DE102011004411A1 - Siliziumbasierter Heterobipolartransistor mit einer Kollektorschicht aus einem III-V-Halbleiter - Google Patents

Siliziumbasierter Heterobipolartransistor mit einer Kollektorschicht aus einem III-V-Halbleiter Download PDF

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Abstract

Heterobipolartransistor, mit einem Substrat aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial, einem Emittergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer Basisschicht aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und mit einer Kollektorschicht, die entweder teilweise oder vollständig von einem III-V-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heterobipolartransistor mit einem Substrat aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial, einem Emittergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer Basisschicht aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und mit einer Kollektorschicht.
  • Heterobipolartransistoren dieser Art, die auf Siliziumbasis hergestellt werden, sind beispielsweise aus der Veröffentlichung WO 03/046948 A2 bekannt. Für die Nutzung solcher Transistoren in Hochfrequenzanwendungen sind zahlreiche Optimierungsmöglichkeiten beschrieben, beispielsweise in der Veröffentlichung WO 2006/061439 A2 . Die Hochfrequenzeigenschaften eines Transistors werden in diesem Zusammenhang üblicherweise mit Hilfe der Transitfrequenz fT und der maximalen Oszillationsfrequenz fmax charakterisiert. Maßnahmen zu ihrer Verbesserung sind beispielsweise eine laterale und vertikale Skalierung des Transistors sowie eine Reduzierung parasitischer Impedanzen, insbesondere parasitärer Kapazitäten. Dabei muss aufgrund des Auftretens von Stoßionisationsprozesse bei hohen Geschwindigkeiten, welche insbesondere bei hohen Stromdichten erzielbar sind, ein Kompromiss zwischen einem hohen Wert der Transitfrequenz fT und der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung BVCEO gefunden werden. Dieser Zusammenhang ist auch als „Johnson-Limit” formuliert, wonach das Produkt der Transitfrequenz und der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung eine Konstante ergibt.
  • Obwohl in der jüngeren Vergangenheit durch Optimierung von Heterobipolartransistoren auf Siliziumbasis große Erfolge erzielt werden konnten, die zu aktuellen Werten der Transitfrequenz fT von 300 GHz und der maximalen Oszillationsfrequenz fmax von 500 GHz bei einer Durchbruchsspannung BVCEO von etwa 1,65 V geführt haben, zeichnet sich ab, dass eine weitere Steigerung dieser Frequenzen bis in den Terahertzbereich mit Hilfe lateraler und vertikaler Skalierung oder einer weiteren Reduzierung parasitärer Kapazitäten allein nur schwerlich erreichbar sein wird.
  • Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es daher, einen Heterobipolartransistor der eingangs genannten Art anzugeben, der für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb besonders geeignete Merkmale aufweist und der zugleich eine ausreichend hohe Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung aufweisen kann.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt vor, dieses technische Problem bei einem Heterobipolartransistor der eingangs genannten Art mit Hilfe einer Kollektorschicht aus einem III-V-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps zu lösen.
  • Ein erfindungsgemäßer Heterobipolartransistor weist also auf:
    • - ein Emittergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps,
    • - eine Basisschicht aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und
    • - eine Kollektorschicht aus einem III-V-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Hochfrequenzeigenschaften und die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung eines Heterobipolartransistors auch durch eine geeignete Materialwahl günstig beeinflusst werden können. Die erfindungsgemäß nur partielle Integration eines III-V-Halbleitermaterials durch entsprechende Materialwahl für die Kollektorschicht nutzt die Erkenntnis, dass über die Materialeigenschaft der Sättigungsgeschwindigkeit die Transitfrequenz fT beeinflusst werden kann und damit zugleich die maximale Oszillationsfrequenz fmax. Darüber hinaus beeinflusst die Materialwahl die im Kollektor erzielbare Stromdichte Jc, mit welcher ebenfalls die Transitfrequenz fT und die maximale Oszillationsfrequenz fmax günstig beeinflusst werden.
  • Gleichzeitig ermöglicht der erfindungsgemäße Heterobipolartransistor durch Verwendung eines Substrats aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial und einer Basisschicht aus einem – in manchen Ausführungsbeispielen identischen, in anderen Ausführungsbeispielen vom Substratmaterial verschiedenen – Gruppe-IV-Halbleitermaterial die Nutzung hochentwickelter industrieller Fertigungstechnologien. Gegenüber Transistoren aus III-V-Halbleitermaterialien zeichnet sich der erfindungsgemäße Heterobipolartransistor daher durch seine Integrationsfähigkeit in die industriellen Fertigungstechnologien der Silizium-Bipolartechnologie und der siliziumbasierten MOS-Technologie-Familie (NMOS, PMOS, CMOS, BiCMOS) aus, und somit nicht zuletzt durch einen deutlich geringeren Kostenaufwand für seine Herstellung im Vergleich mit III-V-Halbleiter-basierten Hochgeschwindigkeits-Bipolartransistoren.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Heterobipolartransistors beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, es sei denn, sie werden ausdrücklich als einander ausschließende Alternativen beschrieben.
  • Ein Heterobipolartransistor wird zumeist mit einer im Substrat oder substratnah angeordneten Kollektorschicht, einer darüber epitaktisch abgeschiedenen Basisschicht und einem darüber, also substratfern angeordneten Emitter hergestellt. Für die Realisierung des erfindungsgemäßen Heterobipolartransistors ist es aber besonders vorteilhaft, wenn diese Reihenfolge umgekehrt ist, indem beispielsweise eine Oberfläche des Substrats von einem siliziumhaltigen Gruppe-IV-Halbleiter gebildet ist, der das Emittergebiet enthält. Auf dem Gruppe-IV-Halbleiter, also insbesondere angrenzend zum Emittergebiet, ist die Basisschicht abgeschieden, und auf der Basisschicht wiederum ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Kollektorschicht abgeschieden. Mit Hilfe dieser Anordnung gelingt es, das thermische Budget, welches die Kollektorschicht aus III-V-Halbleitermaterial belastet, gering zu halten. Denn für die Herstellung von Halbleiterschichten aus Gruppe-IV-Halbleitern wird eine im Vergleich zu III-V-Halbleitern höhere Prozesstemperatur benötigt, welche die Schichtqualität der III-V-Halbleiterschicht negativ beeinflussen würde. Zudem kann die Defektdichte in den auf dem Substrat epitaktisch abgeschiedenen Schichten des Transistors besonders gering gehalten werden, wie auch weiter unten anhand einiger Weiterbildungen dieses Ausführungsbeispiels näher erläutert wird. Eine geringe Defektdichte fördert die Ladungsträgerbeweglichkeit und (damit) günstige Hochfrequenzeigenschaften.
  • Als Gruppe-IV-Halbleiter zur Verwendung im Substrat, insbesondere an der Oberfläche des Substrats eignet sich insbesondere Silizium, beispielsweise (001)-Silizium, (011)-Silizium oder (111)-Silizium. Denkbar ist aber auch die Verwendung eines Substrats mit einer Oberflächenschicht aus Silizium oder SiGe, oder eines SOI(Silicon On Insulator)-Substrats.
  • Als III-V-Halbleitermaterial für die Kollektorschicht kann beispielsweise ein binäres, ternäres oder quaternäres III-V-Halbleitermaterial gewählt werden. Bevorzugte binäre III-V-Halbleiter sind Galliumphosphid GaP, Indiumphosphid InP, und Aluminiumphosphid AlP. Ein Beispiel eines ternären III-V-Halbeleiters ist InGaP, und ein Beispiel eines quatemären III-V-Halbleiters ist InGaAlP.
  • Nicht alle III-V-Halbleitermaterialien sind in gleicher Weise geeignet. Je nach gewünschtem Optimierungsziel sind unterschiedliche Wichtungen der jeweiligen Materialeigenschaften und somit auch unterschiedliche Anteil des jeweiligen Gruppe-III- oder Gruppe-V-Elements am III-V-Halbleitermaterial der Kollektorschicht sinnvoll.
  • Neben den erwähnten Gruppe-III-Metallen Gallium, Aluminium und Indium sind grundsätzlich auch andere Gruppe-III-Metalle verwendbar. Bevorzugt ist das Gruppe-III-Metall jedoch überwiegend Gallium oder Aluminium oder Indium oder eine Mischung dieser Elemente.
  • Bevorzugt ist jedoch das Gruppe-V-Element des III-V-Halbleiermaterials zu einem überwiegenden Anteil Phosphor. GaP hat gegenüber Silizium eine nur geringe Gitterfehlanpassung von 0,4%, während etwa InP eine Gitterfehlanpassung von 8,1% aufweist. Ein hoher Gallium-Anteil sichert also eine geringe Dichte struktureller Defekte wie Versetzungen und somit eine hohe kristalline Qualität der Kollektorschicht. Reines GaP zeichnet sich darüber hinaus bei guter Eignung für Hochfrequenzanwendungen durch eine größere Bandlücke aus und ermöglicht auf diese Weise die Erzielung einer höheren Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung BVCEO.
  • Allerdings hat InP eine höhere Elektronenbeweglichkeit und eine höhere Sättigungsgeschwindigkeit als GaP, was durch Beimischung von InP zum III-V-Halbleitermaterial eine positive Beeinflussung der Hochgeschwindigkeitseigenschaften des Heterobipolartransistors bewirkt. Indium wird demnach aufgrund seiner hohen Gitterfehlanpassung von InP bevorzugt lediglich zur Beimischung für eine positive Beeinflussung der Hochgeschwindigkeitseigenschaften und im Rahmen eines Bandgap- und Strain-Engineering eingesetzt. Durch Wahl einer ternären Verbindung mit gezielt eingestelltem Anteil von Gallium, Indium und/oder Aluminium können also einerseits die Gitterparameter und zum anderen die elektronischen Parameter optimiert werden.
  • Entsprechende Überlegungen wie zu den Gruppe-III-Phosphiden können auch für die Gruppe-III-V-Arsenide angestellt werden, so dass das verwendete III-V-Halbleitermaterial alternativ oder zusätzlich Arsen als Gruppe-V-Element enthaften kann. Arsen, aber auch Stickstoff, oder eine Mischung aus Arsen und Stickstoff bilden in entsprechenden Ausführungsbeispielen jedoch einen Anteil von weniger als 10% des Gruppe-V-Elements des III-V-Halbleitermaterials.
  • Eine Gitteranpassung zwischen der Kollektorschicht und der angrenzenden Gruppe-IV-Halbleiterschicht kann bei Bedarf auch dadurch verbessert werden, dass der Gruppe-IV-Halbleiter Siliziumgermanium SiGe ist. Bekanntlich wird mit wachsendem Germaniumanteil von SiGe die Gitterkonstante dieses Gruppe-IV-Halbleiters größer. Auch hier sind natürlich die Implikationen der Materialwahl für die elektronischen Eigenschaften zu berücksichtigen und können durch Beimischung von Kohlenstoff weiter beeinflusst werden. Kohlenstoff erhöht Bandlücke und reduziert die Gitterkonstante. Im Normalfall wird eine SiGe- oder SiGe:C-Basis- oder Transitschicht jedoch pseudomorph zur darunter liegenden Siliziumschicht sein, so dass eine Reduzierung der Gitterfehlanpassung dann nicht erzielt wird.
  • Mit Hilfe einer Beimischung von Stickstoff im oben genannten Rahmen bis zu einem Anteil von 10% am Gruppe-V-Element des III-V-Halbleiters kann aber beispielsweise GaP – je nach genauem Mischungsverhältnis – entweder nahezu oder vollständig gitterangepasst zu Silizium (001) und damit auch zu pseudomorph auf Si (001) abgeschiedenem SiGe oder SiGe:C aufwachsen. Für eine vollständige Gitteranpassung ist GaP0,98N0,02 geeignet.
  • Die Kollektorschicht ist in Ausführungsbeispielen vollständig von dem III-V-Halbleitermaterial gebildet. Bevorzugt enthält der Heterobipolartransistor zwischen der Basisschicht und der Kollektorschicht eine Transitschicht, welche eine Schichtdicke hat, die geringer ist als die ballistische Weglänge der Majoritätsladungsträger der Kollektorschicht, im Falle eines npn-Transistors also der Elektronen. Bevorzugt ist unter diesem Gesichtspunkt bei einem npn-Transistor eine Schichtdicke der Transitschicht von weniger als 10 Nanometer.
  • Die Transitschicht ist vorzugsweise wie die Basisschicht aus einem Gruppe-IV-Halbleiter hergestellt und gitterangepasst zur Basisschicht. Sie kann aufgrund ihrer geringen Schichtdicke für viele Materialkombinationen von Basis- und Transitschicht problemlos pseudomorph zur Basisschicht sein. Mit Hilfe einer solchen Transitschicht gelingt es zum einen, die Defektdichte im Grenzbereich von Kollektor und Basis gering zu halten, da die Gitterfehlanpassung zwischen der Basis und der Transitschicht vernachlässigbar ist. Defekte in der Kristallstruktur wie beispielsweise Versetzungen können bei dieser Ausführungsform vielmehr erst an der Grenzfläche der Transitschicht zum III-V-Halbleitermaterial des Kollektors entstehen.
  • Die Transitschicht ist in einem Ausführungsbeispiel zur Ausbildung des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert, in einem alternativen Ausführungsbeispiel jedoch ist sie nicht absichtlich dotiert und weist ihre intrinsische Leitfähigkeit auf. Insoweit die Transitschicht dotiert ist und im Falle einer Leitfähigkeit vom ersten Leitfähigkeitstyp dieselbe Leitfähigkeit aufweist wie die Kollektorschicht und zusätzlich nicht aus III-V-Halbleitermaterial gefertigt ist, wird dies im Rahmen dieser Anmeldung als die Konstellation einer „teilweise” von einem III-V-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps gebildeten Kollektorschicht verstanden. Dieses Ausführungsbeispiel macht jedoch zugleich deutlich, dass die Kollektorschicht zur Erzielung der erläuterten vorteilhaften Hochfrequenzeigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen aus III-V-Halbleitermaterial besteht.
  • Bevorzugt wird die Transitschicht n-dotiertem Silizium gebildet. Die Basis enthält bei diesem und anderen Ausführungsbeispielen vorzugsweise eine Basisschicht aus SiGe:C. Sie ist besonders bevorzugt vollständig von SiGe:C-Schicht gebildet.
  • Eine Transistorstruktur, welche die Defektdichte zusätzlich reduziert, sieht vor, dass auf dem Substrat eine Isolationsschicht abgeschieden ist, die eine Öffnung aufweist, welche von der Oberfläche der Isolationsschicht bis zur Substratoberfläche reicht und in der die Basisschicht und die Kollektorschicht – sowie gegebenenfalls die Transitschicht zwischen der Basisschicht und Kollektorschicht – angeordnet sind. Diese Struktur kann mit einer besonders geringen Defektdichte hergestellt werden, da eine Abscheidung in relativ schmalen Öffnungen der Isolationsschicht eine Ausbreitung von Versetzungslinien über die jeweilige Öffnung hinaus verhindert. Im Vergleich erlaubt ein ganzflächiges Abscheiden des III-V-Halbleitermaterials auf einer nicht gitterangepassten Unterlage der Basisschicht eine weitgreifende laterale Ausbreitung von Defekten wie Versetzungslinien in der III-V-Halbleiterschicht des Kollektors, so dass die Dichte an Defekten in dieser Schicht insgesamt höher wäre.
  • Die Kollektorschicht aus III-V-Halbleitermaterial hat vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 50 und 500 Nanometer. Schichtdicken zwischen 100 und 300 Nanometer sind besonders vorteilhaft.
  • Die Gestaltung der Emitterschicht kann bekannten Prinzipien folgen. Eine mögliche Struktur des erfindungsgemäßen Heterobipolartransistors begrenzt das Emittergebiet im substratseitigen Silizium-haltigen Gruppe-IV-Halbleiter seitlich durch flache Isolationsgebiete, deren Tiefenerstreckung von der Substratoberfläche in Richtung zum Substratinneren hin maximal 500 Nanometer beträgt.
  • In einer Ausführungsform nehmen die Basisschicht und die Kollektorschicht mit zunehmendem vertikalen Abstand von der Emitterschicht an seitlicher Erstreckung zu.
  • Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele anhand der Figuren erläutert. Darin zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
  • 2 eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
  • 3 eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors nach einem dritten Ausführungsbeispiel;
  • 4 ein schematisches Bandstrukturdiagramm eines Heterobipolartransistors nach einem vierten Ausführungsbeispiel.
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors 100 nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Darstellung des Heterobipolartransistors 100 ist der Einfachheit halber auf seine wesentlichen Funktionsschichten, nämlich Emitterschicht 102, Basisschicht 104 und Kollektorschicht 106 beschränkt. Die Figur zeigt keine maßstäbliche Ansicht der Dickenverhältnisse der Schichten, sondern lediglich eine rein schematische Strukturdarstellung einer Schichtfolge der aktiven Schichten des Heterobipolartransistors 100.
  • 1 verzichtet auch auf die Darstellung eines Substrats. Dieses kann entweder unmittelbar angrenzend an dem Emitter vorgesehen sein. Wie weiter unten anhand von 2 ersichtlich werden wird, kann der Emitter auch im Substrat selbst ausgebildet sein. Alternativ ist das Substrat unmittelbar mit dem Kollektor verbunden, ist die Schichtfolge des Transistors also umgekehrt. Diese Variante ist jedoch derzeit nicht bevorzugt, weil sie die die Kollektorschicht mit dem höheren thermischen Budget der Siliziumtechnologie belastet würde und sie darüber hinaus aufgrund einer hohen Defektdichte im Kollektor 106 und den angrenzenden Schichten von Basisschicht 104 und Emitterschicht 102 die Leistungsparameter des Transistors negativ beeinflussen würde. Für die Zwecke der nachfolgenden Beschreibung wird daher von der bevorzugten Ausführungsform ausgegangen, bei der das Substrat unmittelbar an den Emitter angrenzt.
  • Die Emitterschicht 102 ist vorliegend aus dem Material des Substrats gefertigt, beispielsweise aus Silizium (100). Im Falle eines npn-Heterobipolartransistors ist der Emitter 102 n-dotiert, vorzugsweise mit einer hohen Dotierstoffkonzentration (n+). Im Falle eines pnp-Transistors ist der Emitter 102 hoch p-dotiert.
  • Die Basisschicht 104 ist vorzugsweise aus einem zur darüber abgeschiedenen Kollektorschicht 106 möglichst gut gitterangepassten Gruppe-IV-Halbleiter gefertigt. Beispielsweise eignet sich eine Si0,8Ge0,2-Schicht, die zusätzlich mit Kohlenstoff versetzt sein kann, um eine gute Gitteranpassung und eine geeignete Bandstruktur gleichzeitig zu erzielen. Im Falle eines npn-Transistors ist die Basis p-dotiert. Insbesondere eine Dotierung der Basisschicht 104 mit Kohlenstoff erweist sich als hilfreich, um die Basisschicht 104 bei hoher Dotierstoffkonzentration möglichst dünn fertigen zu können, was die Hochfrequenzeignung des Bipolartransistors erhöht.
  • An die Basisschicht 104 grenzt im Ausführungsbeispiel der 1 eine Kollektorschicht 106 aus einem III-V-Halbleitermaterial des Leitfähigkeitstyps des Emitters an. Die Kollektorschicht kann aus einem binären, ternären oder quaternären Halbleitermaterial gefertigt sein. Als Gruppe-V-Element ist überwiegend Phosphor enthalten. Zusätzlich kann auch Stickstoff oder Arsen oder eine Mischung aus Stickstoff und Arsen enthalten sein. Bevorzugt ist die Beimischung dieser Gruppe-V-Elemente jedoch nur mit einem Anteil von weniger als 10% an der Gesamtheit der Atome des Gruppe-V-Elements der III-V-Halbleiterverbindung enthalten. Das Gruppe-III-Element ist vorzugsweise Gallium oder Aluminium oder eine Mischung aus Gallium und Aluminium. Zusätzlich kann in Ausführungsbeispielen des Heterobipolartransistors auch Indium als Gruppe-III-Element im III-V-Halbleitermaterial des Kollektors enthalten sein. Alternativ kann InP verwendet werden.
  • Die Wahl des III-V-Halbleitermaterials kann zum einen wie bereits einleitend erläutert die Gitterkonstante im Vergleich zur angrenzenden Basisschicht 104 berücksichtigen, um eine möglichst hohe Anpassung der Gitterkonstanten zu erzielen. Hierzu können die Anteile der jeweiligen Gruppe-III-Elemente und der Gruppe-V-Elemente geeignet angepasst werden. Ein hoher Anteil von GaP an einer ternären oder quaternären III-V-Halbleiter-Verbindung bewirkt eine vergleichsweise geringe Gitterfehlanpassung gegenüber Silizium. Auf diese Weise werden die Hochfrequenzeigenschaften durch eine geringe Defektdichte gefördert.
  • Zum anderen berücksichtigt die Materialwahl der III-V-Halbleiterschicht die daraus folgenden elektronischen Eigenschaften für das Bauelement, insbesondere also die Bandlücke des III-V-Halbleiters, die resultierende Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung sowie die Beweglichkeit der Ladungsträger. In Frage kommende III-V-Halbleitermaterialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie gegenüber Silizium eine größere Bandlücke aufweisen. InP hat eine Bandlücke von 1,33 eV, GaP eine Bandlücke von 2,26 eV. InP ist ein direkter Halbleiter, während GaP und Silizium indirekte Halbleiter sind. Die Durchbruchsfeldstärke liegt bei GaP im Bereich von etwa 1 × 106 Vcm–1 und bei InP im Bereich von 5 × 105 Vcm–1, während sie zum Vergleich bei Silizium nur im Bereich von etwa 3 × 105 Vcm–1 liegt. Im Sinne einer deutlichen Verbesserung der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung enthält das III-V-Halbleitermaterial daher bevorzugt einen hohen Anteil an GaP und einen vergleichsweise geringen Anteil an InP. InP zeichnet sich jedoch durch eine hohe Mobilität der Elektronen aus, die mit einem Maximalwert von 5400 cm2V–1s–1 um einen Faktor von mindestens 3 gegenüber der maximalen Elektronenbeweglichkeit im Silizium von 1400 cm2v–1s–1 liegt. Die Sättigungsgeschwindigkeit liegt im InP mit etwa 3 × 107 cm/s um einen Faktor von etwa 3 höher als die Sättigungsgeschwindigkeit im Silizium. Auch im GaP ist die Sättigungsgeschwindigkeit mit 1,25 × 107 cm/s höher als im Silizium. Daher eignet sich eine Beimischung von InP, um zusätzlich zur Verbesserung der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung durch einen hohen Galliumanteil auch eine Verbesserung der Elektronenbeweglichkeit zu erzielen.
  • Es wird deutlich, dass mit einer ternären oder quaternären III-V-Verbindung des Typs InGaP oder AlGaP bei hohem Anteil von GaP eine Verbesserung sowohl der Durchbruchseigenschaften als auch der Hochgeschwindigkeitseigenschaften erzielt werden kann. Da die maximalen Löcherbeweglichkeiten in den beiden genannten III-V-Halbleitermaterialien geringer sind als die von Silizium, eignet sich die erfindungsgemäße Struktur insbesondere zur Herstellung von npn-Transistoren mit besonders guten Hochfrequenzeigenschaften und einer zugleich hohen Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung.
  • 2 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors 200 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Heterobipolartransistor 200 in 2 unterscheidet sich vom Heterobipolartransistor 100 der 1 in den nachfolgend erläuterten Punkten.
  • Auf einem in ein Substrat S integrierten Emitter 202 ist eine Isolatorschicht, beispielsweise eine SiO2-Schicht 210 abgeschieden. Die SiO2-Schicht 210 wird im Zuge der Herstellung des Heterobipolartransistors 200 strukturiert, indem eine Öffnung 212 – im industriellen Fertigungsprozess auf einem Wafer selbstverständlich eine große Anzahl von Öffnungen – ausgebildet wird. Die Öffnung 212 wird dann im Herstellungsprozess durch epitaktische Abscheidung ausgehend von der Substrat-/Emitteroberfläche mit den Funktionsschichten von Basis 204 und Kollektor 206 gefüllt. Für die Wahl des Kollektormaterials der Kollektorschicht 206 gelten beim vorliegenden Ausführungsbeispiel dieselben Überlegungen wie sie oben anhand von 1 erläutert wurden.
  • Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zwischen der Basisschicht und der Kollektorschicht 206 zusätzlich eine Transitschicht 208 vorgesehen. Die Transitschicht 208 ist ebenso wie die Basisschicht 204 aus einem Gruppe-IV-Halbleiter gefertigt. Beispielsweise ist die Basisschicht 204 aus p-dotiertem Siliziumgermanium, beispielsweise Si0,8Ge0,2 gefertigt und die Transitschicht 208 aus Silizium. Im Gegensatz zur Basisschicht ist die Transitschicht 208 im vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch n-dotiert, vorzugsweise hoch n-dotiert. Die Transitschicht kann alternativ auch intrinsisch leitfähig sein, also keine absichtliche Dotierung aufweisen. Die Transitschicht 208 ist gitterangepasst oder pseudomorph zur Basisschicht 204.
  • Wesentlich für die Funktion der Transitschicht sind folgende zwei Merkmale: die Transitschicht hat eine Dicke, die geringer ist als die ballistische Länge des Elektrons, d. h. geringer als die mittlere freie Weglänge eines Elektrons im Leitungsband bis zu einem Stoßereignis.
  • Die ballistische Länge von Elektronen beträgt etwa 10 Nanometer. Daher sollte die Schichtdicke der Transitschicht 208 geringer als 10 Nanometer sein. Auf diese Weise kann die Transitschicht im Betrieb des Heterobipolartransistors die Durchbruchsfeldstärke des Transistors erhöhen. Der positive Einfluss der Transitschicht auf die Leistungsparameter des Heterobipolartransistors 200 liegt in einem zweiten Merkmal begründet: die Transitschicht 208 verhindert durch ihre Anwesenheit, dass die Kollektorschicht aus einem III-V-Halbleiter unmittelbar auf dem Gruppe-IV-Halbleiter der Basisschicht 204 abgeschieden ist. Eine solche Heterogrenzfläche würde insbesondere bei einer größeren Gitterfehlanpassung eine große Dichte struktureller Defekte hervorrufen, die sich auch lateral durch die gesamte Kollektorschicht 206 hindurchziehen können. An einer hier vermiedenen direkten Grenzfläche zwischen der n-dotierten Kollektorschicht 208 und der p-dotierten Basisschicht 204, also unmittelbar am pn-Übergang zwischen Kollektor und Basis, wären diese Defekte besonders störend. Durch die Transitschicht 208 werden Defekte an der Grenzfläche zwischen der Transitschicht 208 und der Kollektorschicht 206 erzeugt, während der pn-Übergang selbst defektarm oder defektfrei hergestellt werden kann.
  • Die Defektdichte wird nicht nur durch die Transitschicht 208, sondern auch durch die laterale Beschränkung des Transistors im Fenster der Öffnung 212 gering gehalten. Denn strukturelle Defekte wie Versetzungen können durch die laterale Beschränkung des epitaktischen Wachstums seitlich ausgleiten.
  • 3 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors nach einem dritten Ausführungsbeispiel. in einem Siliziumsubstrat S ist ein Emitter in einer Öffnung eines flachen Isolationsgebiets 310 ausgebildet. Das flache Isolationsgebiet ist als Shallow-Trench-Isolation ausgebildet und hat eine Tiefenerstreckung in Richtung des Substratinneren von maximal etwa 500 nm. Die Tiefenerstreckung der Emitterschicht 302 reicht im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht bis zur Unterkante der flachen Isolationsgebiete. Zur Basisschicht 304 im inneren Transistorgebiet hin verjüngt sich die Öffnung des flachen Isolationsgebiets 310. Die Emitterschicht 302 verjüngt sich entsprechend. An die epitaktisch aufgewachsene Basisschicht 304 schließt sich eine darauf ebenfalls epitaktisch abgeschiedene Transitschicht 308 an, an die die Kollektorschicht 306 angrenzt. Der Kollektor hat in etwa eine T-Form und wird von isolierenden Abstandshaltern von einem Basisanschlussgebiet 314 isoliert. Dieser auch als äußeres Basisgebiet 314 bezeichnete hoch p-dotierte Halbleiterbereich schließt sich seitlich an die Basisschicht 304 an. Kontaktstrukturen sind hier nicht dargestellt.
  • Hinsichtlich Materialwahl und Dotierung der einzelnen Schichten wird auf entsprechende Passagen der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der 2 und der 1 verwiesen.
  • 4 zeigt ein schematisches Bandstrukturdiagramm eines Heterobipolartransistors 500 nach einem vierten Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist der Verlauf der Oberkante des Valenzbands, dem eine Energie EV zugeordnet ist und der Verlauf der Unterkante des Leitungsbandes, dem eine Energie EC zugeordnet ist als Funktion einer Position entlang einem Querschnitt des Heterobipolartransistors, wobei eine Emitterschicht 402 in 4 rechts dargestellt ist, und an diese – in 4 nach links hin – zunächst eine Basisschicht 404, daran eine Transitschicht 408 und an diese schließlich eine Kollektorschicht 406 anschließt. Das Bandstrukturdiagramm der 4 ist grundsätzlich auch für einen Heterobipolartransistor entsprechend der 2 und der 3 repräsentativ. In 4 sind elektronische Parameter der Bandstruktur für eine bestimmte Auswahl von Materialien der jeweiligen Schichten angegeben. So hat die aus n+-Si bestehende Emitterschicht eine Bandlücke von 1,12 eV. Die angrenzende p-Si0,8Ge0,2-Basisschicht 404 hat eine Bandlücke von 1,04 eV. Beide Bandkantenverläufe EC und EV haben an der Grenzfläche zwischen der Emitterschicht 402 und der Basisschicht 404 einen Stufe von 0,1 eV bzw. 0,2 V zu höheren Energien. Beim Übergang zur n-dotierten Si-Transitschicht 408 haben die Bandverläufe jeweils eine entsprechende Stufe zu geringeren Energien. An die Transitschicht 408 schließt sich die Kollektorschicht 406 aus n-GaP an. Der Sprung der Bandlücke auf 2,26 eV macht sich vor allem im Valenzband mit einer hohen (von der Transitschicht aus gesehen) Stufe abwärts um 1,43 eV bemerkbar, während die Stufe im Leitungsband nur um 0,3 eV abwärts verläuft. Vorteile der dargestellten Bandstruktur liegen zum einen in der relativ großen Bandlücke von GaP in der Kollektorschicht 406, die sich vor allem an der Valenzbandoberkante als große Potentialdifferenz zur benachbarten Transitschicht 408 bemerkbar macht. Sie trägt zur Erhöhung der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung VBCEO bei und senkt die Schwellenspannung, wobei der Potentialsprung im Valenzband eine Löcherdiffusion von der Basis in den Kollektor reduziert. Der Einfluss der Impact-Ionisierung wird reduziert. Die Verwendung von SiGe in der Basisschicht 404 hat den Vorteil, die Injektion vom Emitter 402 in die Basis zu fördern.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 03/046948 A2 [0002]
    • WO 2006/061439 A2 [0002]

Claims (13)

  1. Heterobipolartransistor, mit – einem Substrat aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial, – einem Emittergebiet eines ersten Leiffähigkeitstyps, – einer Basisschicht aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und mit – einer Kollektorschicht, die entweder teilweise oder vollständig von einem III-V-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet ist.
  2. Heterobipolartransistor nach Anspruch 1, bei dem – eine Oberfläche des Substrats von einem siliziumhaltigen Gruppe-IV-Halbleiter gebildet ist, der das Emittergebiet enthält, – die Basisschicht auf dem Gruppe-IV-Halbleiter abgeschieden ist, und bei dem – die Kollektorschicht auf der Basisschicht abgeschieden ist.
  3. Heterobipolartransistor nach Anspruch 1 oder 2, bei der die siliziumhaltige Gruppe-IV-Halbleiter Silizium, insbesondere (001)-Silizium, (011)-Silizium oder (111)-Silizium ist.
  4. Heterobipolartransistor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Kollektorschicht aus einem aus einem binären, ternären oder quaternären III-V-Halbleitermaterial besteht, dessen Gruppe-V-Element zu einem überwiegenden Anteil Phosphor ist.
  5. Heterobipolartransistor nach einem der Ansprüche 4, bei dem das Gruppe-V-Element zu einem Anteil von weniger als 10% Stickstoff oder Arsen oder eine Mischung aus Stickstoff und Arsen ist.
  6. Heterobipolartransistor nach Anspruch 4 oder 5, bei dem im III-V-Halbleitermaterial als Gruppe-III-Metall überwiegend Gallium oder Indium oder Aluminium oder eine binäre oder ternäre Mischung von Gallium und/oder Indium und/oder Aluminium enthalten ist.
  7. Heterobipolartransistor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zwischen der Basisschicht und der Kollektorschicht eine Transitschicht angeordnet ist, welche eine Schichtdicke von weniger als 10 Nanometer hat.
  8. Heterobipolartransistor nach Anspruch 7, bei dem die Transitschicht aus Silizium besteht.
  9. Heterobipolartransistor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Basisschicht eine SiGe:C-Schicht enthält.
  10. Heterobipolartransistor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem auf dem Substrat eine Isolationsschicht abgeschieden ist, die eine bis zur Substratoberfläche reichende Öffnung aufweist, in der die Basisschicht und die Kollektorschicht sowie gegebenenfalls die Transitschicht zwischen der Basisschicht und der Kollektorschicht angeordnet sind.
  11. Heterobipolartransistor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem das Emittergebiet im siliziumhaltigen Gruppe-IV-Halbleiter seitlich von flachen Isolationsgebieten begrenzt ist, deren Tiefenerstreckung von der Substratoberfläche in Richtung zum Substratinneren hin maximal 500 nm beträgt.
  12. Heterobipolartransistor nach einem der Ansprüche 2 bis 11, bei dem die Kollektorschicht eine Schichtdicke zwischen 50 und 500 Nanometer aufweist.
  13. Heterobipolartransistor nach Anspruch 12, bei dem die Kollektorschicht eine Schichtdicke zwischen 100 und 300 Nanometer aufweist.
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