异质接面双极晶体管制造技术

本发明专利技术公开了一种异质接面双极晶体管，其包括在一GaAs基板上的一集电极、一基极和一发射极，其中所述基极包括一第一基极层，其包括具有一铟含量i和一第一斜率s1的IniGa1‑iAs，和一第二基极层，其包括具有一铟含量j和一第二斜率s2的InjGa1‑jAs，且s1的平均值为s2的平均值的一半或更小；或者其中所述基极包括一第三基极层，其包括具有一铟含量m的InmGa1‑mAs，和一第四基极层，其包括具有一铟含量n的InnGa1‑nAs，且n的一平均值大于靠近第四基极层处的m；或者其中所述基极包括一第五基极层，其拟晶于GaAs且其体晶格常数大于GaAs，所述发射极包括一第三射极层，其拟晶于GaAs且其体晶格常数小于GaAs。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种异质接面双极晶体管，特别是由磊晶生长于一砷化镓基板上的化合物半导体层所成于的一种伪晶型异质接面双极晶体管形。
技术介绍
异质接面双极晶体管(heterojunctionbipolartransistor，以下缩写为HBT)是一种使用不同半导体材料以在发射极和基极之间形成一异质接面的双极晶体管(bipolarjunctiontransistor，BJT)。HBT的优点是高电流增益和低基极阻抗。此外，以化合物半导体层磊晶生长于一砷化镓基板上所制作的HBT(以下缩写为GaAsHBT)，因为这些半导体层本身的材料特性而具有高电子迁移率，这在高频应用上是一种很大的优势。例如，GaAsHBT通常用于移动电话、WiFi终端机及其基地台中如射频(RF)功率放大器和其他单晶微波集成电路(monolithicmicrowaveintegratedcircuits，MMICs)。通过使用应变(拟晶)的半导体层或具有渐变成分的半导体层对基极、发射极及/或集电极进行能隙工程能有效改进GaAsHBT的性能。从而降低HBT的导电电子过渡时间，使得高频性能例如高电流增益截止频率(以下以fT表示)和最大振荡频率(以下以fmax表示)能获得改进。双异质接面双极晶体管(doubleHBT，以下缩写为DHBT)是另一种类型的HBT，其中发射极和集电极两者的能隙皆比基极宽。已知的是一个形成于一砷化镓基板上的InGaP/GaAs/AlGaAsDHBT能在横跨集电极和发射极电压(VCE)的低压降和高集电极电流(Ic)的偏压区域(即膝点区域)降低基极–集电极电容Cbc。Cbc的降低导致在功率放大器中的高线性度，例如WiFi信号调制的低误差向量幅度(errorvectormagnitude，EVM)(参照13thGAASSymposium,Paris,2005,pp.205-208)。这解释了Cbc的降低可归因于电洞被在基极–集电极接面处的价带差阻挡。因为集电极的能隙大于基极的能隙，在DHBT中的基极–集电极接面处有一个价带差，其能阻挡电洞扩散到集电极，并因此降低扩散电容。然而，InGaP/GaAs/AlGaADHBT的fT和fmax分别是30GHz和57GHz，小于典型的GaAsHBT的fT和fmax，即，在fT中为超过40GHz而在fmax中为超过100GHz。HBT的fT和fmax是与用于形成基极的材料中的电子迁移率以及用于形成集电极的材料中的饱和电子速度相关。为了提高DHBT的运作速度，不可缺少的是使用具有更高电子迁移率的材料来形成基极以及使用具有更高饱和电子速度的材料来形成集电极。
技术实现思路
如上所述，InGaP/GaAs/AlGaADHBT能降低在I-V曲线膝点区域的Cbc，这使得HBT的线性度被提高。一GaAsHBT包括一拟晶型基极层，例如InGaAs和GaAsSb，即使在集电极材料是GaAs的条件下也能形成一类似DHBT的结构，因为这些材料的能隙小于GaAs的能隙。因为GaAs的电子饱和速度高于AlGaAs的电子饱和速度，所以能通过使用一个拟晶基极层和一GaAs集电极层同时提高高频性能和线性度两者。特别是，包括一拟晶InGaAs基极层的GaAsHBT能因为InGaAs的较高的电子迁移率而实质上改善高频性能。因此，为了获得一个具有改进的线性度的高速GaAsHBT，本专利技术提出使用拟晶层来形成基极层。在使用一拟晶基极层例如InGaAs的GaAsHBT(以下称为拟晶GaAsHBT)中，铟含量和基极层的厚度必须被优化，使得基极层的厚度小于一给定的铟含量的临界厚。随着铟含量的增加，InGaAs的体晶格常数也会增大。在此，术语“体晶格常数”是指当材料在块体形态时的固有晶格常数，也就是非应变形态。对于InGaAs在一GaAs基板上拟晶生长的临界厚度是由两种材料之间在体晶格常数的差异来决定，这种差异也被称为晶格失配，且其为InGaAs的铟含量的一个函数。基极层的厚度必须小于临界厚度，(1)以尽可能避免在半导体层的生长过程中因为基极层和GaAs基板之间的晶格失配而形成失配位错；(2)以防止失配位错在组件的长时间工作中增殖。尽管有高频操作和高线性度的潜在优势，只要使用InGaAs作为基极仍然难以降低Vce的偏移(以下简称为Vceoff)。Vceoff是指在Ic-Vce特性图中导通组件的偏移电压，即Ic为零时的Vce，如图15所示。当组件被用作功率放大器时，通常希望能有较小的Vceoff。如图15所示，当Vceoff较小时，在电流–电压平面上可用于放大器操作的负载线的区域也较宽。而线性度、最大输出功率和功率附加效率也可以被改善。与正常的HBT比较时，通常假设DHBT会导致较小的Vceoff。然而，本案专利技术人发现在使用InGaP作为发射极材料的GaAsHBT中使用InGaAs作为基极材料实际上会使Vceoff增加。图6D显示Vceoff的二维仿真结果。在传统的包括晶格匹配的InGaP作为发射极和GaAs作为基极的GaAsHBT，Vceoff为197mV。然而，如果使用InGaAs基极，Vceoff对的10％和12％的铟含量分别增加至223mV和228mV。这是因为加在基极层中的InGaAs改变了在发射极–基极接面处和集电极–基极接面处的顺向接面电子流之间的平衡点。图16显示了使用GaAs基极(实线)和InGaAs基极(虚线)的传导能带边缘(conductionbandedge，ECBM)的变化。粗箭头绘示了穿过发射极–基极接面和集电极–基极接面的顺向接面电子流。顺向接面电子流是由对传导电子的能障来决定。在发射极–基极接面处，能障是由InGaP发射极的传导能带边缘来决定，对GaAs基极和InGaAs基极亦同。然而，在集电极–基极接面处，所述传导能带边缘能通过用于InGaAs基极的成分渐变的InGaAs层而平滑地相连。其结果是，对顺向接面电子流的能障被降低，而在顺向接面电子流中的不平衡因为InGaAs基极而增加。因此，使得Vceoff变大。本专利技术的第一个目的是提出一种GaAsHBT，其包括一具有一种设计来降低或消除失配位错的渐变成分的拟晶基极层，以降低基极–集电极电容Cbc，同时增加DC电流增益，从而大幅改善所述HBT的DC和RF性能。本专利技术的第二个目的是提出一种GaAsHBT，其包括一具有一种设计来降低偏移电压Vceoff的成分变化的拟晶基极层。本专利技术的第三个目的是提出一种GaAsHBT，其包括一拟晶于GaAs的基极层，其体晶格常数大于GaAs的体晶格常数，以及一拟晶于GaAs的发射极层，其体晶格常数小于GaAs的体晶格常数。然后HBT结构上的力学不稳定性可以被降低。因此能避免失配位错在组件的长时间工作中形成或增殖。为达上述第一目的，本专利技术提供一种HBT，其包括磊晶生长于一GaAs基板上的多个层半导体层，所述多个层半导体层在所述GaAs基板上形成一集电极、在所述集电极上形成一基极以及在所述基极上形成一发射极，其中所述基极包括：一第一基极层，包括一铟含量i为0<i<1的砷化镓铟IniGa1-iAs，所述铟含量i为均匀分布或以一第一斜率s1从一发射极端到一集电极端变化，当所述铟含量i从所述发射极端到所述集电极端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异质接面双极晶体管，其特征在于，包括磊晶生长于一砷化镓基板上的多个层半导体层，该多个层半导体层在该砷化镓基板上形成一集电极、在该集电极上形成一基极以及在该基极上形成一发射极，其中该基极包括：一第一基极层，包括一铟含量i为0<i<1的IniGa1‑iAs，该铟含量i为均匀分布或以一第一斜率s1从一发射极端到一集电极端变化，当该铟含量i从该发射极端到该集电极端为增加时，该第一斜率s1被定义为正值；以及一第二基极层，位于该第一基极层与该发射极之间，并包括一铟含量j为0<j<1的InjGa1‑jAs，该铟含量j以一第二斜率s2从该发射极端到该集电极端变化，当该铟含量j从该发射极端到该集电极端为增加时，该第二斜率s2被定义为正值，其中该铟含量i的一平均值大于该铟含量j的一平均值，该第二斜率s2的一平均值为正值，且该第一斜率s1的平均值为该第二斜率s2的平均值的一半或更小。

【技术特征摘要】
2015.09.04 US 14/846,1101.一种异质接面双极晶体管，其特征在于，包括磊晶生长于一砷化镓基板上的多个层半导体层，该多个层半导体层在该砷化镓基板上形成一集电极、在该集电极上形成一基极以及在该基极上形成一发射极，其中该基极包括：一第一基极层，包括一铟含量i为0<i<1的IniGa1-iAs，该铟含量i为均匀分布或以一第一斜率s1从一发射极端到一集电极端变化，当该铟含量i从该发射极端到该集电极端为增加时，该第一斜率s1被定义为正值；以及一第二基极层，位于该第一基极层与该发射极之间，并包括一铟含量j为0<j<1的InjGa1-jAs，该铟含量j以一第二斜率s2从该发射极端到该集电极端变化，当该铟含量j从该发射极端到该集电极端为增加时，该第二斜率s2被定义为正值，其中该铟含量i的一平均值大于该铟含量j的一平均值，该第二斜率s2的一平均值为正值，且该第一斜率s1的平均值为该第二斜率s2的平均值的一半或更小。2.根据权利要求1所述的异质接面双极晶体管，其特征在于，该铟含量i为一常数。3.根据权利要求1所述的异质接面双极晶体管，其特征在于，该第一基极层的该铟含量i介于0.03和0.2之间。4.一种异质接面双极晶体管，其特征在于，包括磊晶生长于一砷化镓基板的多个层半导体层，该多个层半导体层在该砷化镓基板上形成一集电极、在该集电极上形成一基极以及在该基极上形成一发射极，其中该基极包括：一第三基极层，包括一铟含量m为0<m<1的InmGa1-mAs；以及一第四基极层，位于该第三基极层与该发射极之间，并包括一铟含量n为0<n<1的InnGa1-nAs，其中该第四基极层的铟含量n的一平均值大于在该第三基极层内靠近该第四基极层处的该第三基极层的铟含量m。5.根据权利要求4所述的异质接面双极晶体管，其特征在于，该第四基极层的铟含量n从一第三基极层端到一发射极端为增加。6.根据权利要求4所述的异质接面双极晶体管，其特征在于，该第三基极层的铟含量m为介于0.03和0.2之间。7.根据权利要求4所述的异质接面双极晶体管，其特征在于，该发射极还包括一与砷化镓晶格匹配的第一射极层，以及一介于该第四基极层和该第一射极层的第二射极层，其中该第二射极层包括一铟含量v为介于0.53和0.8...

【专利技术属性】
技术研发人员：高谷信一郎，邱瑞斌，张家达，
申请(专利权)人：稳懋半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71