JP2752477B2 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 [概要] 半導体装置に係り、特に高速デバイスであるHET(ホ
ットエレクトロントランジスタ)に関し、 コレクタ−ベース間の電圧が低いときにも電流ゲイン
が得られるようにして特性を向上させると共に、コレク
タ容量を低減して高速化を実現することができる半導体
装置を提供することを目的とし、 コレクタ層上にコレクタバリア層を介してベース層が
設けられている半導体装置において、前記コレクタ層
の、前記コレクタバリア層側の少なくとも一部の領域の
組成が、電子親和力の大きさが前記コレクタバリア層側
から厚さ方向に増大するように、前記コレクタバリア層
から連続して変化しているように構成する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Summary] The present invention relates to a semiconductor device, and particularly relates to a high-speed device, HET (hot electron transistor), so that a current gain can be obtained even when a voltage between a collector and a base is low to improve characteristics. And a semiconductor device in which a base layer is provided on a collector layer with a collector barrier layer interposed therebetween. The composition of at least a part of the layer on the collector barrier layer side is continuously changed from the collector barrier layer so that the magnitude of the electron affinity increases in the thickness direction from the collector barrier layer side. To be configured.
[産業上の利用分野] 本発明は半導体装置に係り、特に高速デバイスである
HETに関する。The present invention relates to a semiconductor device, and particularly to a high-speed device.
About HET.
[従来の技術] 従来のHETは、第5図(a)に示されるように、例え
ばn型In0.53Ga0.47Asからなるサブコレクタ層2上に、
n型In0.53Ga0.47Asからなるコレクタ層28、i型In0.53
(Al0.5Ga0.5)0.47Asからなるコレクタバリア層30、n型
In0.53Ga0.47Asからなるベース層8、i型In0.52Al0.48
Asからなるエミッタバリア層10及びn型In0.53Ga0.47As
からなるエミッタ層12が積層され、多層ヘテロ構造とな
っている。[Prior Art] As shown in FIG. 5A, a conventional HET is formed on a subcollector layer 2 made of, for example, n-type In 0.53 Ga 0.47 As.
Collector layer 28 made of n-type In 0.53 Ga 0.47 As, i-type In 0.53
(Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.47 As Collector barrier layer 30 of As, n-type
Base layer 8 of In 0.53 Ga 0.47 As, i-type In 0.52 Al 0.48
Emitter barrier layer 10 of As and n-type In 0.53 Ga 0.47 As
Are laminated to form a multilayer heterostructure.
また、サブコレクタ層2、ベース層8及びエミッタ層
12上には、それぞれコレクタ電極14、ベース電極16及び
エミッタ電極18が設けられている。The sub-collector layer 2, the base layer 8, and the emitter layer
On 12 are provided a collector electrode 14, a base electrode 16 and an emitter electrode 18, respectively.
ここで、ベース層8及びコレクタ層28にはそれぞれn
型In0.53Ga0.47Asが用いられているのに対して、コレク
タバリア層には、n型InGaAsよりも電子親和力が小さい
i型In0.53(Al0.5Ga0.5)0.47Asが用いられているため、
第5図(b)に示されるように、一様なエネルギー障壁
を形成している。Here, each of the base layer 8 and the collector layer 28 has n
While the type In 0.53 Ga 0.47 As is used, the collector barrier layer uses i-type In 0.53 (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.47 As, which has a smaller electron affinity than n-type InGaAs.
As shown in FIG. 5B, a uniform energy barrier is formed.
このため、エミッタ層12から注入されてコレクタバリ
ア層30に到達した電子は、量子力学的な反射を多く受け
ていた。また、一度コレクタバリア層30に入った電子
も、バリア内で散乱を受けると、このバリア内に電界が
殆どないために、コレクタ層28に到達せずにベース層8
に戻ってくるものがあって、電流ゲインの低下をもたら
していた。For this reason, electrons injected from the emitter layer 12 and reaching the collector barrier layer 30 have received many quantum mechanical reflections. Also, once electrons that have entered the collector barrier layer 30 are scattered in the barrier, there is almost no electric field in the barrier, and therefore, the electrons do not reach the collector layer 28 and do not reach the base layer 8.
Something returned, causing a decrease in current gain.
この問題を解決する方法として、コレクタバリア層30
のエネルギー障壁にグレードをつけることが提案され、
具体的には、 コレクタバリア層30を形成するInAlGaAsの組成を変え
ることにより、障壁にグレードをつける、 プレナードーピングを行なって、障壁にグレードをつ
ける、 コレクタバリア層30のコレクタ層28側に不純物をドー
ピングして、障壁にグレードをつける等が行なわれてい
る。To solve this problem, the collector barrier layer 30
It is proposed to grade the energy barrier of
Specifically, by changing the composition of InAlGaAs forming the collector barrier layer 30, the barrier is graded, planar doping is performed, and the barrier is graded. Impurities are added to the collector layer 28 side of the collector barrier layer 30. Barriers are graded by doping.
しかし、の場合はInAlGaAsの組成を変える制御が難
しく、の場合はドープ量の制御が難しく、またの場
合は、伝導帯の底にキンクが形成される等の問題を生じ
ていた。However, in the case of (2), it is difficult to control the composition of InAlGaAs, in the case (2), it is difficult to control the doping amount, and in the case (2), there are problems such as formation of a kink at the bottom of the conduction band.
また、ベース電極16直下のコレクタ層28に不活性イオ
ンを注入して不活性化を行ない、コレクタ容量を低減す
ることにより、高速化を図ることが望ましいが、コレク
タ層28を形成するn型In0.53Ga0.47Asのバンドギャップ
が狭いため、不活性イオン注入による不活性化を行なう
ことが困難であった。In addition, it is desirable to inactivate by injecting inert ions into the collector layer 28 immediately below the base electrode 16 to reduce the collector capacitance, thereby increasing the speed. Since the band gap of 0.53 Ga 0.47 As was narrow, it was difficult to inactivate by inactive ion implantation.
[発明が解決しようとする課題] このように、上記従来のHETにおいては、組成の制御
が困難であったり、不純物のドープ量の制御が困難であ
ったり、バンドがスムーズに繋らなかったりするため
に、コレクタバリア層の障壁をグレーデッドに形成する
ことができず、ベースからコレクタに電子が加速される
ような電界を生じるコレクタバリア層を形成すること
は、依然として解決すべき課題であった。[Problems to be Solved by the Invention] As described above, in the above-described conventional HET, it is difficult to control the composition, it is difficult to control the doping amount of impurities, or the band is not smoothly connected. Therefore, the barrier of the collector barrier layer cannot be formed in a graded manner, and forming a collector barrier layer that generates an electric field such that electrons are accelerated from the base to the collector is still an issue to be solved. .
また、InGaAsからなるコレクタ層のバンドギャップが
狭いため、ベース電極直下のコレクタ層にイオン注入し
て不活性化を行なうことが困難であり、従ってコレクタ
容量を低減して高速化を図ることが困難であるという問
題があった。In addition, since the band gap of the collector layer made of InGaAs is narrow, it is difficult to inactivate the collector layer immediately below the base electrode by ion implantation. Therefore, it is difficult to reduce the collector capacitance and increase the speed. There was a problem that is.
そこで本発明は、コレクタ−ベース間の電圧が低いと
きにも電流ゲインが得られるようにして特性を向上させ
ると共に、コレクタ容量を低減して高速化を実現するこ
とができる半導体装置を提供することを目的とする。Accordingly, the present invention provides a semiconductor device capable of improving current characteristics by obtaining a current gain even when the voltage between the collector and the base is low, and realizing a high-speed operation by reducing the collector capacitance. With the goal.
[課題を解決するための手段] 上記課題は、コレクタ層上にコレクタバリア層を介し
てベース層が設けられている半導体装置において、前記
コレクタ層の、前記コレクタバリア層側の少なくとも一
部の領域の組成が、電子親和力の大きさが前記コレクタ
バリア層側から厚さ方向に増大するように、前記コレク
タバリア層から連続して変化していることを特徴とする
半導体装置によって達成される。[Means for Solving the Problem] The above object is achieved by a semiconductor device in which a base layer is provided on a collector layer via a collector barrier layer, at least a part of a region of the collector layer on the collector barrier layer side. Is continuously changed from the collector barrier layer such that the magnitude of the electron affinity increases in the thickness direction from the collector barrier layer side.
また、上記装置において、前記コレクタ層の前記領域
の組成比が、厚さ方向に連続的に変化していることを特
徴とする半導体装置によって達成される。Further, in the above-described device, the present invention is achieved by a semiconductor device, wherein the composition ratio of the region of the collector layer continuously changes in a thickness direction.
また、上記装置において、前記コレクタ層の前記領域
の組成比が、厚さ方向に階段状に変化していることを特
徴とする半導体装置によって達成される。Further, in the above-described device, the present invention is achieved by a semiconductor device, wherein the composition ratio of the region of the collector layer changes stepwise in the thickness direction.
さらにまた、上記装置において、前記ベース層上に設
けられるベース電極下方の前記コレクタ層に、不活性イ
オンの注入により不活性領域が形成されていることを特
徴とする半導体装置によって達成される。Still further, in the above-described device, the present invention is achieved by a semiconductor device in which an inactive region is formed in the collector layer below a base electrode provided on the base layer by injecting inert ions.
[作用] 本発明は以上のように構成されているので、コレクタ
層の、コレクタバリア層側の少なくとも一部の領域の組
成比が、厚さ方向に連続的に又は階段状に変化している
ことにより、電子親和力の大きさがコレクタバリア層側
から厚さ方向に増大しているため、コレクタ層の伝導帯
底をなだらかにキンクを生じることなく傾斜させ、同時
にコレクタ層に接するコレクタバリア層の伝導帯底のエ
ネルギー準位を押し下げて、コレクタバリア層の障壁の
高さをベースからコレクタへ向かって低下させることが
できる。[Operation] Since the present invention is configured as described above, the composition ratio of at least a part of the collector layer on the collector barrier layer side changes continuously or stepwise in the thickness direction. As a result, since the magnitude of the electron affinity increases in the thickness direction from the collector barrier layer side, the conduction band bottom of the collector layer is inclined without gentle kink, and at the same time, the collector barrier layer in contact with the collector layer is in contact with the collector layer. By lowering the energy level at the bottom of the conduction band, the barrier height of the collector barrier layer can be reduced from the base toward the collector.
また、コレクタ層の傾斜層又は階段層等のグレーデッ
ド層がコレクタバリア層を形成する組成と同じ組成を有
していることにより、バンドギャップが大きくなるた
め、ベース電極直下のコレクタ層に不活性イオンを注入
して不活性化領域を形成することが可能となり、容易に
コレクタ容量を低減することができる。In addition, since the graded layer such as the gradient layer or the staircase layer of the collector layer has the same composition as the composition forming the collector barrier layer, the band gap becomes large, so that the collector layer immediately below the base electrode becomes inactive. The passivation region can be formed by implanting ions, and the collector capacitance can be easily reduced.
[実施例] 以下、本発明を図示する実施例に基づいて具体的に説
明する。[Examples] Hereinafter, the present invention will be specifically described based on the illustrated examples.
第1図は、本発明の第1の実施例によるHETの断面を
示す断面図、第2図(a)〜(c)は、それぞれ第1図
のHETに対応する各層の組成、不純物のドープ量及び伝
導帯底のエネルギー準位を示す図である。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a cross section of an HET according to a first embodiment of the present invention. FIGS. 2 (a) to 2 (c) show the composition of each layer corresponding to the HET of FIG. It is a figure which shows the quantity and the energy level of the conduction band bottom.
第1図に示されるように、例えばn型In0.53Ga0.47As
からなる厚さ300Åのサブコレクタ層2上に、n型In
0.53(AlxGa1-x)0.47Asからなり、Al組成のx値が変化し
ている厚さ2000Åのコレクタ層4が形成されている。そ
してこのコレクタ層4上に、i型In0.53(Al0.5Ga0.5)
0.47Asからなる厚さ3000Åのコレクタバリア層6、n型
In0.53Ga0.47Asからなる厚さ300Åのベース層8、i型I
n0.52Al0.48Asからなる厚さ200Åのエミッタバリア層10
及びn型In0.53Ga0.47Asからなる厚さ2000Åのエミッタ
層12が積層され、縦積多層ヘテロ構造となっている。As shown in FIG. 1, for example, n-type In 0.53 Ga 0.47 As
N-type In on the sub-collector layer 2
0.53 consist (Al x Ga 1-x) 0.47 As, the collector layer 4 having a thickness of 2000Å which x value of Al composition is varied is formed. Then, on this collector layer 4, i-type In 0.53 (Al 0.5 Ga 0.5 )
3000Å thick collector barrier layer 6 of 0.47 As, n-type
300 mm thick base layer 8 of In 0.53 Ga 0.47 As, i-type I
n Emitter barrier layer 10 of 200 mm thick consisting of 0.52 Al 0.48 As
And an emitter layer 12 made of n-type In 0.53 Ga 0.47 As and having a thickness of 2000 ° is laminated to form a vertically stacked multilayer hetero structure.
また、サブコレクタ層2、ベース層8及びエミッタ層
12上には、それぞれコレクタ電極14、ベース電極16及び
エミッタ電極18が設けられている。そしてベース電極16
直下のコレクタ層4には、H+(プロトン)、B+(ボロ
ン)又はO+(酸素)等の不活性イオンが注入された不活
性化領域20が形成されている。The sub-collector layer 2, the base layer 8, and the emitter layer
On 12 are provided a collector electrode 14, a base electrode 16 and an emitter electrode 18, respectively. And base electrode 16
Immediately below the collector layer 4, there is formed an inactive region 20 into which an inactive ion such as H + (proton), B + (boron), or O + (oxygen) is implanted.
ここで、第1図のHETを形成する各層の組成は、第1
図(a)に示されるように、サブコレクタ層2、ベース
層8及びエミッタ領域層12においては、それぞれIn0.53
Ga0.47Asである。また、コレクタバリア層6の組成は、
In0.53Ga0.47Asより電子親和力の小さいIn0.53(Al0.5Ga
0.5)0.47Asであり、エミッタバリア層10の組成は、さら
に電子親和力の小さいIn0.52Al0.48Asである。そしてコ
レクタ層4はIn0.53(AlxGa1-x)0.47Asであって、Alの組
成比であるx値はコレクタバリア層6に接している所で
のx=0.5からサブコレクタ層2に接している所でのx
=0に向かって連続的に減少している。即ち、コレクタ
層4はAl組成比が連続的に変化する傾斜層となってい
る。Here, the composition of each layer forming the HET in FIG.
As shown in FIG. 1A, in the subcollector layer 2, the base layer 8, and the emitter region layer 12, In 0.53
Ga 0.47 As. The composition of the collector barrier layer 6 is as follows:
In 0.53 Ga 0.47 less In 0.53 than As electron affinity (Al 0.5 Ga
0.5 ) 0.47 As, and the composition of the emitter barrier layer 10 is In 0.52 Al 0.48 As, which has a smaller electron affinity. The collector layer 4 is In 0.53 (Al x Ga 1-x ) 0.47 As, and the x value, which is the composition ratio of Al, is from x = 0.5 where the collector barrier layer 6 is in contact with the sub-collector layer 2. X where it touches
= 0 continuously decreasing. That is, the collector layer 4 is a gradient layer in which the Al composition ratio changes continuously.
また、これら各層に添加されている例えばSi(シリコ
ン)のドープ量は、第1図(b)に示されるように、そ
れぞれサブコレクタ層2に5×1018cm-3、コレクタ層4
に1×1017cm-3、ベース層8及びエミッタ領域層12に1
×1018cm-3であって、それぞれn型領域を形成してい
る。そしてコレクタバリア層6及びエミッタバリア層10
はSiがドーピングされていないi型のアンドープ層を形
成している。The doping amount of, for example, Si (silicon) added to each of these layers is, as shown in FIG. 1B, 5 × 10 18 cm −3 in the subcollector layer 2, and
1 × 10 17 cm −3 to the base layer 8 and the emitter region layer 12
× 10 18 cm -3 , each forming an n-type region. Then, the collector barrier layer 6 and the emitter barrier layer 10
Forms an i-type undoped layer not doped with Si.
第2図(a)、(b)に示すような組成及びSiのドー
プ量を有する各層の伝導帯底のエネルギー準位は、第2
図(c)に示されるエネルギーバンド図のようになる。
なお、この図では、In0.53Ga0.47Asに1×1018cm-3のSi
がドーピングされ、電子密度が1×1018cm-3の伝導帯底
のエネルギー準位を0eVとして基準にとっている。The energy level of the conduction band bottom of each layer having the composition and the Si doping amount as shown in FIGS.
The energy band diagram is as shown in FIG.
In this drawing, an In 0.53 Ga 0.47 As to 1 × 10 18 cm -3 of Si
Is doped, and the energy level at the bottom of the conduction band having an electron density of 1 × 10 18 cm −3 is defined as 0 eV.
ここで、ベース層8と接するコレクタバリア層6の障
壁の高さは、In0.53Ga0.47AsとIn0.53(Al0.5Ga0.5)0.47
Asとの電子親和力の差に規定されて、0.2〜0.3eV程度と
なっている。また、コレクタ層4の伝導帯底は、In0.53
(AlxGa1-x)0.47AsというAl組成の傾斜層に1×1017cm-3
のSiがドーピングされていることにより、第2図(c)
に示されるように、コレクタバリア層6と接している0.
1eV近傍からサブコレクタ層2における0eV以下に向かっ
て、なだらかに傾斜している。なおこのとき、伝導帯底
にキンクが形成されることもない。Here, the barrier height of the collector barrier layer 6 in contact with the base layer 8 is In 0.53 Ga 0.47 As and In 0.53 (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.47
Specified by the difference in electron affinity with As, it is about 0.2 to 0.3 eV. The conduction band bottom of the collector layer 4 is In 0.53
(Al x Ga 1-x ) 1 × 10 17 cm −3 in the gradient layer of Al composition of 0.47 As
Fig. 2 (c)
As shown in FIG.
The slope is gentle from about 1 eV to 0 eV or less in the subcollector layer 2. At this time, no kink is formed at the bottom of the conduction band.
従って、コレクタ層4と接するコレクタバリア層6の
伝導帯底のエネルギー準位も0.1eV近傍に押し下げられ
ることにより、コレクタバリア層6の伝導帯底はベース
層8からコレクタ層4へ向かって傾斜することになる。
即ちコレクタバリア層6の障壁の高さが、ベース層8か
らコレクタ層4へ向かってグレーデッドに低下する。Therefore, the energy level of the conduction band bottom of the collector barrier layer 6 in contact with the collector layer 4 is also pushed down to around 0.1 eV, so that the conduction band bottom of the collector barrier layer 6 is inclined from the base layer 8 toward the collector layer 4. Will be.
That is, the height of the barrier of the collector barrier layer 6 is gradedly reduced from the base layer 8 to the collector layer 4.
このように、コレクタバリア層6の障壁の高さのグレ
ーデッドな低下により、このコレクタバリア層6に電界
が生じる。従ってエミッタ層12からエミッタバリア層10
を突き抜けてベース層8に注入され、コレクタバリア層
6に到達した電子は、コレクタバリア層6の障壁による
量子力学的反射を受け難くなる。また一度コレクタバリ
ア層6に入った電子がコレクタバリア層6内において散
乱されても、コレクタバリア層6の電界に引っ張られ
て、コレクタ層4に向かう電子の割合が増大し、ベース
−コレクタ間の電圧が低いときにも電流ゲインを得るこ
とができる。Thus, an electric field is generated in the collector barrier layer 6 due to the graded decrease in the barrier height of the collector barrier layer 6. Therefore, from the emitter layer 12 to the emitter barrier layer 10
Are injected into the base layer 8 through the base layer 8 and reach the collector barrier layer 6, so that the electrons are hardly subjected to quantum mechanical reflection by the barrier of the collector barrier layer 6. Further, even if the electrons once entering the collector barrier layer 6 are scattered in the collector barrier layer 6, the ratio of the electrons toward the collector layer 4 is increased by the electric field of the collector barrier layer 6, and the distance between the base and the collector is increased. Even when the voltage is low, a current gain can be obtained.
また、ベース電極16直下のコレクタ層4には不活性イ
オンが注入された不活性化領域20が形成されているが、
例えば第5図に示す従来例においては、In0.53Ga0.47As
からなるコレクタ層28のバンドギャップが小さいため、
不活性イオンを注入して不活性化領域を形成することは
困難であった。An inactive region 20 into which inactive ions are implanted is formed in the collector layer 4 directly below the base electrode 16,
For example, in the conventional example shown in FIG. 5, In 0.53 Ga 0.47 As
The collector layer 28 made of
It has been difficult to form inert regions by implanting inert ions.
ところが、第1の実施例においては、コレクタ層4が
In0.53(AlxGa1-x)0.47AsとAl組成を有していることによ
り、第2図(c)に示されるように、コレクタ層4の伝
導帯底のエネルギー準位が、In0.53Ga0.47Asの場合より
も高くなり、ここでは価電子帯の頂上を図示していない
が、バンドギャップも大きくなる。従ってこのバンドギ
ャップの大きくなったコレクタ層4に、少量の不活性イ
オンを注入して不活性化領域20を形成することが容易に
できる。そしてこの不活性化領域20の形成により、コレ
クタ容量を低減し、HETを高速化することができる。However, in the first embodiment, the collector layer 4
By having In 0.53 (Al x Ga 1-x ) 0.47 As and an Al composition, as shown in FIG. 2C, the energy level at the bottom of the conduction band of the collector layer 4 becomes In 0.53 It is higher than in the case of Ga 0.47 As, and the top of the valence band is not shown here, but the band gap also becomes large. Therefore, it is possible to easily form a passivation region 20 by implanting a small amount of inert ions into the collector layer 4 having the increased band gap. The formation of the passivation region 20 makes it possible to reduce the collector capacitance and speed up the HET.
なお、不活性イオンを注入する際、LSS理論に基づい
てコレクタ層4に選択的に注入するが、それでもベース
層8中に多少の不活性イオンを注入されてしまうため、
予めベース層8に添加するSiのドープ量をコレクタ層4
に添加するSiのドープ量よりも相対的に多くしておくこ
とが望ましい。When the inert ions are implanted, they are selectively implanted into the collector layer 4 based on the LSS theory. However, some inactive ions are implanted into the base layer 8.
The doping amount of Si added to the base layer 8 in advance is
It is desirable to make the amount of doping of Si relatively larger than that of Si added.
次に、コレクタ層4に添加するSiのドープ量が変化し
た場合を、第3図に示す。Next, FIG. 3 shows a case where the doping amount of Si added to the collector layer 4 changes.
第3図(a)は、HETの各層の組成を示しているが、
第2図(a)と全く同じである。そして第3図(b)
に、コレクタ層4に添加するSiのドープ量が±50%変化
して、1.5×1017cm-3と0.5×1017cm-3なっている2つの
場合を示す。このドープ量の±50%の増減に対応して、
第3図(c)に示されるように、コレクタ層4の伝導帯
底のエネルギー準位も低下又は増大しているが、その変
動の程度は僅かである。このため、このコレクタ層4に
連続するコレクタバリア層6の伝導帯底、即ち障壁の高
さも、その変化は極めて小さいものである。FIG. 3 (a) shows the composition of each layer of HET,
This is exactly the same as FIG. And FIG. 3 (b)
2 shows two cases where the doping amount of Si added to the collector layer 4 changes by ± 50% to 1.5 × 10 17 cm −3 and 0.5 × 10 17 cm −3 . In response to ± 50% increase or decrease of this doping amount,
As shown in FIG. 3 (c), the energy level at the bottom of the conduction band of the collector layer 4 also decreases or increases, but the degree of the change is slight. For this reason, the change in the conduction band bottom of the collector barrier layer 6 continuous with the collector layer 4, that is, the height of the barrier is also extremely small.
このように、In0.53(AlxGa1-x)0.47AsにおけるAl組成
のx値が連続的に変化しているコレクタ層4に添加する
Siドープ量に多少の変動があっても、コレクタバリア層
6の障壁の高さがベース層8からコレクタ層4へ向かっ
て低下していることに大きな変化は生じない。即ちドー
プ量の制御に関して寛大である。従って容易に作製する
ことができる。As described above, the additive is added to the collector layer 4 in which the x value of the Al composition in In 0.53 (Al x Ga 1-x ) 0.47 As is continuously changing.
Even if there is some variation in the Si doping amount, no significant change occurs because the barrier height of the collector barrier layer 6 decreases from the base layer 8 toward the collector layer 4. That is, the method is generous with respect to the control of the doping amount. Therefore, it can be easily manufactured.
このように第1の実施例によれば、コレクタ層4に、
In0.53(AlxGa1-x)0.47Asからなり、このx値がコレクタ
バリア層6からサブコレクタ層2に向かって減少してい
る傾斜層を形成すると共に、このコレクタ層4にSiをド
ーピングすることにより、コレクタ層4の伝導帯底をな
だらかに傾斜させると同時にコレクタ層4と接するコレ
クタバリア層6の伝導帯底のエネルギー準位を押し下
げ、コレクタバリア層6の障壁の高さをベース層8から
コレクタ層4へ向かってグレーデッドに低下させること
ができる。Thus, according to the first embodiment, the collector layer 4
In 0.53 (Al x Ga 1-x ) 0.47 As, a gradient layer whose x value decreases from the collector barrier layer 6 toward the sub-collector layer 2 is formed, and the collector layer 4 is doped with Si. By doing so, the conduction band bottom of the collector layer 4 is gently inclined, and at the same time, the energy level of the conduction band bottom of the collector barrier layer 6 in contact with the collector layer 4 is lowered, so that the height of the barrier of the collector barrier layer 6 is reduced to the base layer. 8 to the collector layer 4 can be graded.
従って、コレクタバリア層6に電界が生じて、エミッ
タ層12から注入されてコレクタバリア層6に到達した電
子はコレクタバリア層6の障壁による量子力学的反射を
受け難くなると共に、一度コレクタバリア層6に入った
電子は散乱されてもコレクタバリア層6の電界に引っ張
られてコレクタ層4に向かう電子の割合が増大し、ベー
ス−コレクタ間の電圧が低いときにも電流ゲインを得る
ことができる。Accordingly, an electric field is generated in the collector barrier layer 6, and electrons injected from the emitter layer 12 and reaching the collector barrier layer 6 are hardly subjected to quantum mechanical reflection by the barrier of the collector barrier layer 6. Even if the entered electrons are scattered, they are pulled by the electric field of the collector barrier layer 6 and the ratio of the electrons toward the collector layer 4 increases, so that a current gain can be obtained even when the voltage between the base and the collector is low.
また、コレクタ層4に添加するSiドープ量に多少の変
動があっても、コレクタバリア層6の傾斜した障壁には
大きな変化が生じないため、ドープ量の制御が容易とな
る。Further, even if the amount of Si doping added to the collector layer 4 slightly varies, a large change does not occur in the inclined barrier of the collector barrier layer 6, so that the doping amount can be easily controlled.
さらに、コレクタ層4がAl組成を有していることによ
り、バンドギャップが大きくなるため、ベース電極16直
下のコレクタ層4に少量の不活性イオンを注入して不活
性化領域20を容易に形成することができ、従ってコレク
タ容量を低減し、HETを高速化することができる。Furthermore, since the collector layer 4 has an Al composition, the band gap becomes large, so that a small amount of inert ions are implanted into the collector layer 4 immediately below the base electrode 16 to easily form the inactive region 20. Therefore, the collector capacitance can be reduced and HET can be speeded up.
なお、第1の実施例においては、コレクタ層4全体が
In0.53(AlxGa1-x)0.47AsのAl組成が傾斜している傾斜層
となっているが、この傾斜層をコレクタ層4のコレクタ
バリア層6側のみに部分的に設け、サブコレクタ層2側
はサブコレクタ層2と同じ組成からなるIn0.53Ga0.47As
によって形成してもよい。In the first embodiment, the entire collector layer 4
In 0.53 (Al x Ga 1-x ) 0.47 As is a graded layer in which the Al composition is graded, but this graded layer is partially provided only on the collector barrier layer 6 side of the collector layer 4 and the sub-collector The layer 2 side has the same composition as the sub-collector layer 2 and has In 0.53 Ga 0.47 As
May be formed.
次に、本発明の第2の実施例によるHETを、第4図を
用いて説明する。Next, an HET according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第4図(a)〜(c)は、それぞれ第2の実施例によ
るHETの各層の組成、Siのドープ量及び伝導帯底のエネ
ルギー準位を示す図である。4 (a) to 4 (c) are diagrams respectively showing the composition of each layer of HET, the doping amount of Si, and the energy level at the bottom of the conduction band according to the second embodiment.
上記第1の実施例と同様にして、サブコレクタ層2上
に、コレクタ層22、コレクタバリア層6、ベース層8、
エミッタバリア層10及びエミッタ層12が積層され、縦積
多層ヘテロ構造となっている。そして図示しないが、サ
ブコレクタ層2、ベース層8及びエミッタ層12上には、
それぞれコレクタ電極、ベース電極及びエミッタ電極が
設けられている。そしてベース電極直下のコレクタ層22
には、不活性イオンが注入された不活性化領域が形成さ
れている。As in the first embodiment, a collector layer 22, a collector barrier layer 6, a base layer 8,
The emitter barrier layer 10 and the emitter layer 12 are stacked to form a vertically stacked multilayer hetero structure. Although not shown, on the sub-collector layer 2, the base layer 8, and the emitter layer 12,
Each is provided with a collector electrode, a base electrode, and an emitter electrode. The collector layer 22 directly below the base electrode
Is formed with an inert region into which inert ions are implanted.
このHETを形成する各層の組成は、第4図(a)に示
されるように、サブコレクタ層2、ベース層8及びエミ
ッタ領域層12においては、それぞれIn0.53Ga0.47Asであ
る。また、コレクタバリア層6の組成は、In0.53Ga0.47
Asより電子親和力の小さいIn0.53(Al0.5Ga0.5)0.47Asで
あり、エミッタバリア層10の組成は、さらに電子親和力
の小さいIn0.52Al0.48Asである。As shown in FIG. 4A, the composition of each layer forming the HET is In 0.53 Ga 0.47 As in each of the subcollector layer 2, the base layer 8, and the emitter region layer 12. The composition of the collector barrier layer 6 is In 0.53 Ga 0.47
In 0.53 (Al 0.5 Ga 0.5 ) 0.47 As having an electron affinity smaller than As, and the composition of the emitter barrier layer 10 is In 0.52 Al 0.48 As having a smaller electron affinity.
そしてコレクタ層22は、サブコレクタ層2側に形成さ
れたIn0.53Ga0.47Asからなる平坦層24と、コレクタバリ
ア層6側に形成されたAl組成のx値が階段状に変化する
n型In(AlxGa1-x)0.47Asからなる階段層26とを有してい
る。The collector layer 22 includes a flat layer 24 made of In 0.53 Ga 0.47 As formed on the side of the sub-collector layer 2 and an n-type In layer formed on the side of the collector barrier layer 6 where the x value of the Al composition changes stepwise. And a step layer 26 made of (Al x Ga 1-x ) 0.47 As.
この階段層26におけるIn0.53(AlxGa1-x)0.47Asのx値
はコレクタバリア層6に接している所でのx=0.5から
平坦層24のx=0に向かって階段状に減少している。な
お、この階段層26は、予め組成比を設定したInGaAsとIn
AlAsに対して交互にパルス分子線法を用い、その出力を
制御することにより、In0.53(AlxGa1-x)0.47AsのAlとGa
との組成比を階段状に変化させて形成される。The x value of In 0.53 (Al x Ga 1-x ) 0.47 As in the step layer 26 decreases stepwise from x = 0.5 at the point in contact with the collector barrier layer 6 toward x = 0 in the flat layer 24. doing. The step layer 26 is composed of InGaAs and In
By using the pulse molecular beam method alternately for AlAs and controlling the output, Al and Ga of In 0.53 (Al x Ga 1-x ) 0.47 As
Are formed in such a manner that the composition ratio is changed stepwise.
また、第4図(b)に示される各層に添加されている
Siのドープ量は、第2図(b)に示されるものと全く同
じであり、それぞれサブコレクタ層2に5×1018cm-3、
コレクタ層22に1×1017cm-3、ベース層8及びエミッタ
領域層12に1×1018cm-3であって、それぞれn型領域を
形成している。そしてコレクタバリア層6及びエミッタ
バリア層10はSiがドーピングされていないi型のアンド
ープ層を形成している。Also, it is added to each layer shown in FIG. 4 (b).
The doping amount of Si is exactly the same as that shown in FIG. 2 (b), and 5 × 10 18 cm −3 ,
The collector layer 22 is 1 × 10 17 cm −3 , and the base layer 8 and the emitter region layer 12 are 1 × 10 18 cm −3 , each of which forms an n-type region. The collector barrier layer 6 and the emitter barrier layer 10 form an i-type undoped layer not doped with Si.
第4図(a)、(b)に示すような組成及びドープ量
を有する各層の伝導帯底のエネルギー準位は、第4図
(c)のエネルギーバンド図に示されるようになる。な
おここでは、電子密度が1×1018cm-3の伝導帯底のエネ
ルギー準位を0eVとして基準にとっている。The energy level at the bottom of the conduction band of each layer having the composition and the doping amount as shown in FIGS. 4A and 4B is as shown in the energy band diagram of FIG. 4C. Here, the energy level at the bottom of the conduction band where the electron density is 1 × 10 18 cm −3 is set to 0 eV as a reference.
コレクタ層22の階段層26における伝導帯底は、Al組成
のx値が階段状に変化するn型In(AlxGa1-x)Asに、1×
1017cm-3のSiがドープされていることにより、第4図
(c)に示されるように、コレクタバリア層6と接する
0.1eV近傍から平坦層24に向かって階段状に低下してい
る。そしてこの平坦層24の伝導帯底は、更にサブコレク
タ層2の0eV以下に向かって、キンクを生じることなく
なだらかに傾斜している。The conduction band bottom in the step layer 26 of the collector layer 22 is formed by adding 1 × to the n-type In (Al x Ga 1-x )
By doping with 10 17 cm -3 of Si, as shown in FIG. 4 (c), it comes into contact with the collector barrier layer 6
It decreases stepwise from near 0.1 eV toward the flat layer 24. The bottom of the conduction band of the flat layer 24 is gently inclined toward 0 eV or less of the sub-collector layer 2 without kink.
また、コレクタ層22の階段層26と接するコレクタバリ
ア層6の伝導帯底のエネルギー準位も0.1eV近傍に押し
下げられることにより、第2図(c)に示される上記第
1の実施例の場合と同様に、コレクタバリア層6の障壁
の高さが、ベース層8からコレクタ層22へ向かってグレ
ーデッドに低下する。従って、このコレクタバリア層6
に電界が生じる。Further, the energy level at the conduction band bottom of the collector barrier layer 6 in contact with the step layer 26 of the collector layer 22 is also pushed down to around 0.1 eV, so that in the case of the first embodiment shown in FIG. Similarly, the height of the barrier of the collector barrier layer 6 is gradedly reduced from the base layer 8 to the collector layer 22. Therefore, this collector barrier layer 6
Generates an electric field.
なおこのとき、コレクタ層22の階段層26において伝導
帯底が階段状に低下していることは、コレクタバリア層
6に生じる電界に大きな影響を与えることはない。At this time, the fact that the conduction band bottom is stepwise lowered in the step layer 26 of the collector layer 22 does not significantly affect the electric field generated in the collector barrier layer 6.
また、コレクタ層22の階段層26は、上記第1の実施例
と同様に、バンドギャップが大きくなっているため、少
ない量の不活性イオンを注入して不活性化領域20を形成
することが容易にできる。Since the step gap layer 26 of the collector layer 22 has a large band gap as in the first embodiment, a small amount of inert ions may be implanted to form the inactive region 20. Easy.
従って、第2の実施例によれば、上記第1の実施例に
おけるコレクタ層4のIn0.53(AlxGa1-x)0.47AsのAl組成
のx値が連続的に変化する傾斜層の代わりに、x値が階
段状に変化する階段層26をコレクタバリア層6側のコレ
クタ層22に形成しても、上記第1の実施例と同様の効果
を奏することができる。Therefore, according to the second embodiment, instead of the gradient layer in which the x value of the Al composition of In 0.53 (Al x Ga 1-x ) 0.47 As of the collector layer 4 in the first embodiment changes continuously. In addition, the same effect as in the first embodiment can be obtained even if the step layer 26 in which the x value changes stepwise is formed in the collector layer 22 on the collector barrier layer 6 side.
なお、この階段層26は、コレクタ層22のコレクタバリ
ア層6側に部分的に設けられているが、コレクタ層22の
全体に設けてもよい。The step layer 26 is provided partially on the collector layer 22 side of the collector layer 22, but may be provided on the entire collector layer 22.
また、上記第1及び第2の実施例においては、半導体
材料としてInGaAs−InAlGaAs系を用いているが、これに
限らず、例えばGaAs−AlGaAs系やInGaAsP系であっても
よい。即ち、エミッタ層−エミッタバリア層−ベース層
−コレクタバリア層−コレクタ層の傾斜層又は階段層等
のグレーデッド層−サブコレクタ層として、GaAs−AlAs
−GaAs−Al0.3Ga0.7As−AlxGa1-xAs(x=0.3〜0.0)−
GaAsや、或いはまたIn0.53Ga0.47As−InAlAs−Al0.3Ga
0.7As−InP−(InP)x(InGaAs)1-x(x=1.0〜0.0)
−InGaAs等を用いても、本発明を適用することができ
る。In the first and second embodiments, an InGaAs-InAlGaAs system is used as a semiconductor material. However, the semiconductor material is not limited to this and may be, for example, a GaAs-AlGaAs system or an InGaAsP system. That is, GaAs-AlAs as a sub-collector layer, a graded layer such as an emitter layer, an emitter barrier layer, a base layer, a collector barrier layer, a gradient layer or a step layer of the collector layer, or the like.
−GaAs−Al 0.3 Ga 0.7 As−Al x Ga 1−x As (x = 0.3 to 0.0) −
GaAs and / or In 0.53 Ga 0.47 As-InAlAs-Al 0.3 Ga
0.7 As−InP− (InP) x (InGaAs) 1−x (x = 1.0 to 0.0)
The present invention can be applied to the case where -InGaAs or the like is used.
また、上記第1及び第2の実施例におけるHETは、エ
ミッタバリアとして一層のトンネルバリア層を用いてい
るが、共鳴トンネルバリアを用いた共鳴トンネリングHE
Tであってもよい。Although the HET in the first and second embodiments uses a single tunnel barrier layer as an emitter barrier, a resonance tunneling HE using a resonance tunnel barrier is used.
It may be T.
[発明の効果] 以上のように本発明によれば、コレクタ層の、コレク
タバリア層側の少なくとも一部の領域の組成が、コレク
タバリア層から連続して変化していることにより、電子
親和力の大きさがコレクタバリア層側から厚さ方向に増
大しているため、コレクタ層と接しているコレクタバリ
ア層の伝導帯底のエネルギー準位を押し下げてコレクタ
バリア層の障壁の高さをベース層をコレクタ層へ向かっ
てグレーデッドに低下させることができ、従ってベース
−コレクタ間の電圧が低いときにも電流ゲインを得るこ
とができる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, the composition of at least a part of the collector layer on the collector barrier layer side continuously changes from the collector barrier layer, so that the electron affinity is reduced. Since the size increases in the thickness direction from the collector barrier layer side, the energy level at the bottom of the conduction band of the collector barrier layer in contact with the collector layer is depressed to reduce the height of the barrier of the collector barrier layer to the base layer. It can be graded down toward the collector layer, so that a current gain can be obtained even when the voltage between the base and the collector is low.
また、コレクタ層のバンドギャップが大きくなり、ベ
ース電極直下のコレクタ層に少量の不活性イオンを注入
して不活性化領域を容易に形成することができるため、
コレクタ容量を低減することができる。In addition, the band gap of the collector layer increases, and a small amount of inert ions can be implanted into the collector layer immediately below the base electrode to easily form an inactive region.
The collector capacitance can be reduced.
これにより、特性を向上させると共に高速化を実現す
ることができる。As a result, the characteristics can be improved and the speed can be increased.
第1図は、本発明の第1の実施例によるHETを示す断面
図、 第2図及び第3図は、それぞれ第1図のHETを説明する
ための図、 第4図は、本発明の第2の実施例によるHETを説明する
ための図、 第5図は、従来の半導体装置を説明するための図であ
る。 図において、 2……サブコレクタ層、4、22、28……コレクタ層、
6、30……コレクタバリア層、8……ベース層、10……
エミッタバリア層、12……エミッタ層、14……コレクタ
電極、16……ベース電極、18……エミッタ電極、20……
不活性領域、24……平坦層、26……階段層。FIG. 1 is a sectional view showing an HET according to a first embodiment of the present invention, FIGS. 2 and 3 are diagrams for explaining the HET of FIG. 1, respectively, and FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining the HET according to the second embodiment, and FIG. 5 is a diagram for explaining a conventional semiconductor device. In the figure, 2... Sub-collector layer, 4, 22, 28.
6, 30 ... collector barrier layer, 8 ... base layer, 10 ...
Emitter barrier layer, 12 Emitter layer, 14 Collector electrode, 16 Base electrode, 18 Emitter electrode, 20
Inactive region, 24: flat layer, 26: step layer.
Claims (4)
ベース層が設けられている半導体装置において、 前記コレクタ層の、前記コレクタバリア層側の少なくと
も一部の領域の組成が、電子親和力の大きさが前記コレ
クタバリア層側から厚さ方向に増大するように、前記コ
レクタバリア層から連続して変化している ことを特徴とする半導体装置。1. A semiconductor device in which a base layer is provided on a collector layer via a collector barrier layer, wherein the composition of at least a part of the collector layer on the collector barrier layer side has a large electron affinity. The semiconductor device continuously changes from the collector barrier layer so that the thickness increases in the thickness direction from the collector barrier layer side.
タ層の前記領域の組成比が、厚さ方向に連続的に変化し
ていることを特徴とする半導体装置。2. The semiconductor device according to claim 1, wherein a composition ratio of said region of said collector layer continuously changes in a thickness direction.
タ層の前記領域の組成比が、厚さ方向に階段状に変化し
ていることを特徴とする半導体装置。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein a composition ratio of said region of said collector layer changes stepwise in a thickness direction.
おいて、前記ベース層上に設けられるベース電極下方の
前記コレクタ層に、不活性イオンの注入により不活性領
域が形成されていることを特徴とする半導体装置。4. An apparatus according to claim 1, wherein an inert region is formed in said collector layer below a base electrode provided on said base layer by implanting inert ions. A semiconductor device characterized by the above-mentioned.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1314674A JP2752477B2 (en) | 1989-12-04 | 1989-12-04 | Semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1314674A JP2752477B2 (en) | 1989-12-04 | 1989-12-04 | Semiconductor device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03174774A JPH03174774A (en) | 1991-07-29 |
| JP2752477B2 true JP2752477B2 (en) | 1998-05-18 |
Family
ID=18056184
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1314674A Expired - Lifetime JP2752477B2 (en) | 1989-12-04 | 1989-12-04 | Semiconductor device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2752477B2 (en) |
-
1989
- 1989-12-04 JP JP1314674A patent/JP2752477B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03174774A (en) | 1991-07-29 |
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