以下、実施の形態に係るHBTについて、図面� ��参照しながら具体的に説明する。なお、同� ��要素には同一符号を用いることとし、重複� ��る説明は省略する。
(第1実施形態)

 図1は、実施の形態に係るHBT1の構造を示� �図である。

 HBT1は、サブコレクタ層1C’に接合したコ� ��クタ層1C、コレクタ層1Cに接合したベース層 1B、ベース層1Bに接合したエミッタ層1Eを備え ている。エミッタ層1Eには、バラスト抵抗層1 Rが接合されており、バラスト抵抗層1Rにはグ レーデッド層1Gが接合しており、グレーデッ� ��層1Gにはコンタクト層1Tが接合している。な お、コンタクト層1T、グレーデッド層1G、バ� �スト抵抗層1R、エミッタ層1E、ベース層1B、� �レクタ層1C及びサブコレクタ層1C’は、それ� ��れ半導体層からなり、本例ではIII-V族系の� �合物半導体層からなる。

 このHBT1は、サブコレクタ層1C’に、コレ� ��タ層1C、ベース層1B、エミッタ層1E、温度上� ��に伴ってX谷及びL谷に励起する電子数が増� �するバラスト抵抗層1R、組成の変化するグレ ーデッド層1G及びコンタクト層1Tを順次積層� �てなる。

 コンタクト層1Tにはエミッタ電極EEが設け られており、これらは電気的に接触している 。ベース層1Bにはベース電極BEが設けられて� �り、これらは電気的に接触している。サブ� �レクタ層1C’にはコレクタ電極CEが設けられ� ��おり、これらも電気的に接触している。

 エミッタ電極EEとベース電極BEとの間には 、電源V1が接続され、ベース電極BEとコレク� �電極CEとの間には電源V2が接続されている。� ��ミッタ/ベース間電圧を与える電源V1の電圧� ��応じて、HBT1を流れる電流が決定される。半 導体層の厚み方向に平行な方向(主表面に垂� �な方向)をz軸方向とし、コンタクト層1Tの露� ��表面の位置を原点とし、この原点から半導� ��層内部に向かう方向をz軸の正方向とする。 グレーデッド層1Gのコンタクト層1Tとの界面� �位置をz1とし、グレーデッド層1Gのバラスト� ��抗1Rとの界面の位置をz2とし、グレーデッド 層1G内のz方向中点位置z3=(z1+z2)/2とする。バラ スト抵抗層1Rとエミッタ層1Eとの界面の位置� �z4、エミッタ1Eとベース1Bの界面の位置をz5と する(z1<z3<z2<z4<z5)。

 npn型のバイポーラトランジスタの場合、� ��ンタクト層1T、グレーデッド層1G、バラスト 抵抗層1R、エミッタ層1E、ベース層1B、コレク タ層1C、サブコレクタ層1C’の導電型、材料� �厚み及び不純物濃度は以下の通りである。

・コンタクト層1T:
導電型:n型
材料:GaAs
厚みT _1T :100nm
n型不純物濃度C _1T :5×10 ¹⁸ cm ^-3

・グレーデッド層1G:
導電型:n型
材料:Al _S Ga _1-S As
厚みT _1G :20nm
n型不純物濃度C _1G :5×10 ¹⁶ cm ^-3 (z1≦z≦z3)
n型不純物濃度C _1G :1.87×10 ¹⁸ cm ^-3 (z3≦z≦z2)

・バラスト抵抗層1R:
導電型:n型
材料:Al _Y Ga _1-Y As
厚みT _1R :200nm
n型不純物濃度C _1R :5×10 ¹⁶ cm ^-3

・エミッタ層1E:
導電型:n型
材料:Al _X Ga _1-X As
厚みT _1E :50nm
n型不純物濃度C _1E :5×10 ¹⁷ cm ^-3

・ベース層1B:
導電型:p型
材料:GaAs
厚みT _1B :80nm
p型不純物濃度C _1B :2×10 ¹⁹ cm ^-3

・コレクタ層1C:
導電型:n型
材料:GaAs
厚みT _1C :700nm
n型不純物濃度C _1C :2×10 ¹⁶ cm ^-3

・サブコレクタ層1C’:
導電型:n型
材料:GaAs
厚みT _1C’ :500nm
n型不純物濃度C _1C’ :5×10 ¹⁸ cm ^-3

 本例におけるグレーデッド層1Gに含まれるAl の組成比S、バラスト抵抗層1Rに含まれるAlの� ��成比Y、エミッタ層1Eに含まれるAlの組成比X� ��、以下の通りである。
・グレーデッド層中のAl組成比S=0~0.35
・バラスト抵抗層中のAl組成比Y=0.35
・エミッタ層中のAl組成比X=0.3

 なお、HBTとして好適に動作する数値範囲の� ��例は以下の通りである。また、本発明は実� ��例に限定されるものではない。
・50nm≦T _1T ≦200nm
・1×10 ¹⁸ cm ^-3 ≦C _1T ≦6×10 ¹⁸ cm ^-3
・10nm≦T _1G ≦100nm
・1×10 ¹⁶ cm ^-3 ≦C _1G ≦3×10 ¹⁸ cm ^-3
・100nm≦T _1R ≦300nm
・1×10 ¹⁶ cm ^-3 ≦C _1R ≦1×10 ¹⁸ cm ^-3
・20nm≦T _1E ≦200nm
・1×10 ¹⁶ cm ^-3 ≦C _1E ≦1×10 ¹⁸ cm ^-3
・50nm≦T _1B ≦200nm
・1×10 ¹⁹ cm ^-3 ≦C _1B ≦5×10 ¹⁹ cm ^-3
・200nm≦T _1C ≦1000nm
・5×10 ¹⁵ cm ^-3 ≦C _1C ≦5×10 ¹⁷ cm ^-3
・50nm≦T _1C’ ≦1000nm
・1×10 ¹⁸ cm ^-3 ≦C _1C’ ≦6×10 ¹⁸ cm ^-3
・0<Y≦0.45
・0.1≦X≦0.4

 バラスト抵抗層1Rの材料としてAl _Y Ga _1-Y Asを採用する場合、好適には層内のAl組成比Y� ��一定としておく。温度が上昇することによ� ��、バラスト抵抗層1R内の電子がγ谷から、よ り電子移動度が低いX谷とL谷に励起し、抵抗� ��大きくなって熱暴走を抑止する効果が得ら� ��るように、Alの組成比Yは、0より大きく0.45� �下であることが好ましい。

 以下では、グレーデッド層1Gとバラスト層1R とエミッタ層1Eの電子に対する抵抗を計算す� ��ため、ベース層1Bを厚み100nm、不純物濃度5× 10 ¹⁸ cm ^-3 のn型GaAsで置換し、コンタクト層1Tから置換� �れた1B層までを抜き出した素子HBT1’のシミ� �レーションを実施した。

 図2は、上記実施形態に係るHBT1’における� �ミッタ層近傍の半導体層の構造(a)、各半導� �層中のAl組成比の深さ方向依存性を示すグラ フ(b)、各半導体層中の不純物濃度C _ION cm ^-3 の深さ方向依存性を示すグラフ(c)、γ谷にお� ��る伝導帯の下端のエネルギー準位Ecの深さ� �向依存性を示すグラフ(d)を示している。な� �、図2(d)は、HBT1’にバイアス電圧を与えない 場合のエネルギー準位Ecをシミュレーション� ��計算した結果を示している。

 図2(b)に示すように、グレーデッド層1G内に� ��いては、Al組成比Sの深さzによる2回微分値(d ² S/dz ² )はz1~z3では正であり、z3~z2では負である。ま� ��、図2(c)に示すように、グレーデッド層1G内� ��n型不純物濃度C _ION は、深さz3~z2においてはバラスト抵抗1R内の� �純物濃度よりもよりも高濃度であり、深さz1 ~z3の間においては、深さz3~z2における不純物� ��度よりも低濃度である。

 実施形態に係るグレーデッド層1Gとバラス� �抵抗1Rとの間の界面近傍のエネルギー準位Ec� ��、スムーズに連続している。これは、当該� ��面近傍におけるn型不純物濃度C _ION を増加させたため、イオン化したドナー(正� �電荷を有する)が界面近傍に存在しているた� ��である。すなわち、ドナーのイオンは、こ� ��界面近傍においてポテンシャルの負方向に� ��出したスパイク状のポテンシャル障壁φ _BARRIER (図5(d)参照)を相殺している。なお、ポテンシ ャルの正負の向きは、エネルギー準位の正負 の向きとは逆である。

 図3は、z軸方向に沿ったn型不純物濃度C _ION の分布を示すグラフ(a)と、z軸方向に沿った� �子濃度C _ELECTRON の分布を示すグラフ(b)を示す。

 深さzが、z3≦z≦z2の範囲においてはイオン� ��したn型不純物濃度C _ION =N _D ⁺ であり、また、深さzが、z1≦z<z3の範囲に� �いては電子濃度C _ELECTRON =N _D ⁺ であることとする。z3≦z≦z2の範囲において� ��イオン化した不純物の存在により、図5(d)に 示されるエネルギー準位Ecのスパイクは下方� ��修正され、使用時のHBTの抵抗が低減される� ��

 図4は、上述のグレーデッド層1G内におけ� ��組成比Sのz軸方向の分布を示すグラフであ� �。

 グレーデッド層内の組成比Sは、近似的に以 下の式で表される。
z1≦z≦z3:S=A(z-z1) ²
z3≦z≦z2:S=-A(z-z2) ² +B
z1=100nm
z2=120nm
z3=110nm
A=0.00175
B=0.35

 組成比Sはzの関数であり、この関数はz-S平� �内においてz1≦z≦z3の範囲では下に凸の放物 線を描き、z3≦z≦z2の範囲では上に凸の放物� ��を描いて単調に増加している。なお、組成� ��Sはz2≦z≦z4の領域ではS=S _1R を満たしており、本例ではS _1R =0.35に設定されている。

 なお、組成比Sの関数としては、以下のもの も考えられる。
1)S=0.175[1-cos{π(z-z1)/(z2-z1)}]
2)z1≦z≦z3:S=A(z-z1) ² /(z2-z1)(z3-z1)

 z3≦z≦z2:S=A{1-(z-z2) ² /(z2-z1)(z2-z3)}

 z1=100nm

 z2=120nm

 100nm<z3<120nm

 A=0.35

 この場合は、n型不純物濃度を、少なくとも z3≦z≦z2の領域において、2εδχ/q ² (z2-z1)(z2-z3)以上とする。但し、εはグレーデ� �ド層における平均誘電率、δχはχ1-χ2の絶対 値、χ1、χ2は、z座標の値がz1、z2である点に� ��ける電子親和力、qは電気素量である。

 上述の第1実施形態のHBT1’は、Al組成Sが0か� ��0.35に放物線形で変化するAlGaAsグレーデッド 層(n型不純物濃度は、Al組成S=0側の10nmは5×10 ¹⁶ cm ^-3 、Al組成S=0.35側の10nmは4εδχ/(qd) ² +5×10 ¹⁶ =1.87×10 ¹⁸ cm ^-3 、全層厚20nm)と、Al組成が0.35であるAlGaAsバラ� ��ト層(n型不純物濃度5×10 ¹⁶ cm ^-3 、層厚200nm)と、Al組成が0.3であるAlGaAsエミッ� ��層(n型不純物濃度5×10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚50nm)を積層しており、これらの両端を� ��n型不純物濃度5×10 ¹⁸ cm ^-3 、層厚100nmのGaAsコンタクト層1T及び置換GaAsベ ース層1Bで挟んでいる。

 図2(d)は、電圧0V時の伝導バンド底形状を半� ��体デバイスシミュレーションによって計算� ��た結果を示しており、グレーデッド層1Gと� �ラスト層1Rの界面付近にスパイク状のポテン シャル障壁は存在しない。
(比較例1)

 図5は、比較例1に係るHBT(但し、第一実施形� ��同様、グレーデッド層1Gとバラスト層1Rとエ ミッタ層1Eの電子に対する抵抗を計算するた� ��、ベース層1Bを厚み100nm、不純物濃度5×10 ¹⁸ cm ^-3 のn型GaAsで置換し、コンタクト層1Tから置換� �れた1B層までを抜き出した素子)におけるエ� �ッタ近傍の半導体層の構造(a)、各半導体層� �のAl組成比の深さ方向依存性を示すグラフ(b) 、各半導体層中のn型不純物濃度C _ION cm ^-3 の深さ方向依存性を示すグラフ(c)、γ谷にお� ��る伝導帯の下端のエネルギー準位Ecの深さ� �向依存性を示すグラフ(d)を示している。な� �、図5(d)は、HBTにバイアス電圧を与えない場� ��のエネルギー準位Ecをシミュレーションで� �算した結果を示している。

 図5(b)に示すように、グレーデッド層1G内に� ��いては、Al組成比Sは深さzに比例しており、 図5(c)に示すように、グレーデッド層1G内のn� �不純物濃度C _ION は一定である。グレーデッド層1G内のn型不純 物濃度は5×10 ¹⁷ cm ^-3 である。その他の構造は、第1実施形態のHBT� �同一である。

 比較例1に係るHBTにおいては、グレーデッド 層1Gとバラスト抵抗1Rの界面において、伝導� �下端のエネルギー準位Ecにスパイク状のポテ ンシャル障壁φ _BARRIER が生じている。

 このスパイク状のポテンシャル障壁φ _BARRIER は、HBTのエミッタ抵抗を増大させ、高周波特 性を悪化させる。

 スパイク状ポテンシャル障壁φ _BARRIER が生じる原因は、バラスト抵抗1R(Al組成比Y=0. 35)と、グレーデッド層1G(Al組成比S=k×z+m:k,mは� ��数)との間の電子親和力χの差である。

 電子親和力χは、真空レベルと伝導帯下� �のエネルギー差であり、一般にエネルギー� �ンドギャップが小さいほど大きくなる。ヘ� �ロ構造を構成する2つの半導体の真空レベル� ��同一エネルギーであると仮定し、各半導体� ��電子親和力とバンドギャップから2つ半導体 のエネルギーバンドギャップの関係が決定さ れる。

 小さな電子親和力χ _1R を有するバラスト抵抗1Rから、大きな電子親� ��力χ _1G を有するグレーデッド層1Gに電子が流入する� ��とにより、バラスト抵抗1Rにおいて、グレ� �デッド層1Gに近づくに従って、電子濃度が低 くなる。すなわち、電子擬フェルミレベルと 伝導帯下端のエネルギー準位Ecとのエネルギ� ��差が大きくなるが、電流が流れていない状� ��では電子擬フェルミレベルは一定であるた� ��、グレーデッド層1Gに近づくに従って伝導� �下端のエネルギー準位Ecが上昇することにな る(図5(d)参照)。

 比較例1に係るHBTでは、Al組成が0から0.35に� �線的に変化するグレーデッド層1G(n型不純物� ��度5×10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚20nm)と、Al組成が0.35であるAlGaAsバラス� ��層1R(n型不純物濃度5×10 ¹⁶ cm ^-3 、層厚200nm)と、Al組成が0.3であるAlGaAsエミッ� ��層(n型不純物濃度5×10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚50nm)を積層している。これらの層は、n 型不純物濃度5×10 ¹⁸ cm ^-3 、層厚100nmのGaAsコンタクト層1T及び置換ベー� ��層1Bで挟まれている。図5(d)は、電圧0V時の� �導バンド底形状を半導体デバイスシミュレ� �ションによって計算した結果を示している� �グレーデッド層1Gとバラスト層1Rの界面付近� ��スパイク状のポテンシャル障壁φ _BARRIER が存在する。
(変形例2)

 図6は、変形例2に係るHBT(但し、第一実施形� ��同様、グレーデッド層1Gとバラスト層1Rとエ ミッタ層1Eの電子に対する抵抗を計算するた� ��、ベース層1Bを厚み100nm、不純物濃度5×10 ¹⁸ cm ^-3 のn型GaAsで置換し、コンタクト層1Tから置換� �れた1B層までを抜き出した素子)におけるエ� �ッタ近傍の半導体層の構造(a)、各半導体層� �のAl組成比の深さ方向依存性を示すグラフ(b) 、各半導体層中のn型不純物濃度C _ION cm ^-3 の深さ方向依存性を示すグラフ(c)、γ谷にお� ��る伝導帯の下端のエネルギー準位Ecの深さ� �向依存性を示すグラフ(d)を示している。な� �、図6(d)は、HBTにバイアス電圧を与えない場� ��のエネルギー準位Ecをシミュレーションで� �算した結果を示している。

 Al組成が0から0.35に直線的に変化するAlGaAsグ レーデッド層1G(n型不純物濃度は、Al組成S=0側 の10nmは5×10 ¹⁶ cm ^-3 、Al組成S=0.35側の10nmは4εδχ/(qd) ² +5×10 ¹⁶ =1.87×10 ¹⁸ cm ^-3 、全層厚20nm)と、Al組成が0.35であるAlGaAsバラ� ��ト層1R(n型不純物濃度5×10 ¹⁶ cm ^-3 、層厚200nm)と、Al組成が0.3であるAlGaAsエミッ� ��層1E(n型不純物濃度5×10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚50nm)が積層されている。

 これらの層は、n型不純物濃度5×10 ¹⁸ cm ^-3 、層厚100nmのGaAsからなるコンタクト層1T及び� ��換ベース層1Bで挟まれている。

 グレーデッド層とバラスト層の界面付近� ��スパイク状ポテンシャル障壁は存在しない� ��、第1実施形態の変調ドープ放物線形グレー デッド層構造の場合よりもポテンシャルの傾 斜が大きい部分が長く、抵抗値は大きい。こ の結果から、変調ドープと放物線形電子親和 力変化の組み合わせが重要であることが分か る。

 図7は、第1実施形態、比較例1、変形例2に係 るHBTにおける抵抗値Rの印加電圧VA依存性を示 すグラフである。印加電圧VAは、コンタクト� ��1Tのグレーデッド層1Gと逆側の端面1TCを基準 とした1TCと置換ベース層1Bのエミッタ層1Eと� �側の端面との間の電圧(0.1~0.5V)である。各層� ��素子断面積は1cm ² である。

 第1実施形態に係るHBTのデータE1が示す抵� ��値Rは、図5及び図6に示す直線的グレーデッ� ��層構造を有するHBTのデータC1、C2よりも小さ い。また、グレーデッド層1Gの界面近傍に変� ��ドープを有する第1実施形態のデータE1及び� ��6に示すHBTのデータC2が示す抵抗値は、比較� ��1のHBTのデータC1が示す抵抗値よりも小さい� ��

 図2に示した第1実施形態のHBT1においては、� ��レーデッド層1Gにおけるポテンシャル障壁φ _BARRIER の近傍領域、すなわち、電子親和力χが小さ� ��領域のn型不純物濃度は高く設定されており 、図5に示したスパイク状のポテンシャル障� �φ _BARRIER の電子に対する高さが低下している。第1実� �形態に係るHBT1では、イオン化したn型不純物 の正電荷によって、負電荷を有する電子は安 定化するため、スパイク状のポテンシャル障 壁φ _BARRIER の電子に対する高さは小さくなっている(図2( d)参照)。

 また、第1実施形態のHBT1においては、グレ� �デッド層1G内においてイオン化したn型不純� �の正電荷と、電子親和力χ _1R が小さいバラスト抵抗1Rからグレーデッド層1 G内に流れる電子とが形成するポテンシャル� �形状は、近似的に放物線形である。バラス� �抵抗1Rとグレーデッド層1Gとの界面において� ��ポテンシャルの変化率は連続であるため、� ��子親和力の変化率も連続である方が、ポテ� ��シャルによる電子親和力変化の打ち消し具� ��が良くなる。
(第2実施形態)

 図8は、第2実施形態に係るHBT2におけるエ� ��ッタ層近傍の半導体層の構造を示す。

 このHBT2では、n ⁺ 型のGaAsコンタクト層(キャップ層)1T(n型不純� �濃度5×10 ¹⁸ cm ^-3 、層厚100nm)、Al組成比が0から0.35に前記放物� �形で変化するグレーデッドAlGaAs層1G(n型不純� ��濃度は、Al組成比S=0側の10nmは5×10 ¹⁶ cm ^-3 、Al組成比S=0.35側の10nmは4εδχ/(qd) ² +5×10 ¹⁶ =1.87×10 ¹⁸ cm ^-3 、全層厚20nm)、Al組成比が0.35であるAlGaAsバラ� ��ト層1R(n型不純物濃度5×10 ¹⁶ cm ^-3 、層厚200nm)、Al組成比が0.3であるAlGaAs第1エミ ッタ層1E(n型不純物濃度5×10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚50nm)、InGaPからなる第2エミッタ層1E’(n 型不純物濃度5×10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚40nm、In組成比0.48)、p ⁺ 型のGaAsベース層1B(p型不純物濃度2×10 ¹⁹ cm ^-3 、層厚80nm)、GaAsコレクタ層1C(n型不純物濃度2� �10 ¹⁶ cm ^-3 、層厚700nm)、GaAsサブコレクタ層1C’(n型不純� ��濃度5×10 ¹⁸ cm ^-3 、層厚500nm)が積層されている。

 第2実施形態のHBT2では、第2エミッタ層1E’� �してInGaPを用いた点が第1実施形態のHBT1と異� ��り、その他の構造は同一である。エミッタ� ��積は2.4×20μm ² である。

 なお、比較のため、以下の比較例3及び比較 例4の構造のHBTについても検討を行った。
(比較例3)

 比較例3のHBTでは、n ⁺ 型のGaAsコンタクト層1T(n型不純物濃度5×10 ¹⁸ cm ^-3 、層厚100nm)、Al組成比が0から0.35に直線的に� �化するAlGaAsグレーデッド層1G(n型不純物濃度5 ×10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚20nm)、Al組成比が0.35であるAlGaAsバラス� ��層1R(n型不純物濃度5×10 ¹⁶ cm ^-3 、層厚200nm)、Al組成比が0.3であるAlGaAs第1エミ ッタ層1E(n型不純物濃度5×10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚50nm)、InGaP第2エミッタ層1E’(n型不純物 濃度5×10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚40nm、In組成比0.48)、p ⁺ 型のGaAsベース層1B(p型不純物濃度2×10 ¹⁹ cm ^-3 、層厚80nm)、GaAsコレクタ層1C(n型不純物濃度2� �10 ¹⁶ cm ^-3 、層厚700nm)、GaAsサブコレクタ層1C’(n型不純� ��濃度5×10 ¹⁸ cm ^-3 、層厚500nm)が積層されている。エミッタ面積 は2.4×20μm ² である。
(比較例4)

 比較例4のHBTでは、n ⁺ 型のGaAsコンタクト層1T(n型不純物濃度5×10 ¹⁸ cm ^-3 、層厚100nm)、GaAs層(n型不純物濃度5×10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚20nm)、GaAs層(n型不純物濃度5×10 ¹⁶ cm ^-3 、層厚200nm)、GaAs層(n型不純物濃度5×10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚50nm)、InGaPエミッタ層(n型不純物濃度5× 10 ¹⁷ cm ^-3 、層厚40nm、In組成比0.48)、p ⁺ 型のGaAsベース層(p型不純物濃度2×10 ¹⁹ cm ^-3 、層厚80nm)、GaAsコレクタ層(n型不純物濃度2×1 0 ¹⁶ cm ^-3 、層厚700nm)、GaAsサブコレクタ層(n型不純物濃 度5×10 ¹⁸ cm ^-3 、層厚500nm)が積層されている。エミッタ面積 は2.4×20μm ² である。

 第2実施形態、比較例3、比較例4のHBTにお� ��て、コレクタ・エミッタ間電圧5V時のベー� �・エミッタ間電圧Vbeとコレクタ電流Icの関係 を、発熱と熱流を考慮した半導体デバイスシ ミュレーションによって計算した。

 図9は、ベース・エミッタ間電圧Vbeとコレ クタ電流Icの関係を示すグラフである。

 第2実施形態(データE2)のHBTでは、バラス� �抵抗層により熱暴走は抑制されている。ま� �、第2実施形態(データE2)のHBTでは、直線形グ レーデッドバラスト層構造を有する比較例3(� ��ータC3)のHBTよりもコレクタ電流Icは大きく� �抵抗が小さいことが分かる。

 比較例3(データC3)のHBTでは、バラスト抵� �層により熱暴走は抑制されているが、第2実� ��形態(データE2)の変調ドープ放物線形グレー デッドバラスト構造と比較して、コレクタ電 流Icは小さく、抵抗が大きいことが分かる。

 比較例4(データC4)のHBTでは、電圧がV _START を越えると、AlGaAsバラスト層がないため、熱 暴走が生じている。

 次に、グレーデッド層1Gとバラスト抵抗� �1Rの界面近傍のポテンシャルについて、詳細 に説明する。

 深さz=z1における電子親和力をχ1、深さz=z 2における電子親和力をχ2とする(χ1>χ2)。� �レーデッド層1Gにおける深さz3~z2の領域を小� ��子親和力のバラスト抵抗側領域、深さz1~z3� �領域を大電子親和力のコンタクト層側領域� �する。図3に示したように、バラスト抵抗側� ��域(z3~z2)におけるn型不純物濃度は、コンタ� �ト層側領域(z1~z3)におけるn型不純物濃度より も大きく設定されている。

 z=z1の位置のポテンシャルφを基準ポテンシ� ��ル(φ=0)とする。z1≦z≦z3の範囲における静� �ポテンシャルφ _(z1~z3) 、z3≦z≦z2の範囲における静電ポテンシャル� � _(z3~z2) として、ポアソンの方程式(1)から式(2)、(3)が 導かれる。また、dφ/dzとφが連続であること� ��り、式(3-1)、(3-2)が導かれる。

 但し、各パラメータは以下の通りである。
・φ:静電ポテンシャル
・ρ:電荷密度
・ε:誘電率
・q:電気素量
・N _D ⁺ :イオン化したn型不純物の濃度(低エネルギー 側に流れた電子の濃度)
・C:定数
・C’:定数
・d:グレーデッド層の厚み

 なお、C’はグレーデッド層両端間のポテ ンシャル差であるから、qC’=δχとすること� �よって、電子親和力差を打ち消すことがで� �る。なお、δχ=χ1-χ2である。すなわち、式(3 -3)、式(3-4)が満たされればよい。

 式(3-1)~(3-4)を、式(2)及び(3)に代入すると� �式(4)及び式(5)が得られる。また、ポテンシ� �ルが電子に作用した時に生じるz=z1基準のエ� ��ルギー差δEは、-qφである。

 したがって、深さ範囲z1~z3におけるエネル� �ー差δE _(z1~z3) は式(6)を満たし、深さ範囲z3~z2におけるエネ� ��ギー差δE _(z3~z2) は式(7)を満たす。

 一方、深さ範囲z1~z3における電子親和力χ _(z1~z3) は式(8)を満たし、深さ範囲z3~z2における電子� ��和力χ _(z3~z2) は式(9)を満たすようにした場合、この電子親 和力変化に起因するz=z1基準の深さ範囲z1~z3に おけるエネルギー差δE’ _(z1~z3) は式(10)を満たし、深さ範囲z3~z2におけるエネ ルギー差δE’ _(z3~z2) は式(11)を満たす。

 このδE’はδEと打ち消し合う。すなわち� ��δE+δE’=0である。

 したがって、グレーデッド層1Gのコンタク� �層側領域(z1≦z≦z3の範囲)内のn型不純物濃度 C _1G(z1~z3) と、グレーデッド層1G内におけるバラスト抵� ��側領域(z3≦z≦z2の範囲)内のn型不純物濃度C _1G(z3~z2) は、N _D ’を適当な定数として、以下の式(12-1)~(12-4)� �ように設定される。

 グレーデッド層1G内のAl組成比Sを変化させ� �と、エネルギーバンドギャップ及び電子親� �力χが変化する。組成比Sの厚み方向zの関数� ��放物線とすると、電子親和力χの厚み方向z� ��関数も放物線となる。電子親和力χの関数� �上述の放物線形にすれば、電子親和力差に� �るグレーデッド層両端間のエネルギー差が� �電荷分布によって生じるエネルギー差によ� �て打ち消されるため、電子親和力差に起因� �るスパイク状ポテンシャル障壁φ _BARRIER の発生が抑制される。

 また、グレーデッド層1G全体のn型不純物濃� ��C _1G を4εδχ/(qd) ² 以上にした場合も、高エネルギー側から低エ ネルギー側に電子が流入し、低エネルギー側 においてn型不純物濃度のイオン化率が低下� �るため、類似の電荷分布が得られ、スパイ� �状ポテンシャル障壁の発生が抑制される。

 エミッタ電極EEとエミッタ1Eの間に挿入した バラスト抵抗1Rに、上述のグレーデッド層1G� �構造を適用すれば、スパイク状ポテンシャ� �障壁φ _BARRIER の発生が抑制され、高周波特性悪化の原因と なるエミッタ抵抗を低減することが可能とな る。

 バラスト抵抗1Rは、必ずしもAlGaAs層であ� �必要はなく、InAlGaAs層等であっても良い。バ ラスト抵抗1RがInAlGaAs層の場合には、GaAs層か� ��なるコンタクト層1Tとバラスト抵抗1Rとの間 に介在するグレーデッド層1Gが、上述の放物� ��形に変化する電子親和力を有しており、電� ��親和力によるポテンシャル変化を相殺する� ��うなn型不純物濃度分布を有していればよい 。

 以上、説明したように、上述の実施形態に� ��るHBTは、図2に示したように、電子親和力が 連続的且つ単調に変化するグレーデッド層1G� ��有し、グレーデッド層1Gの端面に垂直な方� �をz軸とし、グレーデッド層1Gの両端面のz座� ��をそれぞれz1、z2(但しz1<z2)、z座標の値がz である点における電子親和力とn型不純物濃� �をそれぞれχ(z)、N _D (z)とした時、グレーデッド層の両端面におい て電子親和力χ(z)と電子親和力変化率dχ(z)/dz� ��z方向に連続であり、且つ、グレーデッド層 において、χ(zA)>χ(zB)の場合、N _D (zA)≦N _D (zB)である。

 なお、図2(c)に示すように、z方向の位置ZA 、ZBは、z1≦zA≦z2、z1≦zB≦z2の関係を満たし� ��いる。

 HBT1によれば、スパイク状ポテンシャル障壁 が生じる電子親和力がより小さい側のグレー デッド層端面付近において、イオン化したn� �不純物濃度C _ION が高くなり(図2(c)参照)、このイオン化した原 子の電荷によってスパイク状ポテンシャル障 壁が低下する。すなわち、スパイクの先端に 向かうポテンシャルの向きと、イオン化した 原子のポテンシャルの向きは逆向きである。 また、グレーデッド層1Gの組成変化が直線的� ��ある場合よりも、グレーデッド層1Gの組成� �化、すなわち電子親和力変化が曲線的に連� �している方が、イオン化した原子の電荷が� �成する静電ポテンシャルと電子親和力変化� �よって生じるポテンシャルの打ち消し合い� �度合いが大きくなるため、スパイク状ポテ� �シャル障壁の低下が大きい。電子親和力変� �が曲線的に連続している場合には、電子親� �力χ(z)及び電子親和力変化率dχ(z)/dzがグレー デッド層1Gの両端面においてz方向に連続とな る。

 また、グレーデッド層1Gの両端面における� �子親和力をそれぞれχ1、χ2、グレーデッド� �1Gの平均誘電率をε、z2-z1をd、χ1-χ2の絶対値 をδχ、電気素量をqとした場合、グレーデッ� ��層内のn型不純物濃度は、χ1>χ2の場合は� �少なくとも(z1+z2)/2≦z≦z2の領域において4εδ χ/(qd) ² 以上であり、グレーデッド層内の不純物濃度 は、χ1<χ2の場合は、少なくともz1≦z≦(z1+z 2)/2の領域において4εδχ/(qd) ² 以上であることが好ましい。(式(12-1)~式(12-4)� ��照)。

 この場合には、イオン化した不純物によ� ��ポテンシャルによって、電子親和力の差に� ��るポテンシャルスパイクを十分に相殺する� ��とが可能となる。

 上述のように、(z1+z2)/2=z3とする。グレー� ��ッド層のz座標の値がzである点における電� �親和力χは、式(8)、式(9)を満たすことが好ま しい。この場合、電子親和力は極性の逆な放 物線を連続させた関数となり、厚み方向に沿 って滑らかに電子親和力を変化させ、界面位 置において隣接する層の電子親和力及びその 変化率を連続させることができる。

 また、上記HBT1では、グレーデッド層1G及� ��電子親和力が一定であるバラスト抵抗層1R� �、エミッタ電極EEとエミッタ層1Eの間に有し� ��いる。この場合、バラスト抵抗層1Rの抵抗� �が高温時には増加すると共に、グレーデッ� �層1Gが隣接層間の格子不整合を吸収するので 、高温時の熱暴走を抑制し、格子不整合に伴 う高抵抗化を抑制することができる。

 また、バラスト抵抗層1RはAl _Y Ga _1-Y Asからなり、Al組成比Yは一定値であり、グレ� ��デッド層1GはAl _S Ga _1-S Asからなり、Al組成比Sは、バラスト抵抗層に� ��づく方向に沿って0からYまで連続的且つ単� �に変化していることが好ましい。この場合� �は、グレーデッド層1Gとバラスト抵抗層1Rの� ��成比は界面において連続し、ポテンシャル� ��パイクの発生が抑制されることになる。

 また、バラスト抵抗層1R中のAl組成比Yは、0& lt;Y≦0.45を満たすことが好ましい。バラスト� ��抗層1Rとして、Al _Y Ga _1-Y Asを用いる場合、Alの組成比Yが0.45以下の場合 には、γ谷、L谷、X谷の順番に、エネルギー� �ンドギャップEgが大きくなり、Yが0.45に近づ� ��ほど、各谷のエネルギー準位Eの間隔が狭く なる。すなわち、バラスト抵抗において、Al� ��組成比Yを0から0.45に近づけることにより、� ��温時において曲率の小さなX谷、L谷におい� �電子を数多く存在させることができ、した� �って、電子の有効質量を増加させ、熱暴走� �有効に抑制することができる。

 また、上述のHBT1は、コレクタ層1C上に、� ��ース層1B、エミッタ層1E、温度上昇に伴って X谷及びL谷に励起する電子数が増加するバラ� ��ト抵抗層1R、組成の変化するグレーデッド� �1G及びコンタクト層1Tを順次積層してなるHBT1 において、グレーデッド層1Gの電子親和力が� ��さい側の界面近傍において、これとは逆側� ��界面近傍よりも、n型不純物濃度を高くして いる。

 HBT1の基本構造は、コレクタ層1C、ベース� ��1B、エミッタ層1Eを積層することによって形 成される。ベース層1Bのエネルギーバンドギ� ��ップは、エミッタ層1Eのエネルギーバンド� �ャップよりも小さく、エミッタ注入効率が� �くなる。バラスト抵抗層1Rは、温度上昇時に おいて、抵抗が高くなり、HBT1の熱暴走を抑� �している。グレーデッド層1Gは、コンタクト 層1Tとバラスト抵抗層1Rとの間の格子不整合� �吸収している。ここで、グレーデッド層1Gの 電子親和力が小さい側の界面近傍において、 n型不純物濃度が高いため、イオン化した不� �物のポテンシャルによって、この界面にお� �て発生するポテンシャルスパイクを相殺す� �ことができる。したがって、動作時におけ� �HBT1の抵抗値を小さくすることができる。

 また、エミッタ層1EはAl _X Ga _1-X Asからなり、バラスト抵抗層1RはAl _Y Ga _1-Y Asからなり、グレーデッド層1GはAl _S Ga _1-S Asからなり、Al組成比Sは、バラスト抵抗層に� ��づく方向に沿って0からYまで連続的且つ単� �に変化しており、Al組成比Yは、0<Y≦0.45の� ��係を満たし、Al組成比Xは、X<Yを満たすこ� ��が好ましい。

 AlGaAsは、Alの組成比を制御することによ� �、エネルギーバンドギャップを容易に制御� �ることができる化合物半導体として知られ� �いる。Al組成比Sが0からYまで連続的に変化す ることで、エネルギーバンドギャップと電子 親和力が変化する。0<Y≦0.45の関係を満た� �ため、上述のように、バラスト抵抗層1Rの抵 抗値が高温時には増加する。また、バラスト 抵抗層1Rが、エミッタ層1Eに対しては抵抗障� �となるように、そのエネルギーバンドギャ� �プは、エミッタ層1Eよりも大きく設定される 。Alの組成比が大きいほど、エネルギーバン� ��ギャップは大きくなる。すなわち、バラス� ��抵抗層1RのAl組成比Yは、X<Yを満たしてい� �。なお、バラスト抵抗層1R内のAl組成比Yは一 定でなくとも多少変化してもよい。

 なお、上記では、エミッタ、ベース、コ� ��クタの導電型が、それぞれn型、p型、n型と� ��るnpn型のバイポーラトランジスタについて� ��明したが、これは、エミッタ、ベース、コ� ��クタの導電型が、それぞれp型、n型、p型と� ��るpnp型のバイポーラトランジスタとするこ� ��もできる。すなわち、上述の説明において� ��n型不純物をp型不純物に読み替えたものと� �り、電荷の符号のみが上記とは逆となり、� �オン化した不純物として、ドナーの代わり� �アクセプタが存在し、スパイク状のポテン� �ャル障壁が逆向きに生じることになるが、� �ランジスタの機能は上記と同様である。

 このように、グレーデッド層内の不純物がp 型である場合、z座標の値がzである点のp型不 純物濃度をN _A (z)とすると、グレーデッド層において、χ(zA) >χ(zB)の場合(但しz1≦zA≦z2、z1≦zB≦z2)、N _A (zA)≧N _A (zB)であることが好ましい。不純物がp型の場� ��、電荷の符号のみがn型とは逆であるため、 ポテンシャル変化がn型の場合とは逆となる� �、ポテンシャル障壁の発生態様は同様であ� �、上述のように設定することで、上記と同� �にポテンシャルの打ち消しあいを行い、ス� �イク状ポテンシャル障壁を低下させること� �できる。

 また、グレーデッド層内の不純物がp型であ る場合、グレーデッド層内のp型不純物濃度� �、χ1>χ2の場合は、少なくともz1≦z≦(z1+z2) /2の領域において4εδχ/(qd) ² 以上であり、グレーデッド層内のp型不純物� �度は、χ1<χ2の場合は、少なくとも(z1+z2)/2� ��z≦z2の領域において4εδχ/(qd) ² 以上であることが好ましい。この場合には、 イオン化したp型不純物によるポテンシャル� �よって、電子親和力の差によるポテンシャ� �スパイクを十分に相殺することが可能とな� �。