JPS6052055A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JPS6052055A
JPS6052055A JP58159815A JP15981583A JPS6052055A JP S6052055 A JPS6052055 A JP S6052055A JP 58159815 A JP58159815 A JP 58159815A JP 15981583 A JP15981583 A JP 15981583A JP S6052055 A JPS6052055 A JP S6052055A
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JP
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emitter
collector
base
semiconductor
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JP58159815A
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Toshio Baba
寿夫 馬場
Takashi Mizutani
隆 水谷
Masaki Ogawa
正毅 小川
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
Nippon Electric Co Ltd
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Publication date
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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】 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。
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ｗｉｄｅ　−ｇａｐ　ｘミッタ（ＷＧＦ３）　を有す
るバイポーラＱトランジスタがある。これは通常のホモ
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。
ｉ＋）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ＷＧＥバイポーラ−トランジスタでは前
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１図に従来構造のＷＧＢバイポーラ・トランジスタの
模式的断面図を示す。第１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は該コレクタ層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ツタ層、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はエミツタ層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１×１０１８ｃＩＩＬ−３程度のｎ＋−ＧａＡｓ、コ
レクタ層２としてドナー濃度がＩ　ＸＩＯ”ｃｍ　３程
度のｎ−ＧａＡｓ　ｓベース層３としてアクセプタ濃度
がＩ　ＸＩＯ”儂−３程度のｐ＋−龜Ａｓ、エミツタ層
４としテＶｔ−１１度カ５Ｘ１０”ｃＩｃ３程度のｎ　
−Ａｌｌ　ｏ３Ｇａ　ｏ７Ａｓ　を用い、このバンド構
成を示す第２図を用いて説明する。
第２図は第１図のエミッタ層、ベース層、コレクタ層に
わたる模式的なバンド構造を示したものである。第１図
と同じ番号のものは第１図と同等物で同一機能を果すも
のであり、ＥＣは伝導帯幅、Ｅｒは充満帯幅、ＥＦはフ
ェルミ準位、ｖＥＢはエミッタ・ベース間の電圧、ＶＢ
Ｃはベース・コレクタ（３） 間の電圧である。
エミッタ・ベース間にはＶＥＲの順方向バイアスをし、
ベース・コレクタ間にはＶＢｅ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ｖＥｎ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、ＷＧＥバイポ
ーラトランジスタではエミッタとベースとの間に）Ｊ　
ｏ、ｓ　Ｇａ　Ｏ，７Ａｓ／（）ａＡｓへテロ界面が存
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５ＱｍｅＶ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（４） 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、この従来のＷＧＥバイポーラ・トランジスタで
は、高速化で必要なコレクタ容量の低減およびコレクタ
抵抗の低減には効果がないこと、および薄いベース層に
オーミック電極を形成することが困難であることからベ
ース幅を極端に薄くすることができないといったことが
問題として残されている。
本発明の目的は、従来のＷＧＥバイポーラトランジスタ
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。
本発明によれば、半導体基板上に一導電型を有し第１の
半導体からなるコレクタ層と、不純物をほとんど含有し
ない第１の半導体からなるコレクタ空乏１脅と、前記コ
レクタ層と異なる導電型を有し第１の半導体からなるベ
ース層と、不純物をは（５） とんど含有しない第４の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第１の半導体層
より禁止帯幅が広い第２の半導体からなるエミツタ層と
を順に積層した構造を有し、コレクタ＃、ベース層、エ
ミッタ層とそれぞれにオーミック接触を形成するコレク
タ電極、ベース電極、エミッタ電極を有することを特徴
とする半導体装置が得られる。
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３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３図に刺いて、第１図と同じ番号のものは第１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
とんど含有しない第１の半導体からなるコレクタ空乏層
、９は不純物をほとんど含有しないエミッタ空乏層であ
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ＩＸＩＱ呪ｒ”程度のｎ−’−ＧａＡ
ｓ　、：Ｉ　レクタ層２としてドナー濃度が５Ｘ１０”
ご３程度のｎ＋−ＧａＡｓ、　：ｌレクタ空乏層８とし
て１−ＧａＡｓ、べ（６） −ス層３としてアクセプタ濃度が２　ＸＩＯ”ｍ−ｓ程
度のｐ＋−ＧａＡｓ、エミッタ空乏層９として１−Ｇａ
Ａｓ。
エミツタ層４としてドナー濃度が２　ＸＩＯ”ｎｔ　３
程度のｎ＋　Ｂ１）ｏ３Ｇａ　ｏ７Ａｓ　ｓ　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Ａ
ｕＧｅ／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４図を用いて説明する。
第４図は第３図のエミッタ層、エミッタ空乏層。
ベース層、コレクタ空乏層、コレクタ層にわたる模式的
なバンド構造を示したものである。第１〜第３図と同じ
番号のものは第１〜第３図と同等物で同一機能を果すも
のである。
この本発明の動作の基本は従来構造のＷＧＢバイポーラ
トランジスタと同じであるが、動作パラメータとして次
の点が異なっている。
（１）エミツタ層ふよびコレクタ層の抵抗が非常に低い
。
（２）エミッタ・ベース間容量は従来構造ではほぼエミ
ツタ層に形成される空間電荷層により（７） 決められるが、本発明の構造ではほぼエミッタ空乏層で
決められる。
（３）同様にベース・コレクタ間容量は従来構造ではほ
ぼコレクタ層に形成される空間電荷層により決められる
が、本発明の構造ではほぼコレクタ空乏層で決められる
。
したがって、本発明の構造はエミッタ層、ベース層およ
びコレクタ層が低抵抗であり、エミッタ・ベース間容量
およびベース−コレクタ間容量が小さいという高速デバ
イスに要求される性質を満足している。また、従来構造
では、エミッタ側の空間電荷層およびコレクタ側の空間
電荷層にはイオン化したドナーが多数存在するため、こ
れらの領域では不純物散乱によりキャリアの拡散定数お
よび移動度が小さいが１本発明の構造ではエミッタ空乏
層およびコレクタ空乏層にはイオン化した不純物がない
かあるいはほとんどないため、キャリアの拡散定数およ
び移動度が太きい。さらに、ベース電極形成時に電極が
ベース電極をつき抜けてコレクタ空乏層に達しても、ト
ランジスタ特性に（８） 影響はは吉んどないため、ベース電極の形成が容易であ
りベース層も充分に薄くすることが可能である。
以上述べたように、本発明のトランジスタは従来のＷＧ
Ｅバイポーラトランジスタの特長を生かし、さらに高速
化に有利な構造を有しているため、超高速動作が容易で
ある。
次に、本発明の第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ＭＢＰＩ　（Ｍｏｌｅ−ｃｕ
ｌａｒ　Ｂｅａｍ　Ｅｐｉｔａｘｙ　）を用い、ｎ＋−
ＧａＡｓ基板上にドナー濃度が５×１０１８コ３のｎ”
−ＧａＡｓ層を厚さＱ、５　μｆｉ、ノンドープのｔ　
ＧａＡｓ層を厚さＱ、５μｍ％アクセプタ濃度が２Ｘ１
０１Ｑご３のｐ”−ＧａＡｓ層を厚さ５００Ａ、ノンド
ープの１−ＧａＡｓ層を厚さ６００　Ａドナー濃度が２
×１０１８ｃＩｃ３のｎ＋　−ＡＩｔ　ｏ、ｓ　Ｇａ　
ｏ７Ａｓ　層を厚さ０．５μｍ　を順次形成した。エミ
ッタ電極としてＡｕＧｅ／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およびｎ＋−Ｍｏ３Ｇａ
ｏ７ＡＳ層をエツチングで除去し、この除去した部分！
先Ｚｎを蒸着しベース電極とした。さらにコレクタ電極
（９） として裏面にＩｎを着けＨ，雰囲気中でアロイして本発
明によるＷＯＥバイポーラトランジスタを完成させた。
その結果、トランジスタ布段尚りの遅延時間として２５
　ｐｓが得られた。
第５図は本発明の第２の実施例を示す断面模式図である
。第５図において、第１〜第４図と同じ番号のものは第
１〜第４図と同等物で同一機能を果すものである。１０
は第１の半導体より禁止帯幅が広くキャリアカ月・ンネ
ル可能な厚さを有し極低不純物濃度の第１の固体層、１
１は該第１の固体層より禁止帯幅が狭く電子波長または
正孔波長以下の厚さを有し高濃度の不純物を含有した第
２の固体層である。第１．第２の固体層の積層構造によ
りエミツタ層が形成されている。これらの層の例として
は、第１の半導体層１０としてＩ　ＡＩＡＳ、第２の半
導体層としてドナー濃度が１×１０１−〔３程度のｎ”
−ＧａＡｓがある。
この第２の実施例の動作を、第１の実施例および前述の
材料を用い、このバンド構造を示す第６図を用いて説明
する。
（１０） 第６図は第５図の積層構造を有するエミツタ層。
エミッタ空乏層、ベース層、コレクタ空乏層、コレクタ
層にオつたる模式的なバンド構造を示したものである。
第１図〜第５図と同じ番号のものは第１〜第５図と同等
物で同一機能を果すものであり、−は第１の固体層１０
と第２の固体層の積層構造により生ずる電子の最低位の
量子化準位、Ｅｈｑは同様な正孔の最低位の量子化準位
である。
前述の条件を満足している１−ＡｌＡｓとｎ＋−ＧａＡ
ｓの積層構造では層全体にわたりＧａＡｓの伝導帯より
も高い電子の量子化準位およびＧａＡｓの充満帯より低
い正孔の量子化準位が形成されており、電子および正孔
はこの積層構造中を自由に動くことができる。よって、
この積層構造は等測的なワイドギャップの半導体として
ふるまう。したがってトランジスタの動作としては本発
明の第１の実施例と同じになり、超高速動作が可能とな
る。
この第２の実施例の構造をエミツタ層だけを変えて第１
の実施例と同様にして製作した。エミツタ層としては厚
さ１５ＡでノンドープのＡｌ１Ａｓと厚さ２３Ａでドナ
ー濃度が１×１０１９ｃｒＩＬ−３のｎ＋−ＧａＡｓと
の積層構造とし、０．５μｍ　の厚さとした。これによ
りトランジスタ１段当りの遅延時間として２３ｐＳ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
のＷＧＥバイポーラトランジスタについてしか示さなか
ったが、ｐｎｐにも同様に適用できることは明らかであ
る。また、基板上への成長順序は逆にしてもかまわない
。さらに、エミツタ層とエミッタ空乏層の界面での組成
の変化は急激でな（ｇｒａｄｅｄ　であってもかまわな
い。
第１の半導体としてはＧａＡｓ　ｊ、か示さなかったが
、８ｉ、Ｇｅ　等の元素半導体、ＩｎＰ　、　ＩｎＡｓ
　、　ＧａＰ　。
ＩｎＧａＡｓ　、　ＩｎＧａＡｓＰ等のＩ−Ｖ化合物半
導体、ＣｄＴｅ　、　ＺｎＴｅ等の■−■化合物半導体
およびその他の各種半導体でも良い。
第１の実施例のエミツタ層に用いる半導体は第１の半導
体に近い格子定数を持ち、第１の半導体より禁止帯が広
い半導体であれば良く、ＧａＡｓに対してＡｆｆｌＧａ
Ａｓ　、　ＩｎＧａＰやＡＡＩＡｓ　、　ＧａＰに対し
ＡＩ　Ｐ　、　Ｉ　ｎＧａＡｓに対しＩｎＡＡＩＡｓや
ＩｎＰ、　ＩｎＡｓに対しＧａＡｓＳｂやＡｆｆｌＡｓ
８ｂ、　Ｇａｒｂに対しＡＪＳｂ等がある。さらに、エ
ミツタ層として第２の実施例のような積層構造を用いれ
ば、はとんどの半導体についてそれよりも実効的に禁止
帯幅の大きなものが容易に得られる。この積層構造にお
いては、層間の格子定数がかなり違っていても界面でス
トレスが緩和されるためエピタキシャルすることが容易
である。積層構造を作る材料としては、半導体だけでな
くても良く、第１の半導体層として半導体のかわりに絶
縁体を用いても良い。例えば、第１の固体層にＣａＰ２
やスピネルを用い、第２の固体層にＳｉを用いわば、Ｓ
ｉのＷＧＢバイポーラトランジスタができる。第１の固
体層と第２の固体層の組合せとしては、Ａ−１１Ａｓ／
ＧａＡ、ｓ　、ＡＡ’ＧａＡｓ、／ＧａＡｓ　。
Ｉ　ｎＡＪＡｓ／Ｉ　ｎＧａＡｓ　、）ＪＰ／ＤａＰ　
、ＡＡｉ８　ｂ／Ｇａ　Ｓｂ　、ＡｆｆｌＡｓ　Ｓ　ｂ
’　／Ｉ　ｎＰ　、　Ｉ　ｎＧａＰ／ＧａＡｓ　、　Ｇ
ａ　ＰＳ　ｂ／ＧａＡｓ　、　Ｇａ　８　ｂ／Ｉ　ｎＡ
ｓ　。
ＡＡＩ　Ｓｂ／Ｉ　ｎＡｓ　、　Ｉ　ｎＰ／Ｉ　ｎＧａ
Ａｓ　、　ＧａＰ／８　ｉ　、　ＧａＡｓ／Ｇｅ　。
ＡｆｆｌＡｓ／Ｇｅ　、ＡＡ’　ＧａＡ　ｓ／Ｇｅ　、
　Ｃ／Ｓ　ｉ　、　ＣｄＴｅ／ＨｇＴｅ　、　Ｚｎ　８
／Ｚｎ５ｅ、ＣｄＳｅ／ＺｎＴｅ、Ｚｎ５ｅ／ＧａＡｓ
、スビｉ、＋Ｖ０ａＡｓ。
（１３） Ｃａ　ｘｓ　ｒ　１−ｚＦ１／ＧａＡｓ　、８　ｒｚＢ
ａ　Ｉ−Ｘ”ｔ／’Ｉ　ｎＰ　、ＣａＰ、／ＧａＰ等各
種の組合せが可能である。また積層構造としては２種の
固体層を積層したものしか示さなかったが、３種以上の
固体層の組合せであっても良いことは明らかである。
この積Ｉ−構造のエミッタの特長として前述の特長に加
え、ドーピングの活性化率を非常に高くし得るこさがあ
る。例えばｋｌ　Ｏ，３Ｇａｏ、７Ａｓと同等の禁止帯
幅を有するＡＩＡ　ｓ、／ＧａＡｓ積層構造ではＡｌＯ
，３Ｇａ　Ｏ，７Ａｓに比べ３倍以上の８ｉ不純物の活
性化率を得た。したがって、低抵抗のエミッタを得るう
えでもこの積層構造のエミッタは重要である。
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、薄いベース層や積層構造
を有するエミツタ層の形成にはＭＨＤ法やＭＯＣＶ　Ｄ
　（Ｍｅｔａｌ　Ｏｒｇａｎｉｃ　ＣｈｅｍｉｃａｌＶ
ａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　）法が適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来構造のワイドギャップ・バイポー（１４） ノ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・・・エミツタ層、５・・・コレクタを
極、６・・・ベース電極、７・・・エミッタ電極、８・
・・コレクタ空乏層、９・・・エミッタ空乏層、１０・
・・第１の固体層、１１・・・第２の固体層、　ＥＣ・
・・伝導帯端、Ｅｙ・・・充満帯端、　ＥＦ・・・フヱ
ルミ準位、Ｅｅｑ・・・電子の量子化準位、 Ｅｈｑ・・・正孔の量子化準位、 ＶＥＲ・・・エミッターベース間電圧、ｖｎｃ・・・ベ
ース・コレクタ間電圧。 代理人弁理士内原　晋 （１５） （ＪＬ　＞ ＬＬＩＬＬＩ　ＬＬＩ 特開昭ＧＯ−５２０５５（６）

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 半導体基板上に一導電型を有し第１の半導体からなるコ
    レクタ層と、不純物をほとんど含有しない第１の半導体
    からなるコレクタ空乏層と、前記コレクタ層と異なる導
    電型を有し第１の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第１の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第１の半導体
    より禁止帯幅が広い第２の半導体からなるエミツタ層と
    を順に積層した構造を有し、コレクタ層、ベース層、エ
    ミツタ層とそれぞれにオーミック接触を形成するコレク
    タ電極、ベース電極、エミッタ電極を有することを特徴
    とする半導体装置。
JP58159815A 1983-06-24 1983-08-31 半導体装置 Pending JPS6052055A (ja)

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JP58159815A JPS6052055A (ja) 1983-08-31 1983-08-31 半導体装置
US06/624,333 US4695857A (en) 1983-06-24 1984-06-25 Superlattice semiconductor having high carrier density
EP84304300A EP0133342B1 (en) 1983-06-24 1984-06-25 A superlattice type semiconductor structure having a high carrier density
DE8484304300T DE3480631D1 (de) 1983-06-24 1984-06-25 Halbleiterstruktur mit uebergitter hoher traegerdichte.
US07/043,046 US4792832A (en) 1983-06-24 1987-04-24 Superlattice semiconductor having high carrier density

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61290759A (ja) * 1985-06-14 1986-12-20 エイ・ティ・アンド・ティ・コーポレーション 共鳴トンネルトランジスタ
JPS62130561A (ja) * 1985-12-03 1987-06-12 Fujitsu Ltd 高速半導体装置
JPS62211953A (ja) * 1986-03-12 1987-09-17 Nec Corp バイポ−ラトランジスタ

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JPS58139464A (ja) * 1982-02-15 1983-08-18 Semiconductor Energy Lab Co Ltd 半導体装置

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