專利名稱：雙極晶體管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及雙極晶體管，更具體地說，涉及包含III族元素和氮(N)的化合物半導體作為材料的雙極晶體管。
背景技術：
作為一種類型的雙極晶體管包含III族元素和氮(N)的化合物半導體作為材料，由氮化鎵/氮化鋁鎵(GaN/AlGaN)材料制造的HBT(異質(zhì)結雙極晶體管)是公知的(參考JP2002-368005A)。
在半絕緣襯底上表面上的HBT具有n+-氮化鎵(GaN)子集電極層(厚度～1000nm，作為n-型摻雜劑的硅(Si)濃度是～6×1018cm-3)、在該子集電極層的上表面中心區(qū)中形成n-GaN集電極層、由AlGaN/GaN交替層制成的基極層(超晶格)(總厚度是150nm，每個GaN層的厚度是～3nm，未摻雜，每個AlGaN層的厚度是～1nm，這里作為P-型摻雜劑的Mg濃度是～1×1019cm-3)和該基極層上表面的中心區(qū)中形成的AlGaN發(fā)射極層(厚度150nm，作為n-型雜質(zhì)的Si的濃度～6×1018cm-3)，其中半絕緣襯底由例如藍寶石或碳化硅(SiC)制成。在對應于集電極層的兩側(cè)的子集電極層上表面的每個區(qū)中形成集電極。在對應于發(fā)射極層的兩側(cè)的基極層上表面的每個區(qū)中形成基極。在發(fā)射極層上形成發(fā)射極。
如上面現(xiàn)有技術的實例中所述，通?？紤]在III-N化合物半導體中使用摻雜劑，n-型摻雜劑是硅，以及P-型摻雜劑是Mg。然而，在III-N化合物半導體中，Mg的激活率低，以及空穴遷移率低。因此，P-型基極層的表面電阻變高。
例如，在GaN制成的均勻基極層中，即使將作為P-型摻雜劑的Mg的受主濃度設為高達5×1019cm-3，也僅引起約8×1017cm-3的空穴濃度。因此，基極層的表面電阻達到100KΩ/□的高值。在JP2002-368005A的HBT中的超晶格基極層也具有同樣的情況。
因此，常規(guī)HBT有基極電阻rb變高，在高頻區(qū)功率增益低的問題。
具有均勻基極層的HBT的高頻區(qū)中，在頻率f的單邊(unilateral)功率增益(通過符號U(f)表示)通過以下等式(2)表示U(f)＝fT/(8∏rbCcf2)(1)其中fT表示電流增益截止頻率，rb表示基極電阻值和Cc表示集電極電容。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種雙極晶體管，其具有其性能不被基極層的表面電阻影響的結構，而且甚至在高頻區(qū)中也能有高電流增益。
本發(fā)明的另一個目的是通過提供一種甚至在高頻率區(qū)中也有高電流增益的雙極晶體管而提供低功耗的電子裝置(特別是用于移動電話的基站、用于無線LAN的基站等)。
為了解決上述問題，本發(fā)明的雙極晶體管包括第一導電類型半導體制成的集電極層；在集電極層上提供的第一導電類型半導體制成的發(fā)射極層；設置在發(fā)射極層上并用于把第二導電類型載流子注入發(fā)射極層的柵極層；以及在集電極層和發(fā)射極層之間形成的第二導電類型載流子保留層，該層臨時保留從柵極層注入到發(fā)射極層和在發(fā)射極層擴散并到達載流子保留層的第二導電類型載流子。
在這種情況下，“第一導電類型”表示n-型和p-型中的一個，“第二導電類型”表示n-型和p-型中的另一個。
“第一導電類型半導體”表示作為母體材料的半導體用第一導電類型雜質(zhì)摻雜，從而用作第一導電類型。類似，“第二導電類型半導體”表示作為母體材料的半導體用第二導電類型雜質(zhì)摻雜，從而用作第二導電類型。
此外，操作第二導電類型載流子保留層以“臨時保留”第二導電類型載流子是指，至少在擴散穿過發(fā)射極層并到達第二導電類型載流子保留層的第二導電類型載流子與從發(fā)射極層注入到第二導電類型載流子保留層的第一導電類型載流子復合(recombine)期間，該層保留第二導電類型載流子。
在本發(fā)明的雙極晶體管中，在操作(operation)期間，在柵極層和發(fā)射極層之間施加正向偏壓，從而第二導電類型載流子從柵極層注入到發(fā)射極層。從柵極層注入發(fā)射極層的第二導電類型載流子主要在垂直于該發(fā)射極層(該方向稱為“縱向”)的方向上在發(fā)射極層中擴散并到達第二導電類型載流子保留層。然后，第二導電類型載流子保留在第二導電類型載流子保留層中，而且在第二導電類型載流子保留層中的第二導電類型載流子過量，從而在發(fā)射極層和第二導電類型載流子保留層之間建立正向偏壓狀態(tài)。因而引起從發(fā)射極層向下第二導電類型載流子保留層注入第一導電類型載流子。然后，保留在第二導電類型載流子保留層中的過量第二導電類型載流子全部與(一部分)注入的第一導電類型載流子復合。這時，從發(fā)射極層向第二導電類型載流子保留層注入的第一導電類型載流子的大部分從第二導電類型載流子保留層中通過并到達集電極層。即，第一導電類型載流子通過第二導電類型載流子保留層，從發(fā)射極層縱向流入到集電極層。晶體管如上所述操作。
如上所述，本發(fā)明的雙極晶體管中，從柵極層注入發(fā)射極層的第二導電類型載流子在發(fā)射極層中主要以縱向擴散并到達第二導電類型載流子保留層。即，在本發(fā)明的雙極晶體管中，第二導電類型載流子在平行于層方向的方向(橫向)上基本沒有移動，不同于常規(guī)HBT，不需要該操作。從而，不同于常規(guī)HBT，本發(fā)明雙極晶體管的性能不被基極層的表面電阻影響。因此，甚至在高頻率區(qū)中本發(fā)明的雙極晶體管也能有高電流增益。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，在確定的襯底上形成集電極層。
在該雙極晶體管的這個實施方案中，因為襯底具有機械強度，所以變得容易制造和處理該雙極晶體管。由例如藍寶石或碳化硅(SiC)制得的半絕緣襯底可列舉為襯底。
該雙極晶體管的一個實施方案包括由第一導電類型半導體制成的子集電極層，沿著襯底在集電極層和襯底之間形成子集電極層并用濃度比集電極層高的第一導電類型雜質(zhì)摻雜。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，用濃度比集電極層高的第一導電類型雜質(zhì)摻雜子集電極層。因此，通過提供與子集電極層接觸的集電極，容易實現(xiàn)與集電極的歐姆接觸。而且，因為子集電極層的電阻變得比集電極層的電阻更低，所以全部集電極(集電極層和子集電極層)的串聯(lián)電阻減小。而且，因為集電極層能有低電阻，所以耐壓提高，輸出電容減小。因此，改善了雙極晶體管的性能。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，在子集電極層上的部分區(qū)中形成集電極層，對應于集電極層的一側(cè)在子集電極層的上表面區(qū)中提供集電極，在發(fā)射極層上的部分區(qū)中形成柵極層，對應于柵極層的一側(cè)在發(fā)射極層的上表面區(qū)中提供發(fā)射極，和在柵極層上提供柵極。
在該雙極晶體管的這個實施方案中，在操作期間連接外部電路以把相應的預定偏壓施加到集電極、發(fā)射極和柵極。通過把相應的預定偏壓施加到集電極、發(fā)射極和柵極，容易實現(xiàn)上述晶體管的操作。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，發(fā)射極層的能帶隙比柵極層的能帶隙窄。
在該雙極晶體管的這個實施方案中，發(fā)射極層的能帶隙比柵極層的能帶隙窄，因此，從柵極層到發(fā)射極層的第二導電類型載流子的注入效率增加。因此，該雙極晶體管的性能進一步改善。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，第二導電類型載流子保留層是由第二導電類型半導體制成的基極層。
在該雙極晶體管的這個實施方案中，第二導電類型載流子保留層是由第二導電類型半導體制成的基極層，因此其容易通過公知的結晶生長方法形成。簡而言之，按集電極層、基極層和發(fā)射極層的次序?qū)訅焊靼雽w層是適當?shù)摹Ｈ绻庸こ赏瑯訄D案，這三層足夠了。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，基極層的能帶隙比發(fā)射極層的能帶隙窄。
在該雙極晶體管的這個實施方案中，基極層的能帶比發(fā)射極層的能帶窄(小)，因此，從發(fā)射極層到基極層的第一導電類型載流子的注入效率增加。因此，該雙極晶體管的性能進一步改善。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，第二導電類型載流子保留層是在集電極層和發(fā)射極層之間的界面上產(chǎn)生的自發(fā)極化層。
在該雙極晶體管的這個實施方案中，第二導電類型載流子保留層是在集電極層和發(fā)射極層之間的界面上產(chǎn)生的自發(fā)極化層。因此，在制造該晶體管的階段中，不需要故意地形成第二導電類型載流子保留層。簡而言之，通過公知的結晶生長方法，按集電極層和發(fā)射極層的次序?qū)訅焊靼雽w層是適當?shù)?。如果加工成同樣圖案，這兩層足夠了。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，構成每層的晶體材料是由第III族元素和氮(N)制成的化合物半導體，以及第一導電類型是n-型，以及第二導電類型是p-型。
如上所述，在包含第III族元素和氮(N)的化合物半導體的常規(guī)npn晶體管中，p-型基極層的表面電阻高，因此，在高頻率區(qū)中功率增益減小。因此，如在該雙極晶體管的這個實施方案中那樣，如果npn晶體管包含第III族元素和氮(N)作為材料的化合物半導體，在晶體管性能中容許改善的程度特別大。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，構成柵極層的晶體材料是AlGaN，構成發(fā)射極層的晶體材料是GaN，構成基極層的晶體材料是InGaN，構成集電極層的晶體材料是InGaN，和第一導電類型是n-型，以及第二導電類型是p-型。
根據(jù)該雙極晶體管的這個實施方案，提供甚至在高頻率區(qū)也有高電流增益的雙極晶體管。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，構成柵極層的晶體材料是AlGaN，構成發(fā)射極層的晶體材料是GaN，構成集電極層的晶體材料是InGaN，和第一導電類型是n-型，以及第二導電類型是p-型。
根據(jù)該雙極晶體管的這個實施方案，提供甚至在高頻率區(qū)也有高電流增益的雙極晶體管。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，構成發(fā)射極層的晶體材料是GaN，以及發(fā)射極層厚度不大于200nm。
在該雙極晶體管的這個實施方案中，GaN發(fā)射極層的厚度不大于200nm。因此從柵極層注入到GaN發(fā)射極層的第二導電類型載流子(即P-型載流子空穴)能在GaN發(fā)射極層的縱向擴散并到達第二導電類型載流子保留層。
而且，觀察高頻率特性，發(fā)射極層的厚度應更優(yōu)選不大于100nm。即，這需要以下等式Xe＜sqrt[Dp/(∏f](2)其中Xe表示發(fā)射極層的厚度，Dp表示在發(fā)射極層中的空穴擴散系數(shù)(＝0.3cm2/s)并根據(jù)測量計算，以及f表示頻率。
根據(jù)等式(2)，優(yōu)選當f＝1GHz時Xe＜100nm。
因此可以說，隨著頻率f增加，發(fā)射極層的厚度Xe應優(yōu)選進一步減小到，例如，80nm或50nm。
在該雙極晶體管的一個實施方案中，每層表面是(000-1)表面。
在該雙極晶體管的這個實施方案中，每層表面是(000-1)表面，因此，在集電極層和發(fā)射極層之間的界面上容易產(chǎn)生自發(fā)極化層。因此，第二導電類型載流子保留層可以容易地由自發(fā)極化層構成。
此外，通過提供具有本發(fā)明雙極晶體管的電子裝置，能提供低功耗的電子裝置。


通過以下僅用于說明而不限定本發(fā)明的詳細描述和附圖，將更充分地理解本發(fā)明，其中圖1示出本發(fā)明雙極晶體管第一個實施例的剖面結構圖。
圖2示出本發(fā)明雙極晶體管第二個實施例剖面結構圖。
圖3示出本發(fā)明雙極晶體管第三個實施例剖面結構圖。
圖4示出圖1器件的平面圖案布局圖。
圖5示出圖2器件的平面圖案布局圖。
圖6示出圖3器件的單邊功率增益與常規(guī)HBT的單邊功率增益的比較圖。
圖7示出應用本發(fā)明的第一實施方案的雙極晶體管的剖面結構圖。
圖8示出在熱平衡狀態(tài)中，圖7器件的電子和空穴的密度和能帶圖。
圖9示出在操作期間，圖7器件的電子和空穴的密度和能帶圖。
圖10示出應用本發(fā)明的第二實施方案的雙極晶體管的剖面結構圖。
圖11示出在熱平衡狀態(tài)中，圖10器件的電子和空穴的密度和能帶圖。
圖12示出應用本發(fā)明的第三實施方案的雙極晶體管的剖面結構圖。
圖13示出在熱平衡狀態(tài)中，圖12器件的電子和空穴的密度和能帶圖。
圖14示出應用本發(fā)明的器件的高頻率電流增益特性圖。
圖15示出具有均勻基極層的常規(guī)HBT的剖面結構圖。
具體實施例方式
根據(jù)如圖所示的實施方案，將對本發(fā)明的雙極晶體管(在下文適當稱作“器件”)進行詳細描述。
在以下的描述中，應注意“n-”表示n-型作為第一導電類型和“p-”表示p-型作為第二導電類型。符號“n+”和“p+”隱含表示高雜質(zhì)濃度的符號“+”，以及符號“n-”和“p-”隱含表示低雜質(zhì)濃度的符號“-”。
此外，Nd表示第一導電類型雜質(zhì)(在本實施例中為Si)的摻雜濃度，以及Na表示第二導電類型雜質(zhì)(在本實施例中為Mg)的摻雜濃度。
第一導電類型載流子是電子，第二導電類型載流子是空穴。
(第一實施方案)圖7示出應用本發(fā)明的第一實施例的器件的剖面結構圖。
該器件具有n-GaN子集電極層(層厚度100nm，Nd＝5×1018cm-3)703，在該子集電極層703的上表面中心區(qū)中形成的n-InXGa1-XN集電極層(層厚度500nm，成份比例(composition ratio)X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)704、作為第二導電類型載流子保留層的p-In0.2Ga0.8N基極層(層厚度25nm，Na＝5×1019cm-3)705、n-GaN發(fā)射極層(層厚度80nm，Nd＝5×1018cm-3)706以及在該發(fā)射極層706的上表面中心區(qū)中形成的p-Al0.2Ga0.8N柵極層(層厚度50nm，Na＝5×1018cm-3)707。n-InXGa1-XN集電極層704的In晶體混合比X是分級的，使得在子集電極層側(cè)X＝0和在基極層側(cè)X＝0.2。集電極層704也稱“過渡層”。
對應于集電極層704的兩側(cè)，在子集電極層703的上表面區(qū)中形成集電極709和709。對應于柵極層707的兩側(cè)，在發(fā)射極層706的上表面區(qū)中形成發(fā)射極710和710。此外，在柵極層707的上表面上形成柵極711。集電極709、發(fā)射極710和柵極711分別與正好位于這些電極下的子集電極層703、發(fā)射極層706、柵極層707成歐姆接觸。
即，該器件具有從上側(cè)按次序設置的p+、n+、p+、n-和n+(n-對應于集電極層704)的半導體層?；鶚O層705沒有設電極和電浮置(electrically floating)。
通過例如，分子束外延生長方法(MBE)依次層壓并通過臺面刻蝕方法圖案化加工半導體層703、704、705、706和707。氣相沉積電極709、710和711，并通過搬移(lift-off)方法對其進行圖案化加工。
在該器件中，在操作期間，柵極711用作輸入端口，以及集電極709用作輸出端口。例如，發(fā)射極710接地(GND)，正電壓(+Vg柵偏壓)施加在柵極711上，在柵極層707和發(fā)射極層706之間使正向偏壓施加(到p+n+結)。而且，正電壓(+Vc集電極偏壓)施加在集電極709上，使在每個子集電極層703和集電極層704以及基層705之間(n+n-p+結)建立反向偏壓狀態(tài)。
在柵極層707和發(fā)射極層706之間施加正向偏壓，從而空穴首先從柵極層707注入到發(fā)射極層706中。從柵極層707注入到發(fā)射極層706中的空穴在發(fā)射極層706中主要在縱向上擴散(通過圖7的箭頭h1表示)并到達基極層705。然后，空穴保留在基極層705中，且基極層705的空穴變得過量，使得在發(fā)射極層706和基極層705之間建立正向偏壓狀態(tài)。因此，這引起電子從發(fā)射極層706注入到基極層705中。然后，保留在基極層705中的過多的空穴全部與(一部分)注入的電子復合。同時，從發(fā)射極層706注入到基極層705的大多數(shù)電子通過基極層705并到達集電極層704和子集電極層703。即，電子通過基極層705以縱向(通過圖7的箭頭e1表示)從發(fā)射極層706流入集電極層704和子集電極層703。晶體管如上所述操作。因為電子電流比空穴電流大，所以引起電流增益。
如上所述，在本發(fā)明的雙極晶體管中，從柵極層707注入到發(fā)射極層706的空穴在發(fā)射極層706中主要以縱向擴散并到達基極層705。即，在本發(fā)明的雙極晶體管中，和常規(guī)HBT不同，第二導電類型載流子基本在橫向上沒有移動，以及不需要這樣的操作。因此，和常規(guī)HBT不同，本發(fā)明雙極晶體管的性能沒有被基極層的表面電阻影響。從而，甚至在高頻率區(qū)本發(fā)明雙極晶體管也有高電流增益。
圖8示出作為通過模擬模型模擬圖7器件結果的電子和空穴的濃度和能帶。在圖中，水平軸線表示在縱向上與柵極711的距離X。容易理解，層707、706、705、704和703的范圍示出在上邊緣空間。在框內(nèi)上部示出的能帶圖中，實線CE表示導帶的下端，實線VE表示價帶的上端。在框內(nèi)下部示出的載流子密度中，虛線表示n-型載流子的電子密度，單點點劃線表示p-型載流子的空穴濃度。該說明方法也與下述圖9、11和13相似。在圖8中，沒有偏壓施加在每層上，并且建立了熱平衡狀態(tài)。
圖9示出在施加偏壓狀態(tài)中作為圖7器件模擬結果的電子和空穴的密度和能帶。在這種情況下，集電極偏壓Vc是+5V，柵偏壓Vg是+3.3V。和圖7的箭頭h1相似，在圖9中箭頭h1表示從柵極層707注入到發(fā)射極層706以及在發(fā)射極層706中擴散并到達基極層705(價帶邊緣705ve的鄰域)的空穴。而且，在圖9中箭頭h2表示與從發(fā)射極層706注入到基極層705的一部分(圖9中箭頭e2表示)電子復合的空穴。而且，在圖9中箭頭e1表示通過基極層705從發(fā)射極層706流入到集電極層704和子集電極層703的電子。
該器件的直流增益β0通過以下等式(3)表示β0＝α1α2/(1-α2)(3)其中α1表示通過發(fā)射極層706在不復合情況下的空穴遷移概率，α2表示通過基極層705同時不復合的電子遷移概率。只要α2接近1甚至當發(fā)射極層706厚到某種程度以及α1低時，也存在增加直流增益β0的可能性。例如，只要α2如α2＝0.9999的情況那樣接近1，甚至當α1有0.01的低值時，β0≈100確保了實用性。
發(fā)射極層706的厚度應優(yōu)選不大于200nm。這因為只要發(fā)射極層706的厚度不大于200nm，空穴就能夠在不復合的情況下遷移通過發(fā)射極層706并到達基極層705。
(第二實施方案)圖10示出應用了本發(fā)明的第二實施方案的器件剖面結構圖。
該器件具有n-GaN子集電極層(層厚度100nm，Nd＝5×1018cm-3)1003，在該子集電極層1003的上表面中心區(qū)中形成的n-InXGa1-XN集電極層(層厚度500nm，In成份比例X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)1004、n-GaN發(fā)射極層(層厚度80nm，Nd＝5×1018cm-3)1006以及在該發(fā)射極層1006的上表面中心區(qū)中形成的p-Al0.2Ga0.8N柵極層(層厚度50nm，Na＝5×1018cm-3)1007。n-InXGa1-XN集電極層1004的In晶體混合比X是分級的，使在子集電極層側(cè)X＝0和在發(fā)射極層側(cè)X＝0.2。
與第一實施方案相似形成集電極1009、發(fā)射極1010、柵極1011。集電極1009、發(fā)射極1010和柵極1011分別與正好位于這些電極下的子集電極層1003、發(fā)射極層1006、柵極層1007成歐姆接觸。
作為理解，該器件結構對應于通過從第一實施方案的器件中除去p-In0.2Ga0.8N基極層705得到的器件。
在由第III族元素和氮(N)的化合物半導體構成的異質(zhì)結的界面上，由于自發(fā)極化存在極化電荷。主要通過在半導體材料之間的自發(fā)極化差異引起極化電荷。因此，在第一實施方案器件的半導體層結構中，在由發(fā)射極層706和基極層705構成的異質(zhì)結界面和由柵極層707和發(fā)射極層706構成的異質(zhì)結界面上產(chǎn)生二維空穴氣(2DHG)。如果在由發(fā)射極層706和基極層705構成的異質(zhì)結界面上產(chǎn)生的2DHG密度足夠高，那么甚至缺少基極層705時，也能提供相似操作的器件。
因此，在第二實施方案的器件中，如所述的除去基極層，在n-InXGa1-XN集電極層1004上直接提供n-GaN發(fā)射極層1006。從而，在發(fā)射極層1006和集電極層1004之間的界面(包括鄰域區(qū)，以下稱為“2DHG層”)1005作為第二導電類型載流子保留層操作。
為了增加在異質(zhì)結界面的自發(fā)極化電荷密度，每個半導體層表面應優(yōu)選是(000-1)表面。
發(fā)射極層和集電極層的半導體成份可以彼此有很大不同。然而，晶格應變過高，以及當半導體成份差別過大時增加位錯密度的發(fā)生。因此，這引起在發(fā)射極和集電極之間漏電流增加的問題。
圖11示出作為通過模擬模型模擬圖10器件的結果的電子和空穴的密度和能帶圖。在圖11中，沒有偏壓施加在層上，并且建立了熱平衡狀態(tài)。在操作期間，從柵極層1007注入的空穴在發(fā)射極層1006擴散并到達2DHG層1005，空穴臨時保留在2DHG層1005(其價帶邊緣1005ve的鄰域)中。
詳細地，如圖10所示在操作期間，在柵極層1007和發(fā)射極層1006之間施加正向偏壓，從而空穴首先從柵極層1007注入到發(fā)射極層1006。從柵極層1007注入到發(fā)射極層1006的空穴主要在發(fā)射極層1006中在縱向上(如圖10中箭頭h1所示)擴散并到達2DHG層1005。然后，在2DHG層1005中保留空穴，以及在2DHG層1005中的空穴變得過量，使得在發(fā)射極層1006和2DHG層1005之間的勢壘降低。從而引起電子從發(fā)射極層1006注入到2DHG層1005。然后，保留在2DHG層1005中的過量空穴都和(一部分)注入電子復合。同時，從發(fā)射極層1006注入到2DHG層1005的多數(shù)電子通過2DHG層1005并到達集電極層1004和子集電極層1003。即，電子從發(fā)射極層1006通過2DHG層1005縱向(如圖中箭頭e1所示)流入到集電極層1004和子集電極層1003。晶體管如上述操作。由于電子電流比空穴電流大，引起電流增益。
在這種情況下，由于2DHG層1005的厚度比p-型基極層705(見圖7)的厚度小，因此復合電流減小。因此，在上述等式(3)中的α2接近α1，從而直流增益β0變高。
(第三實施方案)圖12示出應用本發(fā)明的第三實施方案的器件剖面結構圖。
該器件具有n-GaN子集電極層(層厚度100nm，Nd＝5×1018cm-3)1203，在該子集電極層1203的上表面中心區(qū)中形成的n-InXGa1-XN集電極層(層厚度500nm，In成份比例X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)1204、n-GaN發(fā)射極層(層厚度80nm，Nd＝5×1018cm-3)1206以及在該發(fā)射極層1206的上表面中心區(qū)中形成的AlXGa1-XN柵極層(層厚度25nm，Al成份比例X＝0.1→0.3，未摻雜)1207。n-InXGa1-XN集電極層1204的In晶體混合比X是分級的，使得在子集電極層側(cè)X＝0和在發(fā)射極層側(cè)X＝0.2。而且，AlXGa1-XN柵極層1207的Al晶體混合比X是分級的，使得在發(fā)射極層側(cè)X＝0.1和在上表面?zhèn)萖＝0.3。
與第一和第二實施方案相似地形成集電極1209、發(fā)射極1210、柵極1211。集電極1209、發(fā)射極1210和柵極1211分別與正好位于這些電極下的子集電極層1203、發(fā)射極層1206、柵極層1207成歐姆接觸。
作為理解，該器件的結構對應于通過用未摻雜AlXGa1-XN柵極層1207取代在第二實施方案器件中的p-Al0.2Ga0.8N柵極層1007獲得的結構。以下描述該器件的結構。
如果柵極層具有分級結晶混合比例，那么通過自發(fā)極化產(chǎn)生極化電荷。在結晶混合比例分級的情況下，可能產(chǎn)生三維空穴氣(3DHG)。如果柵極層中產(chǎn)生的3DHG的密度足夠高，那么柵極層不需要進行p-型摻雜。
因此，如上所述，第三實施方案的器件具有未摻雜AlXGa1-XN柵極層1207。與第二實施方案相似由發(fā)射極層1206和集電極層1204構成的界面(包括鄰域區(qū)，以下稱為“2DHG層”)1205作為第二導電類型載流子保留層操作。
圖13示出通過模擬模型模擬圖12器件結果的電子和空穴的濃度和能帶。在圖13中，沒有偏壓施加在層上，并且建立熱平衡狀態(tài)。在操作期間，從柵極層1207注入的空穴在發(fā)射極層1206擴散并到達2DHG層1205，該空穴臨時保留在2DHG層1205(其價帶邊緣1205ve的鄰域)中。其它作用和第二實施方案相似。
在第一到第三實施方案的器件中，在高頻時電流增益β(f)通過等式(4)表達如下β(f)＝1/(2∏fτ2)-τ1/τ2τ1＝Xe2/(2Dp)τ2＝(Cge+Cce)kT/(qIC)+Xb2/(2Dn)+Xt/(2Vsn)(4)其中f表示頻率，Xe表示發(fā)射極層的厚度，Xb表示基極層的厚度，Dp表示空穴擴散系數(shù)，Dn表示電子擴散系數(shù)，Xt表示集電極層的厚度，Cge表示柵極和發(fā)射極之間的電容，Cce表示集電極和發(fā)射極之間電容，K表示玻爾茲曼常數(shù)，T表示溫度，q表示電子電荷的數(shù)量，Ic表示集電極電流，Vsn表示電子飽和速度。此外，τ1表示由于空穴移動而導致的延遲時間，τ2表示由于電子移動而導致的延遲時間。應注意，在第二實施方案(圖10)器件和第三實施方案(圖12)器件的情況下去除了基極層(提供2DHG層作為替代)，從而，Xb是0nm。
圖14示出β(f)和f關系圖。在這種情況下，設置參數(shù)從而使Xe＝50nm，Xb＝0nm，Dp＝0.26cm2s-1，Xt＝500nm和Vsn＝2×107cms-1。
因為在f＜＜1/(2∏τ1)的頻率范圍內(nèi)幾乎不影響空穴的延遲時間，所以關于β(f)，示出了-20dB/十(-20dB/decade)的特性(為了比較，它的斜線通過單點點劃線表示在圖14中)。
此外，在第一到第三實施方案的器件中，在高頻率區(qū)中頻率f的單邊功率增益(由符號U(f)表示)通過以下等式(5)表示U(f)＝β(f)/(8∏reCcef)(5)其中re表示發(fā)射極電阻值，Cce表示集電極和發(fā)射極之間的電容。由于發(fā)射極層是n-型，因而表面電阻低，而且re比常規(guī)HBT的基極電阻值rb低。
在f＜＜1/(2∏τ1)的頻率范圍中，本發(fā)明器件的U(f)比常規(guī)HBT的U(f)高。
(第一實施例)圖1示出第一實施方案器件(圖7到9)的更具體的剖面結構圖。以及圖4示出其平面圖案設計。
該器件具有在藍寶石襯底101上的AlN緩沖層(層厚度5nm，未摻雜)102、n-GaN子集電極層(層厚度500nm，Nd＝5×1018cm-3)103、在該子集電極層103上表面中心區(qū)中形成的n-InXGa1-XN集電極層(層厚度500nm，In成份比例X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)104、作為第二導電類型載流子保留層的p-In0.2Ga0.8N基極層(層厚度25nm，Na＝5×1019cm-3)105、n-GaN發(fā)射極層(層厚度80nm，Nd＝5×1018cm-3)106、在該發(fā)射極層106上表面中心區(qū)中形成的p-Al0.2Ga0.8N柵極層(層厚度25nm，Na＝5×1019cm-3)107以及GaN柵帽層(層厚度25nm，Na＝5×1019cm-3)108。n-InXGa1-XN集電極層104的In晶體混合比X是分級的，使得在子集電極層側(cè)X＝0和在基極層側(cè)X＝0.2。在該實施例中，每個半導體層表面是(0001)表面。
對應于集電極層104的兩側(cè)在子集電極層103的上表面區(qū)中形成由Ti/Al/Au制成的集電極層109和109。對應于柵極層107的兩側(cè)在發(fā)射極層106的上表面區(qū)中形成由Ti/Al/Au制成的發(fā)射極層110和110。而且，在柵帽層108的上表面上形成由Pd/Au制成的柵極111。集電極109、發(fā)射極110、柵極111分別與正好位于這些電極下的子集電極層103、發(fā)射極層106、柵帽層108成歐姆接觸。
即，該器件具有從其上側(cè)按次序設置的p+、n+、p+、n-和n+(n-對應于集電極層104)半導體層?；鶚O層105下沒有電極且電浮置。
通過例如，分子束外延生長方法(MBE)依次層壓并通過臺面刻蝕方法圖案化加工半導體層102、103、104、105、106、107和108。氣相沉積電極109、110、111，并通過搬移方法對其進行圖案化加工。如圖4所示，在該實施例中電極109、110、111加工成條狀圖形。
在圖1中所示的每個集電極109的寬度Wc約是5μm，每個發(fā)射極110的寬度We約是2μm，每個柵極111的寬度Wg約是1μm。
與普通HBT相似，集電極層104具有更低的摻雜濃度和比基極層105和子集電極層103更大的厚度。用該配置，耐壓升高，輸出電容減小。
集電極層104的摻雜濃度Nd應優(yōu)選小于1×1017cm-3(即Nd＜1×1017cm-3)且最優(yōu)選不大于5×1016cm-3(即Nd≤5×1016cm-3)。集電極層104的厚度Xt應優(yōu)選大于200nm(即Xt＞200nm)且最優(yōu)選不小于300nm(即Xt≥300nm)，雖然該實施例中的集電極層104具有簡單成份分級，但可能有各種集電極結構例如更復雜的成份分級。
(第二實施例)圖2示出第二實施方案器件(圖10到11)的更具體的剖面結構圖，以及圖5示出其平面圖案布局。
該器件具有在藍寶石襯底201上的AlN緩沖層(層厚度5nm，未摻雜)202、n-GaN子集電極層(層厚度500nm，Nd＝5×1018cm-3)203、在該子集電極層203上表面中心區(qū)中形成的n-InXGa1-XN集電極層(層厚度500nm，In成分比例X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)204、n-GaN發(fā)射極層(層厚度50nm，Nd＝5×1018cm-3)206、在位于該發(fā)射極層206上表面的兩側(cè)區(qū)中形成的p-Al0.2Ga0.8N柵極層(層厚度25nm，Na＝5×1019cm-3)207、207和p-GaN柵帽層(層厚度25nm，Nd＝5×1019cm-3)208、208。n-InXGa1-XN集電極層204的In晶體混合比X是分級的，從而在子集電極層側(cè)X＝0和在發(fā)射極層側(cè)X＝0.2。在該實施例中，每個半導體層表面是(000-1)表面。
對應于集電極層204的兩側(cè)在子集電極層203的上表面區(qū)中形成由Ti/Al/Au制成的集電極209和209。在發(fā)射極層206的上表面區(qū)中形成由Ti/Al/Au制成的發(fā)射極210。而且，分別在柵帽層208、208的上表面上形成由Pd/Au制成的柵極211、211。集電極209、發(fā)射極210、柵極211分別與正好位于這些電極下的子集電極層203、發(fā)射極層206、柵帽層208成歐姆接觸。
即，該器件具有從其上側(cè)按次序設置的p+、n+、n-和n+(n-對應于集電極層204)的半導體層。
在該實施例中，沒有p-型基極層，在發(fā)射極層206和集電極層204之間的界面(包括其鄰域區(qū)，以下稱為“2DHG層”)205作為第二導電類型載流子保留層操作。由于每層半導體層表面是(000-1)表面，因而在2DHG層205中二維空穴氣密度充分提高。
通過例如，分子束外延生長方法(MBE)依次層壓并通過臺面刻蝕方法圖案化加工半導體層202、203、204、205、206、207和208。氣相沉積電極209、210、211，并通過搬移方法對其進行圖案化加工。如圖5所示，在該實施例中電極209、210、211加工成條狀圖形。
在圖2中所示的每個集電極209的寬度Wc約是5μm，發(fā)射極210的寬度We約是3μm，每個柵極211的寬度Wg約是1μm。
(第三實施例)圖3示出第三實施方案的器件(圖12到13)的更具體的剖面結構。
該器件具有在藍寶石襯底301上AlN緩沖層(層厚度5nm，未摻雜)302、n-GaN子集電極層(層厚度500nm，Nd＝5×1018cm-3)303、在該子集電極層303上表面中心區(qū)中形成的n-InXGa1-XN集電極層(層厚度500nm，比例X＝0→0.2，Nd＝1×1016cm-3)304、n-GaN發(fā)射極層(層厚度50nm，Nd＝5×1018cm-3)306和發(fā)射極層306上表面中心區(qū)形成的AlXGa1-XN柵極層(層厚度25nm，比例X＝0.1→0.3，未摻雜)307。n-InXGa1-XN集電極層304的In晶體混合比X是分級的，從而在子集電極層側(cè)X＝0和在發(fā)射極層側(cè)X＝0.2。而且，AlXGa1-XN柵極層307的Al晶體混合比X是分級的，使得在發(fā)射極層側(cè)X＝0.1和在上表面?zhèn)萖＝0.3。在該實施例中，每層半導體層表面是(000-1)表面。
對應于集電極層304的兩側(cè)在子集電極層303的上表面區(qū)中形成由Ti/Al/Au制成的集電極層309、309。對應于柵極層307的兩側(cè)在發(fā)射極層306的上表面區(qū)中形成由Ti/Al/Au制成的發(fā)射極310、310。而且，在柵極層307的上表面上形成由Pd/Au制成的柵極311。集電極309、發(fā)射極310、柵極311與正好位于這些電極下的子集電極層303、發(fā)射極層306、柵極層307成歐姆接觸。
即，該器件具有從其上側(cè)按次序設置的i、n+、n-和n+(i對應于柵極層307，以及n-對應于集電極層304)的半導體層。
在該實施例中，沒有p-型基極層，在發(fā)射極層306和集電極層304之間的界面(包括其鄰域區(qū)，以下稱為“2DHG層”)305作為第二導電類型載流子保留層操作。由于每層半導體層表面是(000-1)表面，因而在2DHG層305中二維空穴氣密度充分提高。
進一步，柵極層307具有晶體混合比分級，導致柵極層307的Al晶體混合比X在發(fā)射極側(cè)X＝0.1和在柵極側(cè)X＝0.3。由于在柵極一側(cè)大的Al晶體混合比X，從而增加了自發(fā)極化電荷的數(shù)量，三維空穴氣的密度充分增加。從而，柵極層307不需要p-型摻雜劑。而且，柵極層307具有比發(fā)射極層306更大的能帶隙，從而，限制了從發(fā)射極注入電子。
通過例如，分子束外延生長方法(MBE)依次層壓并通過臺面刻蝕方法圖案化加工半導體層302、303、304、305、306、307和308。氣相沉積電極309、310、311，并通過搬移方法圖案化加工。在該實施例中，與第一實施例(圖4)相似，電極309、310、311加工成條狀圖案。
通過與根據(jù)等式(1)計算的常規(guī)HBT(其具有均勻基極層)單邊功率增益U(f)的比較，根據(jù)上述等式(5)計算出如圖6所示的圖3器件的單邊功率增益U(f)。
設置圖3器件的結構參數(shù)使得發(fā)射極層厚度Xe＝50nm，基極層厚度Xb＝0nm，集電極層厚度Xt＝500nm，電子擴散系數(shù)Dn＝0.26cm2s-1，電子飽和速度Vsn＝2×107cms-1，發(fā)射極寬度We＝2μm，柵極寬度Wg＝2μm以及集電極寬度Wc＝5μm。
另一方面，如圖15所示，常規(guī)的HBT具有在藍寶石襯底1701上的n-GaN子集電極層(Nd＝1×1018cm-3)1703、n-GaN集電極層(Nd＝5×1016cm-3)1704、p-GaN基極層(Na＝5×1019cm-3)1705和n-Al0.1Ga0.9N發(fā)射極層(Nd＝1×1018cm-3)1706。這里Ti/Al/Au集電極歐姆電極1709、Ti/Al/Au發(fā)射極歐姆電極1713和Pd/Au基極歐姆電極1710。設置該常規(guī)HBT結構參數(shù)使得發(fā)射極層厚度Xe＝100nm，基極層厚度Xb＝100nm，集電極層厚度Xt＝500nm，電子擴散系數(shù)Dn＝26cm2s-1，電子飽和速度Vsn＝2×107cms-1，發(fā)射極寬度We＝2μm，基極寬度Wb＝2μm以及集電極寬度Wc＝5μm。每個半導體層表面是(0001)表面。
從圖6中可以明顯看出，在頻率范圍f＜＜1/(2∏τ1)中，本發(fā)明器件的U(f)比常規(guī)HBT的U(f)高。
雖然在以上描述中發(fā)射極接地，但將除了發(fā)射極以外的端子接地也是有效的。
雖然在上述實施例中在藍寶石襯底上生長半導體層，但即使采用除藍寶石以外的襯底本發(fā)明器件也有效。更具體的，當?shù)贗II族元素和氮(N)的化合物半導體作材料時，其可能用SiC襯底，Si襯底，AlN襯底，或GaN襯底。
此外，雖然在上述實施例中半導體層生長方法采用MBE方法，不同于MBE的其它方法也能采用。更具體的，當?shù)贗II族元素和氮(N)的化合物半導體作材料時，金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)和氫化物氣相外延(HVPE)能有效使用。
各種半導體材料能有效地用于構成本發(fā)明的器件。然而，該發(fā)明在電子和遷移率μn和空穴遷移率μp彼此有很大不同的半導體中特別有效。在GaAs的情況下，其中μn＝8000cm2V-1s-1，μp＝400cm2V-1s-1和μn/μp＝20，本發(fā)明是相當有效的。然而，在GaN作為材料的情況下，其中μn＝1000cm2V-1s-1，μp＝10cm2V-1s-1和μn/μp＝100，本發(fā)明是特別有效的。另外，由于GaN的p-型摻雜激活率低，則p-型GaN層的電阻值進一步增加，在具有常規(guī)結構的HBT的高頻率區(qū)中特性惡化。與這對比，本發(fā)明的雙極晶體管具有不被基極層表面電阻影響性能的結構，因此，甚至在高頻率區(qū)中也有高電流增益。因此，如果本發(fā)明應用在包含GaN作為材料的雙極晶體管中，那么晶體管性能的改善程度特別大。
(第四實施方案)通過提供具有本發(fā)明雙極晶體管的電子裝置，能提供具有低功耗的電子裝置。本發(fā)明的雙極晶體管，其能在高頻率區(qū)中也有高電流增益，因此特別適合用于移動電話的基站、無線LAN的基站等。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照其各種實施方案進行了具體描述，但是應該理解，不脫離本發(fā)明權利要求所定義的精神和范圍，本領域普通技術人員可以對其進行各種變化。
權利要求
1.一種雙極晶體管，包括由第一導電類型半導體制成的集電極層；在集電極層上提供的由第一導電類型半導體制成的發(fā)射極層；在發(fā)射極層上提供并用于注入第二導電類型載流子到發(fā)射極層的柵極層；以及在集電極層和發(fā)射極層之間形成第二導電類型載流子保留層，該層臨時保留從柵極層注入到發(fā)射極層并在發(fā)射極層擴散且到達載流子保留層的第二導電類型載流子。
2.權利要求1的雙極晶體管，其中在確定的襯底上形成集電極層。
3.權利要求2的雙極晶體管，包括沿著襯底在集電極層和襯底之間形成的由第一導電類型半導體制成的子集電極層，用比集電極層濃度更高的第一導電類型雜質(zhì)摻雜該子集電極層。
4.權利要求3的雙極晶體管，其中在子集電極層上的部分區(qū)中形成集電極層，在對應于集電極層側(cè)的子集電極層的上表面區(qū)中提供集電極，在發(fā)射極層部分區(qū)中形成柵極層，在對應于柵極層側(cè)的發(fā)射極層的上表面區(qū)中提供發(fā)射極，以及在柵極層上提供柵極。
5.權利要求1的雙極晶體管，其中發(fā)射極層能帶隙比柵極層能帶隙窄。
6.權利要求1的雙極晶體管，其中第二導電類型載流子保留層是由第二導電類型半導體制成的基極層。
7.權利要求6的雙極晶體管，其中基極層能帶隙比發(fā)射極層能帶隙窄。
8.權利要求1的雙極晶體管，其中第二導電類型載流子保留層是在集電極層和發(fā)射極層之間界面上產(chǎn)生的自發(fā)極化層。
9.權利要求1的雙極晶體管，其中構成每層的晶體材料是由III族元素和氮制成的化合物半導體，和第一導電類型是n-型，以及第二導電類型是p-型。
10.權利要求6的雙極晶體管，其中構成柵極層的晶體材料是AlGaN，構成發(fā)射極層的晶體材料是GaN，構成基極層的晶體材料是InGaN，構成集電極層的晶體材料是InGaN，和第一導電類型是n-型，以及第二導電類型是p-型。
11.權利要求8的雙極晶體管，其中構成柵極層的晶體材料是AlGaN，構成發(fā)射極層的晶體材料是GaN，構成集電極層的晶體材料是InGaN，和第一導電類型是n-型，以及第二導電類型是p-型。
12.權利要求6的雙極晶體管，其中構成發(fā)射極層的晶體材料是GaN，和發(fā)射極層的厚度不大于200nm。
13.權利要求11的雙極晶體管，其中每層表面是(000-1)表面。
14.一種電子裝置，包括權利要求1的雙極晶體管。
全文摘要
本發(fā)明的雙極晶體管包括由n－型半導體制成的集電極層和在該集電極層上由n－型半導體制成的發(fā)射極層。在發(fā)射極層上提供用于注入p－型載流子(空穴)到發(fā)射極層的柵極層。在集電極層和發(fā)射極層之間形成p－型載流子保留層。p－型載流子保留層臨時保留從柵極層注入到發(fā)射極層的p－型載流子和在發(fā)射極層中擴散并到達p－型載流子保留層。雙極晶體管具有其性能不被基極層的表面電阻影響的結構，而且甚至在高頻率區(qū)也能有高電流增益。
文檔編號H01L29/76GK1655363SQ20041007588
公開日2005年8月17日 申請日期2004年11月29日 優(yōu)先權日2003年11月28日
發(fā)明者約翰·K·特懷納姆 申請人:夏普株式會社