JPH0883807A - Hetero junction bipolar transistor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は超高速LSI,超高速・
大容量光通信、マイクロ波帯からテラヘルツ帯での通信
等に用いられる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。より詳細には、HBTの長
寿命化・高信頼性化に関する。The present invention relates to an ultra high speed LSI, an ultra high speed
The present invention relates to a heterojunction bipolar transistor (hereinafter referred to as HBT) used for large-capacity optical communication, communication in the microwave band to the terahertz band, and the like. More specifically, the present invention relates to a long life and high reliability of HBT.
【0002】[0002]
【従来の技術】バイポーラトランジスタを高速化する際
の指標として、最大発振周波数を向上させることが求め
られている。最大発振周波数fmax は2. Description of the Related Art It is required to improve the maximum oscillation frequency as an index for increasing the speed of a bipolar transistor. The maximum oscillation frequency f max is
【数1】 [Equation 1]
【数2】 と表わされる。ここにKをボルツマン定数,qを素電荷
として、re=KT/nqIc,Reは外部エミッタ抵
抗、Cbe,Cbcはベース・エミッタ,ベース・コレ
クタ接合容量,CPは寄生容量,τF は総電子走行時
間、τB ,τC はベース,コレクタ走行時間である。
(1)式からは最大発振周波数を向上させるためには、
遮断周波数fTを向上する事とベース抵抗RBを下げる
ことが必要である。この二つの要素は、ベース層の設計
に対し相反する要求を提起する。すなわち、fTの向上
にはベース幅WBの縮小が必要で、RBの低下にはベー
ス幅の増加が必要である。この相反する要求を満足でき
る構造としてHBTが開発されている。この構造では広
禁止帯幅のエミッタを用いることで注入効率を向上させ
ている。その結果、エミッタ濃度を低下させても注入効
率が所定値を維持できるのでベース・エミッタ間の空乏
層をエミッタ層に伸ばす様に設定し、エミッタ・ベース
間のトンネル電流を抑えつつ、ベース濃度を向上するこ
とが可能と成った。この結果、ベース幅を縮小しても、
ベース抵抗を低く維持できるのでfmax を大幅に改善す
ることができる様になった。HBTへの期待の背景に
は、しきい値分散や駆動能力がGaAsFET集積回路
においては依然として課題となっていることもあろう。
HBTの動作特性は、基本的にはSiバイポーラトラン
ジスタと同じであり、相互コンダクタンスは標準的なG
aAsMESFETに比べ、10〜20倍も大きい。こ
の電流駆動能力の高さと、III-V 族半導体が備えている
優れた電子輸送特性からもたらされる高速性が、HBT
の開発の原動力となっている。[Equation 2] Is represented. Boltzmann constant K here, the q as elementary charge, r e = KT / nqI c , R e is an external emitter resistor, C BE, C bc is the base-emitter, base-collector junction capacitance, C P is the parasitic capacitance, τ F is the total electron transit time, and τ B and τ C are the base and collector transit times.
From the formula (1), in order to improve the maximum oscillation frequency,
It is necessary to improve the cutoff frequency f T and lower the base resistance R B. These two factors pose conflicting requirements for the design of the base layer. That is, it is necessary to reduce the base width W B to improve f T , and to increase the base width to decrease R B. An HBT has been developed as a structure that can satisfy these conflicting requirements. In this structure, a wide bandgap emitter is used to improve the injection efficiency. As a result, the injection efficiency can be maintained at a predetermined value even if the emitter concentration is lowered, so the depletion layer between the base and emitter is set to extend to the emitter layer, and the base concentration is reduced while suppressing the tunnel current between the emitter and base. It has become possible to improve. As a result, even if the base width is reduced,
Since the base resistance can be kept low, f max can be greatly improved. Behind the expectations for HBTs, threshold dispersion and drive capability may still be issues in GaAs FET integrated circuits.
The operating characteristics of HBT are basically the same as those of Si bipolar transistor, and the mutual conductance is standard G
It is 10 to 20 times larger than aAs MESFET. The high current drive capability and the high speed resulting from the excellent electron transport characteristics of III-V semiconductors make the HBT
Has become the driving force for the development of.
【0003】GaAsFETに対するHBTの特徴をま
とめると、 (1) 相互コンダクタンスが高い; (2) しきい値がベースのバンドギャップでほぼ決まるの
で安定(エピ厚,ドーピング濃度に対して特性変動が小
さい); (3) 電流制御がベースのポテンシャルによるので、FE
Tにおけるいわゆる短チャネル効果に相当するようなス
ケールダウンにともなう特性劣化がない; (4) 入力/出力分離が良いため、出力コンダクタンスが
十分に小さい; (5) 素子表面の影響が少ないため1/fノイズが小さ
い; (6) 素子耐圧がエピ構造で決まり、これを比較的大きく
できる; (7) 素子の真性部分がエピ構造で決まるので、リソグラ
フィのばらつきの影響が小さい; などである。現在までこのHBT構造で最も成功してい
るのは、AlGaAsとGaAsの組み合わせを用いた
材料を基本としたものである。これは主に、GaAs中
における電子の輸送特性が高速動作に適している事と、
GaAsとAlGaAsでは格子不整合が比較的小さ
く、良質のヘテロ接合を容易にエピタキシャル成長でき
ることによる。The characteristics of HBT with respect to GaAsFET are summarized as follows: (1) High transconductance; (2) Stable because the threshold is almost determined by the bandgap of the base (characteristic variation with epi thickness and doping concentration is small). (3) Since the current control depends on the potential of the base, FE
There is no characteristic deterioration due to scale-down, which is equivalent to the so-called short channel effect at T; (4) The input / output separation is good, so the output conductance is sufficiently small; (5) The influence of the element surface is small, so 1 / f Noise is small; (6) Device breakdown voltage is determined by the epi structure and can be made relatively large; (7) Since the intrinsic part of the device is determined by the epi structure, the influence of lithography variations is small. To date, the most successful HBT structures have been based on materials using a combination of AlGaAs and GaAs. This is mainly because the electron transport properties in GaAs are suitable for high-speed operation,
This is because the lattice mismatch between GaAs and AlGaAs is relatively small, and a high-quality heterojunction can be easily epitaxially grown.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】しかし、AlGaAs
とGaAsからなるHBTは高電流密度で動作している
際、通電時間の増加に伴い素子内には多量の欠陥が発生
し、例えば素子の電流利得が低下してゆき、ついには動
作不能になってしまう問題がある。However, AlGaAs
When operating at a high current density, HBTs made of GaAs and GaAs have a large number of defects in the device as the energization time increases, and for example, the current gain of the device decreases and finally becomes inoperable. There is a problem that ends up.
【0005】特に、ベースドーパントに高濃度のBeを
用いた場合、周囲温度200℃程度の高温下で通電試験
を行うと数10〜数100時間の内に電流増幅率が低下
し、素子が劣化してしまうことが明らかになった(参考
文献:野津他、電子情報通信学会研究会ED91−16
3,MW91−146,ICD91−189)。すなわ
ち、素子寿命を表わす平均故障間隔(Mean Time to Fai
lure; 以下MTTFという)が短いという欠点があっ
た。ベースドーパントにBeの代わりにCあるいはZn
を用いた場合でも程度の差はあるが、同様な結果が得ら
れる。これらの結果は同素子が室温動作においても信頼
性が乏しいことを意味している。またInGaPとGa
AsからなるHBTにおいても同様な劣化がみられる。
現在までのところ、これらの高温通電試験での電流増幅
率の低下の原因は完全に理解されていない。しかしなが
ら高温動作時に、ベース層中の非発光性再結合中心によ
る転移あるいは欠陥の増殖が電流増幅率の低下の原因と
なっていることが考えられる。In particular, when a high concentration of Be is used as the base dopant, the current amplification factor decreases within a few tens to a few hundreds of hours when an energization test is conducted at a high temperature of about 200 ° C., and the device deteriorates. (References: Nozu et al., IEICE Technical Committee ED91-16)
3, MW 91-146, ICD 91-189). That is, the mean failure interval (Mean Time to Fai)
lure; hereinafter referred to as MTTF) had a shortcoming that it was short. C or Zn instead of Be as the base dopant
Similar results can be obtained with a different degree of use. These results mean that the device has poor reliability even at room temperature operation. InGaP and Ga
Similar deterioration is observed in the HBT made of As.
To date, the cause of the decrease in current amplification factor in these high temperature current tests is not completely understood. However, it is conceivable that the transition of non-radiative recombination centers in the base layer or the proliferation of defects at the time of high-temperature operation causes the current amplification factor to decrease.
【0006】そこで本発明は上記の問題を解決するため
に、高温においても電流増幅率の低下が少なく、長寿命
を持つ高信頼性HBTの提供を目的とする。In order to solve the above problems, the present invention has an object to provide a highly reliable HBT having a long current and a small decrease in current amplification factor even at high temperatures.
【0007】さらに本発明の目的はベース層中、および
エミッタ・ベース接合、ベース・コレクタ接合近傍にお
ける転位、再結合中心等の欠陥の増殖を抑制しうる高信
頼、長寿命のHBTを提供することである。A further object of the present invention is to provide a highly reliable and long-life HBT capable of suppressing the growth of defects such as dislocations and recombination centers in the base layer and in the vicinity of the emitter / base junction and the base / collector junction. Is.
【0008】[0008]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の本発明の第1の特徴は図2に示すよ
うなHBTにおいて、そのベース近傍の不純物のプロフ
ィルが図1に示すように、ベースに導電型を与えるBe
等の電気的に活性な第1の不純物元素をベース層24に
含み、III-V 族化合物半導体に対し電気的に中性なI
n,Sb,P等のIII 族あるいはV族元素からなる第2
の不純物元素を、第1の不純物元素の0.02倍から3
0倍の範囲でベース層24およびベース層近傍のエミッ
タ層45,46に含んでいることである。In order to achieve the above object, the first feature of the present invention according to claim 1 is that in an HBT as shown in FIG. 2, the profile of impurities in the vicinity of the base is shown in FIG. Be, which gives the base a conductivity type, as shown
Etc. containing an electrically active first impurity element such as, for example, I, which is electrically neutral to the III-V group compound semiconductor.
Second group consisting of group III or V elements such as n, Sb, P
The impurity element of 0.02 to 3 times that of the first impurity element
It is included in the base layer 24 and the emitter layers 45 and 46 near the base layer in a range of 0 times.
【0009】請求項2記載の本発明の第2の特徴は図4
に示すようなHBTにおいて、そのベース近傍の不純物
のプロフィルが図3に示すように、ベースに導電型を与
えるBe等の電気的に活性な第1の不純物元素をベース
層24に含み、III-V 族化合物半導体に対し電気的に中
性なIn,Sb,P等のIII 族あるいはV族元素からな
る第2の不純物元素を、第1の不純物元素の0.02倍
から30倍の範囲でベース層24およびベース層近傍の
エミッタ層25,26およびベース層24近傍のコレク
タ層23に含んでいることである。A second feature of the present invention according to claim 2 is shown in FIG.
In the HBT as shown in FIG. 3, the base layer 24 contains an electrically active first impurity element such as Be which gives the base a conductivity type, as shown in FIG. The second impurity element, which is electrically neutral to the group V compound semiconductor and is composed of a group III or group V element such as In, Sb, P, etc., in a range of 0.02 times to 30 times that of the first impurity element It is included in the base layer 24, the emitter layers 25 and 26 near the base layer, and the collector layer 23 near the base layer 24.
【0010】請求項3記載の本発明の第3の特徴は、第
1あるいは第2の特徴のHBTであってさらに図5〜図
7に記載のようにベース層24中の第1の不純物元素の
プロファイルが、エミッタ層に対して徐々に増大あるい
は減少するような不均一なドーピングプロファイルを有
することである。図5〜図7はなだらかな傾斜を示して
いるが、プロファイルは高次の曲線でもよいし、ステッ
プ状に増大あるいは減少するようにしてもよい。The third feature of the present invention according to claim 3 is the HBT of the first or second feature, and further, as described in FIGS. 5 to 7, the first impurity element in the base layer 24. Profile has a non-uniform doping profile that gradually increases or decreases with respect to the emitter layer. Although FIGS. 5 to 7 show a gentle slope, the profile may be a higher-order curve or may be increased or decreased stepwise.
【0011】第1又は第2の特徴においてより好ましく
は、第1の不純物元素はBeで、第2の不純物元素はI
nで、InはBeに対し0.11〜11倍の範囲でベー
ス層24中にドープされていることである。More preferably in the first or second feature, the first impurity element is Be and the second impurity element is I.
It is that n is doped with In in the base layer 24 in a range of 0.11 to 11 times that of Be.
【0012】第1又は第2の特徴においてより好ましく
は、第1の不純物元素はBeで、第2の不純物元素はS
bで、SbはBeに対し0.025〜2.5倍の範囲で
ベース層24中にドープされていることである。More preferably in the first or second feature, the first impurity element is Be and the second impurity element is S.
In b, Sb is doped in the base layer 24 in a range of 0.025 to 2.5 times that of Be.
【0013】第1又は第2の特徴においてより好ましく
は、第1の不純物元素はCで、第2の不純物元素はIn
で、InはCに対し0.24〜24倍の範囲でベース層
24中にドープされていることである。More preferably, the first impurity element is C and the second impurity element is In.
That is, In is doped in the base layer 24 in a range of 0.24 to 24 times that of C.
【0014】第1又は第2の特徴においてより好ましく
は、第1の不純物元素はZnで、第2の不純物元素はP
で、PはZnに対し0.05〜5倍の範囲でベース層2
4中にドープされていることである。More preferably in the first or second feature, the first impurity element is Zn and the second impurity element is P.
And P is in the range of 0.05 to 5 times that of Zn in the base layer 2
4 is doped.
【0015】第1又は第2の特徴においてより好ましく
は、第1の不純物元素はCで、第2の不純物元素はSb
で、SbはCに対し0.27〜27倍の範囲でベース層
24中にドープされていることである。More preferably in the first or second characteristic, the first impurity element is C and the second impurity element is Sb.
That is, Sb is doped in the base layer 24 in a range of 0.27 to 27 times that of C.
【0016】[0016]
【作用】本発明の第1の特徴によれば、ベース層24中
にベース層の母体となっているIII-V 族化合物半導体の
少なくとも一方の構成元素よりも共有結合半径の小さい
第1の不純物元素が、ドープされた場合、III-V 族化合
物半導体に対しては電気的に中性で、かつIII-V 族化合
物半導体の少なくとも一方の構成元素より共有結合半径
の大きい第2の不純物元素をベース層に添加することに
より、格子歪みあるいは内部応力を緩和することが可能
となる。逆に第1の不純物元素によりベース層の格子定
数が母結晶の格子定数より拡大する場合には、母結晶の
構成元素の少なくとも一方よりも共有結合半径の小さ
く、かつIII-V 族化合物半導体に対して電気的に中性な
第2の不純物元素をベース層に添加することにより、格
子歪みあるいは内部応力を緩和することが可能となる。According to the first feature of the present invention, the first impurity having a covalent bond radius smaller than that of at least one of the constituent elements of the III-V group compound semiconductor, which is the base material of the base layer, in the base layer 24. When the element is doped, a second impurity element that is electrically neutral to the III-V group compound semiconductor and has a larger covalent radius than at least one of the constituent elements of the III-V group compound semiconductor is added. Addition to the base layer makes it possible to relax lattice strain or internal stress. On the contrary, when the first impurity element causes the lattice constant of the base layer to be larger than the lattice constant of the host crystal, the covalent bond radius is smaller than at least one of the constituent elements of the host crystal, and a III-V group compound semiconductor is obtained. On the other hand, by adding the electrically neutral second impurity element to the base layer, lattice strain or internal stress can be relaxed.
【0017】例えばGaAsベース層の場合、GaAs
よりも共有結合半径の小さいCやBeがドープされた場
合、同時にGaAsよりも共有結合半径の大きいInや
Sbをドープすることにより内部応力を緩和することが
できる。第1の不純物元素としてGaAsよりも共有結
合半径の大きいZn,Cd等がドープされた場合は、第
2の不純物元素としてPやNをドープすれば、格子歪み
や内部応力は緩和される。For example, in the case of a GaAs base layer, GaAs
When C or Be having a covalent bond radius smaller than that of GaAs is doped, the internal stress can be relaxed by simultaneously doping In or Sb having a covalent bond radius larger than that of GaAs. When Zn, Cd or the like having a larger covalent radius than GaAs is doped as the first impurity element, the lattice strain and the internal stress are relaxed by doping P or N as the second impurity element.
【0018】さらに本発明の第1の特徴によれば、第2
の不純物元素はエミッタ層側まではみ出しており、エミ
ッタ・ベースは接合の空乏層の広がる範囲内にまでは少
なくとも第2の不純物元素がドープされている。このよ
うに第2の不純物元素をドープすることにより、エミッ
タ・ベース接合の空乏層内での転位の発生が抑制され、
しかも、ベース層内での格子歪み,内部応力が緩和され
るので、HBTの長寿命,高信頼性動作が実現できる。
さらに、ベース層中で導電性をもたらしている第1の不
純物元素が、III-V 族化合物半導体におけるIII 族元素
位置(V族元素位置)に位置する場合、第2の不純物元
素としてベース層を構成するV族元素(III 族元素)と
異なるV族元素(III 族元素)をベース層中に添加すれ
ば、化学量論的バランスを崩すことがないのでベース層
中不純物の活性化率を下げることがない。Further, according to the first feature of the present invention, the second
Of the impurity element of (3) extends to the emitter layer side, and the emitter / base is doped with at least the second impurity element to the extent that the depletion layer of the junction spreads. By thus doping the second impurity element, generation of dislocations in the depletion layer of the emitter-base junction is suppressed,
Moreover, since lattice strain and internal stress in the base layer are alleviated, a long life and high reliability operation of the HBT can be realized.
Further, when the first impurity element that causes conductivity in the base layer is located at the group III element position (group V element position) in the group III-V compound semiconductor, the base layer is used as the second impurity element. If a group V element (group III element) different from the constituent group V element (group III element) is added to the base layer, the stoichiometric balance is not lost and the activation rate of impurities in the base layer is reduced. Never.
【0019】本発明の第2の特徴によれば、第1の特徴
に加えるに、さらにベース・コレクタ接合の空乏層の広
がる範囲を少なくともカバーするように第2の不純物元
素がドープされ、ベース・コレクタ接合の空乏層内での
転位の発生・増殖が抑制されるので長寿命、かつ安定な
動作が可能となる。According to a second aspect of the present invention, in addition to the first aspect, the second impurity element is doped so as to cover at least a region where the depletion layer of the base-collector junction extends, Since the generation and multiplication of dislocations in the depletion layer of the collector junction are suppressed, long life and stable operation are possible.
【0020】本発明の第3の特徴によれば、第1の特徴
に加えるに、さらにエミッタ・ベース間のヘテロ接合に
起因するミスフィット転位の発生が抑制されるので、さ
らに長寿命、かつ安定な動作が可能となる。According to the third feature of the present invention, in addition to the first feature, the occurrence of misfit dislocations due to the heterojunction between the emitter and the base is further suppressed, so that the life and stability are further improved. Various operations are possible.
【0021】[0021]
【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be described below.
【0022】図1は本発明の第1の実施例に係るAlG
aAs/GaAsHBTのpGaAsベース層24近傍
の不純物密度プロファイルを示す。図1の横軸の数字は
図2に示すエミッタトップnpn型HBTの各層を表
し、縦軸はBe、およびInの濃度を示す。ただし、縦
軸は任意スケールであり、図1から直接濃度の比較はで
きないが、本発明の第1の実施例では5×1019cm-3
のBeと、6.6×1019cm-3のInが同時にpGa
Asベース層にドープされ、Be単独ドープ時に生じる
格子定数縮小を緩和していることがわかる。Inはベー
ス領域だけでなく、図1に示すように、nAlx Ga
1-x As層45,nAl0.3 Ga0.7 Asエミッタ層4
7の領域までドープされ、エミッタ・ベース間の空乏層
領域内での転位やその他の固有欠陥の発生を防止してい
る。FIG. 1 shows AlG according to the first embodiment of the present invention.
The impurity density profile in the vicinity of the pGaAs base layer 24 of aAs / GaAsHBT is shown. The numbers on the horizontal axis in FIG. 1 represent the respective layers of the emitter top npn type HBT shown in FIG. 2, and the vertical axes represent the concentrations of Be and In. However, the vertical axis is an arbitrary scale, and although the concentration cannot be directly compared from FIG. 1, it is 5 × 10 19 cm −3 in the first embodiment of the present invention.
Of Be and In of 6.6 × 10 19 cm −3 are simultaneously pGa
It can be seen that the As base layer is doped to alleviate the lattice constant reduction that occurs when Be is solely doped. In is not only in the base region but also in nAl x Ga as shown in FIG.
1-x As layer 45, nAl 0.3 Ga 0.7 As emitter layer 4
The region 7 is doped to prevent the generation of dislocations and other intrinsic defects in the depletion layer region between the emitter and the base.
【0023】図2に示すHBTは半絶縁性GaAs基板
21に順次n+ GaAsコレクタコンタクト層22、n
GaAsコレクタ層23、pGaAsベース層24、n
Alx Ga1-x As層45、nAl0.3 Ga0.7 Asエ
ミッタ層46、nAlx Ga1-x As層47、n+ In
y Ga1-y As層48、n+ In0.5 Ga0.5 Asエミ
ッタコンタクト層27が積層した構造となっている。こ
こで、たとえばn+ GaAsコレクタコンタクト層25
は500nm、Si濃度6×1018cm-3、nGaAs
コレクタ層12は600nm、Si濃度5×1016cm
-3、pGaAsベース層24は図1に示す不純物プロフ
ァイルで厚みは70nm、nAlx Ga1-x As層45
は30nm、Si濃度1×1018cm-3、nAlx Ga
1-x As層47は30nm、Si濃度1×1018c
m-3、n+ Iny Ga1-y As層28は50nm、Si
濃度3×1019cm-3、n+ In0.5 Ga0.5 Asエミ
ッタコンタクト層29は50nm、Si濃度3×1019
cm-3である。The HBT shown in FIG. 2 has a semi-insulating GaAs substrate 21 and an n + GaAs collector contact layer 22, n sequentially.
GaAs collector layer 23, pGaAs base layer 24, n
Al x Ga 1-x As layer 45, nAl 0.3 Ga 0.7 As emitter layer 46, nAl x Ga 1-x As layer 47, n + In
It has a structure in which a y Ga 1-y As layer 48 and an n + In 0.5 Ga 0.5 As emitter contact layer 27 are laminated. Here, for example, n + GaAs collector contact layer 25
Is 500 nm, Si concentration is 6 × 10 18 cm −3 , nGaAs
Collector layer 12 is 600 nm, Si concentration is 5 × 10 16 cm
-3 , the pGaAs base layer 24 has an impurity profile shown in FIG. 1 and a thickness of 70 nm, and an nAl x Ga 1 -x As layer 45.
Is 30 nm, Si concentration is 1 × 10 18 cm −3 , nAl x Ga
1-x As layer 47 is 30 nm, Si concentration is 1 × 10 18 c
m −3 , n + In y Ga 1 -y As layer 28 is 50 nm, Si
Concentration 3 × 10 19 cm −3 , n + In 0.5 Ga 0.5 As emitter contact layer 29 is 50 nm, Si concentration 3 × 10 19
cm -3 .
【0024】次に図2に示した本発明の第1の実施例の
HBTを製造する場合の製造工程を説明する。まず、M
BE法、減圧MOCVD法、CBE法等により、半絶縁
性GaAs基板21上に、n+ GaAsコレクタコンタ
クト層22,nGaAsコレクタ層23,……,n+ I
ny Ga1-y Asグレーディッド層48,n+ In0. 5
Ga0.5 Asエミッタコンタクト層27を順次連続エピ
タキシャル成長する。この際、pGaAsベース層24
にはBeとInをドープし、nAlx Ga1-xAsグレ
ーディッド層45,nAI0.3 Ga0.7 Asエミッタ層
46にはSiとInとをドープする。Next, a manufacturing process for manufacturing the HBT of the first embodiment of the present invention shown in FIG. 2 will be described. First, M
The n + GaAs collector contact layer 22, the nGaAs collector layer 23, ..., N + I are formed on the semi-insulating GaAs substrate 21 by the BE method, the low pressure MOCVD method, the CBE method, or the like.
n y Ga 1-y As graded layer 48, n + In 0. 5
The Ga 0.5 As emitter contact layer 27 is successively and epitaxially grown. At this time, the pGaAs base layer 24
Is doped with Be and In, and the nAl x Ga 1-x As graded layer 45 and the nAI 0.3 Ga 0.7 As emitter layer 46 are doped with Si and In.
【0025】次に、この連続エピタキシャル成長ウエハ
上にフォトレジストでベース電極取り出し用のU溝エッ
チングのためのマスクパターンを形成し、それを用いて
InGaAs層27,48、AlGaAs層47,4
6,45をRIE法あるいはECRイオンエッチ法によ
りnAlx Ga1-x Asグレーディッド層が露出するま
でエッチングしU溝を形成する。この後フォトレジスト
マスクをつけた状態でさらにウエットエッチングによっ
てU溝の側壁の半導体層を僅かにサイドエッチングす
る。このサイドエッチングの量でベース電極とエミッタ
領域の分離が決まる。サイドエッチング量の最適値はエ
ピ膜の構成や膜質あるいはパターンサイズその他に依存
するが、例えば0.1μm程度行えば良い。ここでは主
なエッチング手段としてドライエッチングを用いたが、
ウエットエッチングのみでも可能である。続いてベース
電極用にPt/Ti/Pt/Auをウエハ全面に蒸着
し、その後フォトレジストを除去する、いわゆるリフト
オフ法によってベース電極32をU溝の底部に形成す
る。その後熱処理(アロイ)によりpGaAsベース層
24まで最下層のPtが浸透するようにし、pGaAs
ベース層24と、ベース電極32とを電気的に接触させ
る。図2では、薄いnAlx Ga1-x Asグレーディッ
ド層45がpGaAsベース層24とベース電極32と
の間に残っているように示されているが、実際にはこの
部分はPtとpGaAsベース層24とのアロイ層が存
在する。さらに、ベース電極32とエミッタ電極31の
絶縁層を形成するため、基板表面全体にポリイミド樹脂
のプレポリマー溶液をスピンコート法により塗布し、こ
のポリイミド樹脂の熱硬化温度(350℃)まで段階的
に加熱してポリイミド樹脂34をU溝を含めた全面に形
成する。次にO2 を用いたRIE法等により、n+ In
0.5 Ga0.5 Asエミッタコンタクト層27が露出する
までポリイミド樹脂34をエッチバックし、U溝内のベ
ース電極32上のみにポリイミド樹脂34を残し、エミ
ッタ電極31のコンタクトホールを自己整合的に開孔す
る。次にリフトオフ法を用いて、エミッタ電極31用の
Ti/Pt/Auを蒸着、パターニングし、ついでプロ
トンイオン注入で素子間分離領域35を形成し、最後に
サブコレクタ層22をウェットエッチングによって露出
させAuGe/Ni/Ti/Auを蒸着後、リフトオフ
法を用いて、パターニングし、さらに370℃程度の熱
処理によりアロイを行うことにより図2に示すようなコ
レクタ電極33を形成する。Next, a mask pattern for etching the U-groove for taking out the base electrode is formed on the continuous epitaxially grown wafer with a photoresist, and the mask pattern is used to form InGaAs layers 27, 48 and AlGaAs layers 47, 4.
6, 45 are etched by RIE or ECR ion etching until the nAl x Ga 1-x As graded layer is exposed to form U grooves. After that, the semiconductor layer on the sidewall of the U groove is slightly side-etched by wet etching with the photoresist mask attached. The amount of this side etching determines the separation between the base electrode and the emitter region. The optimum value of the side etching amount depends on the structure of the epitaxial film, the film quality, the pattern size, etc., but may be about 0.1 μm, for example. Although dry etching was used here as the main etching means,
It is also possible to use only wet etching. Subsequently, Pt / Ti / Pt / Au for the base electrode is vapor-deposited on the entire surface of the wafer, and then the photoresist is removed, so that the base electrode 32 is formed at the bottom of the U groove by a so-called lift-off method. Then, heat treatment (alloy) is performed so that the Pt of the lowermost layer penetrates to the pGaAs base layer 24,
The base layer 24 and the base electrode 32 are electrically contacted. In FIG. 2, a thin nAl x Ga 1 -x As graded layer 45 is shown to remain between the pGaAs base layer 24 and the base electrode 32, but this portion is actually a Pt and pGaAs base layer. There is an alloy layer with layer 24. Further, in order to form an insulating layer of the base electrode 32 and the emitter electrode 31, a prepolymer solution of a polyimide resin is applied to the entire surface of the substrate by a spin coating method, and the polyimide resin is gradually cured up to a thermosetting temperature (350 ° C.). By heating, the polyimide resin 34 is formed on the entire surface including the U groove. Then, by the RIE method using O 2 or the like, n + In
The polyimide resin 34 is etched back until the 0.5 Ga 0.5 As emitter contact layer 27 is exposed, leaving the polyimide resin 34 only on the base electrode 32 in the U groove, and opening the contact hole of the emitter electrode 31 in a self-aligned manner. . Next, Ti / Pt / Au for the emitter electrode 31 is vapor-deposited and patterned by using the lift-off method, then the element isolation region 35 is formed by proton ion implantation, and finally the sub-collector layer 22 is exposed by wet etching. After depositing AuGe / Ni / Ti / Au, patterning is performed using a lift-off method, and alloying is performed by heat treatment at about 370 ° C. to form a collector electrode 33 as shown in FIG.
【0026】図3は、図4に示すように本発明の第2の
実施例に係るエミッタトップnpn型HBTのベース層
近傍のBeおよびSbの深さ方向の不純物プロファイル
を示す。InGaP/GaAsHBTは図4の断面図に
示すように、半絶縁性GaAs基板21上に、厚さ50
0nmのn+ GaAsコレクタコンタクト層(Siドー
プ;5×1018cm-3)22,厚さ200nmのnGa
Asコレクタ層(Siドープ;5×1016cm-3)2
3,図3に示す不純物プロファイルで厚さ70nmのp
GaAsベース層(Be,Sbドープ)24,厚さ85
nmのnIn0.49Ga0.51Pエミッタ層(Siドープ;
5×1017cm-3)25,厚さ100nmのnGaAs
層26,厚さ100nmのn+ InGaAsエミッタコ
ンタクト層27が順次積層されて、n+ InGaAsエ
ミッタコンタクト層27の上部にはTi/Pt/Auか
らなる金属エミッタ電極31が、pGaAsベース層上
部にはTi/Pt/Auからなる金属ベース電極32
が、さらにn+ GaAsコレクタコンタクト層22まで
達するように形成された溝部底部にはAuGe/Ni/
Auからなる金属コレクタ電極33が形成されている。
pGaAsベース層24は図3に示すようにBe濃度5
×1019cm-3,Sb濃度1.25×1019cm-3であ
り、Beによる格子定数縮小を緩和している。さらにS
bはnGaAsコレクタ層23およびnIn0.49Ga
0.51Pエミッタ層25,nGaAs層26にまでドープ
され、エミッタ・ベース間の空乏層領域,コレクタ・ベ
ース間の空乏層領域内での転位の発生を抑制している。FIG. 3 shows impurity profiles in the depth direction of Be and Sb near the base layer of the emitter top npn type HBT according to the second embodiment of the present invention as shown in FIG. As shown in the sectional view of FIG. 4, InGaP / GaAsHBT has a thickness of 50 on the semi-insulating GaAs substrate 21.
0 nm n + GaAs collector contact layer (Si-doped; 5 × 10 18 cm −3 ) 22 and 200 nm thick nGa
As collector layer (Si-doped; 5 × 10 16 cm −3 ) 2
3, p of 70 nm thickness according to the impurity profile shown in FIG.
GaAs base layer (Be, Sb doped) 24, thickness 85
nm nIn 0.49 Ga 0.51 P emitter layer (Si-doped;
5 × 10 17 cm −3 ) 25, 100 nm thick nGaAs
A layer 26 and an n + InGaAs emitter contact layer 27 having a thickness of 100 nm are sequentially stacked, and a metal emitter electrode 31 made of Ti / Pt / Au is formed on the n + InGaAs emitter contact layer 27 and an upper part of the pGaAs base layer. Metal base electrode 32 made of Ti / Pt / Au
However, AuGe / Ni / is formed on the bottom of the groove formed to reach the n + GaAs collector contact layer 22.
A metal collector electrode 33 made of Au is formed.
The pGaAs base layer 24 has a Be concentration of 5 as shown in FIG.
The density was × 10 19 cm -3 and the Sb concentration was 1.25 × 10 19 cm -3 , which alleviates the reduction of the lattice constant due to Be. Further S
b is nGaAs collector layer 23 and nIn 0.49 Ga
The 0.51 P emitter layer 25 and the nGaAs layer 26 are doped to suppress the generation of dislocations in the depletion layer region between the emitter and the base and the depletion layer region between the collector and the base.
【0027】図4に示すHBTは以下のように製造す
る。まずMBE法、減圧MOCVD法、CBE法等によ
り、半絶縁性GaAs基板上に、n+ GaAsコレクタ
コンタクト層22,nGaAsコレクタ層23,……,
n+ InGaAsエミッタコンタクト層27と順次連続
エピタキシャル成長し、次にベース電極取り出し用U溝
をフォトリソグラフィーを用い、すなわち、フォトレジ
ストをマスクとしてpGaAsベース層24に達するま
でn+ InGaAsエミッタコンタクト層,GaAs層
26,nIn0.49G0.51Pエミッタ層25をエッチング
し形成する。このときのnIn0.49Ga0.51Pエミッタ
層25のエッチングはHCl:H2 O,あるいはHC
l:H3 PO4 等の塩酸系のエッチャントを用いればG
aAsはほとんどエッチングされずInGaPの選択エ
ッチングができるので、pGaAsベース層24がエッ
チングストッパーとして働き、U溝深さの正確な制御が
できる。次にU溝エッチングに用いたフォトレジストを
残したままTi/Pt/Auを蒸着し、その後フォトレ
ジストを除去するいわゆるリフトオフ法により、Ti/
Pt/Au金属ベース電極32を形成する。その後、U
溝をポリイミド等により埋め、n+ InGaAsエミッ
タコンタクト層27の上部にTi/Pt/Au金属エミ
ッタ電極31を形成し、さらに、n+ GaAsコレクタ
コンタクト層22をウェットエッチングにより露出さ
せ、AuGe/Ni/Auのコレクタ金属電極33を形
成すればよい。The HBT shown in FIG. 4 is manufactured as follows. First, the n + GaAs collector contact layer 22, the nGaAs collector layer 23, ..., Are formed on the semi-insulating GaAs substrate by the MBE method, the low pressure MOCVD method, the CBE method, or the like.
Successively epitaxially grows sequentially with the n + InGaAs emitter contact layer 27, and then the U groove for taking out the base electrode is formed by photolithography, that is, the n + InGaAs emitter contact layer and the GaAs layer are formed using the photoresist as a mask until the pGaAs base layer 24 is reached. 26, nIn 0.49 G 0.51 P emitter layer 25 is formed by etching. At this time, the etching of the nIn 0.49 Ga 0.51 P emitter layer 25 is performed using HCl: H 2 O or HC.
l: G using a hydrochloric acid-based etchant such as H 3 PO 4
Since aAs is hardly etched and InGaP can be selectively etched, the pGaAs base layer 24 functions as an etching stopper and the U groove depth can be accurately controlled. Next, Ti / Pt / Au is vapor-deposited while leaving the photoresist used for the U-groove etching, and then the photoresist is removed by a so-called lift-off method.
A Pt / Au metal base electrode 32 is formed. Then U
The groove is filled with polyimide or the like, a Ti / Pt / Au metal emitter electrode 31 is formed on the n + InGaAs emitter contact layer 27, and the n + GaAs collector contact layer 22 is exposed by wet etching to remove AuGe / Ni / The Au collector metal electrode 33 may be formed.
【0028】図5は本発明の第3の実施例に係るAlG
aAs/GaAsHBTのpGaAsベース層のBeお
よびIn濃度の深さ方向不純物濃度分布(プロファイ
ル)を示している。このHBTは図4と同様の構造であ
りGaAs基板上にMBE法等により順次形成されたn
+ GaAsコレクタコンタクト層(Siドープ:6×1
018cm-3)22,nGaAsコレクタ層(Siドー
プ:5×1016cm-3)23、pGaAsベース層24
およびAl0.3 Ga0.7 Asエミッタ層(Siドープ:
5×1017cm-3)46等により構成されている。pG
aAsベース層中でのBe濃度は5×1019cm-3,I
n濃度は6.6×1019cm-3であり、BeによるGa
As格子定数縮小を緩和する値になっている。また、I
nはnAlxGa1-x Asグレーデッド層45,nAl
0.3 Ga0.1 Asエミッタ層46側にまでドープされ、
エミッタ・ベース間接合の空乏層内での転位の発生・増
殖を抑制している。FIG. 5 shows AlG according to the third embodiment of the present invention.
The depth direction impurity concentration distribution (profile) of Be and In concentration of the pGaAs base layer of aAs / GaAsHBT is shown. This HBT has the same structure as that shown in FIG. 4, and is formed on the GaAs substrate sequentially by the MBE method or the like.
+ GaAs collector contact layer (Si-doped: 6 × 1)
0 18 cm −3 ) 22, nGaAs collector layer (Si doping: 5 × 10 16 cm −3 ) 23, pGaAs base layer 24
And Al 0.3 Ga 0.7 As emitter layer (Si-doped:
5 × 10 17 cm −3 ) 46 and the like. pG
The Be concentration in the aAs base layer is 5 × 10 19 cm −3 , I
The n concentration is 6.6 × 10 19 cm −3 , and Ga by Be is Ga.
It is a value that alleviates the As lattice constant reduction. Also, I
n is nAlxGa 1-x As graded layer 45, nAl
0.3 Ga 0.1 As is doped to the emitter layer 46 side,
It suppresses the generation and multiplication of dislocations in the depletion layer of the emitter-base junction.
【0029】なお、図3,図4に示したIn0.49Ga
0.51P/GaAsHBTはエミッタ層とベース層とがほ
ぼ格子整合しているが、AlGaAs/GaAsHBT
はエミッタ層とベース層とは格子整合できない。したが
って、本発明の第3の実施例では、pGaAsベース層
24を2層に分け、コレクタ側のpGaAsベース層2
4下層は、Inの添加量をBeによるGaAs格子定数
縮小を補償するように選び、エミッタ側のpGaAsベ
ース層24の上層は、In添加量を増大し、pGaAs
ベース層が膨脹するようにしている。The In 0.49 Ga shown in FIGS.
In 0.51 P / GaAs HBT, the emitter layer and the base layer are almost lattice-matched, but AlGaAs / GaAs HBT
Cannot lattice match the emitter layer and the base layer. Therefore, in the third embodiment of the present invention, the pGaAs base layer 24 is divided into two layers, and the pGaAs base layer 2 on the collector side is divided into two layers.
4 In the lower layer, the amount of In added is selected so as to compensate for the reduction of the GaAs lattice constant due to Be, and in the upper layer of the pGaAs base layer 24 on the emitter side, the amount of In added is increased and
The base layer is designed to expand.
【0030】図6は本発明の第4の実施例に係るAlG
aAs/GaAsHBTのpGaAsベース層近傍のC
およびIn濃度の深さ方向分布を示している。このHB
Tも図4と同様の構造でありGaAs基板上にMBE法
等により順次形成されたn+GaAsコレクタコンタク
ト層(Siドープ:6×1018cm-3)22,nGaA
sコレクタ層(Siドープ:5×1016cm-3)23、
pGaAsベース層24およびAl0.3 Ga0.7 Asエ
ミッタ層(Siドープ:5×1017cm-3)46等によ
り構成されている。pGaAsベース層中でのC濃度は
5×1019cm-3,In濃度は1.25×1019cm-3
であり、C単独ドープによるGaAs格子定数縮小を緩
和する値になっている。第4の実施例ではInはエミッ
タ側、およびコレクタ側両方にはみ出してドーピングさ
れ、エミッタ・ベース間接合、およびベース・コレクタ
間接合の空乏層内での転位の発生・増殖を抑制してい
る。第4の実施例では、In添加量はAlGaAsエミ
ッタ側で増大するようにドープし、ピークのドープ量は
3×1020cm-3としている。FIG. 6 shows AlG according to the fourth embodiment of the present invention.
C near the pGaAs base layer of aAs / GaAs HBT
And the distribution of In concentration in the depth direction are shown. This HB
T also has a structure similar to that shown in FIG. 4, and n + GaAs collector contact layers (Si-doped: 6 × 10 18 cm −3 ) 22, nGaA sequentially formed on the GaAs substrate by the MBE method or the like.
s collector layer (Si-doped: 5 × 10 16 cm −3 ) 23,
The pGaAs base layer 24 and the Al 0.3 Ga 0.7 As emitter layer (Si-doped: 5 × 10 17 cm −3 ) 46 are used. The C concentration in the pGaAs base layer is 5 × 10 19 cm −3 , and the In concentration is 1.25 × 10 19 cm −3.
Is a value that alleviates the reduction of the GaAs lattice constant due to C single doping. In the fourth embodiment, In is extruded and doped on both the emitter side and the collector side to suppress the generation and multiplication of dislocations in the depletion layer of the emitter-base junction and the base-collector junction. In the fourth embodiment, the doping amount of In is increased so as to increase on the AlGaAs emitter side, and the doping amount of the peak is set to 3 × 10 20 cm −3 .
【0031】図7は本発明の第5の実施例に係るAlG
aAs/GaAsHBTのpGaAsベース層近傍のZ
nおよびP濃度の深さ方向分布を示している。このHB
Tも図4と同様の構造でありGaAs基板上にMOCV
D法等により順次形成されたn+ GaAsコレクタコン
タクト層(Siドープ:6×1018cm-3),nGaA
sコレクタ層(Siドープ:5×1016cm-3)23、
pGaAsベース層24およびAl0.3 Ga0.7 Asエ
ミッタ層(Siドープ:5×1017cm-3)46等によ
り構成されている。pGaAsベース層24中でのZn
濃度は5×1019cm-3,P濃度は2.5×1019cm
-3であり、Zn単独ドープの場合のGaAs格子定数膨
脹を緩和する値になっている。第5の実施例において
は、pGaAsベース層24のP濃度をエミッタ層側で
減少し、Znによるドーピングによる格子定数膨脹が支
配的となるようにしpGaAsベース層中の格子定数が
AlGaAsエミッタ層側で膨脹するようにされてい
る。また、PはnAlx Ga1- x Asグレーディッド層
45およびnGaAsコレクタ層23まではみ出してド
ープされており、エミッタ・ベース間接合およびベース
・コレクタ間接合における空系層内での転位の発生・増
殖を防止している。あるいはpGaAsベース層24を
2分割し、コレクタ層側はZnとPのドープ、エミッタ
層側はZnとSbをドープし、コレクタ層側ではZnに
よる格子歪を補償し、エミッタ層側ではいずれも共有係
合半径が母体よりも大きなZnとSbにより格子を膨脹
するようにしてもよい。FIG. 7 shows AlG according to the fifth embodiment of the present invention.
Z in the vicinity of the pGaAs base layer of aAs / GaAs HBT
The depth direction distribution of n and P concentration is shown. This HB
T has the same structure as in FIG. 4, and MOCV is formed on the GaAs substrate.
N + GaAs collector contact layer (Si doping: 6 × 10 18 cm −3 ), nGaA sequentially formed by the D method or the like
s collector layer (Si-doped: 5 × 10 16 cm −3 ) 23,
The pGaAs base layer 24 and the Al 0.3 Ga 0.7 As emitter layer (Si-doped: 5 × 10 17 cm −3 ) 46 are used. Zn in the pGaAs base layer 24
The concentration is 5 × 10 19 cm -3 , and the P concentration is 2.5 × 10 19 cm 3.
-3, which is a value that alleviates the GaAs lattice constant expansion when Zn is solely doped. In the fifth embodiment, the P concentration of the pGaAs base layer 24 is reduced on the emitter layer side so that the lattice constant expansion due to Zn doping is dominant, and the lattice constant in the pGaAs base layer is on the AlGaAs emitter layer side. It is supposed to inflate. Further, P is doped so as to extend to the nAl x Ga 1- x As graded layer 45 and the nGaAs collector layer 23, so that the generation of dislocations in the air-system layer at the emitter-base junction and the base-collector junction occurs. Prevents proliferation. Alternatively, the pGaAs base layer 24 is divided into two, the collector layer side is doped with Zn and P, the emitter layer side is doped with Zn and Sb, the collector layer side compensates for lattice distortion due to Zn, and both are shared on the emitter layer side. The lattice may be expanded by Zn and Sb having an engagement radius larger than that of the matrix.
【0032】図8は本発明の第6の実施例に係るAlG
aAs/GaAsHBTのpGaAsベース層24近傍
のCおよびSb濃度の深さ方向分布を示している。この
HBTも図4と同様の構造でありGaAs基板上にMB
E法等により順次形成されたn+ GaAsコレクタコン
タクト層(Siドープ:6×1018cm-3)22,nG
aAsコレクタ層(Siドープ:5×1016cm-3)2
3、pGaAsベース層24およびAl0.3 Ga0.7 A
sエミッタ層(Siドープ:5×1017cm-3)46等
により構成されている。pGaAsベース層24中での
C濃度は5×1019cm-3,Sb濃度は1.45×10
20cm-3であり、Cによる格子定数縮小を緩和する値に
なっている。SbはnAlxGa1-x Asグレーディッ
ド層45,nGaAsコレクタ層23側にはみ出してド
ープされており、エミッタ・ベース間接合、およびベー
ス・コレクタ間接合における空乏層内での転位の発生を
防止している。FIG. 8 shows AlG according to the sixth embodiment of the present invention.
The depth distribution of C and Sb concentrations in the vicinity of the pGaAs base layer 24 of aAs / GaAsHBT is shown. This HBT has the same structure as in Fig. 4, and MB is formed on the GaAs substrate.
N + GaAs collector contact layer (Si doping: 6 × 10 18 cm −3 ) 22, nG sequentially formed by the E method or the like
aAs collector layer (Si-doped: 5 × 10 16 cm −3 ) 2
3, pGaAs base layer 24 and Al 0.3 Ga 0.7 A
The s emitter layer (Si-doped: 5 × 10 17 cm −3 ) 46 and the like. The C concentration in the pGaAs base layer 24 is 5 × 10 19 cm −3 , and the Sb concentration is 1.45 × 10.
It is 20 cm −3, which is a value that alleviates the lattice constant reduction due to C. Sb is extruded and doped to the nAlxGa 1-x As graded layer 45 and the nGaAs collector layer 23 side to prevent generation of dislocations in the depletion layer at the emitter-base junction and the base-collector junction. There is.
【0033】図9は本発明の第7の実施例に係るAlG
aAs/GaAsHBTの模式的な断面図である。図4
とほぼ同様であるがpGaAsベース層24での複数の
線は分子層面を模式的に示している。すなわち、pGa
Asベース層24は、Ga面241には故意には不純物
をドープしない、いわゆるノンドープとし、As面24
2にSbを3.97×1012cm-2,Cを1.4×10
12cm-2ドープしたGaAs層を合計247層つまり6
9.9nm形成した場合である。原子層単位で制御する
ことにより格子歪は正確に補償できる。FIG. 9 shows AlG according to the seventh embodiment of the present invention.
It is a typical sectional view of aAs / GaAsHBT. FIG.
However, a plurality of lines in the pGaAs base layer 24 schematically show the molecular layer surface. That is, pGa
The As base layer 24 is a so-called non-doped layer in which the Ga surface 241 is not intentionally doped with impurities.
2. Sb 3.97 × 10 12 cm −2 , C 1.4 × 10
12 cm -2 doped GaAs layers totaling 247 layers or 6 layers
This is the case where the film has a thickness of 9.9 nm. Lattice distortion can be accurately compensated by controlling in atomic layer units.
【0034】図9の構造はMLE法(分子層エピタキシ
ー法;Molecular Layer Epitaxy 法)を用いれば実現で
きる。すなわちTEG(トリエチルガリウム)とAsH
3 (アルシン)との交互導入1サイクルによりGaAs
1分子層が成長するが、この際TEGと同時にSi2 H
6 (ジシラン)を導入することによりn+ GaAsコレ
クタコンタクト層22,nGaAsコレクタ層23が成
長できる。次にpGaAsベース層24の成長はTMG
(トリメチルガリウム)をCのドープ用のソースガスと
して用い、TEG4秒導入,2秒真空排気,TMG1秒
導入,真空排気2秒,SbH3 (スチビン)・AsH3
同時導入3秒,AsH3 単独導入10秒,真空排気3秒
の合計25秒のサイクルを247回繰り返せば、As面
242にCとSbとがドープされ、格子歪の緩和したp
GaAsベース層24が形成される。その後TEIn
(トリエチルインジウム),TEG,PH3 (フォスフ
ィン)の交互導入で時にSbH3 をドープし、Sbのド
ープされたnIn0.49Ga0. 51Pエミッタ層25を形成
し、その後TEGとAsH3 交互導入でnGaAs層2
6,TEIn,TEG,AsH3 の交互導入でn+ In
0.5 G0.5 Asエミッタコンタクト層27を形成すれば
よい。nGaAs層26,n+ In0.5 G0.5Asエミ
ッタコンタクト層27のドーパントガスもSi2 H6 と
SbH3 を用い、TEG,Si2 H6 同時導入,真空排
気,SbH3 ,AsH3 同時導入、真空排気というモー
ドを用いてもよい。pGaAsベース層24のドーパン
トガスとしてDEZn(ジエチルジンク),DBBe
(ジブチルベリリウムC8 H18Be)を用い、Ga面2
41にZn,あるいはBeをドーピングして、As面2
42にSbをドーピングしてもよい。クヌーセンセルを
具備したMLE装置を用いれば金属Beをドーパントソ
ースとして用いることができる。なお、III 族サイトに
ドーパント元素を置換するのなら、同じくIII 族サイト
に共有結合半径の異なる他のIII 族元素をドープするの
が好ましい。たとえばTMZn,TMIn,TEGの同
時導入,真空排気,AsH3 導入,真空排気のモードで
Ga面241にZnとInをドープ,As面242はド
ープしないというようなドーピング法により原子層単位
のドーピングをしてもよい。The structure of FIG. 9 can be realized by using the MLE method (Molecular Layer Epitaxy method). That is, TEG (triethylgallium) and AsH
GaAs by one cycle of alternating introduction with 3 (arsine)
A monolayer grows, but at this time, Si 2 H occurs simultaneously with TEG.
By introducing 6 (disilane), the n + GaAs collector contact layer 22 and the nGaAs collector layer 23 can be grown. Next, the growth of the pGaAs base layer 24 is TMG.
Using (trimethylgallium) as a source gas for C doping, TEG 4 seconds introduction, 2 seconds vacuum exhaust, TMG 1 second introduction, vacuum exhaust 2 seconds, SbH 3 (stibine) · AsH 3
When a cycle of simultaneous introduction for 3 seconds, AsH 3 alone introduction for 10 seconds, and vacuum evacuation for 3 seconds for a total of 25 seconds was repeated 247 times, the As plane 242 was doped with C and Sb and the lattice strain was relaxed p.
The GaAs base layer 24 is formed. Then TEIn
(Triethyl indium), TEG, doped SbH 3 when in alternating introduction of PH 3 (phosphine), form a nIn 0.49 Ga 0. 51 P emitter layer 25 which is doped Sb, thereafter TEG and AsH 3 alternately introduced nGaAs layer 2
6, TEIn, TEG, and AsH 3 are alternately introduced into n + In
The 0.5 G 0.5 As emitter contact layer 27 may be formed. Si 2 H 6 and SbH 3 are also used as the dopant gas for the nGaAs layer 26, n + In 0.5 G 0.5 As emitter contact layer 27, and TEG, Si 2 H 6 are simultaneously introduced, vacuum exhaust, SbH 3 , AsH 3 are simultaneously introduced, and vacuum is applied. A mode called exhaust may be used. DEZn (diethyl zinc), DBBe as a dopant gas for the pGaAs base layer 24
(Dibutyl beryllium C 8 H 18 Be) is used, and Ga surface 2
41 is doped with Zn or Be, and As plane 2
42 may be doped with Sb. If an MLE device equipped with a Knudsen cell is used, metal Be can be used as a dopant source. If the group III site is replaced with a dopant element, it is preferable that the group III site is similarly doped with another group III element having a different covalent radius. For example, in a mode of simultaneous introduction of TMZn, TMIn and TEG, evacuation, introduction of AsH 3 and evacuation, the Ga face 241 is doped with Zn and In, and the As face 242 is not doped by doping in atomic layer units. You may.
【0035】この他にも種々のIII 族,V族元素をドー
パント元素と同時に添加しても同様の効果が得られる。
さらに一種類に限らず、複数のIII 族,V族元素を同時
にまたは異なる領域あるいは異なる原子層面に添加して
も同様の効果が得られる。In addition to this, the same effect can be obtained by adding various Group III and V elements at the same time as the dopant element.
Further, the same effect can be obtained not only by one kind but also by adding a plurality of group III and group V elements simultaneously or in different regions or different atomic layer planes.
【0036】さらに、MLEの手法を用いれば原子層単
位あるいは分子層単位のドーピング制御が可能となるの
で図9のpGaAsベース層247分子層のうち最初の
100分子層をBeとInのドープ層、次の47分子層
をZnとBeのドープ層,その上の100分子層を再び
BeとInのドープ層というように拡散係数の大きなZ
nをサンドイッチ状に挟んでドーピングすることができ
る。このようにドープすれば5×1020cm-3程度の高
濃度にしても格子歪は発生せず、異常拡散等もない。ま
た室温(300K)における正孔移動度も3×1020c
m-3において70cm2 /V・secという高い値であ
った。Further, since it is possible to control the doping in atomic layer units or molecular layer units by using the MLE method, the first 100 molecular layers of the pGaAs base layer 247 molecular layers of FIG. The next 47 molecular layers are Zn and Be doped layers, and the 100 molecular layer on the next 47 molecular layers are Be and In doped layers.
It is possible to dope by sandwiching n in a sandwich shape. If doped in this way, no lattice distortion occurs and no abnormal diffusion occurs even at a high concentration of about 5 × 10 20 cm -3 . The hole mobility at room temperature (300K) is also 3 × 10 20 c
The value was as high as 70 cm 2 / V · sec at m −3 .
【0037】また、11分子層をBeドープ,8分子層
をInドープ,11分子層をBeドープ,8分子層をI
nドープ,……というように19分子層の周期でドープ
しても格子歪は補償できる。Also, 11 molecular layers are Be-doped, 8 molecular layers are In-doped, 11 molecular layers are Be-doped, and 8 molecular layers are I-doped.
Lattice strain can be compensated even when doped with a period of 19 molecular layers such as n-doped.
【0038】さらに図9のnIn0.49G0.51Pエミッタ
層25のかわりにnAlGaAsエミッタ層を用いた場
合は、AlGaAsの格子定数がGaAsの格子定数よ
り大きいので247分子層のうち下層の100分子層は
BeとInをGa面241にドープし、GaAsと格子
歪補償するようにし、その上の147分子層はInドー
プ量を増加し、同時にAs面242にSbをドープし、
格子間隔が次第に膨脹するようにInおよびSbのドー
プ量を次第に増加すればAlGaAsエミッタ層とGa
Asベース層との格子歪が緩和される。Further, when an nAlGaAs emitter layer is used instead of the nIn 0.49 G 0.51 P emitter layer 25 in FIG. 9, since the lattice constant of AlGaAs is larger than the lattice constant of GaAs, the lower 100 molecular layers of the 247 molecular layers are Be and In are doped on the Ga face 241 so as to compensate for lattice strain with GaAs, and the 147 molecular layer on it increases the In doping amount, and at the same time, the As face 242 is doped with Sb,
If the doping amounts of In and Sb are gradually increased so that the lattice spacing is gradually expanded, the AlGaAs emitter layer and Ga
The lattice strain with the As base layer is relaxed.
【0039】[0039]
【発明の効果】以上のように本発明の第1の特徴によれ
ば、ベース層中の格子歪み、内部応力が緩和され、かつ
エミッタ・ベース接合中の転位の発生・増殖も抑制され
る。従ってプロセス誘起欠陥の発生も抑制され、同時に
エミッタ・ベース接合中の再結合中心等を介したトンネ
ル電流等のリーク成分となるベース電流も減少する。こ
の結果、HBTの電流利得が増大し、1/fノイズが減
少する。また、製造工程においてはウエハ内、ロット内
の特性のバラツキも抑えられる。この結果、HBTは高
信頼性となり、そのMTTFは、200℃,105 A/
cm2 の電流密度の測定において106 時間という値が
達成できた。また、ベース層中の格子歪みやエミッタ・
ベース接合近傍の転位が抑制され、より低温でのエピタ
キシャル成長が可能となり、HBTの不純物プロファイ
ルはよりシャープになり、高速・高周波動作に適したも
のとなる。エミッタ・ベース接合近傍の転位が抑制され
ているので接合界面における異常拡散もなくなり、プロ
セス設計が容易となり、かつHBTの高周波化が可能と
なる。As described above, according to the first feature of the present invention, the lattice strain and internal stress in the base layer are alleviated, and the generation and multiplication of dislocations in the emitter-base junction are suppressed. Therefore, the generation of process-induced defects is suppressed, and at the same time, the base current, which is a leak component such as a tunnel current via the recombination center in the emitter-base junction, is also reduced. As a result, the current gain of the HBT increases and the 1 / f noise decreases. Further, in the manufacturing process, variations in characteristics within the wafer and within the lot can be suppressed. As a result, the HBT becomes highly reliable, and its MTTF is 200 ° C., 10 5 A /
A value of 10 6 hours was achieved in measuring the current density in cm 2 . In addition, the lattice strain in the base layer and the emitter
Dislocations near the base junction are suppressed, epitaxial growth can be performed at a lower temperature, the impurity profile of HBT becomes sharper, and it becomes suitable for high-speed / high-frequency operation. Since dislocations in the vicinity of the emitter / base junction are suppressed, abnormal diffusion at the junction interface is eliminated, the process design is facilitated, and the HBT frequency can be increased.
【0040】本発明の第2の特徴によれば、上記効果に
加えるに、ベース・コレクタ間接合中の転位や再結合中
心が減少し、ベース・コレクタ間リーク電流が減少し耐
圧が向上し、大電力動作において長寿命,高信頼性が得
られる。According to the second feature of the present invention, in addition to the above effects, dislocations and recombination centers in the base-collector junction are reduced, the base-collector leakage current is reduced, and the breakdown voltage is improved. Long life and high reliability are obtained in high power operation.
【0041】本発明の第3の特徴によれば、上記効果に
加え、さらに、エミッタ・ベース間のヘテロ接合におけ
るミスフィット転位が防止され、さらに低雑音かつ長寿
命のHBTが得られる。According to the third feature of the present invention, in addition to the above effects, misfit dislocations at the heterojunction between the emitter and the base are prevented, and an HBT with low noise and long life can be obtained.
【図1】本発明の第1の実施例のHBTのベース層近傍
の濃度分布図。FIG. 1 is a concentration distribution diagram in the vicinity of a base layer of an HBT according to a first embodiment of the present invention.
【図2】本発明の第1の実施例のHBTの断面図。FIG. 2 is a sectional view of the HBT according to the first embodiment of the present invention.
【図3】本発明の第2の実施例のHBTのベース層近傍
の濃度分布図。FIG. 3 is a concentration distribution diagram in the vicinity of the base layer of the HBT according to the second embodiment of the present invention.
【図4】本発明の第2の実施例のHBTの断面図。FIG. 4 is a sectional view of an HBT according to a second embodiment of the present invention.
【図5】本発明の第3の実施例のHBTのベース層近傍
の濃度分布図。FIG. 5 is a concentration distribution diagram in the vicinity of the base layer of the HBT according to the third embodiment of the present invention.
【図6】本発明の第4の実施例のHBTのベース層近傍
の濃度分布図。FIG. 6 is a concentration distribution diagram in the vicinity of a base layer of HBT according to a fourth embodiment of the present invention.
【図7】本発明の第5の実施例のHBTのベース層近傍
の濃度分布図。FIG. 7 is a concentration distribution diagram in the vicinity of a base layer of HBT according to a fifth embodiment of the present invention.
【図8】本発明の第6の実施例のHBTのベース層近傍
の濃度分布図。FIG. 8 is a concentration distribution diagram in the vicinity of a base layer of HBT according to a sixth embodiment of the present invention.
【図9】本発明の第7の実施例のHBTの模式断面図。FIG. 9 is a schematic sectional view of an HBT according to a seventh embodiment of the present invention.
1 In濃度 2 Be濃度 3 Sb濃度 4 C濃度 5 Zn濃度 6 P濃度 21 半絶縁性GaAs基板 22 n+ GaAsコレクタコンタクト層 23 nGaAsコレクタ層 24 pGaAsベース層 25 nIn0.49Ga0.51Pエミッタ層 26 nGaAs層 45 nAlx Ga1-x Asグレーディッド層 46 nAl0.3 Ga0.7 Asエミッタ層 47 nAlx Ga1-x Asグレーディッド層 48 n+ Iny Ga1-y Asグレーディッド層 27 n+ In0.5 Ga0.5 Asエミッタコンタクト層 31 エミッタ電極 32 ベース電極 33 コレクタ電極 34 ポリイミド 35 素子間分離領域 241 Ga面 242 As面1 In concentration 2 Be concentration 3 Sb concentration 4 C concentration 5 Zn concentration 6 P concentration 21 Semi-insulating GaAs substrate 22 n + GaAs collector contact layer 23 nGaAs collector layer 24 pGaAs base layer 25 nIn 0.49 Ga 0.51 P emitter layer 26 nGaAs layer 45 nAl x Ga 1-x As graded layer 46 nAl 0.3 Ga 0.7 As emitter layer 47 nAl x Ga 1-x As graded layer 48 n + In y Ga 1-y As graded layer 27 n + In 0.5 Ga 0.5 As emitter contact layer 31 emitter electrode 32 base electrode 33 collector electrode 34 polyimide 35 element isolation region 241 Ga surface 242 As surface
Claims (8)
ラトランジスタであって、ベース層に導電性を与える電
気的に活性な第1の不純物元素を該ベース層に含み、該
III-V 族化合物半導体に対し電気的に中性な第2の不純
物元素を該第1の不純物元素の0.02倍から30倍の
範囲で、該ベース層、およびベース層近傍のエミッタ層
に少なく共含む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 bipolar transistor using a III-V group compound semiconductor, wherein the base layer contains an electrically active first impurity element that imparts conductivity to the base layer,
A second impurity element, which is electrically neutral to the III-V group compound semiconductor, is added to the base layer and the emitter layer near the base layer in a range of 0.02 times to 30 times that of the first impurity element. A heterojunction bipolar transistor characterized by including a small amount.
ラトランジスタであって、ベース層に導電性を与える電
気的に活性な第1の不純物元素を該ベース層に含み、該
III-V 族化合物半導体に対し電気的に中性な第2の不純
物元素を該第1の不純物元素の0.02倍から30倍の
範囲で、該ベース層、およびベース層近傍のエミッタ層
および、ベース層近傍のコレクタ層に少なく共含むこと
を特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。2. A bipolar transistor using a III-V group compound semiconductor, wherein the base layer contains an electrically active first impurity element that imparts conductivity to the base layer,
The second impurity element, which is electrically neutral to the III-V group compound semiconductor, is in the range of 0.02 to 30 times that of the first impurity element in the base layer, the emitter layer near the base layer, and , A heterojunction bipolar transistor characterized by including at least a collector layer near the base layer.
不均一にドープされていることを特徴とする請求項1又
は2記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。3. The heterojunction bipolar transistor according to claim 1, wherein the second impurity element is nonuniformly doped in the base layer.
2の不純物元素はInであり、InはBeに対し0.1
1〜11倍の範囲でドープされた領域を有することを特
徴とする請求項1又は2記載のヘテロ接合バイポーラト
ランジスタ。4. The first impurity element is Be, the second impurity element is In, and In is 0.1 with respect to Be.
The heterojunction bipolar transistor according to claim 1 or 2, wherein the heterojunction bipolar transistor has a region doped in a range of 1 to 11 times.
2の不純物元素はSbであり、SbはBeに対し0.0
25〜2.5倍の範囲でドープされた領域を有すること
を特徴とする請求項1又は2記載のヘテロ接合バイポー
ラトランジスタ。5. The first impurity element is Be, the second impurity element is Sb, and Sb is 0.0 with respect to Be.
The heterojunction bipolar transistor according to claim 1 or 2, wherein the heterojunction bipolar transistor has a region doped in a range of 25 to 2.5 times.
の不純物元素はInであり、InはCに対し0.24〜
24倍の範囲でドープされた領域を有することを特徴と
する請求項1又は2記載のヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタ。6. The first impurity element is C, and the second impurity element is C.
Is an impurity element of In, and In is 0.24 to
The heterojunction bipolar transistor according to claim 1 or 2, wherein the heterojunction bipolar transistor has a region doped in a range of 24 times.
2の不純物元素はPであり、PはZnに対し0.05〜
5倍の範囲でドープされた領域を有することを特徴とす
る請求項1又は2記載のヘテロ接合バイポーラトランジ
スタ。7. The first impurity element is Zn, the second impurity element is P, and P is 0.05 to 0.05 with respect to Zn.
The heterojunction bipolar transistor according to claim 1 or 2, wherein the heterojunction bipolar transistor has a region doped in a range of 5 times.
の不純物元素はSbであり、SbはCに対し0.27〜
27倍の範囲でドープされた領域を有することを特徴と
する請求項1又は2記載のヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタ。8. The first impurity element is C, and the second impurity element is C.
The impurity element of is Sb, and Sb is 0.27 to C with respect to
The heterojunction bipolar transistor according to claim 1 or 2, wherein the heterojunction bipolar transistor has a region doped in a range of 27 times.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21858994A JPH0883807A (en) | 1994-09-13 | 1994-09-13 | Hetero junction bipolar transistor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21858994A JPH0883807A (en) | 1994-09-13 | 1994-09-13 | Hetero junction bipolar transistor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0883807A true JPH0883807A (en) | 1996-03-26 |
Family
ID=16722331
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21858994A Pending JPH0883807A (en) | 1994-09-13 | 1994-09-13 | Hetero junction bipolar transistor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0883807A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001203215A (en) * | 2000-01-21 | 2001-07-27 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
-
1994
- 1994-09-13 JP JP21858994A patent/JPH0883807A/en active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2001203215A (en) * | 2000-01-21 | 2001-07-27 | Fujitsu Ltd | Semiconductor device and manufacturing method thereof |
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