有分级基极层的双极晶体管制造技术

碳搀杂物浓度高的半导体材料包括镓、铟、砷和氮。本文揭示的半导体材料因为获得的碳搀杂物浓度高所以有低的表面电阻率。该材料能作为基于砷化镓的异质结双极晶体管的基极层，而且能通过控制基极层中铟和氮的浓度与砷化镓发射极层和／或集电极层晶格匹配。基极层可以通过在用来相对于代表大部分膜层的不同的Ⅲ－Ⅴ族元素减少带隙的Ⅲ和Ⅴ族的附加元素的沉积期间改变流速形成的分级带隙。Ⅲ和Ⅴ族附加元素的流速维持掺杂－迁移率的乘积数值在沉积期间本质上恒定不变而且能被调节，以便在由此产生的晶体管内获得预先选定的结的基极－发射极电压。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
相关的专利申请这份申请是2002年4月10日申请的美国专利申请第10/121,444号的继续申请，10/121,444号申请是作为2000年11月27日申请的美国专利09/995,079号的部分继续申请，09/995,079号申请要求2001年11月27日申请的美国专利临时申请第60/253,159号的权益，在此通过引证将其全部合并入本文。这份申请还要求2002年4月5日申请的美国专利临时申请第60/370,758号和2002年4月10日申请的美国专利临时申请第60/371,648号的权益，在此通过引证将其全部合并入本文。本专利技术的现有技术双极结晶体管(BJT)和异质结双极晶体管(HBT)集成电路(ICs)已发展成适合多种应用的重要技术，尤其是用于无线手机的功率放大器、微波仪表设备和用于光纤通信系统的高速(＞10Gbit/s)电路。未来的需要预期是需要工作电压较低的、频率性能更高的、功率附加效率更高的和生产成本较低的器件。BJT或HBT的阈值电压(Vbe，on)被限定为实现某一固定的集电极电流密度(Jc)必不可少的基极-发射极电压(Vbe)。阈值电压能限制器件对于供电功率受电池技术和其它元器件的功率需求限制的低功率应用的有效性。不同于其中的发射极、基极和集电极用一种半导体材料制造的BJT，HBT是用两种相异的半导体材料制造的，其中发射极半导体材料具有比制作基极的半导体材料大的带隙(也叫做“禁带宽度”)。这导致在BJT上载流子从基极到集电极的出众的注射效率，因为那儿有固定的壁垒阻止载流子从基极注射回发射极。选择带隙较小的基极减少阈值电压，因为在载流子从基极进入集电极的注射效率方面的增加将在给定的基极-发射极电压下增加集电极电流密度。然而，HBT可能遭受在能在HBT的发射极-基极界面导致在导带活性种的异质结半导体材料的能带队列突然中断的缺点的损害。这个导带活性种的作用是阻断电子从基极进入集电极的迁移。因而，电子比较久地逗留在基极，从而导致复合水平增高和集电极电流增益(βdc)降低。如同前面讨论的那样，由于异质结双极晶体管的阈值电压被限定为实现某一固定的集电极电流密度必不可少的基极-发射极电压，所以降低集电极电流增益有效地升高HBT的阈值电压。因此，在HBT的半导体材料的制作方面进一步改进是必要的，为的是降低阈值电压并借此改善低电压操作的器件。本专利技术的概述本专利技术提供有n-掺杂的集电极、在集电极上形成的由包括铟和氮在内的III-V族的材料组成的基极和在基极上形成的n-掺杂的发射极的HBT。基极层的III-V族的材料具有大约1.5×1019cm-3到大约7.0×1019cm-3的碳搀杂物浓度。在优选的实施方案中，基极层包括元素镓、铟、砷和氮。铟和氮的存在相对于GaAs的带隙降低材料的带隙。此外，材料中搀杂物浓度是高的，表面电阻率(Rsb)是低的。这些因素导致相对于有搀杂物浓度相似的GaAs基极层的HBT较低的阈值电压。在优选的实施方案中，III-V族的化合物材料系统可以用化学式Ga1-xInxAs1-yNy表示。众所周知Ga1-xInxAs的禁带宽度当少量的氮被并入材料的时候实质上下降。而且，因为氮按与铟相反的方向推晶格常数，Ga1-xInxAs1-yNy合金能通过把适当的铟/氮比加到材料中生长出与GaAs匹配的晶格。因此，导致带隙增加和错配材料位错的过度的应变能被消除。因此铟/氮比已被选定，以便减少或消除应变。在本专利技术的优选实施方案中，在HBT的Ga1-xInxAs1-yNy基极层中x＝3y。在传统的有GaAs的HBT中，电流增益通常由于空穴对发射极注入较高、空间电荷层复合电流较高和在基极中扩散长度可能较短随着温度递增而递减。在有GaInAsN基极层的HBT中，业已发现随着温度升高电流增益显著增加(大约每升高1℃增加0.3％)。这个结果被解释为随着温度升高扩散长度增加。如果在能带底部的电子被限制在至少部分定域的状态而且随着温度的递增，它们受到热激励从那些状态跳到电子更容易扩散的其它状态，那么这样的效果是期待的。因此，用GaInAsN制造基极层将改善本专利技术的HBT的温度特征和减少对温度补偿辅助电路的需要。有GaInAsN基极层的HBT具有超过有GaAs基极层的传统的HBT的改善的共发射极输出特性。例如，有GaInAsN基极层的HBT与有GaAs基极层的传统的HBT相比补偿电压和拐点电压都比较低。在一个实施方案中，晶体管是双异质结的双极晶体管(DHBT)，其中组成基极的半导体材料不同于制作发射极和集电极的半导体材料。在DHBT的优选实施方案中，Ga1-xInxAs1-yNy基极层能用化学式Ga1-xInxAs1-yNy表示，集电极是GaAs，而发射极选自InGaP、AlInGaP和AlGaAs。本专利技术的另一个优选实施方案涉及HBT或DHBT，其中导带活性种的高度因与基极层禁带宽度(Egb)的降低结合而下降。导带活性种是由在基极/发射极异质结或基极/集电极异质结的导带的不连续性引起的。通过使基极层与发射极和/或集电极层晶格匹配减少晶格应变将降低导带活性种。这通常是通过控制基极层中氮和铟的浓度实现的。优选的是，基极层有化学式Ga1-xInxAs1-yNy，其中x大约等于3y。在一个实施方案中，基极可以是组成上分级的，以便产生在集电极带隙较小而在发射极带隙较大的分级带隙层。优选的是，基极层带隙在接触集电极的基极层表面比在接触发射极的基极层表面低大约20meV到大约120meV。更优选的是，基极层的带隙在基极层中从集电极到发射极线性变化。GaAs半导体材料中加进氮和铟将降低材料的带隙。因此，半导体材料Ga1-xInxAs1-yNy与GaAs相比具有较低的带隙。在本专利技术的组成上分级的基极层Ga1-xInxAs1-yNy中，基极层的带隙减少靠近集电极大于靠近发射极。然而，与GaAs的带隙相比，横穿基极层的平均带隙减少通常为大约10meV到大约300meV。在一个实施方案中，与GaAs的带隙相比，横穿基极层的平均带隙减少通常为大约80meV到大约300meV。在另一个实施方案中，与GaAs的带隙比较，横穿基极层的平均带隙减少通常为大约10meV到大约200meV。这种减少的带隙将导致有组成分级的基极层Ga1-xInxAs1-yNy的HBT的阈值电压(Vbe，on)低于有GaAs基极层的HBT，因为Vbe，on的主要的决定因素是基极中固有的载流子浓度。固有的载流子浓度(ni)是从下面的公式计算的ni＝NcNvexp(-Eg/kT)在上面的公式中，Nc是导带状态的有效密度；Nv是价带状态的有效密度；Eg是带隙；T是温度；而k是Boltzmann常数。如同能从公式中看到的那样，基极中固有的载流子浓度在很大程度上受基极中使用的材料的带隙的控制。把基极层的带隙从在基极-发射极界面大的带隙到在基极-集电极界面小的带隙分级将引进准电场，该电场在npn型双极晶体管中加速电子横越基极层。电场增加基极中的电子速度，从而减少基极渡越时间，改善RF(射频)性能和提高集电极电流增益(也叫做dc电流增益)。dc增益(βdc)在有大量掺杂的基极层的HBT的情况下受中性基极(n＝1)中的散体重组的限制。dc电流增益可以用公式1估计βdc＝vτ/本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种异质结双极晶体管，其中包括：（ａ）ｎ－掺杂的集电极；（ｂ）在集电极上形成的包括Ⅲ－Ⅴ族材料的基极，其中Ⅲ－Ⅴ族的材料包括铟和氮，而且基极是用碳以大约１．５×１０↑［１９］ｃｍ↑［－３］到大约７．０×１０↑［１９］ｃｍ↑［ －３］的浓度掺杂的；以及（ｃ）在基极上形成的ｎ－掺杂的发射极。

【技术特征摘要】
US 2002-4-5 60/370,758;US 2002-4-10 60/371,648;US 1.一种异质结双极晶体管，其中包括(a)n-掺杂的集电极；(b)在集电极上形成的包括III-V族材料的基极，其中III-V族的材料包括铟和氮，而且基极是用碳以大约1.5×1019cm-3到大约7.0×1019cm-3的浓度掺杂的；以及(c)在基极上形成的n-掺杂的发射极。2.根据权利要求1的晶体管，其中基极包含元素镓、铟、砷和氮。3.根据权利要求2的晶体管，其中集电极是GaAs，发射极是InGaP、AlInGaP或AlGaAs，而晶体管是双异质结的双极晶体管。4.根据权利要求2的晶体管，其中基极层带隙在接触集电极的基极层表面比接触发射极的基极层表面的带隙低某个介于大约20meV和大约120meV之间的数量。5.根据权利要求4的晶体管，其中基极层的带隙是从接触集电极的基极层表面到接触发射极的基极层表面线性分级的。6.根据权利要求5的基极层，其中在分级的基极层中平均的带隙减少在小于GaAs的带隙的介于大约20meV和大约300meV之间的范围内。7.根据权利要求6的基极层，其中在分级的基极层中平均的带隙减少比GaAs的带隙少大约80meV到大约300meV。8.根据权利要求6的基极层，其中在分级的基极层中平均的带隙减少比GaAs的带隙少大约20meV到大约200meV。9.根据权利要求3的晶体管，其中基极层包括化学式为Ga1-xInxAs1-yNy的膜层，其中x和y各自独立地是大约1.0×10-4到大约2.0×10-1。10.根据权利要求9的晶体管，其中x大约等于3y。11.根据权利要求9的晶体管，其中x具有在集电极旁从大约0.2和大约0.02的数值而且被分级到在发射极旁从大约0.1到大约0的数值，只要x在集电极附近大于在发射极附近即可。12.根据权利要求11的晶体管，其中x在集电极大约为0.06，在发射极大约为0.01。13.根据权利要求10的晶体管，其中基极层有大约400埃到大约1500埃的厚度和大约100欧姆/平方到大约400欧姆/平方的表面电阻率。14.根据权利要求13的晶体管，其中在发射极中n-搀杂物是以介于大约3.5×1017cm-3和大约4.5×1017cm-3之间的浓度存在的，而在集电极中n-搀杂物是以介于9×1015cm-3到大约2×1016cm-3之间的浓度存在的。15.根据权利要求14的晶体管，其中发射极和集电极都是用硅掺杂的。16.根据权利要求15的晶体管，其中发射极具有大约500埃到大约750埃的厚度，而集电极具有大约3500埃到大约4500埃的厚度。17.根据权利要求16的晶体管，进一步包括沉积在基极和集电极之间的第一过渡层，所述的第一过渡层有与基极的第一表面邻接的第一表面，其中第一过渡层包括选自GaAs、InGaAs和InGaAsN的n-掺杂材料。18.根据权利要求16的晶体管，进一步包括有与发射极的第一表面邻接的第一表面和与基极的第二表面邻接的第二表面的第二过渡层，其中第二过渡层包括选自GaAs、InGaAs和InGaAsN的n-掺杂材料。19.根据权利要求16的晶体管，进一步包括有与集电极的第一表面邻接的第一表面和与第一过渡层的第二表面邻接的第二表面的晶格匹配层，其中晶格匹配层是宽带隙材料。20.根据权利要求19的晶体管，其中晶格匹配层选自InGaP、AlInGaP和ALGaAs。21.根据权利要求18的晶体管，其中第一和第二过渡层具有大约40埃到大约60埃的厚度。22.根据权利要求19的晶体管，其中第一和第二过渡层有大约40埃到大约60埃的厚度，而晶格匹配层有大约150埃到大约250埃的厚度。23.一种制作异质结双极晶体管的方法，其中包括下述步骤(a)在n-掺杂的GaAs集电极层上生长出包含来自镓、铟、砷和氮来源的镓、铟、砷和氮的基极层，其中基极层是用来自外部的碳源的碳p-掺杂的；和(b)在基极层上生长n-掺杂的发射极层。24.根据权利要求23的方法，其中外部的碳源是四溴化碳或四氯化碳。25.根据权利要求24的方法，其中镓的来源选自三甲基镓和三乙基镓。26.根据权利要求25的方法，其中氮的来源是氨、二甲基肼或叔丁基胺。27.根据权利要求26的方法，其中砷来源与镓源之比是大约2.0到大约3.5。28.根据权利要求27的方法，其中基极是在低于大约750℃的温度下生长的。29.根据权利要求28的方法，其中基极是在大约500℃到大约600℃的温度下生长的。30.根据权利要求28的方法，其中基极层包括化学式为Ga1-xInxAs1-yNy的膜层，其中x和y各自独立地是大约1.0×10-4到大约2.0×10-1。31.根据权利要求30的方法，其中x大约等于3y。32.根据权利要求30的方法，其中集电极包括GaAs，发射极包括选自InGaP、AlInGaP和AlGa...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗杰E威尔士，保罗M笛流卡，查尔斯R卢兹，凯文S史蒂文斯，
申请(专利权)人：科比恩公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]