JP2801646B2 - Heterojunction bipolar transistor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタに係
り、特にそのベース構造に関する。The present invention relates to a heterojunction bipolar transistor, and more particularly to a base structure thereof.
(従来の技術) エミッタ領域をベース領域よりもバンドギャップの大
きい半導体材料で構成するヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタは、ホモ接合トランジスタに比べ、高周波数特
性、スイッチング特性に優れており、マイクロ波用トラ
ンジスタあるいは高周波数用トランジスタとして広く研
究が進められている。(Prior art) A heterojunction bipolar transistor in which the emitter region is made of a semiconductor material having a larger bandgap than the base region has higher frequency characteristics and switching characteristics than a homojunction transistor, and is a microwave transistor or a high-frequency transistor. Research has been widely conducted as a frequency transistor.
特に、半導体材料として、砒化ガリウム(GaAs)や砒
化ガリウムアルミニウム(GaAlAs)を用いたヘテロ接合
バイポーラトランジスタは、キャリアの易動度がシリコ
ン(Si)よりも大きいことから、超高速素子として有望
視されている。In particular, a heterojunction bipolar transistor using gallium arsenide (GaAs) or gallium aluminum arsenide (GaAlAs) as a semiconductor material is promising as an ultra-high-speed device because the mobility of carriers is larger than that of silicon (Si). ing.
しかしながら、GaAsやGaAlAsはSiに比べて高価な上、
脆いため、これらの材料を用いたヘテロ接合バイポーラ
トランジスタはSiを用いたものに比べ大量生産には適さ
ない。However, GaAs and GaAlAs are more expensive than Si, and
Due to their brittleness, heterojunction bipolar transistors using these materials are less suitable for mass production than those using Si.
このような状況から、Siの上にシリコンゲルマニウム
(Si1-XGeX)をベース層に、又、炭化シリコン(Si1-XC
X)をエミッタ層に用いたシリコンヘテロ接合バイポー
ラトランジスタの試作例の報告が最近なされている。Under such circumstances, silicon germanium (Si 1-X Ge X ) is used as a base layer on silicon and silicon carbide (Si 1-X C
There has been recently reported a trial production example of a silicon heterojunction bipolar transistor using X ) as an emitter layer.
ところが、Siとこの上層にヘテロ接合をなすように成
長させるSi化合物との格子定数がある程度以上異なる
と、超高速素子として用いる際に好ましくない格子不整
合や転移、欠陥等が生じ易いという問題がある。However, if the lattice constant of Si and the Si compound grown so as to form a heterojunction in this upper layer differ by a certain degree or more, there is a problem that unfavorable lattice mismatch, transition, defects, etc. tend to occur when used as an ultra-high-speed device. is there.
そこで、成長する各原子の結合にストレインを持た
せ、格子定数を合わせてヘテロ接合界面上に転移、欠陥
等を生じさせないように半導体層を成長させる工夫がな
されている。Therefore, a technique has been devised in which the bonding of each growing atom is provided with a strain, the lattice constant is adjusted, and the semiconductor layer is grown so as not to cause a transition, a defect or the like on the heterojunction interface.
しかしながら、このようにして成長させる半導体層に
は、転移、欠陥を生じさせることなく成長可能な層の厚
さに限界があり、また、格子定数の違いが大きいほど、
このように成長する各原子の結合にストレインを持たせ
て成長できる層の厚さは小さくなるという指摘がなされ
ている。However, the semiconductor layer grown in this way has a limit on the thickness of a layer that can be grown without causing dislocations and defects, and as the difference in lattice constant increases,
It has been pointed out that the thickness of a layer that can be grown by giving a strain to the bond of each growing atom becomes small.
ところで、一般にベース抵抗は、ベース層の厚さに反
比例するため、上述のようにヘテロ接合成長させた層を
ベース層として用いる場合、ある程度の層の厚さがない
と、ベース抵抗が大きくなりトランジスタを高速動作さ
せるには好ましくない。By the way, since the base resistance is generally inversely proportional to the thickness of the base layer, when a layer formed by heterojunction growth is used as the base layer as described above, the base resistance becomes large without a certain thickness of the transistor, and the transistor becomes high. Is not preferable for high-speed operation.
例えば、第8図に示すようなSi/Si1-XGeX/Si系のnpn
型トランジスタについて考察してみる。For example, n / n of Si / Si 1-X Ge X / Si as shown in FIG.
Consider a type transistor.
このヘテロ接合バイポーラトランジスタは、第8図に
示すように、半絶縁性のSi基板101の表面に、コレクタ
コンタクト層としてのn+型Si層102、コレクタ層として
のn-型Si層103、ベース層としてのp型Si0.8Ge0.2層10
4、エミッタ層としてのn-型Si層106、エミッタキャップ
層としてのn+型Si層107が順次エピタキシャル成長せし
められてなるもので、メサエッチングにより電極とりだ
しを行い、各層に対してコレクタ電極123、ベース電極1
22、エミッタ電極121が形成されている。ここで111は酸
化シリコン膜である。As shown in FIG. 8, this heterojunction bipolar transistor has an n + -type Si layer 102 as a collector contact layer, an n -- type Si layer 103 as a collector layer, P-type Si 0.8 Ge 0.2 layer 10 as layer
4.The n - type Si layer 106 as an emitter layer and the n + type Si layer 107 as an emitter cap layer are sequentially grown by epitaxial growth.Electrode extraction is performed by mesa etching, and a collector electrode 123 is formed for each layer. Base electrode 1
22, an emitter electrode 121 is formed. Here, 111 is a silicon oxide film.
つまり、エミッタ領域が、Si、ベース領域がSiよりも
バンドギャップの小さいSi1-XGeXの混晶からなるヘテロ
接合バイポーラトランジスタの場合、Geの占める割合が
大きいほど、ベース層を厚く形成するのは困難であり、
高抵抗となるためベース層としては好ましくない。In other words, in the case of a heterojunction bipolar transistor in which the emitter region is made of a mixed crystal of Si 1-X Ge X whose band gap is smaller than that of Si in the base region, the base layer is formed thicker as the proportion occupied by Ge increases. Is difficult and
It is not preferable as a base layer because of high resistance.
一方、ヘテロ接合バイポーラトランジスタとしての作
用は、ヘテロ接合を構成する異種の半導体材料のバンド
ギャップの差が大きいほど、エミッタ注入効率を上げる
ことができるため、超高速素子として適している。これ
は上述のヘテロ接合バイポーラトランジスタについてい
えば、Geの占める割合が大きいほど、ベース層としては
好ましいことになる。On the other hand, the function as a hetero-junction bipolar transistor is suitable as an ultra-high-speed device because the larger the difference in band gap between different kinds of semiconductor materials forming the hetero-junction, the higher the emitter injection efficiency can be. This means that as for the above-mentioned heterojunction bipolar transistor, the larger the proportion of Ge, the more preferable the base layer.
このように、2つの相反する制約のために、ヘテロ接
合バイポーラトランジスタの高速性を十分に発揮できな
いという問題があった。As described above, there is a problem that the high speed of the heterojunction bipolar transistor cannot be sufficiently exhibited due to the two conflicting restrictions.
しかしながら、第9図に一例を示すように、半絶縁性
のGaAs基板201の表面に、コレクタコンタクト層として
のn+型GaAs層202、コレクタ層としてのn-型GaAs層203、
ベース層としてのp-型AlXGa1-XAs層2041およびp+型AlXG
a1-XAs層2042、エミッタ層としてのn-型AlXGa1-XAs層20
5、エミッタキャップ層としてのn+型GaAs層206が順次エ
ピタキシャル成長せしめられてなるもので、メサエッチ
ングにより電極とりだしを行い、各層に対してコレクタ
電極209、ベース電極208、エミッタ電極207が形成され
たものが提案されている(特開昭63−47974号公報)。However, as shown in FIG. 9, an n + -type GaAs layer 202 as a collector contact layer, an n − -type GaAs layer 203 as a collector layer,
P - type Al X Ga 1-X As layer 204 1 and p + type Al X G as base layers
a 1-X As layer 204 2 , n - type Al X Ga 1-X As layer 20 as emitter layer
5.An n + type GaAs layer 206 as an emitter cap layer is sequentially epitaxially grown.Electrode extraction is performed by mesa etching, and a collector electrode 209, a base electrode 208, and an emitter electrode 207 are formed for each layer. One has been proposed (JP-A-63-47974).
これは、ベース領域内に不純物濃度が階段状に変化す
る領域を設け、エミッタ側で不純物濃度が大きくなるよ
うにする共に、ベース領域2041,2042内のアルミニウム
の組成比Xを0から0.1まで、下から上に向かって徐々
に変化させることにより、ベース抵抗を増大させること
なく、負性微分コレクタ抵抗現象を緩和するようにした
ものである。This is because a region in which the impurity concentration changes stepwise is provided in the base region so that the impurity concentration is increased on the emitter side, and the aluminum composition ratio X in the base regions 204 1 and 204 2 is changed from 0 to 0.1. By gradually changing the resistance from the bottom to the top, the negative differential collector resistance phenomenon is reduced without increasing the base resistance.
しかしながら、この場合は、コレクタ層としてのn型
GaAs層203上にベース層としてのp-型AlXGa1-XAs層2041
を成長せしめることになり、GaAsとAlXGa1-XAsとは格子
定数がほぼ等しく、厚く成長してもSi1-XGeX/Si界面の
場合のようにXを大きくしてGeの組成比を大きくして
も、転移、欠陥が増大するようなことはなく、ベース抵
抗の低減をはかることが可能となる。However, in this case, the n-type
P - type Al X Ga 1-X As layer 204 1 as base layer on GaAs layer 203
GaAs and Al X Ga 1 -X As have almost the same lattice constant, and even if the GaAs is grown thick, X is increased as in the case of the Si 1 -X Ge X / Si interface to increase the Ge Even if the composition ratio is increased, dislocation and defects do not increase, and the base resistance can be reduced.
これに対し、Si1-XGeX/Siのように格子定数の差が数
%もあるようなヘテロ接合の場合、上述したような2つ
の相反する制約は、極めて深刻な問題となる。こは、上
述したSi1-XGeX/Si界面以外にも、GaAs/InXGa1-XAs界面
など格子定数の差が数%も異なるような半導体材料間の
接合を用いた場合は、他の材料を用いたヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタについても同様であり、深刻な問題
となっている。On the other hand, in the case of a heterojunction such as Si 1-X Ge X / Si having a lattice constant difference of several percent, the two conflicting constraints described above become a serious problem. This is because, in addition to the Si 1-X Ge X / Si interface described above, when a junction between semiconductor materials such as a GaAs / In X Ga 1-X As interface having a difference of several% in lattice constant is used. The same applies to a heterojunction bipolar transistor using another material, which is a serious problem.
(発明が解決しようとする課題) このように、格子定数の差が数%もあるようなヘテロ
接合を用いる場合、組成比と厚さとに対する相反する制
約により、ヘテロ接合のメリットを生かしつつ、かつベ
ース抵抗の小さいヘテロ接合バイポーラトランジスタを
得ることは困難であった。(Problems to be Solved by the Invention) As described above, when a heterojunction having a lattice constant difference of several percent is used, conflicting restrictions on the composition ratio and the thickness make use of the advantage of the heterojunction, and It has been difficult to obtain a heterojunction bipolar transistor having a small base resistance.
本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、エミッ
タ領域を構成する半導体材料と異なる格子定数を持つ化
合物半導体材料をベース領域に用いるヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタを制作するに際し、化合物半導体材料
の組成比に制約されることなく、そのデバイス設計上最
適と思われるベース層の厚さを得ることのできるベース
領域構造を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and is intended to produce a heterojunction bipolar transistor using a compound semiconductor material having a lattice constant different from that of a semiconductor material constituting an emitter region for a base region. It is an object of the present invention to provide a base region structure capable of obtaining a base layer thickness which is considered to be optimal in device design without being restricted by the above.
(課題を解決するための手段) 上記目的を達成するため、請求項1記載の発明は、 第1の導電型を有するコレクタ層と、 前記コレクタ層に接して形成された第2の導電型を有
する第1のベース層と、 前記第1のベース層に接して形成された第2の導電型
を有する第2のベース層と、 前記第2のベース層に接して形成された第1の導電型
を有するエミッタ層とを具備するヘテロ接合バイポーラ
トランジスタにおいて、 前記第1のベース層は、 前記エミッタ層と格子定数差の大きいヘテロ結合を形
成し、 前記第2のベース層は、 前記エミッタ層と同じ材料で形成され、かつ、バンド
ギャップナロウイングの効果が顕著に見られる程度の高
濃度に不純物がドープされている ことを特徴とする。(Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 includes a collector layer having a first conductivity type and a second conductivity type formed in contact with the collector layer. A first base layer, a second base layer having a second conductivity type formed in contact with the first base layer, and a first conductive layer formed in contact with the second base layer A heterojunction bipolar transistor having an emitter layer having a type, wherein the first base layer forms a hetero bond having a large lattice constant difference with the emitter layer, and the second base layer is formed with the emitter layer. It is characterized by being formed of the same material and being doped at a high concentration such that the effect of bandgap narrowing is remarkably observed.
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明に
おいて、 前記第1のベース層は、 Si1-XGeX層で構成され、 前記エミッタ層および前記コレクタ層は、 Si層で構成されている ことを特徴とする。Further, an invention according to claim 2, wherein, in the invention according to the first aspect, wherein the first base layer is composed of Si 1-X Ge X layer, the emitter layer and the collector layer is composed of a Si layer It is characterized by having been done.
また、請求項3記載の発明は、請求項1記載の発明に
おいて、 前記第1のベース層は、 InXGa1-XAs層で構成され、 前記エミッタ層および前記コレクタ層は、 GaAs層で構成されている ことを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the first base layer is composed of an In X Ga 1 -X As layer, and the emitter layer and the collector layer are GaAs layers. It is characterized by comprising.
(作用) 上記構成によれば、ベース層のエミッタ領域側にエミ
ッタ領域構成材料と同じ材料を用い、かつバンドギャッ
プナロウイングの効果が顕著に見られる程度高濃度に不
純物をドープした高濃度ベース層を設けるようにしてい
るため、本来のベース領域は薄くてもベース抵抗を低く
することができ、従って、構成する化合物半導体材料の
組成比を変えバンドギャップの差の大きいものとするこ
とが可能となる。(Operation) According to the above configuration, the same material as the emitter region constituent material is used on the emitter region side of the base layer, and the high concentration base layer is doped with impurities at such a high concentration that the effect of band gap narrowing is remarkably observed. Is provided, the base resistance can be reduced even if the original base region is thin, and therefore, it is possible to change the composition ratio of the compound semiconductor material to constitute and make the difference in band gap large. Become.
このように、バンドギャップの差を大きいものとする
ことにより、ベース領域からエミッタ領域へのキャリア
の逆注入を抑制する作用を呈する上狭い領域で大きくバ
ンドギャップが変わるため、キャリアの加速電界も大き
くなり、高速性を十分に引き出すことができ、超高速素
子としての性能を高めることが可能となる。As described above, by increasing the difference in band gap, the band gap changes greatly in a narrow region that acts to suppress reverse injection of carriers from the base region to the emitter region. Therefore, the high-speed operation can be sufficiently brought out, and the performance as an ultra-high-speed element can be improved.
一方、この高濃度ベース層を設けない場合、ベース領
域を構成する半導体材料はエミッタ領域を構成する半導
体材料とのバンドギャップの差の大きいものを用いたい
が、その場合、転移、欠陥をヘテロ接合界面に生じるこ
となく形成することができる層の膜厚の限界は薄いた
め、ベース全体の抵抗が増大して高速性を発揮できなく
なる。このため本来のベース領域を構成するのに望まし
い化合物半導体材料の組成比に対する制約を受けること
になる。On the other hand, when this high concentration base layer is not provided, it is desirable to use a semiconductor material constituting the base region having a large difference in band gap from the semiconductor material constituting the emitter region. Since the limit of the thickness of the layer that can be formed without being generated at the interface is small, the resistance of the entire base increases, and high-speed operation cannot be exhibited. For this reason, there is a restriction on the composition ratio of the compound semiconductor material that is desirable for forming the original base region.
このように、本発明の構成によれば、本来のベース領
域を構成するのに望ましい化合物半導体材料の組成比に
対する制約を受けることなく、かつヘテロ接合バイポー
ラトランジスタ設計上最適なベース領域の厚さを得るこ
とができ、ベース抵抗の低い超高速素子の形成が可能と
なる。As described above, according to the configuration of the present invention, the thickness of the base region that is optimal for the heterojunction bipolar transistor design can be reduced without being restricted by the composition ratio of the compound semiconductor material that is desirable for forming the original base region. As a result, an ultrahigh-speed device having a low base resistance can be formed.
(実施例) 以下、本発明実施例のヘテロ接合バイポーラトランジ
スタについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。Hereinafter, a heterojunction bipolar transistor according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
このヘテロ接合バイポーラトランジスタは、第1図に
示すように、Si/Si1-XGeX/Si系のnpn型トランジスタで
あり、ベース層をp-型Si0.7Ge0.3からなる第1のベース
層4とp+型Siからなる高濃度の第2のベース層5とで構
成したことを特徴とするものである。As shown in FIG. 1, this heterojunction bipolar transistor is a Si / Si 1-X Ge X / Si-based npn transistor, and has a base layer made of a p - type Si 0.7 Ge 0.3 first base layer. 4 and a high-concentration second base layer 5 made of p + -type Si.
すなわち、このヘテロ接合バイポーラトランジスタ
は、p-型のSi基板1の表面に、コレクタコンタクト層と
してのn+型Si層2、コレクタ層としてのn-型Si層3、第
1のベース層としてのp-型Si0.7Ge0.3層4および第2の
ベース層としてのp+型Si層5、エミッタ層としてのn-型
Si層6、エミッタキャップ層としてのn+型Si層7が順次
エピタキシャル成長せしめられてなるもので、メサエッ
チングにより電極とりだしを行い、各層に対してコレク
タ電極23、ベース電極22、エミッタ電極21が形成されて
いる。ここで20は酸化シリコン膜である。That is, in this heterojunction bipolar transistor, an n + -type Si layer 2 as a collector contact layer, an n -- type Si layer 3 as a collector layer, and a first base layer as a first base layer are formed on the surface of a p − -type Si substrate 1. p − -type Si 0.7 Ge 0.3 layer 4, p + -type Si layer 5 as a second base layer, and n − -type as an emitter layer
An Si layer 6 and an n + -type Si layer 7 as an emitter cap layer are successively epitaxially grown. Electrodes are taken out by mesa etching, and a collector electrode 23, a base electrode 22, and an emitter electrode 21 are formed for each layer. Have been. Here, reference numeral 20 denotes a silicon oxide film.
次に、このヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造
工程について説明する。Next, a manufacturing process of the hetero junction bipolar transistor will be described.
まず、第2図(a)に示すように、p-型のSi基板の表
面に、コレクタコンタクト層として不純物濃度1×1020
cm-3膜厚1000ÅのアンチモンSbドープのn+型Si層2、コ
レクタ層として不純物濃度1×1017cm-3膜厚5000Åのn-
型Si層3をエピタキシャル成長させる。First, as shown in FIG. 2A, an impurity concentration of 1 × 10 20 is formed on the surface of a p − -type Si substrate as a collector contact layer.
Antimony Sb-doped n + -type Si layer 2 having a thickness of 1000 cm −3 and a collector layer having an impurity concentration of 1 × 10 17 cm −3 and a thickness of 5000 −
The type Si layer 3 is epitaxially grown.
続いて、第2図(b)に示すように、第1のベース層
として不純物濃度1×1018cm-3膜厚500Åの硼素Bドー
プのp-型Si0.7Ge0.3層4、第2のベース層として不純物
濃度1×1019cm-3膜厚500Åの硼素Bドープのp+型Si層
5をエピタキシャル成長させる。Subsequently, as shown in FIG. 2B, a boron B-doped p - type Si 0.7 Ge 0.3 layer 4 having an impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 and a film thickness of 500 ° was formed as a first base layer. As a base layer, a boron B-doped p + -type Si layer 5 having an impurity concentration of 1 × 10 19 cm −3 and a film thickness of 500 ° is epitaxially grown.
そして、第2図(c)に示すように、さらにエミッタ
層として不純物濃度1×1017cm-3膜厚1500Åのヒ素Asド
ープのn-型Si層6およびエミッタキャップ層として不純
物濃度1×1020cm-3膜厚500Åのn+型Si層7を順次エピ
タキシャル成長させる。Then, as shown in FIG. 2 (c), an arsenic As-doped n - type Si layer 6 having an impurity concentration of 1 × 10 17 cm −3 and a film thickness of 1500 ° is further provided as an emitter layer, and an impurity concentration of 1 × 10 7 is provided as an emitter cap layer. An n + -type Si layer 7 having a thickness of 20 cm −3 and a thickness of 500 ° is sequentially epitaxially grown.
次に、このようにして各エピタキシャル成長層の形成
されたシリコン基板に対し、ベース電極形成領域を第2
のベース層としてのp+型Si層5に達するまでエッチング
すると共に、コレクタ電極形成領域をコレクタコンタク
ト層としてのn+型Si層2に達するまでエッチングしたの
ち、CVD法により、基板表面全体に酸化シリコン膜20を
堆積し、エミッタ,ベース,コレクタへのコンタクトの
ためにこの領域の酸化シリコン膜を選択的にエッチング
除去する(第2図(d))。Next, a base electrode formation region is formed on the silicon substrate on which each epitaxial growth layer is formed in the second manner.
After etching until the p + -type Si layer 5 as a base layer is reached, and the collector electrode formation region is also etched until the n + -type Si layer 2 as a collector contact layer, the entire surface of the substrate is oxidized by CVD. A silicon film 20 is deposited, and the silicon oxide film in this region is selectively removed by etching for contact with the emitter, base and collector (FIG. 2 (d)).
そして最後に、アルミニウム層からなるエミッタ電極
21,ベース電極22,コレクタ電極23を形成し、第1図に示
したようなヘテロ接合バイポーラトランジスタが完成す
る。Finally, an emitter electrode made of aluminum
21, a base electrode 22, and a collector electrode 23 are formed to complete a heterojunction bipolar transistor as shown in FIG.
このようにして形成されたヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタのバンド構造図を第3図に示す。この図から
も、ベース・エミッタ間のバンドギャップが大きく形成
されていることが分る。FIG. 3 shows a band structure diagram of the heterojunction bipolar transistor thus formed. This figure also shows that the band gap between the base and the emitter is large.
比較のために、第8図に示した従来例のヘテロ接合バ
イポーラトランジスタすなわちベース領域を不純物濃度
1×1018cm-3膜厚1000Åの硼素Bドープのp-型Si0.8Ge
0.2層に変え、他部については第1図に示した本発明実
施例のヘテロ接合バイポーラトランジスタと全く同様に
形成したもののバンド構造図を第4図に示す。これらの
比較からも、本発明実施例のヘテロ接合バイポーラトラ
ンジスタのベース・エミッタ間のバンドギャップが大幅
に大きく形成されていることが分る。For comparison, the conventional heterojunction bipolar transistor shown in FIG. 8, that is, the base region is made of boron B-doped p - type Si 0.8 Ge having an impurity concentration of 1 × 10 18 cm −3 and a thickness of 1000 °.
Changed to 0.2 layers, for the other part showing a band structure diagram but was exactly as forming the heterojunction bipolar transistor of the present invention embodiment shown in FIG. 1 in Figure 4. These comparisons also show that the band gap between the base and the emitter of the heterojunction bipolar transistor according to the embodiment of the present invention is significantly large.
さらに上記実施例のヘテロ接合バイポーラトランジス
タと上記従来例のヘテロ接合バイポーラトランジスとの
カットオフ周波数とコレクタ電流の関係を数値計算した
結果を第5図に示す。曲線aは本発明のヘテロ接合バイ
ポーラトランジスタの特性を示し、曲線bは従来例のヘ
テロ接合バイポーラトランジスタの特性を示す。FIG. 5 shows the results of numerical calculation of the relationship between the cutoff frequency and the collector current between the heterojunction bipolar transistor of the above embodiment and the heterojunction bipolar transistor of the conventional example. Curve a shows the characteristics of the heterojunction bipolar transistor of the present invention, and curve b shows the characteristics of the conventional heterojunction bipolar transistor.
この図からわかるように、エミッタ・コレクタ間電圧
が1.5Vであるとき、キャリアのベース走行時間は、本発
明の実施例のヘテロ接合バイポーラトランジスタでは9.
08psecとなっているのに対し、上記従来例のヘテロ接合
バイポーラトランジスタでは、14.3psecとなっており、
5.22psecも短くなっている。また、ベース領域全体の抵
抗は、本発明実施例のヘテロ接合バイポーラトランジス
タでは575オームとなっているのに対し、上記従来例の
ヘテロ接合バイポーラトランジスタでは、1205オームと
なっており、ベース抵抗も大幅に低減されていることが
わかる。As can be seen from this figure, when the emitter-collector voltage is 1.5 V, the base transit time of the carrier is 9.9 in the heterojunction bipolar transistor according to the embodiment of the present invention.
In contrast to 08 psec, the conventional heterojunction bipolar transistor described above has 14.3 psec,
5.22psec is also shorter. The resistance of the entire base region is 575 ohms in the heterojunction bipolar transistor according to the embodiment of the present invention, whereas it is 1205 ohms in the above-described conventional heterojunction bipolar transistor. It can be seen that it has been reduced.
このように、本発明実施例のヘテロ接合バイポーラト
ランジスタは、十分に高速性を発揮し、高性能を呈して
いる。As described above, the heterojunction bipolar transistor according to the embodiment of the present invention exhibits sufficiently high speed and high performance.
次に、本発明の第2の実施例として、化合物半導体を
用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタにの一例につ
いて説明する。Next, as a second embodiment of the present invention, an example of a heterojunction bipolar transistor using a compound semiconductor will be described.
このヘテロ接合バイポーラトランジスタは、第6図に
示すように、GaAs/AlXGa1-XAs系のnpn型トランジスタで
あり、ベース層をp-型In0.1Ga0.9Asからなる第1のベー
ス層14とp+型GaAsからなる高濃度の第2のベース層15と
で構成したことを特徴とするものである。The heterojunction bipolar transistor, as shown in FIG. 6, a GaAs / Al X Ga 1-X As system npn type transistor, a base layer p - first base layer made of type In 0.1 Ga 0.9 As 14 and a high-concentration second base layer 15 made of p + -type GaAs.
すなわち、このヘテロ接合バイポーラトランジスタ
は、半絶縁性のGaAs基板11の表面に、コレクタコンタク
ト層として膜厚3000Å、不純物濃度5×1018cm-3のn+型
GaAs層12、コレクタ層として膜厚5000Å、不純物濃度5
×1016cm-3のn-型GaAs層13、第1のベース層として膜厚
300Å、不純物濃度1×1019cm-3のp-型In0.1Ga0.9As層1
4および第2のベース層として膜厚700Å、不純物濃度5
×1018cm-3のp+型GaAs層15、エミッタ層として膜厚1500
Å、不純物濃度5×1017cm-3のn-型Al0.3Ga0.7As層6、
エミッタキャップ層として膜厚500Å、不純物濃度5×1
018cm-3のn+型GaAs層17が順次エピタキシャル成長せし
められてなるもので、メサエッチングにより電極とりだ
しを行い、各層に対してコレクタ電極23、ベース電極2
2、エミッタ電極21が形成されている。ここで20は酸化
シリコン膜である。That is, this heterojunction bipolar transistor is an n + -type transistor having a thickness of 3000 Å and an impurity concentration of 5 × 10 18 cm -3 as a collector contact layer on the surface of a semi-insulating GaAs substrate 11.
GaAs layer 12, 5000 膜厚 thick as collector layer, impurity concentration 5
× 10 16 cm -3 n - type GaAs layer 13, film thickness as first base layer
300Å, p - type In 0.1 Ga 0.9 As layer 1 with impurity concentration 1 × 10 19 cm -3
4 and a second base layer having a thickness of 700 Å and an impurity concentration of 5
× 10 18 cm -3 p + type GaAs layer 15, thickness 1500 as emitter layer
N, n - type Al 0.3 Ga 0.7 As layer 6 with an impurity concentration of 5 × 10 17 cm -3 ,
Emitter cap layer has a thickness of 500mm and an impurity concentration of 5x1
An n + -type GaAs layer 17 of 18 cm −3 is epitaxially grown in sequence. Electrodes are taken out by mesa etching, and a collector electrode 23 and a base electrode 2
2. An emitter electrode 21 is formed. Here, reference numeral 20 denotes a silicon oxide film.
製造に際しては、前記第1の実施例と同様である。 The manufacturing is the same as in the first embodiment.
このヘテロ接合バイポーラトランジスタによれば、In
XGa1-XAs中のキャリアの易動度がGaAs中のキャリアの易
動度よりも大きいため、このInXGa1-XAs層を設けたベー
スはGaAsのみで構成したものに比べ電気抵抗が小さく高
速動作に適したものとなっている。また、InXGa1-XAs中
のキャリアの易動度は前記第1の実施例で用いたSiXGe
1-X中のキャリアの易動度よりも大きいため、このヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタは、より高速動作に適し
たものとなっている。According to this heterojunction bipolar transistor, In
Since the mobility of the carrier in X Ga 1-X As is larger than the mobility of the carrier in GaAs, the base provided with the In X Ga 1-X As layer has a higher electrical conductivity than that formed of only GaAs. The resistance is small and suitable for high-speed operation. The mobility of the carrier in In X Ga 1 -X As is the same as that of Si X Ge used in the first embodiment.
Since the mobility is larger than the mobility of carriers in 1-X , the heterojunction bipolar transistor is more suitable for high-speed operation.
なお、前記実施例では、エミッタが最上層にあるいわ
ゆるエミッタトップ構造のヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタについて説明したが、第7図に示すように、コレ
クタ層33が最上層にあるいわゆるコレクタトップ構造の
ヘテロ接合バイポーラトランジスタについても適用可能
であることはいうまでもない。この場合、エミッタ層36
の上層にこれとヘテロ接合を形成するベース層を成長さ
せなければならないが、まず高濃度ベース層35を所望の
厚さに成長したのち、ヘテロ接合をなすように薄い主ベ
ース層34を形成すれば良い。このようにして格子不整合
や格子欠陥の発生もなく低抵抗のベース層を得ることが
できかつ特性の向上をはかることが可能となる。31はp-
型シリコン基板、32はn+型シリコン層からなるコレクタ
コンタクト層、37はn+型シリコン層からなるエミッタコ
ンタクト層である。In the above-described embodiment, the so-called emitter-top structure heterojunction bipolar transistor in which the emitter is in the uppermost layer has been described. However, as shown in FIG. 7, the so-called collector-top structure heterojunction bipolar transistor in which the collector layer 33 is in the uppermost layer. It goes without saying that the present invention is also applicable to a bipolar transistor. In this case, the emitter layer 36
A base layer that forms a heterojunction with this must be grown on the upper layer.First, a high-concentration base layer 35 is grown to a desired thickness, and then a thin main base layer 34 is formed to form a heterojunction. Good. In this way, a low-resistance base layer can be obtained without occurrence of lattice mismatch or lattice defect, and characteristics can be improved. 31 p -
-Type silicon substrate, 32 denotes a collector contact layer made of n + -type silicon layer 37 is the emitter contact layer made of n + -type silicon layer.
さらに、前記実施例では、ダブルヘテロ構造のHBTに
ついて説明したが、シングルヘテロ構造のHBTにも適用
可能である。Further, in the above embodiment, the HBT having the double hetero structure has been described, but the present invention is also applicable to the HBT having the single hetero structure.
また、前記実施例では、Si系ヘテロ接合バイポーラト
ランジスタおよびGaAs系ヘテロ接合バイポーラトランジ
スタについて説明したが、これらに限定されるものでは
なく、他の化合物半導体層からなるHBTにも適用可能で
ある。In the above-described embodiment, the description has been given of the Si-based heterojunction bipolar transistor and the GaAs-based heterojunction bipolar transistor. However, the present invention is not limited to these, and can be applied to an HBT including another compound semiconductor layer.
以上説明してきたように、本発明によれば、ベース層
のエミッタ領域側にエミッタ領域構成材料と同じ材料を
用い、かつバンドギャップナロウイングの効果が顕著に
見られる程度高濃度に不純物をドープした高濃度ベース
層を設けるようにしているため、ベース抵抗が小さく、
超高速素子としての性能の高いヘテロ接合バイポーラト
ランジスタを提供することが可能となる。As described above, according to the present invention, the same material as the emitter region constituting material is used on the emitter region side of the base layer, and impurities are doped at such a high concentration that the effect of band gap narrowing is remarkably observed. Since the high concentration base layer is provided, the base resistance is small,
It is possible to provide a heterojunction bipolar transistor having high performance as an ultra-high speed element.
第1図は本発明実施例のヘテロ接合バイポーラトランジ
スタを示す図、第2図(a)乃至第2図(d)は同ヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタの製造工程図、第3図お
よび第4図はそれぞれ本発明実施例および従来例のヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタのバンド構造図、第5図
は本発明実施例および従来例のヘテロ接合バイポーラト
ランジスタのをカットオフ周波数を示す図、第6図は本
発明の他の実施例のヘテロ接合バイポーラトランジスタ
を示す図、第7図は、本発明の他の実施例のコレクタト
ップ構造のヘテロ接合バイポーラトランジスタを示す
図、第8図および第9図はそれぞれ従来例のヘテロ接合
バイポーラトランジスタを示す図である。 1……p-型Si基板、2……n+型Si層(コレクタコンタク
ト層)、3……n-型Si層(コレクタ層)、4……p-型Si
1-XGeX(ベース層)、5……p+型Si層(項濃度ベース
層)、6……n-型Si層(エミッタ層)、7……n+型Si層
(エミッタキャップ層)、11……GaAs基板、12……(コ
レクタコンタクト層)n+型GaAs層、13……(コレクタ
層)n-型GaAs層、14……(第1のベース層)p-型In0.1G
a0.9As層、15……(第2のベース層)p+型GaAs層、16…
…(エミッタ層)n-型Al0.3Ga0.7As層、17……(エミッ
タキャップ層)n+型GaAs層、20……酸化シリコン層、21
……エミッタ電極、22……ベース電極、23……コレクタ
電極、33……コレクタ層、34……主ベース層、35……高
濃度ベース層、36……エミッタ層、101……p-型のSi基
板、102……(コレクタコンタクト層)n+型Si層、103…
…(コレクタ層)n-型Si層、104……(ベース層)p-型S
i0.8Ge0.2層、106……(エミッタ層)n-型Si層、107…
…(エミッタキャップ層)n+型Si層、201……GaAs基
板、202……(コレクタコンタクト層)n+型GaAs層、203
……(コレクタ層)n型GaAs層、2041……(ベース層)
p-型AlXGa1-XAs層、2042……p+型AlXGa1-XAs層、205…
…(エミッタ層)n型AlXGa1-XAs層、206……(エミッ
タキャップ層)n+型GaAs層、207……エミッタ電極、208
……ベース電極、209……コレクタ電極。FIG. 1 is a view showing a heterojunction bipolar transistor according to an embodiment of the present invention, FIGS. 2 (a) to 2 (d) are views showing a manufacturing process of the same heterojunction bipolar transistor, and FIGS. FIG. 5 is a diagram showing the cutoff frequency of the heterojunction bipolar transistor according to the embodiment of the present invention and the conventional heterojunction bipolar transistor. FIG. FIG. 7 is a diagram showing a heterojunction bipolar transistor having a collector top structure according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 8 and 9 are diagrams showing a conventional heterojunction bipolar transistor. FIG. 3 is a diagram showing a junction bipolar transistor. 1 ... p - type Si substrate, 2 ... n + type Si layer (collector contact layer), 3 ... n - type Si layer (collector layer), 4 ... p - type Si layer
1-X Ge X (base layer), 5... P + type Si layer (term concentration base layer), 6... N − type Si layer (emitter layer), 7... N + type Si layer (emitter cap layer) ), 11 ... GaAs substrate, 12 ... (collector contact layer) n + type GaAs layer, 13 ... (collector layer) n - type GaAs layer, 14 ... (first base layer) p - type In 0.1 G
a 0.9 As layer, 15 ... (second base layer) p + type GaAs layer, 16 ...
... (emitter layer) n - -type Al 0.3 Ga 0.7 As layer, 17 ... (emitter cap layer) n + -type GaAs layer, 20 ... silicon oxide layer, 21
... Emitter electrode, 22 Base electrode, 23 Collector electrode, 33 Collector layer, 34 Main base layer, 35 High-concentration base layer, 36 Emitter layer, 101 p - type Si substrate, 102 ... (collector contact layer) n + type Si layer, 103 ...
... (collector layer) n - type Si layer, 104 ... (base layer) p - type S
i 0.8 Ge 0.2 layer, 106 ... (emitter layer) n - type Si layer, 107 ...
... (emitter cap layer) n + type Si layer, 201 ... GaAs substrate, 202 ... (collector contact layer) n + type GaAs layer, 203
... (collector layer) n-type GaAs layer, 204 1 ... (base layer)
p - type Al X Ga 1 -X As layer, 204 2 …… p + type Al X Ga 1 -X As layer, 205…
… (Emitter layer) n-type Al X Ga 1 -X As layer, 206… (emitter cap layer) n + GaAs layer, 207… emitter electrode, 208
…… base electrode, 209 …… collector electrode.
Claims (3)
る第1のベース層と、 前記第1のベース層に接して形成された第2の導電型を
有する第2のベース層と、 前記第2のベース層に接して形成された第1の導電型を
有するエミッタ層とを具備するヘテロ接合バイポーラト
ランジスタにおいて、 前記第1のベース層は、 前記エミッタ層と格子定数差の大きいヘテロ結合を形成
し、 前記第2のベース層は、 前記エミッタ層と同じ材料で形成され、かつ、バンドギ
ャップナロウイングの効果が顕著に見られる程度の高濃
度に不純物がドープされている ことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。1. A collector layer having a first conductivity type, a first base layer having a second conductivity type formed in contact with the collector layer, and a contact layer formed in contact with the first base layer A hetero-junction bipolar transistor comprising: a second base layer having a second conductivity type; and an emitter layer having a first conductivity type formed in contact with the second base layer; The base layer forms a hetero bond having a large lattice constant difference with the emitter layer, the second base layer is formed of the same material as the emitter layer, and a remarkable effect of band gap narrowing is observed. A hetero-junction bipolar transistor, characterized in that the impurity is doped at a high concentration.
トランジスタ。2. The device according to claim 1, wherein the first base layer is formed of a Si 1-X Ge X layer, and the emitter layer and the collector layer are formed of a Si layer. Heterojunction bipolar transistor.
トランジスタ。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the first base layer is composed of an In X Ga 1 -X As layer, and the emitter layer and the collector layer are composed of a GaAs layer. Heterojunction bipolar transistor.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP1145755A JP2801646B2 (en) | 1989-06-08 | 1989-06-08 | Heterojunction bipolar transistor |
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| JPH03108723A JPH03108723A (en) | 1991-05-08 |
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| EP0384113A3 (en) * | 1989-02-22 | 1990-10-24 | Motorola, Inc. | Multilayer base heterojunction biopolar transistor |
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