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JP2932601B2 - Heterojunction bipolar transistor - Google Patents
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JP2932601B2 - Heterojunction bipolar transistor - Google Patents

Heterojunction bipolar transistor

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JP2932601B2
JP2932601B2 JP2111531A JP11153190A JP2932601B2 JP 2932601 B2 JP2932601 B2 JP 2932601B2 JP 2111531 A JP2111531 A JP 2111531A JP 11153190 A JP11153190 A JP 11153190A JP 2932601 B2 JP2932601 B2 JP 2932601B2
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collector
base
electrons
holes
region
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信治 小林
剛 八木原
浩実 鎌田
貞治 岡
明 三浦
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YOKOKAWA DENKI KK
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は,ホットエレクトロンまたはホットホールを
利用して高速化をはかったヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタ(以下,HBTという)に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION <Industrial Application Field> The present invention relates to a heterojunction bipolar transistor (hereinafter, referred to as an HBT) which is operated at high speed by using hot electrons or hot holes.

<従来の技術> 高速動作を実現する手段として化合物半導体基板上に
この基板に整合する化合物半導体を用いてヘテロ接合バ
イポーラトランジスタを形成したものが知られている。
<Prior Art> As a means for realizing a high-speed operation, a device in which a heterojunction bipolar transistor is formed on a compound semiconductor substrate by using a compound semiconductor matching the substrate is known.

バイポーラトランジスタの速度を決定する大きな要因
としてはエミッタ充電時間とベースおよびコレクタを電
子が通り抜ける走行時間があり,これを短縮することが
バイポーラトランジスタの高速化にとって重要である。
The major factors that determine the speed of the bipolar transistor are the emitter charging time and the transit time during which electrons pass through the base and the collector. Reducing the time is important for increasing the speed of the bipolar transistor.

<発明が解決しようとする課題> しかしながら,従来のHBTにおいてはベース走行時間
及びコレクタ走行時間が電子のドリフト速度で決定づけ
られていて,充分な高速性を引出すまでには至らなかっ
た。
<Problems to be Solved by the Invention> However, in the conventional HBT, the base transit time and the collector transit time are determined by the drift speed of the electrons, and it has not been possible to bring out a sufficiently high speed.

また,正孔は電子に比較して移動度が小さいことから
HBTとしてはnpn型のものが主として作製されており,pnp
型HBTの高速化をはかったデバイスは実現されていなか
った。
Also, holes have lower mobility than electrons.
Npn-type HBTs are mainly manufactured
Devices that speed up the type HBT have not been realized.

本発明は上記従来技術の課題を解決するために成され
たもので,バンド構造を工夫してホットエレクトロンの
みを有効に利用することにより,より高速に動作するHB
Tを実現することを目的とする。
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art. By devising a band structure and effectively using only hot electrons, an HB that operates at a higher speed can be realized.
The purpose is to realize T.

<課題を解決するための手段> 上記従来技術の問題を解決する為の本発明の構成は,
エミッタ領域,ベース領域及びコレクタ領域が形成され
てなるヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて,エ
ミッタからベース領域に注入されて電子若しくは正孔と
なっている余剰エネルギーを持ったホットエレクトロン
若しくはホットホールのうち,前記ベースで散乱を受け
た前記電子若しくは正孔が乗り越えられないように前記
ベースとコレクタ間にコレクタバリア層を形成するとと
もに,このコレクタバリアとコレクタの間に電界ストッ
プ層を形成したことを特徴とするものである。
<Means for Solving the Problems> The configuration of the present invention for solving the above-mentioned problems of the prior art is as follows.
In a heterojunction bipolar transistor in which an emitter region, a base region, and a collector region are formed, the base is selected from hot electrons or hot holes having excess energy which are injected from the emitter into the base region and become electrons or holes. Forming a collector barrier layer between the base and the collector so as to prevent the electrons or holes scattered by the electrode from being crossed, and forming an electric field stop layer between the collector barrier and the collector. It is.

<作用> ベースとコレクタ間にコレクタバリア層を形成するの
でベース部をバリスティックに通過した電子やホールの
みがトランジスタ動作に関与することになり極めて高速
に動作する。
<Operation> Since the collector barrier layer is formed between the base and the collector, only the electrons and holes that have passed ballistically through the base part participate in the transistor operation and operate at an extremely high speed.

さらに,コレクタバリアとコレクタの間に電界ストッ
プ層を設けることにより,コレクタバイアスが大きな場
合にコレクタバリア部でのインターバレー散乱によるエ
レクトロンやホールの走行速度の低下を防止する。
Further, by providing an electric field stop layer between the collector barrier and the collector, it is possible to prevent a decrease in the traveling speed of electrons or holes due to inter-valley scattering in the collector barrier when the collector bias is large.

<実施例> 第1図は本発明のHBTの一実施例を示す積層膜構造を
示す断面図である。図において1はInP基板,2は厚さ500
0Å,不純物濃度1×1019cm-3程度に形成されたn+InGaA
sからなるコレクタ層,3は厚さ5000Å程度のアンドープI
nAl(Ga)Asからなるコレクタバリア層,4は厚さ250〜10
00Å,不純物濃度1〜5×1019程度のp+In(Ga)As層,5
は厚さ1500Å,不純物濃度2〜5×1017程度のInAl(G
a)Asからなるエミッタ層,6は厚さ1500Å,不純物濃度
2×1019程度のn+InGaAsのコンタクト層である。これら
の層厚および不純物の濃度はMBE装置を用いて正確に積
層可能である。7,8,9はそれぞれコレクタ,ベース,エ
ミッタ電極である。また,ここではInGaAs/InAlAs系のH
BTを示したがAlGaAs/GaAs系でも同様である。
<Example> FIG. 1 is a sectional view showing a laminated film structure showing an example of the HBT of the present invention. In the figure, 1 is InP substrate, 2 is thickness 500
0Å, n + InGaA formed to an impurity concentration of about 1 × 10 19 cm -3
s collector layer, 3 is undoped I
Collector barrier layer made of nAl (Ga) As, 4 has a thickness of 250 to 10
Å, an impurity concentration 1 to 5 × 10 19 approximately p + In (Ga) As layer, 5
Is InAl (G) with a thickness of 1500 mm and an impurity concentration of about 2 to 5 × 10 17.
a) The emitter layer 6 made of As is a contact layer of n + InGaAs having a thickness of 1500 mm and an impurity concentration of about 2 × 10 19 . These layer thicknesses and impurity concentrations can be accurately laminated using an MBE apparatus. Reference numerals 7, 8 and 9 denote collector, base and emitter electrodes, respectively. Here, the InGaAs / InAlAs-based H
Although BT is shown, the same applies to AlGaAs / GaAs.

第2図は上記HBTの動作時のバンドダイアグラムを示
すものである。即ち,ベースに正の電圧が印加されトラ
ンジスタがオンの状態になっている時,エミッタ5から
ベースの領域4に注入された電子はエミッタ/ベース間
のバンド不連続分の余剰エネルギーを持ったホットエレ
クトロンとなっている。これらのうち,ベース領域を無
散乱で通過したものがコレクタパリア部に入り極めて高
速にこの領域を通過してコレクタ部に到達する。一方ベ
ースで散乱を受けた電子は,コレクタバリアを乗越える
ことができずにベースで再結合を行う。
FIG. 2 shows a band diagram during the operation of the HBT. That is, when a positive voltage is applied to the base and the transistor is turned on, the electrons injected from the emitter 5 into the base region 4 have hot energy having excess energy corresponding to the band discontinuity between the emitter and the base. It is an electron. Of these, those that have passed through the base region without scattering enter the collector paria section and reach the collector section at an extremely high speed through this area. On the other hand, electrons scattered at the base cannot recede over the collector barrier and recombine at the base.

この結果,ベース/コレクタ部をバリスティックに通
過した電子のみがトランジスタ動作に関与することにな
り極めて高速に動作する。このような構造でベースをIn
Asとし不純物を5×1018cm-3以上の濃度にドープする
と,ベースが金属化しベース抵抗が極めて減少する。
As a result, only electrons that have passed through the base / collector section ballistically participate in the transistor operation and operate at an extremely high speed. In the base with such a structure
If As is doped with impurities to a concentration of 5 × 10 18 cm −3 or more, the base is metallized and the base resistance is extremely reduced.

なお,ベースとしてInAs層を用いた場合は格子歪みが
発生するが,この格子歪みはベース層を250Å以下に薄
くすることにより回避できる。
Note that when an InAs layer is used as a base, lattice distortion occurs. This lattice distortion can be avoided by making the base layer thinner than 250 °.

上記構成によればデバイスの動作にホットエレクトロ
ンしか関与しないので高速動作が実現される。
According to the above configuration, high-speed operation is realized because only hot electrons are involved in the operation of the device.

第3図は第1図に示すHBTをpnp型とした場合の動作時
のバンドダイアグラムを示すものである。即ち,ベース
に正の電圧が印加されトランジスタがオンの状態になっ
ている時,エミッタからベース領域に注入された正孔は
エミッタベース間のバンド不連続に相当する余剰エネル
ギーを持ったホットホールとなっている。これらのう
ち,ベース領域を無散乱で通過した正孔がコレクタパリ
ア部に入り極めて高速にこの領域を通過してコレクタ部
に到達する。一方ベースで散乱を受けた正孔は,コレク
タバリアを乗越えることができずにベースで再結合を行
う。
FIG. 3 shows a band diagram during operation when the HBT shown in FIG. 1 is of the pnp type. That is, when a positive voltage is applied to the base and the transistor is turned on, holes injected from the emitter into the base region become hot holes having excess energy corresponding to band discontinuity between the emitter and the base. Has become. Of these, the holes that have passed through the base region without scattering enter the collector paria portion and reach the collector portion very quickly through this region. On the other hand, holes scattered at the base cannot recede over the collector barrier and recombine at the base.

この結果,ベース/コレクタ部をバリスティックに通
過した正孔のみがトランジスタ動作に関与することにな
り極めて高速に動作する。ところで,上記第1図〜第3
図に示す図においてコレクタバイアスが大きい場合はコ
レクタバリアによるインターバレー散乱により速度の低
下が発生する。第4図はコレクタバイアスが大きいとき
コレクタバリア部で電子が多数回Γ−L散乱を受け,そ
のため動作速度が低下する状態を示すものである。第5
図(a)は第1図に示すHBTのコレクタバリアとコレク
タの間にInGaAsからなるn-層,p層,n-層をそれぞれの厚
さが100Å,20Å,100Å程度に形成し電界ストップ層を設
けた要部断面図,第5図(b)はそのバンドダイアグラ
ムを示すものである。この構成の場合はベース/コレク
タ間の電圧はほとんどが電界ストップ層にかかるためコ
レクタバリア部でのΓ−L散乱が発生しにくくなる。そ
の結果高周波特性が改善されたトランジスタを実現する
ことができる。
As a result, only the holes that have passed through the base / collector portion ballistically participate in the transistor operation, and operate at an extremely high speed. By the way, FIGS.
In the figure, when the collector bias is large, the speed decreases due to the inter-valley scattering caused by the collector barrier. FIG. 4 shows a state in which when the collector bias is large, electrons are subjected to Γ-L scattering many times in the collector barrier portion, so that the operation speed is reduced. Fifth
Figure (a) is composed of InGaAs between the collector barrier and the collector of the HBT shown in FIG. 1 n - layer, p layer, n - each thickness 100Å a layer, 20 Å, the field stop layer is formed to about 100Å FIG. 5 (b) is a band diagram showing the band diagram. In the case of this configuration, most of the voltage between the base and the collector is applied to the electric field stop layer, so that Γ-L scattering in the collector barrier portion is less likely to occur. As a result, a transistor with improved high-frequency characteristics can be realized.

なお,この電界ストップ層はAlGaAs/GaAs系の場合はG
aAs層により形成する。
This electric field stop layer is made of G in the case of AlGaAs / GaAs.
It is formed by an aAs layer.

<発明の効果> 以上実施例とともに具体的に説明した様に本発明によ
れば,HBTのベースとコレクタ間にコレクタバリア層を形
成し,さらにベースとコレクタ間にコレクタバリア層を
形成するとともに,このコレクタバリアとコレクタの間
に電界ストップ層を形成したので超高速動作が可能とな
り,コレクタバイアスが高い場合にもコレクタバリア部
でのΓ−L散乱が発生しにくくなり,その結果高周波特
性が改善されたトランジスタを実現することができる。
<Effect of the Invention> According to the present invention, as specifically described above with the embodiment, a collector barrier layer is formed between the base and the collector of the HBT, and a collector barrier layer is further formed between the base and the collector. Since an electric field stop layer is formed between the collector barrier and the collector, ultra-high-speed operation becomes possible, and even when the collector bias is high, Γ-L scattering at the collector barrier is less likely to occur, resulting in improved high frequency characteristics. Transistor can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明のHBT(npn型)の一実施例を示す積層膜
構造の断面図,第2図は第1図のHBTの動作時のバンド
ダイアグラムを示す図,第3図はpnp型のバンドダイア
グラムを示す図,第4図はコレクタバイアスが大きい時
の本発明のHBTのバンドダイアグラムを示す図,第5図
(a)は本発明のHBTに電界ストップ層を設けた要部断
面図,第5図(b)は電界ストップ層を設けた場合のバ
ンドダイアグラムを示す図である。 1……基板,2……コレクタ層,3……コレクタバリア層,4
……アンドープ層,5……エミッタ層,6……コンタクト
層,10……電界ストップ層。
FIG. 1 is a sectional view of a laminated film structure showing an embodiment of the HBT (npn type) of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a band diagram of the HBT of FIG. 1 during operation, and FIG. Fig. 4 is a diagram showing the band diagram of the HBT of the present invention when the collector bias is large, and Fig. 5 (a) is a cross-sectional view of a main part of the HBT of the present invention provided with an electric field stop layer. FIG. 5 (b) is a diagram showing a band diagram when an electric field stop layer is provided. 1 ... substrate, 2 ... collector layer, 3 ... collector barrier layer, 4
... undoped layer, 5 ... emitter layer, 6 ... contact layer, 10 ... electric field stop layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鎌田 浩実 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横 河電機株式会社内 (72)発明者 岡 貞治 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横 河電機株式会社内 (72)発明者 三浦 明 東京都武蔵野市中町2丁目9番32号 横 河電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−264261(JP,A) 特開 昭64−2359(JP,A) 特開 平1−149465(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 29/68 - 29/737 H01L 21/33 - 21/331 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Hiromi Kamada 2-9-132 Nakamachi, Musashino-shi, Tokyo Yokogawa Electric Corporation (72) Inventor Sadaharu Oka 2-9-132 Nakamachi, Musashino-shi, Tokyo Next to Inside Kawa Electric Co., Ltd. (72) Inventor Akira Miura 2-9-132 Nakamachi, Musashino-shi, Tokyo Yokogawa Electric Co., Ltd. (56) References JP-A-1-264261 (JP, A) JP-A 64-64 2359 (JP, A) JP-A-1-149465 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01L 29/68-29/737 H01L 21/33-21/331

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】エミッタ領域、ベース領域及びコレクタ領
域が形成されてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタ
において、エミッタからベース領域に注入されて電子若
しくは正孔となっている余剰エネルギーを持ったホット
エレクトロン若しくはホットホールのうち、前記ベース
で散乱を受けた前記電子若しくは正孔が乗り越えられな
いように前記ベースとコレクタ間にコレクタバリア層を
形成したことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタ。
In a hetero-junction bipolar transistor having an emitter region, a base region and a collector region formed therein, hot electrons or hot holes having surplus energy injected from an emitter into a base region to become electrons or holes. A hetero-junction bipolar transistor, wherein a collector barrier layer is formed between the base and the collector so that the electrons or holes scattered by the base cannot cross over.
【請求項2】エミッタ領域、ベース領域及びコレクタ領
域が形成されてなるヘテロ接合バイポーラトランジスタ
において、エミッタからベース領域に注入されて電子若
しくは正孔となっている余剰エネルギーを持ったホット
エレクトロン若しくはホットホールのうち、前記ベース
で散乱を受けた前記電子若しくは正孔が乗り越えられな
いように前記ベースとコレクタ間にコレクタバリア層を
形成するとともに、このコレクタバリア層とコレクタの
間に電界ストップ層を形成したことを特徴とするヘテロ
接合バイポーラトランジスタ。
2. A heterojunction bipolar transistor comprising an emitter region, a base region, and a collector region, wherein hot electrons or hot holes having surplus energy, which are injected from the emitter into the base region and become electrons or holes, are provided. Among them, a collector barrier layer was formed between the base and the collector so that the electrons or holes scattered by the base could not get over, and an electric field stop layer was formed between the collector barrier layer and the collector A heterojunction bipolar transistor characterized by the above-mentioned.
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