型ゲル
マニウム層１３を挿入したが、これはなくてもよ
い。また上記両実施例においてはシリコンの混晶
比20％のゲルマニウムとシリコン混晶を用いた
が、混晶比は有限値ならばいくらであつてもよ
い。また半導体基板として砒化ガリウム基板を用
いたが、これに限るものではなく、ゲルマニウ
ム、あるいはシリコン基板を用いてもよい。

（発明の効果） 以上、本発明の特許請求の範囲第１項記載のヘ
テロ構造バイポーラ・トランジスタにおいてはコ
レクタ層が電子移動度の大きな砒化ガリウムを用
いるため、ベース・コレクタ間空乏層の走行時間
が短かくでき、ベース層にバンド・ギヤツプが小
さく、間接遷移型半導体のゲルマニウムを用いる
ため、低電圧動作、即ち低消費電力特性が、また
少数キヤリアの電子の再結合時間の長い、即ち良
好な電流特性が期待でき、エミツタ層にゲルマニ
ウムとトリコンの混晶を用いるため、低抵抗のオ
ーミツク接触が実現でき、また前記ゲルマニウム
とシリコンの混晶の混晶比を適切に設計すること
で、ゲルマニウムとのバンド・ギヤツプ差を調節
でき、電流利得を落とさず、ベース層を高濃度の
Ｐ型にドープできる。加えてベース層を構成する
ゲルマニウムは正孔の移動度が大きいため、極め
てベース抵抗の小さなバイポーラ・トランジスタ
が実現でき、高速動作特性が期待できる。

本発明の特許請求の範囲第３項記載のヘテロ構
造バイポーラ・トランジスタにおいては上記第１
項記載のトランジスタに対し、エミツタ層、ベー
ス層間にシリコンの混晶比が零から有限値まで空
間的に連続に変化したゲルマニウムとシリコンの
混晶を挿入するため、ベース層、エミツタ層間の
伝導帯の急峻なバンドオフセツトをなくすことが
でき、より低電圧、低消費電力動作特性が実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の特許請求の範囲第１項記載の
ヘテロ構造バイポーラ・トランジスタの断面構造
を、第２図は該トランジスタのエネルギー・ダイ
アグラムを、第３図は本発明の特許請求の範囲第
３項記載のヘテロ構造バイポーラ・トランジスタ
の断面構造を、第４図は該トランジスタのエネル
ギー・ダイアグラムを、第５図は従来例のヘテロ
構造バイポーラ・トランジスタの断面構造を示
す。 １……半絶縁性砒化ガリウム基板、２……高濃
度Ｎ型砒化ガリウム、３……Ｎ型砒化ガリウム、
４……高濃度Ｐ型砒化ガリウム、５……Ｎ型砒化
アルミニウム・ガリウム、６……高濃度Ｎ型砒化
ガリウム、７……コレクタ電極、８……絶縁膜、
９……ベース電極、１０……エミツタ電極、１１
……高濃度Ｐ型ゲルマニウム、１２……シリコン
混晶比一定のゲルマニウムとシリコンの混晶、１
３……高濃度Ｎ型ゲルマニウム、１４……シリコ
ン混晶比が空間的に連続変化したゲルマニウムと
シリコンの混晶。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板上に砒化ガリウム、ゲルマニウ
   ム、ゲルマニウムとシリコンの混晶を備え、前記
   砒化ガリウムをコレクタ層、前記ゲルマニウムを
   ベース層、前記ゲルマニウムとシリコンの混晶を
   エミツター層として用い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 砒化ガリウムをＮ型、ゲルマニウムをＰ型、
   ゲルマニウムとシリコンの混晶をＮ型にドープし
   た特許請求の範囲第１項記載のヘテロ構造バイポ
   ーラ・トランジスタ。 ３ 半導体基板を砒化ガリウム基板にした特許請
   求の範囲第１項記載のヘテロ構造バイポーラ・ト
   ランジスタ。 ４ 半導体基板上に砒化ガリウム、ゲルマニウ
   ム、ゲルマニウムとシリコンの混晶を備え、前記
   砒化ガリウムをコレクタ層、前記ゲルマニウムを
   ベース層、前記ゲルマニウムとシリコンの混晶を
   エミツタ層として用い、前記ゲルマニウムとシリ
   コンの混晶と前記ゲルマニウムとの間にシリコン
   の混晶比を零から有限の値まで空間的に連続的に
   変化させたゲルマニウムとシリコンの混晶を備え
   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。 ５ 砒化ガリウムをＮ型、ゲルマニウムをＰ型、
   ゲルマニウムとシリコンの混晶をＮ型にドープし
   た特許請求の範囲第４項記載のヘテロ構造バイポ
   ーラ・トランジスタ。 ６ 半導体基板を砒化ガリウム基板にした特許請
   求の範囲第４項記載のヘテロ構造バイポーラ・ト
   ランジスタ。