(57)【要約】【課題】利得のコレクタ電圧依存性を低減できるヘテロ接合バイポーラトランジスタおよびそれを備える増幅器を提供する。【解決手段】Ｎ＋型コレクタコンタクト層６上には、Ｎ型コレクタ層１０が部分的に形成されている。Ｎ型コレクタ層１０は、Ｎ＋型コレクタコンタクト層６上に部分的に形成された比較的に空乏化しにくいＮ型コレクタ層５と、Ｎ型コレクタ層５上に全面的に形成された比較的に空乏化しやすいＮ型コレクタ層４とからなる。Ｎ型コレクタ層４上には、高濃度のＰ型不純物を含むＰ＋型ベース層３が全面的に形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型コレクタ層、第１導電型エミッタ層、および前記第１導電型コレクタ層−前記第１導電型エミッタ層間に介在する第２導電型ベース層を備えるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、
前記第１導電型コレクタ層は、
前記第２導電型ベース層に接する第１導電型第１コレクタ層と、
前記第１導電型第１コレクタ層に接する第１導電型第２コレクタ層と
を有し、
前記第１導電型第１コレクタ層は、使用において想定される最も低いコレクタ電圧である最低コレクタ電圧を与えられた場合に全ての領域が空乏化し、
前記第１導電型第２コレクタ層は、前記標準コレクタ電圧に基づく空間電荷濃度より高いキャリア濃度を有し、前記標準コレクタ電圧を与えられた場合に形成される空乏層の厚さの割合が前記第１導電型コレクタ層全体に形成される空乏層の厚さの２０％以下である
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２】
請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、
前記第１導電型第２コレクタ層は、使用において想定される最も高いコレクタ電圧である最高コレクタ電圧に基づく空間電荷濃度より低いキャリア濃度を有し、前記最高コレクタ電圧を与えられた場合に全ての領域が空乏化する
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３】
請求項１又は請求項２に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、
前記第１導電型第２コレクタ層に接する第１導電型高キャリア濃度コレクタコンタクト層と、
前記第１導電型第２コレクタ層−前記第１導電型高キャリア濃度コレクタコンタクト層間に介在し前記第１導電型第２コレクタ層より高く前記第１導電型高キャリア濃度コレクタコンタクト層より低い不純物濃度を有する第１導電型電界緩和層と
をさらに備え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乃至請求項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を増幅素子として備える増幅器。
【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に関し、特に、それを備える増幅器における利得のコレクタ電圧依存性を低減するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のエミッタ接地型高出力増幅器に用いられるヘテロ接合バイポーラトランジスタは、標準動作時に予め設定された所望の利得が得られ且つ想定される最も高い電源電圧（コレクタ電圧）での動作時にもオン耐圧が確保できるように、コレクタ層が所定の不純物濃度で且つ十分な厚みを有するように設計されている。このようなヘテロ接合バイポーラトランジスタの例は、例えば特許文献１〜３に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平４−９３０３５号公報
【特許文献２】特開平５−１９０５６２号公報
【特許文献３】特開２００３−２１８１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、コレクタ電圧を、標準動作時の電圧値から低くすると、標準動作時に比較してコレクタ層内の空乏層厚が小さくなるので、入力−出力間の帰還容量としてのベース−コレクタ間の容量が増大する。そのため、増幅器における利得が、予め設定された値から低下してしまうという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、利得のコレクタ電圧依存性を低減できるヘテロ接合バイポーラトランジスタおよびそれを備える増幅器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、第１導電型コレクタ層、第１導電型エミッタ層、および第１導電型コレクタ層−第１導電型エミッタ層間に介在する第２導電型ベース層を備えるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、第１導電型コレクタ層は、第２導電型ベース層に接する第１導電型第１コレクタ層と、第１導電型第１コレクタ層に接する第１導電型第２コレクタ層とを有し、第１導電型第１コレクタ層は、使用において想定される最も低いコレクタ電圧である最低コレクタ電圧を与えられた場合に全ての領域が空乏化し、第１導電型第２コレクタ層は、標準コレクタ電圧に基づく空間電荷濃度より高いキャリア濃度を有し、標準コレクタ電圧を与えられた場合に形成される空乏層の厚さの割合が第１導電型コレクタ層全体に形成される空乏層の厚さの２０％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、第１導電型コレクタ層、第１導電型エミッタ層、および第１導電型コレクタ層−第１導電型エミッタ層間に介在する第２導電型ベース層を備えるヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、第１導電型コレクタ層は、第２導電型ベース層に接する第１導電型第１コレクタ層と、第１導電型第１コレクタ層に接する第１導電型第２コレクタ層とを有し、第１導電型第１コレクタ層は、使用において想定される最も低いコレクタ電圧である最低コレクタ電圧を与えられた場合に全ての領域が空乏化し、第１導電型第２コレクタ層は、標準コレクタ電圧に基づく空間電荷濃度より高いキャリア濃度を有し、標準コレクタ電圧を与えられた場合に形成される空乏層の厚さの割合が第１導電型コレクタ層全体に形成される空乏層の厚さの２０％以下であることを特徴とする。従って、コレクタ電圧を標準コレクタ電圧から最低コレクタ電圧まで下げた場合においても、第１導電型コレクタ層の空乏層厚がほとんど小さくならない。従って、空乏化に伴う入力−出力間の帰還容量としてのベース−コレクタ間の容量である空乏層容量が大幅に増大することはない。よって、利得が予め設定された値から大幅に低下することはない。すなわち、利得のコレクタ電圧依存性を低減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタは、比較的に空乏化されやすいＮ型コレクタ層と比較的に空乏化されにくいＮ型コレクタ層とからなる二層構造のＮ型コレクタ層を備えることを特徴とする。
【０００９】
以下、本発明に係る実施の形態を、ＮＰＮ型ヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いてエミッタ接地型高出力増幅器を構成した場合を例にとり図を参照して説明する。
【００１０】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタ（以下では、ＨＢＴと呼ぶ）１００の構造を示す断面図である。
【００１１】
図１において、半絶縁性基板７上には、高濃度のＮ型不純物を含むＮ＋型コレクタコンタクト層６（第１導電型高キャリア濃度コレクタコンタクト層）が形成されている。Ｎ＋型コレクタコンタクト層６上には、コレクタ電極１３およびＮ型コレクタ層１０（第１導電型コレクタ層）が部分的に形成されている。Ｎ型コレクタ層１０は、Ｎ＋型コレクタコンタクト層６上に部分的に形成されたＮ型コレクタ層５（第１導電型第２コレクタ層）と、Ｎ型コレクタ層５上に全面的に形成されたＮ型コレクタ層４（第１導電型第１コレクタ層）とからなる。ここで、Ｎ型コレクタ層４，５は、互いに、不純物濃度と厚みとが異なるが、それ以外の特性（材料中での電子の飽和速度や材料の誘電率等）は同じであるとする。
【００１２】
Ｎ型コレクタ層４上には、高濃度のＰ型不純物を含むＰ＋型ベース層３（第２導電型ベース層）が全面的に形成されている。Ｐ＋型ベース層３上には、ベース電極１２およびＮ型エミッタ層２（第１導電型エミッタ層）が部分的に形成されている。Ｎ型エミッタ層２上には、高濃度のＮ型不純物を含むＮ＋型エミッタコンタクト層１が全面的に形成されている。Ｎ＋型エミッタコンタクト層１上には、エミッタ電極１１が全面的に形成されている。
【００１３】
ＨＢＴ１００がエミッタ接地型高出力増幅器を構成する場合には、エミッタ電極１１は接地され、コレクタ電極１３には電源電圧（コレクタ電圧）が与えられる。
【００１４】
図２は、図１のＡ−Ａ’断面における不純物濃度プロファイルをイオン化した正味の空間電荷で表した図である。縦軸の矢印方向が正の空間電荷（イオン化したドナーＮD+）を表し、その反対方向が負の空間電荷（イオン化したアクセプタＮA-）を表している。図２において、領域２１〜２７は、それぞれ、Ｎ＋型エミッタコンタクト層１、Ｎ型エミッタ層２、Ｐ＋型ベース層３、Ｎ型コレクタ層４、Ｎ型コレクタ層５、Ｎ＋型コレクタコンタクト層６、および半絶縁性基板７の不純物濃度プロファイルを示している。ここで、各領域の高さは各層の不純物濃度を示し、各領域の幅は各層の厚み（層厚）を示している。
【００１５】
図３は、図１に示されるＨＢＴ１００のコレクタ電流−コレクタ電圧特性を示すグラフである。図３においては、標準動作時のコレクタ電圧である電圧ＶB（標準コレクタ電圧）と、使用において想定される最も低いコレクタ電圧である電圧ＶC（最低コレクタ電圧）と、使用において想定される最も高いコレクタ電圧である電圧ＶD（最高コレクタ電圧）とが示されている。また、図３には、電圧ＶB〜ＶDにそれぞれ対応してＨＢＴ１００を流れるコレクタ電流の電流密度ＪB〜ＪDが示されている。また、図３には、バイアス点Ｂ（ＶB，ＪB）〜バイアス点Ｃ（ＶD，ＪD）をそれぞれ通り所定の傾きを有する負荷線がそれぞれ点線で示されている。これらの３本の負荷線の傾きは、負荷の大きさを表しており、コレクタ電圧値に依らず一定とする。
【００１６】
図２において、領域２４，２５の高さは、それぞれ、Ｎ型コレクタ層４の不純物濃度ＮD1およびＮ型コレクタ層５の不純物濃度ＮD2を表している。また、図２において、領域２４，２５の幅は、それぞれ、Ｎ型コレクタ層４の層厚Ｌ1およびＮ型コレクタ層５の層厚Ｌ2を表している。
【００１７】
図４は、ＨＢＴ１００のバンドダイアグラムを示す図である。ダイアグラム３１〜３３は、それぞれ、コレクタ電圧として電圧ＶB〜ＶDが印加された場合を示している。なお、図４以降の各図においては、Ｎ型コレクタ層５の不純物濃度ＮD2がＮ型コレクタ層４の不純物濃度ＮD1の５倍である場合について、図示を行っている。
【００１８】
ここで、Ｎ型コレクタ層４の不純物濃度ＮD1は、バイアス点Ｂでの電流密度ＪBと、素電荷量ｑと、Ｎ型コレクタ層１０の材料中での電子の飽和速度ｖSATとで定められる空間電荷濃度ＱB＝ＪB／（ｑ×ｖSAT）と等しくした。
【００１９】
また、Ｎ型コレクタ層４の層厚Ｌ1は、不純物濃度ＮD1と、ベース電圧ＶBASEと、ベース−コレクタ間のＰＮ接合のビルトイン電位φｉと、Ｎ型コレクタ層１０の材料の誘電率εとで定められる空乏層厚ＬD1＝［２×ε×（φｉ−ＶBASE）／（ｑ×ＮD1−ＪC／ｖSAT）］-1/2に等しいか、それよりも少し小さいものとする。空乏層厚は印加されるコレクタ電圧が高いほど大きくなるので、Ｎ型コレクタ層４の層厚Ｌ1をこのように定めることにより、Ｎ型コレクタ層４は、電圧ＶB〜ＶDのいずれが印加された場合においても、全ての領域が空乏化される。なお、Ｎ型コレクタ層４の層厚Ｌ1が空乏層厚ＬD1に等しい場合には、電圧ＶCが印加されたときにＮ型コレクタ層５は空乏化されないが、Ｎ型コレクタ層４の層厚Ｌ1が空乏層厚ＬD1より小さい場合には、電圧ＶCが印加されたときにＮ型コレクタ層５のうちＮ型コレクタ層４に接する一部の領域が少し空乏化される。
【００２０】
また、Ｎ型コレクタ層５の不純物濃度ＮD2は、バイアス点Ｂでの電流密度ＪBと、素電荷量ｑと、Ｎ型コレクタ層１０の材料中での電子の飽和速度ｖSATとで定められる空間電荷濃度ＱB＝ＪB／（ｑ×ｖSAT）より十分に高く、且つ、バイアス点Ｄでの電流密度ＪDと、素電荷量ｑと、Ｎ型コレクタ層１０の材料中での電子の飽和速度ｖSATとで定められる空間電荷濃度ＱD＝ＪD／（ｑ×ｖSAT）の空間電荷効果および電圧ＶDによって、Ｎ型コレクタ層５の全ての領域が空乏化されるように定める。Ｎ型コレクタ層５の不純物濃度ＮD2をこのように定めることにより、Ｎ型コレクタ層５は、電圧ＶBまたは電圧ＶCが印加された場合にはほとんどの領域が空乏化されない（Ｎ型コレクタ層５に形成される空乏層の層厚がＮ型コレクタ層１０全体に形成される空乏層の層厚に対して２０％以下の割合となる）が、電圧ＶDが印加された場合には全ての領域が空乏化される。
【００２１】
図４に示されるように、ダイアグラム３１，３２のいずれにおいても、Ｎ型コレクタ層４は全ての領域が空乏化され、Ｎ型コレクタ層５はほとんどの領域が空乏化されない。従って、電圧ＶB，ＶCいずれが印加された場合においても、Ｎ型コレクタ層１０全体の空乏層厚は、Ｎ型コレクタ層４の層厚Ｌ2にほぼ等しい。従って、コレクタ電圧を、標準動作時の電圧ＶBから使用において想定される最も低い電圧ＶCまで下げた場合においても、Ｎ型コレクタ層１０全体の空乏層厚がほとんど小さくならないので、空乏化に伴う入力−出力間の帰還容量としてのベース−コレクタ間の容量である空乏層容量ＣBCが大幅に増大することはない。よって、ＨＢＴ１００を用いたエミッタ接地型高出力増幅器における利得が、予め設定された値から大幅に低下することはないので、エミッタ接地型高出力増幅器における利得のコレクタ電圧依存性を低減できる。
【００２２】
また、上述したように、電圧ＶDが印加された場合を示すダイアグラム３３においては、Ｎ型コレクタ層４，５はいずれも、全ての領域が空乏化される。また、Ｎ型コレクタ層５の層厚Ｌ2は、バイアス点Ｄにおいても、ＨＢＴ１００が十分なオン耐圧を有するように定められるものとする。すなわち、Ｎ型コレクタ層１０の層厚（Ｌ1＋Ｌ2）は、バイアス点Ｄにおいて十分なオン耐圧を有するような厚みであるとする。例えば、コレクタの半導体材料が砒化ガリウム（ＧａＡｓ）ならば、十分な耐圧を３０Ｖとすると、層厚（Ｌ1＋Ｌ2）は約１μｍとなる。
【００２３】
図５は、比較のために、ＨＢＴ１００においてＮ型コレクタ層５を設けることなくＮ型コレクタ層４’のみを用いたＨＢＴ１００’のバンドダイアグラムを示す図である。ダイアグラム３１’〜３３’は、それぞれ、電圧ＶB〜ＶDが印加された場合を示している。
【００２４】
図５に示されるＮ型コレクタ層４’の厚みは、図４に示されるＮ型コレクタ層４の層厚Ｌ1とＮ型コレクタ層５の層厚Ｌ2との和に等しいものとする。また、Ｎ型コレクタ層４’は、層厚以外は、Ｎ型コレクタ層４と同様の特性を有しているものとする。すなわち、ＨＢＴ１００’は、ＨＢＴ１００においてＮ型コレクタ層５をＮ型コレクタ層４に置き換えたものである。
【００２５】
図５におけるダイアグラム３１’で空乏層厚ＬD2として示されるように、Ｎ型コレクタ層４’は、電圧ＶBが印加された場合には、ほとんどの領域が空乏化される。
【００２６】
また、図５におけるダイアグラム３２’で空乏層厚ＬD3として示されるように、Ｎ型コレクタ層４’は、電圧ＶCが印加された場合には、半分程度の領域が空乏化される。従って、ＨＢＴ１００’においては、印可されるコレクタ電圧を電圧ＶBから電圧ＶCまで下げた場合には、コレクタ層の空乏層厚は、空乏層厚ＬD2から空乏層厚ＬD3まで小さくなる。
【００２７】
一方、上述したように、ＨＢＴ１００は、コレクタ電圧を、電圧ＶBから電圧ＶCまで下げた場合においても、Ｎ型コレクタ層１０全体の空乏層厚がほとんど小さくならない。また、ＨＢＴ１００は、コレクタ電圧を、電圧ＶBから電圧ＶDまで上げた場合においては、図５におけるＮ型コレクタ層４’と同様に、Ｎ型コレクタ層１０全体が空乏化される。従って、ＨＢＴ１００は、ＨＢＴ１００’に比べて、オン耐圧を確保しつつエミッタ接地型高出力増幅器における利得のコレクタ電圧依存性を低減できるという効果を有する。
【００２８】
図６は、図４に示されるＨＢＴ１００と図５に示されるＨＢＴ１００’とをそれぞれ用いて構成されたエミッタ接地型高出力増幅器において、コレクタ電圧（電源電圧）と利得との関係を示すグラフである。なお、利得については、コレクタ電圧が電圧ＶC＝３．５Ｖである場合の利得との比で示している。図６において、ＨＢＴ１００’は、コレクタ電圧が電圧ＶBから電圧ＶCまで下げられると、利得が大きく低下している。一方、ＨＢＴ１００は、コレクタ電圧が電圧ＶBから電圧ＶCまで下げられても、利得はほとんど低下していない。
【００２９】
このように、本実施の形態に係るＨＢＴ１００においては、コレクタ電圧を標準コレクタ電圧から最低コレクタ電圧まで下げた場合においても、Ｎ型コレクタ層１０の空乏層厚がほとんど小さくならない。従って、空乏化に伴う入力−出力間の帰還容量としてのベース−コレクタ間の容量である空乏層容量ＣBCが大幅に増大することはない。よって、ＨＢＴ１００を増幅素子として備えるエミッタ接地型高出力増幅器において、利得が予め設定された値から大幅に低下することはない。すなわち、エミッタ接地型高出力増幅器における利得のコレクタ電圧依存性を低減することが可能となる。
【００３０】
また、コレクタ電圧を標準コレクタ電圧から最高コレクタ電圧に上げた場合においては、Ｎ型コレクタ層１０全体が空乏化されるので、オン耐圧を確保することができる。
【００３１】
＜実施の形態２＞
実施の形態１に係るＨＢＴ１００のバンドダイアグラムは、Ｎ型コレクタ領域１０においては、図４でダイアグラム３１，３２としてそれぞれ示されるように電圧ＶB，ＶCを印加された場合には下に凸の曲線であるが、図４でダイアグラム３３として示されるように電圧ＶＤを印加された場合にはわずかに上に凸の曲線となる。また、電圧ＶDに基づく空間電荷濃度は、電圧ＶB，ＶCにそれぞれ基づく空間電荷濃度より高い。従って、Ｎ型コレクタ層５とＮ＋型コレクタコンタクト層６との界面近傍においては、バンドダイアグラムの傾きの変化量が最大となるので、電界の大きさが最大となる。
【００３２】
図７は、本発明の実施の形態２に係るＨＢＴ１０１の構造を示す断面図である。図７に示されるＨＢＴ１０１は、図１に示されるＨＢＴ１００において、Ｎ型コレクタ層５とＮ＋型コレクタコンタクト層６との間に、Ｎ型不純物を含むＮ型電界緩和層８（第１導電型電界緩和層）を形成させた構造からなる。
【００３３】
図８は、図７のＥ−Ｅ’断面における不純物濃度プロファイルを示す図である。すなわち、図８は、図２において、領域２５と領域２６との間に、Ｎ型電界緩和層８の不純物濃度プロファイルを示す領域２８を介在させたものである。
【００３４】
図８に示されるように、緩和層２８の不純物濃度（領域２８の高さ）は、Ｎ型コレクタ層５の不純物濃度（領域２５の高さ）より高くＮ＋型コレクタコンタクト層６の不純物濃度（領域２６の高さ）より低い。従って、図９に破線で示されるように、バンドダイヤグラムの傾きの変化は、Ｎ型電界緩和層８により緩和されるので、実線で示されるＮ型電界緩和層８が介在しない場合の曲線（図４に示されるダイアグラム３３とほぼ同様の曲線）に比べて、電界の大きさの最大値を小さくすることができる。図９においては、Ｎ型コレクタ層５の不純物濃度が５×１０16ｃｍ-3で、Ｎ＋型コレクタコンタクト層６の不純物濃度が３×１０18ｃｍ-3で、Ｎ型電界緩和層８の不純物濃度が１×１０18ｃｍ-3である場合のバンドダイアグラムが示されている。Ｎ型コレクタ層５の不純物濃度とＮ＋型コレクタコンタクト層６の不純物濃度との差は非常に大きいが、Ｎ型コレクタ層５とＮ＋型コレクタコンタクト層６との間にこれらの中間程度の不純物濃度を有するＮ型電界緩和層８を介在させることにより、電界を緩和することが可能となる。
【００３５】
このように、本実施の形態に係るＨＢＴ１０１は、実施の形態１に係るＨＢＴ１００において、Ｎ型コレクタ層５とＮ＋型コレクタコンタクト層６との間にＮ型電不純物を含むＮ型電界緩和層８を介在させた構造からなる。従って、コレクタ電圧としてオン耐圧に近い電圧ＶＤを印加した場合における電界の最大値を小さくすることができる。従って、実施の形態１の効果に加えて、オン耐圧をより高くすることができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の構造を示す断面図である。
【図２】ＨＢＴの不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図３】ＨＢＴのコレクタ電流−コレクタ電圧特性を示すグラフである。
【図４】ＨＢＴのバンドダイアグラムを示す図である。
【図５】ＨＢＴのバンドダイアグラムを示す図である。
【図６】ＨＢＴを用いて構成されたエミッタ接地型高出力増幅器において、コレクタ電圧と利得との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の実施の形態２に係るヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）の構造を示す断面図である。
【図８】ＨＢＴの不純物濃度プロファイルを示す図である。
【図９】ＨＢＴのバンドダイアグラムを示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１  Ｎ＋型エミッタコンタクト層、２  Ｎ型エミッタ層、３  Ｐ＋型ベース層、４，５，１０  Ｎ型コレクタ層、６  Ｎ＋型コレクタコンタクト層、７  半絶縁性基板、８  Ｎ型電界緩和層、１１  エミッタ電極、１２  ベース電極、１３  コレクタ電極、２１〜２８  領域、３１〜３３  ダイアグラム、１００，１０１  ＨＢＴ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006303222.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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