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JP2600969B2 - Germanium-gallium arsenide junction and heterostructure bipolar transistor - Google Patents

Germanium-gallium arsenide junction and heterostructure bipolar transistor

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JP2600969B2
JP2600969B2 JP2106953A JP10695390A JP2600969B2 JP 2600969 B2 JP2600969 B2 JP 2600969B2 JP 2106953 A JP2106953 A JP 2106953A JP 10695390 A JP10695390 A JP 10695390A JP 2600969 B2 JP2600969 B2 JP 2600969B2
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germanium
gallium arsenide
gallium
layer
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雅史 川中
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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はゲルマニウム・砒化ガリウム接合とこれを用
いたヘテロ構造バイポーラ・トランジスタ(以下HBTと
略称する)のベース層の構造に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a germanium-gallium arsenide junction and the structure of a base layer of a heterostructure bipolar transistor (hereinafter abbreviated as HBT) using the same.

(従来の技術) ゲルマニウム・砒化ガリウム接合は、ヘテロ構造バイ
ポーラ・トランジスタなどとして超高速トランジスタに
応用できる。この実現のためには、ゲルマニウム・砒化
ガリウム接合を、再現性、制御性良く作製できる技術が
極めて重要になる。
(Prior Art) A germanium-gallium arsenide junction can be applied to an ultra-high-speed transistor as a heterostructure bipolar transistor or the like. In order to realize this, a technology that can produce a germanium-gallium arsenide junction with good reproducibility and controllability is extremely important.

アイイーイーイー・エレクトロン・デバイス・レター
ズ(IEEE Electron Device Letters)誌第59号3601頁か
ら述べられているように、シリコンをドーピングした砒
化ガリウムとガリウムをドーピングしたゲルマニウムと
かならるヘテロ接合は、成長温度が500℃以上では砒素
とゲルマニウムが相互拡散しnpnp特性を示し、500℃以
下ではnp特性を示す。
As stated in IEEE Electron Device Letters, Vol. 59, p. 3601, a heterojunction consisting of silicon-doped gallium arsenide and gallium-doped germanium has a high growth temperature. Above 500 ° C, arsenic and germanium interdiffuse and exhibit npnp characteristics, and below 500 ° C exhibit np characteristics.

また、第36回応用物理学関係連合講演会第3分冊1038
頁に延べられているように、n型砒化ガリウム(100)
基板上のn型砒化ガリウム成長層上に、基板温度500℃
でp型ゲルマニウムをMBE成長させ作製したpn接合は良
好なpn接合特性を示すのに対し、基板温度300℃でp型
ゲルマニウム成長させ作製したpn接合はリーク電流が多
い。しかし、基板温度500℃でゲルマニウムを成長させ
た場合、ゲルマニウム中にはガリウムが約400nm拡散し
ている。
Also, The 36th Joint Lecture on Applied Physics 3rd Volume 1038
As shown on the page, n-type gallium arsenide (100)
The substrate temperature is 500 ° C on the n-type gallium arsenide growth layer on the substrate.
The pn junction fabricated by MBE growth of p-type germanium shows good pn junction characteristics, whereas the pn junction fabricated by growth of p-type germanium at a substrate temperature of 300 ° C. has a large leak current. However, when germanium is grown at a substrate temperature of 500 ° C., gallium diffuses about 400 nm into germanium.

以上に述べたように、ガリウム原子の拡散を抑制し、
しかも電気的特性の良好なゲルマニウム膜を成長させる
ことが困難であった。
As described above, suppressing the diffusion of gallium atoms,
Moreover, it has been difficult to grow a germanium film having good electric characteristics.

また、特願昭63−304387号「ヘテロ構造バイポーラ・
トランジスタと分子線エピタキシャル成長法」に記載さ
れる如く、砒化ガリウムとゲルマニウムとの界面付近で
砒化ガリウムのガリウム拡散によりゲルマニウムがn型
にドープされ、自動的にベース層が形成されるが、ゲル
マニウム中にガリウムが約400nm拡散しているので、超
薄膜のベース層を形成するのが困難であった。
Also, Japanese Patent Application No. 63-304387, "Heterostructure bipolar
As described in `` Transistor and molecular beam epitaxial growth method '', germanium is doped to the n-type by gallium diffusion of gallium arsenide near the interface between gallium arsenide and germanium, and a base layer is automatically formed, but in germanium Gallium diffused about 400 nm, making it difficult to form an ultra-thin base layer.

(発明が解決しようとする課題) 以上述べたように、低温で成長させたゲルマニウム膜
はガリウム原子の拡散は少ないが、電気特性の良好な膜
ができない。一方、高温で成長させたゲルマニウム膜は
電気特性は良好であるが、ガリウム原子の拡散が大き
く、面密度で1.4×1014cm-2程度拡散してしまう。従っ
て、ゲルマニウム膜にガリウム原子を拡散させずに、薄
いp型ゲルマニウム膜、高純度のゲルマニウム膜あるい
は不純物補償のないn型ゲルマニウム膜を結晶性よく、
すなわち電気特性の良好な膜として成長させることが困
難であった。また、砒化ガリウムとゲルマニウムのヘテ
ロ接合を利用したHBTにおいては、砒化ガリウムとゲル
マニウムの界面で砒化ガリウム中のガリウムがゲルマニ
ウム中に約400nm程拡散するので超薄膜のベース層を形
成するのが困難であった。
(Problems to be Solved by the Invention) As described above, a germanium film grown at a low temperature has little diffusion of gallium atoms, but cannot have a film with good electric characteristics. On the other hand, a germanium film grown at a high temperature has good electric characteristics, but has a large diffusion of gallium atoms, and is diffused at a surface density of about 1.4 × 10 14 cm −2 . Therefore, without diffusing gallium atoms into the germanium film, a thin p-type germanium film, a high-purity germanium film, or an n-type germanium film without impurity compensation has good crystallinity,
That is, it has been difficult to grow a film having good electric characteristics. In addition, in an HBT using a heterojunction of gallium arsenide and germanium, it is difficult to form an ultrathin base layer because gallium in gallium arsenide diffuses into germanium by about 400 nm at the interface between gallium arsenide and germanium. there were.

本発明の目的は、これら従来のゲルマニウム・砒化ガ
リウム接合の持つ欠点を除去し、薄いp型ゲルマニウム
膜、高純度のゲルマニウム膜あるいは不純物補償の少な
いn型ゲルマニウム膜を結晶性よく作製できる新規な方
法を提供することにある。また、これら従来の砒化ガリ
ウムとゲルマニウムのヘテロ接合からなるバイポーラ・
トランジスタの持つ欠点を除去し、超薄膜ベース層を有
する新規な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。
An object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the conventional germanium-gallium arsenide junction and to provide a novel method for producing a thin p-type germanium film, a high-purity germanium film, or an n-type germanium film with little impurity compensation with good crystallinity. Is to provide. In addition, these conventional bipolar junctions comprising a heterojunction of gallium arsenide and germanium.
It is an object of the present invention to eliminate the drawbacks of the transistor and to provide a novel heterojunction bipolar transistor having an ultra-thin base layer.

(課題を解決するための手段) 本発明によれば、砒化ガリウムとゲルマニウムのヘテ
ロ接合において、ゲルマニウム、ガリウム、砒素原子よ
り大きい原子の層をゲルマニウム・砒化ガリウム接合の
間に挿入したことを特徴とするゲルマニウム・砒化ガリ
ウム接合が得られる。
(Means for Solving the Problems) According to the present invention, in a heterojunction of gallium arsenide and germanium, a layer of atoms larger than germanium, gallium, and arsenic atoms is inserted between the germanium-gallium arsenide junction. Germanium-gallium arsenide junction is obtained.

また、本発明によれば、砒化ガリウムのエミッタ層と
ゲルマニウムのベース層、コレクタ層を設けたヘテロ構
造バイポーラ・トランジスタにおいて、前記ゲルマニウ
ムのベース層と前記n型砒化ガリウムのエミッタ層の間
に、ゲルマニウム、ガリウム、砒素原子より大きい原子
の層を挿入したことを特徴とするnpn型ヘテロ構造バイ
ポーラ・トランジスタが得られる。
Further, according to the present invention, in a heterostructure bipolar transistor provided with a gallium arsenide emitter layer, a germanium base layer, and a collector layer, germanium is disposed between the germanium base layer and the n-type gallium arsenide emitter layer. , An npn-type heterostructure bipolar transistor characterized by inserting a layer of atoms larger than gallium and arsenic atoms.

(作用) GaASのp型ドーパントであるベリリウムを5×1019cm
-3以上の高濃度にドープした場合に、ベリリウムの著し
い拡散が生じることが知られている。このとき、原子半
径の大きなインジウムをベリリウムと同時にドーピング
すると、ベリリウムの異常拡散が抑制できることが、第
50回応用物理学関係連合講演会第1分冊267頁に述べら
れている。つまり、ベリリウムの高濃度ドーピングによ
り生じた引っ張り応力による歪みを、インジウムの添加
により圧縮応力による歪みで補償していると考えられ
る。
(Action) 5 × 10 19 cm of beryllium which is a p-type dopant of GaAS
It is known that when doped at a high concentration of -3 or more, significant diffusion of beryllium occurs. At this time, if indium having a large atomic radius is doped at the same time as beryllium, it is found that abnormal diffusion of beryllium can be suppressed.
It is described in the 50th Joint Lecture on Applied Physics, Volume 1, page 267. That is, it is considered that the strain caused by the tensile stress caused by the high-concentration doping of beryllium is compensated for by the strain caused by the compressive stress by adding indium.

また、ゲルマニウムの格子定数は5.646Å、砒化ガリ
ウムの格子定数は5.653Åであるので砒化ガリウム層上
のゲルマニウム膜は引っ張り応力による歪みが加わって
おり、ドーパントが拡散しやすい状態になっている。ま
た、ゲルマニウム中に原子半径の小さいガリウムが入り
込むと、引っ張り応力による歪みが生じ、さらにガリウ
ムの拡散が促進される。
Further, since the lattice constant of germanium is 5.646 ° and the lattice constant of gallium arsenide is 5.653 °, the germanium film on the gallium arsenide layer is strained by tensile stress, so that the dopant is easily diffused. Further, when gallium having a small atomic radius enters germanium, a strain is generated due to a tensile stress, and the diffusion of gallium is further promoted.

以上の事実から、砒化ガリウム基板の砒化ガリウム層
の上に、ゲルマニウム膜を成長させる場合、ゲルマニウ
ム、ガリウム、砒素原子より大きな原子、たとえばイン
ジウムなどの層をゲルマニウム層成長前に成長させる
と、ゲルマニウム膜の歪みが緩和され、ゲルマニウム膜
中へガリウム原子拡散が抑制できる。
From the above facts, when a germanium film is grown on a gallium arsenide layer of a gallium arsenide substrate, if a layer of germanium, gallium, or an atom larger than arsenic atoms, such as indium, is grown before the germanium layer is grown, a germanium film is formed. Is reduced, and the diffusion of gallium atoms into the germanium film can be suppressed.

(実施例) 第1図は請求項1記載のゲルマニウム・砒化ガリウム
pn接合の一実施例を説明するための断面図である。
(Embodiment) FIG. 1 shows germanium / gallium arsenide according to claim 1.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining one embodiment of a pn junction.

n型砒化ガリウム基板1の上にn型砒化ガリウムエピ
タキシャル層2を成長させる。成長はIII−V族系成長
室とIV族系成長室を有し、両者の間で基板を高真空中で
移動できる分子線エピタキシャル成長装置を用いた。そ
の後、ガリウム、ゲルマニウム、砒素より大きな原子、
たとえばインジウムの一原子層3を、n型砒化ガリウム
エピチタキシャル層2の上に成長させる。成長は基板へ
のインジウムの照射時間で制御した。つまりインジウム
一原子層分が照射される時間(実際には数秒間)だけイ
ンジウムの分子線源のシャッターを開けた。その後、砒
素雰囲気のない真空中に砒化ガリウム基板1を移動し、
引き続いてガリウムをドーピングしながらゲルマニウム
層4を1μm程度成長させる。成長の際の基板温度は50
0℃とした。最後に基板を大気中に出し、パターニン
グ、エッチングにより、電極5を形成する。以上によ
り、ガリウム原子の拡散を抑えたゲルマニウム・砒化ガ
リウム接合が作製できる。これとは逆にp型砒化ガリウ
ム上にインジウムを一原子層分形成し、その上にリン又
は砒素をドープしたn型ゲルマニウムを1μm成長する
と、ゲルマニウムへのガリウムの拡散が迎えられ不純物
補償が少なくなる。従って、高濃度のn型ゲルマニウム
を成長できる。
An n-type gallium arsenide epitaxial layer 2 is grown on an n-type gallium arsenide substrate 1. For the growth, a molecular beam epitaxial growth apparatus having a group III-V growth chamber and a group IV growth chamber and capable of moving the substrate in a high vacuum between the two was used. Then gallium, germanium, atoms larger than arsenic,
For example, a monoatomic layer 3 of indium is grown on the n-type gallium arsenide epitaxial layer 2. The growth was controlled by the irradiation time of indium to the substrate. In other words, the shutter of the molecular beam source of indium was opened only for the time for irradiating one atomic layer of indium (actually, several seconds). Thereafter, the gallium arsenide substrate 1 is moved into a vacuum without an arsenic atmosphere,
Subsequently, the germanium layer 4 is grown to about 1 μm while doping with gallium. Substrate temperature during growth is 50
The temperature was set to 0 ° C. Finally, the substrate is taken out into the atmosphere, and an electrode 5 is formed by patterning and etching. Thus, a germanium / gallium arsenide junction in which diffusion of gallium atoms is suppressed can be manufactured. Conversely, when indium is formed for one atomic layer on p-type gallium arsenide and n-type germanium doped with phosphorus or arsenic is grown thereon to a thickness of 1 μm, diffusion of gallium into germanium is received and impurity compensation is reduced. Become. Therefore, a high concentration of n-type germanium can be grown.

第2図は請求項2記載のヘテロ接合バイポーラトラン
ジスタの一実施例を示すための断面図である。
FIG. 2 is a sectional view showing an embodiment of the heterojunction bipolar transistor according to the second aspect.

半絶縁性砒化ガリウム基板6上にシリコンを不純物と
してドープされた不純物濃度5×1018cm-3の高濃度n型
砒化ガリウムのエピタキシャル膜7、同じくシリコンを
不純物としてドープされた不純物濃度1×1017cm-3のn
型砒化ガリウムエピタキシャル膜8、インジウム一原子
層9、不純物をドープしない高純度ゲルマニウム膜10、
アンチモンを不純物としてドープされた不純物濃度5×
1016cm-3のn型ゲルマニウム膜11、砒素を不純物として
ドープされた不純物濃度1×1020cm-3の高濃度n型ゲル
マニウムエピタキシャル膜12が設けられている。膜成長
時の基板温度は500℃とした。前記砒化ガリウム8とゲ
ルムニウム10の界面では砒化ガリウム8からゲルマニウ
ム10中へガリウムが拡散するが、界面にインジウム9が
存在するので、ガリウムの拡散が減少し、高濃度p型の
超薄膜ベース層が形成されている。本実施例ではベース
層の厚さを1000Åにすることができた。
Semi-insulating gallium arsenide substrate 6 impurity concentration 5 × 10 which silicon is doped as an impurity on the 18 cm high concentration n-type gallium arsenide epitaxial film 7 -3, similarly doped impurity concentration 1 × 10 silicon as an impurity 17 cm -3 n
Gallium arsenide epitaxial film 8, indium monoatomic layer 9, high-purity germanium film 10 not doped with impurities,
Impurity concentration 5 × doped with antimony as impurity
An n-type germanium film 11 of 10 16 cm -3 and a high concentration n-type germanium epitaxial film 12 doped with arsenic and having an impurity concentration of 1 × 10 20 cm -3 are provided. The substrate temperature during film growth was 500 ° C. At the interface between the gallium arsenide 8 and the germanium 10, gallium diffuses from the gallium arsenide 8 into the germanium 10. However, since indium 9 exists at the interface, the diffusion of gallium is reduced, and a high-concentration p-type ultrathin base layer is formed. Is formed. In this example, the thickness of the base layer could be made 1000 mm.

前記n型ゲルマニウム11の両横にはボロンをイオン注
入することにより形成された高濃度p型ゲルマニウムの
領域13と、そのゲルマニウム13の領域下には同じくボロ
ンをイオン注入することにより形成された高抵抗砒化ガ
リウムの領域14がそれぞれ設けられている。さらに前記
高濃度n型砒化ガリウム7、高濃度p型ゲルマニウム1
3、高濃度n型ゲルマニウム12の上にはそれぞれエミッ
タ電極15、ベース電極16、コレクタ電極17が設けられて
いる。上記においてn型砒化ガリウム8はエミッタ層、
高濃度p型ゲルマニウム10はベース層、n型ゲルマニウ
ム11はコレクタ層として働く。
A high-concentration p-type germanium region 13 formed by ion implantation of boron on both sides of the n-type germanium 11 and a high concentration region formed by ion implantation of boron under the region of the germanium 13. A resistive gallium arsenide region 14 is provided for each. Further, the high-concentration n-type gallium arsenide 7 and the high-concentration p-type germanium 1
3. An emitter electrode 15, a base electrode 16, and a collector electrode 17 are provided on the high-concentration n-type germanium 12, respectively. In the above, the n-type gallium arsenide 8 is an emitter layer,
The high-concentration p-type germanium 10 functions as a base layer, and the n-type germanium 11 functions as a collector layer.

(発明の効果) 本発明の構造をもつゲルマニウム・砒化ガリウム接合
は、以下のことが期待できる。
(Effect of the Invention) The following can be expected from the germanium-gallium arsenide junction having the structure of the present invention.

(1)ゲルマニウム、ガリウム、砒素より大きい原子の
層をゲルマニウム・砒化ガリウム接合の間に挿入するこ
とにより、ガリウム原子がゲルマニウム格子間に入るこ
とにより生じる引っ張り応力による歪みを圧縮応力によ
る歪みで緩和することができ、ゲルマニウム膜中でのガ
リウムの拡散を抑制することが可能となる。
(1) By inserting a layer of atoms larger than germanium, gallium, and arsenic between the germanium-gallium arsenide junctions, strain caused by tensile stress caused by gallium atoms entering between germanium lattices is reduced by strain caused by compressive stress. It is possible to suppress the diffusion of gallium in the germanium film.

(2)ゲルマニウムの格子定数は5.646Å、砒化ガリウ
ムの格子定数は5.653Åであるので砒化ガリウム層上の
ゲルマニウム膜は引っ張り応力による歪みが加わってお
り、ドーパントが拡散しやすい状態になっている。ガリ
ウム、砒素、ゲルマニウムより大きい原子を添加するこ
とにより、圧縮応力による歪みが加わるため、引っ張り
応力による歪みを緩和することができ、ガリウムの拡散
を抑制することができる。
(2) Since the lattice constant of germanium is 5.646 ° and the lattice constant of gallium arsenide is 5.653 °, the germanium film on the gallium arsenide layer is strained by tensile stress, so that the dopant is easily diffused. By adding an atom larger than gallium, arsenic, or germanium, strain due to compressive stress is applied, so that strain due to tensile stress can be reduced, and diffusion of gallium can be suppressed.

また、本発明の構造をもつゲルマニウム・砒化ガリウ
ム接合を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタは、
以下のことが期待できる。
In addition, a heterojunction bipolar transistor using a germanium-gallium arsenide junction having the structure of the present invention,
The following can be expected.

(3)ベース層は砒化ガリウムとゲルマニウム界面で生
ずる砒化ガリウムからゲルマニウム中へのガリウムの拡
散層で自動的に形成されるが、界面にインジウム層を挿
入することにより、ガリウムの拡散を減少させ、HBTの
超高速動作に必要な超薄膜高濃度p型ベース層が実現で
きる。また、ゲルマニウム中でガリウムの濃度はエミッ
タ側からコレクタ側に向かって急激に減少するので、大
きな電界のかかったドリフト・ベース構造が実現でき、
前記HBTの超高速動作が可能になる。
(3) The base layer is automatically formed with a diffusion layer of gallium from gallium arsenide into germanium generated at the interface between gallium arsenide and germanium. By inserting an indium layer at the interface, the diffusion of gallium is reduced. An ultra-thin high-concentration p-type base layer required for ultra-high-speed operation of the HBT can be realized. Also, since the concentration of gallium in germanium decreases rapidly from the emitter side to the collector side, a drift-base structure with a large electric field can be realized.
Ultra-high speed operation of the HBT becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は請求項1の発明のゲルマニウム・砒化ガリウム
接合の一実施例を示す断面図を、第2図は請求項2の発
明のヘテロ接合バイポーラ・トランジスタの一実施例を
示す断面図を示す。 1……砒化ガリウム基板、2……砒化ガリウムエピタキ
シャル成長層、3……ガリウム、ゲルマニウム、砒素原
子より大きい原子の層、4……ゲルマニウム層、5……
電極、6……半絶縁性砒化ガリウム基板、7……高濃度
n型砒化ガリウム層、8……n型砒化ガリウム層、9…
…インジウム一原子層、10……高濃度p型ゲルマニウム
層、11……n型ゲルマニウム層、12……高濃度n型ゲル
マニウム層、13……高濃度p型ゲルマニウムの領域、14
……高抵抗砒化ガリウムの領域、15……エミッタ電極、
16……ベース電極、17……コレクタ電極。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing one embodiment of the germanium-gallium arsenide junction of the first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing one embodiment of the heterojunction bipolar transistor of the second embodiment. . 1 ... Gallium arsenide substrate, 2 ... Gallium arsenide epitaxial growth layer, 3 ... Gallium, germanium, layer of atoms larger than arsenic atom, 4 ... Germanium layer, 5 ...
Electrodes, 6 ... Semi-insulating gallium arsenide substrate, 7 ... High concentration n-type gallium arsenide layer, 8 ... N-type gallium arsenide layer, 9 ...
... monoatomic layer of indium, 10 ... high-concentration p-type germanium layer, 11 ... n-type germanium layer, 12 ... high-concentration n-type germanium layer, 13 ... high-concentration p-type germanium region, 14
…… High resistance gallium arsenide region, 15 …… Emitter electrode,
16: Base electrode, 17: Collector electrode.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】砒化ガリウムとゲルマニウムのヘテロ接合
において、ゲルマニウム、ガリウム、砒素原子より大き
い原子の層をゲルマニウム・砒化ガリウム接合の間に挿
入したことを特徴とするゲルマニウム・砒化ガリウム接
合。
1. A germanium-gallium arsenide junction comprising a heterojunction of gallium arsenide and germanium, wherein a layer of an atom larger than germanium, gallium, and arsenic atoms is inserted between the germanium-gallium arsenide junction.
【請求項2】n型砒化ガリウムのエミッタ層とゲルマニ
ウムのベース層、コレクタ層を設けたヘテロ構造バイポ
ーラ・トランジスタにおいて、前記ゲルマニウムのベー
ス層と前記n型砒化ガリウムのエミッタ層の間に、ゲル
マニウム、ガリウム、砒素原子より大きい原子の層を挿
入したことを特徴とするnpn型ヘテロ構造バイポーラ・
トランジスタ。
2. A hetero-structure bipolar transistor having an n-type gallium arsenide emitter layer, a germanium base layer, and a collector layer, wherein germanium is provided between the germanium base layer and the n-type gallium arsenide emitter layer. An npn-type heterostructure bipolar transistor characterized by inserting a layer of atoms larger than gallium and arsenic atoms.
Transistor.
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