具有电荷补偿集电结结构的微波大功率晶体管制造技术

本发明专利技术公开了一种具有电荷补偿集电结结构的微波大功率晶体管，包括设于高掺杂的衬底上面的高阻外延层和电介质层，电介质层上面设有晶体管基区和发射区，基区和发射区上分别设有晶体管基极和晶体管发射极；发射区下部的高阻外延层内设有晶体管集电极，基区下面的高阻外延层内设有电荷补偿区。在相同的工作电压下，可以明显地提高晶体管的工作频率。

【技术实现步骤摘要】
具有电荷补偿集电结结构的微波大功率晶体管
本专利技术涉及一种晶体管，尤其涉及一种具有电荷补偿集电结结构的微波大功率晶体管。
技术介绍
在过去的二十几年中，硅锗(SiGe)合金外延基区结构异质结晶体管(HBT)取得了巨大的进步。目前已经报道的最高振荡频率已经超过500GHz，已经接近了价格昂贵的化合物半导体器件的最好水平。由于采用了Si/sSiGe发射极异质结和组分渐变外延基区工艺，已经几乎把发射极和基区的优化做到了极致。由于其优良的性能和较低的价格，目前市售的小信号SiGe晶体管和相应的射频集成电路已经占据了相关市场的相当大的份额。但是，在小信号应用中，为了优化发射极渡越时间，集电极需要相对高的掺杂浓度(1017cm-3)，而较高的集电极掺杂浓度又导致了较低的晶体管集电结击穿电压，这就大大地限制了SiGeHBT在大功率器件方面的应用。同其在小信号应用中的巨大进步相比，SiGeHBT在大功率器件方面的进步就不那么明显了。目前市售的SiGe高压(～30V)工作的大功率HBT的工作频率同Si晶体管基本相当(3GHz)，只是饱和增益输出功率略高一些(完全相同结构的SiGeHBT：230W，SiBJT：180W)。为了在Si/SiGeHBT和SiBJT中实现高压工作，集电极外延层掺杂浓度一般选在3～4X1015cm-3。在30V工作电压下，具有这样集电极结构的晶体管的集电结空间电荷区的渡越时间约为20ps，远大于总渡越时间的其他部分。另外，由于相对较轻的集电极外延层掺杂浓度，限制了集电极最高电流密度(Kirk效应)，从而限制了发射极电流密度，进一步加大了发射结渡越时间，限制了晶体管的特征频率。较低的极电极电流密度带来的其他缺点为较大的发射极和相应的集电极面积增加了集电结和发射结电容，并使得大功率器件的输入阻抗过低和功率增益的下降，从而限制了单个器件的输出功率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可以明显地提高晶体管的工作频率的具有电荷补偿集电结结构的微波大功率晶体管。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：本专利技术的具有电荷补偿集电结结构的微波大功率晶体管，包括设于高掺杂的衬底上面的高阻外延层和电介质层，所述电介质层上面设有晶体管基区和发射区，所述基区和发射区上分别设有晶体管基极和晶体管发射极；所述发射区下部的高阻外延层内设有晶体管集电极，外基区下面的高阻外延层内设有电荷补偿区。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例提供的具有电荷补偿集电结结构的微波大功率晶体管，由于在基区下面的高阻外延层内设有电荷补偿区。在相同的工作电压下，本专利技术可以明显地提高晶体管的工作频率。附图说明图1为本专利技术实施例中，在高掺杂的衬底上面设置高阻外延层的示意图；图2为本专利技术实施例中，在外延层上通过离子注入n-型掺杂形成的晶体管集电极，以及在晶体管外基区下面由p-型掺杂形成的电荷补偿区的示意图；图3为本专利技术实施例中，通过离子注入或外延生长形成的晶体管基区，以及在基区上面(通过外延、扩散、或者气相沉积)形成的发射区的示意图；图4为本专利技术实施例中，通过蒸发或离子溅射形成的接触电极的示意图。具体实施方式下面将对本专利技术实施例作进一步地详细描述。本专利技术的具有电荷补偿集电结结构的微波大功率晶体管，其较佳的具体实施方式是：包括设于高掺杂的衬底上面的高阻外延层和电介质层，所述电介质层上面设有晶体管基区和发射区，所述基区和发射区上分别设有晶体管基极和晶体管发射极；所述发射区下部的高阻外延层内设有晶体管集电极，外基区下面的高阻外延层内设有电荷补偿区(基区指的是发射极下面的P型区域，又可称为本征基区，外基区指的其他P型区域)。所述晶体管集电极通过离子注入n-型掺杂形成，所述电荷补偿区通过离子注入p-型掺杂形成。所述基区通过离子注入或外延生长形成，所述发射区通过外延、扩散、或者气相沉积形成。所述晶体管基极电极和晶体管发射极电极通过蒸发或离子溅射形成。本专利技术的具有电荷补偿集电结结构的微波大功率晶体管，同传统晶体管平面集电极结构相比，本专利技术改变了其一维结构，采用了一种新颖的两维集电极结构，利用侧向p-型耗尽区负电荷的补偿作用，有效地改变了集电极空间电荷区的电场分布，在更薄的集电极外延层上获得了更高的集电结击穿电压，有效地降低了集电结空间电荷区渡越时间。同样工作在30V电压下，具有电荷补偿集电结结构的晶体管集电极空间电荷区渡越时间约为12ps。另外，由于此结构的应用，集电极外延层的掺杂浓度可以显著提高，从而提高了发射极电流密度，有效地降低了发射极渡越时间和减小了发射结和集电结电容。本结构对具有SiGe基区的异质结晶体管和Si基区的同质结晶体管的微波功率特性同样有显著改善作用。但对SiGe异质结晶体管的改善作用更为明显。具体实施例：首先，如图1所示，在高掺杂的衬底上面设置高阻外延层；然后，如图2所示，在外延层上通过离子注入n-型掺杂形成的晶体管集电极，以及在晶体管外基区下面由p-型掺杂形成的电荷补偿区；之后，如图3所示，通过离子注入或外延生长形成的晶体管基区，以及在基区上面(通过外延、扩散、或者气相沉积)形成的发射区；最后，如图4所示，通过蒸发或离子溅射形成的接触电极。通过适当地选择器件各层的厚度、宽度、以及掺杂浓度和掺杂分布刨面，可以在权衡器件的击穿电压、工作频率、以及功率密度等方面取得最优设计，获得所需的器件性能。由于p型区引入的与集电极之间的电荷补偿效应，n型区的电场分布将偏离传统的由一维泊松方程确定的电场分布。电荷补偿效应将明显减低p‐n结附近的电场强度。另外，高阻区和p型区的引入将明显地改变基区边缘的电场分布，有效地提高器件的击穿电压。由于p型区的存在，使得集电结击穿电压BVCBO超过理想的平面突变结(由于基区边缘的电场分布，传统结果平面工艺晶体管的集电结击穿电压明显低于理想的平面突变结)。这就有可能在满足击穿电压的前提下，尽可能提高集电极掺杂浓度，以减小集电极空间电荷区渡越时间(在相同工作电压下，集电结空间电荷区渡越时间与集电极掺杂浓度的平方根成反比)。在良好设计的微波大功率晶体管中，集电极渡越时间超过了晶体管总渡越时间2/3，例如，具有60V集电结击穿电压晶体管的集电极掺杂浓度的典型值为3e15cm‐3，其集电极渡越时间约为21ps，大致占fT＝5GHz的晶体管总渡越时间的2/3。当集电极掺杂浓度提高到8e15cm‐3时，集电极渡越时间将减小至13ps，在其他渡越时间不变的情况下，fT将从5GHz增加至7GHz。其次，集电极掺杂浓度的提高可以提高由Kirk效应限制的集电极最大电流密度，从而减小发射极面积，发射结渡越时间大致反比于集电极最大电流。因此，集电极掺杂浓度每提高一倍，在基区薄层电阻较小和发射极条宽较小时，可以不考虑发射极集边效应，发射结渡越时间大致减小一半。综上所述，在相同的工作电压下，本专利技术可以明显地提高晶体管的工作频率。以上所述，仅为本专利技术较佳的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
的技术人员在本专利技术披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。因此，本专利技术的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有电荷补偿集电结结构的微波大功率晶体管，其特征在于，包括设于高掺杂的衬底上面的高阻外延层和电介质层，所述电介质层上面设有晶体管基区和发射区，所述基区和发射区上分别设有晶体管基极和晶体管发射极；所述发射区下部的高阻外延层内设有晶体管集电极，外基区下面的高阻外延层内设有电荷补偿区。

【技术特征摘要】
1.一种具有电荷补偿集电结结构的微波大功率晶体管，其特征在于，包括设于高掺杂的衬底上面的高阻外延层和电介质层，所述电介质层上面设有晶体管基区和发射区，所述基区和发射区上分别设有晶体管基极和晶体管发射极；所述发射区下部的高阻外延层内设有晶体管集电极，外基...

【专利技术属性】
技术研发人员：王玉琦，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34