ヘテロ接合バイポーラトランジスタ
【課題】膜厚が非常に薄く、且つキャリア濃度の高いベース領域を有するＨＢＴ構造を、従来とは異なる２次元キャリアガス層にて達成すること。
【解決手段】第一導電型のエミッタ、第二導電型のベース、第一導電型のコレクタの３つの領域２１、２２、２５を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記第二導電型のベース領域２２の平面内に、選択的に、よりバンドギャップの小さい第二導電型の半導体から成る量子構造２３ａを形成し、この量子構造領域２３に２次元電子ガス若しくは２次元ホールガスを形成する構造とする。
【解決手段】第一導電型のエミッタ、第二導電型のベース、第一導電型のコレクタの３つの領域２１、２２、２５を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記第二導電型のベース領域２２の平面内に、選択的に、よりバンドギャップの小さい第二導電型の半導体から成る量子構造２３ａを形成し、この量子構造領域２３に２次元電子ガス若しくは２次元ホールガスを形成する構造とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下ＨＢＴと略す）に関わり、特に、III−Ｖ族化合物半導体を用いた高速、高効率なＨＢＴ構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラトランジスタ（ＢＴ）はエミッタ、ベース、コレクタの３つの領域から成る半導体素子であり、電流や電圧、電力を増幅するのに用いられている。特にエミッタ領域を接地した状態で用いられるエミッタ接地ＢＴは電流増幅素子として、様々な電子部品に広く使用されている。またバイポーラトランジスタの材料として用いられているものがシリコン（Ｓｉ）である。Ｓｉは安価であり、ＡｓやＡｌ等をドープし簡単にｎ型やｐ型の半導体とすることが可能なため、バイポーラトランジスタを作製するのに都合が良い。
【０００３】
ここで図４を用いてバイポーラトランジスタの動作原理を簡単に説明する。
【０００４】
図４（ａ）はｎｐｎ型の熱平衡状態にあるＳｉ−ＢＴ（シリコン・バイポーラトランジスタ）のエネルギーバンドギャップ構造を示した図であり、領域１がエミッタ、領域２がベース、領域３がコレクタを表している。この状態よりエミッタ−ベース間にはエミッタに負、ベースに正の電圧が掛かるようにする、いわゆる順バイアスを掛け、更にコレクタ−ベース間にはコレクタに正、ベースに負の電圧が掛かるようにする、いわゆる逆バイアスを掛けた能動状態のバイポーラトランジスタのエネルギーバンドギャップ構造を示した図が図４（ｂ）になる。
【０００５】
ｎｐｎ型バイポーラトランジスタの場合、動作に寄与する電流は伝導電子である。図４上において、バイポーラトランジスタが（ａ）の熱平衡状態から（ｂ）の能動状態に変化すると、エミッタ−ベース接合に存在する内蔵電位が下がることで、エミッタ領域１の多数キャリアである伝導電子４がベース領域２に流れ込むようになる。これらの伝導電子４はベース領域２を主に拡散によって移動しコレクタ領域３に到達し、ベース−コレクタ間に存在する強電界によってコレクタ領域に引き込まれて行く。このときベース領域２の多数キャリアである正孔５はエミッタ−ベース間の順方向バイアスによって、伝導電子４と同様に価電子帯８側の内蔵電位が下がった分だけエミッタ領域１に流れ込み、エミッタ−ベース間に存在する空乏層領域内で伝導電子４と再結合を起こす。この為にエミッタ領域１からベース領域２へ流れ込む伝導電子４の注入量が減り、結果としてコレクタ領域３へ到達する伝導電子４の数も減少する。これはバイポーラトランジスタ本来の増幅作用に対して悪影響を与える。
【０００６】
これを回避するには、ベース領域２のキャリア（正孔）濃度を下げれば良さそうであるが、そうするとベース領域２内での伝導電子４に対する抵抗値が増加し、高速応答の妨げとなる。すなわち特性のよいバイポーラトランジスタとは、エミッタ領域１からベース領域２へ効率良くキャリア（電子）を注入し、それをコレクタ領域３へ到達させ、ベース領域２内のキャリア（正孔）をエミッタ領域１に注入させないようにするような素子と言うことができる。
【０００７】
このような素子を作製するのに都合が良いものとして、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下ＨＢＴと略す）がある。ＨＢＴの材料としては、主にＧａＡｓ系を中心とした化合物半導体が選ばれる。ＨＢＴの特徴は、エミッタにベースに用いる材料よりもエネルギーバンドギャップの大きな材料を用いることである。
【０００８】
図５に能動状態のＨＢＴのエネルギーバンドギャップ構造を示す。エミッタ領域１１の伝導電子１６が内蔵電位の下がった分だけベース領域１２に注入されることは先のＳｉ−ＢＴ（シリコン・バイポーラトランジスタ）と変わらないが、エミッタ領域１１とベース領域１２の界面の伝導帯１８側と価電子帯１９側にエネルギー差△Ｅc１４と△Ｅv１５が形成されている。このうち△Ｅv１５はベース領域１２中の正孔１７がエミッタ領域１１に注入されるのを防ぐ役割を果たしている。よってＨＢＴではエミッタ領域１１から伝導電子１６を効率良くベース領域１２に注入することができＳｉ−ＢＴに比べて動作特性の良い素子が作製可能となる。
【０００９】
ここで更なる素子特性の改善を行うには、ベース領域１２のキャリア濃度を高く、且つ膜厚を薄くすることで実現できるが、ドーピング濃度としては１×１０20［cm-3］程度が限度であり、又ベース領域１２の膜厚を薄くし過ぎると、多数キャリアで占められる筈のベース中性領域が空乏化してしまい、増幅作用が起こらないこととなってしまう。すなわちベース中性領域を確保しつつ、膜厚の薄いベース領域を考える必要がある。
【００１０】
これに関連して、従来、ｐｎｐ型ＨＢＴにおいて、ｈFEを高く（例えば１００００）したままで、ベース領域をＡｌxＧａ1-xＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合を用いた２次元電子ガス層におきかえることにより、ベース層を２次元ガス層膜厚（〜１００Å）にまで短くし、これによって、ホールのベース領域での走行時間を事実上無視できることを可能にし、また、移動度の高い２次元状電子ガスを用いることでベース抵抗を下げることを可能にし、高速動作を可能にする新構造ＨＢＴ（ヘテロ接合ベースＨＢＴ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
具体的に、図６（ａ）、（ｂ）に、このヘテロ接合ベースＨＢＴ（ｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ／ｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ／ｐ−ＧａＡｓＨＢＴ）の構造断面とバンド構造を示す。図において、コレクタ領域１２３は、ｐ+−ＧａＡｓ層１３１とアンドープ（実質的にはｐ-）ＧａＡｓ層１３２の２層から成る。ベース領域は、アンドープ（ｐ-）ＧａＡｓ層１３２とｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ層（ｘ〜０．３程度）１３３、ｎ+−ＡｌxＧａ1-xＡｓ層１３４のヘテロ接合界面に形成される２次元電子ガスである。エミッタ層はｐ+−ＡｌxＧａ1-xＡｓ１３５である。なお、１０５、１０６はバンドギャップ、１１７はエミッタ電流、１１８は電子のベース電流である。
【００１２】
ホールのベース領域の走行時間τはτ＝ＷＢ２／ＤＢの関係がある。ここでＷＢはベース幅であり、ＤＢは、少数キャリアがあるホールの拡散係数である。ＷＢについては２乗でτにきいてくるので、ＷＢをきわめて小さくすれば、高速化に対する制限因子となっているベース走行時間τを他の因子と同等以下にすることが可能となる。
【００１３】
この様にしてベースとして２次元電子ガス層を用いれば２次元電子ガス層の膜厚がベース幅となり、従来型の５倍程度以上小さいベース幅ＷＢ１２４（１００〜１５０Å）を実現できる。
【００１４】
ベース領域の抵抗は通常のＨＢＴではベース幅ＷＢを小さくすることにより、逆に大きくなるが、これを小さいままにおさえるために、このＨＢＴでは、コレクタ領域とベース領域の界面（ヘテロ接合面）に２次元電子ガス１２６を形成させる。この２次元電子ガス１２６は、フェルミレベル１２５下のコレクタ側の移動度の大きいアンドープＧａＡｓ層に高密度（〜１×１０12cm-2）に蓄積されているために、ベースの低抵抗化が可能となる。
【００１５】
一方、半導体プロセスの進歩に伴い、ナノスケールの膜形成技術、微細加工技術が半導体素子の作成に利用されるようになっている。
【００１６】
近年では、量子力学的効果を利用する究極的な材料として量子ドットが注目されている。量子ドットとは、キャリアに３次元的な量子閉じ込めを与えるほど極めて微細なポテンシャルの箱のことである。量子ドットは、デルタ関数的な状態密度を有するものであり、一つの量子ドットの基底準位にはキャリアが２つしか入ることができない。
【００１７】
このような量子ドットを形成するための技術として、微細加工技術を用いたものがある。例えば、電子線を用いたリソグラフィーによる方法、マスクパターン上にエッチングされた４面体穴の底に量子ドット構造を作成する方法、微細傾斜基板上における成長初期の横方向成長を利用する方法、ＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）技術を応用した原子マニピュレーションを用いた方法などが提案されている。これらの方法は、人為的に加工するという共通の特徴故に、量子ドットを形成する位置を任意に制御できるという利点を有している。しかしながら、個数密度は微細加工技術の精度限界を超えることができず、同様に均一性に関しても極めて低いものであった。
【００１８】
量子ドットを作成するためのブレークスルーとなる新しい技術として、量子ドットを自己形成する技術が近年見い出されている。これは、格子不整合の半導体をある条件で気相エピタキシャル成長することで、３次元の微細構造（量子ドット）が自己形成される現象を用いたものである。この方法は、微細加工に比べて実施するのが極めて容易であり、しかも、得られる量子ドットは人為的な加工技術の精度限界を超えて極めて均一性が高く、高個数密度で、高品質である。このような自己形成量子ドットを用いて、例えば半導体レーザなどのデバイスが実際に報告されるようになり、量子ドット素子の可能性が現実のものとなっている。
【００１９】
量子ドットの自己形成については、いくつかの形成モードが知られている。最もよく知られている形成モードは、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモード（以下、「Ｓ−Ｋモード」と呼ぶ。）と呼ばれるモードである。これは、エピタキシャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は２次元成長（膜成長）するが、膜の弾性限界を超えてた段階で３次元成長するモードである。このモードの実現が自己形成モードの中で最も容易であり、一般的に用いられている。このモードによれば、高い個数密度で量子ドットを形成することができる。
【００２０】
また、他の形成モードとしては、Ｖｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｂｅｒモードと呼ばれるモードが知られている。このモードは、初期の２次元成長なしではじめから３次元成長するモードである。このモードは一般にＳ−Ｋモードより低温で起こるといわれているが、品質のよいドットを得るのが難しく、実際には研究はほとんど行われていない。
【００２１】
また、自己形成モードを利用した新しい量子ドット作成方法として、近接積層法が注目されている。近接積層法とは、既に述べた方法で作成する３次元構造をキャリアがトンネルできる程度以下の薄い中間層を介して成長方向に数個積層し、それらをひとまとまりとして背の高い量子ドットを形成する方法である。この方法によれば、均一性の高い量子ドットを形成することができる。
【００２２】
従来、量子ドットのこのような特性を利用する技術の一つとして、３次元成長島よりなる量子ドットを半導体レーザの活性領域に用いることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。これは、Ｓ−Ｋモードにより、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓよりも格子定数の大きいＩｎＧａＡｓのバッファ層を形成し、その上にＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓの量子ドットを含む量子ドット層を自己形成するもので、このＩｎＧａＡｓバッファ層の組成を適宜制御することにより格子不整合の量を制御して、量子ドットの発光長を制御するものである。例えばＩｎＧａＡｓバッファ層のＩｎ組成を増加させることで、量子ドットの発光波長を増加させ、従来よりも発光波長を長波長側にシフトさせることができる。
【特許文献１】特公平７−３８３９２号公報
【特許文献２】特開２０００−１９６１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
上記特許文献１には、ＨＢＴのベース領域をＡｌxＧａ1-xＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合を用いた２次元電子ガス層におきかえることにより、ベース層を２次元ガス層膜厚（〜１００Å）にまで短くし得ることが開示されている。しかしながら、特許文献１には、ＨＢＴのベース領域に量子構造を応用することについては示唆するところがない。
【００２４】
また上記特許文献２は、半導体レーザの活性層に量子ドット層を応用する構成を開示したものであり、同様に、ＨＢＴのベース領域に量子構造を応用することについては示唆するところがない。
【００２５】
既に述べたように、ＨＢＴ素子の特性改善を行うべく、ベース領域のキャリア濃度を高く、且つ膜厚を薄くするという手法を採用した場合、ドーピング濃度としては１×１０20［cm-3］程度が限度であり、又ベース領域１２の膜厚を薄くし過ぎると、多数キャリアで占められる筈のベース中性領域が空乏化してしまい、増幅作用が起こらないこととなってしまう。すなわち中性領域を確保しつつ、膜厚の薄いベース領域を考える必要がある。
【００２６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、上記のような膜厚が非常に薄く、且つキャリア濃度の高い、言い換えるならばベース領域に注入されるキャリアに対して抵抗値の低くなるようなベース領域を有するＨＢＴ構造を、従来とは異なる２次元キャリアガス層にて達成した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。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００２８】
請求項１の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、第一導電型のエミッタ、第二導電型のベース、第一導電型のコレクタの３つの領域を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記第二導電型のベース領域の平面内に、選択的に、よりバンドギャップの小さい第二導電型の半導体から成る量子構造を形成し、この量子構造領域に２次元電子ガス若しくは２次元ホールガスを形成することを特徴とする。
【００２９】
請求項２の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、第一導電型のエミッタ、第二導電型のベース、第一導電型のコレクタの３つの領域を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記第二導電型のベース領域が、エミッタ側のベース基礎層として設けられた第二導電型の第一のＧａＡｓ障壁層と、アンドープＩｎＡｓ又はアンドープＩｎＧａＡｓから成る量子構造と、コレクタ側にキャリア供給層として設けられた第二導電型の第二のＧａＡｓ障壁層で構成されていることを特徴とする。
【００３０】
請求項３の発明は、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において、前記量子構造の半導体が、ＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．１〜１）から成ることを特徴とする。
【００３１】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記量子構造が量子ドット、量子細線、若しくは量子井戸のいずれかであることを特徴とする。
【００３２】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記エミッタ領域の材料にＩｎＧａＰ若しくはＡｌＧａＡｓを用いたことを特徴とする。
【００３３】
＜発明の要点＞
本発明の原理を説明するためのＨＢＴのエネルギーバンド構造を図１に示す。
【００３４】
図１から判るように、本発明のＨＢＴは、エミッタコンタクト領域２０、エミッタ領域２１、ベース基礎層領域２２ａ、量子構造領域２３、キャリア供給層領域２４、コレクタ領域２５、サブコレクタ領域２６を有している。このうちベース基礎層領域２２ａ、量子構造領域２３、キャリア供給層領域２４は、ベース領域２２を構成している。
【００３５】
ベース基礎層領域２２ａ及びキャリア供給層領域２４はｐ型の例えばＧａＡｓ障壁層であり、特にキャリア供給層領域２４はベースに対するキャリア供給層の役割も果たしている。これらｐ型ＧａＡｓ障壁層から成るベース基礎層領域２２ａ、キャリア供給層領域２４で挟まれた量子構造領域２３は、アンドープの例えばＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓのような、ＧａＡｓ障壁層よりもバンドギャップの狭い材料からなる量子構造２３ａを含む量子構造領域であり、量子構造２３ａは具体的には量子井戸や量子細線、量子ドットから成る。
【００３６】
図１より、キャリア供給層領域２４より供給されたキャリア（正孔３１）は、量子構造２３ａの価電子帯側の量子準位３０に閉じ込められる。ベース層（量子構造２３ａを含む量子構造領域２３）の平面内を考慮すると、図１で示したようなエネルギーバンドの状態となっている領域（量子準位３０の量子構造２３ａ）が至る場所で確認されるので、結果として量子構造２３ａで構成されるベース層は、キャリア（正孔）が蓄積された状態となる。
【００３７】
また量子構造２３ａはアンドープ層であるため、不純物イオンが存在しない。不純物イオンはキャリアの散乱源、言い換えるならばキャリアの抵抗体として働くので、このような不純物の存在しない量子構造２３ａは極めて良質な結晶と言える。
【００３８】
また量子構造２３ａは膜厚が数nmと非常に薄いため、ベース層として用いるには最適である。
【００３９】
なお、以上の説明はｎｐｎ型ＨＢＴの場合であったが、ｐｎｐ型ＨＢＴの場合は伝導電子と正孔を逆にして考えることができ、全く同様の作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００４１】
本発明では、第二導電型のベース領域の平面内に、選択的に、よりバンドギャップの小さい第二導電型の半導体から成る量子構造を、例えば量子ドット、量子細線、若しくは量子井戸にて形成し、この量子構造領域に２次元電子ガス若しくは２次元ホールガスを形成するものであるため、例えばｎｐｎ型ＨＢＴの場合、ベース領域内のキャリア（正孔）をエミッタ領域に注入させないようにしつつ、エミッタ領域からベース領域へ効率良くキャリア（電子）を注入させることができる。よって本発明によれば、膜厚が非常に薄く、且つキャリア濃度の高い、言い換えるならばベース領域に注入されるキャリア（電子）に対して抵抗値の低くなるようなベース領域を実現することができる。
【００４２】
具体的には、本発明により、従来最小でも５０nm程度であったベース層膜厚を１０nm程度に抑えることができ、且つ高濃度のｐ型ベース層を形成することが可能となった。これにより、従来デバイスに比較して高速、高効率な電子デバイスの作製が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００４４】
図２に本発明の実施の形態に係るＨＢＴの構造図を、図３にバンド構造図を示す。このＨＢＴは、ＧａＡｓ微傾斜基板４０上に、ｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層４１、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層４２、ｐ型ＧａＡｓキャリア供給層４３、アンドープのＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓの量子ドットから成る量子構造４４、ｐ型ＧａＡｓベース基礎層（バルク）４５、ｎ型のＩｎＧａＰ又はＡｌＧａＡｓから成るエミッタ層４６、Ｓｉを高濃度にドープしたｎ+型ＧａＡｓ高濃度エミッタコンタクト層４７、ｎ型ＩｎＧａＡｓノンアロイ層４８を積層した構造となっている。図３のバンド構造図における、サブコレクタ領域５５、コレクタ領域５４、キャリア供給層領域５３、量子構造領域５２、ベース基礎層領域５１、ＩｎＧａＰエミッタ領域５０、エミッタコンタクト領域４９は、これらの層に対応している。このうちキャリア供給層４３（キャリア供給層領域５３）、量子構造４４（量子構造領域５２）、ベース基礎層４５（ベース基礎層領域５１）は、図１で説明したベース領域２２を構成している。
【００４５】
上記構造は、第一導電型（ここではｎ型）のエミッタ領域５０（エミッタ層４６）、第二導電型（ここではｐ型）のベース領域２２（ベース基礎層領域５１、量子構造領域５２、キャリア供給層領域５３）、第一導電型のコレクタ領域５４（コレクタ層４２）という３つの領域を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記第二導電型のベース領域２２の平面内に、選択的に、よりバンドギャップの小さい第二導電型の半導体から成る量子構造４４（量子構造領域５２）を形成し、この量子構造領域５２に２次元電子ガス若しくは２次元ホールガスを形成するようにした構造となっている。
【００４６】
ベース領域２２のうち、エミッタ側のベース基礎層領域５１つまりベース基礎層（バルク）４５は第二導電型の第一のＧａＡｓ障壁層として働き、また、コレクタ側のキャリア供給層領域５３つまりキャリア供給層４３は第二導電型の第二のＧａＡｓ障壁層として働く。そして量子構造領域５２つまり量子構造４４は、この二つのＧａＡｓ障壁層間に挟まれたアンドープＩｎＡｓの量子ドット（直径が５〜３０nmのＩｎＡｓ量子ドット）から成り、キャリアの落ち込む準位を形成する。量子ドットは面内一様に形成される。この量子ドットの半導体としては、アンドープＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．１〜１）を用いることもできる。
【００４７】
アンドープＩｎＡｓ量子ドットの形成は、格子不整合の半導体をある条件で気相エピタキシャル成長することで、３次元の微細構造（量子ドット）が自己形成される現象（自己形成）を用い、Ｓ−Ｋモードにより形成する。
【実施例１】
【００４８】
半絶縁性ＧａＡｓ基板（００１）面より［１１０］方向へ２°微傾斜した基板上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、図２に示す層構造のエピタキシャル成長を行った。各層の成長温度、キャリア濃度、膜厚を、表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
また、使用した原料は、Ａｓ原料にアルシン（ＡｓＨ3）、Ｇａ原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、及びトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ｉｎ原料にトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、リン原料にフォスフィン（ＰＨ3）、Ａｌ原料にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、またｎ型キャリアのドーパントとしてＳｉを用い、この原料としてジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、ｐ型キャリアのドーパントとしてＣを用い、この原料として四臭化炭素（ＣＢｒ4）をそれぞれ用いた。量子ドット（量子構造４４）は、成長温度（基板温度）を４００℃とし、２．０ＭＬ（原子層：ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）相当のＩｎＡｓを供給し、Ｓ−Ｋモードにて自己形成した。
【００５１】
図２に示したＨＢＴ構造のエネルギーバンドギャップを図３に示す。
【００５２】
本実施例のＨＢＴはｎｐｎ型である。従ってｎ+型ＧａＡｓエミッタコンタクト領域４９（ｎ+型ＧａＡｓエミッタコンタクト層４７）より注入されたキャリア（伝導電子）６１は、ＩｎＧａＰより成るエミッタ領域５０（ＩｎＧａＰエミッタ層４６）を通過し、ベース領域５１、５２、５３（ベース領域２２）とエミッタ領域５０の間の順方向バイアスによって低下した内蔵電位の分に比例する数のキャリアが、ベース領域５１、５２、５３に注入される。ベース領域２２のうち、ベース基礎層領域５１（ＧａＡｓベース基礎層４５）とキャリア供給層領域５３（ＧａＡｓキャリア供給層４３）は各１５nmと非常に薄く、また量子構造領域５２（量子構造４４）も直径が５〜３０nmのＩｎＡｓ量子ドットである為、伝導電子６１はこのベース領域５１、５２、５３を高速で通過することができる。またコレクタ領域５４（ＧａＡｓコレクタ層４２）は、ｎ型キャリアであるＳｉが１．０×１０16［cm-3］と比較的低濃度にドーピングされている為、ほぼ全域に渡って空乏化している。
【００５３】
このことからベース領域５１、５２、５３を通過した伝導電子６１は、このコレクタ領域５４中の強電界によって加速され、サブコレクタ領域５５に到達する。このサブコレクタ領域５５（ＧａＡｓサブコレクタ層４１）は５．０×１０18と高濃度にドーピングされている為、電極の役割を果たす層である。
【００５４】
一方、ベース領域５１、５２、５３に着目すると、ｐ型ドーパントのキャリア供給層領域５３（ＧａＡｓキャリア供給層４３）より正孔６０がベース基礎層領域５１、量子構造領域５２側へ移動する。これはエミッタ−ベース間が順方向バイアスされていることによる。キャリア供給層領域５３より供給される正孔６０は、量子ドット４４が形成する価電子帯５７側の量子準位５９に移動する。ここで量子順位５９はフェルミ準位５８より伝導体５６側にある。すなわち正孔６０から見た場合、縮退状態にある。ベースの量子構造領域５２にはホールガスが形成され、高濃度のｐ型キャリアが蓄積される。量子ドットは面内一様に形成されるので、ホールガスは２次元的に形成される。これにより、伝導電子６１に対して低抵抗、且つ膜厚の薄いＨＢＴのベース層を形成することができた。
【００５５】
上記実施例では、量子ドットをＳ−Ｋモードにより自己形成したが、他の形成モードを利用した量子構造作成方法により量子ドット等の量子構造を作成しても良い。
【実施例２】
【００５６】
実施例１の構造において、キャリア供給層領域５３（キャリア供給層４３）をｎ型キャリア濃度が１．０×１０15［cm-3］以下のアンドープＧａＡｓとした構造のＨＢＴを作製した。
【００５７】
このとき量子構造領域５２（量子構造４４）には、実施例１の時と同様にホールガスが形成された。これはコレクタ領域５４中の少数キャリアである正孔６０が量子ドット５２に注入された為である。
【００５８】
本構造では、ｐ型キャリア供給層領域５３（キャリア供給層４３）を削除したことで、ベース領域を更に薄くでき、ＨＢＴ動作を高速にすることが可能となった。
【実施例３】
【００５９】
実施例１及び２に挙げた構造において、量子構造４４（量子構造領域５２）を、ＩｎＡｓ量子ドットから変更して、Ｉｎ0.6Ｇａ0.4Ａｓ、膜厚１０nmの量子井戸構造とした。
【００６０】
このときも実施例１及び２の時と同様に、量子構造５２にホールガスが形成され、良好なＨＢＴ特性を示した。即ちコレクタ領域５４側より供給された正孔が効率よく量子井戸内に閉じ込められ、ホールガスを形成した。当然のことながら量子井戸は２次元平面上に広がりを持っていることから、形成されたホールガスは２次元となっている。
【実施例４】
【００６１】
実施例３の構造において、Ｉｎ0.6Ｇａ0.4Ａｓの膜厚を３０nmにした。このときＨＢＴは増幅を示さなかった。これは領域５２にホールガスが形成されずに、バルクのアンドープ層として機能してしまった為である。すなわちベース領域として機能するのは領域５１のｐ型ＧａＡｓ層であるが、この領域は１５nmと非常に薄いために、ベース中性領域が消失してしまった為と考えられる。
【実施例５】
【００６２】
実施例１〜３までの構造ではエミッタ領域５０の材料としてＩｎ0.484Ｇａ0.516Ｐを用いたが、この代わりにＡｌＧａＡｓを用いた。この場合も実施例１〜３の場合と同様に、良好なトランジスタ特性を示した。すなわち、エミッタの材料を変更することによって、これがベース領域に相互作用を及ぼさないことを示した結果であると言える。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明のＨＢＴ構造のエネルギーバンド図である。
【図２】本発明の実施例に係るＨＢＴの断面構造図である。
【図３】本発明の図２のＨＢＴ構造のエネルギーバンド図である。
【図４】従来のＳｉトランジスタのエネルギーバンド図であり、（ａ）は熱平衡状態を、（ｂ）は能動状態を示した図である。
【図５】能動状態のＨＢＴのエネルギーバンド図である。
【図６】従来のヘテロ接合ベースＨＢＴを示したもので、（ａ）は構造断面図、（ｂ）はバンド構造図である。
【符号の説明】
【００６４】
２０ エミッタコンタクト領域
２１ エミッタ領域
２２ ベース領域
２２ａ ベース基礎層領域
２３ 量子構造領域
２３ａ 量子構造
２４ キャリア供給層領域
２５ コレクタ領域
２６ サブコレクタ領域
４０ ＧａＡｓ微傾斜基板
４１ ＧａＡｓサブコレクタ層
４２ ＧａＡｓコレクタ層
４３ ＧａＡｓキャリア供給層
４４ 量子構造
４５ ＧａＡｓベース基礎層（バルク）
４６ ＩｎＧａＰエミッタ層
４７ ｎ+型ＧａＡｓ高濃度エミッタコンタクト層
４８ ＩｎＧａＡｓノンアロイ層
４９ エミッタコンタクト領域
５０ ＩｎＧａＰエミッタ領域
５１ ベース基礎層領域
５２ 量子構造領域
５３ キャリア供給層領域
５４ コレクタ領域
５５ サブコレクタ領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下ＨＢＴと略す）に関わり、特に、III−Ｖ族化合物半導体を用いた高速、高効率なＨＢＴ構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイポーラトランジスタ（ＢＴ）はエミッタ、ベース、コレクタの３つの領域から成る半導体素子であり、電流や電圧、電力を増幅するのに用いられている。特にエミッタ領域を接地した状態で用いられるエミッタ接地ＢＴは電流増幅素子として、様々な電子部品に広く使用されている。またバイポーラトランジスタの材料として用いられているものがシリコン（Ｓｉ）である。Ｓｉは安価であり、ＡｓやＡｌ等をドープし簡単にｎ型やｐ型の半導体とすることが可能なため、バイポーラトランジスタを作製するのに都合が良い。
【０００３】
ここで図４を用いてバイポーラトランジスタの動作原理を簡単に説明する。
【０００４】
図４（ａ）はｎｐｎ型の熱平衡状態にあるＳｉ−ＢＴ（シリコン・バイポーラトランジスタ）のエネルギーバンドギャップ構造を示した図であり、領域１がエミッタ、領域２がベース、領域３がコレクタを表している。この状態よりエミッタ−ベース間にはエミッタに負、ベースに正の電圧が掛かるようにする、いわゆる順バイアスを掛け、更にコレクタ−ベース間にはコレクタに正、ベースに負の電圧が掛かるようにする、いわゆる逆バイアスを掛けた能動状態のバイポーラトランジスタのエネルギーバンドギャップ構造を示した図が図４（ｂ）になる。
【０００５】
ｎｐｎ型バイポーラトランジスタの場合、動作に寄与する電流は伝導電子である。図４上において、バイポーラトランジスタが（ａ）の熱平衡状態から（ｂ）の能動状態に変化すると、エミッタ−ベース接合に存在する内蔵電位が下がることで、エミッタ領域１の多数キャリアである伝導電子４がベース領域２に流れ込むようになる。これらの伝導電子４はベース領域２を主に拡散によって移動しコレクタ領域３に到達し、ベース−コレクタ間に存在する強電界によってコレクタ領域に引き込まれて行く。このときベース領域２の多数キャリアである正孔５はエミッタ−ベース間の順方向バイアスによって、伝導電子４と同様に価電子帯８側の内蔵電位が下がった分だけエミッタ領域１に流れ込み、エミッタ−ベース間に存在する空乏層領域内で伝導電子４と再結合を起こす。この為にエミッタ領域１からベース領域２へ流れ込む伝導電子４の注入量が減り、結果としてコレクタ領域３へ到達する伝導電子４の数も減少する。これはバイポーラトランジスタ本来の増幅作用に対して悪影響を与える。
【０００６】
これを回避するには、ベース領域２のキャリア（正孔）濃度を下げれば良さそうであるが、そうするとベース領域２内での伝導電子４に対する抵抗値が増加し、高速応答の妨げとなる。すなわち特性のよいバイポーラトランジスタとは、エミッタ領域１からベース領域２へ効率良くキャリア（電子）を注入し、それをコレクタ領域３へ到達させ、ベース領域２内のキャリア（正孔）をエミッタ領域１に注入させないようにするような素子と言うことができる。
【０００７】
このような素子を作製するのに都合が良いものとして、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下ＨＢＴと略す）がある。ＨＢＴの材料としては、主にＧａＡｓ系を中心とした化合物半導体が選ばれる。ＨＢＴの特徴は、エミッタにベースに用いる材料よりもエネルギーバンドギャップの大きな材料を用いることである。
【０００８】
図５に能動状態のＨＢＴのエネルギーバンドギャップ構造を示す。エミッタ領域１１の伝導電子１６が内蔵電位の下がった分だけベース領域１２に注入されることは先のＳｉ−ＢＴ（シリコン・バイポーラトランジスタ）と変わらないが、エミッタ領域１１とベース領域１２の界面の伝導帯１８側と価電子帯１９側にエネルギー差△Ｅc１４と△Ｅv１５が形成されている。このうち△Ｅv１５はベース領域１２中の正孔１７がエミッタ領域１１に注入されるのを防ぐ役割を果たしている。よってＨＢＴではエミッタ領域１１から伝導電子１６を効率良くベース領域１２に注入することができＳｉ−ＢＴに比べて動作特性の良い素子が作製可能となる。
【０００９】
ここで更なる素子特性の改善を行うには、ベース領域１２のキャリア濃度を高く、且つ膜厚を薄くすることで実現できるが、ドーピング濃度としては１×１０20［cm-3］程度が限度であり、又ベース領域１２の膜厚を薄くし過ぎると、多数キャリアで占められる筈のベース中性領域が空乏化してしまい、増幅作用が起こらないこととなってしまう。すなわちベース中性領域を確保しつつ、膜厚の薄いベース領域を考える必要がある。
【００１０】
これに関連して、従来、ｐｎｐ型ＨＢＴにおいて、ｈFEを高く（例えば１００００）したままで、ベース領域をＡｌxＧａ1-xＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合を用いた２次元電子ガス層におきかえることにより、ベース層を２次元ガス層膜厚（〜１００Å）にまで短くし、これによって、ホールのベース領域での走行時間を事実上無視できることを可能にし、また、移動度の高い２次元状電子ガスを用いることでベース抵抗を下げることを可能にし、高速動作を可能にする新構造ＨＢＴ（ヘテロ接合ベースＨＢＴ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【００１１】
具体的に、図６（ａ）、（ｂ）に、このヘテロ接合ベースＨＢＴ（ｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ／ｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ／ｐ−ＧａＡｓＨＢＴ）の構造断面とバンド構造を示す。図において、コレクタ領域１２３は、ｐ+−ＧａＡｓ層１３１とアンドープ（実質的にはｐ-）ＧａＡｓ層１３２の２層から成る。ベース領域は、アンドープ（ｐ-）ＧａＡｓ層１３２とｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ層（ｘ〜０．３程度）１３３、ｎ+−ＡｌxＧａ1-xＡｓ層１３４のヘテロ接合界面に形成される２次元電子ガスである。エミッタ層はｐ+−ＡｌxＧａ1-xＡｓ１３５である。なお、１０５、１０６はバンドギャップ、１１７はエミッタ電流、１１８は電子のベース電流である。
【００１２】
ホールのベース領域の走行時間τはτ＝ＷＢ２／ＤＢの関係がある。ここでＷＢはベース幅であり、ＤＢは、少数キャリアがあるホールの拡散係数である。ＷＢについては２乗でτにきいてくるので、ＷＢをきわめて小さくすれば、高速化に対する制限因子となっているベース走行時間τを他の因子と同等以下にすることが可能となる。
【００１３】
この様にしてベースとして２次元電子ガス層を用いれば２次元電子ガス層の膜厚がベース幅となり、従来型の５倍程度以上小さいベース幅ＷＢ１２４（１００〜１５０Å）を実現できる。
【００１４】
ベース領域の抵抗は通常のＨＢＴではベース幅ＷＢを小さくすることにより、逆に大きくなるが、これを小さいままにおさえるために、このＨＢＴでは、コレクタ領域とベース領域の界面（ヘテロ接合面）に２次元電子ガス１２６を形成させる。この２次元電子ガス１２６は、フェルミレベル１２５下のコレクタ側の移動度の大きいアンドープＧａＡｓ層に高密度（〜１×１０12cm-2）に蓄積されているために、ベースの低抵抗化が可能となる。
【００１５】
一方、半導体プロセスの進歩に伴い、ナノスケールの膜形成技術、微細加工技術が半導体素子の作成に利用されるようになっている。
【００１６】
近年では、量子力学的効果を利用する究極的な材料として量子ドットが注目されている。量子ドットとは、キャリアに３次元的な量子閉じ込めを与えるほど極めて微細なポテンシャルの箱のことである。量子ドットは、デルタ関数的な状態密度を有するものであり、一つの量子ドットの基底準位にはキャリアが２つしか入ることができない。
【００１７】
このような量子ドットを形成するための技術として、微細加工技術を用いたものがある。例えば、電子線を用いたリソグラフィーによる方法、マスクパターン上にエッチングされた４面体穴の底に量子ドット構造を作成する方法、微細傾斜基板上における成長初期の横方向成長を利用する方法、ＳＴＭ（走査トンネル顕微鏡：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）技術を応用した原子マニピュレーションを用いた方法などが提案されている。これらの方法は、人為的に加工するという共通の特徴故に、量子ドットを形成する位置を任意に制御できるという利点を有している。しかしながら、個数密度は微細加工技術の精度限界を超えることができず、同様に均一性に関しても極めて低いものであった。
【００１８】
量子ドットを作成するためのブレークスルーとなる新しい技術として、量子ドットを自己形成する技術が近年見い出されている。これは、格子不整合の半導体をある条件で気相エピタキシャル成長することで、３次元の微細構造（量子ドット）が自己形成される現象を用いたものである。この方法は、微細加工に比べて実施するのが極めて容易であり、しかも、得られる量子ドットは人為的な加工技術の精度限界を超えて極めて均一性が高く、高個数密度で、高品質である。このような自己形成量子ドットを用いて、例えば半導体レーザなどのデバイスが実際に報告されるようになり、量子ドット素子の可能性が現実のものとなっている。
【００１９】
量子ドットの自己形成については、いくつかの形成モードが知られている。最もよく知られている形成モードは、Ｓｔｒａｎｓｋｉ−Ｋｒａｓｔａｎｏｖモード（以下、「Ｓ−Ｋモード」と呼ぶ。）と呼ばれるモードである。これは、エピタキシャル成長される半導体結晶が、成長開始当初は２次元成長（膜成長）するが、膜の弾性限界を超えてた段階で３次元成長するモードである。このモードの実現が自己形成モードの中で最も容易であり、一般的に用いられている。このモードによれば、高い個数密度で量子ドットを形成することができる。
【００２０】
また、他の形成モードとしては、Ｖｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｂｅｒモードと呼ばれるモードが知られている。このモードは、初期の２次元成長なしではじめから３次元成長するモードである。このモードは一般にＳ−Ｋモードより低温で起こるといわれているが、品質のよいドットを得るのが難しく、実際には研究はほとんど行われていない。
【００２１】
また、自己形成モードを利用した新しい量子ドット作成方法として、近接積層法が注目されている。近接積層法とは、既に述べた方法で作成する３次元構造をキャリアがトンネルできる程度以下の薄い中間層を介して成長方向に数個積層し、それらをひとまとまりとして背の高い量子ドットを形成する方法である。この方法によれば、均一性の高い量子ドットを形成することができる。
【００２２】
従来、量子ドットのこのような特性を利用する技術の一つとして、３次元成長島よりなる量子ドットを半導体レーザの活性領域に用いることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。これは、Ｓ−Ｋモードにより、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓよりも格子定数の大きいＩｎＧａＡｓのバッファ層を形成し、その上にＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓの量子ドットを含む量子ドット層を自己形成するもので、このＩｎＧａＡｓバッファ層の組成を適宜制御することにより格子不整合の量を制御して、量子ドットの発光長を制御するものである。例えばＩｎＧａＡｓバッファ層のＩｎ組成を増加させることで、量子ドットの発光波長を増加させ、従来よりも発光波長を長波長側にシフトさせることができる。
【特許文献１】特公平７−３８３９２号公報
【特許文献２】特開２０００−１９６１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
上記特許文献１には、ＨＢＴのベース領域をＡｌxＧａ1-xＡｓ／ＧａＡｓヘテロ接合を用いた２次元電子ガス層におきかえることにより、ベース層を２次元ガス層膜厚（〜１００Å）にまで短くし得ることが開示されている。しかしながら、特許文献１には、ＨＢＴのベース領域に量子構造を応用することについては示唆するところがない。
【００２４】
また上記特許文献２は、半導体レーザの活性層に量子ドット層を応用する構成を開示したものであり、同様に、ＨＢＴのベース領域に量子構造を応用することについては示唆するところがない。
【００２５】
既に述べたように、ＨＢＴ素子の特性改善を行うべく、ベース領域のキャリア濃度を高く、且つ膜厚を薄くするという手法を採用した場合、ドーピング濃度としては１×１０20［cm-3］程度が限度であり、又ベース領域１２の膜厚を薄くし過ぎると、多数キャリアで占められる筈のベース中性領域が空乏化してしまい、増幅作用が起こらないこととなってしまう。すなわち中性領域を確保しつつ、膜厚の薄いベース領域を考える必要がある。
【００２６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、上記のような膜厚が非常に薄く、且つキャリア濃度の高い、言い換えるならばベース領域に注入されるキャリアに対して抵抗値の低くなるようなベース領域を有するＨＢＴ構造を、従来とは異なる２次元キャリアガス層にて達成した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。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００２８】
請求項１の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、第一導電型のエミッタ、第二導電型のベース、第一導電型のコレクタの３つの領域を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記第二導電型のベース領域の平面内に、選択的に、よりバンドギャップの小さい第二導電型の半導体から成る量子構造を形成し、この量子構造領域に２次元電子ガス若しくは２次元ホールガスを形成することを特徴とする。
【００２９】
請求項２の発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、第一導電型のエミッタ、第二導電型のベース、第一導電型のコレクタの３つの領域を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記第二導電型のベース領域が、エミッタ側のベース基礎層として設けられた第二導電型の第一のＧａＡｓ障壁層と、アンドープＩｎＡｓ又はアンドープＩｎＧａＡｓから成る量子構造と、コレクタ側にキャリア供給層として設けられた第二導電型の第二のＧａＡｓ障壁層で構成されていることを特徴とする。
【００３０】
請求項３の発明は、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において、前記量子構造の半導体が、ＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．１〜１）から成ることを特徴とする。
【００３１】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記量子構造が量子ドット、量子細線、若しくは量子井戸のいずれかであることを特徴とする。
【００３２】
請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、前記エミッタ領域の材料にＩｎＧａＰ若しくはＡｌＧａＡｓを用いたことを特徴とする。
【００３３】
＜発明の要点＞
本発明の原理を説明するためのＨＢＴのエネルギーバンド構造を図１に示す。
【００３４】
図１から判るように、本発明のＨＢＴは、エミッタコンタクト領域２０、エミッタ領域２１、ベース基礎層領域２２ａ、量子構造領域２３、キャリア供給層領域２４、コレクタ領域２５、サブコレクタ領域２６を有している。このうちベース基礎層領域２２ａ、量子構造領域２３、キャリア供給層領域２４は、ベース領域２２を構成している。
【００３５】
ベース基礎層領域２２ａ及びキャリア供給層領域２４はｐ型の例えばＧａＡｓ障壁層であり、特にキャリア供給層領域２４はベースに対するキャリア供給層の役割も果たしている。これらｐ型ＧａＡｓ障壁層から成るベース基礎層領域２２ａ、キャリア供給層領域２４で挟まれた量子構造領域２３は、アンドープの例えばＩｎＡｓやＩｎＧａＡｓのような、ＧａＡｓ障壁層よりもバンドギャップの狭い材料からなる量子構造２３ａを含む量子構造領域であり、量子構造２３ａは具体的には量子井戸や量子細線、量子ドットから成る。
【００３６】
図１より、キャリア供給層領域２４より供給されたキャリア（正孔３１）は、量子構造２３ａの価電子帯側の量子準位３０に閉じ込められる。ベース層（量子構造２３ａを含む量子構造領域２３）の平面内を考慮すると、図１で示したようなエネルギーバンドの状態となっている領域（量子準位３０の量子構造２３ａ）が至る場所で確認されるので、結果として量子構造２３ａで構成されるベース層は、キャリア（正孔）が蓄積された状態となる。
【００３７】
また量子構造２３ａはアンドープ層であるため、不純物イオンが存在しない。不純物イオンはキャリアの散乱源、言い換えるならばキャリアの抵抗体として働くので、このような不純物の存在しない量子構造２３ａは極めて良質な結晶と言える。
【００３８】
また量子構造２３ａは膜厚が数nmと非常に薄いため、ベース層として用いるには最適である。
【００３９】
なお、以上の説明はｎｐｎ型ＨＢＴの場合であったが、ｐｎｐ型ＨＢＴの場合は伝導電子と正孔を逆にして考えることができ、全く同様の作用効果が得られる。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、次のような優れた効果が得られる。
【００４１】
本発明では、第二導電型のベース領域の平面内に、選択的に、よりバンドギャップの小さい第二導電型の半導体から成る量子構造を、例えば量子ドット、量子細線、若しくは量子井戸にて形成し、この量子構造領域に２次元電子ガス若しくは２次元ホールガスを形成するものであるため、例えばｎｐｎ型ＨＢＴの場合、ベース領域内のキャリア（正孔）をエミッタ領域に注入させないようにしつつ、エミッタ領域からベース領域へ効率良くキャリア（電子）を注入させることができる。よって本発明によれば、膜厚が非常に薄く、且つキャリア濃度の高い、言い換えるならばベース領域に注入されるキャリア（電子）に対して抵抗値の低くなるようなベース領域を実現することができる。
【００４２】
具体的には、本発明により、従来最小でも５０nm程度であったベース層膜厚を１０nm程度に抑えることができ、且つ高濃度のｐ型ベース層を形成することが可能となった。これにより、従来デバイスに比較して高速、高効率な電子デバイスの作製が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
【００４４】
図２に本発明の実施の形態に係るＨＢＴの構造図を、図３にバンド構造図を示す。このＨＢＴは、ＧａＡｓ微傾斜基板４０上に、ｎ型ＧａＡｓサブコレクタ層４１、ｎ型ＧａＡｓコレクタ層４２、ｐ型ＧａＡｓキャリア供給層４３、アンドープのＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓの量子ドットから成る量子構造４４、ｐ型ＧａＡｓベース基礎層（バルク）４５、ｎ型のＩｎＧａＰ又はＡｌＧａＡｓから成るエミッタ層４６、Ｓｉを高濃度にドープしたｎ+型ＧａＡｓ高濃度エミッタコンタクト層４７、ｎ型ＩｎＧａＡｓノンアロイ層４８を積層した構造となっている。図３のバンド構造図における、サブコレクタ領域５５、コレクタ領域５４、キャリア供給層領域５３、量子構造領域５２、ベース基礎層領域５１、ＩｎＧａＰエミッタ領域５０、エミッタコンタクト領域４９は、これらの層に対応している。このうちキャリア供給層４３（キャリア供給層領域５３）、量子構造４４（量子構造領域５２）、ベース基礎層４５（ベース基礎層領域５１）は、図１で説明したベース領域２２を構成している。
【００４５】
上記構造は、第一導電型（ここではｎ型）のエミッタ領域５０（エミッタ層４６）、第二導電型（ここではｐ型）のベース領域２２（ベース基礎層領域５１、量子構造領域５２、キャリア供給層領域５３）、第一導電型のコレクタ領域５４（コレクタ層４２）という３つの領域を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、上記第二導電型のベース領域２２の平面内に、選択的に、よりバンドギャップの小さい第二導電型の半導体から成る量子構造４４（量子構造領域５２）を形成し、この量子構造領域５２に２次元電子ガス若しくは２次元ホールガスを形成するようにした構造となっている。
【００４６】
ベース領域２２のうち、エミッタ側のベース基礎層領域５１つまりベース基礎層（バルク）４５は第二導電型の第一のＧａＡｓ障壁層として働き、また、コレクタ側のキャリア供給層領域５３つまりキャリア供給層４３は第二導電型の第二のＧａＡｓ障壁層として働く。そして量子構造領域５２つまり量子構造４４は、この二つのＧａＡｓ障壁層間に挟まれたアンドープＩｎＡｓの量子ドット（直径が５〜３０nmのＩｎＡｓ量子ドット）から成り、キャリアの落ち込む準位を形成する。量子ドットは面内一様に形成される。この量子ドットの半導体としては、アンドープＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．１〜１）を用いることもできる。
【００４７】
アンドープＩｎＡｓ量子ドットの形成は、格子不整合の半導体をある条件で気相エピタキシャル成長することで、３次元の微細構造（量子ドット）が自己形成される現象（自己形成）を用い、Ｓ−Ｋモードにより形成する。
【実施例１】
【００４８】
半絶縁性ＧａＡｓ基板（００１）面より［１１０］方向へ２°微傾斜した基板上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により、図２に示す層構造のエピタキシャル成長を行った。各層の成長温度、キャリア濃度、膜厚を、表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
また、使用した原料は、Ａｓ原料にアルシン（ＡｓＨ3）、Ｇａ原料にトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、及びトリエチルガリウム（ＴＥＧ）、Ｉｎ原料にトリメチルインジウム（ＴＭＩ）、リン原料にフォスフィン（ＰＨ3）、Ａｌ原料にトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、またｎ型キャリアのドーパントとしてＳｉを用い、この原料としてジシラン（Ｓｉ2Ｈ6）、ｐ型キャリアのドーパントとしてＣを用い、この原料として四臭化炭素（ＣＢｒ4）をそれぞれ用いた。量子ドット（量子構造４４）は、成長温度（基板温度）を４００℃とし、２．０ＭＬ（原子層：ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）相当のＩｎＡｓを供給し、Ｓ−Ｋモードにて自己形成した。
【００５１】
図２に示したＨＢＴ構造のエネルギーバンドギャップを図３に示す。
【００５２】
本実施例のＨＢＴはｎｐｎ型である。従ってｎ+型ＧａＡｓエミッタコンタクト領域４９（ｎ+型ＧａＡｓエミッタコンタクト層４７）より注入されたキャリア（伝導電子）６１は、ＩｎＧａＰより成るエミッタ領域５０（ＩｎＧａＰエミッタ層４６）を通過し、ベース領域５１、５２、５３（ベース領域２２）とエミッタ領域５０の間の順方向バイアスによって低下した内蔵電位の分に比例する数のキャリアが、ベース領域５１、５２、５３に注入される。ベース領域２２のうち、ベース基礎層領域５１（ＧａＡｓベース基礎層４５）とキャリア供給層領域５３（ＧａＡｓキャリア供給層４３）は各１５nmと非常に薄く、また量子構造領域５２（量子構造４４）も直径が５〜３０nmのＩｎＡｓ量子ドットである為、伝導電子６１はこのベース領域５１、５２、５３を高速で通過することができる。またコレクタ領域５４（ＧａＡｓコレクタ層４２）は、ｎ型キャリアであるＳｉが１．０×１０16［cm-3］と比較的低濃度にドーピングされている為、ほぼ全域に渡って空乏化している。
【００５３】
このことからベース領域５１、５２、５３を通過した伝導電子６１は、このコレクタ領域５４中の強電界によって加速され、サブコレクタ領域５５に到達する。このサブコレクタ領域５５（ＧａＡｓサブコレクタ層４１）は５．０×１０18と高濃度にドーピングされている為、電極の役割を果たす層である。
【００５４】
一方、ベース領域５１、５２、５３に着目すると、ｐ型ドーパントのキャリア供給層領域５３（ＧａＡｓキャリア供給層４３）より正孔６０がベース基礎層領域５１、量子構造領域５２側へ移動する。これはエミッタ−ベース間が順方向バイアスされていることによる。キャリア供給層領域５３より供給される正孔６０は、量子ドット４４が形成する価電子帯５７側の量子準位５９に移動する。ここで量子順位５９はフェルミ準位５８より伝導体５６側にある。すなわち正孔６０から見た場合、縮退状態にある。ベースの量子構造領域５２にはホールガスが形成され、高濃度のｐ型キャリアが蓄積される。量子ドットは面内一様に形成されるので、ホールガスは２次元的に形成される。これにより、伝導電子６１に対して低抵抗、且つ膜厚の薄いＨＢＴのベース層を形成することができた。
【００５５】
上記実施例では、量子ドットをＳ−Ｋモードにより自己形成したが、他の形成モードを利用した量子構造作成方法により量子ドット等の量子構造を作成しても良い。
【実施例２】
【００５６】
実施例１の構造において、キャリア供給層領域５３（キャリア供給層４３）をｎ型キャリア濃度が１．０×１０15［cm-3］以下のアンドープＧａＡｓとした構造のＨＢＴを作製した。
【００５７】
このとき量子構造領域５２（量子構造４４）には、実施例１の時と同様にホールガスが形成された。これはコレクタ領域５４中の少数キャリアである正孔６０が量子ドット５２に注入された為である。
【００５８】
本構造では、ｐ型キャリア供給層領域５３（キャリア供給層４３）を削除したことで、ベース領域を更に薄くでき、ＨＢＴ動作を高速にすることが可能となった。
【実施例３】
【００５９】
実施例１及び２に挙げた構造において、量子構造４４（量子構造領域５２）を、ＩｎＡｓ量子ドットから変更して、Ｉｎ0.6Ｇａ0.4Ａｓ、膜厚１０nmの量子井戸構造とした。
【００６０】
このときも実施例１及び２の時と同様に、量子構造５２にホールガスが形成され、良好なＨＢＴ特性を示した。即ちコレクタ領域５４側より供給された正孔が効率よく量子井戸内に閉じ込められ、ホールガスを形成した。当然のことながら量子井戸は２次元平面上に広がりを持っていることから、形成されたホールガスは２次元となっている。
【実施例４】
【００６１】
実施例３の構造において、Ｉｎ0.6Ｇａ0.4Ａｓの膜厚を３０nmにした。このときＨＢＴは増幅を示さなかった。これは領域５２にホールガスが形成されずに、バルクのアンドープ層として機能してしまった為である。すなわちベース領域として機能するのは領域５１のｐ型ＧａＡｓ層であるが、この領域は１５nmと非常に薄いために、ベース中性領域が消失してしまった為と考えられる。
【実施例５】
【００６２】
実施例１〜３までの構造ではエミッタ領域５０の材料としてＩｎ0.484Ｇａ0.516Ｐを用いたが、この代わりにＡｌＧａＡｓを用いた。この場合も実施例１〜３の場合と同様に、良好なトランジスタ特性を示した。すなわち、エミッタの材料を変更することによって、これがベース領域に相互作用を及ぼさないことを示した結果であると言える。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明のＨＢＴ構造のエネルギーバンド図である。
【図２】本発明の実施例に係るＨＢＴの断面構造図である。
【図３】本発明の図２のＨＢＴ構造のエネルギーバンド図である。
【図４】従来のＳｉトランジスタのエネルギーバンド図であり、（ａ）は熱平衡状態を、（ｂ）は能動状態を示した図である。
【図５】能動状態のＨＢＴのエネルギーバンド図である。
【図６】従来のヘテロ接合ベースＨＢＴを示したもので、（ａ）は構造断面図、（ｂ）はバンド構造図である。
【符号の説明】
【００６４】
２０ エミッタコンタクト領域
２１ エミッタ領域
２２ ベース領域
２２ａ ベース基礎層領域
２３ 量子構造領域
２３ａ 量子構造
２４ キャリア供給層領域
２５ コレクタ領域
２６ サブコレクタ領域
４０ ＧａＡｓ微傾斜基板
４１ ＧａＡｓサブコレクタ層
４２ ＧａＡｓコレクタ層
４３ ＧａＡｓキャリア供給層
４４ 量子構造
４５ ＧａＡｓベース基礎層（バルク）
４６ ＩｎＧａＰエミッタ層
４７ ｎ+型ＧａＡｓ高濃度エミッタコンタクト層
４８ ＩｎＧａＡｓノンアロイ層
４９ エミッタコンタクト領域
５０ ＩｎＧａＰエミッタ領域
５１ ベース基礎層領域
５２ 量子構造領域
５３ キャリア供給層領域
５４ コレクタ領域
５５ サブコレクタ領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一導電型のエミッタ、第二導電型のベース、第一導電型のコレクタの３つの領域を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第二導電型のベース領域の平面内に、選択的に、よりバンドギャップの小さい第二導電型の半導体から成る量子構造を形成し、この量子構造領域に２次元電子ガス若しくは２次元ホールガスを形成することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項２】
第一導電型のエミッタ、第二導電型のベース、第一導電型のコレクタの３つの領域を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第二導電型のベース領域が、エミッタ側のベース基礎層として設けられた第二導電型の第一のＧａＡｓ障壁層と、アンドープＩｎＡｓ又はアンドープＩｎＧａＡｓから成る量子構造と、コレクタ側にキャリア供給層として設けられた第二導電型の第二のＧａＡｓ障壁層で構成されていることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項３】
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において、
前記量子構造の半導体が、ＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．１〜１）から成ることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記量子構造が量子ドット、量子細線、若しくは量子井戸のいずれかであることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記エミッタ領域の材料にＩｎＧａＰ若しくはＡｌＧａＡｓを用いたことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項１】
第一導電型のエミッタ、第二導電型のベース、第一導電型のコレクタの３つの領域を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第二導電型のベース領域の平面内に、選択的に、よりバンドギャップの小さい第二導電型の半導体から成る量子構造を形成し、この量子構造領域に２次元電子ガス若しくは２次元ホールガスを形成することを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項２】
第一導電型のエミッタ、第二導電型のベース、第一導電型のコレクタの３つの領域を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記第二導電型のベース領域が、エミッタ側のベース基礎層として設けられた第二導電型の第一のＧａＡｓ障壁層と、アンドープＩｎＡｓ又はアンドープＩｎＧａＡｓから成る量子構造と、コレクタ側にキャリア供給層として設けられた第二導電型の第二のＧａＡｓ障壁層で構成されていることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項３】
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において、
前記量子構造の半導体が、ＩｎxＧａ1-xＡｓ（ｘ＝０．１〜１）から成ることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記量子構造が量子ドット、量子細線、若しくは量子井戸のいずれかであることを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタにおいて、
前記エミッタ領域の材料にＩｎＧａＰ若しくはＡｌＧａＡｓを用いたことを特徴とするヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２１６６６９（Ｐ２００６−２１６６６９Ａ）
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２６２８４（Ｐ２００５−２６２８４）
【出願日】平成１７年２月２日（２００５．２．２）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２日（２００５．２．２）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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