JPH061783B2 - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPH061783B2
JPH061783B2 JP60186701A JP18670185A JPH061783B2 JP H061783 B2 JPH061783 B2 JP H061783B2 JP 60186701 A JP60186701 A JP 60186701A JP 18670185 A JP18670185 A JP 18670185A JP H061783 B2 JPH061783 B2 JP H061783B2
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emitter
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collector
semiconductor
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寿夫 馬場
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Nippon Electric Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D10/00Bipolar junction transistors [BJT]
    • H10D10/80Heterojunction BJTs
    • H10D10/821Vertical heterojunction BJTs

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  • Bipolar Transistors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は高速動作が可能な半導体装置に関するものであ
る。
〔従来技術とその問題点〕
高速動作が可能と考えられている能動半導体装置の1つ
に広い禁止帯幅のエミッタ(WGE)を有するヘテロ接
合・バイポーラ・トランジスタ(HBT)がある。例え
ば、アスベック(Asbeck)らによりインターナショナル・
エレクトロン・デバイス・ミーティッグ(IEDM,テ
クニカル・ダイジェスト,629ページ,1981年)にHB
Tの試作が報告されている。このデバイスは通常のホモ
接合のみを有するバイポーラ・トランジスタに比べて次
の2つの大きな利点を持っている。
(1)エミッタ注入効率を劣化させることなくベース抵抗
を大幅に低減しベース幅を狭くし得る。
(2)エミッタ領域の不純物濃度を低減し得るためエミッ
タ・ベース間容量を小さくできる。
しかし、従来のHBTでは前述の利点を有しているのに
かかわらず、まだ高速化を阻害する要素を含んでいるた
め、充分な高速化は達成されていない。
第4図に従来構造のバイポーラ・トランジスタの模式的
断面図を示す。第4図において、1は半導体基板、2は
一導電型を有し第1の半導体からなるコレクタ層、3は
コレクタ層2と異なる導電型を有し第1の半導体からな
るベース層、4はコレクタ層2と同一導電型を有しコレ
クタ層2およびベース層3より禁止帯幅が広い第2の半
導体からなるエミッタ層、5は基板1およびコレクタ層
2とオーミック接触を形成するコレクタ電極、6はベー
ス層3とオーミック接触を形成するベース電極、7はエ
ミッタ層4とオーミック接触を形成するエミッタ電極で
ある。
この従来構造の動作を、半導体基板1としてドナー濃度
が1×1018cm-3程度のn+−GaAs,コレクタ層2と
してドナー濃度が1×1016cm-3程度のn-−GaAs,
ベース層3としてアクセプタ濃度が1×1019cm-3程度の
+−GaAs,エミッタ層4としてドナー濃度が5×1
017cm-3程度のn−Al0.3Ga0.7Asを用い、このバ
ンド構造を示す第5図を用いて説明する。
第5図は第4図のエミッタ層4,ベース層3,コレクタ
層2にわたる模式的なバンド構造を示したものである。
第5図において、Ecは伝導帯端,Evは充満帯端,E
fはフェルミ準位,Vebはエミッタ・ベース間の電圧,
Vbcはベース・コレクタ間の電圧である。
エミッタ・ベース間にはVebの順方向バイアスをし、ベ
ース・コレクタ間にはVbcの逆方向バイアスをすると、
エミッタからベースへ電子が拡散により注入され、この
電子の大部分はベース層を拡散でコレクタ側へ移動し、
ベース・コレクタ間の空乏層における強い電界で加速さ
れてコレクタに達する。エミッタからベースへの電子の
注入量はVebにより変化するため、コレクタ電流がベー
ス電圧により制御される。通常のホモ接合のみを有する
バイポーラ・トランジスタでは、エミッタからベースに
電子を注入する際、ベースからエミッタへ正孔が注入さ
れるため、エミッタ注入効率(エミッタ電流のうちの電
子電流の割合)が低下する。しかし、HBTではエミッ
タとベースとの間にAl0.3Ga0.7As/GaAsヘテ
ロ界面が存在するため、ベース側からエミッタ側を見る
と正孔に対し50meV程度の障壁が存在し、ベースから
エミッタへの正孔の注入は抑制される。したがって、エ
ミッタ注入効率を低下させることなくベースの正孔濃度
を高めてエミッタの電子濃度をある程度低く抑えること
ができる。その結果、ベース抵抗が小さく,エミッタ・
ベース間容量が小さく,ベース幅が狭い高速動作に適し
た構造にすることができる。
しかし、このHBTには材料選択上および構造上のいく
つかの問題点がある。材料選択上の問題点としては、H
BTではヘテロ接合が必要であるため、ほぼ格子整合の
とれた材料の組合わせが必要な事である。また、一般に
は第5図に示すようにエミッタ・ベース間に電位のスパ
イクが存在するのでベースヘの小数キャリヤの注入が抑
制される。これを避けるためにAlxGa1-xAs/Ga
As系ではエミッタ・ベース間に組成の傾斜を付けるこ
とが行なわれているが、微妙な組成制御により格子整合
をとっている系(例えばInAlAs/InGaAs
系)では困難である。さらに、異種材料の接合界面では
界面準位や界面再結合中心の発生といった問題が避けら
れない。構造上の問題としては、HBTにおいてもデバ
イスの高速化で必要なコレクタ容量,コレクタ抵抗およ
びエミッタ抵抗の低減には効果がないこと、薄いベース
層へのオーミック電極形成が困難なことからベース幅を
極端に薄くすることができないこと、などがある。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、従来のHBTの欠点を除去し、超高速
動作が可能な半導体装置を提供することにある。
〔発明の構成〕
本発明の半導体装置は、一導電型を有する半導体からな
るコレクタ層と、このコレクタ層と異なる導電型を有す
る半導体からなるベース層と、不純物をほとんど含有し
ない半導体からなるエミッタ空乏層と、前記コレクタ層
と同一導電型を有し縮退している半導体からなるエミッ
タ層とを順に積層した構造を有することを特徴としてい
る。
〔実施例〕
以下、本発明について実施例を示す図面を参照して詳細
に説明する。
第1図は本発明の第1の実施例を示す模式的断面図であ
る。第1図において、第4図と同じ番号のものは第4図
と同等物で同一機能を果すものである。8は不純物をほ
とんど含有しない半導体からなるエミッタ空乏層、9は
コレクタ層2と同一導電型を有し縮退している半導体か
らなるエミッタ層である。第1の実施例の各層の例とし
ては、半導体基板1としてドナー濃度が1×1018cm-3
度のn+−GaAs、コレクタ層2としてドナー濃度が
2×1016cm-3程度のn-−GaAs、ベース層3として
アクセプタ濃度が1×1019cm-3程度のp+−GaAs、
エミッタ空乏層8としてi−GaAs、縮退したエミッ
タ層9としてドナー濃度が2×1019cm-3程度のn+−G
aAs、コレクタ電極5としてIn、ベース電極6とし
てAuZn、エミッタ電極7としてAuGe/Auがあ
る。
この第1の実施例の動作を前述の材料を用い、このバン
ド構造を示す第2図を用いて説明する。
第2図は第1図の縮退したエミッタ層9,エミッタ空乏
層8,ベース層3,コレクタ層2にわたる模式的なバン
ド構造を示したものである。
エミッタ層9は縮退しているため、これらの層内のフェ
ルミ準位Efは伝導帯の中に数百meV入りこむ。その
ため、この層においては実効的に禁止帯幅が広がり、ベ
ース層に比べて禁止帯幅の広い半導体としてふるまう。
したがって、本実施例のトランジスタにおいても禁止帯
の広いエミッタを有するバイポーラ・トランジスタの利
点が活かされる。
さらに、以下に示すような従来のHBTにない特長があ
る。
(1)本実施例は、各層を同一半導体材料で構成できるの
で格子整合した禁止帯幅の異なる半導体材料を捜す必要
がなく、全ての半導体材料に対し適用可能である。
(2)ヘテロ界面が無いのでヘテロ界面におけるキャリア
の再結合の問題を回避できる。
(3)エミッタ層,およびベース層が高濃度の不純物を含
有するため低抵抗となり、寄生抵抗の発生が抑制でき
る。
(4)エミッタ・ベース間容量はエミッタ空乏層で決めら
れるため、この層厚を大きくとることにより容量を小さ
くすることができる。
したがって、本実施例の構造は使用できる半導体材料の
制限を取り除きヘテロ界面の問題を除去すると同時に、
エミッタ層およびベース層が低抵抗でありエミッタ・ベ
ース間容量が小さいという高速デバイスに有利な特長を
有している。また、従来構造HBTではエミッタ側の空
間電荷層に不純物散乱をもたらすイオン化したドナーが
多数存在するため、この領域のキャリアの拡散定数およ
び移動度は小さいが、本実施例の構造ではエミッタ空乏
層にはイオン化した不純物がほとんどないため、キャリ
アの拡散定数および移動度が大きく、高速動作を可能に
する。
以上述べたように、本実施例のトランジスタはホモ接合
の作製の容易さと共に従来のHBTの特長を有し、さら
に高速化に有利な構造を有しているため、高速動作が容
易である。
次に、前述した第1の実施例の製造方法について説明す
る。結晶成長方法としてはMBE(Molecular Beam Epit
axy)を用い、n+−GaAs基板1上に厚さ1.0μmでド
ナー濃度が2×1016cm-3のn-−GaAs層2,厚さ500
Åでアクセプタ濃度が1×1019cm-3のp+−GaAs層
3,厚さ600Åで不純物を含有しないi−GaAs層
8,厚さ0.5μmでドナー濃度が2×1019cm-3のn+−G
aAs層9を順次形成した。エミッタ電極7としてAu
Ge/Auを表面に蒸着した後、エミッタ部を残してエ
ミッタ電極7およびn+−GaAs層9をエッチングで
除去し、この除去した部分にAuZnを蒸着しベース電
極6とした。さらにコレクタ電極5として裏面にInを
付けH2雰囲気中でアロイして本発明によるバイポーラ
・トランジスタを完成させた。その結果、トランジスタ
一段当たりの遅延時間として30psが得られた。
第3図は本発明の第2の実施例の模式的なバンド構造図
である。第3図において、ベース層3を除いて第1,
2,4,5図と同じ番号のものは第1,2,4,5,図
と同等物で同一機能を果すものである。ベース層3はエ
ミッタ側の方がコレクタ側よりもアクセプタ濃度が高く
なっている。このため、ベース層内でフェルミ準位と充
満帯端との間のエネルギ差が異なり、第3図のようにベ
ース層内のバンドは傾斜している。
この第2の実施例の動作はほとんど第1の実施例と同じ
であるが、ベース層に電位の傾き(電界)が在るために
第1の実施例よりも高速動作に適している。縮退したエ
ミッタ層9からベース層3に注入された小数キャリア
(電子)は、ベース層内の電界に加速されてベース層を
高速で抜ける。このため、拡散だけでベース層を抜ける
第1の実施例に比べるとより高速な動作ができる。
エミッタ側端が1.5×1019cm-3でコレクタ側端が5×10
18cm-3であり、その間の不純物濃度がリニアに変化して
いる厚さ600Åのp+−GaAsベース層を用い、その他
の構造は第1の実施例と同様にしたバイポーラ・トラン
ジスタを作製した結果、トランジスタ一段当たりの遅延
時間として28psが得られた。
以上述べた本発明の第1および第2の実施例ではnpn
型のバイポーラ・トランジスタについてしか示さなかっ
たが、本発明は半導体の導電型を反対にしたpnp型の
ものに対しても同様に適用できることは明らかである。
また、基板上への各層の成長順序は逆にしてもかまわな
い。
半導体としてはGaAsしか示さなかったが、Si,G
e等の元素半導体、InP,InAs,GaP,InG
aAs,InGaAsP等のIII−V化合物半導体、C
dTe,ZnTe等のII−VI化合物半導体およびその他
の各種半導体でも良い。ただし、それぞれの半導体で伝
導帯および充満帯の状態密度が異なっているため、縮退
が起きる不純物濃度が異なっており、本発明のエミッタ
層は充分に縮退するような高濃度の不純物を含有してお
く必要がある。ベース層においては、エミッタ層とベー
ス層との実効的な禁止帯幅の差を大きくとる必要性から
縮退してないことが望ましいが、ベース層の抵抗を下げ
る必要から縮退していても良い。
本発明の構造を得るための結晶成長方法としては、原理
的にはどんな方法でも良いが、薄いベース層の形成や急
峻な不純物ドーピング分布を得ることが必要であるた
め、原子層の制御が可能なMBE法やMOCVD(Metal
Organic Chemical Vapor Deposition)法が適してい
る。
〔発明の効果〕
以上本発明の半導体装置では、半導体材料に対する制限
がなく、さらにヘテロ界面を有していないためヘテロ界
面に付随する問題がなく、さらに寄生抵抗や容量が極め
て小さいため高速動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の第1の実施例の模式的断面図、 第2図はそのバンド構造図、 第3図は第2の実施例のバンド構造図、 第4図は従来のヘテロ接合バイポーラ・トランジスタの
模式的断面図、 第5図はそのバンド構造図である。 1 ………………… 半導体基板 2 ………………… コレクタ層 3 ………………… ベース層 4 ………………… エミッタ層 5 ………………… コレクタ電極 6 ………………… ベース電極 7 ………………… エミッタ電極 8 ………………… エミッタ空乏層 9 ………………… 縮退したエミッタ層 Ec ……………… 伝導帯端 Ev ……………… 充満帯端 Ef ……………… フェルミ準位 Veb ……………… エミッタ・ベース間電圧 Vbc ……………… ベース・コレクタ間電圧

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一導電型を有する半導体からなるコレクタ
    層と、このコレクタ層と異なる導電型を有する半導体か
    らなるベース層と、不純物をほとんど含有しない半導体
    からなるエミッタ空乏層と、前記コレクタ層と同一導電
    型を有し縮退している半導体からなるエミッタ層とを順
    に積層した構造を有することを特徴とする半導体装置。
JP60186701A 1985-08-27 1985-08-27 半導体装置 Expired - Fee Related JPH061783B2 (ja)

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JP2758611B2 (ja) * 1988-09-16 1998-05-28 日本電信電話株式会社 バイポーラトランジスタ素子
JP5133043B2 (ja) * 2007-12-19 2013-01-30 日本電信電話株式会社 ヘテロ接合バイポーラトランジスタ
JP5329315B2 (ja) * 2009-06-22 2013-10-30 日本電信電話株式会社 ヘテロ接合バイポーラトランジスタ

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