TWI310609B - - Google Patents

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1310609 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種電晶體，特別是指一種異質接面 雙極性電晶體。 【先前技術】 ,圖1所示為一般利用傳統微影、沈積、與蝕刻製程所 製ie之峨化銦所化銦鎵異質接面雙極性電晶豸丄q。該電晶 體10包含由下而上依序疊接之—磷化銦基板u、—緩衝層 12、一次集極層13、一集極層14、一基極層"、一射極層 16及巾目層π。其中緩衝層12、次集極層13、集極層μ 基極層15及巾目層！ 7為石申化銦嫁材料所構成，而射極層 16為磷化銦所構成。如該電晶體1 〇為NpN型雙極性電晶 體’則該次集極層13、集極層14、射極層16及帽層17: N型摻雜，而基極層15為p型摻雜。 但是上述習知技術所製造之磷化銦/砷化銦鎵異質接面 又極性電晶體1G存在著先天上的缺陷，也就是該電晶體⑺ 之集極層14是由較小能隙（Eg〜〇75eV)之砷化銦鎵材料組 成，該小能隙之集極層14將導致電晶體呈現較小之崩潰電 壓與較大之衝擊離子化（impaci i〇nizati〇n)等缺點。另—方面 ，磷化銦/砷化銦鎵異質接面雙極性電晶體存在著導電帶不 連續值（conduction band discontinuity, AEC)所引起的位障尖 峰（potential spike)，此位障尖峰將造成電晶體特性劣化，例 如較小之電流增益、須較大之補償電壓、具較大之膝形電 壓、較小之射極注入效率及較小之工作電流範圍等缺失。 1310609

為能解決傳統磷化銦/石申化銦鎵異質接面雙極性電晶體 之上述缺點，而發展出雙異質接面雙極性電晶體㈣福^ heter〇Junction bip〇lar 如以_，dhbt )。其結構與圖】相 同’不再贅述，其不同之處在於該次集_ 13、基極層Μ 及帽層17為砷化銦鎵材料所構成’而集極層i4與射極層 Μ同為具較大能隙值之魏銦材料所構成。因傳統電晶體 之集極層材料已替換為具較大能隙值之軌銦材料，故 此雙異質接面雙極性電晶體之崩潰電壓與崩潰電場能加以 提高，且由於射極層16與集極層14材料同為大能隙之磷 化銦材料所組成，其結構具有對稱性，故其補償電壓較傳 統吩化錮/砷化銦鎵異質接面雙極性電晶體為小。 然而，磷化銦/砷化銦鎵雙異質接面雙極性電晶體於基_ 集極層15、14接面存在-㈣尖峰，其將造成載子傳輸的 障礙，降低集極層I4聚集（collect)載子的能力，使電流增 盈隨之下降。3 一方面，此位障尖峰亦造成阻擋效應 (blocking effect)，增加集_射極飽和電壓（㈤丨邮〇^論如 saturation v〇Itage，VsAT )，使其正常工作電壓之有效範圍減 小，此一較大飽和電壓特性不利於元件應用於放大器（類 比）與開關（數位）設計，因為較大之飽和電壓將造成一 較小輪出電流（訊號）之擺幅。 有鑑於上述之現有技術之作法與缺點，本案發明人經 多年研究異質接面雙極性電晶體之經驗成功地發展出一種 具有低工作電壓、低補償電壓、低導通電壓、低膝形電壓 、低衝擊離子化、高射極注入效率、高崩潰電壓、較大之 6 1310609 電：體操作溫度範圍、極寬廣與極低操作電流等良好特性 之新穎之異質接面雙極性電晶體。 ' 【發明内容】 私。因此本發明之目的即在提供一種低工作電壓、低補 償電壓、低導通電壓、低膝形電壓、低衝擊離子化、高射 極：入效率、高崩潰電壓、較大之電晶體操作溫度範圍、 極寬廣與極低操作電流等良好特性之—新穎之異f接面雜 極性電晶體。 又

於是，本發明異質接面雙極性電晶體，包含：一半導 體基板、一形成於該半導體基板頂面之緩衝層、一形成於 該緩衝層頂面之次集極層、—形成於次集極層頂面之集極 層匕、、一形成於集極層頂面之步階式集極層、—形成於該步 階式集極層《頂面t基極@、一形成於該&極層上方之射 極層，及一形成於該射極層頂面之帽層。 該次集極層具有一次集極本體，及一電連接於次集極 本體表面且為金屬材質之集極電極。該步階式集極層具有 複數由下而上依序疊接且能係值依序遞減之步階層體。該 基極層具有一基極本體，及一電連接於基極本體表面且為 金屬材質之基極電極。該帽層具有一帽層本體，及一電連 接於帽層本體頂面且為金屬材質之射極電極。 【實施方式】 有關本發明之前述及其他技術内容、特點與功效，在 以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可 清楚的呈現。 1310609 多閱圖2 ,本發明異質接面雙極性電晶體之較佳實施例 包含：-半導體基31，及以金屬有機化學氣相沉積 (MOCVD)法由下而上依序疊接成長之—緩衝層32、一次集 極層33 |極層34、_步階式集極層35、一基極層％ 、一月置層37、一射極層38，與一帽層39。 該半導體基板31是以半絕緣型的填化銦（Inp)材質所 組成’但實施上亦可以n型或p型摻雜之碟化銦材質組成 ’貫施上不以基板31之材質為限。 該缓衝層32形成於該半導體基板31頂面，且是以n 型摻雜’厚度lnm至之鱗化銦（Ιηρ)蟲晶層組成。 該次集極層33形成於該緩衝層32頂面，且該次集極 層33具有一次集極本體331，及一電連接於次集極本體 331表面且為金屬材質之集極電極332。該次集極本體331 是以厚度10nm至50〇〇nm且η型摻雜濃度為5xl〇】6cm_3至 9X101W3之珅化銦鎵（In〇53Ga〇47As)蟲晶材質製成，而集 極電極332是由金（Au)、鈦/金（Ti/Au)、鎳（Ni)、金-錯 (Au-Ge)或金-鍺-鎳（Au_Ge_Ni)等其中_種合金所製成 〇 該集極層34形成於次集極層33頂面’且集極層％是 以厚度10nm至10μΐΏ且n型摻雜濃度為lxi〇16cm_3至 5xl〇18cm—3之麟化銦（InP)磊晶所組成。 該步階式集極層35形成於集極層34頂面，厚度範圍 為5nm至lOOOnm，材質是以n型摻雜濃度為ΐχ 1〇1、瓜—3 至10丨W之四元化合物砷化銦鋁鎵(In〇53AlxGayA. 1310609 組成’該步階式集極層35具有複數由 隙值依序遊減之步_體3^_由；：而上依序疊接且能 之莫耳分率皆不同，且χ+产；^層歹體耸350之銘與嫁 由下而上依序4步階層體350 本實施it 逐漸遞減，y值逐漸遞增。 ^亥等步階層體350之數量為4,且由上而下 。刀為弟-步階層體351、第 由：而下 體353及第四牛购SsA 白層體352、第三步階層

In 〇a a V白S _ 354，第—步階層體351是由

In0.53Ga0.47As所組成，能隙 田 層體352 a “ P承值為〇.75電子伏特。第二步階 子伏特rr〇.53AI0.05Ga〇42As所組成，能隙值為㈣電 子伏特，弟二步階層體353是 ，能隙值為0.94電子伏特。第〇53/I2Ga〇35AS所組成 冤千伏特。第四步階層體354是由

In〇.53AI〇.I9Ga〇.28As所組成，能隙值為 步階層體350之能隙值是由下 電子:大；料 叩上依序遞減。本實施例中 疋以四步階層豸350為例作說明，實際實施時該步階層體 50之數置為複數即可，實施範圍步階層體35〇之數量不以 四為限。 該基極層36形成於該步階式集極層35之頂面，並呈 有-基極本體361，及-電連接於基極本體361表面且為^ 屬材質之基極電極362。基極本冑361是以厚度1〇疆至 lOOOnm且p型摻雜濃度為lxl〇nem-3至9χι〇19_3之石申化 銦鎵（In〇.53Ga〇.47As)所組成’該基極電極如是以欽/銘/ 金（Ti/Pt/Au)、金-鋅（AuZn)或金_鍵（AuBe)等其中一 合金所製成，但實施範圍不以此為限。 頂面，且是由厚度 該背置層3 7設置於該基極層3 6 1310609 lnm 至 100nm 且 η 型摻雜濃度為 lx 1016cnT3 至 5χ i〇i8em-3 之砷化銦鎵（In〇.53Ga〇.47As)磊晶所組成。 該射極層38形成於背置層37頂面，且是以厚产1 nm 至5000nm且η型摻雜濃度為ΐχ i〇l6cm·3至5X 1〇丨8cm_3之 磷化銦（InP)磊晶製成。 該帽層39形成於該射極層38頂面’並具有一帽層本 體391，及一電連接於帽層本體391頂面且為金屬材質之射 極電極392。帽層本體391是以厚度1〇nm至5〇〇〇nm且n 型摻雜'/辰度為lxl017cm 3至9xlO】9enT3之坤化銦鎵（

Ino.ssGamAs)磊晶組成。而射極電極392是以金（Au)、 鈦/金（Ti/Au)、鎳（Ni)、金-鍺（Au_Ge)或金_錯_錄（

Au-Ge-Ni )等其中-種合金所製成，但實施範圍不以此為 限。 本實施例中該電晶體是以npn之型式為例作說明，但 實際實施時亦可以pnp <型式實施，實施範圍不以電晶體 型式或各層之材料或摻雜型式為限。 以下續詳細地說明本發明異質接面雙極性電晶體之電 性特徵’於以下說明中’須同時配合參閱圖2 : "月 >'、、、圖3，a亥圖顯示該較佳實施例於熱平衡下之相對 應能帶圖，其中實線及虛線分別表示導電帶與價電帶。其 中’該步階式集極^ 35之第—、二、三、四步階層體 351〜354 ’形成於In〇.53Ga〇.47As之基極層36與InP之集極 層34間，因第一步階層體351之能隙值與基極層％之能 〃才同故曰遍出現於雙異質接面雙極性電晶體的基·集 10 1310609 接面之導電帶不連續現象及其衍生之阻擋效應，於本較佳 只細例確可有效排除，且因大能隙值之集極層Μ是疊接於 第四步階層體354之下方’故整體集極層34之有效能隙值 可獲得提升。 另一方面，由本較佳實施例之基極層36/背置層37/射 極層38區域附近的能帶圖可得知，出現於傳統異質接面雙 極性電晶體之基射極陡接面之位障尖峰確實可成功地予以 降低。 多…、圖4，該圖顯示為本實施例於室溫時（3οοκ)之集極 電流和基極電流對基·射極電壓的關係’其中設定基極-集極 電壓為0伏特。而直流電流增益與集極電流關係則顯示於 圖5。於室温操作時，其集極電流理想因子⑽為顯 示集極電流係受熱游離子發射與擴散機制所主導(— emission and diffusi〇n職―），極小部分之集極電流則 為穿透位能障壁之穿透電流（tunneling currem)。同時，該基 極電流之理想因子⑽為h2，顯示主要之基極電流係來自 基極層36本身之復合電流（bulk rec〇mbinati〇n)，極小部分 之基極電流係來自空間電荷區域（SCR)復合電流。 另一方面，本實施例之導通電壓（定義為集極電流密 度達到1 Si吾/平方公分時之基_射極電壓，#中本實施例之 射極面積為6χ6μπι2,集極/射極之面積比值為4)僅為0.44 伏，此一較小之導通電壓，意味著較小之輸入基-射極電壓 即可使電晶體進入工作區，以提供一額定之穩態輸出電流 ’使工作點之直流消耗功率將可下降。 11 1310609

>阅圓5，值得注意的是，此較佳實施例亦呈現良好之 放大特性’於圖5之直流電流增益與集極電流關係中清楚 顯示，當集極電流降低至2·7χ1〇_η安培（集極電流密度為 7.5x10安培/平方公分），電流增益依然高達5。當集極電 流提高至毫安（集極電流密度為2.7x1 04安培/平方公分） ，電流增益則為49。也就是說，本較佳實施例提供電晶體 放大作用之操作電流範圍可寬廣至9個數量級之集極電流 。此結果顯示，本發明之元件確實可大幅提高可供放大作 用之電流操作區域，且使得元件即使操作於—極小之集極 電流時仍具f流增益’因此可有效提升元件之應用範圍。 參閱圖6,該圖顯示為本實施例於不同溫度時所量測之 共射極輸出電流—電壓祕，其中，基極輸人電流⑻由〇每 次增加20微安（20pA/step)，且每次環境溫度於室溫（则κ) 及450K牯測輸出集極電流，由圖6可明顯看出 輸出集極電流是呈現-增加趨勢’主要係由於倍增因子 (p lcatlon factor)疋一正溫度係數，故輸出集極電流隨 溫度呈現一增加趨勢。 力一 β φ亦可由圖6中看出本實施例之共射極崩潰 電壓、，該共射㈣潰Μ就是於基極料條件下，集極電 机到達至〜1毫安時之集極-射極電壓。由® 6中基極輸入 =為0安培時（基極開路），室溫纖曰寺，共射極崩潰 電壓可高達8伏以上，而在 世咏圪溫度375Κ與450Κ時，其 共射極崩潰電壓分別為7.4 ’、 一 仇與5.3伙，使侍件即使操作 於-南溫環境下，仍具—較佳輪出電壓擺幅。 12 10609 值仔注意的是，本較佳實施例之補償電壓與飽和電壓 分別為98.4毫伏及0.27伏，其中補償電壓是當Ib = 2〇 曲線下，其所相對應的集極電流為〇時，相對應的集_射極 電壓:而飽和電壓是在Ib = 20 μΑ曲線下，當集極電流達 7平穩不再增加（電塵崩潰之前），取平穩集極電流值的卯 $，其所對應的集-射極電壓就是飽和電壓。此—較低之補 償電壓將有助於本發明電晶體應用於低功率耗損電路盘系 2 ’且亦能大關減電路設計之複雜度，確有利本發明於

產業之應用。再者，若將此一較佳實施例應用於A、IB 等類放大器電路，則較低之飽和電昼將有助於提高放大器 之功率增加效率（ρΑΕ)。 。 述，本發明異質接面雙極性電晶體藉由增設步 白式集極層35與背置層37以提供以下優點： 之能因第一步階層M 351之能隙值近似於基極層％ 極接面之Υ Γ曰遍出現於雙異質接面雙極性電晶體的基-隼 障尖峰，於本案所提之具有步階式集極層hi ^㈣接面雙極性電晶體可有效降低。因此，本幸所; 之電曰曰體元件於正常操作下將可減 塑' = 可獲得低膝形，、柄墓、3士厂 應之衫響，故 【低W電塵及低工作電磨等特性。 …）因大能隙集極層34係形 之下方’故本發明異質接面雙 =層體⑸ 雙極性電晶體比較，其具備一較大==統異質接面 潰電場、較小之衝擊離子化、貝’、、較大之崩 電流與較大之電曰俨r Λ、之輸出電導、較低之漏 4日日體刼作溫度範圍。 13

1310609 (3)藉由背置層37之能隙值等於基極層％之能隙值 ’故出現於傳統異質接面雙極性電晶體之基-射極陡接面之 ^障尖峰將可有效地被減緩。因此，本輯提之電晶體元 件於正常操作下’可提高射極注入效率，故低工作電壓、 低補償《、高電流增益及寬廣電流操作區 利獲得。 竹丨王丨負 !隹以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，去 不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請： 利範圍及發明說明内容所作之簡單的等效變化與修飾：皆 仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡單說明】 .圖1是一般異質接面雙極性電晶體之側面結構示意圖 圖2是本發明異質接面雙極性電晶體之 的側面結構示意圖； 圖3是該較佳實施例於熱 圖4疋s亥較佳實施例於 電流與其基-射極電壓之關係 伏； 較佳實施例 平衡下之相對應能帶圖； 室溫環境下其集極電流、基極 其中集-基極電壓係設定為〇 ;及 圖5是該較佳實施例之集極 電流與直流增益之關係圖 圖6是該較佳實施例於不 電壓特性關係圖。 同環境溫度時之共射極電流_ 14 1310609 【主要元件符號說明】 31 基板 353 第三步階層體 32 緩衝層 354 第四步階層體 33 次集極層 36 基極層 331 次集極本體 361 基極本體 332 集極電極 362 基極電極 34 集極層 37 背置層 35 步階式集極層 38 射極層 350 步階層體 39 帽層 351 第一步階層體 391 帽層本體 352 第二步階層體 392 射極電極 15

Claims (1)

1310|聯19154號案發明專利範圍替換本98.〇i 十、申請專利範圍： 1. 一種異質接面雙極性電晶體，包含： 一半導體基板； 形成於該半導體基板頂面之緩衝層； 形成於該緩衝層頂面之次集極層，該次集極層具 有一次集極本體，& —電連接於次集極本録面且為金 屬材質之集極電極； $成於次集極層頂面之集極層； 一步階式集極層，形成於集極層頂面，並具有複數 由下而上依序疊接且能係值依序遞減之步階層體； 一基極層，形成於該步階式集極層之頂面，並具有 基極本體，及一電連接於基極本體表面且為金屬材質 之基極電極； 一形成於該基極層上方之射極層；及 一帽層，形成於該射極層頂面，並具有一帽層本體 及-電連接於帽層本體頂面且為金屬材質之射極電極 該半導體基板、緩衝層、集極層及射極層是由鱗化 IP ( InP )所組成’ &次集極層、基極層及帽層是由坤化 銦鎵（InG.^GamAs)所組成，步階式集極層之該等步階 層體為四元化合物砷化銦鋁鎵（InQaMxGayAs)所堆疊而 x+y=0.47，且該等步階層 成’銘與鎵之莫耳分率範圍為 體由下而上，X值逐漸遞減，y值逐漸遞增。。 依據中請專利範圍第i項所述之異f接面雙極性電晶體 16 2. 1310609 ，更包含一疊接於該基極層與射極層間之背置戶。 3·依據申請專利範圍帛2項所述 曰。 -. π印雙極性電晶體 ，’、中，該背置層是由砷化銦鎵（1 。 53UaG.47As)所組成

.=申一專利範圍第i項或第3項所述之異質接面雙極 十電晶體’其中，該步階式集極層之該等步階層體之數 量為4,丨由上而下區分為第一步階層冑、第二步階層 體、第三步階層體及第四步階層體，第一步階層體是由 In〇.53Ga〇.47As所組成，第二步階層體是由 In〇.53Al0.〇1Ga〇 “As所組成，第三步階層體是由 In〇.53A1〇12Ga().35As所組成，第四步階層體是由 InowAlo eGaowAs 所組成。

6·依據申請專利範圍 性電晶體，其中， )所組成。 第1項或第3項所述之異質接面雙極 該半導體基板係由摻雜之磷化銦（InP 7’依據申請專利範圍第丨項或第3項所述之異質接面雙極 性電晶體，其中，該緩衝層為厚度lnm至1〇μηι之磷化 銦（InP)所組成。 ’依據申請專利範圍第1項或第3項所述之異質接面雙極 性電晶體’其中’該次集極層為厚度1 〇nrn至5〇〇〇nm之 石申化姻鎵（InowGamAs)所組成，且n型摻雜濃度為 17 1 .依據中請專利範圍第1項或第3項所述之異質接面雙極 性電晶體’其中’該半導體基板係由半絕緣型之碗化銅 (InP )所組成。 1310609 5xl〇16cm—3 至 9xl〇19cm-3。 9’依據中凊專利範圍第1項或S 3項所述之異質接面雙極 眭電曰曰體，其中’該集極層為厚度10nm ΙΟμπι之磷化 姻（InP)所組成，且η型摻雜濃度為lxl〇16cm_3至 5xl018cm‘3。 1〇.依據申請專利範圍第1項或第3項所述之異質接面雙極 性電晶體，其中，該步階式集極層為厚纟5nm至 1〇〇〇ηΠ1之四元化合物砷化銦鋁鎵（In〇.53AlxGayAs)所堆疊 而成，且η型摻雜濃度為lxl〇16cm-3至5χ1〇丨8cm_3。 11. 依據申明專利範圍第i項或第3項所述之異質接面雙極 性電晶體，其中’該基極層為厚度1〇nmJ_ 1〇〇〇nm之砷 化銦鎵（IiiQ^GamAs)所組成，且p型摻雜濃度為 1x10丨7cnT3 至 9xl〇19cm，3。 12. 依據中請專利範圍第3項所述之異f接面雙極性電晶體 其中該责置層為厚度lnm至l〇〇nm之砷化銦鎵（ In0.53GaQ.47As)所組成，且n型摻雜濃度為1><1〇16咖3 至 5xl018cnT3。 13. 依射請專利範圍第1項或第3項所述之異質接面雙極 性電晶體，其中，該射極層為厚度lnm至5〇〇〇nm之碟 化姻（InP)所組成，且n型推雜濃度為ΐχΐ〇16^3至$ xl018cnT3 。 14. 依據f請專㈣圍第1項或第3項所述之異質接面雙極 !·生電μ體其中，6亥帽層為厚度i〇nm至5〇〇〇nm之砷化 銦鎵（InwGa^As )所組成，且n型摻雜濃度為 18 l〇6〇9 lx 15· 1〇l7cm·3 至 9><1019cm·3。 ，申晴專利範圍第1項所述之異質接面雙極性電晶體 其中，該帽層之射極電極的材質是選自金、鈦/金、 辞、金-鍺-鎳所組成之群體。 G ·依摅* n # 申印專利範圍第1項所述之異質接 ，其Φ # 钱面雙極性電晶體 、中，5玄基極層之基極電極之材質 金’及金-鈹所組成之群體。 k自鈦/鉑/金、 17.依據中請專利_第丨項所述之異 ，其中，隼朽爲*在』 面雙極性電晶體 * T杲極層之集極電極之材質是 金-鍺、金~鍺-鎳所組成之群體。 、金鈦/金、

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