WO2012110647A1 - Siliziumbasierter heterobipolartransistor mit einer kollektorschicht aus einem iii-v-halbleiter - Google Patents

Siliziumbasierter heterobipolartransistor mit einer kollektorschicht aus einem iii-v-halbleiter Download PDF

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semiconductor
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Oliver SKIBITZKI
Thomas Schröder
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Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics / Leibniz-Institut Für Innovative Mikroelektronik
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Definitions

  • the present invention relates to a heterobipolar transistor having a substrate of a group IV semiconductor material, an emitter region of a first conductivity type, a base layer of a group IV semiconductor material of a second conductivity type opposite to the first conductivity type, and a collector layer.
  • Heterobipolar transistors of this type which are produced on the basis of silicon are known, for example, from the publication WO 03/046948 A2. Numerous optimization possibilities are described for the use of such transistors in high-frequency applications, for example in the publication WO 2006/061439 A2.
  • the high-frequency characteristics of a transistor are usually characterized in this context with the aid of the transit frequency f T and the maximum oscillation frequency f max . Measures for their improvement include, for example, a lateral and vertical scaling of the transistor and a reduction of parasitic impedances, in particular parasitic capacitances.
  • the technical problem underlying the present invention is therefore to provide a heterobipolar transistor of the type mentioned, which has particularly suitable features for high-speed operation and at the same time can have a sufficiently high collector-emitter breakdown voltage.
  • the present invention proposes to solve this technical problem in a heterobipolar transistor of the type mentioned by means of a collector layer of a III-V semiconductor material of the first conductivity type.
  • a heterobipolar transistor according to the invention thus has:
  • collector layer of an Ill-V semiconductor material of the first conductivity type a collector layer of an Ill-V semiconductor material of the first conductivity type.
  • the invention is based on the finding that the high-frequency properties and the collector-emitter breakdown voltage of a heterobipolar transistor can also be favorably influenced by a suitable choice of material.
  • the invention only partial integration of a 111-V semiconductor material by appropriate choice of material for the collector layer uses the knowledge that the material frequency of the saturation speed, the transit frequency f T can be influenced and thus at the same time the maximum oscillation frequency f max .
  • the choice of material influences the current density J c which can be achieved in the collector, with which the transit frequency f T and the maximum oscillation frequency f max are also favorably influenced.
  • the heterobipolar transistor of the present invention enables the use of advanced industrial manufacturing technologies.
  • the heterobipolar transistor according to the invention is therefore characterized by its ability to integrate into the industrial manufacturing technologies of silicon bipolar technology and the silicon-based MOS technology family (NMOS, PMOS, CMOS, BiCMOS), and thus not least by a significantly lower cost of manufacturing compared to MI-V semiconductor-based high-speed bipolar transistors.
  • Exemplary embodiments of the heterobipolar transistor according to the invention are described below. The additional features of the embodiments may be combined to form further embodiments unless expressly described as alternatives which are inconsistent with each other.
  • a heterobipolar transistor is usually produced with a collector layer arranged in the substrate or close to the substrate, a base layer deposited epitaxially above it, and an emitter arranged above it, that is to say remote from the substrate.
  • a collector layer arranged in the substrate or close to the substrate, a base layer deposited epitaxially above it, and an emitter arranged above it, that is to say remote from the substrate.
  • the heterobipolar transistor according to the invention it is particularly advantageous if this order is reversed, for example by forming a surface of the substrate of a silicon-containing group IV semiconductor containing the emitter region.
  • the base layer is deposited, and in turn the collector layer is deposited on the base layer in this embodiment.
  • the defect density in the epitaxially deposited on the substrate layers of the transistor can be kept very low, as well will be explained in more detail below with reference to some developments of this embodiment.
  • a low defect density promotes carrier mobility and (thus) favorable high frequency properties.
  • a group IV semiconductor for use in the substrate in particular on the surface of the substrate is particularly suitable silicon, for example (OOI) silicon, (01 1) - silicon or (1 1 1) silicon.
  • silicon for example (OOI) silicon, (01 1) - silicon or (1 1 1) silicon.
  • OOI OOI
  • a substrate having a surface layer made of silicon or SiGe, or an SOI (Silicon On Insulator) substrate is also conceivable to use.
  • a binary, ternary or quaternary III-V semiconductor material can be selected as the III-V semiconductor material for the collector layer.
  • Preferred binary III-V semiconductors are gallium phosphide GaP, indium phosphide InP, and aluminum phosphide AIP.
  • An example of a ternary III-V half-conductor is InGaP, and an example of a quaternary III-V semiconductor is InGaAlP.
  • Group III metals gallium, aluminum and indium, in principle also other Group III metals can be used. Preferably, however, the Group III metal is predominantly gallium or aluminum or indium or a mixture of these elements.
  • the Group V element of the III-V halide material is predominantly phosphorus.
  • GaP has only a small lattice mismatch of 0.4% with respect to silicon, while approximately InP has a lattice mismatch of 8.1%.
  • a high proportion of gallium thus ensures a low density of structural defects such as dislocations and thus a high crystalline quality of the collector layer.
  • pure GaP with good suitability for high-frequency applications, is characterized by a larger bandgap, and thus enables the achievement of a higher collector-emitter breakdown voltage BVCEO.
  • InP has a higher electron mobility and a higher saturation rate than GaP, which by adding InP to the III-V semiconductor material, has a positive effect on the high-speed properties of the heterobipolar transistor.
  • Indium is therefore preferred because of its high lattice mismatch of InP only for admixture for a positive influence on the high-speed properties and in the context of a bandgap and strain engineering.
  • group III phosphides can also be made for the group II-V arsenides so that the III-V semiconductor material used may alternatively or additionally contain arsenic as a group V element.
  • arsenic, but also nitrogen, or a mixture of arsenic and nitrogen form, in corresponding embodiments, a proportion of less than 10% of the group V element of the 111 V semiconductor material.
  • lattice matching between the collector layer and the adjacent group IV semiconductor layer can also be improved by making the group IV semiconductor silicon germanium SiGe.
  • group IV semiconductor silicon germanium SiGe As is known, as the germanium content of SiGe increases, the lattice constant of this group IV semiconductor increases. Again, of course, the implications of the choice of material for the electronic properties must be taken into account and can be further influenced by the addition of carbon. Carbon increases bandgap and reduces lattice constant. Normally, however, a SiGe or SiGe: C base or transit layer will be pseudomorphic to the underlying silicon layer so that lattice mismatch reduction is not achieved.
  • GaP can, for example, be almost or completely lattice-matched to silicon (001), depending on the exact mixing ratio ) and thus also to pseudomorphically on Si (001) deposited SiGe or SiGe: C grow up.
  • GaPo, 9 8 No, o2 is suitable for complete lattice matching.
  • the collector layer is completely formed in embodiments by the III-V semiconductor material.
  • the heterobipolar transistor between the base layer and the collector layer contains a transit layer which has a layer thickness which is less than the ballistic path length of the majority charge carriers of the collector layer, in the case of an npn transistor, ie the electrons. From this point of view, in the case of an npn transistor, a layer thickness of the transit layer of less than 10 nanometers is preferred.
  • the transit layer like the base layer, is preferably made of a group IV semiconductor and lattice-matched to the base layer. Due to its small layer thickness, it can easily be pseudomorphic to the base layer for many material combinations of base layer and transit layer. With the help of such a transit layer, on the one hand, it is possible to keep the defect density in the boundary region of the collector and the base low, since the lattice mismatch between the base and the transit layer is negligible. In this embodiment, defects in the crystal structure, such as dislocations, can only arise at the interface of the transit layer to the III-V semiconductor material of the collector.
  • the transit layer is doped in one embodiment to form the first conductivity type, but in an alternative embodiment, it is not intentionally doped and has intrinsic conductivity.
  • the transit layer is doped and in the case of a conductivity of the first conductivity type has the same conductivity as the collector layer and additionally is not made of III-V semiconductor material, this is referred to in the context of this application as the constellation of a "partial" of an III-V component.
  • this exemplary embodiment makes it clear that the collector layer consists essentially of III-V semiconductor material in order to achieve the described advantageous high-frequency properties according to the present invention.
  • the transit layer is preferably formed of n-doped silicon.
  • the base in this and other embodiments preferably includes a base layer of SiGe: C. It is particularly preferably completely formed by SiGe: C layer.
  • a transistor structure which additionally reduces the defect density, provides that an insulating layer is deposited on the substrate, which has an opening which extends from the surface of the insulating layer to the substrate surface and in which the Base layer and the collector layer - and optionally the transit layer between the base layer and the collector layer - are arranged.
  • This structure can be fabricated with a particularly low defect density since deposition in relatively narrow openings of the insulating layer prevents propagation of dislocation lines beyond the respective opening.
  • blanket deposition of the 111V semiconductor material on a non-lattice-matched backing of the base layer allows extensive lateral propagation of defects such as dislocation lines in the III-V semiconductor layer of the collector, so that the density of defects in this layer would be higher overall.
  • the collector layer of III-V semiconductor material preferably has a layer thickness between 50 and 500 nanometers. Layer thicknesses between 100 and 300 nanometers are particularly advantageous.
  • the design of the emitter layer can follow known principles.
  • One possible structure of the heterobipolar transistor according to the invention limits the emitter region in the substrate-side silicon-containing group IV semiconductor laterally by flat isolation regions, the depth of which extends from the substrate surface in the direction of the substrate interior to a maximum of 500 nanometers.
  • the base layer and the collector layer increase in lateral extent with increasing vertical distance from the emitter layer.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a heterobipolar transistor according to a first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of a heterobipolar transistor according to a second embodiment
  • 3 is a schematic cross-sectional view of a heterobipolar transistor according to a third embodiment
  • 4 is a schematic band structure diagram of a heterobipolar transistor according to a fourth embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a heterobipolar transistor 100 according to a first exemplary embodiment.
  • the representation of the heterobipolar transistor 100 is limited to its essential functional layers, namely emitter layer 102, base layer 104 and collector layer 106.
  • the figure does not show a scale view of the thickness ratios of the layers, but only a purely schematic structural representation of a layer sequence of the active layers of the heterobipolar transistor 100.
  • FIG. 1 also dispenses with the representation of a substrate. This may be provided either immediately adjacent to the emitter. As will be apparent below with reference to FIG. 2, the emitter may also be formed in the substrate itself. Alternatively, the substrate is directly connected to the collector, the layer sequence of the transistor is thus reversed.
  • the emitter layer 102 is made of the material of the substrate, for example of silicon (100).
  • the emitter 102 is n-doped, preferably with a high dopant concentration (n + ).
  • the emitter 102 is highly p-doped.
  • the base layer 104 is preferably made of a group-IV semiconductor which is as well as possible lattice-matched to the collector layer 106 deposited over it. For example, a Sio , 8 Ge 0 , 2-layer, which can be additionally added with carbon, in order to achieve a good lattice matching and a suitable band structure at the same time.
  • the base is p-doped.
  • a doping of the base layer 104 with carbon proves to be helpful in order to be able to manufacture the base layer 104 as thinly as possible at a high dopant concentration, which increases the high-frequency suitability of the bipolar transistor.
  • the base layer 104 is adjoined by a collector layer 106 made of an Ill-V semiconductor material of the conductivity type of the emitter.
  • the collector layer may be made of a binary, ternary or quaternary semiconductor material.
  • the group V element is predominantly phosphorus.
  • nitrogen or arsenic or a mixture of nitrogen and arsenic may also be included.
  • the admixture of these group V elements is included only in a proportion of less than 10% of the total of the atoms of the Group V element of the III-V compound semiconductor.
  • the Group III element is preferably gallium or aluminum or a mixture of gallium and aluminum.
  • indium may also be contained as a group III element in the III-V semiconductor material of the collector.
  • InP can be used.
  • the choice of the III-V semiconductor material can take into account the lattice constant in comparison to the adjacent base layer 104 in order to achieve the highest possible adaptation of the lattice constants.
  • the proportions of the respective group III elements and the group V elements can be suitably adapted.
  • a high proportion of GaP on a ternary or quaternary III-V semiconductor compound causes a comparatively low lattice mismatch with silicon. In this way, the high-frequency properties are promoted by a low defect density.
  • the choice of material of the III-V semiconductor layer takes into account the resulting electronic properties for the device, in particular the band gap of the III-V semiconductor, the resulting collector-emitter breakdown voltage and the mobility of the charge carriers.
  • Eligible Ill-V semiconductor materials are characterized by having a larger bandgap compared to silicon.
  • InP has a band gap of 1.33 eV
  • GaP has a band gap of 2.26 eV.
  • InP is a direct semiconductor while GaP and silicon are indirect semiconductors.
  • the breakdown field strength for GaP is in the range of about 1 ⁇ 10 6 Vcm -1 and for InP in the range of 5 ⁇ 10 5 Vcm -1 , whereas for silicon it is only in the range of about 3 ⁇ 10 5 Vcm -1 .
  • the collector-emitter breakdown voltage containing the III-V semiconductor material therefore preferably has a high proportion of GaP and a comparatively small part of InP, however InP is characterized by a high mobility of the electrons from that with a maximum value of 5400 cm 2 V ". s "1 lies by a factor of at least 3 in relation to the maximum electron mobility in the silicon of 1400 cm 2 V " s "1.
  • the saturation velocity lies within InP at about 3x10 7 cm / s by a factor of about 3 higher than the saturation velocity in silicon. Also in GaP the saturation velocity is higher at 1, 25x10 7 cm / s than in silicon. Therefore, addition of InP is suitable for improving the electron mobility in addition to improving the collector-emitter breakdown voltage by a high gallium content.
  • the structure according to the invention is particularly suitable for producing npn transistors having particularly good high-frequency properties and a collector-emitter breakdown voltage which is high at the same time.
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a heterobipolar transistor 200 according to a second exemplary embodiment.
  • the heterobipolar transistor 200 in FIG. 2 differs from the heterobipolar transistor 100 of FIG. 1 in the points explained below.
  • An insulator layer for example a SiO 2 layer 210, is deposited on an emitter 202 integrated in a substrate S.
  • the Si0 2 layer 210 is patterned during the fabrication of the heterobipolar transistor 200 by forming an opening 212 - of course a large number of openings in the industrial manufacturing process on a wafer.
  • the opening 212 is then filled in the manufacturing process by epitaxial deposition from the substrate / emitter surface with the functional layers of the base 204 and collector 206.
  • the collector material of the collector layer 206 the same considerations apply in the present embodiment as have been explained above with reference to FIG.
  • a transit layer 208 is additionally provided between the base layer and the collector layer 206.
  • the transit layer 208 like the base layer 204, is fabricated from a group IV semiconductor.
  • the base layer 204 is made of p-doped silicon germanium, for example Si 0 , 8Ge 0 , 2, and the transit layer 208 is made of silicon.
  • the transit layer 208 in the present exemplary embodiment is n-doped, preferably highly n-doped.
  • the transit layer may alternatively also be intrinsically conductive, that is to say have no deliberate doping.
  • the transit layer 208 is lattice-matched or pseudomorphic to the base layer 204.
  • the transit layer has a thickness that is less than the ballistic length of the electron, d. H. less than the mean free path of an electron in the conduction band to a collision event.
  • the ballistic length of electrons is about 10 nanometers. Therefore, the layer thickness of the transit layer 208 should be less than 10 nanometers. In this way, the transit layer during operation of the heterobipolar transistor can increase the breakdown field strength of the transistor.
  • the positive influence of the transit layer on the performance parameters of the heterobipolar transistor 200 is due to a second feature: the transit layer 208 prevents by its presence that the collector layer of an III-V semiconductor is deposited directly on the group IV semiconductor of the base layer 204. Such a hetero-interface would, in particular, cause a large density of structural defects, especially with a larger lattice mismatch, which can also laterally pass through the entire collector layer 206.
  • the defect density is kept low not only by the transit layer 208 but also by the lateral confinement of the transistor in the window of the opening 212.
  • structural defects such as dislocations may be due to the lateral restriction of epitaxial growth laterally.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a heterobipolar transistor according to a third exemplary embodiment.
  • an emitter is formed in an opening of a shallow isolation region 310.
  • the flat isolation region is formed as a shallow trench isolation and has a depth extension in the direction of the substrate interior of a maximum of about 500 nm.
  • the depth extent of the emitter layer 302 does not extend in the present embodiment to the lower edge of the flat isolation areas.
  • the opening of the flat insulation region 310 tapers.
  • the emitter layer 302 tapers correspondingly.
  • the epitaxially grown base layer 304 is followed by a likewise epitaxially deposited transit layer 308, to which the collector layer 306 adjoins.
  • the collector has a roughly T-shape and is isolated from a base terminal region 314 by insulating spacers.
  • This highly p-doped semiconductor region also referred to as the outer base region 314, adjoins the base layer 304 laterally. Contact structures are not shown here.
  • FIG. 4 shows a schematic band structure diagram of a heterobipolar transistor 500 according to a fourth exemplary embodiment. Shown is the course of the upper edge of the valence band to which an energy E v is assigned and the profile of the lower edge of the conduction band to which an energy E c is assigned as a function of a position along a cross section of the heterobipolar transistor, wherein an emitter layer 402 in FIG is shown, and to this - in Fig. 4 to the left - first a base layer 404, followed by a transit layer 408 and to this finally a collector layer 406 connects.
  • the band structure diagram of FIG. 4 is basically also representative of a heterobipolar transistor according to FIG. 2 and FIG. 3. In Fig.
  • the n + -Si emitter layer has a bandgap of 1.12 eV.
  • the adjacent p-Si 0 . 8 Ge 0 .2 base layer 404 has a bandgap of 1.04 eV.
  • Both band edge profiles E c and E v have a step of 0.1 eV and 0.2 V to higher energies at the interface between the emitter layer 402 and the base layer 404.
  • the band progressions each have a corresponding step to lower energies.
  • the transit layer 408 is followed by the n-GaP collector layer 406.
  • the jump of the band gap to 2.26 eV is noticeable in the valence band with a high (seen from the transit layer) step downwards by 1.43 eV, while the step in the conduction band is only 0.3 eV downwards.
  • Advantages of the band structure shown lie, on the one hand, in the relatively large band gap of GaP in the collector layer 406, which is mainly due to the valence band upper edge as a large potential difference to the adjacent Transit layer 408 noticeable. It contributes to increasing the collector-emitter breakdown voltage VBCEO and lowers the threshold voltage, with the potential jump in the valence band reducing hole diffusion from the base into the collector. The impact of impact ionization is reduced.
  • the use of SiGe in the base layer 404 has the advantage of promoting injection from the emitter 402 into the base.

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Abstract

Heterobipolartransistor, mit einem Substrat aus einem Gruppe-IV- Halbleitermaterial, einem Emittergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps im Substrat, einer Basisschicht aus einem Gruppe-IV-Halbleiter- material eines zweiten Leitfähigkeitstyps auf dem Emittergebiet, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und mit einer Kollektorschicht auf der Basisschicht, die entweder teilweise oder vollständig von einem Ill-V-Halbleitermaterial, bevorzugt GaP, des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet ist.

Description

Siliziumbasierter Heterobipolartransistor mit einer Kollektorschicht aus einem Ill-V-Halbleiter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Heterobipolartransistor mit einem Substrat aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial, einem Emittergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer Basisschicht aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und mit einer Kollektorschicht.
Heterobipolartransistoren dieser Art, die auf Siliziumbasis hergestellt werden, sind beispielsweise aus der Veröffentlichung WO 03/046948 A2 bekannt. Für die Nutzung solcher Transistoren in Hochfrequenzanwendungen sind zahlreiche Optimierungsmöglichkeiten beschrieben, beispielsweise in der Veröffentlichung WO 2006/061439 A2. Die Hochfrequenzeigenschaften eines Transistors werden in diesem Zusammenhang üblicherweise mit Hilfe der Transitfrequenz fT und der maximalen Oszillationsfrequenz fmax charakterisiert. Maßnahmen zu ihrer Verbesserung sind beispielsweise eine laterale und vertikale Skalierung des Transistors sowie eine Reduzierung parasitischer Impedanzen, insbesondere parasitärer Kapazitäten. Dabei muss aufgrund des Auftretens von Stoßionisationsprozesse bei hohen Geschwindigkeiten, welche insbesondere bei hohen Stromdichten erzielbar sind, ein Kompromiss zwischen einem hohen Wert der Transitfrequenz fT und der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung BVCEO gefunden werden. Dieser Zusammenhang ist auch als„Johnson-Limit" formuliert, wonach das Produkt der Transitfrequenz und der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung eine Konstante ergibt.
Obwohl in der jüngeren Vergangenheit durch Optimierung von Heterobipolartransistoren auf Siliziumbasis große Erfolge erzielt werden konnten, die zu aktuellen Werten der Transitfrequenz fT von 300 GHz und der maximalen Oszillationsfrequenz fmax von 500 GHz bei einer Durchbruchsspannung BVCEO von etwa 1 ,65 V geführt haben, zeichnet sich ab, dass eine weitere Steigerung dieser Frequenzen bis in den Terahertzbereich mit Hilfe lateraler und vertikaler Skalierung oder einer weiteren Reduzierung parasitärer Kapazitäten allein nur schwerlich erreichbar sein wird.
Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende technische Problem ist es daher, einen Heterobipolartransistor der eingangs genannten Art anzugeben, der für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb besonders geeignete Merkmale aufweist und der zugleich eine ausreichend hohe Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung aufweisen kann.
Die vorliegende Erfindung schlägt vor, dieses technische Problem bei einem Heterobipolartransistor der eingangs genannten Art mit Hilfe einer Kollektorschicht aus einem lll-V- Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps zu lösen.
Ein erfindungsgemäßer Heterobipolartransistor weist also auf:
- ein Emittergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps,
- eine Basisschicht aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und
- eine Kollektorschicht aus einem Ill-V-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Hochfrequenzeigenschaften und die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung eines Heterobipolartransistors auch durch eine geeignete Materialwahl günstig beeinflusst werden können. Die erfindungsgemäß nur partielle Integration eines 111-V-Halbleitermaterials durch entsprechende Materialwahl für die Kollektorschicht nutzt die Erkenntnis, dass über die Materialeigenschaft der Sättigungsgeschwindigkeit die Transitfrequenz fT beeinflusst werden kann und damit zugleich die maximale Oszillationsfrequenz fmax. Darüber hinaus beeinflusst die Materialwahl die im Kollektor erzielbare Stromdichte Jc, mit welcher ebenfalls die Transitfrequenz fT und die maximale Oszillationsfrequenz fmax günstig beeinflusst werden.
Gleichzeitig ermöglicht der erfindungsgemäße Heterobipolartransistor durch Verwendung eines Substrats aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial und einer Basisschicht aus einem - in manchen Ausführungsbeispielen identischen, in anderen Ausführungsbeispielen vom Substratmaterial verschiedenen - Gruppe-IV-Halbleitermaterial die Nutzung hochentwickelter industrieller Fertigungstechnologien. Gegenüber Transistoren aus lll-V- Halbleitermaterialien zeichnet sich der erfindungsgemäße Heterobipolartransistor daher durch seine Integrationsfähigkeit in die industriellen Fertigungstechnologien der Silizium- Bipolartechnologie und der siliziumbasierten MOS-Technologie-Familie (NMOS, PMOS, CMOS, BiCMOS) aus, und somit nicht zuletzt durch einen deutlich geringeren Kostenaufwand für seine Herstellung im Vergleich mit MI-V-Halbleiter-basierten Hochgeschwin- digkeits-Bipolartransistoren. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Heterobipolartransis- tors beschrieben. Die zusätzlichen Merkmale der Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, es sei denn, sie werden ausdrücklich als einander ausschließende Alternativen beschrieben.
Ein Heterobipolartransistor wird zumeist mit einer im Substrat oder substratnah angeord- neten Kollektorschicht, einer darüber epitaktisch abgeschiedenen Basisschicht und einem darüber, also substratfern angeordneten Emitter hergestellt. Für die Realisierung des erfindungsgemäßen Heterobipolartransistors ist es aber besonders vorteilhaft, wenn diese Reihenfolge umgekehrt ist, indem beispielsweise eine Oberfläche des Substrats von einem siliziumhaltigen Gruppe-IV-Halbleiter gebildet ist, der das Emittergebiet enthält. Auf dem Gruppe-IV-Halbleiter, also insbesondere angrenzend zum Emittergebiet, ist die Basisschicht abgeschieden, und auf der Basisschicht wiederum ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Kollektorschicht abgeschieden. Mit Hilfe dieser Anordnung gelingt es, das thermische Budget, welches die Kollektorschicht aus lll-V- Halbleitermaterial belastet, gering zu halten. Denn für die Herstellung von Halbleiter- schichten aus Gruppe-IV-Halbleitern wird eine im Vergleich zu Ill-V-Halbleitern höhere Prozesstemperatur benötigt, welche die Schichtqualität der Ill-V-Halbleiterschicht negativ beeinflussen würde. Zudem kann die Defektdichte in den auf dem Substrat epitaktisch abgeschiedenen Schichten des Transistors besonders gering gehalten werden, wie auch weiter unten anhand einiger Weiterbildungen dieses Ausführungsbeispiels näher erläutert wird. Eine geringe Defektdichte fördert die Ladungsträgerbeweglichkeit und (damit) günstige Hochfrequenzeigenschaften.
Als Gruppe-IV-Halbleiter zur Verwendung im Substrat, insbesondere an der Oberfläche des Substrats eignet sich insbesondere Silizium, beispielsweise (OOI)-Silizium, (01 1)- Silizium oder (1 1 1)-Silizium. Denkbar ist aber auch die Verwendung eines Substrats mit einer Oberflächenschicht aus Silizium oder SiGe, oder eines SOI(Silicon On Insulator)- Substrats.
Als Ill-V-Halbleitermaterial für die Kollektorschicht kann beispielsweise ein binäres, ternä- res oder quaternäres Ill-V-Halbleitermaterial gewählt werden. Bevorzugte binäre lll-V- Halbleiter sind Galliumphosphid GaP, Indiumphosphid InP, und Aluminiumphosphid AIP. Ein Beispiel eines ternären Ill-V-Halbeleiters ist InGaP, und ein Beispiel eines quaternä- ren Ill-V-Halbleiters ist InGaAlP.
Nicht alle Ill-V-Halbleitermaterialien sind in gleicher weise geeignet. Je nach gewünsch- tem Optimierungsziel sind unterschiedliche Wchtungen der jeweiligen Materialeigenschaften und somit auch unterschiedliche Anteil des jeweiligen Gruppe-Ill- oder Gruppe- V-Elements am Ill-V-Halbleitermaterial der Kollektorschicht sinnvoll.
Neben den erwähnten Gruppe-Ill-Metallen Gallium, Aluminium und Indium sind grundsätzlich auch andere Gruppe-Ill-Metalle verwendbar. Bevorzugt ist das Gruppe-Ill-Metall jedoch überwiegend Gallium oder Aluminium oder Indium oder eine Mischung dieser Elemente.
Bevorzugt ist jedoch das Gruppe-V-Element des Ill-V-Halbleiermaterials zu einem überwiegenden Anteil Phosphor. GaP hat gegenüber Silizium eine nur geringe Gitterfehlanpassung von 0,4 %, während etwa InP eine Gitterfehlanpassung von 8,1 % aufweist. Ein hoher Gallium-Anteil sichert also eine geringe Dichte struktureller Defekte wie Versetzungen und somit eine hohe kristalline Qualität der Kollektorschicht. Reines GaP zeichnet sich darüber hinaus bei guter Eignung für Hochfrequenzanwendungen durch eine größere Bandlücke aus und ermöglicht auf diese Weise die Erzielung einer höheren Kollektor- Emitter-Durchbruchsspannung BVCEO- Allerdings hat InP eine höhere Elektronenbeweglichkeit und eine höhere Sättigungsgeschwindigkeit als GaP, was durch Beimischung von InP zum Ill-V-Halbleitermaterial eine positive Beeinflussung der Hochgeschwindigkeitseigenschaften des Heterobipolartransis- tors bewirkt. Indium wird demnach aufgrund seiner hohen Gitterfehlanpassung von InP bevorzugt lediglich zur Beimischung für eine positive Beeinflussung der Hochgeschwindigkeitseigenschaften und im Rahmen eines Bandgap- und Strain-Engineering eingesetzt. Durch Wahl einer ternären Verbindung mit gezielt eingestelltem Anteil von Gallium, Indium und/oder Aluminium können also einerseits die Gitterparameter und zum anderen die elektronischen Parameter optimiert werden. Entsprechende Überlegungen wie zu den Gruppe-Ill-Phosphiden können auch für die Gruppe-Ill-V-Arsenide angestellt werden, so dass das verwendete Ill-V-Halbleitermaterial alternativ oder zusätzlich Arsen als Gruppe-V-Element enthalten kann. Arsen, aber auch Stickstoff, oder eine Mischung aus Arsen und Stickstoff bilden in entsprechenden Ausführungsbeispielen jedoch einen Anteil von weniger als 10 % des Gruppe- V-Elements des 111-V-Halbleitermaterials.
Eine Gitteranpassung zwischen der Kollektorschicht und der angrenzenden Gruppe-IV- Halbleiterschicht kann bei Bedarf auch dadurch verbessert werden, dass der Gruppe-IV- Halbleiter Siliziumgermanium SiGe ist. Bekanntlich wird mit wachsendem Germaniumanteil von SiGe die Gitterkonstante dieses Gruppe-IV-Halbleiters größer. Auch hier sind natürlich die Implikationen der Materialwahl für die elektronischen Eigenschaften zu berücksichtigen und können durch Beimischung von Kohlenstoff weiter beeinflusst werden. Kohlenstoff erhöht Bandlücke und reduziert die Gitterkonstante. Im Normalfall wird eine SiGe- oder SiGe:C-Basis- oder Transitschicht jedoch pseudomorph zur darunter liegenden Siliziumschicht sein, so dass eine Reduzierung der Gitterfehlanpassung dann nicht erzielt wird.
Mit Hilfe einer Beimischung von Stickstoff im oben genannten Rahmen bis zu einem Anteil von 10% am Gruppe-V-Element des Ill-V-Halbleiters kann aber beispielsweise GaP - je nach genauem Mischungsverhältnis - entweder nahezu oder vollständig gitter- angepasst zu Silizium (001) und damit auch zu pseudomorph auf Si (001) abgeschiede- nem SiGe oder SiGe:C aufwachsen. Für eine vollständige Gitteranpassung ist GaPo,98No,o2 geeignet. Die Kollektorschicht ist in Ausführungsbeispielen vollständig von dem lll-V- Halbleitermaterial gebildet. Bevorzugt enthält der Heterobipolartransistor zwischen der Basisschicht und der Kollektorschicht eine Transitschicht, welche eine Schichtdicke hat, die geringer ist als die ballistische Weglänge der Majoritätsladungsträger der Kollektor- schicht, im Falle eines npn-Transistors also der Elektronen. Bevorzugt ist unter diesem Gesichtspunkt bei einem npn-Transistor eine Schichtdicke der Transitschicht von weniger als 10 Nanometer.
Die Transitschicht ist vorzugsweise wie die Basisschicht aus einem Gruppe-IV-Halbleiter hergestellt und gitterangepasst zur Basisschicht. Sie kann aufgrund ihrer geringen Schichtdicke für viele Materialkombinationen von Basis- und Transitschicht problemlos pseudomorph zur Basisschicht sein. Mit Hilfe einer solchen Transitschicht gelingt es zum einen, die Defektdichte im Grenzbereich von Kollektor und Basis gering zu halten, da die Gitterfehlanpassung zwischen der Basis und der Transitschicht vernachlässigbar ist. Defekte in der Kristallstruktur wie beispielsweise Versetzungen können bei dieser Ausfüh- rungsform vielmehr erst an der Grenzfläche der Transitschicht zum Ill-V-Halbleiter- material des Kollektors entstehen.
Die Transitschicht ist in einem Ausführungsbeispiel zur Ausbildung des ersten Leitfähigkeitstyps dotiert, in einem alternativen Ausführungsbeispiel jedoch ist sie nicht absichtlich dotiert und weist ihre intrinsische Leitfähigkeit auf. Insoweit die Transitschicht dotiert ist und im Falle einer Leitfähigkeit vom ersten Leitfähigkeitstyp dieselbe Leitfähigkeit aufweist wie die Kollektorschicht und zusätzlich nicht aus Ill-V-Halbleitermaterial gefertigt ist, wird dies im Rahmen dieser Anmeldung als die Konstellation einer„teilweise" von einem Ill-V-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps gebildeten Kollektorschicht verstanden. Dieses Ausführungsbeispiel macht jedoch zugleich deutlich, dass die Kollektor- schicht zur Erzielung der erläuterten vorteilhaften Hochfrequenzeigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung im wesentlichen aus Ill-V-Halbleitermaterial besteht.
Bevorzugt wird die Transitschicht n-dotiertem Silizium gebildet. Die Basis enthält bei diesem und anderen Ausführungsbeispielen vorzugsweise eine Basisschicht aus SiGe:C. Sie ist besonders bevorzugt vollständig von SiGe:C-Schicht gebildet. Eine Transistorstruktur, welche die Defektdichte zusätzlich reduziert, sieht vor, dass auf dem Substrat eine Isolationsschicht abgeschieden ist, die eine Öffnung aufweist, welche von der Oberfläche der Isolationsschicht bis zur Substratoberfläche reicht und in der die Basisschicht und die Kollektorschicht - sowie gegebenenfalls die Transitschicht zwischen der Basisschicht und Kollektorschicht - angeordnet sind. Diese Struktur kann mit einer besonders geringen Defektdichte hergestellt werden, da eine Abscheidung in relativ schmalen Öffnungen der Isolationsschicht eine Ausbreitung von Versetzungslinien über die jeweilige Öffnung hinaus verhindert. Im Vergleich erlaubt ein ganzflächiges Abscheiden des 111-V-Halbleitermaterials auf einer nicht gitterangepassten Unterlage der Basisschicht eine weitgreifende laterale Ausbreitung von Defekten wie Versetzungslinien in der Ill-V-Halbleiterschicht des Kollektors, so dass die Dichte an Defekten in dieser Schicht insgesamt höher wäre.
Die Kollektorschicht aus Ill-V-Halbleitermaterial hat vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 50 und 500 Nanometer. Schichtdicken zwischen 100 und 300 Nanometer sind besonders vorteilhaft.
Die Gestaltung der Emitterschicht kann bekannten Prinzipien folgen. Eine mögliche Struktur des erfindungsgemäßen Heterobipolartransistors begrenzt das Emittergebiet im substratseitigen Silizium-haltigen Gruppe-IV-Halbleiter seitlich durch flache Isolationsgebiete, deren Tiefenerstreckung von der Substratoberfläche in Richtung zum Substratinneren hin maximal 500 Nanometer beträgt.
In einer Ausführungsform nehmen die Basisschicht und die Kollektorschicht mit zunehmendem vertikalen Abstand von der Emitterschicht an seitlicher Erstreckung zu.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsbeispiele anhand der Figuren erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 3 eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors nach einem dritten Ausführungsbeispiel; Fig. 4 ein schematisches Bandstrukturdiagramm eines Heterobipolartransistors nach einem vierten Ausführungsbeispiel.
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors 100 nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Darstellung des Heterobipolartransistors 100 ist der Einfachheit halber auf seine wesentlichen Funktionsschichten, nämlich Emitterschicht 102, Basisschicht 104 und Kollektorschicht 106 beschränkt. Die Figur zeigt keine maßstäbliche Ansicht der Dickenverhältnisse der Schichten, sondern lediglich eine rein schematische Strukturdarstellung einer Schichtfolge der aktiven Schichten des Heterobipolartransistors 100. Fig. 1 verzichtet auch auf die Darstellung eines Substrats. Dieses kann entweder unmittelbar angrenzend an dem Emitter vorgesehen sein. Wie weiter unten anhand von Fig. 2 ersichtlich werden wird, kann der Emitter auch im Substrat selbst ausgebildet sein. Alternativ ist das Substrat unmittelbar mit dem Kollektor verbunden, ist die Schichtfolge des Transistors also umgekehrt. Diese Variante ist jedoch derzeit nicht bevorzugt, weil sie die die Kollektorschicht mit dem höheren thermischen Budget der Siliziumtechnologie belastet würde und sie darüber hinaus aufgrund einer hohen Defektdichte im Kollektor 106 und den angrenzenden Schichten von Basisschicht 104 und Emitterschicht 102 die Leistungsparameter des Transistors negativ beeinflussen würde. Für die Zwecke der nachfolgenden Beschreibung wird daher von der bevorzugten Ausführungsform ausgegangen, bei der das Substrat unmittelbar an den Emitter angrenzt.
Die Emitterschicht 102 ist vorliegend aus dem Material des Substrats gefertigt, beispielsweise aus Silizium (100). Im Falle eines npn-Heterobipolartransistors ist der Emitter 102 n-dotiert, vorzugsweise mit einer hohen Dotierstoffkonzentration (n+). Im Falle eines pnp-Transistors ist der Emitter 102 hoch p-dotiert. Die Basisschicht 104 ist vorzugsweise aus einem zur darüber abgeschiedenen Kollektorschicht 106 möglichst gut gitterangepassten Gruppe-IV-Halbleiter gefertigt. Beispielsweise eignet sich eine Sio,8Ge0,2-Schicht, die zusätzlich mit Kohlenstoff versetzt sein kann, um eine gute Gitteranpassung und eine geeignete Bandstruktur gleichzeitig zu erzielen. Im Falle eines npn-Transistors ist die Basis p-dotiert. Insbesondere eine Dotierung der Basisschicht 104 mit Kohlenstoff erweist sich als hilfreich, um die Basisschicht 104 bei hoher Dotierstoffkonzentration möglichst dünn fertigen zu können, was die Hochfrequenzeignung des Bipolartransistors erhöht. An die Basisschicht 104 grenzt im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine Kollektorschicht 106 aus einem Ill-V-Halbleitermaterial des Leitfähigkeitstyps des Emitters an. Die Kollektorschicht kann aus einem binären, ternären oder quaternären Halbleitermaterial gefertigt sein. Als Gruppe-V-Element ist überwiegend Phosphor enthalten. Zusätzlich kann auch Stickstoff oder Arsen oder eine Mischung aus Stickstoff und Arsen enthalten sein. Bevorzugt ist die Beimischung dieser Gruppe-V-Elemente jedoch nur mit einem Anteil von weniger als 10 % an der Gesamtheit der Atome des Gruppe-V-Elements der lll-V- Halbleiterverbindung enthalten. Das Gruppe-Ill-Element ist vorzugsweise Gallium oder Aluminium oder eine Mischung aus Gallium und Aluminium. Zusätzlich kann in Ausfüh- rungsbeispielen des Heterobipolartransistors auch Indium als Gruppe-Ill-Element im lll-V- Halbleitermaterial des Kollektors enthalten sein. Alternativ kann InP verwendet werden.
Die Wahl des Ill-V-Halbleitermaterials kann zum einen wie bereits einleitend erläutert die Gitterkonstante im Vergleich zur angrenzenden Basisschicht 104 berücksichtigen, um eine möglichst hohe Anpassung der Gitterkonstanten zu erzielen. Hierzu können die Anteile der jeweiligen Gruppe-Ill-Elemente und der Gruppe-V-Elemente geeignet ange- passt werden. Ein hoher Anteil von GaP an einer ternären oder quaternären lll-V- Halbleiter-Verbindung bewirkt eine vergleichsweise geringe Gitterfehlanpassung gegenüber Silizium. Auf diese Weise werden die Hochfrequenzeigenschaften durch eine geringe Defektdichte gefördert. Zum anderen berücksichtigt die Materialwahl der Ill-V-Halbleiterschicht die daraus folgenden elektronischen Eigenschaften für das Bauelement, insbesondere also die Bandlücke des Ill-V-Halbleiters, die resultierende Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung sowie die Beweglichkeit der Ladungsträger. In Frage kommende Ill-V-Halbleiter- materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie gegenüber Silizium eine größere Band- lücke aufweisen. InP hat eine Bandlücke von 1 ,33 eV, GaP eine Bandlücke von 2,26 eV. InP ist ein direkter Halbleiter, während GaP und Silizium indirekte Halbleiter sind. Die Durchbruchsfeldstärke liegt bei GaP im Bereich von etwa 1 x106 Vcm"1 und bei InP im Bereich von 5x105 Vcm"1, während sie zum Vergleich bei Silizium nur im Bereich von etwa 3x105 Vcm"1 liegt. Im Sinne einer deutlichen Verbesserung der Kollektor-Emitter- Durchbruchsspannung enthält das Ill-V-Halbleitermaterial daher bevorzugt einen hohen Anteil an GaP und einen vergleichsweise geringen Anteil an InP. InP zeichnet sich jedoch durch eine hohe Mobilität der Elektronen aus, die mit einem Maximalwert von 5400 cm2V" s"1 um einen Faktor von mindestens 3 gegenüber der maximalen Elektronenbeweglichkeit im Silizium von 1400 cm2V" s"1 liegt. Die Sättigungsgeschwindigkeit liegt im InP mit etwa 3x107 cm/s um einen Faktor von etwa 3 höher als die Sättigungsgeschwindigkeit im Silizium. Auch im GaP ist die Sättigungsgeschwindigkeit mit 1 ,25x107 cm/s höher als im Silizium. Daher eignet sich eine Beimischung von InP, um zusätzlich zur Verbesserung der Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung durch einen hohen Gallium- anteil auch eine Verbesserung der Elektronenbeweglichkeit zu erzielen.
Es wird deutlich, dass mit einer ternären oder quaternären lll-V- Verbindung des Typs InGaP oder AIGaP bei hohem Anteil von GaP eine Verbesserung sowohl der Durchbruchseigenschaften als auch der Hochgeschwindigkeitseigenschaften erzielt werden kann. Da die maximalen Löcherbeweglichkeiten in den beiden genannten lll-V- Halbleitermaterialien geringer sind als die von Silizium, eignet sich die erfindungsgemäße Struktur insbesondere zur Herstellung von npn-Transistoren mit besonders guten Hochfrequenzeigenschaften und einer zugleich hohen Kollektor-Emitter-Durchbruchsspannung.
Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors 200 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Heterobipolartransistor 200 in Fig. 2 unterscheidet sich vom Heterobipolartransistor 100 der Fig. 1 in den nachfolgend erläuterten Punkten.
Auf einem in ein Substrat S integrierten Emitter 202 ist eine Isolatorschicht, beispielsweise eine Si02-Schicht 210 abgeschieden. Die Si02-Schicht 210 wird im Zuge der Herstel- lung des Heterobipolartransistors 200 strukturiert, indem eine Öffnung 212 - im industriellen Fertigungsprozess auf einem Wafer selbstverständlich eine große Anzahl von Öffnungen - ausgebildet wird. Die Öffnung 212 wird dann im Herstellungsprozess durch epitaktische Abscheidung ausgehend von der Substrat-/Emitteroberfläche mit den Funktionsschichten von Basis 204 und Kollektor 206 gefüllt. Für die Wahl des Kollektormate- rials der Kollektorschicht 206 gelten beim vorliegenden Ausführungsbeispiel dieselben Überlegungen wie sie oben anhand von Fig. 1 erläutert wurden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zwischen der Basisschicht und der Kollektorschicht 206 zusätzlich eine Transitschicht 208 vorgesehen. Die Transitschicht 208 ist ebenso wie die Basisschicht 204 aus einem Gruppe-IV-Halbleiter gefertigt. Beispielswei- se ist die Basisschicht 204 aus p-dotiertem Siliziumgermanium, beispielsweise Si0,8Ge0,2 gefertigt und die Transitschicht 208 aus Silizium. Im Gegensatz zur Basisschicht ist die Transitschicht 208 im vorliegenden Ausführungsbeispiel jedoch n-dotiert, vorzugsweise hoch n-dotiert. Die Transitschicht kann alternativ auch intrinsisch leitfähig sein, also keine absichtliche Dotierung aufweisen. Die Transitschicht 208 ist gitterangepasst oder pseu- domorph zur Basisschicht 204.
Wesentlich für die Funktion der Transitschicht sind folgende zwei Merkmale: die Transit- schicht hat eine Dicke, die geringer ist als die ballistische Länge des Elektrons, d. h. geringer als die mittlere freie Weglänge eines Elektrons im Leitungsband bis zu einem Stoßereignis.
Die ballistische Länge von Elektronen beträgt etwa 10 Nanometer. Daher sollte die Schichtdicke der Transitschicht 208 geringer als 10 Nanometer sein. Auf diese Weise kann die Transitschicht im Betrieb des Heterobipolartransistors die Durchbruchsfeldstärke des Transistors erhöhen. Der positive Einfluss der Transitschicht auf die Leistungsparameter des Heterobipolartransistors 200 liegt in einem zweiten Merkmal begründet: die Transitschicht 208 verhindert durch ihre Anwesenheit, dass die Kollektorschicht aus einem Ill-V-Halbleiter unmittelbar auf dem Gruppe-IV-Halbleiter der Basisschicht 204 abgeschieden ist. Eine solche Heterogrenzfläche würde insbesondere bei einer größeren Gitterfehlanpassung eine große Dichte struktureller Defekte hervorrufen, die sich auch lateral durch die gesamte Kollektorschicht 206 hindurchziehen können. An einer hier vermiedenen direkten Grenzfläche zwischen der n-dotierten Kollektorschicht 208 und der p-dotierten Basisschicht 204, also unmittelbar am pn-Übergang zwischen Kollektor und Basis, wären diese Defekte besonders störend. Durch die Transitschicht 208 werden Defekte an der Grenzfläche zwischen der Transitschicht 208 und der Kollektorschicht 206 erzeugt, während der pn-Übergang selbst defektarm oder defektfrei hergestellt werden kann.
Die Defektdichte wird nicht nur durch die Transitschicht 208, sondern auch durch die laterale Beschränkung des Transistors im Fenster der Öffnung 212 gering gehalten. Denn strukturelle Defekte wie Versetzungen können durch die laterale Beschränkung des epitaktischen Wachstums seitlich ausgleiten.
Fig. 3 zeigt eine schematische Querschnittansicht eines Heterobipolartransistors nach einem dritten Ausführungsbeispiel. In einem Siliziumsubstrat S ist ein Emitter in einer Öffnung eines flachen Isolationsgebiets 310 ausgebildet. Das flache Isolationsgebiet ist als Shallow-Trench-Isolation ausgebildet und hat eine Tiefenerstreckung in Richtung des Substratinneren von maximal etwa 500 nm. Die Tiefenerstreckung der Emitterschicht 302 reicht im vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht bis zur Unterkante der flachen Isolationsgebiete. Zur Basisschicht 304 im inneren Transistorgebiet hin verjüngt sich die Öffnung des flachen Isolationsgebiets 310. Die Emitterschicht 302 verjüngt sich entsprechend. An die epitaktisch aufgewachsene Basisschicht 304 schließt sich eine darauf ebenfalls epitaktisch abgeschiedene Transitschicht 308 an, an die die Kollektorschicht 306 angrenzt. Der Kollektor hat in etwa eine T-Form und wird von isolierenden Abstandshaltern von einem Basisanschlussgebiet 314 isoliert. Dieser auch als äußeres Basisgebiet 314 bezeichnete hoch p-dotierte Halbleiterbereich schließt sich seitlich an die Basisschicht 304 an. Kontaktstrukturen sind hier nicht dargestellt. Hinsichtlich Materialwahl und Dotierung der einzelnen Schichten wird auf entsprechende Passagen der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Fig. 2 und der Fig. 1 verwiesen.
Fig. 4 zeigt ein schematisches Bandstrukturdiagramm eines Heterobipolartransistors 500 nach einem vierten Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist der Verlauf der Oberkante des Valenzbands, dem eine Energie Ev zugeordnet ist und der Verlauf der Unterkante des Leitungsbandes, dem eine Energie Ec zugeordnet ist als Funktion einer Position entlang einem Querschnitt des Heterobipolartransistors, wobei eine Emitterschicht 402 in Fig. 4 rechts dargestellt ist, und an diese - in Fig. 4 nach links hin - zunächst eine Basisschicht 404, daran eine Transitschicht 408 und an diese schließlich eine Kollektorschicht 406 anschließt. Das Bandstrukturdiagramm der Fig. 4 ist grundsätzlich auch für einen Hetero- bipolartransistor entsprechend der Fig. 2 und der Fig. 3 repräsentativ. In Fig. 4 sind elektronische Parameter der Bandstruktur für eine bestimmte Auswahl von Materialien der jeweiligen Schichten angegeben. So hat die aus n+-Si bestehende Emitterschicht eine Bandlücke von 1 ,12 eV. Die angrenzende p-Si0.8Ge0.2-Basisschicht 404 hat eine Bandlücke von 1 ,04 eV. Beide Bandkantenverläufe Ec und Ev haben an der Grenzfläche zwischen der Emitterschicht 402 und der Basisschicht 404 einen Stufe von 0,1 eV bzw. 0,2V zu höheren Energien. Beim Übergang zur n-dotierten Si-Transitschicht 408 haben die Bandverläufe jeweils eine entsprechende Stufe zu geringeren Energien. An die Transitschicht 408 schließt sich die Kollektorschicht 406 aus n-GaP an. Der Sprung der Band- lücke auf 2,26 eV macht sich vor allem im Valenzband mit einer hohen (von der Transitschicht aus gesehen) Stufe abwärts um 1 ,43 eV bemerkbar, während die Stufe im Leitungsband nur um 0,3 eV abwärts verläuft. Vorteile der dargestellten Bandstruktur liegen zum einen in der relativ großen Bandlücke von GaP in der Kollektorschicht 406, die sich vor allem an der Valenzbandoberkante als große Potentialdifferenz zur benachbarten Transitschicht 408 bemerkbar macht. Sie trägt zur Erhöhung der Kollektor-Emitter- Durchbruchsspannung VBCEO bei und senkt die Schwellenspannung, wobei der Potentialsprung im Valenzband eine Löcherdiffusion von der Basis in den Kollektor reduziert. Der Einfluss der Impact-Ionisierung wird reduziert. Die Verwendung von SiGe in der Basisschicht 404 hat den Vorteil, die Injektion vom Emitter 402 in die Basis zu fördern.

Claims

Ansprüche
1 . Heterobipolartransistor, mit
- einem Substrat aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial,
- einem Emittergebiet eines ersten Leitfähigkeitstyps,
- einer Basisschicht aus einem Gruppe-IV-Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, und mit
- einer Kollektorschicht, die entweder teilweise oder vollständig von einem Ill-V-Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet ist.
2. Heterobipolartransistor nach Anspruch 1 , bei dem
- eine Oberfläche des Substrats von einem siliziumhaltigen Gruppe-IV- Halbleiter gebildet ist, der das Emittergebiet enthält,
- die Basisschicht auf dem Gruppe-IV-Halbleiter abgeschieden ist, und bei dem
- die Kollektorschicht auf der Basisschicht abgeschieden ist.
3. Heterobipolartransistor nach Anspruch 1 oder 2, bei der die siliziumhaltige Gruppe-IV-Halbleiter Silizium, insbesondere (OOI)-Silizium, (01 1)-Silizium oder (1 1 1)-Silizium ist.
4. Heterobipolartransistor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Kollektorschicht aus einem aus einem binären, ternären oder quaternären lll-V- Halbleitermaterial besteht, dessen Gruppe-V-Element zu einem überwiegenden Anteil Phosphor ist.
5. Heterobipolartransistor nach einem der Ansprüche 4, bei dem das Gruppe- V-Element zu einem Anteil von weniger als 10% Stickstoff oder Arsen oder eine Mischung aus Stickstoff und Arsen ist.
6. Heterobipolartransistor nach Anspruch 4 oder 5, bei dem im Ill-V- Halbleitermaterial als Gruppe-Ill-Metall überwiegend Gallium oder Indium oder Aluminium oder eine binäre oder ternäre Mischung von Gallium und/oder Indium und/oder Aluminium enthalten ist.
7. Heterobipolartransistor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zwischen der Basisschicht und der Kollektorschicht eine Transitschicht angeordnet ist, welche eine Schichtdicke von weniger als 10 Nanometer hat.
8. Heterobipolartransistor nach Anspruch 7, bei dem die Transitschicht aus Silizium besteht.
9. Heterobipolartransistor nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Basisschicht eine SiGe:C-Schicht enthält.
10. Heterobipolartransistor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem auf dem Substrat eine Isolationsschicht abgeschieden ist, die eine bis zur Substratoberfläche reichende Öffnung aufweist, in der die Basisschicht und die Kollektorschicht sowie gegebenenfalls die Transitschicht zwischen der Basisschicht und der Kollek- torschicht angeordnet sind.
1 1 . Heterobipolartransistor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem das Emittergebiet im siliziumhaltigen Gruppe-IV-Halbleiter seitlich von flachen Isolationsgebieten begrenzt ist, deren Tiefenerstreckung von der Substratoberfläche in Richtung zum Substratinneren hin maximal 500 nm beträgt.
12. Heterobipolartransistor nach einem der Ansprüche 2 bis 1 1 , bei dem die Kollektorschicht eine Schichtdicke zwischen 50 und 500 Nanometer aufweist.
13. Heterobipolartransistor nach Anspruch 12, bei dem die Kollektorschicht eine Schichtdicke zwischen 100 und 300 Nanometer aufweist.
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