JPH0680674B2 - Bipolar transistor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 この発明はバイポーラ・トランジスタに関するものであ
る。Description: FIELD OF THE INVENTION This invention relates to bipolar transistors.
第１図は従来のバイポーラ・トランジスタを示す図であ
る。図において１はGa Asからなる半絶縁性基板、２はG
a Asからなるｎ形の高濃度コレクタ層、３はGa Asから
なるｎ形の低濃度コレクタ層、４はGa Asからなるｐ形
のべース層で、低濃度コレクタ層３の半導体とべース層
４の半導体とは同じGa Asである。５はGa0.7Al0.3Asか
らなるｎ形のエミッタ層、６はエミッタ電極、７はべー
ス電極、８はコレクタ電極である。FIG. 1 is a diagram showing a conventional bipolar transistor. In the figure, 1 is a semi-insulating substrate made of Ga As, 2 is G
n-type high-concentration collector layer made of a As, 3 is an n-type low-concentration collector layer made of Ga As, and 4 is a p-type base layer made of Ga As. The semiconductor of the layer 4 is the same Ga As. 5 is an n-type emitter layer made of Ga 0.7 Al 0.3 As, 6 is an emitter electrode, 7 is a base electrode, and 8 is a collector electrode.
このような従来のバイポーラ・トランジスタにおいて
は、コレクタ耐圧を高くするために、低濃度コレクタ層
３の厚さをたとえば0.4μｍと大きくしている結果、動
作速度が遅いという問題点がある。In such a conventional bipolar transistor, as a result of increasing the thickness of the low concentration collector layer 3 to, for example, 0.4 μm in order to increase the collector breakdown voltage, there is a problem that the operation speed is slow.
この発明は上述の問題点を解決するためになされたもの
で、動作速度が速く、かつコレクタ耐圧が高いバイポー
ラ・トランジスタを提供することを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a bipolar transistor having a high operating speed and a high collector breakdown voltage.
この目的を達成するため、この発明においては、エミッ
タ層、べース層、低濃度コレクタ層、高濃度コレクタ層
の順序で積層され、上記エミッタ層の方が上記べース層
よりバンド・ギャップが大きく両層がヘテロ接合を形成
しており、上記べース層と上記低濃度コレクタ層との接
合部は上記エミッタ層と上記べース層との接合部より外
側に延在しており、上記べース層のうちの上記延在した
接合部を構成する部分に電気的に接続されたべース電極
を有するバイポーラ・トランジスタにおいて、上記低濃
度コレクタ層の厚さをそれに対する遮断周波数が約最大
となる厚さとし、かつ上記低濃度コレクタ層の方を上記
べース層よりバンド・ギャップを大きくする。To achieve this object, in the present invention, an emitter layer, a base layer, a low concentration collector layer, and a high concentration collector layer are stacked in this order, and the emitter layer has a band gap larger than that of the base layer. Is large and both layers form a heterojunction, and the junction between the base layer and the low-concentration collector layer extends outside the junction between the emitter layer and the base layer. In a bipolar transistor having a base electrode electrically connected to a portion of the base layer that forms the extended junction, the cutoff frequency for the low concentration collector layer is The thickness is about the maximum, and the band gap of the low concentration collector layer is larger than that of the base layer.
第２図はこの発明に係るバイポーラ・トランジスタを示
す図である。図において11はGa Asからなる半絶縁性基
板、12は厚さが１μｍ、濃度が1018〜1019cm-3のGa As
からなるｎ形の高濃度コレクタ層、13は厚さが0.1μ
ｍ、濃度が1015〜1016cm-3のGa0.2Al0.8Asからなるｎ形
の低濃度コレクタ層、14は厚さが0.1μｍ、濃度が1018
〜1019cm-3のGa Asからなるｐ形のべース層、15は厚さ
が0.2μｍ、濃度が1017cm-3のGa0.7Al0.3Asからなるエ
ミッタ層、16はAuGe/Ni/Auからなるエミッタ電極、17は
AuZuからなるべース電極、18はAuGe/Ni/Auからなるコレ
クタ電極である。FIG. 2 is a diagram showing a bipolar transistor according to the present invention. In the figure, 11 is a semi-insulating substrate made of Ga As, 12 is 1 μm thick, and Ga As has a concentration of 10 18 to 10 19 cm -3 .
N-type high-concentration collector layer consisting of 13 has a thickness of 0.1μ
m, an n-type low-concentration collector layer made of Ga 0.2 Al 0.8 As with a concentration of 10 15 to 10 16 cm -3 , 14 has a thickness of 0.1 μm, and a concentration of 10 18
~ 10 19 cm -3 p-type base layer made of Ga As, 15 0.2 μm thick, emitter layer made of Ga 0.7 Al 0.3 As of concentration 10 17 cm -3 , 16 AuGe / Ni / Au emitter electrode, 17 is
A base electrode made of AuZu and a collector electrode 18 made of AuGe / Ni / Au.
このバイポーラ・トランジスタを製造するには、まず基
板11上に、MBE（Molecular Beam Epitaxy）法またはMO-
CVD（Metal Organic-Chemical Vapov Deposition）法に
より、順次高濃度コレクタ層12、低濃度コレクタ層13、
べース層14、エミッタ層15を形成する。つぎに、ホトレ
ジストをエッチング用マスクとして、エミッタ層15の一
部をエッチングによって取り除き、べース層14の一部を
露出させ、べース電極形成領域を形成し、また同様にし
てエミッタ層15、べース層14、低濃度コレクタ層13の一
部を取り除いて高濃度コレクタ層12の一部を露出させ、
コレクタ電極形成領域を形成する。最後に、エミッタ層
15、べース層14、高濃度コレクタ層12上にそれぞれエミ
ッタ電極16、べース電極17、コレクタ電極18を形成す
る。In order to manufacture this bipolar transistor, first, MBE (Molecular Beam Epitaxy) method or MO-
By the CVD (Metal Organic-Chemical Vapov Deposition) method, a high concentration collector layer 12, a low concentration collector layer 13,
A base layer 14 and an emitter layer 15 are formed. Next, using the photoresist as an etching mask, a part of the emitter layer 15 is removed by etching to expose a part of the base layer 14 to form a base electrode formation region, and similarly, the emitter layer 15 is formed. , A part of the base layer 14 and the low concentration collector layer 13 are removed to expose a part of the high concentration collector layer 12,
A collector electrode formation region is formed. Finally, the emitter layer
15, an emitter electrode 16, a base electrode 17, and a collector electrode 18 are formed on the base layer 14 and the high-concentration collector layer 12, respectively.
ところで、バイポーラ・トランジスタの動作速度は遮断
周波数□Ｔが高いほど速くなる。そして、遮断周波数ｆ
Ｔは次式で表わされる。By the way, the operating speed of the bipolar transistor increases as the cutoff frequency □ T increases. And the cutoff frequency f
T is represented by the following equation.
また、エミッタ空乏層充電時間をτE、べース走行時間
をτB、コレクタ走行時間をτX、コレクタ充放電時間を
τCとすると、τECは次式で表わされる。 Further, when the emitter depletion layer charging time is τ E , the base transit time is τ B , the collector transit time is τ X , and the collector charge / discharge time is τ C , τ EC is expressed by the following equation.
τEC＝τE＋τB＋τX＋τC そして、エミッタ空乏層充電時間τE等の典型的な値
は、τE＝4psec,τB＝1psec,τX＝3psec,τC＝7psecで
あり、コレクタ走行時間τX、コレクタ充放電時間τCは
それぞれ全体の20％，約50％と大きな比重を占めてい
る。したがって、遮断周波数ｆＴを高くして、バイポー
ラ・トランジスタの動作速度を速くするためには、コレ
クタ走行時間τXとコレクタ充放電時間τCとの和を最小
にすることが不可欠である。そして、低濃度コレクタ層
中の電子の飽和速度をvs、低濃度コレクタ層の厚さをL
CIとすると、コレクタ走行時間τXは次式で表わされ
る。τ EC = τ E + τ B + τ X + τ C And the typical values of the emitter depletion layer charging time τ E etc. are τ E = 4 psec, τ B = 1 psec, τ X = 3 psec, τ C = 7 psec, The collector running time τ X and the collector charging / discharging time τ C account for 20% and 50%, respectively, of the total weight. Therefore, in order to increase the cutoff frequency f T and increase the operation speed of the bipolar transistor, it is essential to minimize the sum of the collector transit time τ X and the collector charge / discharge time τ C. Then, the saturation speed of electrons in the low concentration collector layer is vs, and the thickness of the low concentration collector layer is L.
Let CI be the collector transit time τ X.
また、低濃度コレクタ層の誘電率をε、コレクタ抵抗を
RCとすると、コレクタ充放電時間τCは次式で表わされ
る。 The dielectric constant of the low concentration collector layer is ε, and the collector resistance is
Let R C be the collector charge / discharge time τ C.
上記の式によれば、たとえば厚さLCIが大きくなると、
コレクタ走行時間τXが長くなるのに対して、コレクタ
充放電時間τCが短くなるから、コレクタ走行時間τXと
コレクタ充放電時間τCとの和を最小にする厚さLCIすな
わち遮断周波数ｆＴを最大にする厚さLCIが存在する。 According to the above equation, for example, if the thickness L CI increases,
The collector running time τ X becomes longer, but the collector charging / discharging time τ C becomes shorter.Thus, the thickness L CI that minimizes the sum of the collector running time τ X and the collector charging / discharging time τ C , that is, the cutoff frequency. There is a thickness L CI that maximizes f T.
第３図は厚さLCIと遮断周波数ｆＴとの関係を示すグラ
フで、曲線ａはエミッタ層の寸法が２μｍ×２μｍの場
合を示し、曲線ｂはエミッタ層の寸法が４μｍ×４μｍ
の場合を示す。このグラフから明らかなように、上述実
施例のように厚さLCIを0.1μｍとすれば、遮断周波数ｆ
Ｔを高くすることができるから、バイポーラ・トランジ
スタの動作速度が速くなる。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the thickness L CI and the cut-off frequency f T. The curve a shows the case where the dimensions of the emitter layer are 2 μm × 2 μm, and the curve b shows the dimensions of the emitter layer 4 μm × 4 μm.
Shows the case. As is clear from this graph, when the thickness L CI is set to 0.1 μm as in the above embodiment, the cutoff frequency f
Since T can be increased, the operating speed of the bipolar transistor is increased.
第４図はGa1-XAlXAsの混晶比ｘと温度が297°Ｋのとき
のバンド・ギャップとの関係を示すグラフで、曲線ａは
Γ点のバンド・ギャップを示し、曲線ｂはＸ点のバンド
・ギャップを示す。このグラフからわかるように、従来
のように低濃度コレクタ層３としてGa As（混晶比ｘが
０）を用いたときには、低濃度コレクタ層３のバンド・
ギャップが約1.4eVであるのに対して、上述実施例のよ
うに低濃度コレクタ層13としてGa0.2Al0.8AS（混晶比が
0.8）を用いたときには、低濃度コレクタ層13のバンド
・ギャップが約2.0eVである。また、第５図は低濃度コ
レクタ層の厚さLCIとコレクタ耐圧との関係を示すグラ
フで、曲線ａはバンド・ギャップが1.4eVの場合を示
し、曲線ｂはバンド・ギャップが2.0eVの場合を示す。
このグラフから明らかなように、従来のように低濃度コ
レクタ層３としてGa Asを用いたとき（バンド・ギャッ
プが1.4eVのとき）には、厚さLCIを0.1μｍとすると、
コレクタ耐圧が約5.5Vであるのに対して、上述実施例の
ように低濃度コレクタ層13としてGa0.2Al0.8Asを用いた
とき（バンド・ギャップが2.0eVのとき）には、厚さLCI
を0.1μｍとしても、コレクタ耐圧が約7.5Vとなる。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the mixed crystal ratio x of Ga 1-X Al X As and the band gap when the temperature is 297 ° K. The curve a shows the band gap at the Γ point, and the curve b. Indicates the band gap at point X. As can be seen from this graph, when Ga As (mixed crystal ratio x is 0) is used as the low concentration collector layer 3 as in the conventional case, the band
While the gap is about 1.4 eV, the low concentration collector layer 13 has Ga 0.2 Al 0.8 AS (mixed crystal ratio of
When 0.8) is used, the band gap of the low concentration collector layer 13 is about 2.0 eV. FIG. 5 is a graph showing the relation between the thickness L CI of the low concentration collector layer and the collector breakdown voltage. Curve a shows the case where the band gap is 1.4 eV, and curve b shows the case where the band gap is 2.0 eV. Indicate the case.
As is apparent from this graph, when Ga As is used as the low-concentration collector layer 3 (when the band gap is 1.4 eV) as in the conventional case, and the thickness L CI is 0.1 μm,
While the collector breakdown voltage is about 5.5 V, when Ga 0.2 Al 0.8 As is used as the low-concentration collector layer 13 (when the band gap is 2.0 eV) as in the above embodiment, the thickness L CI
Even with 0.1 μm, the collector breakdown voltage is about 7.5V.
なお、上述実施例においては、低濃度コレクタ層13の厚
さLCIを0.1μｍとしたが、第３図グラフから明らかなよ
うに、厚さLCIを0.03ないし0.2μｍ、さらに望ましくは
0.05ないし0.15μｍとすれば、遮断周波数ffＴを高くす
ることができ、バイポーラ・トランジスタの動作速度を
速くすることが可能である。また、上述実施例において
は、低濃度コレクタ層13をGa0.2Al0.8Asで形成したが、
Ga1-XAlXAs（ｘ＞０）で低濃度コレクタ層を形成すれば
よい。そして、第４図に示すように、Ｘ点のバンド・ギ
ャップがΓ点のバンド・ギャップよりも小さくなるよう
に混晶比ｘを定めれば（ｘ＞0.45）、低濃度コレクタ層
のバンド・ギャップをより大きくすることができ、コレ
クタ耐圧をより高くすることが可能である。さらに、上
述実施例においては、べース層14をGa Asで形成し、低
濃度コレクタ層13をGa1-XAlXAsで形成したが、べース層
と低濃度コレクタ層とをそれぞれ、InPとIn1-XAlXＰ
（ｘ＞０）,In AsとIn1-XAlXAs（ｘ＞０）、In SbとIn
1-XAlXSb（Ｘ＞０）,In PとIn1-XGaXＰ（ｘ＞０）,Ga A
sとGa PXAs1-X（ｘ＞０）とで形成してもよい。そし
て、第６図ないし第10図はそれぞれ上記半導体の混晶比
Ｘと温度が300°Ｋのときのバンド・ギャップとの関係
を示すグラフで、線ａはΓ点のバンド・ギャップを示
し、線ｂはＸ点のバンド・ギャップを示す。これらのグ
ラフから明らかなように、これらの半導体でべース層、
低濃度コレクタ層を形成した場合にも、低濃度コレクタ
層の半導体の混晶比ｘをＸ点のバンド・ギャップがΓ点
のバンド・ギャップよりも小さくなるように定めれば、
低濃度コレクタ層のバンド・ギャップをより大きくする
ことができ、コレクタ耐圧をより高くすることが可能で
ある。Although the thickness L CI of the low-concentration collector layer 13 is set to 0.1 μm in the above-described embodiment, the thickness L CI is 0.03 to 0.2 μm, and more desirably, as shown in the graph of FIG.
If it is 0.05 to 0.15 μm, the cutoff frequency ff T can be increased and the operating speed of the bipolar transistor can be increased. Further, in the above embodiment, the low concentration collector layer 13 was formed of Ga 0.2 Al 0.8 As,
The low-concentration collector layer may be formed of Ga 1-X Al X As (x> 0). Then, as shown in FIG. 4, if the mixed crystal ratio x is set so that the band gap at the point X is smaller than the band gap at the point Γ (x> 0.45), the band gap of the low concentration collector layer The gap can be made larger and the collector breakdown voltage can be made higher. Further, in the above-described embodiment, the base layer 14 is formed of Ga As and the low-concentration collector layer 13 is formed of Ga 1-X Al X As. However, the base layer and the low-concentration collector layer are respectively formed. , InP and In 1-X Al X P
(X> 0), In As and In 1-X Al X As (x> 0), In Sb and In
1-X Al X Sb (X> 0), In P and In 1-X Ga X P (x> 0), Ga A
It may be formed by s and Ga P X As 1-X (x> 0). 6 to 10 are graphs showing the relationship between the mixed crystal ratio X of the semiconductor and the band gap when the temperature is 300 ° K. The line a indicates the band gap at the point Γ, Line b shows the band gap at point X. As is clear from these graphs, in these semiconductors the base layer,
Even when the low concentration collector layer is formed, if the mixed crystal ratio x of the semiconductor of the low concentration collector layer is determined so that the band gap at the X point is smaller than the band gap at the Γ point,
The band gap of the low-concentration collector layer can be increased, and the collector breakdown voltage can be increased.
以上説明したように、この発明に係るバイポーラ・トラ
ンジスタにおいては、動作速度が速く、かつコレクタ耐
圧が高い。このように、この発明の効果は顕著である。As described above, the bipolar transistor according to the present invention has a high operating speed and a high collector breakdown voltage. As described above, the effect of the present invention is remarkable.
第１図は従来のバイポーラ・トランジスタを示す図、第
２図はこの発明に係るバイポーラ・トランジスタを示す
図、第３図は低濃度コレクタ層の厚さLCIと遮断周波数f
fＴとの関係を示すグラフ、第４図はGa1-XAlXAsの混晶
比ｘとバンド・ギャップとの関係を示すグラフ、第５図
は低濃度コレクタ層の厚さLCIとコレクタ耐圧との関係
を示すグラフ、第６図ないし第10図はそれぞれIn1-XAlX
P,In1-XAlXAs,In1-XAlXSb,In1-XGaXP,Ga PXAs1-Xの混晶
比ｘとバンド・ギャップとの関係を示すグラフである。 11……半絶縁性基板 12……高濃度コレクタ層 13……低濃度コレクタ層 14……べース層 15……エミッタ層FIG. 1 is a diagram showing a conventional bipolar transistor, FIG. 2 is a diagram showing a bipolar transistor according to the present invention, and FIG. 3 is a thickness L CI of a low concentration collector layer and a cutoff frequency f.
Fig. 4 is a graph showing the relationship with f T , Fig. 4 is a graph showing the relationship between the mixed crystal ratio x of Ga 1-X Al X As and the band gap, and Fig. 5 is the thickness L CI of the low concentration collector layer. Graphs showing the relationship with collector breakdown voltage, and Figures 6 to 10 are In 1-X Al X, respectively.
3 is a graph showing the relationship between the band gap and the mixed crystal ratio x of P, In 1-X Al X As, In 1-X Al X Sb, In 1-X Ga X P, Ga P X As 1-X. . 11 …… Semi-insulating substrate 12 …… High concentration collector layer 13 …… Low concentration collector layer 14 …… Base layer 15 …… Emitter layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山口 憲 東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭53−73979（ＪＰ，Ａ) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Ken Yamaguchi 1-280 Higashi Koigakubo, Kokubunji City, Tokyo Inside Central Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (56) Reference JP-A-53-73979 (JP, A)
Claims (2)
層、高濃度コレクタ層の順序で積層され、上記エミッタ
層の方が上記べース層よりバンド・ギャップが大きく両
層がヘテロ接合を形成しており、上記べース層と上記低
濃度コレクタ層との接合部は上記エミッタ層と上記べー
ス層との接合部より外側に延在しており、上記べース層
のうちの上記延在した接合部を構成する部分に電気的に
接続されたべース電極を有するバイポーラ・トランジス
タにおいて、上記低濃度コレクタ層の厚さはそれに対す
る遮断周波数が約最大となる厚さであり、かつ上記低濃
度コレクタ層の方が上記べース層よりバンド・ギャップ
が大きいことを特徴とするバイポーラ・トランジスタ。1. An emitter layer, a base layer, a low-concentration collector layer, and a high-concentration collector layer are stacked in this order, and the emitter layer has a larger band gap than the base layer and both layers are heterojunctions. And the junction between the base layer and the low-concentration collector layer extends outside the junction between the emitter layer and the base layer. In the bipolar transistor having the base electrode electrically connected to the portion forming the extended junction, the thickness of the low concentration collector layer is a thickness at which the cutoff frequency is about maximum. And a low-concentration collector layer having a larger bandgap than the base layer.
コレクタ層をGa1-xAlxAs（ｘ＞0.45）で形成したことを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載のバイポーラ・ト
ランジスタ。2. The method according to claim 1, wherein the base layer is made of GaAs and the low concentration collector layer is made of Ga 1-x Al x As (x> 0.45). Bipolar transistor.
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| JP58196155A JPH0680674B2 (en) | 1983-10-21 | 1983-10-21 | Bipolar transistor |
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