CN1464564A - 砷化镓基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管 - Google Patents

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Abstract

一种砷化镓基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管，具有多重收集区结构，器件结构包括：一半绝缘砷化镓衬底；一N+掺杂的砷化镓子收集区，该N+掺杂的砷化镓子收集区生长在半绝缘砷化镓衬底上；一复合收集区，该复合收集区生长在N+掺杂的砷化镓子收集区上；一很重掺杂的P型砷化镓基区，该很重掺杂的P型砷化镓基区生长在复合收集区上；在基区上形成有一N型铟镓磷发射区，最上面是为制作欧姆接触用的帽层，在帽层上形成发射极，在基区上、N型铟镓磷发射区的两侧形成有基极。

Description

砷化镓基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管
技术领域：
本发明属于半导体微电子、微波器件领域，特别是指一种砷化镓基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管。
背景技术
由于异质结双极型晶体管(HBT)优越的高频、高速和高电流驱动能力，使得它在数字、模拟和功率放大器中有着极大的应用潜力。目前，主要有三种材料体系—锗硅(GeSi)，砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)用于HBT的制备。这三种材料体系均可应用于微波和毫米波领域。而GaAs HBT由于其高可靠性及相对成熟的工艺，使得它在微波及毫米波领域有着广泛的应用前景。目前，研究最多和市场应用最广泛的仍然是GaAs HBT及其相关的电路。
微波及毫米波技术的飞速发展对器件的频率特性提出了更高的要求。在选定了器件所用的材料后，可以从器件结构设计上去提高器件的频率特性。而与集电区材料及结构相关的集电结耗尽区电子渡越时间常数τsc＝Xdel/2Veff在整个渡越时间常数中所占的比重很大。对频率特性的影响也很大。减少集电区的厚度是减少集电结耗尽区电子渡越时间常数、提高器件频率特性的有效方法。当集电区的厚度减薄到一定程度时，集电区耗尽层厚度将减少，使τsc减少，器件的截止频率增加；另一方面，电子在集电区运动的有效速度Veff也将增加使τsc进一步减少，器件的截止频率进一步提高。这时电子在收集区的运动接近弹道传输，这种器件称为收集区弹道传输异质结双极晶体管(BCT)。但是，它的击穿电压会随着集电区厚度的减小而下降。可是，在许多微波及毫米波电路(如光调制器驱动电路)中，不仅要求器件有很高的截止频率，而且也要求器件有较高的击穿电压。而如上所述及图1所示可以看出，提高器件的截至频率和提高击穿电压是互相矛盾的。减少集电区的厚度，可以减小电子在集电结耗尽区的渡越时间，提高器件的截至频率，但这会使器件的击穿电压降低。提高截至频率和提高击穿电压的矛盾限制了器件的应用范围，能否解决这个矛盾是决定器件能否在更高频率应用的关键所在。
针对上述问题，本发明提出了一种新的复合收集区BCT结构。这种结构充分利用了电子速度过冲效应对集电结耗尽区电子渡越时间常数的减小及器件截至频率的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种砷化镓(GaAs)基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管(BCT)，该晶体管可以解决异质结双极晶体管高击穿电压与高特征频率之间的矛盾。在保证击穿电压的前提下提高器件的特征频率，或在满足频率要求时提高其击穿特性，从而扩大器件的应用范围。
本发明一种砷化镓基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管，具有多重收集区结构，其特征在于，器件结构包括：一半绝缘砷化镓衬底；一N+掺杂的砷化镓子收集区，该N+掺杂的砷化镓子收集区生长在半绝缘砷化镓衬底上；一复合收集区，该复合收集区生长在N+掺杂的砷化镓子收集区上；一很重掺杂的P型砷化镓基区，该很重掺杂的P型砷化镓基区生长在复合收集区上；在基区上形成有一N型铟镓磷发射区，最上面是为制作欧姆接触用的帽层，在帽层上形成发射极，在基区上、N型铟镓磷发射区的两侧形成有基极。
其中复合收集区依次包括重掺杂的P型砷化镓层，轻掺杂的N型砷化镓层，重掺杂的N型砷化镓层。
其中帽层由三部分组成，重掺杂的N型砷化镓层，组分渐变的很重掺杂的N型铟镓砷，铟镓砷材料由砷化镓层逐渐过渡到铟镓砷层材料，最后一层就是很重掺杂的N型铟镓砷材料层。
其中重掺杂的P型砷化镓层和重掺杂的N型砷化镓层厚度相同，轻掺杂的N型砷化镓层的厚度大于重掺杂的P型砷化镓层和重掺杂的N型砷化镓层。
其中重掺杂的P型砷化镓层和重掺杂的N型砷化镓层为偶极掺杂。
其中复合收集区的重掺杂的P型砷化镓层，轻掺杂的N型砷化镓层，重掺杂的N型砷化镓层上重复有重掺杂的P型砷化镓层，轻掺杂的N型砷化镓层，重掺杂的N型砷化镓层。
附图说明
图1是现有应用在微波及毫米波电路中的几种主要HBT击穿电压与最大截至频率比较图。
图2是砷化镓能带结构图。
图3是复合收集区弹道传输异质结双极晶体管剖面图。
图4(a)是PN结电场的方向图。
图4(b)是N+N接触电场的方向图。
具体实施方式
在GaAs中，Γ能谷与L能谷相差0.31eV，如图2所示。在强电场作用下，Γ能谷中的电子跃迁到L能谷，使电子运动的速度降低。电子到达L能谷后，将以8×106cm/s的饱和速度运动。可是，瞬变过程伴随着电子动量和能量的改变，在强电场下，由于动量驰豫时间小于能量驰豫时间，完成瞬变所需时间为能量驰豫时间量级。在GaAs中电子在跃迁到L能谷之前存在10-13-10-12秒的能量驰豫时间，在能量驰豫时间内，电子的速度存在过冲现象，过冲速度高达5×107cm/s，电子要以这个速度在γ能谷中运动一段距离。能量弛豫时间后，电子跃迁到L能谷，以8×106cm/s的饱和速度运动。集电区越薄，电子以过冲速度运动的距离在整个耗尽区中所占的比例越大，因此，对时间常数的减少也就越多，从而对器件频率特性的提高也就越有利。如果在整个集电结耗尽区内电子均以5×107cm/s的速度运动，而不是以8×106cm/s的饱和速度运动，τsc将大大降低，器件的频率特性将显著的提高。可是，电子在GaAs材料中以过冲速度运动的距离有限，要想使电子在整个集电结耗尽区内均以5×107cm/s的速度运动，集电区必须做得很薄，这将使器件的击穿电压大大降低，以至于器件在许多领域均无法应用。为此，本发明设计了一种复合集电区异质结构来解决上述问题。具体结构如表1以及图3所示。
     表1复合收集区BCT结构
    层     材料     掺杂类型
6帽层     In0.5Ga0.5As     N++
                   0.5InyGa1-yAs y ↑0 N++
    GaAs     N+
    5发射区     InxGa1-xP     N
    4基区     GaAs     P++
3收集区     (60)GaAs     N+
    (50)GaAs     N-
    (40)GaAs     P+
    (30)GaAs     N+
    (20)GaAs     N-
    (10)GaAs     P+
   2子收集区     GaAs     N+
   1衬底     半绝缘GaAs
其中，N表示N型掺杂，P表示P型掺杂，“+”号表示重掺杂，“-”号表示轻掺杂。“+”表示很重的掺杂。
请参阅图3及表1，在这种结构中，首先在半绝缘GaAs衬底1上生长一层N+掺杂的GaAs子收集区2；在子收集区2上是复合收集区3，复合收集区3依次包括重掺杂的P型GaAs 10，轻掺杂的N型GaAs 20，重掺杂的N型GaAs 30；其中重掺杂的P型GaAs 10、重掺杂的N型GaAs 30层厚度相同且比轻掺杂的N型GaAs 20层薄很多，并且重掺杂的P型GaAs 10、重掺杂的N型GaAs 30层为偶极掺杂。40、50、60层为重掺杂的P型GaAs 10、轻掺杂的N型GaAs 20、重掺杂的N型GaAs 30层的重复。在符合收集区3上是很重的掺杂的P型GaAs基区4。基区4上是N型铟镓磷(InxGa1-xP)发射区5。最上面是为制作欧姆接触用的帽层6，在帽层6上形成有一发射极9，该帽层6由三部分组成：重掺杂的N型GaAs，组分渐变的很重掺杂的N型铟镓砷(InyGa1-yAs)，InyGa1-yAs材料由GaAs(y＝0)逐渐过渡到In0.5Ga0.5As(y＝0.5)材料，最后一层是很重掺杂的N型In0.5Ga0.5As材料。在基区4上、N型铟镓磷发射区5的两侧形成有基极8。
本发明的基本思想是减小集电结耗尽区的电场强度，使电子能够停留在Γ能谷而不跃迁到L能谷，从而使电子保持较高的迁移率和有效速度，使器件的频率和击穿特性均得到提高。如果收集区为简单结构的话，在基区(B)与收集区(C)接触处的场强高达100kV/cm数量级，电子进入收集区后很快就能从电场中获得足够的能量从Γ能谷跃迁到L能谷，电子进入L能谷后将以8×109cm/s的饱和速度运动。尽管电子获得足以进入L能谷的能量后要经过一个能量驰豫时间才能进入L能谷，电子在进入L能谷之前会以很高的速度运动一段距离，但是这个距离很短，而且随着BC结所加偏压的增加而减少。所以，必须设法减少BC结耗尽区的场强，使电子以过冲速度运动的距离增加，同时，场强的减少也使其击穿电压增加。
本发明采用复合收集区结构，由于收集区3的N+层60很薄，所以它是完全耗尽的，而收集区3的N-层20、N-层50也要完全或部分耗尽，在收集区3的N+层60和N-层50中电场方向由收集区指向基区，如图4(a)所示。这个电场对电子加速，电子从这个电场中获得能量，速度增加，当电子的速度达到过冲速度时，它将以过冲速度运动一段距离，然后进入L能谷。设法减弱收集区耗尽层的电场强度，就可以使电子以过冲速度运动的距离增加，停留在Γ能谷中的时间延长，这将使器件的截止频率提高，收集区3的N+层60与收集区3的N-层50的设计就可以达到这个目的。由于收集区3的N+层60中电子的浓度高而收集区3的N-层50中的电子浓度低，因此它们之间形成一阻滞场，这个电场的方向与图4(a)中BC结电场的方向相反(如图4(b)所示)，它可以起到减弱BC结电场，增加电子以过冲速度运动的距离的作用。电子在收集区3的N+层60、N-层50中运动获得足以到达L能谷的能量并经过能量驰豫时间后就要跃迁到L能谷。当电子跃迁到L能谷后，其运动的速度就要降低，电子迁移率减少，这对提高器件的频率特性是极为不利的。在电子到达L能谷之前，设法使电子运动的速度降低，就可以使电子停留在Γ能谷，从而使电子有较高的电子迁移率。收集区3的P+层40就可以起到这个作用。收集区3的N-层50与收集区3的P+层40之间形成一个电场，电场的方向由收集区3的N-层50指向收集区3的P+层40，如图4(a)所示，它可以起到阻碍电子运动使电子运动的速度降低的作用。电子经过收集区3的P+层40以后，速度降低。电子进入收集区3的N+层30、N-层20和收集区3的P+层10后，重复收集区3的N+层60、收集区3的N-层50和收集区3的P+层40的运动过程。之所以设计收集区3的N+层30、N-层20和P+层10是因为如果只有收集区3的N+层60、N-层50和P+层40的话，为了获得较高的电子运动的速度，每一层的厚度不能太厚，这样，器件的击穿电压将不能达到要求。重复收集区3的N+层60、N-层50、P+层40后，可以使电子在整个集电区均以较高的速度运动。由于集电区较厚，也可获得较高的击穿电压。根据击穿电压的需要可以设计多次重复收集区3的N+层60、N-层50、P+层40层的集电区结构。

Claims (6)

1、一种砷化镓基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管，具有多重收集区结构，其特征在于，器件结构包括：
一半绝缘砷化镓衬底；
一N+掺杂的砷化镓子收集区，该N+掺杂的砷化镓子收集区生长在半绝缘砷化镓衬底上；
一复合收集区，该复合收集区生长在N+掺杂的砷化镓子收集区上；
一很重掺杂的P型砷化镓基区，该很重掺杂的P型砷化镓基区生长在复合收集区上；
在基区上形成有一N型铟镓磷发射区，最上面是为制作欧姆接触用的帽层，在帽层上形成发射极，在基区上、N型铟镓磷发射区的两侧形成有基极。
2、根据权利要求1所述的砷化镓基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管，其特征在于，其中复合收集区依次包括重掺杂的P型砷化镓层，轻掺杂的N型砷化镓层，重掺杂的N型砷化镓层。
3、根据权利要求1所述的砷化镓基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管，其特征在于，其中帽层由三部分组成，重掺杂的N型砷化镓层，组分渐变的很重掺杂的N型铟镓砷，铟镓砷材料由砷化镓层逐渐过渡到铟镓砷层材料，最后一层就是很重掺杂的N型铟镓砷材料层。
4、根据权利要求2所述的砷化镓基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管，其特征在于，其中重掺杂的P型砷化镓层和重掺杂的N型砷化镓层厚度相同，轻掺杂的N型砷化镓层的厚度大于重掺杂的P型砷化镓层和重掺杂的N型砷化镓层。
5、根据权利要求2或4所述的砷化镓基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管，其特征在于，其中重掺杂的P型砷化镓层和重掺杂的N型砷化镓层为偶极掺杂。
6、根据权利要求2所述的砷化镓基复合收集区弹道传输异质结双极晶体管，其特征在于，其中复合收集区的重掺杂的P型砷化镓层，轻掺杂的N型砷化镓层，重掺杂的N型砷化镓层上重复有重掺杂的P型砷化镓层，轻掺杂的N型砷化镓层，重掺杂的N型砷化镓层。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102569069A (zh) * 2012-03-09 2012-07-11 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 SiGe-HBT晶体管及其制备方法
CN104392923A (zh) * 2014-10-20 2015-03-04 中国电子科技集团公司第十三研究所 异质结双极型晶体管的制作方法

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