專利名稱：變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變形異質(zhì)接面雙極性晶體管(metamorphicheterojunction bipolar transistor，MHBT)，特別是有關(guān)于一種具有適用于低成本生產(chǎn)于大尺寸砷化鎵晶圓的材料結(jié)構(gòu)的變形異質(zhì)接面雙極性晶體管。
近來，無論是在軍事工或商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中的數(shù)字電腦、通訊系統(tǒng)、以及尖端電子系統(tǒng)中，高性能的晶體管系列的放大器因其能在高頻處理電子信號(hào)，遂儼然成為新一代高科技工業(yè)的巨星。這些放大器無論在低成本、高增益、低雜訊、與高頻性能上均具有優(yōu)于傳統(tǒng)的IMPATT與TWTS等微波元件的特性。
異質(zhì)接面雙極性晶體管(heterojunction bipolar transistor，HBT)于兩種不同組成與能隙的半導(dǎo)體之間具有一異質(zhì)接面。其使用寬能隙的射極以及窄能隙的基極，造成在異質(zhì)接面處的能帶補(bǔ)償，有助于N-p-n晶體管內(nèi)的電子發(fā)射至基極，并且同時(shí)阻礙電洞發(fā)生進(jìn)入射極。并且由于聚集在位障的電子以順向加速的方式入射至基極，減少了基極的橫越時(shí)間(transittime)，遂提供了在高頻操作的優(yōu)勢(shì)。
因此，ALGaAs(或InGaP)/GaAs材料系列的砷化鎵異質(zhì)接面雙極性晶體管極適用于移動(dòng)電話中的功率放大器的應(yīng)用，因其具有高頻、高線性、小晶粒尺寸、以及只需要一供應(yīng)電源等優(yōu)點(diǎn)。然而，砷化鎵系列異質(zhì)接面雙極性晶體管的高導(dǎo)通電壓于實(shí)際應(yīng)用中卻將目前所使用的移動(dòng)電話限制于3.0至3.6伏特范圍的操作電壓。
目前移動(dòng)通訊的主要趨勢(shì)是將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成支援單一細(xì)胞鋰電池，其供給電壓范圍在1.2至1.5伏特之間(已從常用的3.6伏特下降)。此乃歸因于電池組的尺寸與重量的減輕，其中該電池組是占去無線手機(jī)大約60％的總重量。相對(duì)地，磷化銦系列的異質(zhì)執(zhí)著面雙極性晶體管則極適用于1.5伏特的操作電壓，因?yàn)槠渚哂休^低的導(dǎo)通電壓，并且提供較砷化鎵系列異質(zhì)接面雙極性晶體管更高的增益與效率。其主要原因在于高銦含量的材料具有較高的載子遷移率、更快的非平衡傳輸速率、以及較低的表面復(fù)合速率。
InAlAs(或漸變AlInGaAs)/InGaAs異質(zhì)接面材料系列的磷化銦異質(zhì)接面雙極性晶體管已被成功地制造于磷化銦基板上。煩請(qǐng)參閱圖1，其是為展示先前技術(shù)中的磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管的一材料結(jié)構(gòu)的實(shí)例的橫截面圖。如該圖中所示，該磊晶成長(zhǎng)的材料結(jié)構(gòu)是包括有一半絕緣的InP基板10；一高摻雜的n-型InGaAs層12，以形成作為該磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管的集極的歐姆接觸；一低摻雜的n-型InGaAs或Inp或InAlAs層13，以形成該磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管的集極；一高摻雜的P-型InGaAs層14，以形成該磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管的基極以及作為該基極的歐姆接觸；一n-型InAlAs或漸變的AlInGaAs或InP層15，以形成該磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管的射極；以及一高摻雜的n-型InGaAs層16，以形成作為該磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管的射極的歐姆接觸。
因此，該磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管具有提供較高的最大操作頻率以及截止率等優(yōu)點(diǎn)，以大幅降低雜訊、提高增益與效率。此乃基于該磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管具有較高的銦含量，其造成較高的電子速度、電流密度、與轉(zhuǎn)導(dǎo)值。盡管該磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管在低電壓與高效率操作方面具有十足的吸引力，尤其是在移動(dòng)電話的功率放大器的應(yīng)用上，然而其在制造上卻有相當(dāng)大的困難，主要是由于其所使用的磷化銦基板。另外，磷化銦晶圓非常易碎、昂貴、且目前只限于三寸的晶圓供應(yīng)。相對(duì)地，如果使用六寸的砷化鎵晶圓，砷化鎵系列異質(zhì)接面雙極性晶體管的制程技術(shù)例能具有較高的良率與較低的成本(目前較磷化銦少了的40％)。
因此，發(fā)展出一種具有高效率、低操作電壓與低制造成本的新型裝置實(shí)乃克不容緩。
因此，本發(fā)明的一主要目的乃在提供一種新型的變形異質(zhì)接面雙極性晶體管，其具有一種能帶來高效率與低電壓操作的材料結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一目的乃在提供一種新型的新型變形異質(zhì)接面雙極性晶體管，其具有一種能降低制造成本的材料結(jié)構(gòu)。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明新型變形異質(zhì)接面雙極性晶體管，其具有一材料結(jié)構(gòu)，以適用于低成本生產(chǎn)于大尺寸砷化鎵晶圓，該材料結(jié)構(gòu)包括有一半絕緣的GaAs(伸化鎵)基板；一未摻雜的AlGaAsSb(砷銻化鋁鎵)或AlInGaAs(砷化鋁銦鎵)或其他形式的變形緩沖層；一高摻雜的n-型InGaAS(砷化銦鎵)層，以形成作為該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的集極的歐姆接觸；一低摻雜的n-型InGaAs(砷化銦鎵)或InP(磷化銦)或InAlAs(砷化銦鋁)層，以形成該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的集極；一高摻雜的p-型InGaAs(砷化銦鎵)層，以形成該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的基極以及作為該基極的歐姆接觸；一n-型InAlAs(砷化銦鋁)或漸變的AlInGaAs(砷化鋁銦鎵)或InP(磷化銦)層，以形成該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的射極；以及一高摻雜的n-型InGaAs(砷化銦鎵)層，以形成作為該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的射極的歐姆接觸。
較佳者，該材料結(jié)構(gòu)是磊晶成長(zhǎng)于具有六寸或更大直徑的大尺寸砷化鎵晶圓上。
本發(fā)明的性質(zhì)、原理與應(yīng)用，藉由下列參照附圖所作的較佳具體實(shí)施例的詳細(xì)描述，將會(huì)更為明白，其中類似的元件是由類似的參考數(shù)字或字元所表示，其中


圖1是展示先前技術(shù)中的磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管的一材料結(jié)構(gòu)的實(shí)施例的橫截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例所繪示的變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的一材料結(jié)構(gòu)的實(shí)例的橫截面圖。
煩請(qǐng)參閱圖2所示，其是為根據(jù)本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例所繪示的變形異質(zhì)接面雙極性晶體管之一材料結(jié)構(gòu)的實(shí)例的橫截面圖。如圖所示，該磊晶成長(zhǎng)的材料結(jié)構(gòu)是包括有一半絕緣的GaAs(伸化鎵)基板20；一未摻雜的AlGaAsSb(砷銻化鋁鎵)或AlInGaAs(砷化鋁銦鎵)或其他形式的變形緩沖層21；一高摻雜的n-型InGaAs(砷化銦鎵)層22，以形成作為該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的集極的歐姆接觸；一低摻雜的n-型InGaaS(砷化銦鎵)或InP(磷化銦)或InAlAs(砷化銦鋁)層23，以形成該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的集極；一高摻雜的p-型InGaAs(砷化銦鎵)層24，以形成該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的基極以及作為該基極的歐姆接觸；一n-型InAlAs(砷化銦鋁)或漸變的AlInGaAs(砷化鋁銦鎵)或InP(磷化銦)層25，以形成該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的射極；以及一高摻雜的n-型InGaAs(砷化銦鎵)層26，以形成作為該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的射極的歐姆接觸。
值得注意的是，該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的主要特征在于一層緩沖層21，其是包夾于該基板20與該集極歐姆接觸層22間。如此使得該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管得以利用磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管的主動(dòng)層結(jié)構(gòu)于砷化鎵基板20上，此乃由于該緩沖層具有在該砷化鎵基板20以及原本晶格匹配至磷化銦基板10的高銦含量的磊晶成長(zhǎng)層22～26之間的晶格常數(shù)的過度作用。
因此，該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管具有常用的磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管的特性，卻只需要使用砷化鎵基板的制程成本。在實(shí)際使用上，變形異質(zhì)接面雙極性晶體管所使用的砷化鎵基板使得非常高性能的裝置/MMIC(單石微波集成電路)具有低的基板與晶圓制造成本。如果使用大面積的砷化鎵晶圓，例如直徑為六寸，則該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的晶片成本可更為下降。值得注意的是，砷化鎵材料提供有六寸晶圓，而磷化銦材料僅提供有三寸晶圓，變形異質(zhì)接面雙極性晶體管所使用的晶格常數(shù)偏移的緩沖層成長(zhǎng)技術(shù)是可以商業(yè)方式取得，諸如美國(guó)的IQE以及法國(guó)的Picogiga均提供有磊晶代工的業(yè)務(wù)。
變形技術(shù)亦允許在材料結(jié)構(gòu)中的鋁與銦成分的寬松的組成范圍，其提供了優(yōu)良的潛力以供日后更高性能的發(fā)展，例如較已知的磷化銦系列異質(zhì)接面雙極性晶體管更高的崩潰電壓與效率。
綜上所述，我們將本發(fā)明以及先前技術(shù)所揭露無線手機(jī)所用的功率晶體管技術(shù)歸納于比較下表
從以上可發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的新型變形異質(zhì)接面雙極性晶體管具有以下的優(yōu)點(diǎn)(1)晶圓成本遠(yuǎn)低于同尺寸的磷化銦晶圓；(2)砷化鎵基板較不易碎，有助于合格率的提高；(3)易于晶圓背面加工，可節(jié)省40％以上的制造成本；(4)砷化鎵材料提供了較大尺寸的晶圓，有助于低成本晶片的生產(chǎn)。
本發(fā)明的圖式與描述以較佳實(shí)施例說明如上，僅用于藉以幫助了解本發(fā)明的實(shí)施，非用以限定本發(fā)明的精神，而熟悉此領(lǐng)域技藝者領(lǐng)悟本發(fā)明的精神后，在不脫離本發(fā)明的精神范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許更動(dòng)潤(rùn)飾及同等的變化替換，其專利保護(hù)范圍當(dāng)視后附的申請(qǐng)專利范圍及其等同領(lǐng)域而定。
權(quán)利要求
1.一種變形異質(zhì)接面雙極性晶體管，其具有一材料結(jié)構(gòu)，以適用于低成本生產(chǎn)于六寸或更大尺寸的砷化鎵晶圓，其特征在于該材料結(jié)構(gòu)包括有一半絕緣的GaAs(砷化鎵)基板；一未摻雜的變形緩沖層；一高摻雜的n-型InGaAs(砷化銦鎵)層，以形成作為該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的集極的歐姆接觸；一低摻雜的n-型InGaAs(砷化銦鎵)或InP(磷化銦)或InAlAs(砷化銦鋁)層，以形成該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的集極；一高摻雜的p-型InGaAs(砷化銦鎵)層，以形成該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的基極以及作為該基極的歐姆接觸；一n-型InAlAs(砷化銦鋁)或漸變的AlInGaAs(砷化鋁銦鎵)或InP(磷化銦)層，以形成該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的射極；一高摻雜的n-型InGaAs(砷化銦鎵)層，以形成作為該變形異質(zhì)接面雙極性晶體管的射極的歐姆接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的變形異質(zhì)接面雙極性晶體管，其特征在于該未摻雜的變形緩沖層是可為未摻雜的AlGaAsSb(砷銻化鋁鎵)或AlInGaAs(砷化鋁銦鎵)或其他形式的變形緩沖層。
全文摘要
一種變形異質(zhì)接面雙極性晶體管,特別是有關(guān)于一種具有適用于低成本生產(chǎn)于大尺寸砷化鎵晶圓的材料結(jié)構(gòu)的變形異質(zhì)接面雙極性晶體管。本發(fā)明材料結(jié)構(gòu)包括有:一半絕緣的伸化鎵基板;一未摻雜的砷銻化鋁鎵或砷化鋁銦鎵或其他形式的變形緩沖層;一高摻雜的n－型砷化銦鎵層;一低摻雜的n－型砷化銦鎵或磷化銦或砷化銦鋁層;一高摻雜的p－型砷化銦鎵層;一n－型砷化銦鋁或漸變的砷化鋁銦鎵或磷化銦層;以及一高摻雜的n－型砷化銦鎵層。
文檔編號(hào)H01L29/02GK1296291SQ0012431
公開日2001年5月23日 申請(qǐng)日期2000年9月4日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月7日
發(fā)明者趙鵬盛, 吳展興, 林燕津 申請(qǐng)人:穩(wěn)懋半導(dǎo)體股份有限公司