DE10357409A1 - Doppelheterostruktur-Bipolartransistor für hohe Betriebsspannungen - Google Patents

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Abstract

Bei Doppelheterostruktur-Bipolartransistoren auf der Basis von Gallium-Arsenid (GaAs) wird eine hohe Durchbruchspannung durch die Wahl des Kollektormaterials Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) erreicht. Am Heteroübergang vom Kollektormaterial zum Basismaterial bildet sich jedoch eine Potentialbarriere, die den Ladungsträgertransport behindert und die Verstärkung reduziert. DOLLAR A Zur Verringerung der Potentialbarriere wird folgende Schichtstruktur vorgeschlagen: DOLLAR A - ein Gallium-Indium-Phosphid-Kollektor (1) auf einem Substrat mit Anschlussmetallisierung DOLLAR A - eine Schicht (2) an der Oberfläche des Gallium-Indium-Phosphid-Kollektors (1) ist mit einer Dotierungshöhe größer 1 x 10·18· cm·-3· n·+·-pulsdotiert DOLLAR A - eine niedrig n-dotierte, undotierte oder niedrig p-dotierte GaAs-Zwischenschicht (3), deren Dicke kleiner ist als 20 nm, zwischen Gallium-Indium-Phosphid-Kollektor (1) und Basis (4) DOLLAR A - eine Basis (4) aus Gallium-Arsenid DOLLAR A - ein Emitter (5) aus Gallium-Indium-Phosphid DOLLAR A - eine Kontaktschicht (8) aus GaInAs und GaAs. DOLLAR A Mit dem Schichtaufbau ist der Transistor sowohl für hohe Betriebsspannungen als auch für hohe Ströme und hohe Frequenzen geeignet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Doppelheterostruktur-Bipolartransistor für hohe Betriebsspannungen mit einer Schichtenfolge, die ihn sowohl für hohe Betriebsspannungen als auch für hohe Ströme und hohe Frequenzen geeignet sein lässt.
  • Bei Doppelheterostruktur-Bipolartransistoren (Double Heterostructure Bipolar Transistor – DHBT) wird eine hohe Durchbruchspannung durch die Wahl des Kollektormaterials erreicht. Bei DHBTs auf der Basis von Gallium-Arsenid (GaAs) hat sich Gallium-Indium-Phosphid (GaInP) mit einer Zusammensetzung, die zu Gitteranpassung an das GaAs-Substrat führt, als geeignet erwiesen. Am Heteroübergang vom Kollektormaterial zum Basismaterial Gallium-Arsenid (GaAs) bildet sich jedoch eine Potentialbarriere, die den Ladungsträgertransport behindert und die Verstärkung reduziert. Weiterhin beeinträchtigt diese Barriere die Hochfrequenzeigenschaften der Transistoren insbesondere bei höheren Strömen.
  • Die Barriere kann erniedrigt werden durch eine Gradierung in der Komposition der beteiligten Halbleitermaterialien. Diese kann in Stufen erfolgen, worüber beispielsweise von Kurishima et al., IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 41, No. 8, August 1994 für DHBTs auf Indium-Phosphid-Substrat berichtet wird. Auch eine kontinuierliche Gradierung ist denkbar und derzeit Gegenstand von Untersuchungen beim Anmelder dieser Erfindung. Für die Kombination Gallium-Arsenid-Basis (GaAs) Gallium-Indium-Phosphid-Kollektor (GaInP) ist eine solche Gradierung allerdings schwierig, da für diese Materialien eine Mischungslücke besteht [siehe beispielsweise Onabe; Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 21, Seite L323 von 1982].
  • Alternativ dazu kann die Barriere auch durch eine sehr hohe Dotierung erniedrigt werden. In US 6 031 256 A1 wird eine solche Lösung beschrieben, bei der in eine Gallium-Arsenid-Zwischenschicht, die zwischen der p-dotierten Basis und dem Kollektor angeordnet ist, an der Grenzfläche zum Gallium-Indium-Phosphid-Kollektormaterial eine Delta-Dotierung eingebracht wird. Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, dass die Durchbruchfestigkeit im Gallium-Arsenid durch eine solche Delta-Dotierung erniedrigt wird.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelheterostruktur-Bipolartransistor anzugeben, der eine geringe Potentialbarriere zwischen Kollektor und Basis und dennoch eine hohe Durchbruchfestigkeit aufweist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Danach sind eine n+-Pulsdotierung im breitlückigen GaInP des Kollektors sowie eine niedrig n-dotierte oder eine undotierte oder niedrig p-dotierte GaAs-Zwischenschicht zwischen GaInP-Kollektor und hoch p-dotierter GaAs-Basis vorgesehen.
  • Zweckmäßig ist eine niedrige n-Dotierung dieser Zwischenschicht. Die Dicke dieser GaAs-Zwischenschicht ist dabei auf die Dotierungshöhe und Dicke der pulsdotierten GaInP-Schicht anzupassen, um die Verstärkung zu erhöhen, ohne zu einer signifikanten Verringerung der Spannungsfestigkeit zu führen. Dabei gilt, dass die Dicke der Zwischenschicht umso geringer sein muss, je höher die Dotierung der pulsdotierten Schicht ist.
  • Der erfindungsgemäße Schichtaufbau, das heißt die pulsdotierte Schicht und eine gering oder nicht dotierte Zwischenschicht, sind auch für die Verringerung der Potentialbarriere bei Doppelheterostruktur-Bipolartransistoren geeignet, deren Basis und Kollektor aus anderen als den oben erwähnten Materialien besteht, beispielsweise solchen mit einer Basis aus Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) und einem Kollektor aus Indium-Phosphid (InP). In diesem Fall besteht die Zwischenschicht aus Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs) oder Gallium-Indium-Arsenid-Phosphid (GaInAsP).
    •
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen
  • 1 ein Ausführungsbeispiel für eine Schichtstruktur eines erfindungsgemäßen Transistors,
  • 2 die Durchbruchspannung über der Dicke der GaAs-Zwischenschicht in Abhängigkeit von der Dicke der Pulsdotierung bei einem erfindungsgemäßen Transistor,
  • 3 die Gleichstromverstärkung in Abhängigkeit von der Kollektorstromdichte für einen erfindungsgemäßen Transistor im Vergleich zu Transistoren ohne Pulsdotierung und
  • 4 die Transitfrequenz in Abhängigkeit von der Stromdichte für einen erfindungsgemäßen Transistor im Vergleich zu Transistoren ohne Pulsdotierung.
  • 1 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer erfindungsgemäßen Schichtstruktur eines Doppelheterostruktur-Bipolar-Transistors. Der GaInP-Kollektor 1 des Transistors weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Dicke von 1,5 μm und eine übliche Dotierung von n = 2 × 1016 cm–3 auf. An seiner Oberfläche wird in den GaInP-Kollektor 1 eine Pulsdotierung von n = 5 × 1018 cm–3 eingebracht, so dass eine pulsdotierte Schicht 2 mit einer Dicke von 5 nm entsteht. Darüber wird eine GaAs-Zwischenschicht 3 (spacer) mit einer Schichtdicke von 5 nm aufgewachsen. Es schließen sich dann in bekannter Weise eine Basis 4 aus Gallium-Arsenid und der GaInP-Emitter 5 an. Oberhalb des GaInP-Emitters ist bei diesem Beispiel zusätzlich eine GaAs-Ätzstoppschicht 6 und ein Ballastwiderstand aus GaInP-Schichten 7a, b, c mit unterschiedlicher Dotierungshöhe eingefügt. Dieser Halbleiter-Widerstand stabilisiert das Bauelement, da es die Konzentration des Stroms auf heißere Bereiche, in denen sich der Widerstand ohne Ballast stark verringert, verhindert. Solche Stromkonzentration könnte sonst zur Zerstörung des Bauelements führen. Die Schichtstruktur wird abgeschlossen mit einer Kontaktschicht 8 aus GaAs und GaInAs nach dem üblichen Stand der Technik.
  • 2 zeigt die erwartete Basis-Kollektor-Durchbruchspannung BVCBO über der Dicke dGaAs spacer der GaAs-Zwischenschicht in Abhängigkeit von der Dicke dpulse der Pulsdotierung für eine Dotierungshöhe im Puls von n = 5 × 1018 cm–3. Es wird deutlich, dass eine ungeeignete Kombination der Werte zu einer deutlich reduzierten Durchbruchfestigkeit BVCBO führt, nämlich wenn die Dicke dpulse der pulsdotierten Schicht 2 und/oder die Dicke dGaAs spacer der GaAs-Zwischenschicht 3 zu hoch gewählt wird. Bei richtiger Wahl der Werte lassen sich Transistoren mit einer Durchbruchfestigkeit BVCBO oberhalb von 60 V und einer hohen Verstärkung sowie hervorragenden Hochfrequenzeigenschaften herstellen, wie aus den folgenden Figuren noch zu ersehen sein wird. Derartige Bauelemente eignen sich beispielsweise für eine Betriebsspannung von 28 V, die für die Basisstationen von Mobilfunksystemen üblich geworden ist.
  • 3 zeigt die Gleichstromverstärkung β in Abhängigkeit von der Kollektorstromdichte Jc für einen Doppelheterostruktur-Bipolartransistor D-HBT (spacer + pulse) wie er zu den 1 und 2 beschrieben ist (gestrichelte Linie) im Vergleich zu einem Singleheterostruktur-Bipolartransistor S-HBT (Kollektor aus Gallium-Arsenid-ausgezogene Linie) und einem Doppelheterostruktur-Bipolartransistor D-HBT (spacer) (gepunktete Linie), der keine pulsdotierte Schicht, sondern nur eine Zwischenschicht (spacer) zwischen Kollektor und Basis aufweist. Es zeigt sich, dass der erfindungsgemäße Transistor D-HBT (spacer + pulse) eine nahezu gleich hohe Verstärkung besitzt wie der Singleheterostruktur-Bipolartransistor S-HBT.
  • 4 zeigt die Transitfrequenz fT in Abhängigkeit von der Stromdichte Jc für diese Transistoren. Es wird klar, dass die erfindungsgemäßen Transistoren in einem weiten Bereich höhere Grenzfrequenzen bei gleichzeitig höheren Stromdichten Jc erlauben als die Transistoren ohne pulsdotierte Schicht.
    • 1
    GaInP-Kollektor
    2
    Pulsdotierte Schicht
    3
    GaAs-Zwischenschicht
    4
    Basis
    5
    GaInP-Emitter
    6
    GaAs-Ätzstoppschicht
    7a, b, c
    GaInP-Schichten (Ballastwiderstand)
    8
    Kontaktschicht

Claims (4)

  1. Doppelheterostruktur-Bipolartransistor für hohe Betriebspannungen, gekennzeichnet durch folgende Schichtstruktur: – einen Gallium-Indium-Phosphid-Kollektor (1) auf einem Substrat mit Anschlussmetallisierung – eine Schicht (2) an der Oberfläche des Gallium-Indium-Phosphid-Kollektors (1) ist mit einer Dotierungshöhe größer 1 × 1018 cm–3 n+-pulsdotiert – eine niedrig n-dotierte, undotierte oder niedrig p-dotierte GaAs-Zwischenschicht (3), deren Dicke kleiner ist als 20 nm, zwischen Gallium-Indium-Phosphid-Kollektor (1) und Basis (4) – eine Basis (4) aus Gallium-Arsenid – einen Emitter (5) aus Gallium-Indium-Phosphid – eine Kontaktschicht (8) aus GaInAs und GaAs.
  2. Heterostruktur-Bipolartransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich im Emitter ein Ballastwiderstand eingefügt ist.
  3. Heterostruktur-Bipolartransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ballastwiderstand aus GaInP-Schichten (7a, b, c) mit unterschiedlicher Dotierungshöhe besteht.
  4. Heterostruktur-Bipolartransistor nach Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Ballastwiderstand und GaInP-Emitter (5) eine Ätzstoppschicht (6) aus GaAs eingefügt ist.
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