CN1617313A - 低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计 - Google Patents

低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计 Download PDF

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Abstract

本发明低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计，其中包括：砷化镓衬底；该衬底上生长一层重掺杂的N型砷化镓子收集区；该子收集区上是轻掺杂的N型砷化镓收集区；该收集区上为重掺杂的P型铟镓砷锑基区；该基区上为铟镓磷发射区；最上面一层为作欧姆接触用的帽层。

Description

低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计
技术领域：
本发明属于半导体微电子，微波器件领域，特别是指低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计。
背景技术介绍：
便携式电子设备(例如手机)的发展趋势是延长电池的使用受命而不降低它的性能。这就要求降低应用在这种设备中元器件的功耗，也就是说要降低它们的开启电压Von。磷化铟(InP)基异质结双极晶体管(HBT)的开启电压小于0.5V，从性能方面考虑，它是最佳选择。但是InP衬底的尺寸、高成本、易碎性限制了它的大规模、低成本生产。因此，发展砷化镓(GaAs)基HBT，使之适用于低压、低功耗应用是非常必要的。
铟镓磷(InGaP)/砷化镓(GaAs)HBT具有很高的可靠性，但美中不足之处是它的Von大，这使得它的功耗大并且限制了它在低功耗方面的应用。减少Von，可以使其有在低功耗，便携式设备中应用的潜力。降低基区材料的禁带宽度，可以使Von的值减少。
目前在GaAs基HBT中，用于低开启电压的基区材料主要有铟镓砷氮(InxGa1-xAsyN1-y)和镓砷锑(GaAsySb1-y)两种。In0.03Ga0.97As0.99N0.01材料与GaAs材料的晶格匹配，但是，基区In0.03Ga0.97As0.99N0.01材料与收集区GaAs材料之间存在大的导带不连续性(如图1所示)，这使得HBT的BC结存在电子阻挡效应，致使电子在基区的时间延长，器件的频率特性降低，同时BC结电子的阻挡效应也使HBT的电流增益降低。尽管在BC结用组分渐变层可以克服这个缺点，但是它给器件的设计和制备带来了困难。
如果把基区换成低禁带宽度的GaAs0.92Sb0.08材料，就可以避免BC结电子阻挡效应的发生(如图2所示)，同时也可以达到减小开启电压Von的目的。但是GaAs0.92Sb0.08和In0.03Ga0.97As0.99N0.01材料的缺点是电子迁移率较小，这使得它的基区电阻较大，频率特性也受到了限制。
为了克服上述缺点，本发明提出了一种新的GaAs基HBT结构。它的目的是降低GaAs基HBT开启电压的同时，克服GaAsySb1-y材料电子迁移率低等不足。
发明内容：
针对GaAsySb1-y材料电子迁移率低等问题，在深入研究了III-V族化合物半导体材料的物理性质、能带结构的基础上，选取铟镓砷锑(InxGa1-xAsySb1-y)材料作为GaAs基HBT的基区，GaAs材料为收集区，InGaP材料为发射区，其器件的剖面图如图3所示。本发明提出了两种新的GaAs HBT器件结构。
基区GaAsySb1-y材料中掺入适量的铟(In)以后，可以提高材料的电子迁移率，因此可以提高器件的频率特性。材料的电子迁移率随着In组分的增加而增加，但是，它的导带能量随着In组分的增加而降低。控制InxGa1-xAsySb1-y材料中In的含量，使InxGa1-xAsySb1-y材料导带底的高度不低于GaAs材料导带底的高度，这样既可保证这种新结构HBT的BC结不存在电子阻挡效应，也可以使器件有较低的开启电压Von，同时又可提高其基区材料的电子迁移率。
InxGa1-xAsySb1-y材料的禁带宽度小于GaAs材料的，因此，可以降低GaAs基HBT的开启电压Von。
这种新结构的GaAs基HBT，BC结不存在电子阻挡效应，比常规GaAs HBT有更低的开启电压，同时它的基区InxGa1-xAsySb1-y材料的电子迁移率又比GaAsySb1-y材料的高，因此，它比GaAs/GaAsySb1-yHBT有更优越的直流和微波特性。
说明书附图简要说明：
图1：GaAs/InxGa1-xAsyN1-y/GaAs HBT能带结构示意图
图2：GaAs/GaAsySb1-yHBT能带结构示意图
图3：InGaP/InxGa1-xAsySb1-y/GaAs DHBT剖面图
图4：基区材料组分不变InGaP/InxGa1-xAsySb1-y/GaAs DHBT能带结构示意图
图5：基区材料组分渐变的InGaP/InxGa1-xAsySb1-y/GaAs DHBT能带结构示意图
实施本发明的方式：
本发明可以用以下两种器件结构来实现。
第一种器件结构：基区材料组分不变InGaP/InxGa1-xAsySb1-y/GaAs DHBT基区用固定组分的InxGa1-xAsySb1-y材料时，它的器件结构为：首先在GaAs半绝缘衬底1上生长一层重掺杂的N型GaAs子收集区2；在子收集区上是轻掺杂的N型GaAs收集区3；然后再生长一层重掺杂的P型InxGa1-xAsySb1-y 4作为基区，其中x、y的值固定不变；基区上面是InGaP发射区5；最上面一层是作欧姆接触用的重掺杂的帽层N+-GaAs和N+-InxGa1-xAs层6。其各层材料及掺杂类型如表1所示。
表1基区材料组分不变的InGaP/InxGa1-xAsySb1-y/GaAs DHBT结构
   层     材料   掺杂类型
   6帽层     InxGa1-xAs     N+
    GaAs     N+
   5发射区     InGaP     N
   4基区     InxGa1-xAsySb1-y     P+
   3收集区     GaAs     N-
   2子收集区     GaAs     N+
   1衬底     S.I.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
在上述结构中，首先选取In的含量x，选取的原则是使BC结控制在不存在电子阻挡效应的范围内，其能带结构示意图如图4所示。
第二种器件结构：基区材料组分渐变的InGaP/InxGa1-xAsySb1-y/GaAs DHBT结构
从器件的发射区边缘开始，逐渐增加基区InxGa1-xAsySb1-y材料中In的含量，同时减少Sb的含量，可以得到基区材料组分渐变的InGaP/InxGa1-xAsySb1-y/GaAsDHBT结构。在基区掺入In以后，可以使导带能量降低，In的含量逐渐增加，致使基区的导带能量逐渐降低，如图5所示。基区的导带能量的逐渐降低使得基区形成一个加速电子运动的电场。这个电场的存在，使基区渡越时间由τB＝qXB 2/2kTμn变为τB＝f(κ)qXB 2/2kTμn，其中，f(κ)＝2/κ(1-1/κ+(1/κ)e-k)，κ＝ΔEg/kT，ΔEg为发射区和收集区末端基区的能带差，q为电子所带的电量，k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，XB为基区宽度，μn为电子迁移率。当κ→0时，f(κ)→1。从这个公式可以看出，基区的导带能量渐变时，电子的基区渡越时间可进一步减少，器件的频率特性也可进一步提高。
表2基区材料组分渐变的InGaP/InxGa1-xAsySb1-y/GaAs DHBT结构
   6帽层     InxGa1-xAs     N+
    GaAs     N+
   5发射区     InGaP     N
4基区                         小InxGa1-xAsySb1-y  x ↓大 P+
   3收集区     GaAs     N-
   2子收集区     GaAs     N+
   1衬底     S.I.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2给出了这种结构的InGaP/InxGa1-xAsySb1-y/GaAs DHBT其各层材料及掺杂类型。它们为：在GaAs半绝缘衬底1上首先生长一层与GaAs晶格匹配的重掺杂的N型GaAs子收集区2；在子收集区上是轻掺杂的N型GaAs收集区3；然后再生长一层重掺杂的P型InxGa1-xAsySb1-y材料作为基区4，其中x的值逐渐减小，而y则逐渐增加。基区上面是InGaP发射区5；最上面一层是作欧姆接触用的重掺杂的帽层N+-GaAs和N+-InxGa1-xAs层6。

Claims (8)

1、一种低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计，其特征在于，器件的结构包括：
---半绝缘砷化镓衬底；
---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；
---该子收集区上是轻掺杂的N型砷化镓收集区；
---该收集区上为重掺杂的P型铟镓砷锑基区；
---该基区上为铟镓磷发射区；
---最上面一层为作欧姆接触用的帽层。
2、根据权力要求书1所述的低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计，其特征在于，其中在子收集区上制作集电极。
3、根据权力要求书1所述的低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计，其特征在于，其中在基区上制作基极。
4、根据权力要求书1所述的低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计，其特征在于，其中在帽层上制作发射极。
5、根据权力要求书1所述的低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计，其特征在于，其中所述的衬底材料为半绝缘砷化镓衬底。
6、根据权力要求书1所述的低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计，其特征在于，其中所述的N型子收集区为砷化镓材料。
7、根据权力要求书1所述的低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计，其特征在于，其中所述的P型基区是铟镓砷锑材料。
8、根据权力要求书1所述的低开启电压砷化镓基新结构异质结双极晶体管结构设计，其特征在于，其中所述的发射区为铟镓磷材料。
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