JPH0586658B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、バイポーラトランジスタ、パーミア
ブルベーストランジスタ、プレーナドープト障壁
トランジスタのごとき３端子型半導体固体装置に
関し、更に詳細には、近弾動的電子運動
（mearballistic electron motion）を許容するご
とくエミツタ−ベース障壁が形成され、非常に高
速で動作可能な半導体装置に関する。

（背景技術） 電流がエミツタからベースを介しコレクタに流
れ、この電流の流れがベース電流またはベース電
圧により調整されるような「垂直構造」を有する
半導体装置では、電荷キヤリヤを該装置を介して
移動させる拡散機構のため、高周波領域において
制限が生じてくる。この拡散の制限はベース領域
の厚さを減少させることにより低減させることが
可能であるが、このような低減はベース抵抗を増
加させ好ましくない。更に、通常のバイポーラへ
テロ接合半導体装置では電子が小さい熱エネルギ
ー（約26meV）でベース領域に注入されるため、
上述のベース領域の厚さの減少によつては拡散機
構の制限は完全には除去されない。従つて、この
種の装置を高周波、とりわけマイクロ波周波数領
域用に製造することは完全には成功していなかつ
た。

エサキ（Esaki）氏に付与された米国特許第
3209215号は、狭いベース領域が与えられている
が、エミツタ、ベース及びコレクタは同じ導電形
であるヘテロ接合半導体装置が開示されている先
願特許である。この特許には、トンネル効果が発
生する構造が開示れているが、反対の導電形を有
するベースを具備するヘテロ接合トリオードの使
用についての考えは何ら開示されていない。

ハーブラム（Herblum）氏に付与された米国
特許第4286275号は３端子半導体装置に関し、大
きなスイツチング速度を得るための構造に向けら
れている。この特許は電荷キヤリヤの拡散運動の
制限を認識し、優勢な電流注入機構がトンネル効
果によるものとなるようにエミツタ（またはキヤ
リヤ注入領域）の障壁の高さ及び幅を選択するこ
とによりこの問題を解決している。

チヤン（Chaing）氏等に付与された米国特許
第4173763号は、高速動作可能な装置を提供する
ために100Å以下の厚さのベースが使用され、エ
ミツタからコレクタへのトンネルを形成するごと
きヘテロ接合トランジスタに関している。

上述の先行特許には、拡散機構の制限が知られ
ていること及び多くの試みが高周波数で動作する
トランジスタを製造するため種々の構造により上
記の問題点を克服するべくなされていることが示
されているが、これらの先行特許はキヤリヤの弾
動輸送または近弾動輸送が動作速度を改善するた
めに使用できることを提示していない。

GaAsバイポーラトランジスタの薄いベース内
における弾動運動がロール（Rohr）氏等により
提示されているが（SSE17，729頁、1974年参
照）、彼らは、電子が上方の谷部に散乱されるご
とき散乱効果が高エネルギー運動により導びかれ
るという事実を考慮しておらず、またポテンシヤ
ル障壁が電子を放出するために使用できるという
事実を認識しておらず、更にこのような運動が高
速動作を得るための拡散制限の問題を解決するた
めに使用されている事実をみすごしている。

（発明の課題） 本発明の目的は、拡散機構の制限を克服する、
高速動作可能な３端子型ヘテロ接合バイポーラ半
導体装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、エミツタ領域及びコレク
タ領域と反対の導電形で形成されたベース領域を
有し、ベース領域の厚さが少数キヤリヤの平均自
由行程の長さ程度であり、キヤリヤがエミツタ−
ベース・ヘテロ接合の伝導帯不連続部により生じ
た障壁によりエミツタ領域からベース領域に注入
されるごときバリステイツクヘテロ接合バイポー
ラトランジスタを提供することにある。

本発明の更に別の目的は、拡散機構による制限
を、電子を上方のエネルギー谷部に散乱させるエ
ネルギーに近いがそれ以下であるエネルギーに加
速する役割をするエミツタ−ベース界面障壁を付
与することにより克服した高速動作可能なヘテロ
接合バイポーラトランジスタを提供することにあ
る。

本発明の更に別の目的は、散乱なしで近弾動電
子運動を許容するエミツタ−ベース障壁を有する
バリステイツクヘテロ接合バイポーラトランジス
タを提供することにある。

簡単に言えば、本発明は、エミツタ−ベース接
合がGaAlAs−GaAs接合もしくは他の−族
化合物よりなるエミツタ領域、ベース領域及びコ
レクタ領域を有するヘテロ接合バイポーラ半導体
装置に向けられたものである。この半導体装置
は、エミツタ物質とベース物質間の電子親和力の
差が伝導帯端部にポテンシヤルステツプもしくは
“スパイク（spike）”障壁を形成するごとく製造
される。このスパイクは、障壁を横切る電子の電
位降下を生じせしめ、上方の谷部に散乱させる
（主に分極光学的フオノン相互作用
（polaroptical phonon interaction）による）エ
ネルギーレベルと接近しているがそれ以下である
エネルギーレベルに電子を加速するために使用さ
れる。GaAs中の散乱エネルギーはΔE_T-L＝
0.31eV以下となる。ここでE_Tは中央の谷部のエ
ネルギーレベル、E_Lは上方の谷部のエネルギー
レベルである。GaInAsではΔE_T-L＝0.56eVであ
る。散乱レベル以下のエネルギーレベルを用いる
ことにより、近弾動電子運動が、ほとんど衝突し
ないで電子が薄いベース領域を通過できるように
なされ、この運動は相反する効果が生じる表面よ
りむしろバルクのベース領域内にて起こる。これ
により、垂直構造が電子の上限速度を十分利用可
能となり、サブピコ秒範囲以下のエミツタ−コレ
クタ通過時間を与える。

エミツタ−ベース伝導帯ステツプまたはスパイ
クは、その高さがそれ以降のステツプにおける電
子の熱イオン的放出を許容するように選択され、
電子は熱エネルギーの10倍の範囲の運動エネルギ
ーに加速される。この運動エネルギーは電子を上
方の谷部に移送させるのに必要なエネルギーより
約10％小さいことが好ましく、これにより最大電
子速度及び最大平均自由行程長（0.3eVに対して
0.15μm程度）を与えることができる。このエネ
ルギーレベルにおいて、電子は拡散機構よりむし
ろドリフトにより移動し、物質中の不純物との衝
突が減少される。注入された電子のいくつかにつ
いて衝突が起こつたとしてもその影響は小さく、
エネルギーはわずか10％強減少されるだけであ
る。また偏倚角の範囲も小さくすることができ
（5°〜10°）、所望の方向の電子の速度はあまり大
きく変化しない。

スパイク領域（界面領域）の幅及び形状は、全
障壁を介するトンネル現象を防止するごとく設計
され、多数電子が適当なエネルギー（低いエネル
ギーではない）で加速される。この形状は電子が
注入されたときのように電子の量子論的反射を減
少するように制御される。そして障壁のスロープ
はベース側よりもエミツタ側において小さくなけ
ればならない。

GaAs半導体では熱注入エネルギーは約0.26eV
である。エミツタとベース間の界面領域が例えば
100Åの厚さのとき、電界は0.26eV／100Å＝2.6
×10⁵Ｖ／cmとなり、所望の電子速度となる。他
の−族化合物半導体は異なつた熱注入エネル
ギーを生じせしめ、異なつた界面の厚さは異なつ
た結果を生じせしめるが、原理は同じである。

界面領域の形状に加え、所望の電子速度を得る
ための他の制御因子は、ベース領域の幅と半導体
中の不純物濃度である。これらの因子を変化させ
ることにより、界面部分（すなわち、半導体中の
均一なGaAs領域と均一なGaAl領域との間の部
分）において急峻な電界勾配またはなだらかな電
界勾配を得ることができ、これらにより種々の形
状及び高さのスパイクとすることが可能となる。
急峻な勾配においては界面領域の幅は15Åであ
り、一方、なだらかな勾配では界面領域の幅は15
Å〜100Åの間となる。

これらの特徴を組込んだトランジスタは、準プ
レーナ構造、メサ構造等への拡散技術またはイオ
ン注入技術により製造することができる。

（発明の構成及び作用） 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説
明する。

第１図において参照符号１０は、エミツタ領域
Ｅ、ベース領域Ｂ及びコレクタ領域Ｃを有するバ
イポーラトランジスタのごとき３端子型の半導体
固体装置のエネルギーバンドを示す。参照符号１
２はエミツタ及びベース間の界面１４またはヘテ
ロ接合にて形成されるスパイクまたは障壁を示し
ている。エミツタはＮ型のGaAlAs半導体物質よ
り成る。この装置では、バイアスは零であり、
ΔEc0.85ΔEg，ΔEv＝0.15Egとなる。第１図は
急峻なエネルギーレベル変化を示し、この場合、
pn接合は金属的接合となる。ここに示したヘテ
ロ接合バイポーラトランジスタは、エミツタのド
ーピングレベルよりもかなり小さいドーピングレ
ベルをベースのために使用しているので、伝導体
スパイク領域１２におけるエネルギー差（ΔEc）
は障壁の高さに非常に近くなつている。（ベース
におけるポテンシヤルデイツプもしくはポテンシ
ヤルノツチ１６は無視できる。） ΔEc（スパイクの高さ）は、0.31eVである散乱
ポテンシヤルΔE_T-Lに等しいかまたはそれ以下で
なければならないので、半導体物質中のアルミニ
ウム含有量の範囲が次のように決定される。

ΔEc＝（1.06±0.03）X_AlAs（X_AlAs0.45） X_AlAsはエミツタ中のアルミニウム含有量と等し
い。そして、ΔEcが約0.26eV（この値は前に定め
た物質の散乱エネルギーレベルより小さい）にセ
ツトされると、アルミニウム含有量は約25％とな
る。

また、適当な順バイアスVaを確立し、第２図
に示すようなエネルギーレベル値を形成しなけれ
ばならない。ここで、 Va＝V_D−ΔEc Va＝E_gB−δ_E−δ_B である。ここでV_Dはエミツタ−ベース接合に形
成されたポテンシヤルであり、δ_E−δ_Bは伝導帯
（価電子帯）とフエルミ準位との間のエネルギー
差である。

スパイク領域１２の幅はエミツタの適当な領域
のドーピングレベルに依存する。この場合、ドー
ピングレベルは約２×10¹⁶cm^-3であり、この値で
はVa1.3Vのとき、領域（エミツタ）のデプレ
ツシヨン幅はWη500Åとなる。これらの値に
対しては、約160Åの幅でさえトンネル現象は起
こらない。

ポテンシヤル障壁の幅は、第３Ａ図及び第３Ｂ
図に示すように、エミツタ領域とベース領域との
間に薄い界面物質１８を設け、金属的接合
GaAlAs−GaAsを電気的接合に代えることによ
り調整される。物質１８は適当にドープされた
P^-型GaAlAs層であり、その厚さは容易に調整可
能であり、これによりスパイク領域の幅を容易に
調整することができる。

P^-型物質のドーピングレベルは、層１８が通
常動作状態において十分空乏化するように選択さ
れる。注入電子流は主にGaAsベース領域の少数
キヤリヤ濃度に依存し、その結果注入効率はかな
り大きくなる。エミツタのドーピングレベルはこ
の場合にはより大きくなり、例えば10¹⁷cm^-3とな
る。

よりなだらかなヘテロ接合スパイクを与える典
型的な準急峻界面のエネルギー帯は、第４Ａ図及
び第４Ｂ図並びに第５図に模式的に示されてい
る。これらの場合、アルミニウムの勾配は、障壁
の高さEcを所望の値に調整するために界面領域
において変化する。第４Ａ図には、第１図に示し
たと同様なＮ型GaAlAs−P⁺型GaAsヘテロ接合
が示されている。なお、値ΔEcを有するように期
待されるスパイク２０は、界面領域２２内のアル
ミニウム含有量を変化させることによりΔEc（有
効値）に調整される。このようなアルミニウム濃
度の変化は電界の変化を生じさせ、スパイクの形
状及び高さを変化させる。第４Ａ図はほぼ直線状
のスロープを有する短いスパイクを示している
が、曲線の如き更に複雑な形状にすることも可能
である。有効障壁の高さはX_Al0.3のときでさえ
も0.3eVに近くなる。

別のＮ型GaAlAs−P⁺型GaAsヘテロ接合のエ
ネルギーバンドを第４Ｂ図に示す。この場合、エ
ミツタ層のアルミニウム含有量が欠乏層において
増加し、界面において減少する。そして期待され
るポテンシヤル曲線２４が新しい形状２６に変化
し、所望の障壁電圧値を形成する。

エミツタ物質のアルミニウム含有量を変化させ
る第４Ａ図及び第４Ｂ図のヘテロ接合の製造は、
スパイク領域の高さ及び幅を適当な値にするため
に、例えば分子線エピタキシヤル成長法を使用す
ることにより容易に制御することができる。な
お、このような変形を行なうために、スパイクの
最大エネルギー値を電子が上方の谷部に移送され
るのに必要なエネルギー以下に保つこと、スパイ
クの偏倚を最小にすること、及びトンネル現象を
防止することに注意する必要がある。

第３Ａ図に示すタイプの装置では、Ｎ型
GaAlAs領域（エミツタ）のアルミニウム含有量
は30％以上、典型的には45％までとすることがで
きる。ややゆるやかな界面をエミツタ層とP^-型
GaAlAs物質からなる薄い層２８との間に描くこ
とができ（第５図参照）、この層は前述したよう
に金属的接合を電気的接合に置換える役割をす
る。界面はＮ型層とP^-型層の間のX_Alを30％より
大とする。P^-型層２８とP⁺型GaAs物質との間の
接合では、高い電界を達成するためにアルミニウ
ム含有量を短い距離に亘つて減少させることがで
きる。

次に上述の如き特徴を持つたバリステイツクヘ
テロ接合トランジスタの製造方法について第６図
〜第８図を参照して説明する。第６図は1978年の
フランス国特許第7826069号に記載されているタ
イプの準プレーナトランジスタ構造３０を示す。
このような構造は、公知の方法によりベースを
P⁺型領域を介してエミツタと同じ平面に接触さ
せてイオン注入または拡散により実現できる。界
面のドーピング及び幅は上述の特徴を生じせしめ
るために制御される。

第７Ａ図〜第７Ｄ図に示すタイプのメサ構造を
使用することもでき、この構造は第４Ｂ図に関し
て述べたX_AlAs 40％であるなだらかな界面のタ
イプのものに対して特に有用である。製造行程は
トランジスタ３２のようなメサトランジスタを形
成するごときものである。

底部にエミツタ層を用いた別の構造を第８Ａ図
に示す。この装置では、エミツタのインダクタン
スを高周波動作に好適な小さい値に低減すること
ができる。この構造は、ベースをコレクタと同じ
面に接触させるためにP⁺型の注入壁を使用する。
側方エミツタ容量を減少させるために、第２のイ
オン注入（GaAsに対してプロトン、酸素または
硼素を用いたアイソレーシヨン）を使用すること
ができる。

底部をエミツタにした同様なトランジスタ構造
が、第８Ｂ図の参照符号３６で示すようにメサに
より実現可能となる。ベース領域はエツチングに
より露出でき、自己整合型構造がベースとコレク
タとを非常に近接させて接触させるために使用で
きる。エミツタ層においてベース接触の下でのア
イソレーシヨンイオン注入はエミツタ−ベースの
寄生容量を減少させることができる。

本発明の半導体ヘテロ接合装置は、エピタキシ
ヤル成長法により形成された−族化合物から
製造される。特にこの化合物はGaAlAs−GaAs，
InP−GaInAs，AlGaAsIn−GaInAs、または
AlInAs−GaInAsを含み、更に液体窒素において
はGaSb−AlSb，InSb−CdTeのごとき別の物質
が使用可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい形態による急峻なヘ
テロ接合を有する３端子半導体装置のエネルギー
バンド図、第２図は順バイアスを加えた第１図の
半導体装置のエネルギーバンド図、第３Ａ図は本
発明の半導体ヘテロ接合の第２の実施例のエネル
ギーバンド図、第３Ｂ図は本発明の半導体ヘテロ
接合の第３の実施例のエネルギーバンド図、第４
Ａ図及び第４Ｂ図はそれぞれ本発明の半導体ヘテ
ロ接合の第４及び第５の実施例のエネルギーバン
ド図、第５図は本発明による半導体ヘテロ接合の
第６の実施例のエネルギーバンド図、第６図は本
発明による準プレーナトランジスタ構造の概略
図、第７Ａ図〜第７Ｄ図はメサトランジスタ構造
の製造方法を示す概略図、第８Ａ図及び第８Ｂ図
は本発明によるトランジスタ構造の付加的形状の
概略図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の導電形を有する第１の半導体物質によ
   るベース領域と、 該ベース領域の近傍にあり各々が第２の導電形
   を有すると共にエミツタ−ベース接合及びコレク
   タ−ベース接合をそれぞれ形成する第２の半導体
   物質によるエミツタ領域及びコレクタ領域と、 前記エミツタ−ベース接合における前記エミツ
   タ領域内に形成された界面領域と、 を備えており、 前記エミツタ領域は第１のドーピングレベルに
   ドープされており、 前記第１の半導体物質は、前記エミツタ−ベー
   ス接合のベース側に急峻な電位降下及び高電位障
   壁を有するエミツタ−ベース伝導帯ステツプを形
   成するために前記第１のドーピングレベルより高
   いドーピングレベルにドープされており、前記障
   壁の高さが、前記エミツタ−ベース接合間に印加
   される順方向バイアスによつて前記エミツタ領域
   から前記ベース領域へ該障壁を越えて熱的に注入
   される電子に高運動エネルギーレベルを生じせし
   めるに十分な高さであり、該障壁の高さが、前記
   ベース内の上方の谷部のエネルギーレベルに前記
   電子を注入するに要するエネルギーレベルに近い
   がそれよりやや低い運動エネルギーレベルを前記
   注入された電子に発生させるべく選択されてお
   り、 前記ベース領域は、ほとんど衝突せずに該ベー
   ス領域を通過する前記電子の近弾動輸送を前記高
   運動エネルギーレベルが与えるように、注入され
   た電子の行程の平均距離にほぼ等しい厚さを有し
   ており、 前記界面領域は、電子が前記障壁をトンネルす
   るのを阻止するに十分な所定幅の勾配を前記電位
   障壁内に形成する手段を含んでいることを特徴と
   する高速へテロ接合バイポーラ半導体装置。 ２ 前記エミツタ−ベース接合がGaAlAs−
   GaAs接合である特許請求の範囲第１項に記載の
   半導体装置。 ３ 前記エミツタ−ベース接合がGaAlAs−
   GaAs，InP−GaInAs，AlGaInAs−GaInAs、及
   びAlInAs−GaInAsの対を含む−族化合物半
   導体から選ばれてなる特許請求の範囲第１項に記
   載の半導体装置。 ４ 前記ベース領域が前記伝導帯ステツプによつ
   て加速された電子の平均自由行程程度の厚さを有
   している特許請求の範囲第１項に記載の半導体装
   置。 ５ 第１の導電形を有する前記物質がｐ形物質で
   あり、第２の導電形を有する前記物質がｎ形物質
   である特許請求の範囲第１項に記載の半導体装
   置。 ６ 前記ｐ形物質がp⁺導電形を得るために高く
   ドープされている特許請求の範囲第５項に記載の
   半導体装置。 ７ 電子がトンネルするのを阻止するに十分な障
   壁幅の勾配を形成する前記手段が前記エミツタ−
   ベース接合において空乏領域を形成するために十
   分なドーピングレベルを有する前記エミツタ物質
   の選択的にドープされた部分を備えている特許請
   求の範囲第６項に記載の半導体装置。 ８ 電子がトンネルするのを阻止するに十分な障
   壁幅の勾配を形成する前記手段が前記エミツタ−
   ベース接合における前記エミツタ及び前記ベース
   間のp^-導電形半導体物質の薄い層を備えている
   特許請求の範囲第６項に記載の半導体装置。 ９ 前記ｎ形物質がGaAlAsであり、前記p⁺形物
   質がGaAsである特許請求の範囲第６項に記載の
   半導体装置。 １０ 所定の障壁幅勾配を形成する前記手段が所
   望の障壁高、障壁幅、及び障壁スロープを得るべ
   く前記障壁を形作るように選択された前記p^-形
   物質内のAl勾配を備えている特許請求の範囲第
   ８項に記載の半導体装置。 １１ 前記ｎ形物質がGaAlAsであり、前記p^-形
   物質がGaAlAsであり、前記p⁺形物質がGaAsで
   ある特許請求の範囲第８項に記載の半導体装置。 １２ 障壁幅勾配を形成する前記手段が前記ｎ形
   物質から前記p^-形物質内までのなだらかな勾配
   を形成するための、及び前記p^-形物質内から前
   記p⁺形物質まで急峻な勾配を形成するための前
   記p^-形物質内のAl勾配を備えている特許請求の
   範囲第１１項に記載の半導体装置。 １３ 前記エミツタ及び前記ベース間の界面領域
   の幅勾配、前記ベース領域の厚さ、及び前記エミ
   ツタ領域及びベース領域の不純物濃度が前記半導
   体物質内の電子の通常の熱エネルギーの約10倍の
   運動エネルギーレベルを発生させるものである特
   許請求の範囲第１項に記載の半導体装置。 １４ 前記運動エネルギーレベルが前記電子の上
   方の谷部のエネルギーより約10％低い特許請求の
   範囲第１３項に記載の半導体装置。 １５ 前記界面領域が所定の障壁高及び障壁スロ
   ープを形成し所定の障壁幅を達成するべく前記障
   壁を形作るように選択された勾配を有する半導体
   物質を含んでいる特許請求の範囲第１４項に記載
   の半導体装置。 １６ 所定の障壁幅勾配を形成する前記手段が、
   前記エミツタ−ベース界面領域における金属的接
   合から電気的接合に代わるべく、前記ベース領域
   の半導体物質と同じ導電形を有するが異なつてド
   ープされた半導体物質の薄い層を備えている特許
   請求の範囲第１５項に記載の半導体装置。