TW554527B - GaN HBT superlattice base structure - Google Patents

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554527 Α7 Β7 五、發明説明（1 ) 本發明之背景： 本發明之領域： --------裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係關於一種異質接合雙載子電晶體（Η B T ) ，尤指一種ΗΒ Τ，及使ΗΒ Τ具有更高的效率及更高的 頻率操作，但沒有已知之製造複雜性的方法。 相關技術之說明： 一般習知技術已經知道異質接合雙載子電晶體（ Η Β Τ )，這樣的裝置之例子被揭示於美國專利第 5，349，201;5，365，077; 5，404，025號案中，並且通常爲美國專利第 5，448，087 及 5，672，522 號案所擁有， .Ρ 所有這些專利案在此被倂入做爲參考資料。這樣的 Η B T s已知被使用在需要相當高的頻率響應及較寬的操 作溫度$Β圍之應用中’以及被使用在’舉例來說，功率放 大器、低雜訊放大器、及人造衛星中的功率變換電子電路 和太陽能應用中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 典型的Η B T s通常被形成於半導體基板上，例如砷 化鎵（G a A s )或磷化銦（I η Ρ )，集極、基極及射 極諸層被外延形成於基板的頂部上，更明確地說，所知之 Η B T s已知在基板的頂部上直接被形成有一掺雜η +的次 集極層，繼之以η —集極層，一 ρ+基極層被形成於集極層 的頂部上，繼之以掺雜η +的射極層，接點被形成於次集極 層及射極層，用以使裝置連接至外部電路。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） 554527 A7 B7__ 五、發明説明（2 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 當輸入電壓被施加於雙載子電晶體的基極射極接面之 上時，使基極射極接面順向偏壓，導致電子從射極層被放 出而進入基極層中，當電子，舉例來說，藉由擴散而到達 基極-集極接面時，電場將電子引導至集極層。 在同質接合接合雙載子電晶體中，由於順向偏壓之射 極接面的結果，電洞從射極層被放出而進入基極層中。電 洞進入基極層中之注入導致較低的截止頻率及裝置的較低 電流增益，而導致較低的效率及裝置的較低操作頻率頻率 爲了減少電洞注入，通常使基極P -掺雜低於射極，但很 不幸地，這樣的組態導致基極層具有更多的電阻，其隨後 降低裝置的輸出功率。 在異質接合接合雙載子電晶體中，較寬廣的能帶隙材 料被用於射極層，其用作能量障壁，此能量障壁減少電洞 注入’而因此改善裝置的基極過渡時間及截止頻率。爲了 進一步改善裝置的操作，使基極層的P 一掺雜儘可能地大 ，以便減少基極層的電阻。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 美國專利第5 ，349，20 1號案揭示一種HBT ’其利用一替代材料系統來減少基極過渡時間、增加操作 頻率、及增加電流增益。 本發明之槪述： 簡略地說’本發明係關於一種異質接合雙載子電晶體 (HBT) ’具有一基極層係形成自氮化鎵（GaN)及 氮化鎵銘（A 1 G a N )的交錯層，其形成分級超晶格結 ______- 5 -_____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 554527 A7 B7 五、發明説明（3 ) 構，該結構具有以建立一內建電場於基極區域中這樣的方 式來分級A 1 GaN層的A 1成分。基極層中之 A 1 G a N的薄層讓這些層中之p -型掺雜質隧穿入 G a N層中，因此減少p -型掺雜質活動能量，並增加基 極P—型載子濃度。A 1 GaN層中之A 1成分的分級感 應一靜電場於基極層之上，其增加從射極放出而進入基極 區域中之電子的速度，此結構因此減少所注入之電子過渡 時間，並同時增加p -型載子濃度，以改善裝置的操作效 率。 附圖之簡略說明： 參照下面的說明書及附加之圖形，將可很容易地了解 本發明的這些及其它目的，其中： 圖1例舉具有依據本發明之分級超晶格基極層的 Η B 丁。 圖2顯示針對本發明之其中一實施例，基極層中之 A 1成分做爲離開射極之距離的函數的圖表。 符號說明 2 〇 異質接合雙載子電晶體 2 2 基板 2 4 次集極層 2 6 集極層 2 8 基極層 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 1T- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 554527 A7 B7 五、發明説明（4 ) 30 集極基極介面 3 2 射極基極介面 (请先閱讀背面之注意事項存填寫本貢〕 3 4 射極層 3 6 集極接點 3 8 基極接點 40 射極接點 較佳實施例之詳細說明： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明係關於一種異質接合雙載子電晶體（Η B T ) ，具有改善之基極過渡時間，及基極中增加的Ρ -型載孑 濃度，其提供較高效率的功率操作及較高的頻率操作。在 形成自氮化鎵/氮化鎵鋁（G a Ν/Α 1 G a Ν)材料系 統的Η B T s中，藉由高的受體活動能量來限制P -型載 子濃度，本發明利用G a Ν及A 1 G a Ν的交錯層來形成 分級超晶格，其藉由有效地減少活動能量來有效地增加P -型載子濃度，較高的p -型載子濃度給予較高效率的功 率操作及較高的頻率操作。分級超晶格導致跨在基極上的 能帶隙能量被分級，此分級感應跨在基極上的靜電場，其 增加減少載子過渡時間之載子速度，舉例來說，對於下面 所討論之組態，Η B T之受體活動能量已經被顯示爲係減 少的，舉例來說，從〇 . 1 2 5 e V到〇 · 〇 9 e V，這 導致了基極P -型載子濃度從5 X 1 0 1 7 c m — 3增加到2 X 1 〇 1 8 c m — 3，及基極過渡時間從4 5 p s減少到2 0 p s 〇 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 554527 A7 ____B7 五、發明説明（5 ) 參照圖1 ，例舉一依據本發明之Η B T，並且一般以 參考數字2 0來予以辨識，ΗΒΤ 2 0包含一半導體基 板2 2，舉例來說，形成自藍寶石或碳化矽（S i C )， 一 n+氮化鎵（G a N)次集極層2 4被形成於這些基板 2 2的頂部上。一種外延生長氮化鎵層之方法被揭示於美 國專利第5 ，7 2 5，6 7 4號案中，其在此被倂入做爲 參考資料。可以使用分子束外延法（Μ B E )來使次集極 層2 4生長到，舉例來說，1 0 0 0 n m，並且掺雜以矽 (S i )到 6x 1 018cm_3 的濃度。一 n — GaN 集極 層2 6，舉例來說，藉由MB E法而被形成在一部分次集 極層2 4的上面，習知的微影技術可以被使用來形成集極 層2 6僅在一部分次集極層2 4的上面。 依據本發明之重要樣態，基極層2 8被形成有非固定 之能帶隙，其在集極基極介面3 0具有一低的數値，而在 射極基極介面3 2具有一較高的數値，此能帶隙在基極層 2 8中產生一靜電場，其增加裝置的載子速度，並減少裝 置的過渡時間。舉例來說，基極層2 9可以是形成自包含 A 1 G a N/ G a N之交錯層的超晶格，美國專利第 5，83 1，277號案揭示一形成ΑΙχΝηι)/ G a N超晶格結構之系統，其在此被倂入做爲參考資料。 特別是，超晶格基極層2 8被形成在集極層2 6的頂部上 ，此超晶格基極層2 8藉由Μ B E法而從周期性 A 1 G a Ν — G a Ν層被形成到總厚度1 5 0 n m，各 G a N層可以是未被掺雜的，並且被形成到3 n m的厚度 ______ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝· 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 554527 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7五、發明説明（6 ) ，A 1 G a N層可以被形成到1 n m厚的厚度，以鎂（ Mg)來掺雜至lx 1 019cm_3的位準，其中，在集極 基極介面30處之鋁A 1成分爲〇 · 〇5，並且繼續朝向 射極基極介面3 2增加，而增加到在射極基極介面3 2處 爲0 · 3 0之最終値。圖2顯示針對本發明之其中一實施 例，基極層中之A 1成分做爲離開射極-基極冶金接面之 距離的函數的例子。參照回到圖1 ，在形成基極層2 8之 交錯A 1 GaN/GaN層中A 1 GaN的薄層使基極層 2 8中之p -型濃度增加，其增加高的功率效率及高的頻 率操作。 一射極層3 4，舉例來說，藉由MB E法而被形成在 基極層2 8的頂部上，射極層3 4可以從A 1 G a N而被 形成到1 5 0 n m的厚度，並且以6 X 1 0 1 8 c m - 3的濃 度來掺雜矽。 集極、基極及射極接點係藉由習知的金屬沉積及離地 技術來予以形成，更明確地說，一集極接點3 6被形成於 次集極層2 4上；一基極接點3 8被形成於基極層2 8的 頂部上；而一射極接點4 0被形成於射極層3 4的頂部上 0 顯然，根據上面的教旨，本發明之許多修正及改變係 可能的，因此，可以了解到，在附加之申請專利範圍的範 疇之內，除了如上面所特別敘述的，本發明仍可以其他方 法來予以實施。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X：Z97公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·

、1T .加

Claims (1)

1. 554527 A8 B8 C8 D8 、申請專利乾圍 附件2 :第9 1 1 0673 3號專利申請案修正塗^畫[L線之 中文甲請專利範圍替月日綠七I 民 修正 1、 一種異質接合雙載子電晶體（ΗΒΤ)，其包括 一基板； 一 η +掺雜G a Ν次集極層； 一 η —掺雜G a N集極層； 一基極層，被形成於該集極層的頂部上，界定一基極 集極介面，其係形成自形成一超晶格之A 1 G a N/ G a N的交錯層； 一η+掺雜AlGaN層； 一 n + A 1 G a N射極層，被形成於該基極層的頂部上 ，界定一射極基極介面； 一基極接點，被形成於該基極層上； 一集極接點，被形成於該次集極上；以及 一射極接點，被形成於該射極上。 2、 如申請專利範圍第1項之Η B T，其中在該 A 1 G a Ν層中之A 1成分爲不規則的。 3、 一種異質接合雙載子電晶體（HBT)，其包括 一基板； 一 η +掺雜G a N次集極層； 一 n_掺雜G a N集極層； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1Τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 554527 A8 B8 C8 D8 π、申請專利範圍 一基極層，被形成於該集極層的頂部上，界定一基極 集極介面，其係形成自形成一超晶格之A 1 G a Ν/ G a N的交錯層； 一 n+掺雜AlGaN層； 一 η + A 1 G a N射極層，被形成於該基極層的頂部上 ’界定一射極基極介面，在該射極基極介面處之A 1成分 係大於在該基極集極介面處之A 1成分； 一基極接點，被形成於該基極層上； 一集極接點，被形成於該次集極上；以及 一射極接點，被形成於該射極上。 4、 如申請專利範圍第1項之Η B T，其中該交錯 Α 1 G a N / G a Ν層被形成而使得A 1成分被分級。 5、 一種異質接合雙載子電晶體（HBT)，其包括 一基板，係形成自從包含藍寶石及碳化矽之群中所選 擇的材料； 一 n+掺雜G a N次集極層； 掺雜G a N集極層； 一基極層，被形成於該集極層的頂部上，界定一基極 集極介面，其係形成自形成一超晶格之A 1 G a N/ G a N的交錯層； 一 η +掺雜A 1 G a N層； 一 n + A 1 G a N射極層，被形成於該基極層的頂部上 ’界定~射極基極介面； 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -2 - (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、1T φ, 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 554527 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 一基極接點，被形成於該基極層上； (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 一集極接點，被形成於該次集極上；以及 一射極接點，被形成於該射極上。 6、 一種異質接合雙載子電晶體之製造方法，其包括 步驟： (a) 形成一次集極層於一基板上； (b) 形成一集極層於該次集極層上； (c) 形成一基極層於該集極層上，界定一基極集極介 面，該基極層被形成有一不規則的能帶隙能量；· (d) 形成一射極層於該基極層上，界定一基極集極介 面；以及 (e) 形成接點於該等基極、次集極及射極層上。 7、 如申請專利範圍第1項之方法，其中該基極層被 形成爲超晶格。 8、 一種異質接合雙載子電晶體之製造方法，其包括 步驟： (a) 形成一次集極層於一基板上； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (b) 形成一集極層於該次集極層上； (c) 形成一做爲AlGaN/GaN之交錯層之超晶 格的基極層於該集極層上，界定一基極集極介面，該 基極層被形成有一不規則的能帶隙能量； (d) 形成一射極層於該基極層上，界定一基極集極介 面；以及 (e) 形成接點於該等基極、次集極及射極層上。 -3- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 554527 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 9、一種異質接合雙載子電晶體之製造方法，其包括 步驟： (a) 形成一次集極層於一基板上； (b) 形成一集極層於該次集極層上； (c) 形成一基極層於該集極層上，該基極層包括_ A 1 GaN/GaN之交錯層的超晶格，具有一該 AlGaN/GaN之交錯層中非固定濃度的A1 ， 界定一基極集極介面，該基極層被形成有一不規則的 能帶隙能量； · (d) 形成一射極層於該基極層上，界定一基極射極介 面；以及 (e) 形成接點於該等基極、次集極及射極層上。 1 〇、如申請專利範圍第9項之方法，另包括形成該 基極層，具有在該基極集極介面處的A 1濃度係低於在該. 基極射極介面處的A 1濃度。 1 1 、一種異質接合雙載子電晶體之製造方法，其包 括步驟： (a) 形成一次集極層於一基板上； (b) 形成一集極層於該次集極層上； (c) 形成一基極層於該集極層上，該基極層包括一 A 1 G a N/ G a N之交錯層的超晶格，具有~該 AlGaN/GaN之交錯層中非固定濃度的A1 ， 界定一基極集極介面，使得在該基極集極介面與該射 極基極介面之間的A 1濃度被分級，該基極層被形成 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） I-------- (請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) 訂· _· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 554527 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 有一不規則的能帶隙能量； (d) 形成一射極層於該基極層上，界定一基極射極介 面；以及 (e) 形成接點於該等基極、次集極及射極層上。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -5 -