具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種晶體管，尤其涉及一種具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002]在過(guò)去的二十幾年中，硅鍺(SiGe)合金外延基區(qū)結(jié)構(gòu)異質(zhì)結(jié)晶體管(HBT)取得了巨大的進(jìn)步。目前已經(jīng)報(bào)道的最高振蕩頻率已經(jīng)超過(guò)500GHz，已經(jīng)接近了價(jià)格昂貴的化合物半導(dǎo)體器件的最好水平。由于采用了 Si/sSiGe發(fā)射極異質(zhì)結(jié)和組分漸變外延基區(qū)工藝，已經(jīng)幾乎把發(fā)射極和基區(qū)的優(yōu)化做到了極致。由于其優(yōu)良的性能和較低的價(jià)格，目前市售的小信號(hào)SiGe晶體管和相應(yīng)的射頻集成電路已經(jīng)占據(jù)了相關(guān)市場(chǎng)的相當(dāng)大的份額。但是，在小信號(hào)應(yīng)用中，為了優(yōu)化發(fā)射極渡越時(shí)間，集電極需要相對(duì)高的摻雜濃度(1017CnT3)，而較高的集電極摻雜濃度又導(dǎo)致了較低的晶體管集電結(jié)擊穿電壓，這就大大地限制了 SiGeHBT在大功率器件方面的應(yīng)用。同其在小信號(hào)應(yīng)用中的巨大進(jìn)步相比，SiGe HBT在大功率器件方面的進(jìn)步就不那么明顯了。
[0003]目前市售的SiGe高壓(?30V)工作的大功率HBT的工作頻率同Si晶體管基本相當(dāng)(3GHz)，只是飽和增益輸出功率略高一些(完全相同結(jié)構(gòu)的SiGe HBT:230ff, Si BJT:180W)。為了在Si/SiGe HBT和Si BJT中實(shí)現(xiàn)高壓工作，集電極外延層摻雜濃度一般選在3?4X 1015cm_3。在30V工作電壓下，具有這樣集電極結(jié)構(gòu)的晶體管的集電結(jié)空間電荷區(qū)的渡越時(shí)間約為20ps，遠(yuǎn)大于總渡越時(shí)間的其他部分。另外，由于相對(duì)較輕的集電極外延層摻雜濃度，限制了集電極最高電流密度(Kirk效應(yīng))，從而限制了發(fā)射極電流密度，進(jìn)一步加大了發(fā)射結(jié)渡越時(shí)間，限制了晶體管的特征頻率。較低的極電極電流密度帶來(lái)的其他缺點(diǎn)為較大的發(fā)射極和相應(yīng)的集電極面積增加了集電結(jié)和發(fā)射結(jié)電容，并使得大功率器件的輸入阻抗過(guò)低和功率增益的下降，從而限制了單個(gè)器件的輸出功率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種可以明顯地提高晶體管的工作頻率的具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明的具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管，包括設(shè)于高摻雜的襯底上面的高阻外延層和電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層上面設(shè)有晶體管基區(qū)和發(fā)射區(qū)，所述基區(qū)和發(fā)射區(qū)上分別設(shè)有晶體管基極和晶體管發(fā)射極；
[0007]所述發(fā)射區(qū)下部的高阻外延層內(nèi)設(shè)有晶體管集電極，外基區(qū)下面的高阻外延層內(nèi)設(shè)有電荷補(bǔ)償區(qū)。
[0008]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管，由于在基區(qū)下面的高阻外延層內(nèi)設(shè)有電荷補(bǔ)償區(qū)。在相同的工作電壓下，本發(fā)明可以明顯地提高晶體管的工作頻率。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為本發(fā)明實(shí)施例中，在高摻雜的襯底上面設(shè)置高阻外延層的示意圖；
[0010]圖2為本發(fā)明實(shí)施例中，在外延層上通過(guò)離子注入η-型摻雜形成的晶體管集電極，以及在晶體管外基區(qū)下面由P-型摻雜形成的電荷補(bǔ)償區(qū)的示意圖；
[0011]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中，通過(guò)離子注入或外延生長(zhǎng)形成的晶體管基區(qū)，以及在基區(qū)上面(通過(guò)外延、擴(kuò)散、或者氣相沉積)形成的發(fā)射區(qū)的示意圖；
[0012]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中，通過(guò)蒸發(fā)或離子濺射形成的接觸電極的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0014]本發(fā)明的具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管，其較佳的【具體實(shí)施方式】是:
[0015]包括設(shè)于高摻雜的襯底上面的高阻外延層和電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層上面設(shè)有晶體管基區(qū)和發(fā)射區(qū)，所述基區(qū)和發(fā)射區(qū)上分別設(shè)有晶體管基極和晶體管發(fā)射極；
[0016]所述發(fā)射區(qū)下部的高阻外延層內(nèi)設(shè)有晶體管集電極，外基區(qū)下面的高阻外延層內(nèi)設(shè)有電荷補(bǔ)償區(qū)(基區(qū)指的是發(fā)射極下面的P型區(qū)域，又可稱為本征基區(qū)，外基區(qū)指的其他P型區(qū)域)。
[0017]所述晶體管集電極通過(guò)離子注入η-型摻雜形成，所述電荷補(bǔ)償區(qū)通過(guò)離子注入ρ-型摻雜形成。
[0018]所述基區(qū)通過(guò)離子注入或外延生長(zhǎng)形成，所述發(fā)射區(qū)通過(guò)外延、擴(kuò)散、或者氣相沉積形成。
[0019]所述晶體管基極電極和晶體管發(fā)射極電極通過(guò)蒸發(fā)或離子濺射形成。
[0020]本發(fā)明的具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管，同傳統(tǒng)晶體管平面集電極結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明改變了其一維結(jié)構(gòu)，采用了一種新穎的兩維集電極結(jié)構(gòu)，利用側(cè)向P-型耗盡區(qū)負(fù)電荷的補(bǔ)償作用，有效地改變了集電極空間電荷區(qū)的電場(chǎng)分布，在更薄的集電極外延層上獲得了更高的集電結(jié)擊穿電壓，有效地降低了集電結(jié)空間電荷區(qū)渡越時(shí)間。同樣工作在30V電壓下，具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的晶體管集電極空間電荷區(qū)渡越時(shí)間約為12ps。另外，由于此結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，集電極外延層的摻雜濃度可以顯著提高，從而提高了發(fā)射極電流密度，有效地降低了發(fā)射極渡越時(shí)間和減小了發(fā)射結(jié)和集電結(jié)電容。本結(jié)構(gòu)對(duì)具有SiGe基區(qū)的異質(zhì)結(jié)晶體管和Si基區(qū)的同質(zhì)結(jié)晶體管的微波功率特性同樣有顯著改善作用。但對(duì)SiGe異質(zhì)結(jié)晶體管的改善作用更為明顯。
[0021]具體實(shí)施例:
[0022]首先，如圖1所示，在高摻雜的襯底上面設(shè)置高阻外延層；
[0023]然后，如圖2所示，在外延層上通過(guò)離子注入η-型摻雜形成的晶體管集電極，以及在晶體管外基區(qū)下面由P-型摻雜形成的電荷補(bǔ)償區(qū)；
[0024]之后，如圖3所示，通過(guò)離子注入或外延生長(zhǎng)形成的晶體管基區(qū)，以及在基區(qū)上面(通過(guò)外延、擴(kuò)散、或者氣相沉積)形成的發(fā)射區(qū)；
[0025]最后，如圖4所示，通過(guò)蒸發(fā)或離子濺射形成的接觸電極。
[0026]通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇器件各層的厚度、寬度、以及摻雜濃度和摻雜分布刨面，可以在權(quán)衡器件的擊穿電壓、工作頻率、以及功率密度等方面取得最優(yōu)設(shè)計(jì)，獲得所需的器件性能。
[0027]由于ρ型區(qū)引入的與集電極之間的電荷補(bǔ)償效應(yīng)，η型區(qū)的電場(chǎng)分布將偏離傳統(tǒng)的由一維泊松方程確定的電場(chǎng)分布。電荷補(bǔ)償效應(yīng)將明顯減低P-η結(jié)附近的電場(chǎng)強(qiáng)度。另夕卜，高阻區(qū)和P型區(qū)的引入將明顯地改變基區(qū)邊緣的電場(chǎng)分布，有效地提高器件的擊穿電壓。
[0028]由于ρ型區(qū)的存在，使得集電結(jié)擊穿電壓BVcbq超過(guò)理想的平面突變結(jié)(由于基區(qū)邊緣的電場(chǎng)分布，傳統(tǒng)結(jié)果平面工藝晶體管的集電結(jié)擊穿電壓明顯低于理想的平面突變結(jié))。這就有可能在滿足擊穿電壓的前提下，盡可能提高集電極摻雜濃度，以減小集電極空間電荷區(qū)渡越時(shí)間(在相同工作電壓下，集電結(jié)空間電荷區(qū)渡越時(shí)間與集電極摻雜濃度的平方根成反比)O在良好設(shè)計(jì)的微波大功率晶體管中，集電極渡越時(shí)間超過(guò)了晶體管總渡越時(shí)間2/3，例如，具有60V集電結(jié)擊穿電壓晶體管的集電極摻雜濃度的典型值為3el5cnT3，其集電極渡越時(shí)間約為21ps，大致占fT= 5GHz的晶體管總渡越時(shí)間的2/3。當(dāng)集電極摻雜濃度提高到8e 15cm —3時(shí)，集電極渡越時(shí)間將減小至13ps，在其他渡越時(shí)間不變的情況下，f τ將從5GHz增加至7GHz。其次，集電極摻雜濃度的提高可以提高由Kirk效應(yīng)限制的集電極最大電流密度，從而減小發(fā)射極面積，發(fā)射結(jié)渡越時(shí)間大致反比于集電極最大電流。因此，集電極摻雜濃度每提高一倍，在基區(qū)薄層電阻較小和發(fā)射極條寬較小時(shí)，可以不考慮發(fā)射極集邊效應(yīng)，發(fā)射結(jié)渡越時(shí)間大致減小一半。
[0029]綜上所述，在相同的工作電壓下，本發(fā)明可以明顯地提高晶體管的工作頻率。
[0030]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管，其特征在于，包括設(shè)于高摻雜的襯底上面的高阻外延層和電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層上面設(shè)有晶體管基區(qū)和發(fā)射區(qū)，所述基區(qū)和發(fā)射區(qū)上分別設(shè)有晶體管基極和晶體管發(fā)射極； 所述發(fā)射區(qū)下部的高阻外延層內(nèi)設(shè)有晶體管集電極，外基區(qū)下面的高阻外延層內(nèi)設(shè)有電荷補(bǔ)償區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管，其特征在于，所述晶體管集電極通過(guò)離子注入η-型摻雜形成，所述電荷補(bǔ)償區(qū)通過(guò)離子注入P-型摻雜形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管，其特征在于，所述基區(qū)通過(guò)離子注入或外延生長(zhǎng)形成，所述發(fā)射區(qū)通過(guò)外延、擴(kuò)散、或者氣相沉積形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管，其特征在于，所述晶體管基極和晶體管發(fā)射極通過(guò)蒸發(fā)或離子濺射形成。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有電荷補(bǔ)償集電結(jié)結(jié)構(gòu)的微波大功率晶體管，包括設(shè)于高摻雜的襯底上面的高阻外延層和電介質(zhì)層，電介質(zhì)層上面設(shè)有晶體管基區(qū)和發(fā)射區(qū)，基區(qū)和發(fā)射區(qū)上分別設(shè)有晶體管基極和晶體管發(fā)射極；發(fā)射區(qū)下部的高阻外延層內(nèi)設(shè)有晶體管集電極，基區(qū)下面的高阻外延層內(nèi)設(shè)有電荷補(bǔ)償區(qū)。在相同的工作電壓下，可以明顯地提高晶體管的工作頻率。
【IPC分類】H01L29-06, H01L29-73, H01L21-331
【公開(kāi)號(hào)】CN104681600
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510009668
【發(fā)明人】王玉琦
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
【公開(kāi)日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年1月8日