JPH067554B2 - Varistable heterojunction bipolar transistor - Google Patents
Varistable heterojunction bipolar transistorInfo
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- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はヘテロ接合バイポーラトランジスタに関し、特
にワイドバンドギャップ構造を有するバリスティックヘ
テロ接合バイポーラトランジスタに関する。The present invention relates to a heterojunction bipolar transistor, and more particularly to a ballistic heterojunction bipolar transistor having a wide bandgap structure.
バイポーラトランジスタは電界効果トランジスタに比べ
て電流駆動能力が大きいという優れた特色を有してい
る。このため、近年、SiのみならずGaAsなどの化合物半
導体を用いたバイポーラトランジスタの研究開発が盛ん
に行なわれている。特に化合物半導体を用いたバイポー
ラトランジスタでは、MBEあるいはMOCVD技術な
どを用いることにより容易にエミッタ・ベース接合にヘ
テロ接合を導入でき、ベース層を高濃度化しても、エミ
ッタ注入効率を大きく保てるなどの利点は大きい。The bipolar transistor has an excellent feature that it has a larger current driving capability than the field effect transistor. Therefore, in recent years, research and development of bipolar transistors using not only Si but also compound semiconductors such as GaAs have been actively conducted. In particular, in a bipolar transistor using a compound semiconductor, it is possible to easily introduce a heterojunction into the emitter / base junction by using MBE or MOCVD technology, and it is possible to maintain a large emitter injection efficiency even if the concentration of the base layer is increased. Is big.
このような化合物半導体バイポーラトランジスタをより
高周波化,高速化するためには、例えばNPNトランジ
スタの場合ではベース領域での電子走行時間を短縮する
ことが重要である。In order to increase the frequency and speed of such a compound semiconductor bipolar transistor, for example, in the case of an NPN transistor, it is important to shorten the electron transit time in the base region.
従来のベース走行時間短縮を意図したヘテロ接合バイポ
ーラトランジスタ(以下HBTと記す)について説明す
る。A conventional heterojunction bipolar transistor (hereinafter referred to as HBT) intended to shorten the base transit time will be described.
第3図は第1の従来例のエネルギーバンド図である。FIG. 3 is an energy band diagram of the first conventional example.
この従来例はエミッタ・ベース間にアブラプトヘテロ接
合を応用したものであり、エミッタ・ベース界面には電
子親和力の差に起因する伝導帯底不連続δEcが生じ、
エミッタ領域からベース領域へ注入された瞬間の電子1
はδEcなる運動エネルギーを有する。この電子1は平
均自由行程λだけ(第3図の3の地点まで)バリスティ
ック(ballistic)に飛行し、この後はベース領域中を
拡散により走行する。ベース全領域を拡散で走行する場
合に比べて、バリスティック飛行が含まれているため走
行時間は短縮される。しかしながら、例えばベース領域
がP+型GaAsからなるときλは数十ナノメータであるた
め、通常用いられる100nm以上のベース層厚を有す
るHBTでは走行時間を飛躍的に向上させることはでき
ない。This conventional example is an application of an abrupt heterojunction between the emitter and the base, and a conduction band bottom discontinuity δEc is generated at the emitter-base interface due to the difference in electron affinity.
Electron 1 at the moment of being injected from the emitter region to the base region
Has a kinetic energy of δEc. This electron 1 flies ballistically only for the mean free path λ (up to the point 3 in FIG. 3), and thereafter travels in the base region by diffusion. Since the ballistic flight is included, the traveling time is shortened as compared with the case where the entire base area is driven by diffusion. However, when the base region is made of P + -type GaAs, for example, λ is several tens of nanometers, and therefore the HBT having a base layer thickness of 100 nm or more, which is usually used, cannot significantly improve the traveling time.
第4図は第2の従来例のエネルギーバンド図である。FIG. 4 is an energy band diagram of the second conventional example.
この従来例はベース領域の伝導帯底に傾斜をつけたいわ
ゆるグレイデットバンドギャップベース(graded band-
gap base)構造のHBTである。この構造はベース領域
を例えばAlxGa1-xAsで形成したとき、xをエミッタ側か
らコレクタ側にかけて0.15→0とすることにより実現さ
れる。この構造ではベース領域のつくり付け電界により
電子が加速され、ベース走行時間が短縮される。しかし
ながらこの構造では上述のAlxGa1-xAs(x:0.15→0)
ベース構造とした場合ベース層厚みを150nmとする
と、つくり付け電界は約10kV/cmとなり、伝導帯の
谷間散乱が多くなるため電子速度は大きくは上昇できな
い。なお第3図の構造においても谷間散乱は存在するが
その値はエミッタからバリスティック電子が注入される
直前の値、すなわち電界が殆ど零(電子速度小)のとき
の値であるため、グレーディッドベース構造に比べて小
さい。This conventional example is a so-called graded band gap base (graded band-gap base) in which the bottom of the conduction band of the base region is inclined.
gap base) structure HBT. This structure is realized by setting x from 0.15 to 0 from the emitter side to the collector side when the base region is formed of, for example, Al x Ga 1-x As. In this structure, electrons are accelerated by the electric field created in the base region, and the base transit time is shortened. However, in this structure, the above Al x Ga 1-x As (x: 0.15 → 0)
In the case of the base structure, when the thickness of the base layer is 150 nm, the built-in electric field is about 10 kV / cm, and the valley scattering of the conduction band increases, so that the electron velocity cannot be greatly increased. Although valley scattering also exists in the structure of FIG. 3, its value is the value immediately before the ballistic electrons are injected from the emitter, that is, the value when the electric field is almost zero (small electron velocity), and therefore the graded Smaller than the base structure.
HBTの高速化を計るためには、ベース領域における電
子速度をできるだけ大きくする必要がある。このために
は谷間散乱の大きいグレーディッドベース構造は不向き
であり、ベースの全領域をバリスティックに電子が飛行
するように工夫する必要がある。これを実現するために
は、ベース領域の厚さをλ以下にすればよいが、このよ
うにするとベース領域の厚さが数十ナノメータ以下とな
り、ベース抵抗が増大してしまい総合的には特性はかえ
って劣化してしまう。In order to speed up the HBT, it is necessary to increase the electron velocity in the base region as much as possible. For this reason, a graded base structure with large valley scattering is not suitable, and it is necessary to devise so that the electrons fly ballistically over the entire region of the base. To achieve this, the thickness of the base region may be set to λ or less, but this makes the thickness of the base region several tens of nanometers or less, increasing the base resistance, and overall Instead, it deteriorates.
本発明の目的はベース領域の厚さを少数キャリアの平均
自由行程より大きくしても高速動作可能なバリスティッ
クヘテロ接合バイポーラトランジスタを提供することを
目的とする。It is an object of the present invention to provide a ballistic heterojunction bipolar transistor which can operate at high speed even when the thickness of the base region is larger than the mean free path of minority carriers.
本発明のバリスティックヘテロ接合バイポーラトランジ
スタは、N(又はP)型広バンドギャップ・エミッタ領
域より大きい電子親和力(又は禁制帯幅と電子親和力の
和)を有するP(又はN)型ベース領域が電子(又は正
孔)の平均自由行程程度の区間長を有する複数の区間に
分割され、前記各区間内では一定であるが前記エミッタ
領域に近い区間ほど小さな電子親和力(又は禁制帯幅と
電子親和力)を有する半導体材料からなるものである。In the ballistic heterojunction bipolar transistor of the present invention, the P (or N) type base region having an electron affinity (or the sum of the forbidden band width and the electron affinity) larger than that of the N (or P) type wide bandgap emitter region is an electron. (Or holes) are divided into a plurality of sections having a section length of about the mean free path, and within each section, the electron affinity (or forbidden band width and electron affinity) which is constant but is closer to the emitter region is smaller. It is made of a semiconductor material having
このような本発明のヘテロ接合バイポーラトランジスタ
によると、エミッタから注入された少数キャリアな平均
自由行程λだけバリスティック飛行し急速に速度が低下
するが、すぐに次の区間との間の伝導帯底不連続部を通
過し再びバリスティック飛行を開始するので、ベース領
域の厚さがλより大きくても大部分のベース領域を少数
キャリアはバリスティック飛行することができる。また
バイポーラトランジスタ構造であるので、仮にベース領
域でバリスティック飛行を停止した1部の少数キャリア
も、拡散によりコレクタ領域に達することができ、増幅
動作に寄与することができる。According to the heterojunction bipolar transistor of the present invention as described above, the average free path λ of the minority carriers injected from the emitter causes a ballistic flight to rapidly decrease the speed, but immediately the conduction band bottom between the next section and Since the ballistic flight is restarted after passing through the discontinuity, the minority carriers can fly ballistically in most of the base region even if the thickness of the base region is larger than λ. Further, because of the bipolar transistor structure, even a part of minority carriers whose ballistic flight is temporarily stopped in the base region can reach the collector region by diffusion and contribute to the amplification operation.
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
第1図は本発明の一実施例の主要部を示す半導体チップ
の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor chip showing a main part of an embodiment of the present invention.
この実施例は、厚さ200nmのN−Al0.3Ga0.7As(ド
ーパント:Si,濃度:1×1019cm-3)からなるエミッ
タ層16で形成されたN型広バンドギャップ・エミッタ
領域より大きい電子親和力を有するベース領域が電子の
平均自由行程程度の区間長を有する第1ベース層17,
第2ベース層18の2つの区間に分割され、前述の各区
間内では一定であるがエミッタに近い区間ほど小さな電
子親和力を有する半導体材料からなるものである。詳述
すると半絶縁性GaAs基板21上にMBE法により厚さ5
00nmのn+−GaAs(ドーパント:Si,濃度:5×1
018cm-3)からなるコレクタコンタクト層20,厚さ5
00nmのn-−GaAs(ドーパント:Si,濃度:3×1
016cm-3)からなるコレクタ層19,厚さ50nmのp
+−GaAs(ドーパント:Be,濃度:1×1019cm-3)か
らなる第2ベース層18,厚さ50nmのp+−Al0.15
Ga0.85As(ドーパント:Be,濃度:1×1019cm-3)か
らなる第1ベース層17,厚さ200nmのn−Al0.3G
a0.7As(ドーパント:Si,濃度:1×1019cm-3)から
なるエミッタ層16,厚さ200nmのn+−GaAs(ド
ーパント:Si,濃度:5×1018cm-3)からなるキャッ
プ層5が成長されている。ベース電極12は第1ベース
層17の露出された面に設けられ、コレクタ電極13は
コレクタコンタクト層20の露出された面に設けられて
いる。14はプロトンがイオン注入されたアイソレーシ
ョン層である。This embodiment is larger than the N-type wide bandgap emitter region formed by the emitter layer 16 made of N-Al 0.3 Ga 0.7 As (dopant: Si, concentration: 1 × 10 19 cm −3 ) having a thickness of 200 nm. A first base layer 17 in which the base region having an electron affinity has a section length of about the mean free path of electrons,
The second base layer 18 is divided into two sections and is made of a semiconductor material having a constant electron affinity in each of the above-mentioned sections, but having a smaller electron affinity in a section closer to the emitter. To be more specific, the thickness is 5 by MBE method on the semi-insulating GaAs substrate 21.
00 nm of n + -GaAs (dopant: Si, concentration: 5 × 1
0 18 cm −3 ) collector contact layer 20, thickness 5
00 nm n -- GaAs (dopant: Si, concentration: 3 × 1)
0 16 cm -3 ), collector layer 19 of 50 nm thick p
+ −GaAs (dopant: Be, concentration: 1 × 10 19 cm −3 ), second base layer 18, p + −Al 0.15 with a thickness of 50 nm
First base layer 17 made of Ga 0.85 As (dopant: Be, concentration: 1 × 10 19 cm −3 ), n-Al 0.3 G with a thickness of 200 nm
a 0.7 As (dopant: Si, concentration: 1 × 10 19 cm -3) emitter layer 16 made of a thickness of 200 nm n + -GaAs (dopant: Si, concentration: 5 × 10 18 cm -3) made of a cap Layer 5 is being grown. The base electrode 12 is provided on the exposed surface of the first base layer 17, and the collector electrode 13 is provided on the exposed surface of the collector contact layer 20. 14 is an isolation layer in which protons are ion-implanted.
次に、この実施例の動作について説明する。Next, the operation of this embodiment will be described.
第2図は第1図の実施例のエネルギーバンド図である。FIG. 2 is an energy band diagram of the embodiment shown in FIG.
第2図において、n−Al0.3Ga0.7Asからなるエミッタ層
16、p+−Al0.15Ga0.85Asからなる第1のベース層1
7,p+−GaAsからなる第2のベース層18,n−−Ga
Asからなるコレクタ層19の接合したときの伝導帯底4
および価電子帯上限5の様子が示されている。図におい
てエミッタ・ベースのアブラプトヘテロ接合による伝導
帯底不連続δEcは約0.1eVとなる。このδEcを介
して注入されたバリスティック電子1は、平均自由行程
λだけ飛行し(図中3の位置)運動エネルギーを失い、
わずかに拡散走行した後、p+−Al0.15Ga0.85Asとp+
−GaAsとのアブラプトヘテロ接合界面の伝導帯底不連続
δEc′(この場合約0.1eV)により再びバリスティ
ック飛行を開始し平均自由行程λ′だけ飛行しコレクタ
領域に達する。In FIG. 2, an emitter layer 16 made of n-Al 0.3 Ga 0.7 As and a first base layer 1 made of p + -Al 0.15 Ga 0.85 As
7, second base layer 18 made of p + -GaAs, n − −Ga
Conduction band bottom 4 when the collector layer 19 made of As is joined
And the state of the valence band upper limit 5 is shown. In the figure, the conduction band bottom discontinuity δEc due to the emitter-base ablupto heterojunction is about 0.1 eV. The ballistic electron 1 injected via this δEc flies by the mean free path λ (position 3 in the figure) and loses kinetic energy.
After a slight diffusion running, p + -Al 0.15 Ga 0.85 As and p +
The ballistic flight is restarted by the conduction band bottom discontinuity δEc '(about 0.1 eV in this case) at the interface of the abrupt heterojunction with -GaAs, and the average free path λ'is reached to reach the collector region.
以上説明したように本発明はベース領域を複数の区間に
分割し、エミッタから離れた区間では電子親和力(又は
禁制帯幅と電子親和力の和)を大きくすることにより、
ベース領域の厚さを少数キャリアの平均自由行程より大
きく設定してもベース領域のほぼ全領域にわたって少数
キャリアはバリスティック飛行することができる。この
ためベース領域を厚くしてベース抵抗を下げた状態でも
ベース走行時間を大幅に低減することができHBTの高
周波,高速動作が可能になる。なおベース領域でバリス
ティック飛行を停止した1部の少数キャリアも、拡散に
よりコレクタ領域に達することができ、増幅動作に寄与
することができる。As described above, the present invention divides the base region into a plurality of sections, and increases the electron affinity (or the sum of the forbidden band width and the electron affinity) in the section away from the emitter,
Even if the thickness of the base region is set to be larger than the mean free path of the minority carriers, the minority carriers can ballistically fly over almost the entire region of the base region. Therefore, even when the base region is thickened and the base resistance is lowered, the base transit time can be greatly reduced, and the HBT can operate at high frequency and high speed. It should be noted that even a part of minority carriers whose ballistic flight is stopped in the base region can reach the collector region by diffusion and contribute to the amplification operation.
前述の実施例においてはベース領域の2つの区間に分割
されているが、区間は2つに限らずいくつでもよい。さ
らに半導体材料は互いに格子整合しているAlGaAsとGaAs
を用いたが、材料はこれに限らず電子親和力(又は禁制
帯幅と電子親和力の和)に差のあるものなら何れでもよ
い。また本発明に用いるヘテロ接合は格子整合系に限ら
ず格子不整合系でもよい。In the above-described embodiment, the base area is divided into two sections, but the number of sections is not limited to two and may be any number. Furthermore, the semiconductor materials are AlGaAs and GaAs, which are lattice-matched to each other.
However, the material is not limited to this, and any material having a difference in electron affinity (or a sum of band gap and electron affinity) may be used. The heterojunction used in the present invention is not limited to the lattice-matching system, but may be a lattice-mismatching system.
第1図は本発明の一実施例の主要部を示す半導体チップ
の断面図、第2図は第1図の実施例のエネルギーバンド
図、第3図及び第4図はそれぞれ第1及び第2の従来例
のエネルギーバンド図である。 1,2…電子、3…バリスティック飛行から拡散走行に
移る地点、4…伝導帯底、5…価電子帯上限、6,7,
8…フェルミ準位、11…エミッタ電極、12…ベース
電極、13…コレクタ電極、14…アイソレーション
層、15…キャッ層、16…エミッタ、17…第1ベー
ス層、18…第2ベース層、19…コレクタ層、20…
コレクタコンタクト層、21…半絶縁性GaAs基板。FIG. 1 is a sectional view of a semiconductor chip showing a main part of an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an energy band diagram of the embodiment of FIG. 1, and FIGS. 3 and 4 are first and second figures, respectively. FIG. 7 is an energy band diagram of a conventional example of FIG. 1, 2 ... Electron, 3 ... Point from ballistic flight to diffusion run, 4 ... Conduction band bottom, 5 ... Valence band upper limit, 6, 7,
8 ... Fermi level, 11 ... Emitter electrode, 12 ... Base electrode, 13 ... Collector electrode, 14 ... Isolation layer, 15 ... Cap layer, 16 ... Emitter, 17 ... First base layer, 18 ... Second base layer, 19 ... Collector layer, 20 ...
Collector contact layer, 21 ... Semi-insulating GaAs substrate.
Claims (1)
タ領域より大きい電子親和力(又は禁制帯幅と電子親和
力の和)を有するP(又はN)型ベース領域が電子(又
は正孔)の平均自由行程程度の区間長を有する複数の区
間に分割され、前記各区間内では一定であるが前記エミ
ッタ領域に近い区間ほど小さな電子親和力(又は禁制帯
幅と電子親和力)を有する半導体材料からなることを特
徴とするバリスティックヘテロ接合バイポーラトランジ
スタ。1. A P (or N) type base region having an electron affinity (or a sum of forbidden band width and electron affinity) larger than an N (or P) type wide bandgap emitter region is an electron (or hole) region. It is divided into a plurality of sections having a section length of about the mean free path, and is made of a semiconductor material which has a constant electron affinity in each section but has a smaller electron affinity (or band gap and electron affinity) in sections closer to the emitter region. A ballistic heterojunction bipolar transistor characterized in that
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61307044A JPH067554B2 (en) | 1986-12-22 | 1986-12-22 | Varistable heterojunction bipolar transistor |
| DE8787119044T DE3780284T2 (en) | 1986-12-22 | 1987-12-22 | BIPOLAR HETEROUISITION TRANSISTOR WITH BALLISTIC OPERATION. |
| EP87119044A EP0273363B1 (en) | 1986-12-22 | 1987-12-22 | Heterojunction bipolar transistor with ballistic operation |
| US07/136,589 US4929997A (en) | 1986-12-22 | 1987-12-22 | Heterojunction bipolar transistor with ballistic operation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61307044A JPH067554B2 (en) | 1986-12-22 | 1986-12-22 | Varistable heterojunction bipolar transistor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63158873A JPS63158873A (en) | 1988-07-01 |
| JPH067554B2 true JPH067554B2 (en) | 1994-01-26 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
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Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0656852B2 (en) * | 1987-06-24 | 1994-07-27 | 日本電気株式会社 | Heterojunction bipolar transistor |
Family Cites Families (1)
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|---|---|---|---|---|
| JPS59227161A (en) * | 1983-05-25 | 1984-12-20 | アメリカン・テレフォン・アンド・テレグラフ・カムパニー | Bipolar transistor |
-
1986
- 1986-12-22 JP JP61307044A patent/JPH067554B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63158873A (en) | 1988-07-01 |
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