170_091-004AP-TW
發佈日期 :
2009-04-29
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： 091111960 | |
| ※申請日期： 20020604 ※ＩＰＣ分類： Int.Cl.(7) H01L 21/328 |
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| 一、發明名稱： (中文/英文) | |
具零導電帶不連續值之磷化鎵銦/砷化鎵鋁/砷化鎵異質接面雙極性電晶體(全文下載)
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| 二、申請人： 共 1 人
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| 1 . 姓名或名稱：(中文/英文) 國立成功大學 / NATIONAL CHENG KUNG UNIVERSITY 代 表 人：(中文/英文) / 住居所或營業所地址：(中文/英文) 臺南市東區大學路一號 / 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
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| 三、發明人： 共 2 人
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| 1 . 姓名：(中文/英文) 劉文超 / LIOU, WEN-CHAU 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW 2 . 姓名：(中文/英文) 鄭岫盈 / JENG, SHIOU-YING 國 籍：(中文/英文) 中華民國 / TW
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四、聲明事項 |
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| □主張專利法第二十二條第二項 □ 第一款或 □ 第二款規定之事實，其事實發生日期為：年 月 日
□申請前已向下列國家(地區)申請專利: 【格式請依:受理國家(地區)、申請日、申請案號、 順序註記】
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| □ 有主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
□無主張專利法第二十七條第一項國際優先權： |
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| □ 主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
【格式請依:申請日、申請案號、順序註記】
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□ 主張專利法第三十條生物材料： □ 須寄存生物材料者： 國內生物材料【格式請依:寄存機構、日期、號碼、順序註記】 國外生物材料【格式請依:寄存國家、機構、日期、號碼、順序註記】 |
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| □ 不須寄存生物材料者: 所屬技術領域中具有通常知識者易於獲得時，不須寄存。 |
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| 五、中文發明摘要： | |
| 本發明係關於一種具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面之雙極性電晶體，該電晶體之結構由下而上依序包括一半導體基板、一緩衝層、一集極層、一基極層、一第一過渡層、一射極層、一第二過渡層及一帽層。該半導體基板、該緩衝層、該集極層、該基極層、該帽層為砷化鎵材料所構成；該射極層為磷化鎵銦材料所構成。依據本發明之電晶體，係於(1)射極層與基極層及(2)射極層與帽層之間分別導入一漸變性鋁莫爾分率之砷化鋁鎵層(Al x Ga 1-x As,x:0δ0.11)，亦即第一過渡層與第二過渡層。藉此，本發明之電晶體結構確具零導電帶不連續值之特性，並具有低補償電壓、低導通電壓、低膝形電壓及高速之特性。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件符號簡單說明：
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| 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： | |
| 發明背景1.發明領域 本發明係關於一種異質接面雙極性電晶體，詳言之，係關於一種具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面之雙極性電晶體。 2.先前技術說明 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、單一供應電壓、低散逸功率、高線性度與高操作頻率之發展。基於此，異質接面雙極性電晶體(heterojunction bipolar transistor)由於具有(1)寬能隙射極可有效抑制少數載子從基極注入射極，有助於射極注入效率的提升；(2)基極的高摻雜濃度可降低基極電阻並增加貫穿(punchth rough)電壓；(3)低射極摻雜濃度促使一較低的射基極接面電容，有利於高頻響應的操作等之良好特性。因此，異質接面電晶體極適合應用於個人通訊系統之主動關鍵元件，如前置放大器抑或高頻壓控震盪器。而砷化鎵系列之異質接面雙極性電晶體與磷化銦系列之異質接面雙極性電晶體比較，砷化鎵系列之產品具有高製程良率、高產品可靠度、低製作成本，故採用砷化鎵系列以製造高性能電晶體之技術，目前為國內外產業界所採之主要生產依據。 請參考圖1，其顯示傳統磷化鎵銦／砷化鎵（或是砷化鎵鋁／砷化鎵）異質接面雙極性電晶體1之結構。該雙極性電晶體1包括一砷化鎵基板11、一緩衝層12、一集極層13、一基極層14、射極層15、帽層16。其中，該緩衝層12、集極層13、射極層15與帽層16具有第一導電型摻雜（n型摻雜），而基極層14具有第二導電型摻雜（P型摻雜）。同時，緩衝層12、集極層13、基極層14、帽層16為砷化鎵材料所構成，射極層15為磷化鎵銦或砷化鎵鋁所構成。然而，此類習知技術所製成之傳統電晶體1存在先天上的缺陷，即為存在於磷化鎵銦／砷化鎵或是砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面（基極層14與射極層15之接面）之導電帶不連續值(conduction band discontrinuity,△E C )所引起的位障尖峰(potential spike)，此位障尖峰將造成電晶體1特性之衰減。 請參照圖2，其顯示傳統的磷化鎵銦／砷化鎵異質接面雙極性電晶體之相對應能帶圖。雖然磷化鎵銦／砷化鎵異質介面導電帶不連續度的典型值只有120毫伏特（比砷化鎵鋁／砷化錠系統小），然於熱平衡或是不同大小偏壓下，此一位障尖峰皆十分明顯地出現於基-射極介面。此一位障尖峰影響電晶體1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-射極的導通電壓以及造成較大的集-射極補償電壓。較大之導通電壓即意謂著增加工作點之靜態直流消耗功率；而較大之補償電壓不但造成額外之功率損耗，同時於電路設計上更需要以複雜之補償電路來抵銷，因此，造成生產成本增加與降低產業利用性之缺失。 因此，有必要提供一種新穎的高頻主動元件，以解決上述問題。 發明概述 本發明之目的在於提供一種具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面雙極性電晶體，其由下而上依序包括一半導體基板、一緩衝層、一集極層、一基極層、一第一過渡層、一射極層、一第二過渡層及一帽層。該半導體基板、該緩衝層、該集極層、該基極層、該帽層為砷化鎵材料所構成；該射極層為磷化鎵銦材料所構成。本發明之電晶體結構主要係於(1)射極層與基極層及(2)射極層與帽層之間分別導入一漸變性鋁莫爾分率之砷化鋁鎵層(Al x Ga 1-x As,X:oδ0.11)，亦即第一過渡層與第二過渡層，俾使本發明之電晶體結構確具零導電帶不連續值之特性。 由於導電帶不連續值所形成之位障尖峰已被完全消除，故本發明之電晶體呈現一幾乎可忽略之補償電壓。此一極低之補償電壓，將有助於本發明之電晶體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。並且，本發明之電晶體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，將十分有利於本發明電晶體之應用層面，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。 另外本發明之電晶體呈現一較小之膝形電壓。此一較小之膝形電壓特性亦非常有助於本發明之電晶體應用於放大器設計，因為較小之膝形電壓可提供一較大之輸出電流（訊號）之擺幅。此外，本發明之電晶體呈現具一良好之電晶體高頻放大特性。 圖式簡單說明 圖1為習知的磷化鎵銦／砷化鎵異質接面雙極性電晶體之剖面示意圖； 圖2為習知的磷化鎵銦／砷化鎵異質接面雙極性電晶體之相對應能帶圖； 圖3為本發明之具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面雙極性電晶體之剖面示意圖； 圖4為本發明之具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面雙極性電晶體之相對應能帶圖； 圖5為補償電壓與基極電流之特性圖； 圖6為集極電流、基極電流與基-射極電壓之特性圖；及 圖7為共射極模式下其輸出之電流-電壓特性圖。 主要元件符號說明 1．．．習知之電晶體 11．．．砷化鎵基板 12．．．緩衝層 13．．．集極層 14．．．基極層 15．．．射極層 16．．．帽層 3．．．本發明之電晶體 31．．．半導體基板 32．．．緩衝層 321．．．集極電極 33．．．集極層 34．．．基極層 341．．．基極電極 35．．．第一過渡層 351．．．第一鄰近射極層部 352．．．鄰近基極層部 36．．．射極層 37．．．第二過渡層 371．．．第二鄰近射極層部 372．．．鄰近帽極層部 38．．．帽層 381．．．射極電極 發明詳述 參考圖3，本發明之具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面之雙極性電晶體3，其由下而上依序包括一半導體基板31、一緩衝層32、一集極層33、一基極層34、一第一過渡層35、一射極層36、一第二過渡層37及一帽層38。該半導體基板31、該緩衝層32、該集極層33、該基極層34、該帽層38為砷化鎵(GaAs)材料所構成；該射極層36為磷化鎵銦(InGaP)材料所構成；該第一過渡層35與第二過渡層37為具有漸變性鋁莫爾分率之砷化鎵鋁(AlGaAs)材料。 該半導體基板31係由半絕緣型之砷化鎵材料所製成。該半導體基板31係由n型摻雜之砷化鎵材料所製成。該緩衝層32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1×10 16 -5×10 19 cm -3 。該集極層33厚度為100nm-1000nm之砷化鎵磊晶層，並具有n型摻雜，且摻雜濃度為1×10 16 -5×10 17 cm .3 。該基極層34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1×10 18 -9×10 19 cm .3 。該第一過渡層35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1×10 17 -9×10 18 cm .3 。該射極層36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1×10 17 -9×10 18 cm -3 。該第二過渡層37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1×10 17 -9×10 18 cm -3 。該帽層38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1×10 17 -9×10 19 cm -3 。 該緩衝層32具有一金屬電極用以作為一集極電極321，該集極電極321係選自Au、Ni、Au-Ge、Au-Ge-Ni其中之一的金屬。該基極層34具有一金屬電極用以作為一基極電極341，基極電極341係由Ti/Pt/Au三層金屬所形成。該帽層38具有一金屬電極用以作為一射極電極381，該射極電極381係選自Au、Ni、Au-Ge、Au-Ge-Ni其中之一的金屬。 該第一過渡層35包含一第一鄰近射極層部351及一鄰近基極層部352，該第一鄰近射極層部351之鋁莫爾分率為0.11，且該鄰近基極層部352之鋁莫爾分率為0。該第一過渡層35係由該第一鄰近射極層351之鋁莫爾分率0.11漸減至該鄰近基極層部352之莫爾分率0，其與垂直方向距離之函數關係為一次線性關係或二次拋物曲線關係。 該第二過渡層37包含一第二鄰近射極層部371及一鄰近帽層部372，該第二鄰近射極層部371之鋁莫爾分率為0.11，且該鄰近帽層部372之鋁莫爾分率為0。該第二過渡層37係由該第二鄰近射極層371之鋁莫爾分率0.11漸減至該鄰近帽層部372之莫爾分率0，其與垂直方向距離之函數關係為一次線性關係或二次拋物曲線關係。 本發明之具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面之雙極性電晶體3係結合下列各項材料優異之特性：(1)於晶格常數限制下，砷化鎵鋁化合物之鋁莫爾分率可以線性漸變方式做適度之調整，(2)磷化銦鎵與砷化鎵材料之高蝕刻選擇度與較低之介面陷阱中心密度，(3)當砷化鋁鎵化合物之鋁莫爾分率為0.11時，Al 0.11 Ga 0.89 As與In 0.49 Ga 0.51 P異質材料之導電帶不連續值為0。因此，本發明之電晶體3具有低導通電壓、低補償電壓、低飽和電壓等良好電晶體特性。 另外，本發明之電晶體結構主要係於(1)InGaP射極層36與GaAs帽層38及(2)InGaP射極層36與GaAs基極層34之間分別導入一厚度100之漸變性鋁莫爾分率之砷化鋁鎵層(Al x Ga 1-x As,x:0δ0.11)，亦即第一過渡層35與第二過渡層37。故本發明之電晶體結構確具零導電帶不連續值之特性。經由分析比較，本發明之具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面雙極性電晶體3，因其導電帶不連續值已控制為0，故可達高速（大於10GHz）、低工作電壓（小於1.5V）、低補償電壓（小於50mV）、低導通電壓（小於1.2V）、低膝形電壓（小於0.3V）之良好元件特性。因此本發明之元件適合應用於蓬勃發展之國防、民生無線通訊產品之高速、高功率之放大器電路上。 請參照圖4，其顯示本發明一較佳實施例之具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面的雙極性電晶體之相對應能帶圖。於該圖中，可清楚看出位障尖峰無論於熱平衡抑或不同大小偏壓條件，皆完全不存在，故可獲得良好之電晶體特性。再次強調，此一優異之特性主要係由於本發明之電晶體3結構，其分別於(1)InGaP射極層36與GaAs基極層34及(2)InGaP射極層36與GaAs帽層38之間分別導入一第一過渡層35與一第二過渡層37，俾使本發明之電晶體3具零導電帶不連續值之特性。 請參照圖5，其顯示傳統磷化鎵銦／砷化鎵異質接面的雙極性電晶體與本發明實施例中之具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面的雙極性電晶體其補償電壓與基極電流之關係。由於傳統的磷化鎵銦／砷化鎵異質接面之雙極性電晶體因其位障尖峰存在，以致於其產生一較大之補償電壓（約120至150mV左右）。相對地，本發明之電晶體3結構，因其具有零導電帶不連續值，使位障尖峰確實可以完全消除，故一幾乎可忽略之補償電壓（約20至50mV左右）可成功獲得。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。 請參照圖6，顯示傳統磷化鎵銦／砷化鎵異質接面的雙極性電晶體與本發明實施例中具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面的雙極性電晶體其集極電流、基極電流與基-射極電壓之關係。由於本發明之電晶體結構，其導電帶不連續值與位障尖峰皆已完全消除，因此於相同之基-射極偏壓下，本發明實施例（三角形符號之曲線）之集極電流與（實線）與基極電流（虛線）都比傳統元件（圓圈符號之曲線）集極電流與（實線）與基極電流（虛線）為大，這主要是因於順向偏壓時，本發明實施例中之電子於射極注入基極過程，不再受到位障尖峰之影響。另一方面，若定義導通電壓為當集極電流達到1微安(μA)時之基-射極電壓，則可發現本實施例之導通電壓僅為1.2伏，優於傳統元件之1.31伏。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。 請參照圖7，顯示傳統磷化鎵銦／砷化鎵異質接面的雙極性電晶體與本發明實施例中之具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面的雙極性電晶體其共射極輸出電流-電壓特性圖。相同地，由於導電帶不連續值所形成之位障尖峰存在於傳統元件中，故傳統元件呈現一較大之補償電壓與一較大之膝形電壓（約0.4伏左右）；相對於本發明之實施例，則可獲得一較小之膝形電壓（約0.25伏左右）。此一較小之膝形電壓特性，亦非常有助於元件應用於放大器設計，因為較小之膝形電壓可提供一較大之輸出電流（訊號）之擺幅。 綜言之，本發明之具零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面雙極性電晶體，具有以下之優點： (1)由於導電帶不連續值所形成之位障尖峰-已被完全消除，故本發明之電晶體呈現一幾乎可忽略之補償電壓。此一極低之補償電壓，將有助於本發明之電晶體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)由於導電帶不連續值所形成之位障尖峰已被完全消除，故本發明之電晶體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，將十分有利於本發明之應用層面，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)由於導電帶不連續值所形成之位障尖峰已被完全消除，故本發明之電晶體呈現一較小之膝形電壓。此一較小之膝形電壓特性亦非常有助於本發明之電晶體應用於放大器設計，因為較小之膝形電壓可提供一較大之輸出電流（訊號）之擺幅。 (4)由於導電帶不連續值所形成之位障尖峰已被完全消除，本發明之電晶體呈現具一良好之電晶體高頻放大特性。 上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，而非限制本發明。因此，習於此技術之人士可在不違背本發明之精神對上述實施例進行修改及變化。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種具有零導電帶不連續值之磷化鎵銦／砷化鎵鋁／砷化鎵異質接面之雙極性電晶體，其包括：一半導體基板，係為砷化鎵材料；一緩衝層，係為砷化鎵材料，形成於該半導體基板上之一部分，該緩衝層具有一金屬電極用以作為一集極電極；一集極層，係為砷化鎵材料，形成於該緩衝層上之一部分；一基極層，係為砷化鎵材料，形成於該集極層上之一部分，該基極層具有一金屬電極用以作為一基極電極；一第一過渡層，係為砷化鎵鋁材料，形成於該基極層上之一部分；一射極層，係為磷化鎵銦材料，形成於該第一過渡層上之一部分；一第二過渡層，係為砷化鎵鋁材料，形成於該射極層上之一部分；及一帽層，係為砷化鎵材料，形成於該第二過渡層上之一部分，該帽層具有一金屬電極用以作為一射極電極。 2.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該半導體基板係由半絕緣型之砷化鎵材料所製成。 3.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該半導體基板係由n型摻雜之砷化鎵材料所製成。 4.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該緩衝層為厚度10nm-1000nm之砷化鎵磊晶層，並具有n型摻雜，且摻雜濃度為1×101 6 -5×10 19 cm -3 。 5.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該集極層為厚度100nm-1000nm之砷化鎵磊晶層，並具有n型摻雜，且摻雜濃度為1×10 16 -5×10 17 cm -3 。 6.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該基極層為厚度10nm-300nm之砷化鎵磊晶層，並具有P型摻雜，且摻雜濃度為1×10 18 -9×10 19 cm -3 。 7.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該第一過渡層為厚度1nm-100nm之砷化鎵鋁磊晶層，並具有n型摻雜，且摻雜濃度為1×10 17 -9×10 18 cm -3 。 8.如申請專利範圍第7項之電晶體，其中該第一過渡層包含一第一鄰近射極層部及一鄰近基極層部，該第一鄰近射極層部之鋁莫爾分率為0.11，且該鄰近基極層部之鋁莫爾分率為0。 9.如申請專利範圍第8項之電晶體，其中該第一過渡層之鋁莫爾分率係由0.11漸減至0，其與垂直方向距離之函數關係為一次線性關係。 10.如申請專利範圍第8項之電晶體，其中該第一過渡層之鋁莫爾分率係由0.11漸減至0，其與垂直方向距離之函數關係為二次拋物曲線關係。 11.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該射極層為厚度10nm-1000nm之磷化鎵銦磊晶層，並具有n型摻雜，且摻雜濃度為1×10 17 -9×10 18 cm -3 。 12.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該第二過渡層為厚度1nm-100nm之砷化鎵鋁磊晶層，並具有n型摻雜，且摻雜濃度為1×10 17 -9×10 18 cm -3 。 13如申請專利範圍第12項之電晶體，其中該第二過渡層包含一第二鄰近射極層部及一鄰近帽層部，該第二鄰近射極層部之鋁莫爾分率為0.11，該鄰近帽層部之鋁莫爾分率為0。 14.如申請專利範圍第13項之電晶體，其中該第二過渡層之鋁莫爾分率由0.11漸減至0，其與垂直方向距離之函數關係為一次線性關係。 15.如申請專利範圍第13項之電晶體，其中該第二過渡層之鋁莫爾分率由0.11漸減至0，其與垂直方向距離之函數關係為二次拋物曲線關係。 16.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該帽層厚度為10nm-1000nm之砷化鎵磊晶層，並具有n型摻雜，且摻雜濃度為1×10 17 -9×10 19 cm -3 。 17.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該帽層之射極電極係選自Au、Ni、Au-Ge、Au-Ge-Ni其中之一的金屬。 18.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該基極層之基極電極係由Ti/Pt/Au三層金屬所形成。 19.如申請專利範圍第1項之電晶體，其中該緩衝層之集極電極係選自Au、Ni、Au-Ge、Au-Ge-Ni其中之一的金屬。 |
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| 十一、圖式： | |
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