專利名稱：有分級基極層的雙極晶體管的制作方法
相關(guān)的專利申請這份申請是2002年4月10日申請的美國專利申請第10/121,444號的繼續(xù)申請，10/121,444號申請是作為2000年11月27日申請的美國專利09/995,079號的部分繼續(xù)申請，09/995,079號申請要求2001年11月27日申請的美國專利臨時申請第60/253,159號的權(quán)益，在此通過引證將其全部合并入本文。這份申請還要求2002年4月5日申請的美國專利臨時申請第60/370,758號和2002年4月10日申請的美國專利臨時申請第60/371,648號的權(quán)益，在此通過引證將其全部合并入本文。
本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)雙極結(jié)晶體管(BJT)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)集成電路(ICs)已發(fā)展成適合多種應(yīng)用的重要技術(shù)，尤其是用于無線手機的功率放大器、微波儀表設(shè)備和用于光纖通信系統(tǒng)的高速(＞10Gbit/s)電路。未來的需要預(yù)期是需要工作電壓較低的、頻率性能更高的、功率附加效率更高的和生產(chǎn)成本較低的器件。BJT或HBT的閾值電壓(Vbe，on)被限定為實現(xiàn)某一固定的集電極電流密度(Jc)必不可少的基極-發(fā)射極電壓(Vbe)。閾值電壓能限制器件對于供電功率受電池技術(shù)和其它元器件的功率需求限制的低功率應(yīng)用的有效性。
不同于其中的發(fā)射極、基極和集電極用一種半導(dǎo)體材料制造的BJT，HBT是用兩種相異的半導(dǎo)體材料制造的，其中發(fā)射極半導(dǎo)體材料具有比制作基極的半導(dǎo)體材料大的帶隙(也叫做“禁帶寬度”)。這導(dǎo)致在BJT上載流子從基極到集電極的出眾的注射效率，因為那兒有固定的壁壘阻止載流子從基極注射回發(fā)射極。選擇帶隙較小的基極減少閾值電壓，因為在載流子從基極進入集電極的注射效率方面的增加將在給定的基極-發(fā)射極電壓下增加集電極電流密度。
然而，HBT可能遭受在能在HBT的發(fā)射極-基極界面導(dǎo)致在導(dǎo)帶活性種的異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料的能帶隊列突然中斷的缺點的損害。這個導(dǎo)帶活性種的作用是阻斷電子從基極進入集電極的遷移。因而，電子比較久地逗留在基極，從而導(dǎo)致復(fù)合水平增高和集電極電流增益(βdc)降低。如同前面討論的那樣，由于異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的閾值電壓被限定為實現(xiàn)某一固定的集電極電流密度必不可少的基極-發(fā)射極電壓，所以降低集電極電流增益有效地升高HBT的閾值電壓。因此，在HBT的半導(dǎo)體材料的制作方面進一步改進是必要的，為的是降低閾值電壓并借此改善低電壓操作的器件。
本發(fā)明的概述本發(fā)明提供有n-摻雜的集電極、在集電極上形成的由包括銦和氮在內(nèi)的III-V族的材料組成的基極和在基極上形成的n-摻雜的發(fā)射極的HBT?；鶚O層的III-V族的材料具有大約1.5×1019cm-3到大約7.0×1019cm-3的碳攙雜物濃度。在優(yōu)選的實施方案中，基極層包括元素鎵、銦、砷和氮。銦和氮的存在相對于GaAs的帶隙降低材料的帶隙。此外，材料中攙雜物濃度是高的，表面電阻率(Rsb)是低的。這些因素導(dǎo)致相對于有攙雜物濃度相似的GaAs基極層的HBT較低的閾值電壓。
在優(yōu)選的實施方案中，III-V族的化合物材料系統(tǒng)可以用化學(xué)式Ga1-xInxAs1-yNy表示。眾所周知Ga1-xInxAs的禁帶寬度當(dāng)少量的氮被并入材料的時候?qū)嵸|(zhì)上下降。而且，因為氮按與銦相反的方向推晶格常數(shù)，Ga1-xInxAs1-yNy合金能通過把適當(dāng)?shù)你?氮比加到材料中生長出與GaAs匹配的晶格。因此，導(dǎo)致帶隙增加和錯配材料位錯的過度的應(yīng)變能被消除。因此銦/氮比已被選定，以便減少或消除應(yīng)變。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，在HBT的Ga1-xInxAs1-yNy基極層中x＝3y。
在傳統(tǒng)的有GaAs的HBT中，電流增益通常由于空穴對發(fā)射極注入較高、空間電荷層復(fù)合電流較高和在基極中擴散長度可能較短隨著溫度遞增而遞減。在有GaInAsN基極層的HBT中，業(yè)已發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高電流增益顯著增加(大約每升高1℃增加0.3％)。這個結(jié)果被解釋為隨著溫度升高擴散長度增加。如果在能帶底部的電子被限制在至少部分定域的狀態(tài)而且隨著溫度的遞增，它們受到熱激勵從那些狀態(tài)跳到電子更容易擴散的其它狀態(tài)，那么這樣的效果是期待的。因此，用GaInAsN制造基極層將改善本發(fā)明的HBT的溫度特征和減少對溫度補償輔助電路的需要。
有GaInAsN基極層的HBT具有超過有GaAs基極層的傳統(tǒng)的HBT的改善的共發(fā)射極輸出特性。例如，有GaInAsN基極層的HBT與有GaAs基極層的傳統(tǒng)的HBT相比補償電壓和拐點電壓都比較低。
在一個實施方案中，晶體管是雙異質(zhì)結(jié)的雙極晶體管(DHBT)，其中組成基極的半導(dǎo)體材料不同于制作發(fā)射極和集電極的半導(dǎo)體材料。在DHBT的優(yōu)選實施方案中，Ga1-xInxAs1-yNy基極層能用化學(xué)式Ga1-xInxAs1-yNy表示，集電極是GaAs，而發(fā)射極選自InGaP、AlInGaP和AlGaAs。
本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施方案涉及HBT或DHBT，其中導(dǎo)帶活性種的高度因與基極層禁帶寬度(Egb)的降低結(jié)合而下降。導(dǎo)帶活性種是由在基極/發(fā)射極異質(zhì)結(jié)或基極/集電極異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶的不連續(xù)性引起的。通過使基極層與發(fā)射極和/或集電極層晶格匹配減少晶格應(yīng)變將降低導(dǎo)帶活性種。這通常是通過控制基極層中氮和銦的濃度實現(xiàn)的。優(yōu)選的是，基極層有化學(xué)式Ga1-xInxAs1-yNy，其中x大約等于3y。
在一個實施方案中，基極可以是組成上分級的，以便產(chǎn)生在集電極帶隙較小而在發(fā)射極帶隙較大的分級帶隙層。優(yōu)選的是，基極層帶隙在接觸集電極的基極層表面比在接觸發(fā)射極的基極層表面低大約20meV到大約120meV。更優(yōu)選的是，基極層的帶隙在基極層中從集電極到發(fā)射極線性變化。
GaAs半導(dǎo)體材料中加進氮和銦將降低材料的帶隙。因此，半導(dǎo)體材料Ga1-xInxAs1-yNy與GaAs相比具有較低的帶隙。在本發(fā)明的組成上分級的基極層Ga1-xInxAs1-yNy中，基極層的帶隙減少靠近集電極大于靠近發(fā)射極。然而，與GaAs的帶隙相比，橫穿基極層的平均帶隙減少通常為大約10meV到大約300meV。在一個實施方案中，與GaAs的帶隙相比，橫穿基極層的平均帶隙減少通常為大約80meV到大約300meV。在另一個實施方案中，與GaAs的帶隙比較，橫穿基極層的平均帶隙減少通常為大約10meV到大約200meV。這種減少的帶隙將導(dǎo)致有組成分級的基極層Ga1-xInxAs1-yNy的HBT的閾值電壓(Vbe，on)低于有GaAs基極層的HBT，因為Vbe，on的主要的決定因素是基極中固有的載流子濃度。固有的載流子濃度(ni)是從下面的公式計算的ni＝NcNvexp(-Eg/kT)
在上面的公式中，Nc是導(dǎo)帶狀態(tài)的有效密度；Nv是價帶狀態(tài)的有效密度；Eg是帶隙；T是溫度；而k是Boltzmann常數(shù)。如同能從公式中看到的那樣，基極中固有的載流子濃度在很大程度上受基極中使用的材料的帶隙的控制。
把基極層的帶隙從在基極-發(fā)射極界面大的帶隙到在基極-集電極界面小的帶隙分級將引進準電場，該電場在npn型雙極晶體管中加速電子橫越基極層。電場增加基極中的電子速度，從而減少基極渡越時間，改善RF(射頻)性能和提高集電極電流增益(也叫做dc電流增益)。dc增益(βdc)在有大量摻雜的基極層的HBT的情況下受中性基極(n＝1)中的散體重組的限制。dc電流增益可以用公式1估計βdc＝vτ/wb(1)在公式(1)中，v是在基極中少數(shù)載流子平均速度；τ是在基極中少數(shù)載流子壽命；而wb是基極厚度。在有GaInAsN基極層的HBT中適當(dāng)分級的基極層造成與未分級的GaInAsN基極層相比由于電子速度增加βdc顯著增加。
為了實現(xiàn)在基極層的厚度上分級的帶隙，基極層是這樣制備的，以致它的銦和/或氮的濃度在接近集電極的基極層第一表面高于接近發(fā)射極的基極層第二表面。銦和/或氮含量的變化優(yōu)選橫跨基極層線性地改變，從而導(dǎo)致線性分級的帶隙。優(yōu)選的是，攙雜物的濃度(例如，碳)在基極層中處處保持恒定不變。在一個實施方案中，Ga1-xInxAs1-yNy基極層，例如DHBT的基極層，是這樣分級的，以致x和3y在集電極附近大約等于0.01并且被分級到在發(fā)射極附近大約為零。在另一個實施方案中，Ga1-xInxAs1-yNy基極層是這樣分級的，即在接觸集電極的基極層表面x數(shù)值在大約0.2到大約0.02的范圍內(nèi)分級到在接觸發(fā)射極的基極層表面數(shù)值x在大約0.1到0的范圍內(nèi)，只要數(shù)值x在接觸集電極的基極層表面大于在接觸發(fā)射極的基極層表面即可。在這個實施方案中，y可以在基極層中處處保持恒定不變或可以是線性分級的。當(dāng)y被線性分級的時候，基極層是這樣分級的，即從在接觸集電極的基極層表面的在大約0.2到大約0.02的范圍內(nèi)的y數(shù)值分級到在接觸發(fā)射極的基極層表面的在大約0.1到0的范圍內(nèi)的y數(shù)值，只要數(shù)值y在接觸集電極的基極層表面大于接觸發(fā)射極的基極層表面即可。在優(yōu)選實施方案中，x從在集電極附近的大約0.006被線性分級到在發(fā)射極附近的大約0.01。在更優(yōu)選實施方案中，x從在集電極附近的大約0.006被線性分級到在發(fā)射極附近的大約0.01，而y在基極層中處處為大約0.001。
在另一個實施方案中，本發(fā)明是形成分級的半導(dǎo)體層的方法，該半導(dǎo)體層有從第一表面穿過該層到第二表面本質(zhì)上線性分級的帶隙和本質(zhì)上不變的摻雜-遷移率的乘積。該方法包括(a)比較校準層的摻雜-遷移率的乘積，每個校準層是在沉積來自周期表的III或V族的原子的有機金屬化合物或沉積碳的四鹵化碳化合物之一的截然不同的流速下形成的，借此形成本質(zhì)上不變的摻雜-遷移率的乘積所必需的有機金屬化合物和四鹵化碳相對流速被確定下來；和(b)使有機金屬化合物和四鹵化碳以所述的相對流速在表面上流動以形成本質(zhì)上不變的摻雜-遷移率的乘積，所述的流速在沉積期間改變，以便借此穿過分級的半導(dǎo)體層形成本質(zhì)上線性分級的帶隙。
基極層也可以是這樣攙雜物-分級的，以致攙雜物濃度在集電極附近比較高而且橫越基極的厚度到基極發(fā)射極異質(zhì)結(jié)逐漸減少。
使導(dǎo)帶活性種變得最小的另一個方法將在過渡層包括一個或多個異質(zhì)結(jié)。有低帶隙阻礙層、分級的帶隙層、摻雜活性種或其組合的過渡層可以被用來使導(dǎo)帶活性種變得最小。此外，一個或多個晶格匹配層可以存在于基極和發(fā)射極或基極和集電極之間，以便減少在材料上在異質(zhì)結(jié)的晶格應(yīng)變。
本發(fā)明還提供制作HBT和DHBT的方法。該方法包括在n-摻雜GaAs集電極上生長由鎵、銦、砷和氮組成的基極層。基極層可以利用內(nèi)部和/或外部的碳源成長起來，以便提供碳摻雜的基極層。n-摻雜的發(fā)射極層是隨后在基極層上生長的。使用內(nèi)部和外部的碳源提供用于基極層的碳攙雜物能幫助形成碳攙雜物濃度比較高的材料。通常，大約1.5×1019cm-3到大約7.0×1019cm-3的攙雜水平是使用本發(fā)明的方法實現(xiàn)的。在優(yōu)選實施方案中，大約3.0×1019cm-3到大約7.0×1019cm-3的攙雜水平可以用本發(fā)明的方法實現(xiàn)。在材料中更高的攙雜物濃度將降低材料的表面電阻率和帶隙。因此，在HBT和DHBT的基極層中攙雜物濃度越高，器件的閾值電壓就越低。
本發(fā)明還提供用化學(xué)式Ga1-xInxAs1-yNy表示的材料，其中x和y各自獨立地是大約1.0×10-4到大約2.0×10-1。優(yōu)選的是，x是大約等于3y。更優(yōu)選的是，x和3y是大約等于0.01。在一個實施方案中，材料是以大約1.5×1019cm-3到大約7.0×1019cm-3的濃度用碳摻雜的。在特定的實施方案中，碳攙雜物濃度是3.0大約×1019cm-3到大約7.0×1019cm-3。
閾值電壓方面的減少能導(dǎo)致較好的管理關(guān)于有線的和無線的基于GaAs的RF電路兩者的受固定的標準電壓供應(yīng)或電池輸出制約的電壓預(yù)算。降低閾值電壓也能在基于GaAs的HBT中改變不同的基極電流成分的相對數(shù)量。作為結(jié)溫和外加應(yīng)力兩者的函數(shù)DC電流增益穩(wěn)定性先前已被說明決定性地依賴于各個基極電流成分的相對數(shù)量。在低閾值電壓激活的反向空穴注入方面的減少對于器件的溫度穩(wěn)定性和長期可靠性兩者是有利的。因此，攙雜物濃度高的無相對應(yīng)變的Ga1-xInxAs1-yNy基極材料能在基于GaAs的HBT和DHBT中大幅度提高RF性能。
附圖簡要說明

圖1舉例說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的InGaP/GaInAsNDHBT結(jié)構(gòu)，其中x大約等于3y。
圖2是Gummel曲線，它以圖形舉例說明對于本發(fā)明的InGaP/GaInAsN DHBT和對于現(xiàn)有技術(shù)的InGaP/GaAs HBT和GaAs/GaAs BJT隨著閾值電壓變化的基極和集電極的電流。
圖3是以圖形說明對于本發(fā)明的InGaP/GaInAsN DHBT和對于現(xiàn)有技術(shù)的InGaP/GaAs HBT和GaAs/GaAs BJT隨基極表面電阻變化的閾值電壓(在Jc＝1.78A/cm2)。
圖4舉例說明本發(fā)明的InGaP/GaInAsN DHBT和和現(xiàn)有技術(shù)的InGaP/GaAs HBT(兩者的基極名義厚度都是1000埃)在77°K實測的光致發(fā)光譜圖。光致發(fā)光測量結(jié)果是在蝕刻掉InGaAs和GaAs覆蓋層，有選擇地在InGaP發(fā)射極的頂部停止之后取得的。InGaP/GaAs HBT和InGaP/GaInAsN DHBT兩者的n-型GaAs集電極的帶隙是1.507eV。InGaP/GaAs HBT的p-型GaAs基極層的帶隙是1.455eV，而InGaP/GaInAsN的p-型GaInAsN基極層的帶隙是1.408eV。
圖5舉例說明本發(fā)明的InGaP/GaInAsN DHBT和現(xiàn)有技術(shù)的InGaP/GaAs HBT(兩者基極的名義厚度均為1500埃)的雙晶體X射線衍射(DCXRD)譜。基極層的峰值位置已被標明。
圖6是極化子C-V曲線，它舉例說明在本發(fā)明的InGaP/GaInAsN DHBT和現(xiàn)有技術(shù)的InGaP/GaAs HBT中越過基極層厚度的載流子濃度。InGaP/GaInAsN DHBT和InGaP/GaAsHBT兩者都具有1000埃的基極名義厚度。兩條極化子曲線都是在有選擇地向下蝕刻到基極層頂部之后獲得的。
圖7a舉例說明InGaP/GaInAsN DHBT的優(yōu)選結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有在發(fā)射極和基極之間的過渡層和在集電極和基極之間的過渡層和晶格匹配層。
圖7b和7c舉例說明有組成上分級的基極層的InGaP/GaInAsN DHBT的替代結(jié)構(gòu)。
圖8是在碳摻雜的GaInAsN基極層在固定的銦源的氣體流速下生長時作為四溴化碳流速的函數(shù)的摻雜*遷移率產(chǎn)物的圖表(“TMIF”是三甲基銦流速)。
圖9是當(dāng)碳摻雜的在組成上分級的GaInAs基極層生長的時候獲得不變的摻雜*遷移率的乘積所需要的TMIF隨四溴化碳流速變化的圖表。
圖10是展示閾值電壓低于InGaP/GaAs HBT的InGaP/GaInAsN HBT的圖表。
圖11是在固定的TMIF下生長的碳摻雜的GaInAsN基極層的ΔVbe隨四溴化碳流速變化的圖表。
圖12是ΔVbe隨TMIF變化的圖表。
圖13是在實施例2的實驗中使用的有在組成上分級的基極層的DHBT的結(jié)構(gòu)。
圖14是在實施例2的實驗中使用的有固定的基極層組成的DHBT的結(jié)構(gòu)。
圖15是將GaInAsN基極層組成固定的DHBT與GaInAsN基極層在組成上分級的DHBT進行比較的Gummel曲線。
圖16是將GaInAsN基極層組成固定的DHBT與GaInAsN基極層在組成上分級的DHBT進行對比的DC電流增益隨基極表面電阻變化的圖表。
圖17是將GaInAsN基極層在組成上分級的DHBT與兩種GaInAsN基極層組成固定的DHBT進行比較的Gummel曲線。
圖18是比較GaInAsN基極層在組成上分級的DHBT和兩種GaInAsN基極層組成固定的DHBT的DC電流增益隨集電極電流密度變化的圖表。
圖19是比較GaInAsN基極層組成固定的DHBT和GaInAsN基極層在組成上分級的DHBT的外推的電流增益截止頻率隨集電極電流密度變化的圖表。
圖20是比較GaInAsN基極層組成固定的DHBT和GaInAsN基極層在組成上分級的DHBT的小信號電流增益隨DHBT頻率變化的圖表。
圖21是組成固定的GaInAsN基極層和GaInAsN基極層在組成上分級的DHBT對傳統(tǒng)的有GaAs基極層的HBT的峰值ft隨BVceo變化的圖表。
圖22是展示有分級的GaInAsN基極層和隧道集電極的DHBT的組成的表格。
圖23是圖22描述的DHBT的能帶間隙圖。
圖24是圖22描述的DHBT的Gummel曲線。
圖25展示圖22描述的DHBT的共發(fā)射極特性。
本發(fā)明的詳細描述本發(fā)明的上述的和其它的目的、特性和優(yōu)勢從下面更詳細描述的用相同的參考符號在不同的附圖中處處表示同一部分的附圖舉例說明的本發(fā)明的優(yōu)選實施方案將變得顯而易見。這些圖畫不必按比例繪制，而是強調(diào)舉例說明本發(fā)明的原則。
III-V材料是有包括至少一個來自周期表的列III(A)的元素和至少一個來自周期表的列V(A)的元素的晶格的半導(dǎo)體。在一個實施方案中，III-V材料是由鎵、銦、砷和氮組成的晶格。優(yōu)選的是，III-V材料能用化學(xué)式Ga1-xInxAs1-yNy表示，其中x和y各自獨立地是大約1.0×10-4到大約2.0×10-1。更優(yōu)選的是，x大約等于3y。在最優(yōu)選的實施方案中，x和3y是大約0.01。
在本文中使用的術(shù)語“過渡層”指的是位于基極/發(fā)射極異質(zhì)結(jié)或基極/集電極異質(zhì)結(jié)之間具有使異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶活性種降到最小的功能的膜層。使導(dǎo)帶活性種降到最小的一種方法是使用一系列過渡層，使過渡層的帶隙在基極/集電極異質(zhì)結(jié)中從最靠近集電極的過渡層到最靠近基極的過渡層逐漸減少。類似地，在發(fā)射極/基極異質(zhì)結(jié)中，過渡層的帶隙從最靠近發(fā)射極的過渡層到最靠近基極的過渡層逐漸減少。導(dǎo)帶活性種最小化的另一種方法是使用帶隙分級的過渡層。過渡層的帶隙可以通過將膜層的攙雜物濃度分級而被分級。例如，過渡層的攙雜物濃度可以在基極層附近比較高并且可以在集電極或發(fā)射極附近逐漸減少。作為替代，晶格應(yīng)變可以被用來提供有分級帶隙的過渡層。例如，過渡層可以是組成上分級的，以使晶格應(yīng)變在接觸基極的膜層表面最小和在接觸集電極或發(fā)射極的表面增加晶格應(yīng)變。最小化導(dǎo)帶活性種的另一種方法是使用有攙雜物濃度活性種的過渡層。一種或多種上述的用來最小化導(dǎo)帶活性種方法可以被用在本發(fā)明的HBT中。適合本發(fā)明的HBT的過渡層包括GaAs、InGaAs和InGaAsN。
晶格匹配層是在材料上生長的有不同的晶格常數(shù)的膜層。晶格匹配層通常具有大約500埃以下的厚度而且本質(zhì)上遵從底部膜層的晶格常數(shù)。這導(dǎo)致在底部膜層的帶隙和晶格匹配材料(如果它未發(fā)生應(yīng)變)的帶隙之間的中間帶隙之間。形成晶格匹配層的方法是本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的而且能Ferry等人的GalliumArsenide Technology(1985)第303-328頁(Howard W.Sams&Co.，Inc.Indianapolis，Indiana)中找到，其全部內(nèi)容引述合并入本文。適合的本發(fā)明的HBT的晶格匹配層的材料的實例是InGaP。
基極層組成固定的HBT和DHBT本發(fā)明的HBT和DHBT可以使用適當(dāng)?shù)挠袡C金屬化學(xué)汽相沉積(MOCVD)外延生長系統(tǒng)來制備。適當(dāng)?shù)腗OCVD外延生長系統(tǒng)的實例是ALXTRON2400和ALXTRON2600平臺。在用本發(fā)明的方法制備的HBT和DHBT中，通常，未摻雜的GaAs緩沖層可以在氧化物原地解吸之后生長。例如，含有高濃度n-攙雜物的下層集電極層(例如，攙雜物濃度為大約1×1018cm-3到大約9×1018cm-3)能在大約700℃的溫度下生長。n-攙雜物濃度低的集電極層(例如，攙雜物濃度為大約5×1015cm-3到大約5×1016cm-3)能在大約700℃的溫度下在下層集電極上生長。優(yōu)選的是，下層集電極和集電極都是GaAs。下層集電極層通常具有大約4000埃到大約6000埃的厚度，而集電極通常具有大約3000埃到大約5000埃的厚度。在一個實施方案中，在下層集電極和/或集電極中的攙雜物是硅。非必選的是InGaP晶格匹配隧道層能在典型的生長條件下在集電極上生長。晶格-匹配層通常具有大約500埃以下的厚度，優(yōu)選大約200埃以下，而且具有大約1×1016cm-3到大約1×1018cm-3的攙雜物濃度。
一個或多個過渡層可以非必選地在典型的生長條件之下在晶格匹配層上或如果沒有使用晶格匹配層則在集電極上生長。過渡層可以從n-摻雜GaAs、n-摻雜InGaAs或n-摻雜InGaAsN制備。過渡層可以非必選地按組成或攙雜物分級，或可以包含攙雜物活性種。過渡層通常具有大約75埃到大約25埃的厚度。如果沒有使用晶格匹配層或過渡層，碳摻雜的GaInAsN基極層是在集電極上生長的。
基極層是在大約750℃以下的溫度下生長的而且通常具有大約400埃到大約1500埃的厚度。在優(yōu)選實施方案中，基極層是在大約500℃到大約600℃的溫度下生長的。非必選的是，碳摻雜的GaInAsN基極層可以在過渡層上或如果不使用過渡層則在晶格匹配層上生長?；鶚O層可以是使用適當(dāng)?shù)逆壴?例如，三甲基鎵或三乙基鎵)、砷來源(例如，胂、三丁基胂或三甲基胂)、銦源(例如，三甲基銦)和氮來源(例如，氨或二甲基肼)來生長。砷來源對鎵源的低摩爾比是優(yōu)選的。通常，砷來源對鎵源的摩爾比小于大約3.5.更優(yōu)選的是，該比例是大約2.0到大約3.0。氮來源和銦源的水平是為了獲得由大約0.01％到大約20％的銦和大約0.01％到大約20％的氮組成的材料而進行調(diào)整的。在優(yōu)選實施方案中，基極層中銦含量比氮含量大約高三倍。在更優(yōu)選實施方案中，銦含量是大約1％，而氮含量是大約0.3％。在本發(fā)明中，碳攙雜物濃度高達大約1.5×1019cm-3到大約7.0×1019cm-3的GaInAsN層是通過使用外部的碳源、有機金屬來源、尤其是鎵源獲得的。適當(dāng)?shù)耐獠刻荚吹膶嵗撬匿寤?。四氯化碳也是有效的外部碳源?br> 非必選的是一個或多個過渡層可以是在基極和發(fā)射極之間n-摻雜的GaAs、n-摻雜的InGaAs或n-摻雜的InGaAsN的生長結(jié)果。在基極和發(fā)射極之間的過渡層是較為輕微地摻雜的(例如，大約5.0×1015cm-3到大約5.0×1016cm-3)而且非必選地包含攙雜物活性種。優(yōu)選的是，過渡層是大約25埃到大約75埃厚。
發(fā)射極層是在大約700℃的溫度下在基極上或非必選地在過渡層上生長的，通常具有大約400埃到大約1500埃的厚度。例如，發(fā)射極層包括InGaP、AlInGaP或AlGaAs。在優(yōu)選實施方案中，發(fā)射極層包括InGaP。發(fā)射極層可以是以大約1.0×1017cm-3到大約9.0×1017cm-3的濃度n-摻雜的。包括含有高濃度(例如，大約1.0×1018cm-3到大約9.0×1018cm-3)的n-攙雜物的GaAs發(fā)射極接觸層非必選地在大約700℃的溫度下在發(fā)射極上生長。通常，發(fā)射極接觸層有大約1000埃到大約2000埃的厚度。
在銦組成方面呈斜坡的而且有高濃度(例如，大約50×1018cm-3到大約5×1019cm-3)的n-摻雜物的InGaAs層是在發(fā)射極層上生長的。這個膜層通常有大約400埃到大約1000埃的厚度。
實施例1為了舉例說明減少基極層的帶隙和/或在發(fā)射極/基極異質(zhì)結(jié)使導(dǎo)帶活性種最小的作用，比較三種不同類型的基于GaAs的雙極晶體管結(jié)構(gòu)GaAs發(fā)射極/GaAs基極BJT、InGaP/GaAs HBT和本發(fā)明的InGaP/GaInAsN DHBT。在下面的實驗中使用的InGaP/GaInAsN DHBT結(jié)構(gòu)的一般表達被展示在圖1中。在發(fā)射極/基極界面只有一個異質(zhì)結(jié)，因為基極和集電極都是由GaAs形成的。InGaP/GaAs HBT的GaAs基極層具有大于InGaP/GaInAsNDHBT的基極的帶隙。GaAs/GaAs BJT沒有異質(zhì)結(jié)，因為發(fā)射極、集電極和基極都是用GaAs制成的。因此，GaAs BJT的結(jié)構(gòu)被用作基準，以確定在基極-發(fā)射極界面影響導(dǎo)帶活性種的東西(如果有的話)沒有InGaP/GaAs HBT的集電極電流特性。在圖1所示的DHBT中，InGaP被選中作為發(fā)射極材料，基極為Ga1-xInxAs1-yNy，因為InGaP有寬帶隙，而且它的導(dǎo)帶與Ga1-xInxAs1-yNy的導(dǎo)帶對齊。圖1的InGaP/GaInAsN DHBT和InGaP/GaAs HBT的比較結(jié)果被用來確定有帶隙較低的基極層對集電極電流密度的影響。
在下面的討論中使用的GaAs器件全都有靠MOCVD生長的碳摻雜的基極層，其中攙雜物濃度從大約1.5×1019cm-3變化到大約6.5×1019cm-3而厚度從大約500埃變化到大約1500埃，從而導(dǎo)致介于100Ω/□和400Ω/□之間的基極表面電阻率(Rsb)。大面積器件(L＝75μm×75μm)是用簡單的濕蝕刻法制作的并且是按共基極配置測試的。相對少量的銦(x～1％)和氮(y～0.3％)被遞增地添加，以便形成兩組獨立的InGaP/GaInAsN DHBT。對于每個組，生長已被優(yōu)化，以維持高的均勻的碳攙雜水平(＞2.5×1019cm-3)、好的遷移率(～85cm2/V-s)和高的dc電流增益(Rsb～300Ω/□時＞60)。
來自有可比的基極表面電阻率的GaAs/GaAs BJT、InGaP/GaAs HBT和InGaP/GaInAsN DHBT的典型的Gummel曲線被繪制成疊合在圖2中的曲線。InGaP/GaAs HBT和GaAs/GaAsBJT的集電極電流在有效串聯(lián)電阻的差異影響電流-電壓特性之前就五個以上數(shù)量級(十進制的)的電流而言是不能辨別的。另一方面，InGaP/GaInAsN DHBT的集電極電流在相當(dāng)寬的偏壓范圍內(nèi)比GaAs/GaAs BJT和InGaP/GaAs HBT的集電極電流高兩倍，對應(yīng)于在1.78A/cm2的集電極電流密度(Jc)下閾值電壓減少25.0mV。在BJT中觀察到的在低偏壓基極電流(n＝2成分)方面的增加與在空間電荷重組方面禁帶寬度驅(qū)動的增加一致?；鶚O電流的中性基極重組成分在InGaP/GaInAsN DHBT中與在InGaP/GaAs HBT中相比因為集電極電流的增加以及少數(shù)載流子壽命的減少或載流子速度的增加(Inbr＝Icwb/vr)受到更高的驅(qū)動。迄今制備的InGaP/GaInAsN DHBT器件已實現(xiàn)對于基極表面電阻率為234Ω/□的器件，峰值dc電流增益為68，對應(yīng)于閾值電壓減少11.5mV和對于基極表面電阻率為303Ω/□的器件，峰值dc的電流增益為66，對應(yīng)于閾值電壓減少25.0mV。這表示對于這些結(jié)構(gòu)類型已知最高的增益與基極表面電阻率之比(β/Rsb～0.2-0.3)。在Ga1-xInxAs1-yNy基極中禁帶寬度減少是造成用低溫(77°K)光致發(fā)光證明的在閾值電壓方面觀察到的減少的原因。DCXRD測量結(jié)果表明基極層的晶格失配是最小的(＜250弧秒(arcsec))。
在擴散極限中，雙極晶體管隨基極-發(fā)射極電壓(Vbe)變化的理想的集電極電流密度可以被近似地表示為Jc＝(qDnn2ib/pbwb)exp(qVbe/kT) (2)其中Pb和wb基極摻雜和寬度；Dn擴散系數(shù)；nib基極中固有的載流子濃度。
通過把nib表示成基極層禁帶寬度(Egb)的函數(shù)和重寫基極表面電阻率項(Rsb)中基極摻雜和厚度的乘積，閾值電壓可以被表示成基極表面電阻的對數(shù)函數(shù)Vbe＝-AIn[Rsb]+Vo(3)其中A＝(kT/q)(4)而 Vo＝Egb/q-(kT/q)In[q2μNcNvDn/Jc](5)其中Nc和Nv是在導(dǎo)帶和價帶中狀態(tài)的有效密度，μ是基極層中多數(shù)載流子遷移率。
圖3是在JC＝1.78A/cm2時許多InGaP/GaAs HBT、GaAs/GaAsBJT和InGaP/GaInAsN DHBT的閾值電壓隨基極表面電阻率變化的曲線。沒有任何導(dǎo)帶活性種的InGaP/GaAs HBT和GaAs/GaAsBJT的閾值電壓兩者都在質(zhì)量上呈現(xiàn)依據(jù)等式(2)期待的同樣的對基極表面電阻率的對數(shù)依從關(guān)系。在數(shù)量上，基極-發(fā)射極電壓(Vbe)隨基極表面電阻率的變化沒有等式(3)所表現(xiàn)的那樣劇烈(A＝0.0174而不是0.0252mV)。然而，這個觀察到的A的減少與通過薄基極GaAs雙極器件的準彈道傳送一致。
與GaAs/GaAs BJT的特性比較導(dǎo)致如下結(jié)論，即InGaP/GaAsHBT的導(dǎo)帶活性種的有效高度在集電極電流呈現(xiàn)理想(n＝1)狀態(tài)的情況下可能是零。因此，InGaP/GaAs HBT能被這樣設(shè)計，以致本質(zhì)上沒有導(dǎo)帶活性種。類似的結(jié)果是在AlGaAs/GaAs HBT的早期工作中發(fā)現(xiàn)的。進一步降低這些器件適合于固定的基極表面電阻率的閾值電壓需要使用禁帶寬度較低但仍然維持導(dǎo)帶連續(xù)性的基極材料。Ga1-xInxAs1-yNy能在維持附近的晶格匹配條件的同時被用來減少Egb。如同在圖3中看到的那樣，兩組InGaP/GaInAsN DHBT的閾值電壓遵從對基極表面電阻率的對數(shù)依從關(guān)系，從而表明導(dǎo)帶活性種大約為零。此外，閾值電壓從對InGaP/GaAs HBT和GaAs/GaAs BJT觀察到的數(shù)值向下偏移，在一組中向下偏移11.5mV，而在另一組中向下偏移25.0mV(虛線)。
上述實驗說明基于GaAs的HBT的閾值電壓通過使用InGaP/GaInAsN DHBT結(jié)構(gòu)能被減少到GaAs BJT的閾值電壓以下。低閾值電壓是通過兩個關(guān)鍵步驟實現(xiàn)的。首先，通過選擇導(dǎo)帶處于幾乎相同的能量水平的基極和發(fā)射極半導(dǎo)體材料優(yōu)化基極-發(fā)射極界面，以便抑制導(dǎo)帶活性種。這通過使用InGaP或AlGaAs作為發(fā)射極材料和使用GaAs作為基極得以順利地完成。然后，通過降低基極層的帶隙，進一步減少閾值電壓。這是通過在仍然維持遍及整個HBT結(jié)構(gòu)的晶格匹配的同時把銦和氮兩者加到基極層中實現(xiàn)的。采用適當(dāng)?shù)纳L參數(shù)，集電極電流密度增加兩倍是在不大大犧性基極摻雜或少數(shù)載流子壽命的情況下實現(xiàn)的(在Rsb＝234Ω/□時β＝68)。這些結(jié)果表明Ga1-xInxAs1-yNy材料的運用提供一種用來降低基于GaAs的HBT和DHBT的閾值電壓的方法。由于銦和氮并入GaAs降低材料的帶隙，所以，如果維持高的p-型摻雜濃度，并入基極的銦和氮的百分比越大，預(yù)期在基于GaAs的HBT和DHBT內(nèi)閾值電壓的減少也越大。
在GaInAsN基極中被假定是造成觀察到的閾值電壓減少的原因的禁帶寬度減少已被低溫(77°K)光致發(fā)光證實。圖4比較來自InGaP/GaINAsN DHBT和傳統(tǒng)的InGaP/GaAs HBT的光致發(fā)光譜圖。來自InGaP/GaAs HBT的基極層信號因為與高摻雜水平相關(guān)聯(lián)的帶隙變窄效應(yīng)處于比集電極低的能量(1.455eV對1.507eV)。來自InGaP/GaInAsN DHBT的基極層信號(似乎為1.408eV)因為銦和氮并入基極層引起的帶隙變窄效應(yīng)和基極層禁帶寬度減少而被減少。在這個比較中，摻雜水平是相當(dāng)?shù)?，因此意味著與GaAs基極的禁帶寬度相比較，在基極層信號位置的47meV減少可能等于在GaInAsN基極中基極層禁帶寬度的減少。這個在光致發(fā)光信號中的偏移與實測的閾值電壓的45mV的減少很好地相關(guān)。在沒有導(dǎo)帶活性種時，閾值電壓減少可能直接涉及基極層禁帶寬度的減少。
展示在圖5中的DCRXD譜舉例說明把碳攙雜物和銦加進GaAs半導(dǎo)體的作用。圖5展示來自基極厚度類似的InGaP/GaInAsN DHBT和標準的InGaP/GaAs HBT兩者的DCRXD譜圖。在InGaP/GaAs HBT中，由于4×1019cm-3的高碳攙雜物濃度產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變，基極層被看作在GaAs底層峰值的右手邊的肩，近似對應(yīng)于+90弧度秒(arcsec)的位置。由于添加銦，在這個特定的InGaP/GaInAsN DHBT結(jié)構(gòu)，基極層峰值在-425弧度秒(arcsec)。一般地說，與GaInAsN基極相關(guān)聯(lián)的峰值位置是銦、氮和碳濃度的函數(shù)。銦加進GaAs增加壓縮應(yīng)變，而碳和氮兩者用拉伸應(yīng)變來補償。
當(dāng)銦(和氮)加進碳摻雜的GaAs時維持高的p-類型摻雜水平需要小心地優(yōu)化生長?；钚該诫s水平的粗略估計能從實測的基極表面電阻率和基極厚度數(shù)值的組合獲得?；鶚O摻雜也能通過首先有選擇地蝕刻到基極層的頂部然后獲得極化子C-V分布曲線得到證實。圖6比較來自GaAs基極層和GaInAsN基極層的這樣的極化子C-V摻雜分布曲線。在兩種情況下，摻雜水平都超過3×1019cm-3。
圖7a展示代替GaInAsN基極層(10)在組成上固定的DHBT的替代結(jié)構(gòu)，它在發(fā)射極/基極結(jié)和集電極/基極結(jié)之間采用過渡層(20和30)。此外，晶格-匹配InGaP隧道層(40)被用在之過渡層和集電極間。
基極層在組成上分級的DHBT在基極層組成上分級的DHBT中全部膜層都能以與基極在組成上固定的DHBT類似的方式生長，不同之處在于基極層作為分級帶隙使一個結(jié)穿過該膜層到晶體管的另一個結(jié)變堅固。例如，如果既不使用晶格匹配層也不使用過渡層，那么碳-摻雜的和帶隙分級的GaInAsN基極層能在集電極上生長。非必選地，碳摻雜的分級的GaInAsN基極層能在過渡層上生長，如果不使用過渡層，則在晶格匹配層上生長?；鶚O層能在大約750℃以下的溫度生長而且通常有大約400埃到大約1500埃的厚度。在一個實施方案中，基極層是在大約500℃到大約600℃的溫度生長的?；鶚O層可以是使用鎵源(例如，三甲基鎵或三乙基鎵)、砷來源(例如，胂、三(叔丁基)胂或三甲基胂)、銦源(例如，例如三甲基銦)和氮來源(例如氨、二甲肼或叔丁胺)生長的。砷來源與鎵源的低摩爾比是優(yōu)選的。通常，砷來源與鎵源的比摩爾比小于大約3.5。更優(yōu)選的是，該比例為大約2.0到大約3.0。氮和銦源的水平可以為了獲得III族元素銦的含量為大約0.01％到大約20％和V族元素氮的含量為大約0.01％到大約20％的材料而進行調(diào)整。在特定的實施方案中，III族元素(即銦)的含量是從在基極-集電極結(jié)的大約10％到20％到在基極-發(fā)射極結(jié)的大約0.01％到5％變化的，V族元素(即氮)的含量本質(zhì)上恒定在大約0.3％。在另一個實施方案中，基極層的氮含量比銦含量大約低三倍。如同前面就組成固定的GaInAsN基極層討論過的那樣，我們相信碳攙雜物濃度高(大約1.5×1019cm-3到大約7.0×1019cm-3)的GaInAsN層能通過除了鎵源之外使用外部的碳源(例如四鹵化碳)得以實現(xiàn)。例如，所用的外部的碳源可以是四溴化碳。四氯化碳也是有效的外部碳源。
由于作為銦源氣體使用的有機金屬化合物對GaInAsN基極層中碳攙雜物的含量的貢獻不同于作為鎵源氣體使用的有機鎵化合物，所以，碳攙雜物來源氣流通常在基極層生長期間進行調(diào)整，以便在組成上分級的GaInAsN基極層中維持固定的碳摻雜濃度。在一個實施方案中，在組成分級的基極層上碳源氣流的變化是使用描述的方法確定的。
用于分級的GaInAsN和/或分級的InGaAs半導(dǎo)體層的碳和三甲基銦源流速校準程序至少制備兩組校準HBT，其中每組都包含至少兩個成員(DHBT可以被用來代替HBT)?；鶚O層厚度理想地是對于所有形成的校準HBT都一樣，盡管這不是必要的，而且每個HBT都有固定的組成，例如，GaInAsN或GaInAs基極層固定的組成和遍及該膜層的固定的碳攙雜物濃度。每組都是在不同于另一組的III族或V族添加劑(例如，III族的銦或V族的氮)來源氣體流速下生長的，以致特定組中的每個成員都有不同于其它組的成員的鎵、銦、砷和氮的組成。作為實例，銦將被用作影響帶隙分級的添加劑。特定組的每個成員是在不同的外部碳源(例如，四溴化碳或四氯化碳)流速下生長的，以致特定組的每個成員有不同的碳攙雜水平。摻雜*遷移率的乘積是針對每個成員確定的而且是相對碳源流速分級的。摻雜*遷移率的乘積與用于每組中各個成員的碳源氣流速度成正比地變化。就五組HBT而言，摻雜*遷移率的乘積隨四溴化碳流速的變化被繪制在圖8。作為替代，每組校準HBT可能是通過維持碳源氣體(例如，四溴化碳)流速恒定不變形成的，而且每組中的每個獨立的標本在每個設(shè)置可能是在相對于其它的來源氣體的流速截然不同的III族或V族添加劑流速下形成的。
獲得不變的摻雜*遷移率的乘積所需要的碳源氣體對銦源氣體的相對流速是通過在圖8中按在不變的摻雜*遷移率的乘積橫穿關(guān)系圖畫線(例如，平行于x-軸的直線)獲得的。這條線橫斷與每組直線相交的地方代表當(dāng)銦源氣體流量被設(shè)定在適合那組的流速的時候獲得這個摻雜*遷移率的乘積數(shù)值所需要的外部碳源的流量到為了那設(shè)置。適合于一個不變的摻雜*遷移率的乘積數(shù)值的外部碳源氣流速度隨銦源氣流速度變化的曲線被繪制在圖9中。適合不同的摻雜*遷移率的乘積的類似的曲線可以以同樣的方式繪制。
每個HBT的集電極電流是作為基極-發(fā)射極電壓(Vbe)的函數(shù)繪制的，所獲得的電流與有GaAs基極層然而在別的方面卻與被比較的那組的成員同一的(例如，一樣的攙雜物濃度、一樣的基極、發(fā)射極和集電極層厚度，等等)HBT的曲線進行比較。在特定的集電極電流下曲線之間的電壓差異是在基極發(fā)射極電壓[Vbe(ΔVbe)]方面歸因于在基極層形成期間添加了銦和氮引起的基極層禁帶寬度降低的改變。圖10展示有GaInAsN基極層的HBT和有GaAs基極層的HBT的集電極電流隨Vbe變化的曲線。畫在兩條曲線之間的水平箭頭記號是ΔVbe。適合各組中每個成員的ΔVbe被確定下來并且對碳源氣體流量繪制曲線。適合形成圖8中的曲線所用的五組HBT的每個成員的ΔVbe對四溴化碳流量的曲線被繪制在圖11中。請注意某組成員的ΔVbe橫越那組能與直線擬合的ΔVbe的范圍。然后，這些線被用來確定(插入)適合某些HBT的ΔVbe數(shù)值，這些HBT可能是使用某特定組的同樣的銦源氣體流速但有不同于該組的其它成員的碳源氣體流速生長的。
適合不變的摻雜*遷移率的乘積的ΔVbe作為銦源氣體流速的函數(shù)呈線性變化，這在繪制針對不變的摻雜*遷移率的乘積插值的ΔVbe隨銦源氣體流速變化的曲線的時候能被看到。圖1 2展示這條適合于圖11中所用的五組的曲線。
在圖12中展示的關(guān)系圖被用來確定在基極-發(fā)射極和基極/集電極連結(jié)處獲得預(yù)期的ΔVbe所需要的銦源氣體流量。一旦銦源氣體流量被確定下來，圖9被用來確定在那個銦源氣體流量下獲得預(yù)期的攙雜物*遷移率的乘積所需要的碳源氣體流量。為了維持在組成上分級的GaInAs或GaInAsN層中預(yù)期的固定的攙雜物*遷移率的乘積，將遵循同樣的程序來確定在基極-集電極連結(jié)處預(yù)期的銦源氣體流量和碳源氣體流量。當(dāng)基極層從基極-集電極接合部向基極-發(fā)射極接合部生長到為這些來源氣體在這些接合部確定的數(shù)值的時候，銦源氣體流量和碳源氣體流量是相對于鎵和砷的水平線性變化的，為的是獲得有預(yù)期的帶隙等級的線性分級的基極層。
實施例2在下面的討論中使用的全部GaAs器件都有靠MOCVD-生長的碳-摻雜的基極層，其中攙雜物濃度從大約3.0×1019cm-3變化到大約5.0×1019cm-3，厚度從大約500埃變化到大約1500埃，從而導(dǎo)致基極表面電阻率(Rsb)介于100Ω/□和650Ω/□之間。大面積器件(L＝75mm×75mm)是使用簡單的濕蝕刻法制作的并且按共基極配置進行測試。比較少量的銦(x～1％到6％)和氮(y～0.3％)被遞增地添加，以形成兩組獨立的InGaP/GaInAsN DHBT。為了維持比較高的均勻的碳攙雜物水平(＞2.5×1019cm-3)、好的遷移率(～85cm2/V-s)和高的dc電流增益(在Rsb～300Ω/□時＞60)，生長是對每個組優(yōu)化的。在下面的實驗中使用的GaInAsN基極層在組成上分級的DHBT的結(jié)構(gòu)被展示在圖13中。用于基極層在組成上分級的DHBT的替代結(jié)構(gòu)被展示在圖7b和7c中。在下面的實驗中用來進行比較的有固定的組成的GaInAsN基極層的DHBT的結(jié)構(gòu)被展示在圖14中。
圖15展示來自基極固定的和分級的有可比的閾值電壓和基極表面電阻的DHBT的Gummel曲線。基極電流的中性基極成分在能呈現(xiàn)比固定的基極結(jié)構(gòu)高2倍以上的峰值dc電流增益的分級的基極結(jié)構(gòu)中明顯地比較低。圖16比較來自厚度不同的相似的固定的和分級的DHBT結(jié)構(gòu)的作為的函數(shù)的dc電流增益。在增益/基極表面電阻之比方面的增加很容易看到。盡管DHBT的增益/基極表面電阻之比取決于所利用的生長條件和總結(jié)構(gòu)特定的細節(jié)，但是業(yè)已觀察在基極層分級的DHBT中dc電流增益的增加一致地超過基極層固定的DHBT50％到100％。
圖17和18將來自分級的基極結(jié)構(gòu)的與來自兩種固定的基極結(jié)構(gòu)的Gummel曲線和增益曲線進行比較。第一種固定的基極結(jié)構(gòu)的基極組成對應(yīng)于分級基極在基極-發(fā)射極結(jié)的基極層組成。第二種固定的基極結(jié)構(gòu)的基極組成對應(yīng)于分級基極在基極發(fā)射極結(jié)的基極層組成。分級基極結(jié)構(gòu)的閾值電壓是兩個分界點結(jié)構(gòu)之間的中間值，但是向基極-發(fā)射極分界點傾斜。分級基極結(jié)構(gòu)的dc電流增益比分界點結(jié)構(gòu)高50％到95％，從而表明dc電流增益的大部分增加來源于電子速度的增加。
晶片上的FF測試是使用HP8510C參數(shù)分析器在兩個指狀的4μm×4μm發(fā)射極面積的器件上完成的。寄生焊點(pad parasitic)是使用開路和短路結(jié)構(gòu)(open and short structures)解除埋置的，而電流增益截止頻率(ft)是用-20分貝/十進制斜率的小信號電流增益(H21)外推的。圖19總結(jié)在兩種結(jié)構(gòu)上ft與集電極電流密度(Jc)的依從關(guān)系。圖20舉例說明在一個特定的偏壓點小信號增益隨頻率的變化。
當(dāng)Jc增加而基極渡越時間(tb)開始在總數(shù)渡越時間中起限制作用的時候，分級基極結(jié)構(gòu)的ft變得顯著地大于組成固定的結(jié)構(gòu)，不管分級基極結(jié)構(gòu)較大的基極厚度(固定的基極層是60nm厚，而分級的基極層是80nm厚)。60nm組成固定的GaInAsN基極的峰值ft是53GHz，而80nm組成上分級的GaInAsN基極具有60GHz的峰值ft。因此，電流增益截止頻率被增加13％。
為了較好地將GaInAsN基極層固定的和分級的DHBT的RF結(jié)果相互比較并且與傳統(tǒng)的GaAs HBT進行比較，來自圖19的ft數(shù)值被繪制成隨能加給晶體管的零輸入電流擊穿電壓(BVceo)變化的曲線。這條曲線與在文獻中引用的傳統(tǒng)的GaAs HBT的峰值或接近峰值的ft數(shù)值進行比較。在傳統(tǒng)的GaAs HBT的ft數(shù)值方面相當(dāng)寬的分布是預(yù)期的，因為這個數(shù)據(jù)是依據(jù)許多組使用不同的外延結(jié)構(gòu)、器件尺寸和測試條件的數(shù)據(jù)編輯的而且僅僅是意欲感受當(dāng)前的工業(yè)標準。BVceo大部分往往不得不假定集電極厚度()、BVcbo和圖21中展示的BVceo之間的關(guān)系從引用的集電極厚度估計。另外，假定通過集電極的空間電荷層的渡越時間(τsclc)通過電子飽和(漂移)速度(Vs)與Xc簡單地相關(guān)，在圖21中展示的是預(yù)期的ft對BVceo的依從關(guān)系的三種簡單的計算。在基線計算中，τb被假定為1.115ps，如同依據(jù)用于1000埃的GaAs基極層的Monte-Carlo計算預(yù)期的那樣，而剩余的發(fā)射極和集電極的渡越時間的總和(τe+τc)被取為0.95ps。
圖21的檢驗表明盡管組成固定的GaInAsN的ft不完全在對傳統(tǒng)的基于GaAs的HBT預(yù)期的范圍之外面，但是它顯然在分布的低端。分級的基極結(jié)構(gòu)得到顯著的改善。第二種計算(τb減少2/3的基線)建議相對于組成固定的結(jié)構(gòu)基極的渡越時間被減少大約50％。這表明與組成固定的基極層相比載流子速度增加1倍是在分級的基極層中實現(xiàn)的，因為預(yù)期速度增加1倍與基極厚度增加33％組合將導(dǎo)致τb減少1/2×4/3＝2/3。第三種計算(τb減少1/3而(τe+τc)減少1/2的基線)近似連同改善的器件設(shè)計和尺寸(使τb、τe和τc最小化)一起使用薄的和/或分級的基極結(jié)構(gòu)的情形。
實施例3為了提高放大器效率并因此降低工作電壓和延長電池壽命，降低補償電壓(VCE，sat)和拐點電壓(Vk)是需要的。降低補償電壓的一個方法是使基極/發(fā)射極和基極/集電極二極管對的閾值電壓的不對稱性最小。有寬帶隙集電極的DHBT業(yè)已表明產(chǎn)生低的VCE，sat數(shù)值，但在實踐中這導(dǎo)致較高的Vk和降低效率，因為控制基極/集電極異質(zhì)結(jié)的位壘是困難的。
有高帶隙的薄層(隧道集電極)的插入允許VCE，sat和Vk同時降低，從而提高器件的效率。圖22展示有分級的GaInAsN基極層和隧道集電極的DHBT的示意圖?；鶚O層是這樣分級的，以致在發(fā)射結(jié)和集電結(jié)之間存在大約40meV帶隙能量差。100埃厚的隧道集電極是在基極和集電極之間制作的，它由高帶隙材料In0.5Ga0.5P組成。圖23展示圖22的DHBT的帶隙圖。DHBT如同大面積器件(L＝75μm×75μm)那樣是使用簡單的濕蝕刻工藝制作的而且是按共基極和共發(fā)射極配置測試的。圖24展示Gummel曲線和圖25展示適合于圖22的DHBT的共發(fā)射極特性。如同能從圖24和25中看到的那樣，該器件有大約0.12V的低補償電壓。
等價方案盡管這項發(fā)明已參照其優(yōu)選實施方案被具體地展示和描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會理解在形成和細節(jié)方面各種各樣的改變可以在不脫離權(quán)利要求書所囊括的本發(fā)明的范圍的情況下完成。
權(quán)利要求
1.一種異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其中包括(a)n-摻雜的集電極；(b)在集電極上形成的包括III-V族材料的基極，其中III-V族的材料包括銦和氮，而且基極是用碳以大約1.5×1019cm-3到大約7.0×1019cm-3的濃度摻雜的；以及(c)在基極上形成的n-摻雜的發(fā)射極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的晶體管，其中基極包含元素鎵、銦、砷和氮。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的晶體管，其中集電極是GaAs，發(fā)射極是InGaP、AlInGaP或AlGaAs，而晶體管是雙異質(zhì)結(jié)的雙極晶體管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的晶體管，其中基極層帶隙在接觸集電極的基極層表面比接觸發(fā)射極的基極層表面的帶隙低某個介于大約20meV和大約120meV之間的數(shù)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的晶體管，其中基極層的帶隙是從接觸集電極的基極層表面到接觸發(fā)射極的基極層表面線性分級的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的基極層，其中在分級的基極層中平均的帶隙減少在小于GaAs的帶隙的介于大約20meV和大約300meV之間的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的基極層，其中在分級的基極層中平均的帶隙減少比GaAs的帶隙少大約80meV到大約300meV。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的基極層，其中在分級的基極層中平均的帶隙減少比GaAs的帶隙少大約20meV到大約200meV。
9.根據(jù)權(quán)利要求3的晶體管，其中基極層包括化學(xué)式為Ga1-xInxAs1-yNy的膜層，其中x和y各自獨立地是大約1.0×10-4到大約2.0×10-1。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的晶體管，其中x大約等于3y。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的晶體管，其中x具有在集電極旁從大約0.2和大約0.02的數(shù)值而且被分級到在發(fā)射極旁從大約0.1到大約0的數(shù)值，只要x在集電極附近大于在發(fā)射極附近即可。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的晶體管，其中x在集電極大約為0.06，在發(fā)射極大約為0.01。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的晶體管，其中基極層有大約400埃到大約1500埃的厚度和大約100歐姆/平方到大約400歐姆/平方的表面電阻率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的晶體管，其中在發(fā)射極中n-攙雜物是以介于大約3.5×1017cm-3和大約4.5×1017cm-3之間的濃度存在的，而在集電極中n-攙雜物是以介于9×1015cm-3到大約2×1016cm-3之間的濃度存在的。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的晶體管，其中發(fā)射極和集電極都是用硅摻雜的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的晶體管，其中發(fā)射極具有大約500埃到大約750埃的厚度，而集電極具有大約3500埃到大約4500埃的厚度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的晶體管，進一步包括沉積在基極和集電極之間的第一過渡層，所述的第一過渡層有與基極的第一表面鄰接的第一表面，其中第一過渡層包括選自GaAs、InGaAs和InGaAsN的n-摻雜材料。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的晶體管，進一步包括有與發(fā)射極的第一表面鄰接的第一表面和與基極的第二表面鄰接的第二表面的第二過渡層，其中第二過渡層包括選自GaAs、InGaAs和InGaAsN的n-摻雜材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的晶體管，進一步包括有與集電極的第一表面鄰接的第一表面和與第一過渡層的第二表面鄰接的第二表面的晶格匹配層，其中晶格匹配層是寬帶隙材料。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的晶體管，其中晶格匹配層選自InGaP、AlInGaP和ALGaAs。
21.根據(jù)權(quán)利要求18的晶體管，其中第一和第二過渡層具有大約40埃到大約60埃的厚度。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的晶體管，其中第一和第二過渡層有大約40埃到大約60埃的厚度，而晶格匹配層有大約150埃到大約250埃的厚度。
23.一種制作異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的方法，其中包括下述步驟(a)在n-摻雜的GaAs集電極層上生長出包含來自鎵、銦、砷和氮來源的鎵、銦、砷和氮的基極層，其中基極層是用來自外部的碳源的碳p-摻雜的；和(b)在基極層上生長n-摻雜的發(fā)射極層。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中外部的碳源是四溴化碳或四氯化碳。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的方法，其中鎵的來源選自三甲基鎵和三乙基鎵。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中氮的來源是氨、二甲基肼或叔丁基胺。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中砷來源與鎵源之比是大約2.0到大約3.5。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中基極是在低于大約750℃的溫度下生長的。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中基極是在大約500℃到大約600℃的溫度下生長的。
30.根據(jù)權(quán)利要求28的方法，其中基極層包括化學(xué)式為Ga1-xInxAs1-yNy的膜層，其中x和y各自獨立地是大約1.0×10-4到大約2.0×10-1。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中x大約等于3y。
32.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，其中集電極包括GaAs，發(fā)射極包括選自InGaP、AlInGaP和AlGaAs的材料，而晶體管是雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。
33.根據(jù)權(quán)利要求30的方法，進一步包括在生長基極層之前在集電極層上生長n-摻雜的第一過渡層的步驟，和其中基極層是在n-摻雜的第一過渡層上生長的，而且第一過渡層有分級的帶隙或比集電極的帶隙小的帶隙。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中第一過渡層選自GaAs、InGaAs和InGaAsN。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的方法，進一步包括在生長n-摻雜的發(fā)射極層之前在基極上生長第二過渡層的步驟，其中第二過渡層有與基極第一表面的表面鄰接的第一表面和與發(fā)射極的表面鄰接的第二表面，而且第二過渡層具有比發(fā)射極的摻雜濃度小至少一個數(shù)量級的摻雜濃度。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的方法，其中第二過渡層選自GaAs、InGaAs和InGaAsN。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，其中所形成的第一過渡層、第二過渡層或第一和第二過渡層兩者有摻雜活性種。
38.根據(jù)權(quán)利要求36的方法，進一步包括在生長n-摻雜的第一過渡層之前在集電極上生長晶格匹配層的步驟，其中晶格匹配層有與集電極的第一表面鄰接的第一表面和與第一過渡層的第二表面鄰接的第二表面。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的方法，其中晶格匹配層包括InGaP。
40.一種包括鎵、銦、砷和氮的材料，其中材料是用碳以大約1.5×1019cm-3到大約7.0×1019cm-3的濃度摻雜的。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的材料，其中材料的組成能用化學(xué)式Ga1-xInxAs1-yNy表示，其中x和y各自獨立地在介于大約1.0×10-4和大約2.0×10-1之間的范圍內(nèi)。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的材料，其中x大約等于3y。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的材料，其中x和3y都是大約0.01。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的材料，其中碳的濃度是至少大約3.0×1019cm-3。
45.一種包括鎵、銦、砷和氮的材料，其中材料的組成是用化學(xué)式Ga1-xInxAs1-yNy表示的，其中x和y各自獨立地是從在材料的第一表面的大數(shù)值到在材料的第二表面的小數(shù)值線性分級的。
46.根據(jù)權(quán)利要求45的材料，其中材料是用碳摻雜的。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的材料，其中x從材料的第二表面到材料的第一表面是從大約0.01到大約0.06線性分級的。
48.一種包括鎵、銦、砷和氮的材料，其中材料的組成是用化學(xué)式Ga1-xInxAs1-yNy表示的，其中x是從在材料的第一表面的大數(shù)值到在材料的第二表面的小數(shù)值線性分級的，而y在材料中處處保持本質(zhì)上恒定不變。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的材料，其中材料是用碳摻雜的。
50.根據(jù)權(quán)利要求49的材料，其中x從材料的第二表面到材料的第一表面是從大約0.01到大約0.06線性分級的，而y是大約0.001。
51.一種形成從第一表面通過膜層到第二表面有本質(zhì)上線性的帶隙等級和本質(zhì)上不變的摻雜-遷移率的乘積的分級的半導(dǎo)體層的方法，該方法包括下述步驟(a)比較校準層的摻雜-遷移率的乘積，其中每個校準層是在一種沉積周期表中III或V族的原子的有機金屬化合物的或沉積碳的四鹵化碳化合物的截然不同的流速下形成的，借此形成本質(zhì)上不變的摻雜-遷移率乘積所需要的有機金屬化合物和四鹵化碳的相對流速被確定下來；和(b)使有機金屬化合物和四鹵化碳化合物以所述的相對速率在表面上流動，以形成本質(zhì)上不變的摻雜-遷移率的乘積，在沉積期間改變所述的流速，借此形成穿過分級的半導(dǎo)體層的本質(zhì)上線性的帶隙等級。
52.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，進一步包括在制作結(jié)型器件期間在第二半導(dǎo)體層上沉積分級膜層的步驟。
53.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其中第二半導(dǎo)體層是集電極層。
54.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其中第二半導(dǎo)體層是發(fā)射極層。
55.根據(jù)權(quán)利要求51的方法，其中分級的半導(dǎo)體層包括鎵、銦和砷，其中為了形成本質(zhì)上不變的摻雜-遷移率乘積決定四鹵化碳的沉積速率的有機金屬化合物包括有機銦化合物。
56.根據(jù)權(quán)利要求55的方法，其中四鹵化碳是CBr4。
57.根據(jù)權(quán)利要求56的方法，其中有機金屬化合物進一步包括作為氮的來源的氣體。
58.根據(jù)權(quán)利要求57的方法，其中有分級的半導(dǎo)體層沉積在其中的第二半導(dǎo)體層包括GaAs。
59.根據(jù)權(quán)利要求58的方法，進一步包括在基極層上沉積第三半導(dǎo)體層的步驟。
60.根據(jù)權(quán)利要求59的方法，其中第三半導(dǎo)體層是InGaP。
61.根據(jù)權(quán)利要求58的方法，其中用于每個校準層的摻雜-遷移率的乘積與帶隙相關(guān)，借此帶隙在分級膜層的第一和第二表面與摻雜-遷移率乘積結(jié)合將對沉積所述的分級半導(dǎo)體層必不可少的有機金屬和四鹵化碳流速的相對比率進行校準。
62.根據(jù)權(quán)利要求61的方法，其中所述的帶隙是作為結(jié)型器件的基極-發(fā)射極的電壓使用所述的校準層作為基極層相對于GaAs進行校準的。
63.根據(jù)權(quán)利要求62的方法，其中所形成的分級的半導(dǎo)體基極層是異質(zhì)結(jié)雙極晶體管中的基極層。
64.根據(jù)權(quán)利要求63的方法，其中有機金屬化合物和四鹵化碳的流速使最終分級的基極層的帶隙從所述的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極-發(fā)射極結(jié)到基極-集電極結(jié)逐漸減少。
65.根據(jù)權(quán)利要求51的方法制成的半導(dǎo)體材料。
全文摘要
碳攙雜物濃度高的半導(dǎo)體材料包括鎵、銦、砷和氮。本文揭示的半導(dǎo)體材料因為獲得的碳攙雜物濃度高所以有低的表面電阻率。該材料能作為基于砷化鎵的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的基極層，而且能通過控制基極層中銦和氮的濃度與砷化鎵發(fā)射極層和/或集電極層晶格匹配?；鶚O層可以通過在用來相對于代表大部分膜層的不同的III－V族元素減少帶隙的III和V族的附加元素的沉積期間改變流速形成的分級帶隙。III和V族附加元素的流速維持摻雜－遷移率的乘積數(shù)值在沉積期間本質(zhì)上恒定不變而且能被調(diào)節(jié)，以便在由此產(chǎn)生的晶體管內(nèi)獲得預(yù)先選定的結(jié)的基極－發(fā)射極電壓。
文檔編號H01L29/737GK1647281SQ03807597
公開日2005年7月27日 申請日期2003年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月5日
發(fā)明者羅杰·E·威爾士, 保羅·M·笛流卡, 查爾斯·R·盧茲, 凱文·S·史蒂文斯 申請人:科比恩公司