348_088-128CP-TW
發佈日期 :
2009-04-29
|
| 發明專利說明書 |
| ※申請案號：087112269 | ※I P C 分類：H01L 29/66 | |
| 一、 | 發明名稱： |
| 一種超晶格式負微分電阻功能型電晶體 (全文下載) | |
| 二、 | 中文發明摘要： |
| 一種超晶格式負微分電阻功能型電晶體，本發明是在研製一種新型、高速、低功率消耗的共振穿透元件-超晶格式負微分電阻(negative-differential-resistance, NDR)功能型電晶體。本元件同時具有電晶體放大及明顯的負微分電阻現象。在此元件中，射極區域包括五週期砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格共振穿透層及射極層。由於射極一基極為同質接面，因此其集極一射極補償電壓(VCE, offset)可以降低許多。同時利用價電帶不連續值(△EV)作為電洞的有效位障，可以大幅降低基極電流，提升射極注入效率，以達到高電流增益的效果。在另一方面，利用多重位能障壁模型及傳輸矩陣的方法，探討載子於砷化銦鎵/砷化銦鋁超晶格共振穿透層之傳輸行為，我們得知有一個副能帶(subband)存在於超晶格區域中。實驗結果顯示，在室溫環境下，本發明元件除在順向主動操作區(forward-active)具有良好之電晶體放大特性，此外N型負微分電阻(N-shaped NDR)亦在飽和區(saturation)發現。因此，本發明元件可立即應用於微波、高速、低功率之多值邏輯與放大器電路。 |
| 三、 | 英文發明摘要： |
| 四、 | 指定代表圖： |
| (一)本案指定代表圖為： 第（ ）圖 | |
| (二)本代表圖之元件符號簡單說明： |
| 五、 | 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： |
| 六、 | 發明說明： |
| 【發明所屬之技術領域】 | |
| 【先前技術】 | |
| 【發明內容】 | |
| [0007] | 本發明之目的即在於開發新型砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體。 |
| 【實施方式】 | |
| [0023] | 圖1為本發明之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體之一實施例10。其結構由下而上依次為n+型磷化銦(InP)基板12；厚2000Å，濃度n+=3x1018cm-3砷化銦鎵(GaInAs)緩衝層14；厚5000Å，濃度n=5x1016cm-3砷化銦鎵(GaInAs)集極層16；厚1000Å，濃度p+=1x1019cm-3砷化銦鎵(GaInAs)基極層18；厚500Å，濃度n=5x1017cm-3砷化銦鎵(GaInAs)射極層20;5週期砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格共振穿透層22(障壁層由無摻雜之厚度為50Å之砷化銦鋁(AlInAs)材料形成，量子井由厚50Å，濃度n=5x1017cm-3之砷化銦鎵(GaInAs)材料形成)；厚3000Å，濃度n=5x1018cm-3砷化銦鎵(GaInAs)歐姆性接觸層24；厚3000Å，金-鍺(AuGe)合金射極歐姆性接觸金屬層26；厚3000Å，金-鋅(AuZn)合金基極歐姆性接觸金屬層28；厚3000Å，金-鍺(AuGe)合金集極歐姆性接觸金屬層30。 |
| [0024] | 本發明為一種新穎之高速砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，其結構如圖1所示。其射極區域包括5週期GaInAs/AlInAs超晶格共振穿透區，及GaInAs同質接面射極層。由於AlInAs/GaInAs異質接面其價電帶之不連續值(ΔEV=0.25eV),於電晶體正常操作模式之下，對由基極射向射極的電洞具有良好之侷限效果，故可提高射極注入效率；另一方面由於射極-基極為同質接面，且射極層厚度設計為500Å，可降低由AlInAs/GaInAs異質接面導電帶之不連續值(ΔEc=0.25eV)所形成之位障尖峰，故其集極-射極補償電壓較傳統異質結構雙極性電晶體可望降低許多。 |
| [0025] | 圖2所示為本元件於熱平衡時之能帶圖，透過穿透多重位能障壁模型(multi-barrier tunneling model)與傳輸矩陣(transfer matrix)及相關之理論分析，得知有一個副能帶存在於超晶格區域中，共振能階(resonant tunneling levels)位置與半高寬(the full width at half maximum, FWHM)分別為E1(123meV)和ΔE1(14meV)。 |
| [0026] | 圖3所示為共振穿透發生時之能帶圖。 |
| [0027] | 圖4為此元件(射極面積為60×60λm2)於室溫下共射極電流-電壓特性曲線圖，其補償電壓為55mV，電流增益可達8。同時於較大基極電流區域(IB 0.8mA)，可觀察到明顯的N-型負微分電阻現象。 |
| [0028] | 我們認為這種有趣的負微分電阻現象是由於共振穿透效應導致。當基極電流較小時，基-射極電壓VBE小於p-n接面之內建電位(built-in voltage)，當基極電流逐漸加大，亦即VBE持續增加，直到平帶現象(flat band)出現於射極基極界面，此時元件之工作類似於一般電晶體。而VBE更大時，射極區域之費米能階往上提昇，當EF與超晶格區域之副能帶對準時，共振穿透機率達最大值；亦即電流達到最大。 |
| [0029] | 若VBE持續增加，EF與超晶格區域之副能帶失去對準作用，共振穿透機率降低，穿透電流幾乎不存在，使總電流降低，故會於電流-電壓特性中產生N-型負微分電阻(NDR)現象。和以往一些共振電晶體不同的是，本元件之N-型負微分電阻現象可出現在多條I-V曲線上。換句話說，本元件亦具有三端(外加基極電流)控制型的NDR現象，這可大大增加元件於實際電路上之應用範圍與潛力。 |
| [0030] | 上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。 |
| [0031] | 綜上所述，本案不但在技術思想上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請 貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。 |
| [0032] | [1]K. Yang, J. C. Cowles and J. R. Haddad, IEEE Trans. Electron Devices, 42(1995)1047. |
| [0033] | [2]S. M. Sze, High-Speed Semiconductor Device, Wiley, New York(1990). |
| [0034] | [3]J. I. Song, B. Hong, C. J. Palmstrom, B. P. Van der Grag and K. B. Chough, IEEE Electron Device Lett., 15(1994)94. |
| [0035] | [4]H. Fukano, Y. Kawamura and Y. Takanashi, IEEE Electron Device Lett., 9(1988)312. |
| [0036] | [5]M. E. Klausmeier-Brown, P. E. Dodd, M. S. Lundstrom and M. R. Melloch, IEEE BCTM Proc., (1988)33. |
| [0037] | [6]W. C. Liu and W. S. Lour, IEEE Electron Device Lett., 12(1991)474. |
| [0038] | [7]W. C. Liu, S. Y. Cheng, J. H. Tsai, P. H. Lin, J. Y. Chen and W. C. Wang, IEEE Electron Device Lett., 18(1997)515. |
| [0039] | [8]T. Won, and H. Morkoc, IEEE Electron Device Lett., 10(1989)138 |
| 【圖式簡單說明】 | |
| [0019] | 請參閱以下有關本發明一較佳實施例之詳細說明及其附圖，將可進一步瞭解本發明之技術內容及其目的功效；有關該實施例之附圖為：圖一 係本發明之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體結構圖。 |
| [0020] | 圖二 係本發明之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體於熱平衡時之能帶圖。 |
| [0021] | 圖三 係本發明之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體於共振穿透時之能帶圖。 |
| [0022] | 圖四 係本發明之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體之電流-電壓輸出特性曲線圖。 |
| 【主要元件符號說明】 | |
| [0008] | 10‧‧‧本發明之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體 |
| [0009] | 12‧‧‧磷化銦材料形成之基板 |
| [0010] | 14‧‧‧砷化銦鎵材料形成之緩衝層 |
| [0011] | 16‧‧‧砷化銦鎵材料形成之集極層 |
| [0012] | 18‧‧‧砷化銦鎵材料形成之基極層 |
| [0013] | 20‧‧‧砷化銦鎵材料形成之射極層 |
| [0014] | 22‧‧‧5週期砷化銦鎵/砷化銦鋁材料形成之超晶格共振穿透層 |
| [0015] | 24‧‧‧砷化銦鎵材料形成之歐姆性接觸層 |
| [0016] | 26‧‧‧金-鍺合金材料形成之射極歐姆性接觸金屬層 |
| [0017] | 28‧‧‧金-鋅合金材料形成之基極歐姆性接觸金屬層 |
| [0018] | 30‧‧‧金-鍺合金材料形成之集極歐姆性接觸金屬層 |
| 七、 | 申請專利範圍： |
| 1.一種新型砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，其包括：一基板，係由磷化銦(InP)材料形成；一緩衝層，係由砷化銦鎵(GaInAs)材料形成；一集極層，係由n+型砷化銦鎵(GaInAs)材料形成；一基極層，係由砷化銦鎵(GaInAs)材料形成；一射極層，係由砷化銦鎵(GaInAs)材料形成；一短週期式超晶格共振穿透層，障壁層由砷化銦鋁(AlInAs)材料形成，量子井由砷化銦鎵(GaInAs)材料形成；一歐姆性接觸層，係由砷化銦鎵(GaInAs)材料形成。 2.如申請專利範圍第1項之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，該基板係由n+型磷化銦(InP)形成。 3.如申請專利範圍第1項之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，該緩衝層係由n+型砷化銦鎵(GaInAs)材料形成。 4.如申請專利範圍第1項之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，該集極層係由n型砷化銦鎵(GaInAs)材料形成。 5.如申請專利範圍第1項之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，該基極層係由p+型砷化銦鎵(GaInAs)材料形成。 6.如申請專利範圍第1項之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，該射極層係由n型砷化銦鎵(GaInAs)材料形成。 7.如申請專利範圍第1項之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，該短週期式超晶格共振穿透層，其中障壁層由砷化銦鋁(AlInAs)材料形成。 8.如申請專利範圍第1項之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，該短週期式超晶格共振穿透層，其中量子井由砷化銦鎵(GaInAs)材料形成 9.如申請專利範圍第1項之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，該歐姆性接觸層係由n型砷化銦鎵(GaInAs)材料形成。 10.如申請專利範圍第7項之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，其中，前述短週期式超晶格共振穿透層之障壁層厚度範圍為40Å至60Å且濃度為無摻雜型。 11.如申請專利範圍第8項之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，其中，前述短週期式超晶格共振穿透層之量子井厚度範圍為40Å至60Å且濃度為n型。 12.如申請專利範圍第8項之砷化銦鎵/砷化銦鋁(GaInAs/AlInAs)超晶格式負微分電阻功能型電晶體，其中，前述短週期式超晶格共振穿透層之超晶格週期範圍為4至8週期。 |
| 八、 | 圖式： |
 圖一  圖二  圖三  圖四 |
瀏覽數:
分享