KR100307757B1 - 발리스틱 콜렉터 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터 - Google Patents

발리스틱 콜렉터 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존의 Ballistic 콜렉터 HBT 구조에서 전자 발사구조를 형성시키기 위한 고 불순물 농도의 n+콜렉터 층을 낮은 불순물 도핑의 그레이딩된 AlxGa1-xAs층으로 대체하여 HBT의 항복전압을 증가시키고, 그로 인해 고전압 동작에서 HBT의 속도 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터에 관한 것으로, 본 발명에 따른 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터는, 반도체 기판상에 형성된 GaAs 서브콜렉터 층과, InGaP 콜렉터 층과, AlxGa1-xAs 그레이딩 층과, GaAs 제 1 스페이서 층과, GaAs 베이스 층과, GaAs 제 2 스페이서 층 및, InGaP 또는 AlGaAs 에미터 층과, GaAs 에미터캡 층으로 구성되며, InGaP 콜렉터 층은, GaAs 서브콜렉터 층의 상부에 형성된 제 1 n-콜렉터 층과, 제 1 n-콜렉터 층의 상부에 형성된 제 1 n+콜렉터 층과, 제 1 n+콜렉터 층의 상부에 형성된 p+콜렉터 층과, p+콜렉터 층의 상부에 형성된 제 2 n-콜렉터 층으로 구성된 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터를 제공한다.

Description

발리스틱 콜렉터 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터{BALLISTIC COLLECTOR DOUBLE HETEROJUNCTION BIPOLAR TRANSISTOR}
본 발명은 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터(DHBT : Heterojunction Bipolar Transistor, 이하 DHBT라 약칭함)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Ballistic 콜렉터 구조를 갖는 DHBT 에피구조에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 갈륨비소(GaAs) 계열의 화합물 반도체 소자인 InGaP(AlGaAs)/GaAs 이종접합 쌍극성 트랜지스터(HBT : Heterojunction Bipolar Transistor, 이하 HBT라 약칭함) 소자는 마이크로 웨이브 또는 밀리미터 웨이브(10 - 100 GHz) 대역의 소자 응용에 광범위하게 적용되고 있으며, 우수한 속도 특성 때문에 고주파 대역의 무선통신용 회로에 응용되고 있다.
이러한 HBT 소자중 가장 널리 사용되는 구조의 HBT는 AlGaAs/GaAs HBT인데,도 2a는 종래의 AlGaAs/GaAs HBT 소자의 에피구조를 도시한 도면이며, 표 1은 도 2a에 도시된 AlGaAs/GaAs HBT 소자의 각 층별 불순물 농도, 층 두께를 나타낸 도표이다.
층 불순물 농도 층 두께(㎚)
에미터캡 (GaAs) n∼1×1019/㎤ 100
에미터 (Al0.25Ga0.75As) n∼5×1017/㎤ 200
스페이서 (GaAs) undoped 2
베이스 (GaAs) p∼1×1020/㎤ 70
n-콜렉터 (GaAs) n∼5×1016/㎤ 400
서브콜렉터 (GaAs) n∼8×1018/㎤ 400
기판 (GaAs) Semi-insulating
도 2a에 도시된 HBT의 속도 특성은 전자가 에미터로부터 콜렉터에 전달되는 시간인 에미터-콜렉터 지연시간 (Τec)으로 표현할 수 있으며, 이 지연시간은 Τec =Τe+ Τb + Τc + Τscc로 표현된다. 여기서, Τe는 에미터-베이스 접합을 충방전할 때 걸리는 시간이며, Τb는 전자가 베이스를 지나가는데 걸리는 시간이고, Τc는 베이스-콜렉터 접합을 충방전할 때 걸리는 시간이며, Τscc는 전자가 콜렉터를 지나가는데 걸리는 시간이다.
한편, 상술한 각 지연 시간중 Τscc의 크기가 상당한 부분을 차지하고 있으며, 따라서 HBT의 최대 동작 속도를 증가시키기 위해서 Τscc 값을 감소 시켜야만 한다.
이러한 동작 속도를 향상시킬 수 있는 가장 대표적인 HBT 소자로는 Ballistic 콜렉터 구조의 HBT를 들 수 있는데, 도 2b는 종래의 일반적인 Ballistic 콜렉터 구조를 갖는 HBT의 각 층별 구성을 도시한 도면이다. 그리고, 표 2는 이러한 Ballistic 콜렉터 구조를 갖는 HBT의 각 층별 불순물 농도, 층 두께를 나타낸 도표이다.
층 불순물 농도 층 두께(㎚)
에미터캡 (GaAs) n∼1×1019/㎤ 100
에미터 (Al0.25Ga0.75As) n∼5×1017/㎤ 200
스페이서 (GaAs) undoped 2
베이스 (GaAs) p∼1×1020/㎤ 70
n+콜렉터 (GaAs) n∼5×1018/㎤ 10
n-콜렉터 (GaAs) n∼5×1016/㎤ 200
p+콜렉터 (GaAs) n∼5×1018/㎤ 10
n+콜렉터 (GaAs) n∼5×1018/㎤ 10
n-콜렉터 (GaAs) n∼5×1016/㎤ 100
서브콜렉터 (GaAs) n∼8×1018/㎤ 400
기판 (GaAs) Semi-insulating
이 Ballistic 콜렉터 구조의 HBT는 전자가 콜렉터를 지나는 속도를 단축시킬 수 있는 구조이며, 이러한 Ballistic 콜렉터 구조의 원리를 도 2c와 도 2d를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2c와 도 2d는 종래의 Ballistic 콜렉터 구조의 HBT에서 콜렉터로 사용되는 GaAs의 분산(dispersion) 관계, 즉 전자 또는 정공의 에너지와 운동량의 관계를 도시한 그래프로서, 운동량이 작은 부분, 즉 K가 0에 인접한 부분(Γ valley)에서의 전자의 유효 질량은 매우 작은 값(me= 0.07mo, mo는 자유전자의 질량)이나 운동량이 매우 큰 부분(L valley)에서의 전자의 유효 질량은 매우 큰 값(me= mo, mo는 자유전자의 질량)을 갖는다. 여기에서 Γ valley와 L valley 사이의 에너지 차(ΔEΓL)는 0.36eV정도이다.
일반적인 GaAs HBT 구조에서 전자는 GaAs콜렉터 내에서 높은 전위차에 의해 큰 운동량을 갖게 되며 이 운동에너지의 값이 0.36eV에 가깝거나 클 경우 전자 유효 질량의 증가에 의해 속도가 급격히 감소된다. 그리고, 그 결과 HBT의 콜렉터 지연시간(Τscc)이 급격히 증가하여 HBT의 속도 특성을 감소시키는 문제점이 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서 종래에는 Ballistic 콜렉터 AlGaAs/GaAs HBT 구조가 제안되었으며, 이 콜렉터 지연시간의 감소에 의해 소자의 속도 특성이 향상된다.
도 2e는 종래의 Ballistic 콜렉터 HBT에 대한 에너지밴드 다이어그램을 도시한 도면으로서, 도 2e를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 표 2에서 높은 불순물 도핑이 되어 있는 제 2 n+콜렉터 층(21)은 급격한 에너지 절벽을 만들어 베이스에서 콜렉터로 진행하는 전자가 이 에너지 절벽의 차에 해당하는 에너지를 가지고 매우 빠르게 이동하도록 하는 역할을 수행한다.
그리고, 이 에너지 절벽은 전자 발사구조(electron launching structure)라 불리며 Ballistic HBT 구조의 핵심에 해당된다. 이때 에너지 절벽에 의해 만들어지는 에너지 차는 GaAs의 ΔEΓL(0.36eV) 보다 작은 값이며, 콜렉터 층의 시작 부분에서부터 전자의 속도를 증가시켜 주는 역할을 수행하게 된다.
한편, 도 2f는 일반적인 콜렉터 구조와 Ballistic 콜렉터 구조에서 전자의 속도를 비교한 결과를 그래프로 도시한 도면으로서, 표 2에서 높은 불순물 도핑이 되어 있는 p+콜렉터(22)와 제 1 n+콜렉터(23)는 전자의 에너지가 에너지 절벽에 의한 에너지 차ΔEΓL(0.36eV) 보다 커지는 것을 방지하기 위해 콜렉터 내에서의 전계 크기를 감소시켜 주는 역할을 하며, 이는 Ballistic HBT 구조의 또 다른 핵심 구조에 해당된다.
하지만, 이러한 Ballistic HBT 구조는 제 2 n+콜렉터(21)와 p+콜렉터(22), 제 1 n+콜렉터(23) 들이 매우 높은 불순물 농도(5×1018/㎥)로 도핑되어 있기 때문에 HBT의 콜렉터-에미터 항복전압이 낮아지게 되고, 그로 인해 동작 전압이 낮은 응용에서는 적합하지만 고전압, 고출력을 요구하는 전력 응용에서는 부적합하다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, DHBT 구조에서 콜렉터로 사용되는 InGaP를 낮은 불순물 도핑의 그레이딩된 AlxGa1-xAs층으로 대체하므로써, HBT의 항복전압을 증가시키고 그로 인해 고전압 동작에서 속도 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 ballistic 콜렉터 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터에 있어서, 상기 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터는, 반도체 기판상에 형성된 GaAs 서브콜렉터 층과, InGaP 콜렉터 층과, AlxGa1-xAs 그레이딩 층과, GaAs 제 1 스페이서 층과, GaAs 베이스 층과, GaAs 제 2 스페이서 층 및, InGaP 또는 AlGaAs 에미터 층과, GaAs 에미터캡 층으로 구성되며, 상기 InGaP 콜렉터 층은, 상기 GaAs 서브콜렉터 층의 상부에 형성된 제 1 n-콜렉터 층과, 상기 제 1 n-콜렉터 층의 상부에 형성된 제 1 n+콜렉터 층과, 상기 제 1 n+콜렉터 층의 상부에 형성된 p+콜렉터 층과, 상기 p+콜렉터 층의 상부에 형성된 제 2 n-콜렉터 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 ballistic 콜렉터 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터를 제공한다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Ballistic 콜렉터 구조를 갖는 HBT의 에피구조를 도시한 도면,
도 1b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 접합을 형성하기 전 Ballistic 콜렉터 구조를 갖는 DHBT의 각 에피층에 대해 에너지밴드 다이어그램을 도시한 도면,
도 1c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Ballistic 콜렉터 구조를 갖는 DHBT의 에너지밴드 다이어그램을 도시한 도면,
도 2a는 종래의 일반적인 콜렉터 구조를 갖는 HBT의 에피구조를 도시한 도면,
도 2b는 종래 기술에 따라 Ballistic 콜렉터 구조를 갖는 HBT의 에피구조를 도시한 도면,
도 2c는 종래의 Ballistic 콜렉터 구조의 HBT에서 콜렉터로 사용되는 GaAs의 분산(dispersion) 관계를 도시한 도면,
도 2d는 종래의 Ballistic 콜렉터 구조의 HBT에서 콜렉터로 사용되는 GaAs에 대한 전자속도와 전계의 크기와의 관계를 도시한 도면,
도 2e는 종래의 Ballistic 콜렉터 구조를 갖는 AlGaAs/GaAs HBT의 에너지밴드 다이어그램을 도시한 도면,
도 2f는 종래의 일반적인 콜렉터 구조와 Ballistic 콜렉터 구조에 대한 HBT 콜렉터에서 전자의 속도를 비교하여 도시한 도면.
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
14 : 그레이딩 층 15, 22 : p+콜렉터 층
16, 23 : 제 1 n+콜렉터 층 21 : 제 2 n+콜렉터 층
본 발명의 상기 및 기타 목적과 여러 가지 장점은 이 기술분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 하기에 기술되는 본 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 Ballistic 콜렉터 HBT 에피구조를 도시한 도면이며, 표 3은 도 1a에 도시된 Ballistic 콜렉터 HBT 에피구조의 각 층에 대한 불순물 농도, 각 층의 두께를 나타낸 도표이다.
층 불순물 농도 층 두께(㎚)
에미터캡 (GaAs) n∼1×1019/㎤ 100
에미터 (InGaP 또는 AlGaAs) n∼5×1017/㎤ 200
제 1 스페이서 (GaAs) undoped 2
베이스 (GaAs) p∼1×1020/㎤ 70
제 2 스페이서 (GaAs) undoped 2
그레이딩 (AlxGa1-xAs) n∼5×1016/㎤ 10
n-콜렉터 (InGaP) n∼5×1016/㎤ 200
p+콜렉터 (InGaP) n∼5×1018/㎤ 10
n+콜렉터 (InGaP) n∼5×1018/㎤ 10
n-콜렉터 (InGaP) n∼5×1016/㎤ 200
서브콜렉터 (GaAs) n∼8×1018/㎤ 400
기판 (GaAs) Semi-insulating
먼저, 도 1a에 도시된 Ballistic 콜렉터 HBT가 종래의 일반적 Ballistic HBT 구조와 대조되는 차이점은 도 2a에 도시된 고농도(5x1018/cm3)의 제 1 n+콜렉터 층(21)이 도 1a에 도시된 바와 같이 저농도(5x1016/cm3)의 그레이딩 층(14)으로 대체되었으며, 각 GaAs 콜렉터 층이 GaAs에 격자 정합된 InGaP 콜렉터 층으로 대체되었다는 점이다.
즉, 도 1a에서 그레이딩 층(14)은 그레이딩된 AlxGa1-xAs(여기서, x는 에피구조의 아래서부터 위 방향으로 x1에서 0으로 변함) 층으로서, 낮은 에너지 밴드갭(1.42 eV)의 GaAs 베이스 층과 높은 에너지 밴드갭(1.88eV)의 InGaP 콜렉터 층 사이에 발생하는 전위 장벽을 없애고 전위절벽을 형성시켜 전자 발사구조 (electron launching structure)를 만들어주는 역할을 한다.
이러한 그레이딩 층(14)은 AlxGa1-xAs의 조성(x) 변화에 의해 에너지 절벽을만들어 주기 때문에 높은 불순물 도핑이 필요하지 않게 되고, 그로 인해 종래의 일반적인 Ballistic 구조의 HBT에 비해 높은 콜렉터-에미터 항복전압을 갖는다. 또한, 고 불순물 농도의 결정층, 즉 p+콜렉터 층(15)과 제 1 n+콜렉터 층(16)이 InGaP로 이루어져 있고, 이 InGaP의 임계전계가 GaAs에 비해 훨씬 크기 때문에 일반적인 Ballistic 구조의 HBT에 비하여 높은 콜렉터-에미터 항복전압을 갖는다.
상술한 그레이딩 층(14)는 그레이딩이된 AlxGa1-xAs층이며, AlxGa1-xAs의 밴드갭 에너지는 Al성분(x)의 변화에 따라 Eg=1.420 + 1.247x eV로 변화하고 이 그레이딩된 AlxGa1-xAs층은 도 1b 및 도 1c에 나타난 바와 같이 베이스 층으로 사용되는 GaAs의 밴드갭 에너지인 1.42eV와 콜렉터 층으로 사용되는 In0.5Ga0.5P의 밴드갭 에너지인 1.88eV의 차이에서 발생되는 전도대(conduction band)의 전위장벽을 없애며 전자 발사구조에 필요한 전위절벽(ΔEc)를 만들어주는 역할을 하게 된다.
한편, GaAs와 InGaP 사이의 전도대 에너지 차는 약 0.2eV이며 GaAs와 AlxGa1-xAs의 전도대 에너지 차는 각각 0.7×(1.27x)이므로, AlxGa1-xAs의 x값이 약 0.22일 때 전위절벽 ΔEc값이 0이 되며, x값이 0.22보다 클 경우에는 Ec값이 0보다 커져서 전위절벽이 발생하게 된다.
결과적으로, 전위절벽 ΔEc값과 x값과의 관계는 x>0.22일 때 ΔEc= 0.7×(1.27x) - 0.2 (eV)가 되며, 만약 x=0.35일 경우에 ΔEc= 0.1 eV인 전위절벽이 생성되므로써, 결국 본 발명에서는 기존의 Ballistic 콜렉터 HBT 구조에서 전자 발사구조를 형성시키기 위한 고 불순물 농도 n+콜렉터 층을 낮은 불순물 도핑의 그레이딩된 AlxGa1-xAs층으로 대체하여 HBT의 항복전압을 증가시키게 된다. 또한, 본 발명에서는 기존의 Ballistic HBT 구조에서 사용하는 p+/n+접합을 항복현상이 발생되는 임계전계가 GaAs에 비해 훨씬 큰 InGaP에 형성시켜 HBT의 항복전압을 증가시키게 된다.
이상 설명한 바와같이 본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 DHBT 구조에서 콜렉터로 사용되는 InGaP는 GaAs보다 높은 전계에서의 전자 전달 특성이 우수하여 기존의 ballistic 콜렉터 HBT 구조에 비하여 고전압 동작에서 HBT의 속도 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 발리스틱(ballistic) 콜렉터 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터에 있어서,
    상기 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터는, 반도체 기판상에 형성된 GaAs 서브콜렉터 층과, InGaP 콜렉터 층과, AlxGa1-xAs 그레이딩 층과, GaAs 제 1 스페이서 층과, GaAs 베이스 층과, GaAs 제 2 스페이서 층 및, InGaP 또는 AlGaAs 에미터 층과, GaAs 에미터캡 층으로 구성되며,
    상기 InGaP 콜렉터 층은,
    상기 GaAs 서브콜렉터 층의 상부에 형성된 제 1 n-콜렉터 층과,
    상기 제 1 n-콜렉터 층의 상부에 형성된 제 1 n+콜렉터 층과,
    상기 제 1 n+콜렉터 층의 상부에 형성된 p+콜렉터 층과,
    상기 p+콜렉터 층의 상부에 형성된 제 2 n-콜렉터 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 발리스틱 콜렉터 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 n-콜렉터 층은 n형의 5×1016/㎤ 정도의 불순물 농도를 갖으며, 상기 제 1 및 제 2 n+콜렉터 층 및 p+콜렉터 층은 각각 5×1018/㎤ 불순물 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 발리스틱 콜렉터 이중 이종접합쌍극성 트랜지스터.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 그레이딩 층은, 그레이딩이 된 AlxGa1-xAs층을 이용하여 상기 GaAs 베이스 층과 상기 InGaP 콜렉터 층 사이에서 발생되는 전위장벽을 감소시키고 전자발사구조를 위한 전위절벽을 형성시키는 것을 특징으로 하는 발리스틱 콜렉터 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 그레이딩 층의 AlxGa1-xAs는 n형의 5×1016/㎤ 정도의 불순물 농도를 갖는 것을 특징으로 하는 발리스틱 콜렉터 이중 이종접합 쌍극성 트랜지스터.
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Song et al. Microwave characteristics of a carbon-doped base InP/InGaAs heterojunction bipolar transistor grown by chemical beam epitaxy

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