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162_091-010AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29
      發明專利說明書
  ※申請案號:
  ※申請日期:          ※IPC分類:
一、發明名稱: (中文/英文)

 

  具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體(全文下載)

 

二、申請人: 共 人

 

  指定 為應受送達人

 

   
三、發明人:
   
 ◎專利代理人:
   
 
四、聲明事項
 

 

  □主張專利法第二十七條第一項國際優先權:

 

  □主張專利法第二十九條第一項國內優先權:

 

  □ 主張專利法第二十六條微生物:

 

 □ 熟習該項技術者易於獲得,不須寄存
五、中文發明摘要:
    本發明係一種具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,該電晶體至少包含:一半導體基板;一形成於前述半導體基板上之緩衝層;一形成於前述緩衝層上之集極層(InGaP);一形成於前述集極層(InGaP)上之第一過渡層;一形成於前述第一過渡層上之基極層(GaAs);一形成於前述基極層(GaAs)上之第二過渡層;一形成於前述第二過渡層上之射極層(InGaP);一形成於前述射極層(InGaP)上之第三過渡層及一形成於前述第三過渡層上之帽層(GaAs)所組成,並於上述之射極層(InGaP)與帽層(GaAs)、射極層(InGaP)與基極層(GaAs)、集極層(InGaP)與基極層(GaAs)之間分別導入一漸變性鋁莫爾分率之砷化鎵鋁層(AlxGa1-xAs, x: 0δ0.11);藉此,可使本發明之電晶體達到高速、低導通電壓、低飽和電壓、良好電流增益、高輸出電壓擺幅與大工作電壓區域之特性。
 
六、英文發明摘要:
   
 
七、指定代表圖:
 (一)本案指定代表圖為:
 (二)本代表圖之元件代表符號簡單說明:

 

    1...電晶體
11...半導體基板
12...緩衝層
121...集極電極
13...集極層
14...第一過渡層
15...基極層
151...基極電極
16...第二過渡層
17...射極層
18...第三過渡層
19...帽層
191...射極電極
 
八、本案若有化學式時,請揭示最能顯示發明特徵的化學式:
   
 
九、發明說明:
  [發明所屬之技術領域]

 

本發明係一種具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,此電晶體具備高速、低導通電壓、低飽和電壓、良好電流增益、高輸出電壓擺幅與大工作電壓區域之良好電晶體特性。

【發明背景】
近年來,無論是在軍事、商業或是民生應用領域中之通訊系統、數位邏輯系統與類比線性放大系統,高性能之電子元件均朝向低操作電壓、高崩潰電壓、單一供應電壓、低散逸功率、高線性度與高操作頻率之發展。
因此,磷化鎵銦/砷化鎵雙異質接面雙極性電晶體(double heterojunction bipolartransistor, DHBT),由於射極與集極材料同為大能隙材料所組成,其結構具有對稱性,故其補償電壓較磷化鎵銦/砷化鎵單異質接面雙極性電晶體(single heterojunction bipolar transistor, SHBT)為小。同時由於集極為大能隙材料,因此相較於傳統之單異質接面雙極性電晶體而言,其具有較大之崩潰電壓(breakdown voltage),因此適合應用於高功率方面;然而,存在於基-集極接面之位障尖峰嚴重影響電子的傳輸效率,降低集極聚集(collect)電子的能力,減少其電流增益。另一方面由於該磷化鎵銦/砷化鎵雙異質接面雙極性電晶體之射極與集極材料皆屬大能隙材料,至其元件特性具備較低之補償電壓與較大之崩潰電壓等特性。雖然存在於基-射與基-集接面之磷化鎵銦/砷化鎵異質介面之導電帶不連續值僅為120mV (200~30mV),但此一導電帶不連續值所造成之位障尖峰仍會嚴重衰減元件之電流-電壓特性,衍生出較大之導通電壓、較大之飽和電壓、較小之電流增益、較小之輸出電壓擺福與較小之工作電壓區域等缺點;且此位障尖峰亦造成阻擋效應(blocking effect),增加集-射極飽和電壓(collector-emitter saturation voltage, VSAT),使其正常工作電壓之有效範圍減小。另一方面,基-射極介面亦存在一位障尖峰,此一位障尖峰影響電晶體之特性甚劇,特別是於小工作電流區域時,造成射極注入效率之衰減、降低集極電流、增加複合電流、增加基極電流與電流增益之衰減等多項缺失,同時更增加基-射極的導通電壓。綜上所述,習知技藝所提之雙異質接面雙極性電晶體由於位障尖峰分別存在於射-基與基-集接面,衍生諸多缺點。這些缺點,大大限制了此類元件於高功率、高操作電壓、低功率損耗之微波放大及數位電路上之應用能力;是故,發展出一種具有高射極注入效率、低導通電壓、低補償電壓、低工作電壓、高崩潰電壓之高頻主動元件實乃克不容緩。
爰是,本發明之主要目的在於,可使電晶體消除存在於異質接面之導電帶不連續值。
本發明之另一目的在於,可使電晶體消除存在於異質接面之位障尖峰。
本發明之再一目的在於,可使電晶體提供一低補償電壓。
本發明之另一目的在於,可使電晶體提供一低導通電壓。
本發明之又一目的在於,可使電晶體提供一低飽和電壓。
本發明之更一目的在於,可使電晶體提供一高崩潰電壓。
為達到上述目的,本發明係一種具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,該電晶體至少包含:一半導體基板;一形成於前述半導體基板上之緩衝層;一形成於前述緩衝層上之集極層(InGaP);一形成於前述集極層(InGaP)上之第一過渡層;一形成於前述第一過渡層上之基極層(GaAs);一形成於前述基極層(GaAs)上之第二過渡層;一形成於前述第二過渡層上之射極層(InGaP);一形成於前述射極層(InGaP)上之第三過渡層及一形成於前述第三過渡層上之帽層(GaAs)所組成,並於上述之射極層(InGaP)與帽層(GaAs)、射極層(InGaP)與基極層(GaAs)、集極層(InGaP)與基極層(GaAs)之間分別導入一漸變性鋁莫爾分率之砷化鎵鋁層(AlxGa1-xAs, x: 0δ0.11);藉此,可使本發明之電晶體達到高速、低導通電壓、低飽和電壓、良好電流增益、高輸出電壓擺幅與大工作電壓區域之特性。
【較佳實施例之詳細說明】
有關本發明之詳細說明及技術內容,現就配合圖式說明如下:請參閱「第1~5圖所示」,係本發明電晶體之剖面示意圖、相對應能帶圖、集極電流密度和基極電流密度對基-射極電壓之關係、共射極輸出電流-電壓特性圖、增益截止頻率和最大振盪頻率對集極電流密度之關係。如圖所示:本發明係一種具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,該電晶體1至少包含:一半導體基板11、一緩衝層12、一集極層(InGaP) 13、一第一過渡層14、一基極層(GaAs) 15、一第二過渡層16、一射極層(InGaP) 17、一第三過渡層18及一帽層(GaAs) 19所構成,並於上述之射極層(InGaP) 1 7與帽層(GaAs) 19、射極層(InGaP) 17與基極層(GaAs) 15、集極層(InGaP) 13與基極層(GaAs) 15之間分別導入一漸變性鋁莫爾分率之砷化鎵鋁層(AlxGa1-xAs, x: 0δ0.11),藉此,可使本發明之電晶體1達到高速、低導通電壓、低飽和電壓、良好電流增益、高輸出電壓擺幅與大工作電壓區域之特性。
上述所提之半導體基板11係由n型摻雜之半絕線型之砷化鎵所組成;該緩衝層12係形成於上述之半導體基板11上,該緩衝層12之厚度為10nm-1000nm之砷化鎵磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為1×1016-5×1019cm-3,且該緩衝層12上之金屬電極係選自Au、Ni、Au-Ge、Au-Ge-Ni其中之一的金屬以做為集極電極121;該集極層(InGaP) 13係形成於上述之緩衝層12上,該集極層13之厚度為50nm-1000nm之砷化鎵磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為5×1015-1×1018cm-3;該第一過渡層14係形成於上述之集極層13上,該第一過渡層14之厚度為1nm-100nm之砷化鎵鋁磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為1×1016-9×1018cm-3,且該第一過渡層14之特徵更包含:第一過渡層14於接近集極層13處之鋁莫爾分率為0.11,而且第一過渡層14於接近基極層15處之鋁莫爾分率為0,而該第一過渡層14之特徵更包含:其鋁莫爾分率由0.11漸變至0,其與垂直方向距離之函數關係為一次線性關係或為二次拋物曲線關係;該基極層(GaAs) 15係形成於上述之第一過渡層14上,該基極層15之厚度為10nm-300nm之砷化鎵磊晶層,並具有p型摻雜,且摻雜濃度為1×1018-9×1019cm-3,且該基極層15上之金屬電極係由Ti/Pt/Au三層金屬所形成以做為該基極層15之基極電極151;該第二過渡層16係形成於上述之基極層15上,該第二過渡層16之厚度為1nm-100nm之砷化鎵鋁磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為1×1016-9×1018cm-3,且該第二過渡層16之特徵更包含:第二過渡層16於接近射極層17處之鋁莫爾分率為0.11,而且第二過渡層16於接近基極層1 5處之鋁莫爾分率為0,而該第二過渡層16之特徵更包含:其鋁莫爾分率由0.11漸變至0,其與垂直方向距離之函數關係為一次線性關係或為二次拋物曲線關係;該射極層(InGaP) 17係形成於上述之第二過渡層16上,該射極層17之厚度為10nm-1000nm之磷化鎵銦磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為2×1016-9×1018cm-3;該第三過渡層18係形成於上述之射極層17上,該第三過渡層18之厚度為1nm-100nm之砷化鎵鋁磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為1×1016-9×1018cm-3,且該第三過渡層18之特徵更包含:第三過渡層18於接近射極層17處之鋁莫爾分率為0.11,而且第三過渡層18於接近帽層19處之鋁莫爾分率為0,而該第三過渡層18之特徵更包含:其鋁莫爾分率由0.11漸變至0,其與垂直方向距離之函數關係為一次線性關係或為二次拋物曲線關係;該帽層(GaAs) 19係形成於上述之第三過渡層18上,該帽層19之厚度為10nm-1000nm之砷化鎵磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為1×1017-9×1019cm-3,且該帽層19上之金屬電極係選自Au、Ni、Au-Ge、Au-Ge-Ni其中之一的金屬以做為射極電極191;再由第2圖中,可淸楚看出存在於異質接面之導電帶不連續值,無論於熱平衡抑或不同大小偏壓條件下,皆完全不存在。其中,導電帶呈現連續平坦曲線特性,且習知常見之位障尖峰確實被有效抑制,故良好之電晶體導通現象可獲得;而價電帶則如同一般雙異質接面雙極性電晶體,所以本發明元件具有良好之電洞侷限能力,可維持一良好之射極注入效率,可獲得良好之電晶體放大特性。值得注意的是,此一絕佳之能帶特性,主要係因本案所提之結構分別於,並於上述之射極層(InGaP) 17與帽層(GaAs) 19、射極層(InGaP) 17與基極層(GaAs) 15、集極層(InGaP) 13與基極層(GaAs) 15之間分別導入一漸變性鋁莫爾分率之砷化鎵鋁層(AlxGa1-xAs, x: 0δ0.11),故具連續性導電帶結構確可由本案所提之元件所得。
而第3A、3B、3C圖係本發明之集極電流密度和基極電流密度對基-射極電壓之關係,圖中之集-基極偏壓條件分別為0伏、3伏、5伏。首先,於圖第3A、3B、3C圖中可觀察出,集極電流密度、基極電流密度與基-射極電壓之變化曲線於圖中呈現非常類似之函數關係,換言之,改變集-基極偏壓條件並不影響本案所提元件集極電流密度、基極電流密度與基-射極電壓之關係,此一特性確與傳統雙異質接面雙極性電晶體大不相同。分析其原因,乃因位障尖峰存在於傳統雙異質接面雙極性電晶體之集-基界面,故於較大之集-基極偏壓條件,可調變(減少)位障尖峰,使其具有較大之集極電流密度與較小之基極電流密度。經由此點,亦可證實,本案所提之元件,因於InGaP集極層13與GaAs基極層15之間導入一漸變性鋁莫爾分率之砷化鋁鎵層(AlxGa1-xAs, x: 0δ0.11),成功消除了存在於基-集極接面之位障尖峰,同時習知因位障尖峰嚴重影響電子的傳輸效率亦可獲得大幅改善。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安培/平方公分時之基-射極電壓)僅為1.15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。此點,將有利於本實施例之應用層面,特別是在於行動通訊系統方面。
再由第4圖觀之,其中,基極輸入電流為1微安(相對應之電流密度為1安培/平方公分),且其曲線族增加量為1微安。由於本發明之一較佳實施例,呈現一良好且連續平坦特性之導電帶,故習知傳統電晶體因導電帶不連續值造成位障尖峰衍生之不良特性(例如:過大之補償電壓、過大之飽和電壓、小工作電流區域較差之電晶體放大特性等等),於本實施例中皆可大幅改善。於特性圖如圖第4圖中,顯示本發明之一較佳實施例具有一極小之補償電壓約20毫伏與一極小之飽和電壓約0.25伏,同時具有良好之放大特性。此一極低之補償電壓,將有助於本發明元件應用於低功率耗損之場合,且亦能大幅縮減電路設計之複雜度,確有利本發明於產業之應用。同時一較小之飽和電壓特性,亦非常有助於元件應用於類比電路,因為較小之飽和電壓可提供一較大之輸出電流(訊號)之擺幅。再者,此一極小之飽和電壓與補償電壓,於數位電路之設計將十分有利,例如元件操作於ON時,其靜態之消耗功率可以巨幅縮減,進而增加其電路之集積度與降低其熱散耗。
另本發明具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體之高頻特性如增益截止頻率(fT)和最大振盪頻率(fMAX)對集極電流密度之關係如第5圖所示,其中集-射極偏壓固定於3伏。同時增益截止頻率(fT)係指電流增益(current gain, |h21|)於0 dB時之頻率,而最大振盪頻率(fMAX)則為瑪森單向增益(Mason unilateral gain, U)於0 dB時之頻率。由第5圖中可看出,本發明實施例中之一種具有連續性導電帶結構之磷化鎵銦/砷化鎵鋁/砷化鎵雙異質接面雙極性電晶體具良好之高頻特性,當集極電流密度逐漸增加時,增益截止頻率(fT)與最大振盪頻率(fMAX)亦隨之逐漸增加,當集極電流密度達到約1.5安培/平方公分左右時,可獲得一最大之增益截止頻率(fT)約6.3兆赫茲與一最大振盪頻率(fMAX)約28.3兆赫茲。達到最大值後,受柯爾效應(Kirk effect)與串聯電阻效應之影響下,增益截止頻率(fT)與最大振盪頻率(fMAX)則隨集極電流密度之逐漸增加而逐漸降低。
綜言之,本發明之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,具有以下之優點:(1)由於本發明具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體具良好之連續性導電帶結構,可完全消除習知技術中因導電帶不連續值所形成之位障尖峰,故本發明所提之元件呈現一幾乎可忽略之補償電壓。此一極低之補償電壓,將有助於本發明元件應用於低功率耗損之場合,且亦能大幅縮減電路設計之複雜度。
(2)本發明雙異質接面雙極性電晶體具有良好之連續性導電帶結構,故本發明所提之元件呈現一較小之導通電壓。此一較小之導通電壓,意味著較小之輸入電壓即可提供一額定之穩態輸出電流,故工作點之直流消耗功率將可下降,此點,將十分有利於本實施例之應用層面,特別是在於行動通訊系統方面,例如個人行動電話之電池耐久性考量。
(3)本發明具有良好之連續性導電帶結構,故本發明所提之元件呈現一較小之飽和電壓。此一較小之飽和電壓特性非常有助於本發明元件應用於放大器設計(類比)與開關(數位),因為較小之飽和電壓始可允許一較大之輸出電流(訊號)之擺幅。同時於數位應用上,靜態之消耗功率可以巨幅縮減,進而增加其電路之集積度與降低其熱散耗。
(4)本發明之雙異質接面雙極性電晶體具有良好之連續性導電帶結構,故本發明所提之元件呈現具一良好之電晶體高頻放大特性。
(5)本發明之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,集極層材料為大能隙半導體材料,故本發明所提之元件具有一良好之電壓崩潰特性。
綜上所述,本發明具備原創性、新穎性及進步性,任何熟習此技術者,在不脫離本發明之精神和範圍內,當可作為些許之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以之限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾,皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
[圖式簡單說明]

 

第1圖,係本發明電晶體之剖面示意圖。
第2圖,係本發明之相對應能帶圖。
第3A、3B、3C圖,係本發明之集極電流密度和基極電流密度對基-射極電壓之關係。
第4圖,係本發明之共射極輸出電流-電壓特性圖。
第5圖,係本發明之增益截止頻率和最大振盪頻率對集極電流密度之關係。

 

 
十、申請專利範圍:
    1.一種具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,該電晶體至少包含:一半導體基板;一緩衝層,係形成於上述之半導體基板上;一集極層(InGaP),係形成於上述之緩衝層上;一第一過渡層,係形成於上述之集極層上;一基極層(GaAs),係形成於上述之第一過渡層上;一第二過渡層,係形成於上述之基極層上;一射極層(InGaP),係形成於上述之第二過渡層上;一第三過渡層,係形成於上述之射極層上;一帽層(GaAs),係形成於上述之第三過渡層上;並於上述之射極層(InGaP)與帽層(GaAs)、射極層(InGaP)與基極層(GaAs)、集極層(InGaP)與基極層(GaAs)之間分別導入一漸變性鋁莫爾分率之砷化鎵鋁層(AlxGa1-xAs, x: 0δ0.11);藉此,可使本發明之電晶體達到高速、低導通電壓、低飽和電壓、良好電流增益、高輸出電壓擺幅與大工作電壓區域之特性。
  2.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該基板係由半絕緣型之砷化鎵所組成。
  3.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該基板係由n型摻雜之砷化鎵所組成。
  4.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該緩衝層之厚度為10nm-1000nm之砷化鎵磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為1×1016-5×1019cm-3。
  5.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該集極層之厚度為50nm-1000nm之砷化鎵磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為5×1015-1×1018cm-3。
  6.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該第一過渡層之厚度為1nm-100nm之砷化鎵鋁磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為1×1016-9×1018cm-3。
  7.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該基極層之厚度為10nm-300nm之砷化鎵磊晶層,並具有p型摻雜,且摻雜濃度為1×1018-9×1019cm-3。
  8.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該第二過渡層之厚度為 1nm-100nm之砷化鎵鋁磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為1×1016-9×1018cm-3。
  9.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該射極層之厚度為10nm-1000nm之磷化鎵銦磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為2×1016-9×101acm-3。
  10.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該第三過渡層之厚度為1nm-100nm之砷化鎵鋁磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為1×1016-9×1018cm-3。
  11.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該帽層之厚度為10nm-1000nm之砷化鎵磊晶層,並具有n型摻雜,且摻雜濃度為1×1017-9×1019cm-3。
  12.如申請專利範圍第1項或第6項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該第一過渡層之特徵更包含:第一過渡層於接近集極層處之鋁莫爾分率為0.11,而且第一過渡層於接近基極層處之鋁莫爾分率為0。
  13.如申請專利範圍第1項或第8項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該第二過渡層之特徵更包含:第二過渡層於接近射極層處之鋁莫爾分率為 0.11,而且第二過渡層於接近基極處之鋁莫爾分率為0。
  14.如申請專利範圍第1項或第10項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該第三過渡層之特徵更包含:第三過渡層於接近射極層處之鋁莫爾分率為0.11,而且第三過渡層於接近帽層處之鋁莫爾分率為0。
  15.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該帽層上之金屬電極係選自Au、Ni、Au-Ge、Au-Ge-Ni其中之一的金屬以做為射極電極。
  16.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該基極層上之金屬電極係由Ti/Pt/Au三層金屬所形成以做為該基極層之電極。
  17.如申請專利範圍第1項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該緩衝層上之金屬電極係選自Au、Ni、Au-Ge、Au-Ge-Ni其中之一的金屬以做為集極電極。
  18.如申請專利範圍第1項或第6項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該第一過渡層之特徵更包含:其鋁莫爾分率由0.11漸變至0,其與垂直方向距離之函數關係為一次線性關係或為二次拋物曲線關係。
  19.如申請專利範圍第1項或第8項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該第二過渡層之特徵更包含:其鋁莫爾分率由0.11漸變至0,其與垂直方向距離之函數關係為一次線性關係或為二次拋物曲線關係。
  20.如申請專利範圍第1項或第10項所述之具有連續性導電帶結構之雙異質接面雙極性電晶體,其中,該第三過渡層之特徵更包含:其鋁莫爾分率由0.11漸變至0,其與垂直方向距離之函數關係為一次線性關係或為二次拋物曲線關係。
 
十一、圖式:
   
 





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