HBT

ヘテロ接合バイポーラトランジスタ (HBT)

ヘテロ接合[バイポーラトランジスタ]]（Heterojunction Bipolar Transistor、略称HBT）は、[[バイポーラトランジスタ]の一種で、特に異なる材料からなるヘテロ接合を用いた構造を特徴としています。このトランジスタは、高速で動作する能力を持ち、500GHz以上で動作可能な素子として知られています。

動作原理

HBTは基本的にはnpn型のバイポーラトランジスタに基づいていますが、エミッタ層とベース層には特定の材料が用いられています。高速化を図るために、ベース層は薄く、高濃度のキャリアが注入される設計となっています。エミッタ層にはバンドギャップの広い材料が使用され、ベース層には狭いバンドギャップを持つ材料が選ばれています。これにより、エミッタからベースへの拡散電流が確保された上で、ベースからエミッタへの逆流がヘテロ接合によって防がれる構造が構築されています。

Herbert Kroemerは、1950年代にエミッタからベースへの電子のバリスティック輸送による高速動作の可能性を提案し、その功績により2000年にノーベル物理学賞を受賞しています。HBTの動作は、バリスティック輸送だけでなく、熱平衡モデルを用いて解析することも可能です。

構造および製造方法

HBTは主にエピタキシャル成長法を使用して製造されます。この過程では、SiGe/Si系、AlGaAs/GaAs系、GaInP/GaAs系、GaInAs/InP系、InGaN/GaN系といったさまざまな材料が利用されます。たとえば、GaInP/GaAs系では、半絶縁性のGaAs基板の上にMOCVD法やMBE法を駆使して、コレクタ、ベース、エミッタ等の層が順次形成されます。特に、ベース層では炭素を用いた高濃度ドーピングが求められるため、その技術は高度に洗練されています。

SiGe系は、通常のSi-LSIプロセスに組み込まれて製造されています。この工程では、メサ型構造を作り、コレクタ、ベース、エミッタ電極および配線を整え、一つのトランジスタが完成します。HBTはミニチュア化を求められるHETMプロセスとは異なり、トランジスタ特性が主にベース層の設計によって決まる点が大きな特徴です。エピタキシャル成長により、層の厚さをナノメートル単位で正確に調整できる利点がありますが、高速動作実現には寄生容量の低減が不可欠です。

HBTの電気特性

HBTの静特性は、通常ガンメルプロット(Gummel Plot)を用いて、電流増幅率（β）とベース層の抵抗率を評価します。ベース層の抵抗率が低下すると、電流増幅率も低下する傾向があります。このため、結晶性や構造を工夫することで、電流増幅率を高く保つための材料選定が重要です。

SiGe系の研究はIBMにより20年以上にわたり進められており、Bi-CMOSプロセスの導入に伴い集積化と高速化が促進されてきました。2005年時点で0.13μmプロセスによる210GHzの遮断周波数が達成されるなど、先進的な研究が行われています。また、InP系の研究では2007年時点での710GHz、780GHzの記録が報告されています。

用途

Si系のCMOS-LSIの進化に伴い、1～10GHzの範囲ではHBTやHEMTが競合する状況にあります。一般的には、プロセッサー分野ではSi系LSIが、アナログ系で高い耐圧が求められる場面では化合物半導体のディスクリート素子やICが使用されます。化合物半導体は第3世代携帯電話のパワーアンプなどに利用されており、各種光通信用高速素子やミリ波レーダー、高速通信機器にも幅広く活用されています。

関連項目

• - 化合物半導体
• - ヒ化ガリウム
• - リン化インジウム

HBTは高い動作速度と優れた電気特性を持ち、多岐にわたる応用分野での活用が期待されています。

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