345_088-130CP-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)
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| 具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件 (全文下載)
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| 二、申請人： 共 人
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| 指定 為應受送達人
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| 三、發明人： | |
| ◎專利代理人： | |
| 四、聲明事項 | |
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| □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：
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| □ 主張專利法第二十六條微生物：
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| □ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存 | |
| 五、中文發明摘要： | |
| 一種具有一般電晶體放大特性以及負微分電阻特性之磷化銦/砷化銦鎵鋁異質接面雙極性電晶體元件，可利用元件基極電流的大小來控制元件之三端特性。於大集極電流區域時，本元件與一般電晶體表現無異，於小集極電流區域時，本元件兼具有電晶體放大功能區及負微分電阻區。此一負微分電阻現象是因為使用薄基極層結構以及在射-基接面引入一單原子平面摻雜層所引起，而且在射-基接面具有一厚度為５０埃的後置層，可防止基極濃度的外擴散並降低射極區域的能帶以增加對電洞的侷限能力。 | |
| 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：
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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： | |
| [發明內容]
本發明是有關於一種異質接面雙極性電晶體，且特別是有關於一種在小基極電流區域內，同時具有電晶體放大特性與負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體。 習知異質接面雙極性電晶體已被廣泛地應用在商業及軍事系統上，且由於習知負微分電阻元件能使電路趨於簡單化，因此常被應用於多值邏輯電路或高頻振盪電路。習知負微分電阻元件應用在微波電路時，負微分電阻現像是發生在較高的集極電流區域，對於功率電晶體而言，此一現象是由於在導電指叉狀電極中電流分佈不均勻及熱效應所造成，如此將會導致電流增益的降低及元件特性的不穩定。此一負微分電阻現象極少在低集極電流區域被觀察到，因為其物理上的機制不同於熱效應所引起的現象，大多數已發表的文獻皆認為造成此負微分電阻現象的原因是極薄的基極厚度。在高集極電流下，習知負微分電阻元件三端之電流一電壓特性皆只具有負微分電阻區域而無傳統電晶體放大之主動操作區。 因此本發明的主要目的就是在提供一種異質接面雙極性電晶體元件，兼具有電晶體放大特性與負微分電阻特性，採用導電帶不連續度為0.75△Eg(△Eg為磷化銦/砷化銦鎵鋁兩材料的能隙差)之磷化銦/砷化銦鎵鋁材料系統。除了在射-基(E-B)異質接面加人50埃的後置層以降低射- 基(E-B)異質接面的位能尖峰(potential peak)外，亦在射極和後置層接面處加入了單原子平面摻雜層，配合厚度薄的基極所造成的基極寬度調變效應，使得本發明元件間具有 和習知負微分電阻電晶體截然不同的三端特性。 根據本發明上述及其他目的，提供一種兼具電晶體主動放大區及負微分電阻特性區之異質接面雙極性電晶體元件。在大基極電流之條件下，例如IB=100μA/step時，其電流增益可達28；而在小基極電流時，即IB=2μA/step 時，呈現一遮陽帽型之輸出特性曲線圖，亦即電晶體主動放大區與負微分電阻特性區同時存在於電流-電壓特性曲線中；在主動放大區內，此元件之電流增益可達10，而在負微分電阻特性區內，此元件之峰對谷電流比值(PVCR)為 11。綜合以上所述，可以得知，透過基極電流，可以控制本發明異質接面雙極性電晶體元件之工作方式及其工作區域。 再者，根據本發明之上述及其他目的，提出一種兼具電晶體主動放大區及負微分電阻特性區之異質接面雙極性電晶體元件，在磷化銦基板上成長與磷化銦之晶格匹配的四元化合物，砷化銦鎵鋁，之基極與集極。砷化銦鎵鋁結合了砷化銦鎵高電子遷移率及砷化銦鋁大能隙之優點，極適合應用於高速及高功率電子元件。 為讓本發明之上述及其他目的、特徵。和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 實施例 請參照第1圖，其中繪示依照本發明較佳實施例，一種具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件之結構圖。本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件100，是以低壓化學金屬氣相沉積(LP-MOCVD)法來成長各層狀磊晶層，其結構由下而上依序為；(1)控制集極層124；(2)n+型磷化銦(InP)基板 102：(3)厚度2000埃，濃度n+=5*1018cm-3之磷化銦(InP) 次集極層104：(4)厚度3000埃，濃度n+=5*1016cm-3之砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.23Al0.24As)集極層106；(5)厚度50埃， 無摻雜之砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.23Al0.24As)後置層108；(6) 厚度350埃，濃度p+=5*1018cm-3之砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.23 Al0.2aAs)基極層110；(7)控制基極層122；(8)厚度50 埃，無摻雜之砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.23A10.24As)後置層112； (9)濃度δ(n+)=1012cm-2之單原子摻雜平面層114：(10)厚度1000埃，濃度n=5*1017cm-3之磷化銦(InP)射極層116： (11)厚度3000埃，濃度n=3*1018cm-3之砷化銦鎵(In0.53 Ga0.47As)歐姆接觸層118；(12)控制射極層120。 請參照第1圖，為本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件之結構圖。本發明藉由與磷化銦之晶格匹配的四元化合物砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.23 Al0.24As)材料系統的成長，來改善電流增益及崩潰電壓等電晶體特性，並於射-基(E-B)接面處引入一後置層(setback layer)，使得射-基(E-B)異質接面處的位能尖峰在熱平衡時得以被消除。另一方面，由於薄基極層之設計，並配合射 -基(E-B)接面之單原子摻雜平面層(delta dopped sheet)，可以形成所預期的負微分電阻現象，因此，本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件將同時具有異質接面雙極性電晶體的特性及負微分電阻的優點。 如第2A圖所示，為本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件於熱平衡時之能帶圖，第2B圖所繪示則為本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件於外加偏壓時之能帶圖。由圖中得知，具有磷化銦射極202、砷化銦鎵鋁基極204與 砷化銦鎵鋁集極206砷化銦鎵鋁/磷化銦(In0.53Ga0.23 A10.24As/InP)異質結構雙極性電晶體由於在其射-基(E-B)極接面處加入一單原子摻雜平面層208及一未摻雜之後置層，所以在熱平衡時，並無位障尖峰存在。而在有外加偏壓的情況下，射-基(E-B)極接面的位障尖峰會因薄基極層所造成之電阻效應，形成負微分電阻現象。 第3A圖為本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件於IB=100μA/step時的共射極電流-電壓特性曲線圖，第3B圖為本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件於IB-25μA/step 時之共射極電流一電壓特性曲線圖，第3C圖則為IB-2μA /step時之共射極電流一電壓特性曲線圖。第3A圖顯示在大的集極電流時，本發明異質接面雙極性電晶體元件之電流增益為28，其特性和一般雙極性電晶體無異；第3B圖則顯示在中集極電流下，本元件呈現一N型負微分電阻電流 -電壓特性；然而，在小集極電流下，會如第3C圖所示，呈現如遮陽帽形之電流-電壓特性曲線；當集-射極偏壓VCE 小於1.6V時，元件仍具有電晶體主動區之特性，而當集- 射極偏壓VCE大於1.6V時，元件則呈現一負微分電阻特性。形成此兼具有電晶體主動區與負微分電阻特性之主要機制，與基極寬度調變所造成之電阻效應及所加入之摻雜平面層有關。 第4圖為本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件之電流增益與峰對谷電流比值隨 基極電流變化之特性曲線圖。如圖所示，最大電流增益為 10，而峰對谷電流比值最大為11。由第4圖亦可發現，電流增益隨基極電流的增加而緩慢上升，並無任何下降的趨勢。 第5圖所繪示為本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件之頻率響應對集極電流密度變化之理論模擬特性曲線圖。本異質接面雙極性電晶體元件之集-射極電壓(VCE)為2V，集極面積為100μm2，其截止頻率(fT)可達54GHz，而最大振盪頻率(fmax)可達 40GHz。 綜上所述，本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件於大集極電流時具有一般電晶體特性，而在小集極電流時，出現一電晶體主動放大區與負微分電阻區並存之遮陽帽形電流-電壓特性曲線：當集- 射極偏壓VCE，介於0.8V和1.6V時，本發明之雙極性電晶體元件仍維持一電晶體主動工作區，其電流增益為10，而在集-射極偏壓VCE大於1.6V時，本發明之雙極性電晶體元件則呈現一負微分電阻特性區。因此，經由基極電流的控制，可使電晶體的工作區域有所不同。所以，本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件適合應用於數位多值邏輯閘，高速。高功率放大電路及以磷化銦為基板的光電積體整合電路。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之 精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 [圖式簡單說明] 第1圖繪示本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件之結構圖； 第2A圖繪示本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件於熱平衡之能帶圖； 第2B圖繪示本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件於外加偏壓時之能帶圖； 第3A圖繪示本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件於IB=100μA/step時的共射極 電流一電壓特性曲線圖； 第3B圖繪示本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件於IB=25μA/step時的共射極 電流一電壓特性曲線圖； 第3C圖繪示本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件於IB=2μA/step時的共射極電 流一電壓特性曲線圖； 第4圖繪示本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件之電流增益與峰對谷電流比值 隨基極電流變化之特性曲線圖；以及 第5圖繪示本發明具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件之頻率響應對集極電流密度變 化之理論模擬特性曲線圖。
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中包括：一基板；一次集極層，位於該基板之表面；一控制集極層，位於該次集極層之表面；一控制基極層，位於該控制集極層之表面，該控制基極層具有一後置層；一控制射極層，位於該控制基極層之表面，該控制射極層具有一單原子摻雜平面層；以及一歐姆接觸層，位於該控制射極層之表面。 2.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該基板的材料包括n+型磷化銦(InP)。 3.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該基板的材料包括n+型砷化鎵(GaAs)。 4.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該次集極層的材料包括n+型磷化銦(InP)。 5.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該次集極層的材料包括n+型砷化銦鎵(InGaAs)。 6.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該次集極層的材料包括n+型砷化鎵(GaAs)。 7.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制集極層的材料包括n型砷化銦鎵鋁(In0.53Ga 0.23Al0.24As)。 8.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制集極層的材料包括n型砷化銦鎵(InGaAs)。 9.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制集極層的材料包括n型磷化銦(InP)。 10.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制集極層的材料包括n型砷化鎵(GaAs)。 11.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制集極層的材料包括n型磷化銦鎵(InGaP)。 12.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制集極層的材料包括n型砷化鋁鎵(AlGaAs) 。 13.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制集極層的材料包括p+型砷化銦鎵鋁(In 0.53Ga0.23Al0.24As)。 14.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制基極層的材料包括p+型砷化銦鎵(InGaAs)。 15.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制基極層的材料包括p+型砷化鎵(GaAs)。 16.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制基極層的材料包括p+型磷化銦鎵(InGaP)。 17.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制基極層的材料包括p+型砷化鋁鎵(AlGaAs)。 18.如申請專利範圍第1項所述具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該控制基極層包括：一第一後置層；一p+型砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.23Al0.24As)層，位於該第一後置層之上；以及一第二後置層，位於該p+型砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.23Al0.24As)層之上，使該p+砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.23Al0.24As)層介於該第一後置層與該第二後置層之間。 19.如申請專利範圍第18項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該第一後置層與該第二後置層之材料包括無摻雜型砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.23Al0.24As)。 20.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該控制基極層包括：一第一後置層；一p+型砷化銦鎵(InGaAs)層，位於該第一後置層之步；以及一第二後置層，位於該p+型砷化銦鎵(InGaAs)層之上，使該p+型砷化銦鎵(InGaAs)層介於該第一後置與該第二後置層之間。 21.如申請專利範圍第20項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該第一後置層與該第二後置層之材料包括一無摻雜型砷化銦鎵鋁(In0.53Ga0.23Al0.24As)。 22.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該控制基極層包括：一第一後置層；一p+型砷化鎵(GaAs)層，位於該第一後置層之上；以及一第二後置層，位於該p+型砷化鎵(GaAs)層之上，使該p+型砷化鎵(GaAs)層介於該第一後置層與該第二後置層之間。 23.如申請專利範圍第22項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該第一後置層與該第二後置層之材料包括無摻雜型砷化鎵(GaAs)。 24.如申請專利範圍第22項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該第一後置層與該第二後置層之材料包括無摻雜型磷化銦鎵(InGaP)。 25.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該控制基極層包括：一第一後置層；一p+型砷化鋁鎵(AlGaAs)層，位於該第一後置層之上；以及一第二後置層，位於該p+型砷化鋁鎵(AlGaAs)層之上，使該p+型砷化鋁鎵(AlGaAs)層介於該第一後置層與該第二後置層之間。 26.如申請專利範圍第25項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該第一後置層與該第二後置層之材料包括無摻雜型砷化鎵(GaAs)。 27.如申請專利範圍第25項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該第一後置層與該第二後置層之材料包括無摻雜型磷化銦鎵(InGaP)。 28.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該控制基極層的厚度約為100埃至400埃。 29.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制射極層的材料包括n型磷化銦(InP)。 30.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制射極層的材料包括n型砷化銦鋁(InAlAs)。 31.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制射極層的材料包括n型砷化鎵(GaAs)。 32.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制射極層的材料包括n型砷化鋁鎵(AlGaAs )。 33.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該控制射極層的材料包括n型磷化銦鎵(InGaP)。 34.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該控制射極層包括：一單原子摻雜平面層；以及一n型磷化銦(InP)層。 35.如申請專利範圍第34項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該單原子摻雜平面層之濃度範圍約為1011cm-2~1013 cm-2。 36.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該控制射極層包括：一單原子摻雜平面層；以及一n型砷化銦鎵(InGaAs)層。 37.如申請專利範圍第36項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極晶體元件，其中該單原子摻雜平面層之濃度範圍約為1011cm-2~1013 38.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該控制射極層包括：一單原子摻雜平面層；以及一n型砷化銦鋁(InAlAs)層。 39.如申請專利範圍第38項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該單原子摻雜平面層之濃度範圍約為1011cm-2~1013 cm-2。 40.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該控制射極層包括：一單原子摻雜平面層；以及一n型砷化鎵(GaAs)層。 41.如申請專利範圍第40項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該單原子摻雜平面層之濃度範圍約為1011cm-2~1013 cm-2。 42.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該控制射極層包括：一單原子摻雜平面層；以及一n型砷化鋁鎵(AlGaAs)層。 43.如申請專利範圍第42項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該單原子摻雜平面層之濃度範圍約為1011cm-2~1013 cm-2。 44.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該控制射極層包括：一單原子摻雜平面層；以及一n型磷化銦鎵(InGaP)層。 45.如申請專利範圍第44項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中該單原子摻雜平面層之濃度範圍約為1011cm-2~1013 cm-2。 46.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該歐姆接觸層的材料包括n+型砷化銦鎵(InGaAs)。 47.如申請專利範圍第1項所述之具有遮陽帽形負微分電阻特性之異質接面雙極性電晶體元件，其中形成該歐姆接觸層的材料包括n+型砷化鎵(GaAs)。 |
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| 十一、圖式： | |
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