JPH08288300A

JPH08288300A - ヘテロ接合バイポーラトランジスタ

Info

Publication number: JPH08288300A
Application number: JP7086748A
Authority: JP
Inventors: Tadao Ishibashi; 忠夫石橋
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1995-04-12
Filing date: 1995-04-12
Publication date: 1996-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】微細で有効な、エミッタ・ベース接合の保護
構造を容易に形成できるようにすることを目的とする。【構成】スペーサ層４は、ドーピング濃度をエミッタ
層３よりも十分に低くし、その膜厚を１００Å程度以下
に薄くして動作状態では空乏化下状態となるようにす
る。また、このスペーサ層４は、ベース層５の多数キャ
リアおよび少数キャリアに対してはポテンシャル障壁と
して働き、エミッタ層３の多数キャリアに対してはポテ
ンシャル障壁が１００ｍｅＶ以下とほとんどない状態と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、化合物半導体材料を
用いて高性能化を図った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】ＧａＡｓ基板上に作成した化合物半導体
ＨＢＴ（ヘテロ接合バイポーラトランジスタ）は、動作
速度，大出力動作，製造面での自由度の点で優れた素質
を持っており、次世代の超高速デバイスとして期待され
ている。他の多くのデバイスと同様に、寄生抵抗や寄生
容量を低減させるための素子の微細化は、このＨＢＴに
おいても高速化のための基本的な手法である。微細化の
うち、ベース電極をエミッタメサに可能な限り近接させ
る技術は、ベース抵抗を低減させる上で特に重要であ
り、そのための様々なセルフアライン構造が用いられて
きた。

【０００３】ここで、微細化にともなって問題となるの
は、エミッタ・ベース接合の周辺に発生する過剰ベース
電流が、全ベース電流に比べて相対的に大きくなり、電
流利得が低下することである。従って、通常のＨＢＴで
は、その接合の周辺をエミッタ層の一部を用いてカバー
するいわゆるガードリング構造とし、表面再結合による
リーク電流を抑える対策がなされている。しかしなが
ら、ベース電極／エミッタメサ間隔が一定以下に狭くな
ると、ガードリングの効果が失われる。従って、微細化
に耐える新たなエミッタ・ベース接合の保護構造や材料
構造の開発が望まれている。

【０００４】材料構成の面では、ＡｌＧａＡｓよりも安
定と考えられるＩｎＧａＰをエミッタとするＩｎＧａＰ
／ＧａＡｓが注目されている。すでに、寿命試験の結果
で、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系よりも長寿命となるとの
報告もある。しかし、ＩｎＧａＰをエミッタとして用い
たＨＢＴの製造には、ＧａＡｓとＩｎＧａＰとの材料の
化学的性質の違いのため、より高度な技術が要求され
る。ＩｎＧａＰの応用は、材料的には有利となるにもか
かわらず、一般的なトランジスタの構造を用いる限り、
微細なガードリング構造の製造は難しい。

【０００５】図３は、従来の典型的なｎｐｎ型ＩｎＧａ
Ｐ／ＧａＡｓＨＢＴの構成を示し、（ａ）は断面図、
（ｂ）はバンドダイアグラムである。同図において、１
１はＧａＡｓからなるエミッタキャップ層、１２は組成
傾斜ＡｌＧａＡｓからなるエミッタキャップ層、１３は
ＡｌＧａＡｓからなるエミッタキャップ層である。ま
た、１４はｎ形の不純物としてシリコンが導入されたＩ
ｎＧａＰからなるエミッタ層、１５はｐ形の不純物とし
て炭素が導入されたＧａＡｓからなるベース層、１６は
ｎ形の不純物としてシリコンが導入されたＧａＡｓから
なるコレクタ層、１７はＧａＡｓからなるサブコレクタ
層、１８はＡｕＧｅ合金からなるエミッタ電極、１９は
ＴｉとＡｕとの積層金属からなるベース電極、２０はＡ
ｕＧｅ合金からなるコレクタ電極である。

【０００６】図３のＨＢＴにおいては、エミッタキャッ
プ層１２，１３にＡｌＧａＡｓを用いるようにしている
が、エミッタ層１４はＩｎＧａＰであり、ガードリング
の形成は接合の周辺のエミッタ層１４を薄く一定の横幅
に加工することで行われる（文献１：F.Ren et al.,IEE
E Electron Device Lett.14,p.322,1993）。ＩｎＧａＰ
／ＧａＡｓヘテロ界面での価電子帯不連続は、ＡｌＧａ
Ａｓ／ＧａＡｓのそれよりも大きく、ベース中からエミ
ッタ中に逆注入するホール電流を低減する。すなわち、
電流利得の低下を防げる。これは特に、素子温度が高く
なると効果的である。なお、図３に示すＨＢＴでは、エ
ミッタ層１４の半導体材料をＩｎＧａＰとするため、複
数のキャップ層を設けるようにしている。

【０００７】図４は、従来の他の例である、ｎｐｎ型Ｉ
ｎＧａＰ／ＧａＡｓＨＢＴの構成を示し、（ａ）は断面
図、（ｂ）はバンドダイアグラムである。同図におい
て、２１はＧａＡｓからなるエミッタ層、２２はＩｎＧ
ａＰからなるバリア層、２３はＧａＡｓからなるベース
層、２４はＧａＡｓからなるコレクタ層、２５はＧａＡ
ｓからなるサブコレクタ層、２６はエミッタ電極、２７
はベース電極、２８はコレクタ電極である。

【０００８】図４の構造のＨＢＴは、トンネルエミッタ
型と呼ばれるものであり、ＩｎＧａＰからなるバリア層
２２は十分なトンネル電流が得られるように一定以下に
薄く、かつエミッタ・ベース耐圧が確保できるように一
定以上に厚くする必要がある。報告例では、バリア層２
２の厚さとしては２００Å程度が用いられている（文献
２：H.Leier et al.,Electron.Lett.29,p.868,1993）。
このトンネルエミッタ型ＨＢＴでは、意図的にガードリ
ング構造とはしないで、バリア層２２をベース層２３の
全面に残して、接合の保護を行うようにしている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来は以上のように構
成されていたので、以下に示すような問題点があった。
まず、図３に示したＨＢＴ構造の第１の問題は、ＩｎＧ
ａＰからなるエミッタ層１４をガードリング構造とする
ための微細加工にある。材料の特質として、ＩｎＧａＰ
のウエットエッチングは、一般的に制御性に乏しいもの
である。このため、この微細加工には、ドライエッチン
グを用いることになる。しかし、ドライエッチングの過
程では、イオン衝撃などによりＩｎＧａＰの層やＧａＡ
ｓの層にダメージが発生する。その結果、ＩｎＧａＰや
ＧａＡｓの表面／バルク中の再結合中心密度が増大し、
それがベース電流を増大したり、素子寿命を劣化させた
りする原因となりうる。

【００１０】第２の問題は、仮にガードリング構造がダ
メージを受けずに形成されたとしても、加工の制御性の
制約から、残されるガードリング部分が比較的厚くな
り、そのために、ガードリング部分に電子が注入される
電流パスが生じる点である。ここで、薄層化の必要のな
い程度にエミッタ層１４をはじめから適度に薄く形成す
るようにしても、ガードリング構造形成のためのドライ
エッチングのダメージの影響は前述と同様に残る。ま
た、ガードリング中の電流パスは完全には抑えられな
い。結局、エミッタとして機能すべくドーピング濃度と
厚さが設計されたｎ形のＩｎＧａＰ層にガードリング構
造を形成しようとする限り、接合の保護構造としてのガ
ードリングの加工が難しい。そして、ドライエッチング
のダメージが残るという問題が避けられない。

【００１１】一方、トンネルエミッタ型ＨＢＴの問題
は、第１に、バリア層２２が比較的薄いので、エミッタ
・ベース耐圧が十分でないことである。第２に、バリア
層２２上に形成した金属をこのバリア層２２を通して合
金化することでベース電極２７を形成する。このため、
その合金深さの制御が必要になるとともに、ベース層２
３との接触抵抗が必ずしも低くならない。これに対し
て、バリア層２２を薄くすれば、エミッタ容量の増大と
エミッタ・ベース耐圧の低下を招くという問題が起こ
る。

【００１２】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、微細で有効な、エミッタ
・ベース接合の保護構造を容易に形成できるようにする
ことを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明のヘテロ接合バ
イポーラトランジスタは、第１導電形のコレクタ層、こ
の上に形成された第２導電形のベース層、この上に形成
された第１導電形のエミッタ層から構成された積層構造
を含み、それぞれの層に接続する電極が設けられ、ベー
ス層がエミッタ層下の領域より延長している外部ベース
領域にこのベース層に接続する電極が形成されている。
そして、以下に示すようにして、ベース層上にスペーサ
層が形成されていることを特徴とする。まず、第１に、
そのスペーサ層は、エミッタ層にドーピングされている
不純物濃度以下の不純物濃度を有する。第２に、ベース
層の多数キャリアおよび少数キャリアに対してポテンシ
ャル障壁として働く。第３に、そのベース層の多数キャ
リアに対するポテンシャル障壁はエミッタ層のポテンシ
ャル障壁よりも高く、エミッタ層の多数キャリアに対し
ては１００ｍｅＶ以下の障壁として働く。第４に、ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタの動作状態では空乏化す
る。また、このスペーサ層は、そのバンドギャップエネ
ルギーがエミッタ層側ほど大きいことを特徴とする。そ
して、そのスペーサ層は、そのバンドギャップエネルギ
ーがベース層側よりエミッタ層側に向かって階段的に増
大していることを特徴とする。

【００１４】

【作用】スペーサ層は、ベース層の多数キャリアに対し
てエミッタ層よりポテンシャル障壁が高く、かつエミッ
タ層の多数キャリアに対してはほとんど障壁とならない
ので、トランジスタの動作に大きな変化を起こすことが
ない。そして、このスペーサ層は、ベース層の多数キャ
リアキャリアおよび少数キャリアに対してポテンシャル
障壁として働くので、ベース層が露出する場合に比べて
表面再結合を抑えられる．

【００１５】

【実施例】まず、この発明の実施例を説明する前に、発
明の概要について説明する。この発明においては、ＨＢ
Ｔ構造に、エミッタ層あるいは接合のバリア層としては
機能せず、一方で、ベース層の表面保護としては有効に
働く「スペーサ層」を新たに導入するようにしたところ
に特徴がある。そして、このベース層に隣接するスペー
サ層が、注入電流の制御に直接寄与していない点が特徴
である。

【００１６】以下この発明の１実施例を図を参照して説
明する。実施例１．図１は、この発明の１実施例であるｎｐｎ型
のＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴの構成を示す断面図
（ａ）とバンドダイアグラム（ｂ）である。同図におい
て、１はＧａＡｓからなるエミッタキャップ層、２はＡ
ｌの組成比がエミッタキャップ層１側より徐々に増大し
ていく組成傾斜したＡｌＧａＡｓからなるエミッタキャ
ップ層である。また、３はＡｌＧａＡｓからなるエミッ
タ層、４はＩｎＧａＰからなるスペーサ層、５はＧａＡ
ｓからなるベース層、６はＧａＡｓからなるコレクタ
層、７はＧａＡｓからなるサブコレクタ層、８はエミッ
タ電極、９はベース電極、１０はコレクタ電極である。

【００１７】この、スペーサ層４は、ドーピング濃度を
エミッタ層３よりも十分に低くし、その膜厚を１００Å
程度以下に薄くして動作状態では空乏化下状態となるよ
うにする。また、このスペーサ層４は、ベース層５の多
数キャリアおよび少数キャリアに対してはポテンシャル
障壁として働き、エミッタ層３の多数キャリアに対して
はポテンシャル障壁が１００ｍｅＶ以下とほとんどない
状態とする。そして、この実施例の構造では、エミッタ
層３の一部を加工したガードリング構造は形成せず、ベ
ース層５の表面保護層としてスペーサ層４をベース層５
全域に形成するようにした。

【００１８】ここで、ベース層５のエミッタ層３下より
はみ出ている部分（外部ベース）のバンドエネルギー状
態は、この層の結晶の構造やドーピング構造だけでは決
まらない。ここで問題となるのは、表面の電荷である。
表面準位密度が高いと、外部ベース表面の準位に蓄積さ
れるプラス電荷（ｎｐｎ型の場合）は、表面のバンドエ
ネルギーを下げる働きをする。この結果、外部ベースの
表面には、電子にとってポテンシャルの低い部分（電子
チャネル）が形成される。これらが注入電子のリークパ
スであり、過剰ベース電流の原因となる。

【００１９】これに対して、スペーサ層４に用いられて
いるＩｎＧａＰは、ＧａＡｓとの伝導帯不連続がＡｌＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓの場合よりも小さく、かつＧａＡｓと
の価電子帯不連続がＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓの場合より
十分に大きい。そして、スペーサ層４は、材料的にも、
ＧａＡｓからなるベース層５や、ＡｌＧａＡｓからなる
エミッタ層３よりも、表面準位密度が低いという特徴が
ある。そして、このスペーサ層４は、ベース層５のキャ
リアに対してポテンシャル障壁として働くので、表面再
結合を防ぐことができる。

【００２０】ところで、前述した従来の構造（図３）で
も、ＧａＡｓからなるベース層１５上にＩｎＧａＰから
なるエミッタ層１４があり、そしてこの上にＡｌＧａＡ
ｓからなるエミッタキャップ層１３が形成された構成と
なっている。すなわち、ＧａＡｓ（ベース層）−ＩｎＧ
ａＰ−ＡｌＧａＡｓの層構成となっており、この実施例
のからなるエミッタ層３（ＡｌＧａＡｓ），スペーサ層
４（ＩｎＧａＰ），ベース層５（ＧａＡｓ）の構成と類
似している。しかし、図３に示す構造では、電子注入を
制御するエミッタ層１４はＩｎＧａＰであり、この層の
一部に動作状態で中性領域、すなわち空乏化する領域が
残る点で、前述したこの実施例の構造とは全く異なる。

【００２１】図３に示す構造では、ＩｎＧａＰからなる
エミッタ層１４がエミッタとして機能すること、すなわ
ちトランジスタを構成するエミッタの電位がこのエミッ
タ層１４の部分で規定されることを意図している。この
ため、中性部分が存在すること、すなわちキャリアが存
在することが本質的に必要なこととなり、この実施例の
構造とは全く異なることになる。また、前述した従来の
トンネルエミッタ型ＨＢＴ（図４）では、バリア層２２
に一定以上の厚さが必要であり、また、このバリア層２
２が注入電流を制御している。

【００２２】このことに対し、この実施例におけるスペ
ーサ層４（図１）は、より薄い状態とし、また、注入電
流の制御に直接寄与しない。この実施例におけるスペー
サ層４のエミッタ層３下よりはみ出している領域（外部
ベース）での役割は、ＧａＡｓからなるベース層５の表
面準位密度の低減が主目的である。スペーサ層４は、動
作状態で空乏化するように薄くしてあるが、その表面準
位密度の低減は達成される。そして、このように、スペ
ーサ層４が薄いので、「ガードリング中のポテンシャル
サドルポイント」に起因する電流パスを断つことができ
る。そして、有限の表面空間電荷によるベース層５表面
のバンドベンディングが小さくなり、ベース層５の表面
チャネルに蓄積されるキャリア濃度を抑制することがで
きる。

【００２３】実施例２．図２（ａ）は、この発明の他の
実施例であるＨＢＴの構成を示すバンドダイアグラムで
ある。同図において、３１はＡｌＧａＡｓからなるエミ
ッタ層、３２はＡｌＧａＩｎＰからなりＡｌの組成比が
エミッタ層３１側ほど高くなっているスペーサ層、３３
はＧａＡｓからなるベース層である。スペーサ層３２は
Ａｌの組成比がエミッタ層３１側で増大するバンドギャ
ップ・プロファイルをとるようにしているので、この中
では電子に対する加速電界が生じる。このため、エミッ
タ層３１から注入され、ベース層３３中で後方散乱によ
り逆戻りした電子の一部が、エミッタ層３１とスペーサ
層３２の界面に蓄積するのを防ぐことができる。

【００２４】実施例３．図２（ｂ）は、この発明の第３
の実施例である、ｎｐｎ型のＨＢＴの構成を示すバンド
ダイアグラムである。同図において、４１はＡｌＧａＡ
ｓからなるエミッタ層、４２はＡｌＧａＩｎＰからなる
エミッタ層４１側のスペーサ層、４３はＧａＩｎＰから
なるスペーサ層、４４はＧａＡｓからなるベース層であ
る。この実施例においては、エミッタ層４１側のスペー
サ層４２の方がバンドギャップが大きく、スペーサ層４
２，４３の厚さが、ポテンシャルノッチができないよう
に十分薄いものとなっている。このため、エミッタ層４
１から注入され、ベース層４４中で後方散乱により逆戻
りした電子の一部が、エミッタ層４１とスペーサ層４２
の界面に蓄積するのを防ぐことができる。

【００２５】なお、上記実施例においては、ｎｐｎ型Ａ
ｌＧａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴに関して説明したが、これ
に限るものではない。例えば、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｓＨＢＴであってもよく、他のＨＢＴであってもよ
い。また、ｐｎｐ型のＨＢＴにも適用できる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、ベース層の多数キャリアおよび少数キャリアに対し
てポテンシャルバリアとして働き、そのベース中の多数
キャリアに対するポテンシャル障壁はエミッタ層より高
く、同時にエミッタ層の多数キャリアに対してはポテン
シャル障壁がほぼ無く、動作状態では空乏化する状態と
したスペーサ層をベース層上に形成するようにした。こ
のため、トランジスタのバイアス条件は、通常のＨＢＴ
と基本的には同一であるものの、過剰ベース電流の低減
と、素子加工の点で、以下に示すような優れた効果があ
る。

【００２７】まず、スペーサ層は動作状態では空乏化す
るように薄く、また、このように薄くても、ベース層の
多数キャリアおよび少数キャリアに対してポテンシャル
バリアとして働き、外部ベースにおける表面再結合を低
減することができる。このように、スペーサ層が薄いの
で、従来の構造に見られる「ガードリング中のポテンシ
ャルサドルポイント」に起因する電流パスを断つことが
できる。これは、結果的には、エミッタ層下よりはみ出
している外部ベース上の表面チャネルに注入キャリアが
流れ込むのを防ぐものであり、過剰ベース電流を低減さ
せる。また、スペーサ層が薄いことにより、有限の表面
空間電荷によるベース層表面のバンドベンディングが小
さくなり、ベース層の表面チャネルに蓄積されるキャリ
ア濃度を低減させる。これは、表面再結合を抑えること
になり、やはり過剰ベース電流を低減する。

【００２８】そして、ガードリング構造を設けないの
で、加工マージンが大きくなり、ベース電極をエミッタ
メサに近接させて形成することがでる。このため、ベー
ス抵抗を低減するとともに、ベース・コレクタ接合面積
を縮小し、コレクタ容量の低減を図ることができる。以
上のことは、ＨＢＴを用いた集積回路の高速化および低
電力化に寄与するものである。また、スペーサ層が存在
しても、エミッタ層はドーピング濃度や厚さを通常のＨ
ＢＴ構造とほぼ同様に設定できるので、必要十分なエミ
ッタ・ベース耐圧が得られる。

【００２９】また、スペーサ層のバンドギャップエネル
ギーをエミッタ側ほど大きくなるようにしたので、この
中では電子に対する加速電界が生じる。このため、エミ
ッタ層から注入され、ベース層で後方散乱により逆戻り
した電子の一部が、エミッタ層とスペーサ層の界面に蓄
積するのを防ぐことができる。また、スペーサ層に、Ｉ
ｎＡｌＧａＰやＩｎＧａＡｓＰを用いるようにしたの
で、外部ベースにおける表面準位密度をより低減するこ
とができ、上述した効果をより発揮するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の１実施例であるｎｐｎ型のＡｌＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓＨＢＴの構成を示す断面図（ａ）とバ
ンドダイアグラム（ｂ）である。

【図２】この発明の他の実施例であるＨＢＴの構成を
示すバンドダイアグラムである。

【図３】従来の典型的なｎｐｎ型ＩｎＧａＰ／ＧａＡ
ｓＨＢＴの構成を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）はバン
ドダイアグラムである。

【図４】従来の他の例である、ｎｐｎ型ＩｎＧａＰ／
ＧａＡｓＨＢＴの構成を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）
はバンドダイアグラムである。

【符号の説明】

１…エミッタキャップ層、２…エミッタキャップ層、３
…エミッタ層、４…スペーサ層、５…ベース層、６…コ
レクタ層、７…サブコレクタ層、８…エミッタ電極、９
…ベース電極、１０…コレクタ電極。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１導電形のコレクタ層、この上に形成
された第２導電形のベース層、この上に形成された第１
導電形のエミッタ層から構成された積層構造を含み、そ
れぞれの層に接続する電極が設けられ、前記ベース層が
エミッタ層下の領域より延長している外部ベース領域に
このベース層に接続する電極が形成されたヘテロ接合バ
イポーラトランジスタにおいて、前記ベース層上全面に形成されたスペーサ層を有し、このスペーサ層は、前記エミッタ層にドーピングされている不純物濃度以下
の不純物濃度を有し、前記ベース層の少数キャリアおよび多数キャリアに対し
てポテンシャル障壁として働き、前記ベース層の多数キャリアに対するポテンシャル障壁
は前記エミッタ層のポテンシャル障壁よりも高く、前記
エミッタ層の多数キャリアに対しては１００ｍｅＶ以下
の障壁として働き、前記ヘテロ接合バイポーラトランジスタの動作状態では
空乏化するように形成されたことを特徴とするヘテロ接
合バイポーラトランジスタ。
【請求項２】請求項１記載のヘテロ接合バイポーラト
ランジスタにおいて、前記スペーサ層は、そのバンドギャップエネルギーが前
記エミッタ層側ほど大きいことを特徴とするヘテロ接合
バイポーラトランジスタ。
【請求項３】請求項１記載のヘテロ接合バイポーラト
ランジスタにおいて、前記スペーサ層は、そのバンドギャップエネルギーが前
記ベース層側より前記エミッタ層側に向かって階段的に
増大してい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。
【請求項４】請求項１から３いずれか１項記載のヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記エミッタ層はｎ形のＡｌＧａＡｓで構成し、前記ス
ペーサ層はＩｎＡｌＧａＰで構成したことを特徴とする
ヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項５】請求項１から３いずれか１項記載のヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記エミッタ層はｎ形のＩｎＡｌＧａＡｓで構成し、前
記スペーサ層はＩｎＧａＡｓＰで構成したことを特徴と
するヘテロ接合バイポーラトランジスタ。