CN100365825C - 双极晶体管以及包含该双极晶体管的电子装置 - Google Patents
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Abstract
本发明的双极晶体管包括由n-型半导体制成的集电极层和在该集电极层上由n-型半导体制成的发射极层。在发射极层上提供用于注入p-型载流子(空穴)到发射极层的栅极层。在集电极层和发射极层之间形成p-型载流子保留层。p-型载流子保留层临时保留从栅极层注入到发射极层的p-型载流子和在发射极层中扩散并到达p-型载流子保留层。双极晶体管具有其性能不被基极层的表面电阻影响的结构，而且甚至在高频率区也能有高电流增益。
Description
本正式申请在35 U.S.C.§119(a)下要求分别于2003年11月28日和2004年11月8日在日本提交的专利申请P2003-399025和P2004-323844号的优先权，其作为参考文献在此全文引入。
技术领域
本发明涉及双极晶体管，更具体地说，涉及包含III族元素和氮(N)的化合物半导体作为材料的双极晶体管。
背景技术
作为一种类型的双极晶体管包含III族元素和氮(N)的化合物半导体作为材料，由氮化镓/氮化铝镓(GaN/AlGaN)材料制造的HBT(异质结双极晶体管)是公知的(参考JP2002-368005A)。
在半绝缘衬底上表面上的HBT具有n+-氮化镓(GaN)子集电极层(厚度：～1000nm，作为n-型掺杂剂的硅(Si)浓度是：～6×1018cm-3)、在该子集电极层的上表面中心区中形成n-GaN集电极层、由AlGaN/GaN交替层制成的基极层(超品格)(总厚度是150nm，每个GaN层的厚度是～3nm，未掺杂，每个AlGaN层的厚度是～1nm，这里作为P-型掺杂剂的Mg浓度是～1×1019cm-3)和该基极层上表面的中心区中形成的AlGaN发射极层(厚度：150nm，作为n-型杂质的Si的浓度：～6×1018cm-3)，其中半绝缘衬底由例如蓝宝石或碳化硅(SiC)制成。在对应于集电极层的两侧的子集电极层上表面的每个区中形成集电极。在对应于发射极层的两侧的基极层上表面的每个区中形成基极。在发射极层上形成发射极。
如上面现有技术的实例中所述，通常考虑在III-N化合物半导体中使用掺杂剂，n-型掺杂剂是硅，以及P-型掺杂剂是Mg。然而，在III-N化合物半导体中，Mg的激活率低，以及空穴迁移率低。因此，P-型基极层的表面电阻变高。
例如，在GaN制成的均匀基极层中，即使将作为P-型掺杂剂的Mg的受主浓度设为高达5×1019cm-3，也仅引起约8×1017cm-3的空穴浓度。因此，基极层的表面电阻达到100KΩ/□的高值。在JP2002-368005A的HBT中的超晶格基极层也具有同样的情况。
因此，常规HBT有基极电阻rb变高，在高频区功率增益低的问题。
具有均匀基极层的HBT的高频区中，在频率f的单边(unilateral)功率增益(通过符号U(f)表示)通过以下等式(1)表示：
U(f)＝fT/(8∏rbCcf2) (1)
其中fT表示电流增益截止频率，rb表示基极电阻值和Cc表示集电极电容。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种双极晶体管，其具有其性能不被基极层的表面电阻影响的结构，而且甚至在高频区中也能有高电流增益。
本发明的另一个目的是通过提供一种甚至在高频率区中也有高电流增益的双极晶体管而提供低功耗的电子装置(特别是用于移动电话的基站、用于无线LAN的基站等)。
为了解决上述问题，本发明的双极晶体管包括：
第一导电类型半导体制成的集电极层；
在集电极层上提供的第一导电类型半导体制成的发射极层；
设置在发射极层上并用于把第二导电类型载流子注入发射极层的栅极层；以及
在集电极层和发射极层之间形成的第二导电类型载流子保留层，该层临时保留从栅极层注入到发射极层和在发射极层扩散并到达载流子保留层的第二导电类型载流子。
在这种情况下，“第一导电类型”表示n-型和p-型中的一个，“第二导电类型”表示n-型和p-型中的另一个。
“第一导电类型半导体”表示作为母体材料的半导体用第一导电类型杂质掺杂，从而用作第一导电类型。类似，“第二导电类型半导体”表示作为母体材料的半导体用第二导电类型杂质掺杂，从而用作第二导电类型。
此外，操作第二导电类型载流子保留层以“临时保留”第二导电类型载流子是指，至少在扩散穿过发射极层并到达第二导电类型载流子保留层的第二导电类型载流子与从发射极层注入到第二导电类型载流子保留层的第一导电类型载流子复合(recombine)期间，该层保留第二导电类型载流子。
在本发明的双极晶体管中，在操作(operation)期间，在栅极层和发射极层之间施加正向偏压，从而第二导电类型载流子从栅极层注入到发射极层。从栅极层注入发射极层的第二导电类型载流子主要在垂直于该发射极层(该方向称为“纵向”)的方向上在发射极层中扩散并到达第二导电类型载流子保留层。然后，第二导电类型载流子保留在第二导电类型载流子保留层中，而且在第二导电类型载流子保留层中的第二导电类型载流子过量，从而在发射极层和第二导电类型载流子保留层之间建立正向偏压状态。因而引起从发射极层向第二导电类型载流子保留层注入第一导电类型载流子。然后，保留在第二导电类型载流子保留层中的过量第二导电类型载流子全部与(一部分)注入的第一导电类型载流子复合。这时，从发射极层向第二导电类型载流子保留层注入的第一导电类型载流子的大部分从第二导电类型载流子保留层中通过并到达集电极层。即，第一导电类型载流子通过第二导电类型载流子保留层，从发射极层纵向流入到集电极层。晶体管如上所述操作。
如上所述，本发明的双极晶体管中，从栅极层注入发射极层的第二导电类型载流子在发射极层中主要以纵向扩散并到达第二导电类型载流子保留层。即，在本发明的双极晶体管中，第二导电类型载流子在平行于层方向的方向(横向)上基本没有移动，不同于常规HBT，不需要该操作。从而，不同于常规HBT，本发明双极晶体管的性能不被基极层的表面电阻影响。因此，甚至在高频率区中本发明的双极晶体管也能有高电流增益。
在该双极晶体管的一个实施方案中，在确定的衬底上形成集电极层。
在该双极晶体管的这个实施方案中，因为衬底具有机械强度，所以变得容易制造和处理该双极晶体管。由例如蓝宝石或碳化硅(SiC)制得的半绝缘衬底可列举为衬底。
该双极晶体管的一个实施方案包括由第一导电类型半导体制成的子集电极层，沿着衬底在集电极层和衬底之间形成子集电极层并用浓度比集电极层高的第一导电类型杂质掺杂。
在该双极晶体管的一个实施方案中，用浓度比集电极层高的第一导电类型杂质掺杂子集电极层。因此，通过提供与子集电极层接触的集电极，容易实现与集电极的欧姆接触。而且，因为子集电极层的电阻变得比集电极层的电阻更低，所以全部集电极(集电极层和子集电极层)的串联电阻减小。而且，因为集电极层能有低电阻，所以耐压提高，输出电容减小。因此，改善了双极晶体管的性能。
在该双极晶体管的一个实施方案中，
在子集电极层上的部分区中形成集电极层，对应于集电极层的一侧在子集电极层的上表面区中提供集电极，
在发射极层上的部分区中形成栅极层，对应于栅极层的一侧在发射极层的上表面区中提供发射极，和
在栅极层上提供栅极。
在该双极晶体管的这个实施方案中，在操作期间连接外部电路以把相应的预定偏压施加到集电极、发射极和栅极。通过把相应的预定偏压施加到集电极、发射极和栅极，容易实现上述晶体管的操作。
在该双极晶体管的一个实施方案中，发射极层的能带隙比栅极层的能带隙窄。
在该双极晶体管的这个实施方案中，发射极层的能带隙比栅极层的能带隙窄，因此，从栅极层到发射极层的第二导电类型载流子的注入效率增加。因此，该双极晶体管的性能进一步改善。
在该双极晶体管的一个实施方案中，第二导电类型载流子保留层是由第二导电类型半导体制成的基极层。
在该双极晶体管的这个实施方案中，第二导电类型载流子保留层是由第二导电类型半导体制成的基极层，因此其容易通过公知的结晶生长方法形成。简而言之，按集电极层、基极层和发射极层的次序层压各半导体层是适当的。如果加工成同样图案，这三层足够了。
在该双极晶体管的一个实施方案中，基极层的能带隙比发射极层的能带隙窄。
在该双极晶体管的这个实施方案中，基极层的能带比发射极层的能带窄(小)，因此，从发射极层到基极层的第一导电类型载流子的注入效率增加。因此，该双极晶体管的性能进一步改善。
在该双极晶体管的一个实施方案中，第二导电类型载流子保留层是在集电极层和发射极层之间的界面上产生的自发极化层。
在该双极晶体管的这个实施方案中，第二导电类型载流子保留层是在集电极层和发射极层之间的界面上产生的自发极化层。因此，在制造该晶体管的阶段中，不需要故意地形成第二导电类型载流子保留层。简而言之，通过公知的结晶生长方法，按集电极层和发射极层的次序层压各半导体层是适当的。如果加工成同样图案，这两层足够了。
在该双极晶体管的一个实施方案中，
构成每层的晶体材料是由第III族元素和氮(N)制成的化合物半导体，以及
第一导电类型是n-型，以及第二导电类型是p-型。
如上所述，在包含第III族元素和氮(N)的化合物半导体的常规npn晶体管中，p-型基极层的表面电阻高，因此，在高频率区中功率增益减小。因此，如在该双极晶体管的这个实施方案中那样，如果npn晶体管包含第III族元素和氮(N)作为材料的化合物半导体，在晶体管性能中容许改善的程度特别大。
在该双极晶体管的一个实施方案中，
构成栅极层的晶体材料是AlGaN，
构成发射极层的晶体材料是GaN，
构成基极层的晶体材料是InGaN，
构成集电极层的晶体材料是InGaN，和
第一导电类型是n-型，以及第二导电类型是p-型。
根据该双极晶体管的这个实施方案，提供甚至在高频率区也有高电流增益的双极晶体管。
在该双极晶体管的一个实施方案中，
构成栅极层的晶体材料是AlGaN，
构成发射极层的晶体材料是GaN，
构成集电极层的晶体材料是InGaN，和
第一导电类型是n-型，以及第二导电类型是p-型。
根据该双极晶体管的这个实施方案，提供甚至在高频率区也有高电流增益的双极晶体管。
在该双极晶体管的一个实施方案中，
构成发射极层的晶体材料是GaN，以及
发射极层厚度不大于200nm。
在该双极晶体管的这个实施方案中，GaN发射极层的厚度不大于200nm。因此从栅极层注入到GaN发射极层的第二导电类型载流子(即P-型载流子空穴)能在GaN发射极层的纵向扩散并到达第二导电类型载流子保留层。
而且，观察高频率特性，发射极层的厚度应更优选不大于100nm。即，这需要以下等式：
Xe＜sqrt[Dp/(∏f) (2)
其中Xe表示发射极层的厚度，Dp表示在发射极层中的空穴扩散系数(＝0.3cm2/s)并根据测量计算，以及
f表示频率。
根据等式(2)，优选当f＝1GHz时Xe＜100nm。
因此可以说，随着频率f增加，发射极层的厚度Xe应优选进一步减小到，例如，80nm或50nm。
在该双极晶体管的一个实施方案中，每层表面是(000-1)表面。
在该双极晶体管的这个实施方案中，每层表面是(000-1)表面，因此，在集电极层和发射极层之间的界面上容易产生自发极化层。因此，第二导电类型载流子保留层可以容易地由自发极化层构成。
此外，通过提供具有本发明双极晶体管的电子装置，能提供低功耗的电子装置。
附图说明
通过以下仅用于说明而不限定本发明的详细描述和附图，将更充分地理解本发明，其中：
图1示出本发明双极晶体管第一个实施例的剖面结构图。
图2示出本发明双极晶体管第二个实施例剖面结构图。
图3示出本发明双极晶体管第三个实施例剖面结构图。
图4示出图1器件的平面图案布局图。
图5示出图2器件的平面图案布局图。
图6示出图3器件的单边功率增益与常规HBT的单边功率增益的比较图。
图7示出应用本发明的第一实施方案的双极晶体管的剖面结构图。
图8示出在热平衡状态中，图7器件的电子和空穴的密度和能带图。
图9示出在操作期间，图7器件的电子和空穴的密度和能带图。
图10示出应用本发明的第二实施方案的双极晶体管的剖面结构图。
图11示出在热平衡状态中，图10器件的电子和空穴的密度和能带图。
图12示出应用本发明的第三实施方案的双极晶体管的剖面结构图。
图13示出在热平衡状态中，图12器件的电子和空穴的密度和能带图。
图14示出应用本发明的器件的高频率电流增益特性图。
图15示出具有均匀基极层的常规HBT的剖面结构图。
具体实施方式
根据如图所示的实施方案，将对本发明的双极晶体管(在下文适当称作“器件”)进行 详细描述。
在以下的描述中，应注意“n-”表示n-型作为第一导电类型和“p-”表示p-型作为第二导电类型。符号“n+”和“p+”隐含表示高杂质浓度的符号“+”，以及符号“n-”和“p-”隐含表示低杂质浓度的符号“-”。
此外，Nd表示第一导电类型杂质(在本实施例中为Si)的掺杂浓度，以及Na表示第二导电类型杂质(在本实施例中为Mg)的掺杂浓度。
第一导电类型载流子是电子，第二导电类型载流子是空穴。
(第一实施方案)
图7示出应用本发明的第一实施例的器件的剖面结构图。
该器件具有n-GaN子集电极层(层厚度：100nm，Nd＝5×1018cm-3)703，在该子集电极层703的上表面中心区中形成的n-InXGa1-XN集电极层(层厚度：500nm，成份比例(composition ratio)X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)704、作为第二导电类型载流子保留层的p-In0.2Ga0.8N基极层(层厚度：25nm，Na＝5×1019cm-3)705、n-GaN发射极层(层厚度：80nm，Nd＝5×1018cm-3)706以及在该发射极层706的上表面中心区中形成的p-Al0.2Ga0.8N栅极层(层厚度：50nm，Na＝5×1018cm-3)707。n-InXGa1-XN集电极层704的In晶体混合比X是分级的，使得在子集电极层侧X＝0和在基极层侧X＝0.2。集电极层704也称“过渡层”。
对应于集电极层704的两侧，在子集电极层703的上表面区中形成集电极709和709。对应于栅极层707的两侧，在发射极层706的上表面区中形成发射极710和710。此外，在栅极层707的上表面上形成栅极711。集电极709、发射极710和栅极711分别与正好位于这些电极下的子集电极层703、发射极层706、栅极层707成欧姆接触。
即，该器件具有从上侧按次序设置的p+、n+、p+、n-和n+(n-对应于集电极层704)的半导体层。基极层705没有设电极和电浮置(electrically floating)。
通过例如，分子束外延生长方法(MBE)依次层压并通过台面刻蚀方法图案化加工半导体层703、704、705、706和707。气相沉积电极709、710和711，并通过搬移(liff-off)方法对其进行图案化加工。
在该器件中，在操作期间，栅极711用作输入端口，以及集电极709用作输出端口。例如，发射极710接地(GND)，正电压(+Vg：栅偏压)施加在栅极711上，在栅极层707和发射极层706之间使正向偏压施加(到p+n+结)。而且，正电压(+Vc：集电极偏压)施加在集电极709上，使在每个子集电极层703和集电极层704以及基层705之间(n+n-p+结)建立反向偏压状态。
在栅极层707和发射极层706之间施加正向偏压，从而空穴首先从栅极层707注入到发射极层706中。从栅极层707注入到发射极层706中的空穴在发射极层706中主要在纵向上扩散(通过图7的箭头h1表示)并到达基极层705。然后，空穴保留在基极层705中，且基极层705的空穴变得过量，使得在发射极层706和基极层705之间建立正向偏压状态。因此，这引起电子从发射极层706注入到基极层705中。然后，保留在基极层705中的过多的空穴全部与(一部分)注入的电子复合。同时，从发射极层706注入到基极层705的大多数电子通过基极层705并到达集电极层704和子集电极层703。即，电子通过基极层705以纵向(通过图7的箭头e1表示)从发射极层706流入集电极层704和子集电极层703。晶体管如上所述操作。因为电子电流比空穴电流大，所以引起电流增益。
如上所述，在本发明的双极晶体管中，从栅极层707注入到发射极层706的空穴在发射极层706中主要以纵向扩散并到达基极层705。即，在本发明的双极晶体管中，和常规HBT不同，第二导电类型载流子基本在横向上没有移动，以及不需要这样的操作。因此，和常规HBT不同，本发明双极晶体管的性能没有被基极层的表面电阻影响。从而，甚至在高频率区本发明双极晶体管也有高电流增益。
图8示出作为通过模拟模型模拟图7器件结果的电子和空穴的浓度和能带。在图中，水平轴线表示在纵向上与栅极711的距离X。容易理解，层707、706、705、704和703的范围示出在上边缘空间。在框内上部示出的能带图中，实线CE表示导带的下端，实线VE表示价带的上端。在框内下部示出的载流子密度中，虚线表示n-型载流子的电子密度，单点点划线表示p-型载流子的空穴浓度。该说明方法也与下述图9、11和13相似。在图8中，没有偏压施加在每层上，并且建立了热平衡状态。
图9示出在施加偏压状态中作为图7器件模拟结果的电子和空穴的密度和能带。在这种情况下，集电极偏压Vc是+5V，栅偏压Vg是+3.3V。和图7的箭头h1相似，在图9中箭头h1表示从栅极层707注入到发射极层706以及在发射极层706中扩散并到达基极层705(价带边缘705ve的邻域)的空穴。而且，在图9中箭头h2表示与从发射极层706注入到基极层705的一部分(图9中箭头e2表示)电子复合的空穴。而且，在图9中箭头e1表示通过基极层705从发射极层706流入到集电极层704和子集电极层703的电子。
该器件的直流增益β0通过以下等式(3)表示：
β0＝α1α2/(1-α2) (3)
其中α1表示通过发射极层706在不复合情况下的空穴迁移概率，α2表示通过基极层705同时不复合的电子迁移概率。只要α2接近1甚至当发射极层706厚到某种程度以及α1低时，也存在增加直流增益β0的可能性。例如，只要α2如α2＝0.9999的情况那样接近1，甚至当α1有0.01的低值时，β0≈100确保了实用性。
发射极层706的厚度应优选不大于200nm。这因为只要发射极层706的厚度不大于200nm，空穴就能够在不复合的情况下迁移通过发射极层706并到达基极层705。
(第二实施方案)
图10示出应用了本发明的第二实施方案的器件剖面结构图。
该器件具有n-GaN子集电极层(层厚度：100nm，Nd＝5×1018cm-3)1003，在该子集电极层1003的上表面中心区中形成的n-InXGa1-XN集电极层(层厚度：500nm，In成份比例X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)1004、n-GaN发射极层(层厚度：80nm，Nd＝5×1018cm-3)1006以及在该发射极层1006的上表面中心区中形成的p-Al0.2Ga0.8N栅极层(层厚度：50nm，Na＝5×1018cm-3)1007。n-InXGa1-XN集电极层1004的In晶体混合比X是分级的，使在子集电极层侧X＝0和在发射极层侧X＝0.2。
与第一实施方案相似形成集电极1009、发射极1010、栅极1011。集电极1009、发射极1010和栅极1011分别与正好位于这些电极下的子集电极层1003、发射极层1006、栅极层1007成欧姆接触。
作为理解，该器件结构对应于通过从第一实施方案的器件中除去p-In0.2Ga0.8N基极层705得到的器件。
在由第III族元素和氮(N)的化合物半导体构成的异质结的界面上，由于自发极化存在极化电荷。主要通过在半导体材料之间的自发极化差异引起极化电荷。因此，在第一实施方案器件的半导体层结构中，在由发射极层706和基极层705构成的异质结界面和由栅极层707和发射极层706构成的异质结界面上产生二维空穴气(2DHG)。如果在由发射极层706和基极层705构成的异质结界面上产生的2DHG密度足够高，那么甚至缺少基极层705时，也能提供相似操作的器件。
因此，在第二实施方案的器件中，如所述的除去基极层，在n-InXGa1-XN集电极层1004上直接提供n-GaN发射极层1006。从而，在发射极层1006和集电极层1004之间的界面(包括邻域区，以下称为“2DHG层”)1005作为第二导电类型载流子保留层操作。
为了增加在异质结界面的自发极化电荷密度，每个半导体层表面应优选是(000-1)表面。
发射极层和集电极层的半导体成份可以彼此有很大不同。然而，晶格应变过高，以及当半导体成份差别过大时增加位错密度的发生。因此，这引起在发射极和集电极之间漏电流增加的问题。
图11示出作为通过模拟模型模拟图10器件的结果的电子和空穴的密度和能带图。在图11中，没有偏压施加在层上，并且建立了热平衡状态。在操作期间，从栅极层1007注入的空穴在发射极层1006扩散并到达2DHG层1005，空穴临时保留在2DHG层1005(其价带边缘1005ve的邻域)中。
详细地，如图10所示在操作期间，在栅极层1007和发射极层1006之间施加正向偏压，从而空穴首先从栅极层1007注入到发射极层1006。从栅极层1007注入到发射极层1006的空穴主要在发射极层1006中在纵向上(如图10中箭头h1所示)扩散并到达2DHG层1005。然后，在2DHG层1005中保留空穴，以及在2DHG层1005中的空穴变得过量，使得在发射极层1006和2DHG层1005之间的势垒降低。从而引起电子从发射极层1006注入到2DHG层1005。然后，保留在2DHG层1005中的过量空穴都和(一部分)注入电子复合。同时，从发射极层1006注入到2DHG层1005的多数电子通过2DHG层1005并到达集电极层1004和子集电极层1003。即，电子从发射极层1006通过2DHG层1005纵向(如图中箭头e1所示)流入到集电极层1004和子集电极层1003。晶体管如上述操作。由于电子电流比空穴电流大，引起电流增益。
在这种情况下，由于2DHG层1005的厚度比p-型基极层705(见图7)的厚度小，因此复合电流减小。因此，在上述等式(3)中的α2接近α1，从而直流增益β0变高。
(第三实施方案)
图12示出应用本发明的第三实施方案的器件剖面结构图。
该器件具有n-GaN子集电极层(层厚度：100nm，Nd＝5×1018cm-3)1203，在该子集电极层1203的上表面中心区中形成的n-InXGa1-XN集电极层(层厚度：500nm，In成份比例X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)1204、n-GaN发射极层(层厚度：80nm，Nd＝5×1018cm-3)1206以及在该发射极层1206的上表面中心区中形成的AlXGa1-XN栅极层(层厚度：25nm，Al成份比例X＝0.1→0.3，未掺杂)1207。n-InXGa1-XN集电极层1204的In晶体混合比X是分级的，使得在子集电极层侧X＝0和在发射极层侧X＝0.2。而且，AlXGa1-XN栅极层1207的Al晶体混合比X是分级的，使得在发射极层侧X＝0.1和在上表面侧X＝0.3。
与第一和第二实施方案相似地形成集电极1209、发射极1210、栅极1211。集电极1209、发射极1210和栅极1211分别与正好位于这些电极下的子集电极层1203、发射极层1206、栅极层1207成欧姆接触。
作为理解，该器件的结构对应于通过用未掺杂AlXGa1-XN栅极层1207取代在第二实施方案器件中的p-Al0.2Ga0.8N栅极层1007获得的结构。以下描述该器件的结构。
如果栅极层具有分级结晶混合比例，那么通过自发极化产生极化电荷。在结晶混合比例分级的情况下，可能产生三维空穴气(3DHG)。如果栅极层中产生的3DHG的密度足够高，那么栅极层不需要进行p-型掺杂。
因此，如上所述，第三实施方案的器件具有未掺杂AlXGa1-XN栅极层1207。与第二实施方案相似由发射极层1206和集电极层1204构成的界面(包括邻域区，以下称为“2DHG层”)1205作为第二导电类型载流子保留层操作。
图13示出通过模拟模型模拟图12器件结果的电子和空穴的浓度和能带。在图13中，没有偏压施加在层上，并且建立热平衡状态。在操作期间，从栅极层1207注入的空穴在发射极层1206扩散并到达2DHG层1205，该空穴临时保留在2DHG层1205(其价带边缘1205ve的邻域)中。其它作用和第二实施方案相似。
在第一到第三实施方案的器件中，在高频时电流增益β(f)通过等式(4)表达如下：
β(f)＝1/(2∏fτ2)-τ1/τ2
τ1＝Xe 2/(2Dp)
τ2＝(Cge+Cce)kT/(qIC)+Xb 2/(2Dn)+Xt/(2Vsn)
(4)
其中f表示频率，Xe表示发射极层的厚度，Xb表示基极层的厚度，Dp表示空穴扩散系数，Dn表示电子扩散系数，Xt表示集电极层的厚度，Cge表示栅极和发射极之间的电容，Cce表示集电极和发射极之间电容，K表示玻尔兹曼常数，T表示温度，q表示电子电荷的数量，Ic表示集电极电流，Vsn表示电子饱和速度。此外，τ1表示由于空穴移动而导致的延迟时间，τ2表示由于电子移动而导致的延迟时间。应注意，在第二实施方案(图10)器件和第三实施方案(图12)器件的情况下去除了基极层(提供2DHG层作为替代)，从而，Xb是0nm。
图14示出β(f)和f关系图。在这种情况下，设置参数从而使Xe＝50nm，Xb＝0nm，Dp＝0.26cm2s-1，Xt＝500nm和Vsn＝2×107cms-1。
因为在f＜＜1/(2∏τ1)的频率范围内几乎不影响空穴的延迟时间，所以关于β(f)，示出了-20dB/十(-20dB/decade)的特性(为了比较，它的斜线通过单点点划线表示在图14中)。
此外，在第一到第三实施方案的器件中，在高频率区中频率f的单边功率增益(由符号U(f)表示)通过以下等式(5)表示：
U(f)＝β(f)/(8∏reCcef) (5)
其中re表示发射极电阻值，Cce表示集电极和发射极之间的电容。由于发射极层是n-型，因而表面电阻低，而且re比常规HBT的基极电阻值rb低。
在f＜＜1/(2∏τ1)的频率范围中，本发明器件的U(f)比常规HBT的U(f)高。
(第一实施例)
图1示出第一实施方案器件(图7到9)的更具体的剖面结构图。以及图4示出其平面图案设计。
该器件具有在蓝宝石衬底101上的AlN缓冲层(层厚度：5nm，未掺杂)102、n-GaN子集电极层(层厚度：500nm，Nd＝5×1018cm-3)103、在该子集电极层103上表面中心区中形成的n-InXGa1-XN集电极层(层厚度：500nm，In成份比例X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)104、作为第二导电类型载流子保留层的p-In0.2Ga0.8N基极层(层厚度：25nm，Na＝5×1019cm-3)105、n-GaN发射极层(层厚度：80nm，Nd＝5×1018cm-3)106、在该发射极层106上表面中心区中形成的p-Al0.2Ga0.8N栅极层(层厚度：25nm，Na＝5×1019cm-3)107以及GaN栅帽层(层厚度：25nm，Na＝5×1019cm-3)108。n-InXGa1-XN集电极层104的In晶体混合比X是分级的，使得在子集电极层侧X＝0和在基极层侧X＝0.2。在该实施例中，每个半导体层表面是(000-1)表面。
对应于集电极层104的两侧在子集电极层103的上表面区中形成由Ti/Al/Au制成的集电极层109和109。对应于栅极层107的两侧在发射极层106的上表面区中形成由Ti/Al/Au制成的发射极层110和110。而且，在栅帽层108的上表面上形成由Pd/Au制成的栅极111。集电极109、发射极110、栅极111分别与正好位于这些电极下的子集电极层103、发射极层106、栅帽层108成欧姆接触。
即，该器件具有从其上侧按次序设置的p+、n+、p+、n-和n+(n-对应于集电极层104)半导体层。基极层105下没有电极且电浮置。
通过例如，分子束外延生长方法(MBE)依次层压并通过台面刻蚀方法图案化加工半导体层102、103、104、105、106、107和108。气相沉积电极109、110、111，并通过搬移方法对其进行图案化加工。如图4所示，在该实施例中电极109、110、111加工成条状图形。
在图1中所示的每个集电极109的宽度Wc约是5μm，每个发射极110的宽度We约是2μm，每个栅极111的宽度Wg约是1μm。
与普通HBT相似，集电极层104具有更低的掺杂浓度和比基极层105和子集电极层103更大的厚度。用该配置，耐压升高，输出电容减小。
集电极层104的掺杂浓度Nd应优选小于1×1017cm-3(即Nd＜1×1017cm-3)且最优选不大于5×1016cm-3(即Nd≤5×1016cm-3)。集电极层104的厚度Xt应优选大于200nm(即Xt＞200nm)且最优选不小于300nm(即Xt≥300nm)。
虽然该实施例中的集电极层104具有简单成份分级，但可能有各种集电极结构例如更复杂的成份分级。
(第二实施例)
图2示出第二实施方案器件(图10到11)的更具体的剖面结构图，以及图5示出其平面图案布局。
该器件具有在蓝宝石衬底201上的AlN缓冲层(层厚度：5nm，未掺杂)202、n-GaN子集电极层(层厚度：500nm，Nd＝5×1018cm-3)203、在该子集电极层203上表面中心区中形成的n-InXGa1-XN集电极层(层厚度：500nm，In成分比例X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)204、n-GaN发射极层(层厚度：50nm，Nd＝5×1018cm-3)206、在位于该发射极层206上表面的两侧区中形成的p-Al0.2Ga0.8N栅极层(层厚度：25nm，Na＝5×1019cm-3)207、207和p-GaN栅帽层(层厚度：25nm，Nd＝5×1019cm-3)208、208。n-InXGa1-XN集电极层204的In晶体混合比X是分级的，从而在子集电极层侧X＝0和在发射极层侧X＝0.2。在该实施例中，每个半导体层表面是(000-1)表面。
对应于集电极层204的两侧在子集电极层203的上表面区中形成由Ti/Al/Au制成的集电极209和209。在发射极层206的上表面区中形成由Ti/Al/Au制成的发射极210。而且，分别在栅帽层208、208的上表面上形成由Pd/Au制成的栅极211、211。集电极209、发射极210、栅极211分别与正好位于这些电极下的子集电极层203、发射极层206、栅帽层208成欧姆接触。
即，该器件具有从其上侧按次序设置的p+、n+、n-和n+(n-对应于集电极层204)的半导体层。
在该实施例中，没有p-型基极层，在发射极层206和集电极层204之间的界面(包括其邻域区，以下称为“2DHG层”)205作为第二导电类型载流子保留层操作。由于每层半导体层表面是(000-1)表面，因而在2DHG层205中二维空穴气密度充分提高。
通过例如，分子束外延生长方法(MBE)依次层压并通过台面刻蚀方法图案化加工半导体层202、203、204、205、206、207和208。气相沉积电极209、210、2 11，并通过搬移方法对其进行图案化加工。如图5所示，在该实施例中电极209、210、211加工成条状图形。
在图2中所示的每个集电极209的宽度Wc约是5μm，发射极210的宽度We约是3μm，每个栅极211的宽度Wg约是1μm。
(第三实施例)
图3示出第三实施方案的器件(图12到13)的更具体的剖面结构。
该器件具有在蓝宝石衬底301上AlN缓冲层(层厚度：5nm，未掺杂)302、n-GaN子集电极层(层厚度：500nm，Nd＝5×1018cm-3)303、在该子集电极层303上表面中心区中形成的n-InXGa1-XN集电极层(层厚度：500nm，比例X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)304、n-GaN发射极层(层厚度：50nm，Nd＝5×1018cm-3)306和发射极层306上表面中心区形成的AlXGa1-XN栅极层(层厚度：25nm，比例X＝0.1→0.3，未掺杂)307。n-InXGa1-XN集电极层304的In晶体混合比X是分级的，从而在子集电极层侧X＝0和在发射极层侧X＝0.2。而且，AlXGa1-XN栅极层307的Al晶体混合比X是分级的，使得在发射极层侧X＝0.1和在上表面侧X＝0.3。在该实施例中，每层半导体层表面是(000-1)表面。
对应于0集电极层304的两侧在子集电极层303的上表面区中形成由Ti/Al/Au制成的集电极层309、309。对应于栅极层307的两侧在发射极层306的上表面区中形成由Ti/Al/Au制成的发射极310、310。而且，在栅极层307的上表面上形成由Pd/Au制成的栅极311。集电极309、发射极310、栅极311与正好位于这些电极下的子集电极层303、发射极层306、栅极层307成欧姆接触。
即，该器件具有从其上侧按次序设置的i、n+、n-和n+(i对应于栅极层307，以及n-对应于集电极层304)的半导体层。
在该实施例中，没有p-型基极层，在发射极层306和集电极层304之间的界面(包括其邻域区，以下称为“2DHG层”)305作为第二导电类型载流子保留层操作。由于每层半导体层表面是(000-1)表面，因而在2DHG层305中二维空穴气密度充分提高。
进一步，栅极层307具有晶体混合比分级，导致栅极层307的Al晶体混合比X在发射极侧X＝0.1和在栅极侧X＝0.3。由于在栅极一侧大的Al晶体混合比X，从而增加了自发极化电荷的数量，三维空穴气的密度充分增加。从而，栅极层307不需要p-型掺杂剂。而且，栅极层307具有比发射极层306更大的能带隙，从而，限制了从发射极注入电子。
通过例如，分子束外延生长方法(MBE)依次层压并通过台面刻蚀方法图案化加工半导体层302、303、304、305、306、307和308。气相沉积电极309、310、311，并通过搬移方法图案化加工。在该实施例中，与第一实施例(图4)相似，电极309、310、311加工成条状图案。
通过与根据等式(1)计算的常规HBT(其具有均匀基极层)单边功率增益U(f)的比较，根据上述等式(5)计算出如图6所示的图3器件的单边功率增益U(f)。
设置图3器件的结构参数使得发射极层厚度Xe＝50nm，基极层厚度Xb＝0nm，集电极层厚度Xt＝500nm，电子扩散系数Dn＝0.26cm2s-1，电子饱和速度Vsn＝2×107cms-1，发射极宽度We＝2μm，栅极宽度Wg＝2μm以及集电极宽度Wc＝5μm。
另一方面，如图15所示，常规的HBT具有在蓝宝石衬底1701上的n-GaN子集电极层(Nd＝1×1018cm-3)1703、n-GaN集电极层(Nd＝5×1016cm-3)1704、p-GaN基极层(Na＝5×1019cm-3)1705和n-Al0.1Ga0.9N发射极层(Nd＝1×1018cm-3)1706，以及Ti/Al/Au集电极欧姆电极1709、Ti/Al/Au发射极欧姆电极1713和Pd/Au基极欧姆电极1710。设置该常规HBT结构参数使得发射极层厚度Xe＝100nm，基极层厚度Xb＝100nm，集电极层厚度Xt＝500nm，电子扩散系数Dn＝26cm2s-1，电子饱和速度Vsn＝2×107cms-1，发射极宽度We＝2μm，基极宽度Wb＝2μm以及集电极宽度Wc＝5μm。每个半导体层表面是(0001)表面。
从图6中可以明显看出，在频率范围f＜＜1/(2∏τ1)中，本发明器件的U(f)比常规HBT的U(f)高。
虽然在以上描述中发射极接地，但将除了发射极以外的端子接地也是有效的。
虽然在上述实施例中在蓝宝石衬底上生长半导体层，但即使采用除蓝宝石以外的衬底本发明器件也有效。更具体的，当第III族元素和氮(N)的化合物半导体作材料时，其可能用SiC衬底，Si衬底，AlN衬底，或GaN衬底。
此外，虽然在上述实施例中半导体层生长方法采用MBE方法，不同于MBE的其它方法也能采用。更具体的，当第III族元素和氮(N)的化合物半导体作材料时，金属有机化学气相沉积(MOCVD)和氢化物气相外延(HVPE)能有效使用。
各种半导体材料能有效地用于构成本发明的器件。然而，该发明在电子迁移率μn和空穴迁移率μp彼此有很大不同的半导体中特别有效。在GaAs的情况下，其中μn＝8000cm2V-1s-1，μp＝400cm2V-1s-1和μn/μp＝20，本发明是相当有效的。然而，在GaN作为材料的情况下，其中μn＝1000cm2V-1s-1，μp＝10cm2V-1s-1和μn/μp＝100，本发明是特别有效的。另外，由于GaN的p-型掺杂激活率低，则p-型GaN层的电阻值进一步增加，在具有常规结构的HBT的高频率区中特性恶化。与这对比，本发明的双极晶体管具有不被基极层表面电阻影响性能的结构，因此，甚至在高频率区中也有高电流增益。因此，如果本发明应用在包含GaN作为材料的双极晶体管中，那么晶体管性能的改善程度特别大。
(第四实施方案)
通过提供具有本发明双极晶体管的电子装置，能提供具有低功耗的电子装置。本发明的双极晶体管，其能在高频率区中也有高电流增益，因此特别适合用于移动电话的基站、无线LAN的基站等。
尽管本发明已经参照其各种实施方案进行了具体描述，但是应该理解，不脱离本发明权利要求所定义的精神和范围，本领域普通技术人员可以对其进行各种变化。
Claims (14)
1.一种双极晶体管，包括：
由第一导电类型半导体材料制成的集电极层；
在集电极层上提供的由第一导电类型半导体材料制成的发射极层；
在发射极层上提供并用于注入第二导电类型载流子到发射极层的栅极层；以及
在集电极层和发射极层之间形成的第二导电类型载流子保留层，该层临时保留从栅极层注入到发射极层并在发射极层扩散且到达载流子保留层的第二导电类型载流子。
2.权利要求1的双极晶体管，其中在衬底上形成集电极层。
3.权利要求2的双极晶体管，包括：
沿着衬底在集电极层和衬底之间形成的由第一导电类型半导体材料制成的子集电极层，用比集电极层浓度更高的第一导电类型杂质掺杂该子集电极层。
4.权利要求3的双极晶体管，其中在子集电极层上的部分区中形成集电极层，在对应于集电极层侧的子集电极层的上表面区中提供集电极，
在发射极层部分区中形成栅极层，在对应于栅极层侧的发射极层的上表面区中提供发射极，以及
在栅极层上提供栅极。
5.权利要求1的双极晶体管，其中发射极层能带隙比栅极层能带隙窄。
6.权利要求1的双极晶体管，其中第二导电类型载流子保留层是由第二导电类型半导体材料制成的基极层。
7.权利要求6的双极晶体管，其中基极层能带隙比发射极层能带隙窄。
8.权利要求1的双极晶体管，其中第二导电类型载流子保留层是在集电极层和发射极层之间界面上产生的自发极化层。
9.权利要求1的双极晶体管，其中构成每层的晶体材料是由III族元素和氮制成的化合物半导体材料，和
第一导电类型是n-型，以及第二导电类型是p-型。
10.权利要求6的双极晶体管，其中
构成栅极层的晶体材料是AlGaN，
构成发射极层的晶体材料是GaN，
构成基极层的晶体材料是InGaN，
构成集电极层的晶体材料是InGaN，和
第一导电类型是n-型，以及第二导电类型是p-型。
11.权利要求8的双极晶体管，其中
构成栅极层的晶体材料是AlGaN，
构成发射极层的晶体材料是GaN，
构成集电极层的晶体材料是InGaN，和
第一导电类型是n-型，以及第二导电类型是p-型。
12.权利要求6的双极晶体管，其中
构成发射极层的晶体材料是GaN，和
发射极层的厚度不大于200nm。
13.权利要求11的双极晶体管，其中每层表面是(000-1)表面。
14.一种电子装置，包括权利要求1的双极晶体管。
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