JPS6233460A - 半導体装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体へテロ接合界面における高い導伝性を
有する導伝層を用いた、特に高速性及び高周波特性に優
れた半導体装置に関するものである・ 〔従来の技術〕 近年、超高周波・超高速素子としてヘテロ接合バイポー
ラトランジスタ（以下ＨＢＴと略記する）が有望視され
ている。ＨＢＴの理論的アプローチは、Ｈ−Ｋｒ０ｔｌ
ｒｆｌｅｒによってなされ、例えばグロシーディング・
オブ噂ザ・アイトリプルイー（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇａ
ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＥＥＥ）、７０巻、１号°、１３頁（
１９８２年）に要約されている。　ＨＢＴの主な特徴は
、エミッタ効率、電流利得の向上などであるが、実際の
ＨＢＴの素子構造としては依然様々である。第４図に代
表的ＨＢＴの構造を示す。

第４図において、例えばｎｐｎ型の場合、１ｏ１はコレ
クタ電極、１０２はｎ型の基板例えばＧｃＡｓ　。

１０３はｎ型の第１の年導体層例えばＧｃＡｓ、１０４
はｐ型の第２の半導体層例えばＧａＡｓ　、１０５は半
導体層１０４の有する電子親和力とエネルギーギャップ
との和より大きいｎ型の第３の半導体層例えばｋｌ　０
，３Ｇａ　６，７Ａｓ、１０６はペース電極、１０７は
エミッタ電極である。第５図は熱平衡状態におけるエミ
ッタ電極１０７の直下のエネルギーバンド図を示してい
る。ここで司は伝導帯下端のエネルギー準位、ＥＦはフ
ェルミ準位、Ｅｖは価電子帯上端のエネルギー準位を表
している。第４図に示したＨＢＴにおいては、エミッタ
電極１０７からベース層１０４に注入される電子のほと
んどがコレクタ電極１０１に到達するのに対し、ベース
電極１０６からエミツタ層１０５に注入される正孔は、
ベース層１０４に比べ大きなエネルギーギャップを有し
たエミツタ層１０５による反射のために極めて少なくな
る。従って例えば工ばツタ接地時の電流増幅率ｈＦＥは
極めて大きなものとなる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、第４図に示したような従来型のＨＢＴに
おいては例えば高性能化に重要となるベース層１０４の
幅町及びペース抵抗ｒＢが相殺関係にある（即ちＷｎｔ
”小さくするとｒＢが増大する）ため、ＨＢＴの性能向
上を制限する欠点があった。詳細に述べるために例えば
ＨＢＴの最大発振周波数’ｒｌｌｌＺＸとスイッチング
時間τＳについて考える。’ｍ、！及びて。

については既知のように近似的に次式で与えられる。

ここでｆｔは遮断周波数、ｒＢはベース抵抗、Ｃｃはコ
レクタ容量、ｒし及びＣＬは負荷抵抗及び負荷容量であ
る。また少数キャリアのベース領域走行時間で与えられ
、町はペース幅、馬は少数キャリア（この場合電子）の
拡散定数である。更にｆｔにりいてはＪｌ−にほぼ逆比
例する０式（１）〜（３）に注目すると、ＦＢ　、　Ｗ
Ｂ及びｃｃの低減がＨＢＴＯ高性能化に極めて重要なこ
とが分かる。ところが、町を小さくすると逆にｒＢが大
きくなってしまうため、先に述べたようにＨＢＴの性能
向上に大きな制約を与えてしまう欠点を有していること
になる。またこのような欠点はｎｐｎ型のＨＢＴだけで
なく　ｐｎｐ型のＨＢＴについても共通の問題となるこ
とは明らかである。

本発明の目的は以上のような従来技術における欠点を除
去し、高速性及び高周波特性に極めて優れたベテロ接合
を用いたバイポーラ型の半導体装置を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明はｎ型の第１の半導体層上に高純度あるいはｎ型
の第２の半導体層と、該第２の半導体より電子親和力と
エネルギーギャップの和が大きいｐ型の第３の半導体層
と、ｎ型の第４の半導体層との積層体を備え、該積層体
の第１及び第４の半導体層とオーミック性接触した電極
をそれぞれ設＆＋　　　笛　９　乃　γに灯　リ　小来
奇首ｌト鵬　μ　惇髄　１４牛１１加１轡江を有するこ
とを特徴とする半導体装置、および、 ｐ型の第１の半導体層と、高純度あるいはｐ型の第２の
半導体層と該第２の半導体より電子親和力が小さいｎ型
の第３の半導体層と、ｐ型の第４の半導体層との積層体
を備え、該積層体の第１及び第４の半導体層とオーミッ
ク性接触した電極をそれぞれ設は第２及び第３の半導体
層と接触した制御電極を有することを特徴とする半導体
装置である。

〔発明の原理・作用〕

以下、図面を参照し本発明の原理と特有の作用効果を明
らかにする。説明の都合上、特定の材料を用いることに
するが、本発明の原理に照合すれば他の材料に対しても
適用できることは明らかである。

第１図（α）は本発明の半導体装置の基本的構造の一例
を示す模式的構造断面図である。

第１図（α）において、１１は例人は高抵抗基板、１２
はｎ型の第１の半導体１．１３　＊’高純度あるいはｎ
型の第２の半導体層、１４は前記第２の半導体１３より
電子親和力とエネルギーギャップの和が大きいｐ型の第
３の半導体層、１５はｎ型の第４の半導体層で順に積石
形成されたものである。１６は制御電極で第３の半導体
層１４上に形成されている。また、１７及び１８はオー
ミック性電極で各々第１の半導体層１２上および第４の
半導体層１５上に形成しである。

第１図（ｂ）！″ｊ第１図（α）に示した本発明にかか
る構造において、熱平衡状態における電極１７直下での
エネルギーバンド図の一例である。ここで、１９上２次
元正孔層であり、ＥＣ，ＥＦ、Ｅｖについては第５図で
説明したものと同一である。

本発明の基本原理は、前記第２の半導体層１３と第３の
半導体層１４とのへテロ接合界面に形成された前記２次
元正孔Ｎ１９の高い導伝性と狭い領域内での閉じ込め効
果を利用して例えばＨＢＴに応用した場合のガ及びＷＢ
の低減を図り、■汀の高性能化全実現するものである６ 即ち、高純度層１３に形成された２次元正孔は既知。よ
うえ、特ＫＴ：純ｉ、）散、。影響、８少ケく７るため
、更には本来有する自由度の２次元性によって散乱が少
なくなるために特に低温においては極めて大きな正孔移
動度へを有している０例えばＧａＡｓ中の正孔の場合、
室温でμｈ”：４００ｃｌ／Ｖ　・Ｓ　７７にではμｈ
ｚ４０００ｄＶｖ・８　と飛躍的に増大する。また、こ
の２次元正孔層の正孔面密度ｐ８は、各半導体層のキャ
リア密度及び膜厚によって変化するものの約ｌＸ１０％
”の実現は可能である。更にこの２次元正孔の波動の拡
がりは約１００人と極めて小さいため、即ち、正孔かへ
テロ界面の三角ポテンシャル井戸に閉じ込められている
ため、実効的ベース幅の低減に大きく寄与することが期
待される。

今、τ８の低減をはかるために実効的ベース幅ＷＢ−ｓ
ｏｏ　Ａと薄くした場合において、ベース領域のシート
抵抗Ｒ８について考えるａ　ＲＯは次式で与えられる。

ｌ ＲＯ＝　　（ｔＰｓμｈ）　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　（４）ここでｔは電子の電荷量である。第
４図に示した従来構造の場合、町＝５００人とした時に
は卯接合による空乏層幅があるため、ベース層となる第
２の半導体層１０４の実効的幅は、ｌＸ１０ｃｒＬ　程
度の７クセブタ密度（ベース層１０４）と５　Ｘ１０”
ｃｍ’程度のドナー密度（エミツタ層１０５及びコレク
タ層１０３）を仮定した場合に約３００人と考えられる
。また。

高いアクセプタ密度の半導体における正孔の移動度は高
純度の場合に比べ大きく低下することを考慮すると、例
えばｐ型のＧａＡｓをベース層１０４に用いた場合μｈ
夕１００ｃｒＬ’Ｖ・Ｓになる。従って、従来構造にお
ける＆は、約２０にシロ　と見積られる。一方、本発明
においては室温でＲ２”＝１６にΩ１０，７７にでＲ８
〜１．６にΩ／口となり、本発明によってベース領域の
シート抵抗Ｒ０、従ってベース抵抗ｒＢが大きく改善さ
れることは明らかである。更に従来構造でよく用いられ
た町の値（≧１００ＯＡ　＞に比べ、町も小さくできる
ため、（３）式からτＢが大幅に改善されることになる
。尚エミッタの注入効率については２次元正孔層１９が
へテロ接合界面の電位障壁を感じるため閉じ込め効果が
高く、従ってほぼ理想的な１に近いものとなる。更に第
２の半導体層１３は大３　、ヶＱｉｅｌ　オあえゎ１、
・二’、’ａ”−、Ｘ　□よいうゎた少数キャリアは加
速されτＢを更に小さくできる。

以上説明したように、本発明によってｒＢ及び町が大幅
に改善されるため’ｍｃｚｘ及びτＢの両方において特
性向上が実現され、従って、高速性及び高周波特性に優
れ九手導体装置が得られることは明らかである。

以上の説明では電子が少数キャリアとなるいわゆるｎｐ
ｎ型について述べてきたが、本発明の原理は正孔が少数
キャリアとなるいわゆるｐｎｐ型についても同様に適用
できる。

第２図（α）は本発明によるｐｎｐ型の半導体装置の基
本的構造の一例を示す模式的構造断面図である。

第２図（α）において、２１は例えば高抵抗基板、２２
はｐ型の第１の半導体層、ｎは高純度あるいはｐ型の第
２の半導体層、Ｕは前記第２の半導体層四より電子親和
力の小さなｎ型の第３の半導体層、２５はｐ型の第４の
半導体層、２６は制御電極、２７及び２８はオーミック
性電極である。

第２図（ｂ）は第２図（α）に示した本２発明にかかる
構造において、熱平衡状態における電極２７直下での゛
・−一・・′ エネルギーバンド図の一例である。ここで２９は２次元
電子層であり、Ｅｃ　、ＥＦ　、Ｂｖについては第１図
（ｂ）及び第５図で説明したものと同一である。

本発明による半導体装置が前述したｎｐｎ型の第１の発
明によるものと原則的に同様の原理・作用及び効果を有
していることは言うまでもない。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を示す。

（実施例１） 第１図（α）において、１１に高抵抗ＧｃＬＡｓ基板を
第１の半導体層１２にドナー不純物密度が５　Ｘ　１０
１１０１ＩＩ”程度で膜厚約５０００大のｎ型のｋｌ　
ｏＪｓＧα。、７１１Ａｓ　を、第２の半導体層１３に
不純物密度が１×１０ＬＩｌｃｒｉＬ３以下、膜厚約５
００人でＭＡ８０モル比Ｘが第１の半導体層１２との界
面で０．２５となり、第３の半導体層１４１１ｉ１に向
かって徐々に減少し第３の半導体層１４との界面で零と
なるＡＪＸＧα、−ｘＡＳを、第３の半導体層１４にア
クセプタ不純物密度が２Ｘ１♂５３程度で膜厚約５００
大のｐ型のＡｌ１６３［有］０．７Ａｓを、第４の半導
体層１５にドナー不純物密度が５×１σ７♂程度で膜厚
約５０００人のｎ型のＭ。Ｊ［有］。、、Ａｓを、オー
ミック性電極１７及び１８に麺Ｇｅ／Ｎｉによる電極を
、制御電極１６にＡｕＺｎによる電極を用いた。本実施
例において、熱平衡状態における電極１７直下でのエネ
ルギーバンド図は第１図（ｂ）と同じである。

本実施例において、例えばオーミック性電極１７をＨＢ
Ｔのエミッタ電極、オーミック性電極１８をコレクタ電
極として動作させる。本実施例におけるベース抵抗ｒ、
は従来例に比べ大幅に改善され、最高発振周波数ｆ！１
ｒｌＧＸについては従来例の約１０　ＧＨｚ以下に比べ
約１５ＧＨｚと増大した。またτ３及びτ８についても
前述したガの減少、更には半導体層１３の加速電位勾配
の為に大幅に゛改善された。

尚、第１図（α）に示した本実施例における層構造の順
序を反転して、下側から高抵抗基板１１、ｎ型の第４の
半導体層１５、ｐ型の第３の半導体層１４、高純度ある
いはｎ型の第２の半導体層１３、ｎ型の第１の半導体層
１２とした構造においてもｒＢが前記の積層構造より若
干高くなるもののＩ（ＢＴ動作は可能である。また、エ
ミッタ注入効率の点で、第４の半導体層１５は第３の半
導体１４の有するエネルギーギャップよシ大きい方が望
ましい。

尚、本実施例においては、制御電極１６にＡｕＺｎによ
るオーミック性電極を用いたが、例えばＭによるショッ
トキー電極を用いることによってＨＢＴＢＴ動作せるこ
とも原理的に可能なことは明白である。

（実施例２） 次に本発明の実施例２について説明する。本実施例にお
ける模式的構造断面図を第３図に示す。

本実施例は、ドナー不純物密度が５×１０１８♂程度の
ＱＩ０ＬＡａ基板３２と、ドナー不純物密度が５　ＸＩ
Ｑ”　ｃｍ”程度で膜厚３０００人のＡＡ！ｌ、ＪＧＫ
Ｌｏ、７Ａｓ　３３と、不純物密度がＩ　Ｘ１０１５ｃ
ｉ３以下、膜厚約５００人で、ＡＪＡｓのモル比ＸがＡ
ｌ。ＪＧα。、、Ａｓ３３との界面で０．３となり、そ
の上層のＡｌｌ、、、Ｇａ。、７Ａａ　３５　側に向か
って徐々に減少し、その界面で零となる）−１，Ｇａ１
−、ＡＪＩ３４と、不純物密度が１×１０１ｓｃＩｉＬ
３　以下で膜厚約５０人のＡ１０．３（＜、７Ａｓ　３
５と、アクセプタ不純物密度が３ｘ１♂６３程度で膜厚
約４００人のＡＪ、３Ｇａｏ、、Ａｓ　３６と、ドナー
不純物密度ｉ１１　Ｘｌ０１８ｃａｔ３程度、膜厚的２
０００＾で、ＡｌＡｓのモル比ｙがＭｏ、３［有］。、
７Ａ８３６との界面で０．５となり、その上層のＧａＡ
ｓ３８偶に向かって徐々に減少し、界面で零となる崎Ｇ
ａ、−ｙＡｓ　３７と、ドナー不純物密度が５　Ｘ１０
　”ｃｉｔ”程度で膜厚的３００ＯＡのＧｃＬＡｓ　３
ｇと、積層体の下層および最上層に積層したオーミック
性電極３１及び４ｏにＡｕＧａ／Ａｕによる電極を、）
ｄ１６．３ＧｃＬ６．７Ａｌ　３６上に形成した制御電
極３９にＡｕＺｎによる電極を用いる。

本実施例において、例えば４０をＨＢＴのエミッタ電極
、３１をコレクタ電極として動作させた場合、ｆｍ、工
は実施例１に比べ更に向上し約１８　ＧＨｚとなった。

これは、いわゆるスペーサ層３５の導入によって不純物
散乱を減少させ２次元正孔の移動度の増大がはかれたこ
と、ペース電極３９を２コ設けたことによＦ）　ｒＢを
低減できたこと、及びエミッタ側の実効的ドナー不純物
密度を向上させ、しかもエミッタ電極側のベース層３６
に比べ、電子親和力とエネルギーギャップの和が大きな
材料をベース層寄シのエミツタ層３７に設け、エミッタ
注入効率を上げたことなどに起因する。

尚、本実施例においても実施例１と同様に、第３図に示
した層構造を反転した層構造においてもＨＢＴ動作が可
能であることは明らかである。

（実施例３） 次にｐｎｐ型の第２の発明の１つの実施例について説明
する。

本実施例における模式的構造断面図は第２図（、ｘ）と
同じである６本実施例においては、２１に高抵抗Ｇ（Ｌ
Ａ８基板を、２２にアクセプタ不純物密度が５×１０１
６ｃｒｒｒ　”程度で膜厚約５０００人のｐ型のＭｌ、
ＪＧα。、？ｌｌＡｌ５を、′２３に不純物密度が１×
１０１ｓｃｉＬ３以下、膜厚５００人でＭｈのモル比Ｘ
がＭ、お［有］、、Ａｓ　２２との界面で０．５となり
、２４側に向かって徐々に減少しＵとの界面で零となる
ｋｌｘＧα、−、Ａｓを、冴にドナー不純物密度が２×
１Ｏ１８ｃｒ！程度で膜厚５００人のｎ型のＭ、、３Ｇ
ａ。、Ａｓを、２５にアクセプタ不純物密度が５　Ｘ　
１．０１７ｃｍ３程度で膜厚５ｏｏｏＡのｐ型のＭ。曜
≧。、６−を、オーミック性電極２７及び四にＡｕＺｎ
による電極を、制御電極２６にＡｕＧａ／Ｎｉによる電
極を用いる０本実施例において、熱平衡状態における電
極２７直下でのエネルギーバンド図は第２図（ｂ）と同
じである。

本実施例Ｑ　ＨＢＴに応用した場合、ペース抵抗ｒ。

を担う２次元電子層２９の移動度及び面密度が非常に大
きいため、第１の発明の場合と同様に大幅なｒＢ及び九
の軽減が可能になり、従ってｆｆｎ、工、ｆ、の向上及
びτ８の低減が実現できる。

尚、本発明にお込ても第１の発明（ｎｐｎ型）の場合と
同様に第３図に示した構造と原則的に類似した構造を実
現できる。また、第２図（α）に示した層構造の順序を
反転した構造でも■ぼ動作が可能になる。更にエミッタ
注入効率向上のためには、第４の半導体層２５は第３の
半導体層の有するエネルギーギャップより大きい方が望
ましい、また、制御電極２６はショットキー電極でもＨ
ＢＴ動作は可能である。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、ヘテロ接合界面に形成さ
れた高い導伝性及び閉じ込め効果を有した２次元キャリ
アを用いることにより、ペース抵抗とベース幅を低減で
き、従って最高発振周波数及び遮断周波数の向上、更に
はペース走行時間及びスイッチング時間の大幅な低減な
ど多大な長所を有した超高周波・超高速素子を実現でき
る効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図（α）は本発明の半導体装置の基本的構造の一例
を示す模式的断面図、第１図（ｂ）はそのエネルギーバ
ンド図、第２図（α）は本発明の他の例を示す模式的断
面図、第２図（ｂ）はそのエネルギーバンド図、第３図
はさらに他の例を示す模式的断面図、第４図は従来の半
導体装置の一例の構造を示す模式的断面図、第５図はそ
のエネルギーバンド図である。 １１及び２１・・・高抵抗基板、１２・・・ｎ型の第１
の半導体層、２２・・・ｐ型の第１の半導体層、１３・
・・高純度又はｎ型の第２の半導体層、２３・・・高純
度又はｐ型の第２の半導体層、１４・・・ｐ型の第３の
半導体層、２４・・・ｎ型の第３の半導体層、１５・・
・ｎ型の第４の半導体層、５・・・ｐ型の第４の半導体
層、１６及び２６・・・制御電極、１７，１８．２７及
び邸・・・オーミック性電極、１９・・・２次元正孔層
、２９・・・２次元電子層第１図（α） 漉１図（ｂ） 第２図（α） 第３図 第５図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ｎ型の第１の半導体層と、高純度あるいはｎ型の
   第２の半導体層と、該第２の半導体より電子親和力とエ
   ネルギーギャップとの和が大きいｐ型の第３の半導体層
   と、ｎ型の第４の半導体層との積層体を備え、該積層体
   の第１及び第４の半導体層とオーミック性接触した電極
   をそれぞれ設け、第２及び第３の半導体層と接触した制
   御電極を有することを特徴とする半導体装置。
2. （２）ｐ型の第１の半導体層と、高純度あるいはｐ型の
   第２の半導体層と該第２の半導体より電子親和力が小さ
   いｎ型の第３の半導体層と、ｐ型の第４の半導体層との
   積層体を備え、該積層体の第１及び第４の半導体層とオ
   ーミック性接触した電極をそれぞれ設け、第２及び第３
   の半導体層と接触した制御電極を有することを特徴とす
   る半導体装置。