KR0163743B1 - 이종접합 바이폴라 트랜지스터 - Google Patents
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Abstract
고온 및 고전압 상태에서 우수한 성능을 유지하면서 동작할 수 있는 이종접합 바이폴라 트랜지스터가 개시된다.
본 발명은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체들의 에피성장 기술을 이용한 이종접합 바이폴라 트랜지스터(HBT)에 있어서, 상기 트랜지스터의 에미터층은 고온 및 고전압하에서 HBT의 성능을 저하시키는 베이스로부터 에미터로의 정공 역주입을 극소화시키기 위하여 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체중 가장 큰 에너지 대역을 갖는 AlyGa1-yInxP1-x로 구성되고, 상기 HBT의 콜렉터층은 베이스-콜렉터간의 항복 파괴전압을 개선할 수 있도록 GaxIn1-xP로 이루어진 AlGaInP/GaAs/GaInP 적층구조로 구성된다.
Description
제1도는 본 발명에 의한 이종접합 바이폴라 트랜지스터의 수직 단면도이다.
본 발명은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 이용한 이종접합 바이폴라 트랜지스터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고온 및 고전압 상태에서 우수한 성능을 유지하면서 동작할 수 있는 이종접합 바이폴라 트랜지스터에 관한 것이다.
이종접합 바이폴라 트랜지스터(Heterojunction Bipolar Transistor: 이하, HBT라 약함)는 에미터와 베이스간에 이종접합을 형성하고 에미터의 에너지 밴드갭(Energy Bandgap)을 베이스의 것보다 크게 하여, 베이스로부터 에미터로의 소수 캐리어의 주입을 차단할 수 있는 특징을 찾는다.
이에 따라, 실리콘에 비해 높은 캐리어 이동도를 갖을 뿐만아니라 화합물 및 조성비에 따라 에너지 밴드갭을 자유로이 제어할 수 있는 화합물 반도체 재료의 특성을 HBT의 제작에 활용함으로써, 에미터 주입효율을 더 높게 유지하고, 활성 베이스 영역의 저항을 낮게 유지하고자 하는 연구가 심화되고 있다.
이러한 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 이용하여 제작된 이종접합 바이폴라 트랜지스터가 갖추어야 할 중요한 항목으로는,
첫째, 고온 및 고전압 상태에서 HBT의 동작 성능을 크게 제한하는 베이스에서 에미터로의 소수 캐리어의 역주입을 최대한 억제할 수 있어야 하며,
둘째, 항복 파괴전압이 높아야 한다.
이러한 상황을 고려하여 현재 개발된 화합물 반도체 HBT는 에미터/베이스/콜렉터로서, AlGaAs/GaAs/GaAs의 적층구조가 사용되고 있으나, 고온 및 고전압용으로서, 또한 항복 파괴전압의 증대 측면에서 한계를 나타내고 있는 실정이다.
따라서, 상기 AlGaAs와 같은 Ⅲ-Ⅴ족 계통이면서 보다 큰 에너지 대역을 갖는 대체 화합물의 개발이 시급한 실정에 있다.
본 발명은 이러한 기술적 배경하에서 안출된 것으로서, 그 목적은 고온 및 고전압하에서 우수한 전기적 특성을 유지하면서 높은 항복 파괴전압을 갖는 이종접합 바이폴라 트랜지스터를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체들의 에피성장 기술을 이용한 이종접합 바이폴라 트랜지스터(HBT)에 있어서, 상기 트랜지스터의 에미터층은 고온 및 고전압하에서 HBT의 성능을 저하시키는 베이스로부터 에미터로의 정공 역주입을 극소화시키기 위하여, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체중 가장 큰 에너지 대역을 갖는 AlyGa1-yInxP1-x로 구성되고, 상기 HBT의 콜렉터층은 베이스-콜렉터간의 항복 파괴전압을 개선할 수 있도록 GaxIn1-xP로 이루어진 AlGaInP/GaAs/GaInP 적층구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 에미터층과 상기 베이스층과의 격자정합 및 전도대 스파이크를 최소화할 수 있도록 AlyGa1-yInxP1-x에미터층의 알루미늄의 성분비 y가 0.2부터 0까지 변화되는 그레이딩(grading)층을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 에미터층은 알루미늄 성분비 y가 15%인 Al0.15Ga0.85InP를 사용하는 것이 보다 바람직하다.
바람직하게, 상기 콜렉터층은 GaAs 베이스층과의 격자정합(lattice match)을 위하여 조성비 x=0.52인 Ga0.52In0.48P를 사용하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명은 고온 및 고전압에서의 응용을 위하여, 에미터층 뿐만아니라 콜렉터층에서도 큰 에너지 밴드갭을 갖는 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 이용한다.
특히, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체 중에서도 가장 큰 에너지 밴드갭을 갖는 AlGaInP를 에미터층에 사용하고 콜렉터층에는 GaInP를 사용하여 HBT의 큰 장점중의 하나인 우수한 에미터 전자 주입효율을 유지하면서, 고온 및 고전압에서도 내성을 갖는 HBT를 제작할 수 있다.
또한, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체만을 이용하여 HBT를 제작할 수 있기 때문에 통상적인 유기금속 화학기상증착법(MOCVD)이나 분자선 에피택시(Molecular Beam Epitaxy)와 같은 성장방법을 이용하여 에너지 대역을 자유로이 조절할 수 있는 화합물 반도체 재료의 특성을 최대한 활용할 수 있다.
통상의 AlGaAs 에미터/GaAs 베이스 구조의 HBT와 비교하여 본 발명의 GaInP/GaAs 구조는 에미터-베이스간의 총 에너지 대역 차이중 전도대(conduction band) 에너지 스파이크(ΔEc)의 비율이 작으며, 산소와의 반응을 무시할 수 있고, 접합 경계면 성능이 우수하므로 종래의 AlGaAs의 대체 화합물로서 우수한 특성을 갖는다.
현재, 100GHz 이상의 차단 및 최대 공진주파수 특성을 보여주고 있는 GaInP/GaAs/GaAs SHBT(Single HBT)의 항복 파괴전압을 개선하기 위하여, 콜렉터층에 에너지 대역이 1.4eV인 GaAs 대신에 1.9eV의 밴드 갭을 갖는 GaInP을 사용함으로써, 에너지 대역의 1.5승에 비례하는 항복 파괴전압을 약 60% 가까이 개선할 수 있다.
또한, 고온 및 고전압하에서 HBT의 동작 성능을 크게 제한하는 베이스에서 에미터로의 정공 역주입을 최대한 억제하기 위하여, 에미터층의 에너지 대역을 최대한 증가시키면서 가전대(valance band)의 에너지 불연속 비율(ΔEv/ΔEg)을 증대시키고자 GaInP 에미터층에 적정량의 알루미늄 성분을 첨가한 AlyGa1-yInP층을 사용하였다.
실험 측정 결과에 의하면, GaInP/GaAs 이종접합에서 ΔEc=0.2eV, ΔEv=0.3eV이나, GaAs 베이스층 위에 GaInP 에미터층을 성장하는 과정에서 자연적으로 그레이딩이 이루어져. ΔEc≒30meV 정도가 되므로 Al 성분을 에미터층에 삽입하는 경우 Al의 그레이딩에 의하여 전도대 스파이크(ΔEc)를 최소화시킬 수 있는 장점도 가지고 있다.
제1도는 본 발명에 따른 제작된 HBT의 단면구조를 도시한 것으로서, 참조부호 10은 불순물이 도핑되지 않은 반절연성 GaAs 기판을, 12는 Si이 고농도로 도핑된 약 2500Å 두께의 n+GaAs 부콜렉터층을, 14는 Si이 도핑된 n형의 GaInP 콜렉터층을, 16은 카본(C)이 고농도로 도핑된 p+GaAs 베이스층을, 18은 Si이 도핑된 nAlGaInP 에미터층을, 19는 GaInP 에미터 캡층을 각각 나타낸다.
상술한 구조를 갖는 본 발명의 HBT에서, 상기 베이스층(16)은 높은 차단 및 최대 공진주파수를 얻기 위하여, 3-5×1019/cm3의 고농도로 카본을 도핑하고 두께를 약 700-1000Å 정도로 극박막으로 에피 성장시킨다.
상기 에미터 캡층(19)과 콜렉터층(14)에 사용된 GaxIn1-xP는 상기 GaAs 베이스층(16)과의 격자상수 일치를 위하여, 조성비 x=0.52를 사용한다.
또한, 상기 에미터층(18)에 사용된 AlyGa1-yIn0.48P는 알루미늄 성분비 y=0.3 범위에서 에너지 대역이 직접 대역에서 간접 대역으로 바뀐다는 것을 고려하여 결정되는 것이 바람직하다.
실험 결과에 의하면, y=0에서 0.2까지는 전류 이득이 증가하나 y=0.2 이상에서는 전류 이득이 일정 또는 감소하는 추세를 보여주고 있다.
따라서, 본 발명에서는 에미터의 Al 성분비 y를 약 0.15 정도로 하고, AlGaInP 에미터의 양면으로 Al 성분비를 그레이드하여 상기 에미터 캡층(19)과 베이스층(16)으로 격자 상수를 일치시키면서 에미터-베이스 사이의 불필요한 전도대 스파이크를 최소화시킨다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 종래의 AlGaAs/GaAs 또는 InP/InGaAs 구조의 SHBT에 비하여, 높은 항복 파괴전압을 가지고 고온 및 고전압에서 동작이 가능한 전력 소자로 유용하게 적용할 수 있는 효과를 발휘한다.
이상, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식으로 그 변형이나 개량이 가능하다.
Claims (4)
- Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체들의 에피성장 기술을 이용한 이종접합 바이폴라 트랜지스터(HBT)에 있어서, 상기 트랜지스터의 에미터층은 고온 및 고전압하에서 HBT의 성능을 저하시키는 베이스로부터 에미터로의 정공 역주입을 극소화시키기 위하여 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체중 가장 큰 에너지 대역을 갖는 AlyGa1-yInxP1-x로 구성되고, 상기 HBT의 콜렉터층은 베이스-콜렉터간의 항복 파괴전압을 개선할 수 있도록 GaxIn1-xP로 이루어진 AlGaInP/GaAs/GaInP 적층구조를 갖는 것을 특징으로 하는 이종접합 바이폴라 트랜지스터.
- 제1항에 있어서, 상기 에미터층과 상기 베이스층과의 격자정합 및 전도대 스파이크를 최소화할 수 있도록 AlyGa1-yInxP1-x에미터층의 알루미늄의 성분비 y가 0.2부터 0까지 변화되는 그레이딩(grading)층을 사용하는 것을 특징으로 하는 이종접합 바이폴라 트랜지스터.
- 제2항에 있어서, 상기 에미터층은 알루미늄 성분비 y가 15%인 Al0.15Ga0.85InP를 사용하는 것을 특징으로 하는 이종접합 바이폴라 트랜지스터.
- 제1항에 있어서, 상기 콜렉터층은 GaAs 베이스층과의 격자정합(lattice match)을 위하여 조성비 x=0.52인 Ga0.52In0.48P를 사용하는 것을 특징으로 하는 이종접합 바이폴라 트랜지스터.
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