FR2799884A1 - NEW METAMORPHIC HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR WITH MATERIAL STRUCTURE FOR LOW-PRICE MANUFACTURING ON LARGE-DIMENSIONAL GALLIUM ARSENIDE PELLETS - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un transistor bipolaire à hétérojonction métamorphique ayant une structure de matière pour fabrication à faible prix sur des pastilles en arséniure de gallium (GaAs) de grande dimension, de 150 mm ou plus.Selon l'invention, il comprend un substrat semi-isolant en GaAs (20), une couche tampon métamorphique non dopée (21), une couche en InGaAs du type n fortement dopée (22), formant un contact ohmique pour le collecteur dudit MHBT; une couche du type n légèrement dopée (23) formant le collecteur dudit MHBT, où la couche du type n légèrement dopée est en InGaAs ou InP ou InAlAs; une couche en InGaAs du type p fortement dopée (24) formant la base et un contact ohmique pour la base dudit MHBT, une couche (25) formant l'émetteur dudit MHBT, la couche (25) étant une couche en InAlAs du type n ou une couche en AlInGaAs gradué du type n ou une couche en InP du type n; et une couche en InGaAs du type n fortement dopée (26) formant un contact ohmique pour l'émetteur dudit MHBT.L'invention s'applique notamment aux téléphones cellulaires.The invention relates to a metamorphic heterojunction bipolar transistor having a material structure for low-cost fabrication on large gallium arsenide (GaAs) pellets of 150 mm or more. According to the invention, it comprises a semi substrate - GaAs insulator (20), a non-doped metamorphic buffer layer (21), a heavily doped n-type InGaAs layer (22), forming an ohmic contact for the collector of said MHBT; a lightly doped n-type layer (23) forming the collector of said MHBT, wherein the lightly doped n-type layer is made of InGaAs or InP or InAlAs; a layer of heavily doped p-type InGaAs (24) forming the base and an ohmic contact for the base of said MHBT, a layer (25) forming the emitter of said MHBT, the layer (25) being a layer of n-type InAlAs or a layer of graduated AlInGaAs of type n or a layer of InP of type n; and a layer of heavily doped n-type InGaAs (26) forming an ohmic contact for the transmitter of said MHBT. The invention applies in particular to cellular telephones.
Description
La présente invention se rapporte généralement à un transistor bipolaire àThe present invention generally relates to a bipolar transistor with
hétérojonction métamorphique (qui aura ci-dessous pour abréviation "MHBT") et, plus particulièrement, à un MHBT ayant une structure de matière pour une fabrication à faible prix sur des pastilles en arséniure de gallium (GAS) de grandes dimensions. Récemment, il y a eu un intérêt croissant dans le développement d'amplificateurs à transistors de haute performance qui sont essentiels pour des applications militaires et commerciales dans des ordinateurs numériques, des systèmes de télécommunication et des systèmes électroniques avancés car ils peuvent traiter des signaux à de hautes fréquences. Ces amplificateurs ont le potentiel d'un fonctionnement à faible prix, gain élevé, faible bruit et haute efficacité avec une metamorphic heterojunction (which will have the abbreviation "MHBT" below) and, more particularly, to an MHBT having a material structure for low-cost production on large gallium arsenide (GAS) pellets. Recently, there has been growing interest in the development of high performance transistor amplifiers which are essential for military and commercial applications in digital computers, telecommunication systems and advanced electronic systems as they can process signals at high frequencies. These amplifiers have the potential for low cost, high gain, low noise and high efficiency operation with
fiabilité supérieure à celle des IMPATT et TWTA. higher reliability than IMPATT and TWTA.
Un transistor bipolaire à hétérojonction (HBT), comme le suggère le terme, a une hétérojonction qui est formée entre des semi-conducteurs de différentes compositions et largeurs de bande. L'utilisation d'un émetteur à grande largeur de bande et d'une base à faible largeur de bande donne un décalage des bandes à l'hétérointerface, qui favorise l'injection des électrons dans un transistor N-p-n, dans la base, tout en retardant l'injection des trous dans l'émetteur. Cela offre également des bénéfices d'un fonctionnement à vitesse rapide parce que les électrons qui surmontent la barrière d'énergie sont injectés dans la base avec de hautes vitesses d'avance, réduisant le temps de transit de la base. En conséquence, des HBT en GaAs, basés sur une structure de matière de AlGaAs (ou InGaP)/GaAs sont largement acceptés, en particulier pour des applications d'amplificateur de puissance (PA) pour téléphones cellulaires car ils présentent les avantages d'une haute fréquence, d'une haute linéarité et d'une petite dimension de la matrice et que seule une alimentation en puissance est nécessaire. La haute tension d'ouverture des HBT en GaAs, cependant, limite dans la pratique le fonctionnement des dispositifs dans la gamme de 3,0 à 3,6 V dans les téléphones cellulaires actuellement en utilisation. La tendance en communication mobile consiste à atteindre une solution du niveau du système qui supportera une conception à une seule batterie en Li de 1,2 à 1,5 V (à partir de 3,6 V). Cela est dû à la réduction de dimension et de poids du bloc de la batterie qui représente environ 60% du poids total d'un combiné sans fil. Au contraire, HBT en InP est un candidat idéal pour un fonctionnement à 1, 5 V car il a une faible tension d'ouverture et offre également un gain plus élevé et une efficacité plus élevée que HBT en GaAs du fait de ses avantages intrinsèques de plus hautes mobilités de plus grandes vitesses de transport non à l'équilibre et A heterojunction bipolar transistor (HBT), as the term suggests, has a heterojunction which is formed between semiconductors of different compositions and bandwidths. The use of a wide bandwidth transmitter and a low bandwidth base gives a band offset at the heterointerface, which favors the injection of electrons into an Npn transistor, in the base, while delaying the injection of holes into the transmitter. It also offers the benefits of operating at high speed because the electrons that overcome the energy barrier are injected into the base at high feed rates, reducing the transit time of the base. Consequently, HBTs in GaAs, based on a material structure of AlGaAs (or InGaP) / GaAs are widely accepted, in particular for power amplifier (PA) applications for cell phones because they have the advantages of high frequency, high linearity and small size of the matrix and that only a power supply is necessary. The high opening voltage of HBT to GaAs, however, in practice limits the operation of devices in the range of 3.0 to 3.6 V in cell phones currently in use. The trend in mobile communication is to achieve a system-level solution that will support a single Li battery design from 1.2 to 1.5 V (from 3.6 V). This is due to the reduction in size and weight of the battery pack which accounts for approximately 60% of the total weight of a cordless handset. On the contrary, HBT in InP is an ideal candidate for operation at 1.5 V because it has a low opening voltage and also offers a higher gain and higher efficiency than HBT in GaAs because of its intrinsic advantages of higher mobility greater transport speeds not at equilibrium and
de plus faible recombinaison de surface. lower surface recombination.
HBT en InP, à base de InAlAs (ou AlInGaAs gradué)/InGaAs comme structure de matière HBT in InP, based on InAlAs (or graduated AlInGaAs) / InGaAs as material structure
d'hétérojonction, a été fabriqué sur un substrat en InP. heterojunction, was manufactured on an InP substrate.
La figure 1 est une vue en coupe transversale schématique illustrant un exemple d'une structure de matière d'un HBT à base de InP de l'art antérieur. Comme on peut le voir sur le dessin, la structure de matière épitaxiée comprend un substrat 10 en InP semi-isolant; une couche 12 en InGaAs du type n fortement dopée, formant un contact ohmique pour le collecteur dudit HBT à base de InP; une couche 13 en InGaAs de type n légèrement dopée formant le collecteur dudit HBT à base de InP; une couche 14 en InGaAs du type p fortement dopée formant la base et un contact ohmique pour la base dudit HBT à base de InP; une couche 15 en InAlAs du type n (ou AlInGaAs graduée), formant l'émetteur dudit HBT à base de InP; et une couche 16 en InGaAs du type n fortement dopée, formant un Figure 1 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a material structure of an InP-based HBT of the prior art. As can be seen in the drawing, the epitaxial material structure comprises a semi-insulating InP substrate 10; a layer 12 of heavily doped n-type InGaAs, forming an ohmic contact for the collector of said InP-based HBT; a layer 13 of lightly doped n-type InGaAs forming the collector of said InP-based HBT; a layer 14 of heavily doped p-type InGaAs forming the base and an ohmic contact for the base of said InP-based HBT; a layer 15 of n-type InAlAs (or graduated AlInGaAs), forming the emitter of said InP-based HBT; and a layer 16 of heavily doped n-type InGaAs, forming a
contact ohmique pour l'émetteur dudit HBT à base de InP. ohmic contact for the transmitter of said HBP based on InP.
Par conséquent, HBT à base de InP présente les avantages de donner une plus haute fréquence maximale de fonctionnement et une plus haute fréquence de coupure pour un chiffre de bruit considérablement plus bas, un gain plus élevé et une meilleure efficacité. Cela est dû au fait que HBT à base de InP a une forte teneur en indium et ainsi a une plus forte vitesse des électrons de densité de courant et transconductance. Bien que les HBT en InP soient très attrayants pour un fonctionnement à basse tension et haute efficacité, en particulier dans l'utilisation dans les PA des téléphones cellulaires, ils sont cependant difficiles à traiter (principalement du fait du substrat en InP). Par ailleurs, la pastille en InP est très fragile, coûteuse (environ 10 fois GaAs) et actuellement limitée à 7,5 cm seulement de dimension. Au contraire, la technologie de traitement pour les HBT en GaAs a un plus fort rendement et un plus faible prix (actuellement 40% de moins) si l'on utilise des pastilles Therefore, InP-based HBT has the advantages of giving a higher maximum operating frequency and a higher cut-off frequency for a considerably lower noise figure, higher gain and better efficiency. This is due to the fact that HBP based on InP has a high indium content and thus has a higher electron speed of current density and transconductance. Although HBTs in InP are very attractive for low voltage and high efficiency operation, in particular in the use in PA of cell phones, they are however difficult to treat (mainly due to the substrate in InP). Furthermore, the InP pellet is very fragile, expensive (about 10 times GaAs) and currently limited to only 7.5 cm in size. On the contrary, the processing technology for HBTs in GaAs has a higher yield and a lower price (currently 40% less) if pellets are used
de 150 mm.150 mm.
En conséquence, il y a une nécessité d'un nouveau dispositif avec à la fois une grande efficacité, un fonctionnement à basse tension et un faible prix de fabrication. C'est par conséquent un objet principal de la présente invention de produire un nouveau transistor bipolaire à hétérojonction métamorphique ayant une structure de matière permettant un fonctionnement à haute Consequently, there is a need for a new device with both high efficiency, low voltage operation and low manufacturing cost. It is therefore a main object of the present invention to produce a new metamorphic heterojunction bipolar transistor having a material structure allowing operation at high
efficacité, basse tension.efficiency, low voltage.
C'est un autre objet de la présente invention de procurer un nouveau transistor bipolaire à hétérojonction métamorphique ayant une structure de matière d'un faible It is another object of the present invention to provide a new bipolar metamorphic heterojunction transistor having a weak material structure.
prix de fabrication.manufacturing price.
Afin d'atteindre les objectifs ci-dessus, la présente invention prévoit un transistor bipolaire à hétérojonction métamorphique (MHBT) ayant une structure de matière pour une fabrication à faible prix sur des pastilles en arséniure de gallium (GaAs) de grande In order to achieve the above objectives, the present invention provides a metamorphic heterojunction bipolar transistor (MHBT) having a material structure for low cost fabrication on large gallium arsenide (GaAs) pellets.
dimension, comprenant: un substrat en GaAs semi- dimension, comprising: a semi-GaAs substrate
isolant; une couche tampon métamorphique non dopée, comme un tampon de AlGaAsSb ou AlInGaAs; une couche en InGaAs du type n fortement dopée, formant un contact ohmique pour le collecteur dudit MHBT; une couche en InGaAs du type n légèrement dopée ou une couche en InP ou InAlAs, formant le collecteur dudit MHBT; une couche en InGaAs du type p fortement dopée, formant la base et un contact ohmique pour la base dudit MHBT; une couche en InAlAs du type n ou AlInGaAs gradué ou InP, formant l'émetteur dudit MHBT; et une couche en InGaAs du type n fortement dopée formant un contact ohmique pour insulating; an undoped metamorphic buffer layer, such as an AlGaAsSb or AlInGaAs buffer; a layer of heavily doped n-type InGaAs, forming an ohmic contact for the collector of said MHBT; a layer of lightly doped n-type InGaAs or a layer of InP or InAlAs, forming the collector of said MHBT; a layer of heavily doped p-type InGaAs, forming the base and an ohmic contact for the base of said MHBT; a layer of n-type InAlAs or graduated AlInGaAs or InP, forming the emitter of said MHBT; and a heavily doped n-type InGaAs layer forming an ohmic contact for
l'émetteur dudit MHBT.the transmitter of said MHBT.
Il est préférable que ladite structure de matière soit épitaxiée sur des pastilles de GaAs de grande It is preferable that said material structure is epitaxied on GaAs pellets of large
dimension avec des diamètres de 150 mm ou plus. dimension with diameters of 150 mm or more.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci The invention will be better understood and other aims, characteristics, details and advantages thereof
apparaîtront plus clairement au cours de la description will appear more clearly during the description
explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe transversale schématique illustrant un exemple d'une structure de matière d'un HBT à base de InP de l'art antérieur; et - la figure 2 est une vue en coupe transversale schématique illustrant un exemple de structure de matière d'un MHBT selon le mode de réalisation préféré de la Explanatory which will follow made with reference to the accompanying schematic drawings given solely by way of example illustrating an embodiment of the invention and in which: - Figure 1 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a structure of prior art InP-based HBT material; and - Figure 2 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of material structure of an MHBT according to the preferred embodiment of the
présente invention.present invention.
Le Tableau 1 montre les comparaisons des technologies actuelles des transistors de puissance pour Table 1 shows comparisons of current power transistor technologies for
combinés sans fil.cordless handsets.
On se référera à la figure 2 qui est une vue en coupe transversale schématique illustrant un exemple de la structure de matière d'un MHBT selon le mode de réalisation préféré de la présente invention. Comme montré sur le dessin, la structure de matière épitaxiée comprend: un substrat 20 en GaAs semi-isolant; une couche tampon métamorphique non dopée telle qu'une couche tampon 21 en AlGaAsSb ou AlInGaAs; une couche 22 en InGaAs du type n fortement dopée, formant un contact ohmique pour le collecteur dudit MHBT; une couche 23 en InGaAs du type n légèrement dopée ou InP ou InAlAs, formant le collecteur dudit MHBT; une couche 24 en InGaAs du type p fortement dopée, formant la base et un contact ohmique pour la base dudit MHBT; une couche 25 en InAlAs (ou AlInGaAs gradué ou InP) du type n, formant l'émetteur dudit MHBT; et une couche en InGaAs 26 du type n fortement dopée, formant un contact ohmique pour Reference is made to FIG. 2 which is a schematic cross-section view illustrating an example of the material structure of an MHBT according to the preferred embodiment of the present invention. As shown in the drawing, the epitaxial material structure comprises: a semi-insulating GaAs substrate 20; an undoped metamorphic buffer layer such as a buffer layer 21 of AlGaAsSb or AlInGaAs; a layer 22 of heavily doped n-type InGaAs, forming an ohmic contact for the collector of said MHBT; a layer 23 of lightly doped n-type InGaAs or InP or InAlAs, forming the collector of said MHBT; a layer 24 of heavily doped p-type InGaAs, forming the base and an ohmic contact for the base of said MHBT; a layer 25 of InAlAs (or graduated AlInGaAs or InP) of the n type, forming the emitter of said MHBT; and a layer of heavily doped n-type InGaAs 26, forming an ohmic contact for
l'émetteur dudit MBHT.the issuer of said MBHT.
Il faut remarquer que la structure de matière du MHBT présente une couche tampon 21 prise en sandwich entre le substrat 20 et la couche de contact de collecteur 22. Cela permet au MHBT d'employer la structure active de HBT à base de InP 22 à 26 sur un substrat 20 en GaAs, car la couche tampon 21 rend la transition de constante de réseau entre le substrat 20 en GaAs et les couches épitaxiées à forte teneur en indium It should be noted that the material structure of the MHBT has a buffer layer 21 sandwiched between the substrate 20 and the collector contact layer 22. This allows the MHBT to use the active structure of HBT based on InP 22 to 26 on a GaAs substrate 20, because the buffer layer 21 makes the network constant transition between the GaAs substrate 20 and the epitaxial layers with a high indium content
22 à 26 adaptés à InP 10.22 to 26 adapted to InP 10.
Par conséquent, MHBT a la performance de HBT à base de InP mais avec le prix du traitement de la pastille 20 en GaAs. En particulier, l'utilisation d'un substrat en GaAs dans MHBT permet une production de dispositifs de très haute performance/MMIC avec un très faible prix de traitement du substrat et de la pastille. Le prix de la puce de MHBT peut être encore réduit quand on utilise une pastille en GaAs de grande dimension, par exemple, de mm. Il faut remarquer que l'on dispose de pastilles en GaAs de 150 mm mais que seules des pastilles en InP de mm sont disponibles. La technologie de croissance du tampon décalant la constante de réseau, nécessaire dans MHBT est couramment disponible dans le commerce (e.g. les maisons epi comme IQE aux Etats Unis et Picogiga en France). La technologie métamorphique permet également une large gamme de compositions de Al et In dans la structure de matière, offrant un excellent potentiel pour une performance encore plus élevée comme une plus grande rupture et une plus grande efficacité, que dans le cas de Therefore, MHBT has the performance of HBT based on InP but with the cost of processing the pellet 20 in GaAs. In particular, the use of a GaAs substrate in MHBT allows a production of very high performance / MMIC devices with a very low processing price for the substrate and the pellet. The price of the MHBT chip can be further reduced when using a large GaAs chip, for example, mm. It should be noted that there are 150 mm GaAs pellets but only mm InP pellets are available. The buffer growth technology shifting the network constant, necessary in MHBT is commonly available commercially (e.g. epi houses such as IQE in the United States and Picogiga in France). Metamorphic technology also allows for a wide range of Al and In compositions in the material structure, offering excellent potential for even higher performance such as greater breakage and greater efficiency, than in the case of
HBT à base de InP conventionnel.HBT based on conventional InP.
En résumé, en revoyant la technique antérieure décrite et la présente invention, nous pouvons trouver, par le Tableau 1, que les avantages du nouveau MHBT comprennent: (1) Prix du substrat dix fois plus bas pour les mêmes dimensions, (2) Substrat moins fragile pour un meilleur rendement en ligne, (3) Verso de la pastille facile à traiter, permettant des économies de 40% dans le traitement, (4) Plus grande dimension de la pastille disponible pour production d'une puce de très In summary, by reviewing the prior art described and the present invention, we can find from Table 1 that the advantages of the new MHBT include: (1) Price of the substrate ten times lower for the same dimensions, (2) Substrate less fragile for better online performance, (3) Back side of the tablet easy to process, allowing savings of 40% in processing, (4) Larger size of the tablet available for production of a very
faible prix.low price.
Tableau 1: Comparaison des technologies des transistors de puissance pour combinés Table 1: Comparison of technologies of power transistors for handsets
sans fil.wireless.
Technologie Eléments clé Remarques transistor GaAs HBT.Hétérojonction Bonne fiabilité, AlGaAs (ou technologique mature InGaP)/InGaAs Faible prix Substrat GaAs Production facile InP HBT Hétérojonction Difficile à traiter AlInAs(ou Prix élevé du substrat AlInGaAs gradué et du traitement ou InP)/InGaAs Dimension limitée du (ou InP ou nAlAs) substrat disponible Substrat InP Non approprié à la fabrication MHBT Hétérojonction. Traitement comme GaAs AlInAs (ou Substrats 150mm AlInGaAs gradué disponibles ou Inp /InGaAs Faible prix, approprié (ou InP ou pour la fabrication InAlAs)/ Flexibilité des AlGaAsSb(ou compositions des couches AlInGaAs) donne une rupture et une Tampon décalage efficacité encore plus constante de élevée que les HBT en réseau InP conventionnels Substrat GaAs Technology Key elements Remarks GaAs HBT transistor Heterojunction Good reliability, AlGaAs (or mature technology InGaP) / InGaAs Low price GaAs substrate Easy production InP HBT Heterojunction Difficult to process AlInAs (or High price of the graduated AlInGaAs substrate and of the processing or InP) / InGaAs Limited dimension of the available substrate (or InP or nAlAs) Substrate InP Not suitable for manufacturing MHBT Heterojunction. Processing as GaAs AlInAs (or 150mm AlInGaAs Graduated Substrates available or Inp / InGaAs Low price, suitable (or InP or for manufacturing InAlAs) / Flexibility of AlGaAsSb (or AlInGaAs layer compositions) gives an even more constant gap and efficiency shift buffer higher than conventional InP network HBTs GaAs Substrate
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