JPS59227161A - バイポ−ラトランジスタ - Google Patents

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】 技術分野 本発明は一般的にはたとえばエミッタ、ベース又はコレ
クタである傾斜領域を有するバイポーラヘテロ接合トラ
ンジスタに係る。

本発明の背景 マイクロ波及び論理デバイスのような高速用によシ適す
るように、バイポーラデバイスの動作特性を改善するた
めの多くの提案がされてきた。

そのような提案の一つは、ワイドギャップ・トランジス
タで、それについては、た吉えばアール・シー・ニー・
レビュー、（ＲＣＡＲｅｖｉｅｗ　）　　１８．３３２
−３４２頁、１９５７年９Ａに述べられている。広禁制
帯エミッタを有するトランジスタは、禁制帯がベース′
碩域より大きいエミッタ領域を有する。ワイドバンドギ
ャップエミッタ・トランジスタの本質的な特徴は、エミ
ッタ領域とベース領域間である。抑える結果、ライトノ
１ンドキヤツプ・トランジスタはエミッタ及びベース領
域中で一定の禁制帯を有するトランジスタより、高い注
入効率をもつ。従って、ベース領域はエミッタ領域より
、高濃度にドープしてもよい。その結果、デバイスは一
定の禁制帯トランジスタより低いベース抵抗とエミッタ
ーベース容量の両方をもつ。これらの両方の・特性は高
周波動作に対して望ましいが、いずれも高エミツタ注入
効率には悪影響を与えない。

広禁制帯エミッタを有するトランジスタは、一般にヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタとよばれ、たとえば金属
半導体電界効果トランジスタ以−トのいくつかの利点を
有する。

クレーマ（Ｋｒｏｅｍｅｒ　）によるアール・シー・エ
イ・レビ’：ｌ　　（ＲＣＡ　Ｒｅｖｉｅｗ　）　　中
の上で述べた論文はまだ、トランジスのベース領域中に
、擬電界を導入するという考えについて述べている。擬
電界は電子及び正孔に等しくない力を生じる電界である
。擬電界は結晶性の不均一さから生じ、傾斜禁制帯ベー
ス領域をもだせることにより導入すると便利である。擬
電界はベース領域中の少数キャリヤの遷移時間を減じ、
デバイス動作速度を増す。

バイポーラトランジスタの動作特注を増すための各種の
方法が知られているが、更に動作特性を改善する必要が
ある。これは本発明により、達成される。

本発明の要約 広禁制帯エミッタ領域とトランジスタの３つの領域の少
くとも１つの中のキャリヤ輸送特性を変えるだめの手段
から成るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、望まし
い特注を有することを見出した。

詳細な記述 本発明に従うデバイスの一実施例が、第１図に断面で描
かれている。描かれている実施例は基板１、バッファ層
３、コレクタ領域５、ベース領域７、エミッタ領域９、
電極領域１１、それぞれコレクタ、ベース、及びエミッ
タ領域に作られた電極１３．１５及び１γから成イ）。

この実施例のコレクタ及びエミッタ領域は、ｎ形伝導形
でベース領域はｐ形伝導形である。エミッタ領域はベー
ス領域より広い禁制帯を有し、ベース領域はエミッタ領
域に隣接した第１の値から、コレクタ領域に隣接した第
２のより小さな値まで傾斜した禁制帯をもつ。第１の値
はエミッタ領域のバルク中の禁制帯より小さく、第２の
値はベース−コレクタ界面におけるコレクタ領域の禁制
帯より大きくてもよい。

コレクタ領域は更に、キャリヤ輸送特性を変える手段か
ら成る。すなわち、イオン化したドナ及びアクセプタの
二つのきわめて薄い。

領域５１（第１図中に破線で示されている）から成り、
そのような薄い領域は、一般的に゛重荷シート″として
知られている。ベースに般も近い領域５１は、ベースと
同じ伝導形ケ有するべきで、一方遠く離れだ領域は相対
する伝導形をもつべきである。エミッタ領域は更にキャ
リヤ輸送特注を変えるだめの手段、すなわち二つの領域
９１及び９３から１茂る。

ベース領域に隣接した領域９１は、比較的需距離で傾斜
し、一方領域９３は一定の組成をもつ。電極領域１１は
エミッタに隣接しだ層１１１及び１１３から成る。前者
はオーム性電極の形成を容易にするために、傾斜禁制帯
をもってもよい。

実施例において、基板はｎ十又は半絶縁性ガリウムひ素
から成り、ｎ形バッファ層は約２　Ｘ　Ｉ　Ｏ’Ｖ　ｃ
ｒｌの濃度にドープされたカリウムひ素から成り、１．
５μｍ　の厚さであった。ガリウムひ素のｎ形コレクタ
領域は、約５Ｘ］Ｏ＋’／　ｃ４の濃度にドープされ、
５０００オングストロームの厚さであった。ｐ形ベース
領域は約４０００オンゲスドームの距離に渡って、Ｇａ
Ｏ，９８Ａｔ　Ｏ，０２ＡｓからＧａ　□、Ｂ　Ａｌ　
□、２　Ａｓ　ｉで傾斜しており、２　Ｘ　１０１８／
　ｃｒｌの濃度にドープされていた。この禁制帯の傾斜
は、約５．６　ＫＶ／　ｃｍの電界に対応した。ベース
に隣接しんｎ形エミッタ領域９１は、Ｇａ　□、６５　
Ａｌ　□、３５　Ａｓからベース付近のＧａ　ｏ、Ｂ　
Ａｌ　□、２　Ａｓ　　ｉで、約５００　　オングスト
ロームの距離に渡って、傾斜し、２　Ｘ　ｌ　Ｏ１６／
　ｃｄＩの濃度のドーピングを有した。エミッタ領域９
３はＧａＯ，６５”　０．３５　ＡＳから成１）、３０
００オングストロームの厚さで、２　Ｘ　Ｉ　Ｏ＋６／
ｃａのドーピング濃度を有した。電極領域１１３はＧａ
　Ａｓから成シ、領域１１１はＧａ　ＡｓからＧａ　□
、６’５　Ａｌ　□、３５　Ａｓまで傾斜していた。厚
さはそれぞれ１０００及び５００オングストロームであ
った。ドーピング濃度は２　Ｘ　１０ＩＶｅｒ＆であっ
た。

他の化合物半導体もまた、用いることができる。たとえ
ば、領域はＡｔ　Ｉｎ　Ａｓ　／　Ｇａ　Ｉｎ　Ａｓか
ら成ってもよい。別の実施例において、エミッタは５　
Ｘ　Ｉ　０１７／ｃｒｌのビーパン１〜ａ度を有するＡ
ｌ　□、４　Ｂ　Ｉｎ　□、５２　Ａｓから成り、コレ
クタは５　Ｘ　Ｉ　Ｏ”／　ｔｒｉのドーパント濃度を
有す゛るｎ形Ｇａ　□、４７　Ｉｎ　□、５３　Ａｓか
ら成った。ベースは５　Ｘ　］　Ｏ”／　ｔｒｉのドー
パント濃度を有するｐ形Ｇａ　Ｉｎ　Ａｓ　　から成っ
た。ベース及びコレクタ幅はそれぞれ２５００及び５０
０オングストロームであった。傾斜エミッタから成る実
施例は、一定の禁制帯”　０．４８　”　０．５２　Ａ
ｓ　ｉｊＪ域に加えて、６００　オングストローム１享
のＧａ　ＡｌＩｎＡｓから成る傾斜四元エミツタ層を有
した。

ｐ−ｎ−ｐトランジスタを製作してもよいことを理解す
べきである。エピタキシャル層は絶縁性又は半絶縁性基
板上に成長させてもよいことが、容易に理解できよう。

ここで示したＡＩ　Ｑａ　Ａｓ　／　Ｇａ　Ａｓ　トラ
ンジスタは１．６　ｍＡ　のベース電流で約３５の最大
電流利得を有した。そのような電流利得は優れ、でおり
、約％のエミッタベース禁制帯差及び最近の技術のＡＩ
　Ｇａ　Ａｓ　／　Ｇａ　Ａｓヘテロ接合バイポーラト
ランジスタの約％のエミッタ、ドーピングレベルで得ら
れるものであった。ここで述べた構造は、広禁制帯エミ
ッタ及び傾斜禁制帯ベーストランジスタの両方の利点を
組合わせている。

利点すなわち傾斜領域９１から生じるキャリヤ輸送特性
の改善については、以下の点を考察することから、より
よく理解できるであろう。領域９１中に傾斜がないと、
−伝導帯スパイクがある。しかし、領域９１の傾斜によ
り、禁制帯差の鍮とんどけ価電子帯間の差になる。傾斜
エミッタ領域の幅は、対象となる動作直圧において、エ
ミッタ側の空乏層幅におおよそ等しい。それによりター
ンオン電圧が最小になり、正孔閉じ込めが最大になり、
従って注入効率がよシ高くなるため、このことは望まし
い。

第１図のデバイスのエネルギー帯図が、平衡条件（注入
なし）下で第２図に示されており、エミッタ、ベース及
びコレクタ領域はそれぞれＥ、Ｂ、Ｃと示されている。

伝導帯及び１ＩＩＩｉ電子帯はそれぞれＥｃ及びＥｖ　
　と記されており、フェルミ準位は破線ＥＦで示されて
いる。

急峻なエミッタ及び傾斜禁制帯エミッタを有するトラン
ジスタに対するエネルギー帯が、それぞれ第３図及び第
４図に描かれている。

ベース領域は一定の禁制帯を有するように描かれている
が、ベース領域は、また傾斜禁制帯をもってもよいこと
が、容易に理解できよう。エミッタ、ベース及びコレク
タ頭載は、それぞれＥ、Ｂ、及びＣで記さ′れている。

伝導帯及び価電子帯はそれぞれＥｃ及びＥＶで示されて
おり、フエ、ルミレベルはＥＦとｈ己された破線で表さ
れている。

明らかに、エミッタ領域中の傾斜により、エミッターベ
ース接合における伝導帯の段差は、移動する。これによ
り順方向バイアス注入下で、エミッターベース価電子帯
差は、より大きくなる。

（Ａｌ、　Ｉｎ　）　Ａｓ　／　（Ｇａ　、　Ｉｎ　）
　Ａｓ　　系中の急峻エミッタの有用性は、（Ａｌ、　
Ｇａ　）　Ａｓ　／Ｇａ　Ａｓ系中よシも大きい。後者
の系における価電子帯の不連続は、正孔注入を抑えるに
は小さすぎ、一方前者の系においては十分太きいため、
このことは正しい。

他の実施例も可能である。たとえば、ベース領域に隣接
したエミッタ領域は、故意にはドープされていない直性
領域すなわちｉ影領域から成ってもよい。この構成にお
ける傾斜は、ｉ影領域の距離に渡る。傾斜は直線的でよ
い。しかし、空乏層幅の逆関数の傾斜の方が、より良い
結果が得られるであろう。このエミッタ構造の利点は、
エミッターベース界面に伝導帯スパイクが存在するとと
′を思い出すことにより、より理解できる。伝導帯電位
は、傾斜領域中の電子親和力差及びｐ−ｎ接合中の空間
電荷による静電ポテンシャルの両方が原因である。電子
親和力は組成に対し直線的に変化するが、静電ポテンシ
ャルは空間電荷領域により、放物線的な形をもつ。得ら
れる伝導帯の形は、エミッターベース界面で電子音トラ
ップできる。言いかえると、名目的なｐ−ｎ接、合の場
合、伝導帯スパイクの高さは、傾斜によシ減るか、完全
には取り除かれない。しかし、エミッタ中に１領域を導
入することによシ、接合中の静電荷によって、電位的に
直線的な電荷が生じる。これによって伝導帯スパイクが
除かれ、より高いβをもつトランジスタができる。

個々の層は電子のトンネル距離よりは、小さく保つべき
である。この制限は電子を個々の層中に完全には閉じ込
めてはならないことのだめに課せられる。Ａｔ　Ｇａ　
Ａｓ層の場合、層は厚さを約３０オングストローム以下
にずべきである。すると、電子は伝導帯及び同程度の平
均組成をもつ無秩序合金の電位にほぼ等しい価電子帯中
で、平均的な電位を感じる。

なお別の実施例において、ここで述べたコレクタ領域は
、キャリア輸送特性を変える手段から成るように、更に
修正してもよい。すでに述べたように、コレクタ領域は
高キャリヤ速度を得るために、交互に止及び負電荷すな
わちドナ及び７クセプタ領域となったシートから成って
もよい。ベース−コレクタ電圧を適当に選ぶことにより
、コレクタ領域中でくり返し速度オーバーシュートが生
じる。単一のダイポールすなわち一つの正及び負電荷シ
ートは、ベース−コレクタ接合から数百オングストロー
ムのところに置いてもよい。もし、σがドーピング濃度
、ｄが電荷シート間の距離ならば、伝導帯中の電位段差
はｅσｄ／εで、εは誘電定数である。伝導帯中の電位
段差は、谷間距離を越えてはならない。単一領域は、ベ
ースの伝導形とは相対する形をもつものを用いてもよい
。

電子がダイポール頭載に入ると、それらは急速な加速を
経験し、エネルギー及び速度は本質的に弾道的に移動す
る。典型的な構造において、コレクタ領域は約５０００
オングストロームの厚さをもち、ダイポールはベース−
コレクタ接合から約１００　オングストロームに置かれ
、σは約６　Ｘ　１０”／　ｃｒｌで、ｄは約２００　
オングストロームである。

別の実施例において、コレクタ領域はキャリヤ速度を増
すため、傾斜した禁制計ヲもたせてもよい。加えて、コ
レクタ領域には伝導帯不連続があってもよく、それはキ
ャリヤ速度を増す。これは多数の傾斜禁制イ１；・領域
により、実現される。傾斜はベース付近の低禁制帯から
、ベースから離れた高禁制帯までである。更に、傾斜禁
制帯ベース領域中のキャリ１アの走行時間は、非傾斜ベ
ース領域ケもつ同程度のトランジスタと同じ値に保ち、
しかしベース領域を厚く、従ってベース抵抗を下げても
よい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う−デバイスの断面図、第２図は第
１図に描かれたデバイスのエミッタ、ベース及びコレク
タ領域のエネルギー帯図、 第３及び４図は本発明に従う二つのデバイスの例におけ
るエミッタ、ベース及びコレクタ領域のエネルギー帯図
である。 〔主要部の符号の説明〕 コレクタ領域−・・・−−−−・・・５ベース領域・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・１エミツタ領域・
・・・・・・・・・・・・・・９電極・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・１３，１
５．１１電荷シート・・・・・・・・・・・−・・・・
・・・・５１イオン化領域・・・・・・・・・・・・・
・・・・・５１眞性伝導形を有する領域・・・・・・９
１１頁の続き ＠Ｒ明　者　ジョン・ロバートーハイエスアメリカ合衆
国０７０６２ニュージ ャーシイ・プレインフィールド ・アパートメント８デー・イー スト・フロント・ストリート１２ ７ ０発　明　者　ロジャー・ジョン・マリツクアメリカ合
衆国０７９０１ニユージ ヤーシイ・サミット・リッジゾ ール・アヴエニュー２３ ＠発明者ヒエール・マーク・ペトロフ アメリカ合衆国０７０９０ニュージ ャーシイ・ウェストフィールド ・フェア・ヒル・ロード３４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　第１の伝導形及び第１の禁制帯を有するエミッタ領
   域と、第２の伝導形及び第２の禁制帯を有するベース領
   域と、第１の伝導形を有するコレクタ領域と、前記領域
   の各々に設けられた電極とから成シ、前記第１の禁制帯
   は前記第２の禁制帯より大きく、前記領域の少くとも一
   つは、キャリヤ輸送特性を変えるだめの手段を含むこと
   を特徴とするバイポーラトランジスタ。 ２、特許請求の範囲第１項に記載されたトランジスタに
   おいて、 前記キャリヤ輸送特性を変える手段は前記ベース領域に
   隣接した前記エミッタ領域中の傾斜禁制帯領域から成る
   ことを特徴とするバイポーラトランジスタ。 ３、特許請求の範囲第２項に記載されたトランジスタに
   おいて、 前記傾斜領域は前記トランジスタが所望の動作電圧にバ
   イアスされた時、空乏領域全体に延びることを特徴とす
   るバイポーラトランジスタ。 ４、特許請求の範囲第１項に記載されたトランジスタに
   おいて、 前記キャリヤ輸送特性を変える手段は前記エミッタ領域
   中にあシ、前記ベース領域に隣接した直性伝導形を有す
   る領域から成ることを特徴とするバイポーラトランジス
   乞５、特許請求の範囲第４項に記載されたトランジスタ
   において、 直性伝導形を有する前記領域は、傾斜禁制帯を有するこ
   とを特徴とするバイポーラトランジスタ。 ６、特許請求の範囲第１項に記載されたトラ前記キャリ
   ヤ輸送特性を変える手段は少くとも一つの電荷シートか
   ら成ることを特徴とするバイポーラトランジスタ。 ７　特許請求の範囲第６項に記載されたトランジスタに
   おいて、 前記キャリヤ輸送特性を変える手段は更に少くとも二つ
   の電荷シートから成り、前記シートは相対する伝導形を
   有することを特徴とするバイポーラトランジスタ。 ８、特許請求の範囲第１項に記載されたトランジスタに
   おいて、 前記コレクタ領域は更に前記キャリヤ輸送特性を変える
   手段から成シ、前記キャリヤ輸送特性を変える手段は傾
   斜禁制帯から成ることを特徴とするバイポーラトランジ
   スタ。 ９　特許請求の範囲第１項に記載されたトラ記キャリヤ
   輸送特注を変える手段は変化する組成と傾斜禁制帯を有
   する複数の層から成ることを特徴とするバイポーラトラ
   ンジスタ。 １０　　特許請求の範囲第９項に記載されたトランジス
   タにおいて、 前記複数の層は第２の化合物半導体の第２の複数の層に
   はさまれた第１の化合物半導体の第１の複数の層から成
   り、前記複数の層の一層のみがドープされることを特徴
   とするバイポーラトランジスタ。 １１、特許請求の範囲第２．３又は４項いずれかに記載
   されたトランジスタにおいて、前記コレクタ領域は更に
   前記キャリヤ輸送特注を変える手段から成り、前記キャ
   リヤ輸送特性を変える手段は前記ベース領域と相対する
   伝導形を有する少くとも一つのイオン化領域から成るこ
   とを特徴とするバイポーラトランジスタ。 １２、特許請求の範囲第１１項に記載されたトランジス
   タにおいて、 第２のイオン化領域が更に含まれ、前記第２の領域は前
   記第１の領域より、前記ベース領域の近くにあり、前記
   ベース領域の伝導形を有することを特徴とするバイポー
   ラトランジスタ。 １３、特許請求の範囲第２．３又は４項いずれかに記載
   されたバイポーラトランジスタにおいて、 前記第３の領域は更に前記キャリヤ輸送特性を変える手
   段から成り、前記キャリヤ輸送特性を変える手段は複数
   の傾斜禁制帯領域から成り、前記領域は前記ベース領域
   付近の低禁制帯から、前記ベース領域から離れた高禁制
   帯まで傾斜していることを特徴とするバイポーラトラン
   ジスタ。 １４、特許請求の範囲第２．３又は４項いずれかに記載
   されたトランジスタにおいて、前記ベース領域は前記キ
   ャリヤ輸送特性を変える手段から成り、前記キャリヤ輸
   送特性を変える手段は変化する組成及び一つの禁制帯を
   有する複数の層から成ることを特徴とするバイポーラト
   ランジスタ。 １５、特許請求の範囲第２．３又は４項いずれかに記載
   されたトランジスタにおいて、前記複数の層は第２の化
   合物半導体の第２の複数の層ではさまれた、第１の化合
   物半導体の第１の複数の層から成シ、前記複数の層の一
   つだけがドープされることを特徴とするバイポーラトラ
   ンジスタ。 １６、特許請求の範囲第９又は１０項に記載されたトラ
   ンジスタにおいて、 前記コレクタ領域は更に前記キャリヤ輸送特性を変える
   手段から成り、前記キャリヤ輸送特性を変える手段は少
   くとも一つの電荷シートから成ることを特徴とするバイ
   ポーラトランジスタ。 １７、特許請求の範囲第９又は１０項に記載されたトラ
   ンジスタにおいて、 前記コレクタ領域は前記キャリヤ輸送特性を変える手段
   から成り、前記キャリヤ輸送特性を変える手段は傾斜禁
   制帯から成ることを特徴とするバイポーラトランジスタ
   １８　　特許請求の範囲第１項に記載されたトランジス
   タにおいて、 前記領域のそれぞれは前記キャリヤ輸送特性を変える手
   段から成ることを特徴とするバイポーラトランジスタ。 １９、特許請求の範囲第１項に記載されたトランジスタ
   において、 前記領域はＩＴ　−ＶＩ族及びＩＩＩ　−Ｖ族化合物半
   導体から成る類から選択された半導体材料で作られるこ
   とを特徴とするバイポーラトランジスタ。 ２、特許請求の範囲第１９項に記載されたトランジスタ
   において、 前記材料はＩＶ　−Ｖ族半導体から成る類から選択され
   ることを特徴とするバイポーラトランジスタ。 ２、特許請求の範囲第２０項に記載されたトランジスタ
   において、 前記ロＩ−Ｖ材料はＡｔ　Ｉｎ　Ａｓ、Ｇａ　Ｉｎ　Ａ
   ｓ及び、４／　Ｇａ　Ａｓから成る類から選択されるこ
   とを特徴とするバイポーラトランジスタ。 ２、特許請求の範囲第９項に記載されたトランジスタに
   おいて、 前記第１及び第２の複数の層の厚さの比は、変えられる
   ことを特徴とするバイポーラトランジスタ。 ２、特許請求の範囲第２２項に記載されたトランジスタ
   において、 前記層はキャリヤのトンネル距離より小さい厚さを有す
   ることを特徴とするバイポーラトランジスタ。 ２、特許請求の範囲第１６項に記載されたトランジスタ
   において、 前記エミッタ領域中に前記キャリヤ輸送特性を変える手
   段が更に含まれ、前記キャリヤ輸送特性を変える手段は
   前記ベース領域に隣接した傾斜禁制帯領域から成ること
   を特徴とするバイポーラトランジスタ。 ２、特許請求の範囲第１７項に記載されたトランジスタ
   において、 前記エミッタ・置載中に前記キャリヤ輸送特注を変える
   手段が更に含まれ、前記キャリヤ輸送特性を変える手段
   は前記ベース領域に隣接した傾斜禁制帯領域から成るこ
   とを特徴とするバイポーラトランジスタ。 ２、特許請求の範囲第１６項に記載されたトランジスタ
   において、 前記エミッタ領域中に前記キャリヤ輸送特性を変える手
   段が更に含まれ、前記キャリヤ輸送特性を変える手段は
   直性領域及び第２の伝導形の領域から成ることを特徴と
   するバイポーラトランジスタ。 ２、特許請求の範囲第１７項に記載されたトランジスタ
   において、 前記エミッタ領域中に前記キャリヤ輸送特性を変える手
   段が更に含まれ、前記キャリヤ輸送特性を変える手段は
   直性領域及び第２の伝導形を有する領域から成ることを