(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コレクタと、前記コレクタ上に位置するベースと、前記ベース上に位置するエミッタとを含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）であって、前記エミッタが前記ベースに接触する中間層を含み、前記中間層が前記ベース及び前記エミッタに対して実質的に電気透過性であり、前記中間層の格子定数が前記ベース及び前記エミッタの格子定数に一致しており、前記コレクタはインジウム燐（ＩｎＰ）であり、前記ベースはガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）であり、前記エミッタはＩｎＰの中間層とアルミニウムインジウム砒素（ＡｌＩｎＡｓ）の層を含み、前記ＩｎＰの中間層が、前記エミッタと前記ベースとの間に量子井戸を形成し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２】
前記ベースのバンドギャップは、前記エミッタのバンドギャップよりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載のヘテロ接合バイポーラトランジスタ。
【請求項３】
ヘテロ接合バイポーラトランジスタの製造方法であって、
コレクタを形成するステップと、
前記コレクタ上にベースを形成するステップと、
前記ベース上にエミッタを形成するステップとを含み、
前記エミッタが前記ベースに接触する中間層を含み、前記中間層が前記ベース及び前記エミッタに対して実質的に電気透過性であり、前記中間層の格子定数が前記ベース及び前記エミッタの格子定数に一致し、前記コレクタはインジウム燐（ＩｎＰ）であり、前記ベースはガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）であり、前記エミッタはＩｎＰの中間層とアルミニウムインジウム砒素（ＡｌＩｎＡｓ）の層を含み、前記ＩｎＰの中間層が、前記エミッタと前記ベースとの間に量子井戸を形成するようにすることを特徴とする方法。
【請求項４】
前記中間層は、仮晶的に成長するようにすることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は一般にトランジスタに関するものであり、より具体的には改良型エミッタ−ベース接合を有するヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速切り換え及び高周波数作動が望まれる応用分野においては、特にｎｐｎ型のヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）が従来より使用されている。ＨＢＴ中のエミッタはベースのハンドギャップよりも大きいバンドギャップを持っており、これによりベース領域からエミッタ領域への好ましくない正孔の流れを抑止するエネルギー障壁がエミッタ・ベース接合の価電子帯において形成される。この構成によりＨＢＴのエミッタ注入効率、電流利得及び作動周波数が増大する。
【０００３】
第１世代の商業用ＨＢＴは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板及びこのＧａＡｓに結晶格子が一致する半導体材料によるものであった。その後の世代では、インジウム燐（ＩｎＰ）基板及びＩｎＰに結晶格子が一致する半導体材料によるＨＢＴが多い。このようなＨＢＴは通常、ベースをインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）材料系、又はガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）材料系から構成し、コレクタ及びエミッタを例えばＩｎＰ、アルミニウムインジウム砒素（ＡｌＩｎＡｓ）又はＩｎＧａＡｓで形成したものである。ベース材料をＧａＡｓＳｂ、エミッタ材料をＡｌＩｎＡｓとしたＨＢＴは、ベース材料をＧａＡｓＳｂ、エミッタ材料をＩｎＰとしたＨＢＴよりも優れた点がある。例えば、ＡｌＩｎＡｓ及びＧａＡｓＳｂ間（エミッタ−ベース間）の伝導帯のエネルギーバンド構造は、より高い電流密度での作動、即ちより高い周波数での作動を可能とする等、特定の利点を提供する。しかし、残念なことに良好なＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ界面を形成することは困難である。
【０００４】
図１は、ＩｎＰエミッタ／ＧａＡｓＳｂベース／ＩｎＰコレクタを持つ従来型ＨＢＴのエミッタ−ベース接合に適度な順方向電気バイアスを印加した場合のエネルギーバンド図（参照番号１１）を示す。縦軸１２はエネルギーレベルを示し、横軸１４は距離、即ちエミッタ領域２２、ベース領域２４及びコレクタ領域２６をそれぞれに構成する材料の厚さを示している。ＧａＡｓＳｂベースとＩｎＰコレクタを持つヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）は、図示したようにコレクタ−ベース接合３２においてタイプＩＩのバンド構造を持っている。伝導帯１６におけるエネルギー不連続量ΔＥｃは約０．１８ｅＶ（エレクトロンボルト）であり、価電子帯１８におけるエネルギー不連続量ΔＥｖは約０．７６ｅＶである。基本的に、この接合に対するこのバンド構造は以下の理由から理想的とされる。小さな衝撃エネルギーΔＥｃが集められた電子に与えられ、そして金属級[metallurgical]ベース（ベース−コレクタ接合３２）に大きい価電子帯不連続量ΔＥｖが作られる。これにより、小さな又は正のコレクタバイアスであってもコレクタ領域２６への正孔の注入される量が最小とされる。広いバンドギャップのＩｎＰはコレクタ領域２６全体にわたって伸びている為、電子雪崩降伏が最少化される。
【０００５】
ＩｎＰには格子整合しているが、ＧａＡｓＳｂとは異なるベース層を持つ他のＨＢＴの場合、これらの利点は提供されない。例えば、同じ構造でＩｎＧａＡｓベースとした場合、金属級ベースにおける大きな価電子帯不連続量ΔＥｖと、広バンドギャップＩｎＰの利点は提供されるものの、電子収集を阻む障壁が生じ、これによりベース中に好ましくない電荷の蓄積が起きる可能性がある。これは装置の周波数応答及び最高電流値を損なってしまう。この障壁を排除するにしても、その為の方法はいずれも金属級コレクタ−ベース接合の大きな価電子帯不連続量ΔＥｖと広バンドギャップＩｎＰの利点を犠牲にするものである。
【０００６】
更に、ＧａＡｓＳｂベースとＩｎＰエミッタ（図１）を持つＨＢＴであっても、タイプＩＩのバンド構造に起因した２つの欠点がある。これら２つの欠点は、“ｑ”を電荷、“ΔＥｃ”を伝導帯不連続性、“ｋ”をボルツマン定数、“Ｔ”を絶対接合温度とした場合にｅｘｐ（−ｑΔＥｃ／ｋＴ）であるヘテロ接合における電子密度の不連続性に関係している。ΔＥｃは約０．１８±０．１ｅＶである為、不連続部にわたる電子密度の比率は室温で２ｘ１０−５〜５ｘ１０−２である。
【０００７】
第一の欠点は、低い電流利得である。限界注入レベルを下回る場合、金属級接合（エミッタ−ベース接合２８）における界面再結合はエミッタ側接合部の電子密度と界面準位特性に左右される。
【０００８】
界面電流密度ｊｉｎｔｅｒｆａｃｅは、界面エミッタ側の電子密度をｎｅｍｉｔｔｅｒ、界面再結合速度をｖｉｎｔｅｒｆａｃｅとした場合、ｊｉｎｔｅｒｆａｃｅ＝ｑｎｅｍｉｔｔｅｒｖｉｎｔｅｒｆａｃｅで表される。界面再結合速度ｖｉｎｔｅｒｆａｃｅは、界面準位による電子捕獲が生じる断面積をσｎ、電子の熱運動速度をｖｔｈｅｒｍａｌ、単位面積あたりの電子捕獲準位密度をＮｔｒａｐｓ、界面における空間的な間接放射再結合の比例関係を説明する定数をＫｓ＿ｉ＿ｒａｄ、そして界面ベース側の正孔密度をＰｂａｓｅとした場合、ｖｉｎｔｅｒｆａｃｅ＝σｎｖｔｈｅｒｍａｌＮｔｒａｐｓ＋Ｋｓ＿ｉ＿ｒａｄＰｂａｓｅで表される。従って、全体の界面再結合速度は、電子捕獲順位を通過する再結合及び空間的な間接放射再結合によるのである。実際に形成し得る材料界面は電気的に完全とは言えない。例えば、エネルギーギャップ中に空間的局在化状態を作り出す要因となる不純物又は欠陥が界面中に存在することもある。これらの空間的局在化状態の中へと到達した電子又は正孔は移動することが出来ず（伝導帯又は価電子帯中の電子又は正孔は移動可能）、また、これらの空間的局在化状態は価電子帯及び伝導帯の間のポテンシャルエネルギーを持っている。これらの空間的局在化状態は電子及び正孔を交互に捕獲し、これにより再結合経路を提供するのである。これは概念的にショットキー・リード・ホール再結合と似ている。空間的な間接再結合はタイプＩＩヘテロ接合の一方の側（この事例ではＩｎＰ側）に局在化された電子と、反対側（この事例ではＧａＡｓＳｂ側）に局在化された正孔との間に生じるバンド間再結合である。この再結合を空間的な間接再結合と呼ぶのは、電子と正孔が古典物理学に基づいて分離される為である。量子物理学によれば、電子及び正孔は完全に局在化されているわけではない。これらはわずかに重なり合う波動関数により表される。従っていくらかの再結合が生じる。これらの作用はいずれも当事者には周知である。
【０００９】
注入電流密度ｊｉｎｊｅｃｔｉｏｎは、エミッタ−ベース接合のベース側の注入電子密度をｎｂａｓｅ、そしてベースを通る電子の速度をｖｂａｓｅとした場合、ｊｉｎｊｅｃｔｉｏｎ＝ｑｎｂａｓｅｖｂａｓｅで表される。ｊｉｎｊｅｃｔｉｏｎ／ｊｉｎｔｅｒｆａｃｅ＝ｖｂａｓｅｎｂａｓｅ／ｖｉｎｔｅｒｆａｃｅｎｅｍｉｔｔｅｒの比は、トランジスタの電流利得の上限を表す。金属接合のいずれかの側の電子密度比により界面再結合速度がｅｘｐ（ｑΔＥｃ／ｋＴ）で有効に乗算され、電流利得に直接的な影響を及ぼすことになる。
【００１０】
ＧａＡｓＳｂベース及びＩｎＰエミッタを含むＨＢＴの第二の欠点とは、電流が、電流利得の圧縮が生じるに値にまで低下するという点である。代表的なＨＢＴにおいては、エミッタ−ベース容量を低減する為にエミッタに比較的低濃度のＮｅが添加される。例えば、エミッタに４−８ｘ１０１７ｃｍ−３の不純物添加を行った場合、ベースへの注入電子密度にＮｅｅｘｐ（−ｑΔＥｃ／ｋＴ）の厳格な上限が課せられる。これは図１のＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ型ＨＢＴのエミッタ−ベース接合６８に、強い順方向バイアスを印加した場合のエネルギーバンド図（参照番号５１）である図２に示されている。このバイアス値に近づくと、エミッタ容量が非常に大きくなり、周波数応答が急激に低下する。純粋な拡散輸送では、ベースを通る電子速度（ｖｂａｓｅ）は代表的なマイクロ波トランジスタにおいて１０７ｃｍ／秒程度である。これにより、電子不連続性がある場合は電流密度２０Ａ／ｃｍ２〜５ｘ１０４Ａ／ｃｍ２において利得圧縮が生じる。実験結果から得られた値はこの範囲の中でも上限値に近いが、それでもエミッタ帯電周波数ｇｍ／（２πＣｅ）を制限することで装置の性能に深刻な限界が設けられる（ここでｇｍはダイナミックエミッタコンダクタンス、Ｃｅはエミッタ接合容量）。
【００１１】
これらの問題は、エネルギーバンドをうまく調整することにより伝導帯不連続量を低減する、或いは排除すれば小さくする又はなくすことが出来る。しかしながらエミッタ又はベースに四元材料を用いることなく、格子整合条件を満たす材料系により、そのようなバンド構造を得ることは、困難或いは不可能ですらある。アルミニウムインジウム砒素燐（ＡｌＩｎＡｓＰ）といった四元材料を用いて高品質な膜を成長させることがいかに困難であるかは良く知られている。特に格子整合を得ることが難しく、製造工程においてもエッチング処理が困難となる。他の手法として、ＧａＡｓＳｂよりもわずかに高い伝導帯エネルギーを持つエミッタ材料を用いることが可能である。この手法によると、エミッタ−ベース接合にターンオン電圧を増大させてしまう伝導帯スパイクが生じることになる。しかしながら、電流限界はなくなり、ターンオン電圧に対するスパイクの影響も、スパイク通過に充分なエネルギーを電子に与えようとするかわりに、電子をトンネルさせることにより著しく小さくすることが出来る。これはスパイクによるトンネル通過の作用として知られている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、当該分野においてはベースにおける伝導帯バンドエネルギーよりも高い伝導帯バンドエネルギーを持つエミッタ材料を含み、かつ既存の技術を用いて容易に製造することが出来るＨＢＴが必要とされているのである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＧａＡｓＳｂ／ＡｌＩｎＡｓ界面に望ましい特性を呈するベース−エミッタ接合を持つＨＢＴを提供するものであり、このＨＢＴはＧａＡｓＳｂベースとＡｌＩｎＡｓエミッタとに接触する中間層をエミッタ中に含むことを特徴とする。中間層は実質的な電気透過性を呈するように、充分薄くはあるがＡｌＩｎＡｓエミッタをその上で成長させるに足る表面を提供できるような厚さを持っている。実質的に電気透過性の中間層は、ＧａＡｓＳｂベース及びＡｌＩｎＡｓエミッタに対して格子整合性を持っているか、或いは見かけ上の格子整合を実現するように仮晶成長される。仮晶層はその格子が成長方向に垂直の２つの次元において基板格子に整合するように引き伸ばされた、或いは圧縮されたものである。
【００１４】
以下の説明においては、ｎｐｎ構造のへテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を例にあげているが、本発明はｐｎｐ構造のＨＢＴにも等しく適用することが出来る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明に基づいて製造されたＨＢＴ１００の断面を示す概略図である。ＨＢＴ１００はＩｎＰ基板１０１を含み、この上に高濃度のｎ型不純物を添加したサブコレクタ層１０２が形成されている。サブコレクタ層１０２上にはｎ型ＩｎＰコレクタ層１０４が形成される。また、図示したように、サブコレクタ層１０２の一部分には金属接触部（コンタクト）１０６が形成されている。
【００１６】
ＩｎＰコレクタ層１０４上には高濃度のｐ型不純物を添加したＧａＡｓＳｂベース層１０８が形成されており、このベース層１０８の一部分には図示したように金属接触１１２が設けられている。本発明の一実施例によれば、中間層１１０はベース層１０８上に形成される。薄い中間層１１０はエミッタ−ベース接合部に狭幅量子井戸を形成するものである。中間層１１０はまた、ＧａＡｓＳｂベース層１０８及びＡｌＩｎＡｓエミッタ１１４の格子定数に一致する格子定数を持っている。
【００１７】
中間層１１０として例えばＩｎＰを、ＧａＡｓＳｂベース層１０８及びＡｌＩｎＡｓエミッタ１１４と格子整合するように成長させることが出来る。この場合、中間層１１０のバルク格子定数がＧａＡｓＳｂベース材料及びＡｌＩｎＡｓエミッタ材料の格子定数に合致する。かわりに、中間層１１０に格子不整合材料を用いることも出来るが、この場合は厚さを充分に薄く設定し、その格子パラメータがＧａＡｓＳｂベース層１０８及びＡｌＩｎＡｓエミッタ１１４の格子パラメータに一致するように仮晶成長させる。例えば、中間層１１０をＩｎｘＧａ１−ｘＰ（ｘは１に近づく値ではあるが、等しくはならない）で成膜する場合、中間層１１０は、ＧａＡｓＳｂベース層１０８及びＡｌＩｎＡｓエミッタ１１４の格子定数に一致した格子定数を持つことになるように仮晶成長により形成される。
【００１８】
薄い中間層を仮晶成長させると「歪み」を持つに至り、その格子定数は基板材料の格子定数に一致することになる。当事者には周知のように、仮晶層中の格子定数は成長方向に垂直な２つの次元において基板格子と一致するように引っ張られ、或いは圧縮されるのである。成長方向における格子パラメータは全く異なるが、仮晶表面が呈する格子定数は、成膜中に供給される構成原子にとっては格子整合表面なのである。従って、薄い仮晶層を中間層１１０として用いることは物質的に、完全に格子整合した中間層１１０を用いることに極めて近いことである。以下の説明においては、便宜上、中間層１１０がＩｎＰから形成されたものであると仮定している。しかしながら、中間層１１０の形成にはＧａＡｓＳｂベース材料及びＡｌＩｎＡｓエミッタ材料の格子定数に整合するバルク格子定数を持つ他の材料を用いることも可能である。同様に、ＩｎｘＧａ１−ｘＰ（ｘは１に近づく値ではあるが、等しくはならない）以外の仮晶成長中間層とすることも出来る。
【００１９】
エミッタ１１４は中間層１１０上に形成された、低濃度のｎ型不純物を添加したＡｌＩｎＡｓ層１１６を含む。ＡｌＩｎＡｓ層１１６の上にはこれより高い濃度のｎ型不純物を添加したＡｌＩｎＡｓ層１１８が、そしてＡｌＩｎＡｓ層１１８上には高濃度のｎ型不純物を添加したＩｎＧａＡｓ層１２０が形成されている。これらの２層１１８及び１２０はエミッタ１１４にオーム接触を形成するものであり、これによりエミッタ１１４上に金属接触１２２を設けることが出来る。サブコレクタ層１０２、コレクタ層１０４、ベース層１０８、中間層１１０及びエミッタ１１４は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）により成長させることが出来るが、方法はこれに限られない。
【００２０】
上述したように、界面再結合の速度は一部、金属級エミッタ−ベース接合部に存在する準位数Ｎｔｒａｐｓに依存する。簡単な方法で所定のヘテロ接合の準位密度を予測することは出来ないが、これを最少化することは望まれる。従って、ＧａＡｓＳｂベース層１０８と中間層１１０により形成されるＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂヘテロ接合は、この材料系により良好な利得を持つＨＢＴを形成することが出来ることから、許容され得る範囲の低い順位密度を持っていると見られる。ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ接合でこれを実現することは難しい。従って、ＩｎＰの中間層１１０を用いて構成した構造は、ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂエミッタ−ベース構造の低準位密度特性を示しつつ、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂエミッタ−ベース構造における望ましいバンド構造を持っているかのような挙動をも呈するのである。これは多くのＩＩＩ−Ｖ化合物中の導電電子の量子的性質と軽い実効質量、そして特にＩｎＰにおいては、界面準位の局在化性質を利用して実現したものである。この結果得られる構造は、形成が容易で、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ構造を持つＨＢＴの望ましい電子輸送特性と、ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ構造を持つＨＢＴに等しい、あるいはこれよりも高い電流利得を有するのである。
【００２１】
図４は、図３に示したＨＢＴのエネルギーバンド１５０を示すグラフである。ＩｎＰ量子井戸１７８がＡｌＩｎＡｓエミッタ領域１６２とＧａＡｓＳｂベース領域１６４との間に２つのヘテロ接合を形成している。一方のヘテロ接合はＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ界面１６８に形成され、もう一方はＩｎＰ／ＡｌＩｎＡｓ界面１８８に形成されている。ＩｎＰ量子井戸１７８は、エネルギー不連続量が伝導帯においては０．０７ｅＶ（ΔＥｃ＝０．２５−０．１８）、価電子帯においては０．６０ｅＶ（ΔＥｖ＝０．７６−０．１６）の有効なヘテロ接合をＧａＡｓＳｂベース領域１６４とＡｌＩｎＡｓエミッタ領域１６２の間に形成しているのである。この有効なへテロ接合の位置は、価電子帯においてはＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ界面１６８にあるが、伝導帯においてはＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ界面１８８にある。ＧａＡｓＳｂベース領域１６４とＩｎＰコレクタ領域１６６との間のＧａＡｓＳｂ／ＩｎＰ界面１７２に形成されるヘテロ接合は、伝導帯の不連続量ΔＥｃが０．１８ｅＶ、そして価電子帯の不連続量ΔＥｖが０．７６ｅＶである。
【００２２】
先にも述べた通り、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ型ＨＢＴに望ましいこれらの特性は、材料のバンド構造から得られるものである。全般的な規則として、バンド構造はいかなる層が介在してもこれとは無関係であると考えられる。従って、ＩｎＰ中間層１１０をＧａＡｓＳｂベース層１０８とＡｌＩｎＡｓエミッタ１１４との間に設けたとしても、ＡｌＩｎＡｓエミッタ領域１６２及びＧａＡｓＳｂベース領域１６４間のバンド構造に実質的な影響を与えることはない。しかしながら、図４に示したように、ＩｎＰ中間層１１０はＡｌＩｎＡｓエミッタ領域１６２とＧａＡｓＳｂ領域１６４との間の金属級接合においてＩｎＰ量子井戸１７８を作る。電子がこの井戸に捕獲された場合、これらの電子は好ましくないエミッタ再結合電流に寄与する傾向がある。しかしながら、本発明の一態様に基づいて電子の量子機械的特性を考慮することにより、電子密度に殆ど影響を与えることがないようにＩｎＰ量子井戸１７８を作ることが出来る。以下にも説明するが、要するにＩｎＰ量子井戸１７８が電気透過性となるように設計するのである。
【００２３】
図５はＩｎＰ量子井戸のサブバンドエネルギーを示すグラフ１９０である。縦軸はサブバンドエネルギーをｅＶ単位で表し、横軸は量子井戸幅をｎｍ単位で表している。トレース１９２は、一方の側に０．１８ｅＶの障壁、他方の側に０．２５ｅＶの障壁がある非対称四角形井戸ポテンシャルにおける最低エネルギー状態の固有エネルギーの計算値を表している。電子は０．０７７ｍｏの実効質量（ｍｏは自由電子質量）を持っているものと仮定する。これらの値は、図３及び図４に関連して説明した格子が整合するＡｌＩｎＡｓ及びＧａＡｓＳｂ間に閉じ込められたＩｎＰ量子井戸としては適切な値である。
【００２４】
説明の便宜上、ここでは図５に示したエネルギーを「最低サブバンドエネルギー」と呼び、それは１次元（１Ｄ）計算結果を表すものである。しかしながら、実世界は３次元（３Ｄ）である。従って、図示の１Ｄ量子井戸は１次元においては電子を閉じ込めるが、他の２つの次元における移動は自由である。図５のエネルギーを「最低サブバンドエネルギー」Ｅｓｂと呼ぶのは、３Ｄである現実において１Ｄの量子井戸を明確に説明する為である。このエネルギーは１Ｄ固有エネルギーと同じである。
【００２５】
約２ｎｍ未満の厚さを持つ量子井戸（トレース１９２のうち、部分１９６に示されるように）においては、電子エネルギーの熱的スミアによって電子総数の過多が無視出来る大きさにまで小さくなる程、最低状態のエネルギーがＧａＡｓＳｂベースのバンドエネルギーに近い。電子を界面に対して垂直方向には閉じ込めるが他の２つの次元においては自由とする単一のサブバンドを持つ量子井戸は、実効質量が０．７７ｍｏの場合、約３．２ｘ１０１３ｃｍ−２ｅＶ−１の一定密度の状態Ｎｓｓを持つ。注入面積電子密度ｎｂａｓｅ−ｓｈｅｅｔ＝ＷｂａｓｅＮｃｅｘｐ（−ｑ（Ｅｃ−Ｅｆ）／ｋＴ）を量子井戸中に拘束された電子の単位面積あたり密度と比較することができ；ｎｓｓ＝（ｋＴ／ｑ）Ｎｓｓｅｘｐ（−ｑ（Ｅｃ−Ｅｆ）／ｋＴ）ｅｘｐ（ｑ（（Ｅｃ−Ｅｓｂ）／ｋＴ）（１−ｅｘｐ（−ｑ（Ｅｃ−Ｅｓｂ）／ｋＴ）、即ちｎｓｓ／ｎｂａｓｅ−ｓｈｅｅｔ＝（Ｅｃ−Ｅｓｂ）Ｎｓｓｅｘｐ（ｑ（Ｅｃ−Ｅｓｂ）／ｋＴ）／ＷｂａｓｅＮｃ；従って伝導帯エネルギー未満の拘束状態ｋＴ／ｑでは、ｎｓｓはベース中の注入シート電子密度と同程度であり、バンド間再結合及び界面再結合を許容範囲の分量だけ増加する。
【００２６】
更に、トレース１９２の部分１９４に示される通り、厚さ約１．１ｎｍ未満の量子井戸については、井戸に付随して生じる拘束状態が無い。これは障壁の非対称性によるものであり、中間層が薄ければ、たとえ零度の温度でもＩｎＰ中の電子密度は過多とならず、よってエミッタ再結合電流への好ましくない影響は無くなる。エミッタ領域１６２とベース領域１６４の間にある薄い中間層（図４）は、電子密度に影響を与えることも、電子輸送の障壁を形成することも無い為、基本的に電気透過性である。このようにＡｌＩｎＡｓエミッタとＧａＡｓＳｂベースとの間に設けられた薄いＩｎＰ中間層によりＡｌＩｎＡｓエミッタ及びＧａＡｓＳｂベースの両方に格子が整合した表面が提供されると共に、ＡｌＩｎＡｓエミッタを採用したことでＨＢＴに与えられる優れた性能を維持することが可能となるのである。ＧａＡｓＳｂベース及びＩｎＰ量子井戸間の格子整合、そしてＩｎＰ量子井戸及びＡｌＩｎＡｓエミッタ間の格子整合は、格子整合材料により直接的に、或いは格子不整合材料の薄い層を中間層として仮晶成長させることにより実現することが出来る。
【００２７】
ここで図３に戻って説明するが、エミッタ１１４及びベース層１０８間にＩｎＰ中間層１１０を挿入することによる利得への悪影響は全く無いか、あってもわずかであるが、良い特質は付加される。ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ界面は、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ界面及びＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ界面に置き換えられている。先にも説明したように、ＡｌＩｎＡｓエミッタ、又はベースの伝導帯エネルギー以上の伝導帯エネルギーを持つエミッタを採用することにより、空間的に間接的なバンド間再結合が排除される。これは、先に述べたように薄いＩｎＰ層には拘束状態が存在しない為、薄いＩｎＰ中間層を持つエミッタにおいても同じである。残った界面再結合メカニズムは界面準位によるものであり、再結合速度ｖｉｎｔｅｒｆａｃｅ＝σｎｖｔｈｅｒｍａｌＮｔｒａｐｓを如何に制御するかという問題になる。ＡｌＩｎＡｓエミッタ１１４の場合、重要なのは面積密度Ｎｔｒａｐｓ及び電子を捕獲する準位の断面のみであることは明らかである。
【００２８】
図４に戻って説明するが、エミッタ−ベース接合付近にはＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ界面１８８とＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ界面１６８の２つの界面が存在している。留意すべきは、ベース中の正孔はＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ界面１６８には近づくが、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ界面１８８に対してはＩｎＰ中間層１１０（図３）が作る０．７６ｅＶ障壁をトンネルしなければ到達することが出来ないという点である。界面再結合に寄与するＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ界面１８８及びＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ界面１６８のポテンシャルを考慮しなければならない。再結合は電子の捕獲と正孔の捕獲が交互に起きることにより生じる為、最初に大量の正孔の供給があるかどうかについて考える。ここで考えられるのは、正孔はＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ界面１８８には直接的に流入することが出来ない為、界面再結合に寄与する要因からＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ界面１８８をほぼ完全に外すことが出来るという点である。正孔がこの界面に到達するには、ＩｎＰによる０．７６ｅＶの障壁をトンネルするしかない。トンネルする可能性は正孔が軽いか重いかによって大幅に異なり、障壁幅に依存するものであるが、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ界面１８８に形成されるヘテロ接合の作用は一桁以上小さくすることが出来る。
【００２９】
従って、界面準位再結合速度を判定する上で重要な界面はＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ界面１６８であると考えられる。この界面１６８に形成されるヘテロ接合は、良好な特性を持つように成長させることが可能であり、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ界面よりもＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ界面の方が優れていることは実験結果も支持している。更に、ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＰ界面とＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ界面の組み合わせは、ＡｌＩｎＡｓ／ＧａＡｓＳｂ界面のみの場合よりも良好な電流利得を示す。
【００３０】
図６は、図３に示したＨＢＴ１００とは異なる実施例を示す断面図である。ＨＢＴ２００はＩｎＰ基板２０１を含み、この上に高濃度のｎ型不純物を添加したサブコレクタ層２０２が形成されている。サブコレクタ層２０２上にはｎ型ＩｎＰコレクタ層２０４が形成されている。サブコレクタ層２０２の一部分には図示の通り金属接触部２０６が設けられている。
【００３１】
図３に基づいて説明したものとは異なり、ＩｎＰコレクタ層２０４上にはｐ型ＩｎＧａＡｓベース層２０８が形成され、ベース層２０８の一部分には図示の通り金属接触部２１２が設けられている。本発明のこの態様によれば、ＧａＡｓＳｂからなる中間層２１０がＩｎＧａＡｓベース層２０８上に設けられる。以下にも図７に関連して説明するが、薄いＧａＡｓＳｂ中間層２１０はエミッタ−ベース接合に狭幅量子井戸を形成するが、本実施例においては、量子井戸は伝導帯ではなく価電子帯中に形成される。ＧａＡｓＳｂの中間層２１０の格子定数はＩｎＧａＡｓベース層２０８及びＩｎＰエミッタ２１４の格子定数に一致している。ＧａＡｓＳｂのような材料を用いることにより、ＩｎＧａＡｓベース層２０８及びＩｎＰエミッタ２１４に格子整合する中間層２１０を形成することが出来る。かわりに格子不整合材料を使って中間層２１０を形成することも出来るが、この場合は層厚を充分に薄く設定して仮晶成長させることによりその格子パラメータをＩｎＧａＡｓベース層２０８及びＩｎＰエミッタ２１４の格子パラメータに一致させる。先にも説明したように、このように薄い中間層を仮晶成長させて「歪ませる」ことにより基板材料の格子定数に整合させることが出来る。
【００３２】
エミッタ２１４は、ＧａＡｓＳｂからなる中間層２１０上に形成された低濃度のｎ型ＩｎＰ層２１６を含む。そしてこれよりも高い濃度のｎ型不純物を添加したＩｎＰ層２１８がＩｎＰ層２１６上に、そして高濃度のｎ型ＩｎＧａＡｓ層２２０がＩｎＰ層２１８上に形成される。これらの２つの層２１８及び２２０は、エミッタ２１４にオーム接触を形成し、これによりエミッタ２１４上に金属接触２２２を設けることが可能となる。サブコレクタ層２０２、コレクタ層２０４、ベース層２０８、中間層２１０及びエミッタ２１４は、例えば分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって形成することが出来るが、方法はこれに限られない。
【００３３】
図７は、図６に示したＨＢＴのエネルギーバンド２５０のグラフである。ＧａＡｓＳｂ量子井戸２７８はＩｎＰエミッタ領域２６２とＩｎＧａＡｓベース領域２６４との間に２つのヘテロ接合を形成する。一方のヘテロ接合はＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ界面２６８に、そしてもう一方のヘテロ接合はＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ界面２８８に形成される。ＧａＡｓＳｂ量子井戸２７８は、ＩｎＧａＡｓベース領域２６４及びＩｎＰエミッタ領域２６２間に伝導帯におけるエネルギー不連続量が０．２３ｅＶ（ΔＥｃ＝０．４１−０．１８）、そして価電子帯におけるエネルギー不連続量が０．３４ｅＶ（ΔＥｖ＝０．７６−０．４２）の有効なヘテロ接合を形成している。この有効なヘテロ接合の位置は、価電子帯においてはＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ界面２６８にあるが、伝導帯においてはＧａＡｓＳｂ／ＩｎＧａＡｓ界面２８８にある。この図から明らかなように、図６のＩｎＰエミッタ２１４とＩｎＧａＡｓベース層２０８との間にＧａＡｓＳｂ中間層２１０を設けた場合、エミッタ−ベース接合の価電子帯中に非対称量子井戸２７８が形成されるのである。
【００３４】
以上は、特にＩｎＰコレクタ、ＡｌＩｎＡｓエミッタ及びＧａＡｓＳｂベースを含み、エミッタ及びベース間にＩｎＰ中間層を形成したＨＢＴ、そしてＩｎＰコレクタ、ＩｎＰエミッタ及びＩｎＧａＡｓベースを含み、エミッタ及びベース間にＧａＡｓＳｂ中間層を形成したＨＢＴに関して説明したものであるが、本発明は、異なるバンド構造（例えば、ＩｎＰ／ＧａＡｓＳｂ及びＩｎＰ／ＡｌＩｎＡｓから成る）を使って界面の望ましい物理化学的構成を保ちつつ、望ましいバンド構造（例えば、ＡｌＩｎＡｓ及びＧａＡｓＳｂ間のタイプＩ構成）を維持する構成であると解釈することが出来る。そしてこれは薄いポテンシャル井戸の量子機械的特性を利用することにより実現される。
【００３５】
当事者には明らかなように、先に説明した本発明の好適な実施の形態には本発明の原理から著しく離れることなく様々な変更や改変を加えることが出来る。例えば、本発明の概念は、ｎｐｎ型ＨＢＴ及びｐｎｐ型ＨＢＴのいずれにとっても有益なものである。これらの変更及び改変形態は、添付請求項に定義された本発明の範囲に全て含まれるものである。
【００３６】
本発明を上述の実施形態に即して説明すると、本発明は、コレクタ（１０４）と、コレクタ（１０４）上に位置するベース（１０８）と、そしてベース（１０８）上に位置するエミッタ（１１４）とを含むヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）（１００）であって、エミッタ（１１４）がベース（１０８）に接触する中間層（１１０）を含み、中間層（１１０）がベース（１０８）及びエミッタ（１１４）に対して実質的に電気透過性であり、中間層（１１０）の格子定数がベース（１０８）及びエミッタ（１１４）の格子定数に一致し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（１００）を提供する。
【００３７】
好ましくは、コレクタ（１０４）がインジウム燐（ＩｎＰ）であり、ベース（１０８）がガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）であり、そしてエミッタ（１１４）がＩｎＰからなる中間層（１１０）及びアルミニウムインジウム砒素（ＡｌＩｎＡｓ）からなる層（１１６）を含む。
【００３８】
好ましくは、ＩｎＰからなる中間層（１１０）の厚さが２ｎｍ未満である。
【００３９】
好ましくは、ＩｎＰからなる中間層（１１０）の厚さが１．２ｎｍ未満である。
【００４０】
好ましくは、中間層（１１０）が仮晶成長させたものである。
【００４１】
好ましくは、中間層（１１０）の材料が、ベースの材料及びエミッタの材料の格子定数に一致するバルク格子定数を持つものである。
【００４２】
更に、本発明は、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（１００）の製造方法であって、コレクタ（１０４）を形成するステップと、コレクタ（１０４）上にベース（１０８）を形成するステップと、そしてベース（１０８）上にエミッタ（１１４）を形成するステップとを含み、エミッタ（１１４）がベース（１０８）に接触する中間層（１１０）を含み、中間層（１１０）がベース（１０８）及びエミッタ（１１４）に対して実質的に電気透過性であり、中間層（１１０）の格子定数がベース（１０８）及びエミッタ（１１４）の格子定数に一致していることを特徴とする方法を提供する。
【００４３】
好ましくは、コレクタ（１０４）がインジウム燐（ＩｎＰ）を用いて形成され、ベース（１０８）がガリウム砒素アンチモン（ＧａＡｓＳｂ）を用いて形成され、そしてエミッタ（１１４）がＩｎＰからなる中間層（１１０）及びアルミニウムインジウム砒素（ＡｌＩｎＡｓ）からなる層（１１６）により形成される。
【００４４】
好ましくは、ＩｎＰからなる中間層（１１０）の厚さが２ｎｍ未満である。
【００４５】
好ましくは、ＩｎＰからなる中間層（１１０）の厚さが１．１ｎｍ未満である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＩｎＰエミッタ／ＧａＡｓＳｂベース／ＩｎＰコレクタ構造を持つ従来型ＨＢＴのエミッタ−ベース接合に適度な順方向バイアスを印加した場合のエネルギーバンドを示すグラフである。
【図２】図１に示したＩｎＰエミッタ／ＧａＡｓＳｂベース／ＩｎＰコレクタ構造を持つＨＢＴのエミッタ−ベース接合に強い順方向バイアスを印加した場合のエネルギーバンドを示すグラフである。
【図３】本発明に基づいて製作したＨＢＴの断面図である。
【図４】図３に示したＨＢＴのエネルギーバンドを示すグラフである。
【図５】ＩｎＰ量子井戸のサブバンドエネルギーを示すグラフである。
【図６】図３に示したＨＢＴの他の実施形態の断面図である。
【図７】図６に示したＨＢＴのエネルギーバンドを示すグラフである。
【符号の説明】
１００  ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）
１０４  コレクタ
１０８  ベース
１１０  中間層
１１４  エミッタ
１１６  エミッタのＡｌＩｎＡｓ層
【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】
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【図６】
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【図７】
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