一種化合物半導體異質接面雙極電晶體的製作方法
2024-03-29 03:14:05
本發明涉及半導體技術，特別是涉及一種化合物半導體異質接面雙極電晶體。
背景技術：
一般異質接面雙極電晶體外延結構在集電極層設計上，均是選擇與基極層同質或異質材料形成所謂單異質接面或雙異質接面電晶體，再以高摻雜濃度方式或較厚厚度方式設計次集電極層用以形成集電極歐姆金屬接觸。故其集電極之雜散電阻值決定於次集電極層高摻雜濃度值與厚度值，及後續工藝製程中的金屬退火程序；另外集電極至基極間距離的器件布局的設計，亦對其雜散電阻有所影響。雜散電阻的存在影響了異質接面雙極電晶體的性能。
常見降低雜散集電極電阻方法包括：(1)集電極至基極間距離的器件布局的優化設計，但該方式有一定的距離限制，此距離最小為1～1.8微米，應用受限；(2)增加次集電極層之厚度與高摻雜濃度，但該方法在增加次集電極層厚度時，於晶片工藝階段會增加困難，包括在溼式蝕刻過程中，對器件形貌易有明顯側壁刻蝕過頭情形；或離子布植過程中需以更大能量或濃度做植入才可使器件作有效隔離等缺點；(3)工藝製程中的金屬退火程序優化，如退火時間與溫度，但該方法不易控制，容易出現金屬表面過於粗糙化紋理，或像豹紋斑狀塊狀、節結狀或水泡狀缺陷；或由傳輸線量測(transmission line measurement；TLM)方式會得到非線性的雜散電阻特性結果等。
技術實現要素：
本發明提供了一種化合物半導體異質接面雙極電晶體，其克服了現有技術所存在的不足之處。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種化合物半導體異質接面雙極電晶體，包括集電極層、次集電極層以及設置於集電極層和次集電極層之間的中間層；所述集電極層和次集電極層分別由GaAs構成，所述中間層包括能隙小於GaAs的材料。
優選的，所述中間層由InxGaAs構成，其中0＜x≤0.4。
優選的，所述中間層的厚度為所述集電極層厚度的0.5％～1％。
優選的，所述中間層由InxGaAs/GaAs超晶格結構構成，其中0＜x≤0.4。
優選的，所述超晶格結構的周期範圍是1～100。
優選的，所述次集電極層的摻雜濃度高於所述集電極層，或所述次集電極層的厚度大於所述集電極層；所述次集電極層上形成有集電極電極。
優選的，還包括設於所述集電極層之上，並由GaAs構成的基極層；設於所述基極層之上，並由InGaP構成的發射極層；設於所述發射極層之上，並由GaAs構成的發射極接觸間隙層；以及設於所述發射極接觸間隙層之上，並由InGaAs構成的發射極接觸層。
本發明將低能隙材料導入集電極層和次集電極層之間形成中間層，在次集電極的厚度和摻雜濃度為一普通條件下，可降低集電極之雜散阻值，改善基於化合物半導體異質接面雙極電晶體功率的放大器件的直流功耗，提高器件的附加功率效率。基於上述結構的功率放大器應用於行動電話等手持式裝置時，可增加待機時間。
附圖說明
圖1是本發明實施例1的外延結構示意圖；
圖2是本發明實施例2的局部外延結構示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步詳細說明。本發明的各附圖僅為示意以更容易了解本發明，其具體比例可依照設計需求進行調整。文中所描述的圖形中相對元件的上下關係，在本領域技術人員應能理解是指構件的相對位置而言，因此皆可以翻轉而呈現相同的構件，此皆應同屬本說明書所揭露的範圍。此外，圖中所示的元件及結構的個數、層的厚度及層間的厚度對比，均僅為示例，並不以此進行限制，實際可依照設計需求進行調整。
參考圖1，一實施例的一種化合物半導體異質接面雙極電晶體(HBT)的外延結構，包括由下至上依次層疊的襯底1、次集電極層2、中間層3、集電極層4、基極層5、發射極層6、發射極接觸間隙層7和發射極接觸層8。以InGaP/GaAs型HBT為例，襯底1為半絕緣GaAs；次集電極層2和集電極層4為n型GaAs，且次集電極層2的摻雜濃度高於集電極層4；中間層3為InxGaAs，其中0＜x≤0.4；基極層5為p型GaAs，發射極層6為InGaP，兩者之間形成異質結；發射極接觸間隙層7為n型GaAs，發射極接觸層8為InGaAs。上述外延結構通過MOCVD(有機金屬化學氣相生長法)或MBE(分子束外延生長法)等方式結晶生長形成，並通過蝕刻、金屬沉積等分別在次集電極層2上形成集電極電極、基極層5上形成基極電極以及發射極接觸層8上形成發射極電極。
本實施例中，中間層3為能隙小於GaAs的InxGaAs，厚度為集電極層4的0.5％～1％，具體，中間層3厚度為應力補償後不超過依據Mattews and Blakeslee模型所計算之臨界厚度，藉由半導體技術中能帶工程勢壘層的改變，可降低集電極雜散電阻與集電極金屬歐姆接觸阻值，而無需增加次集電極層2的厚度或者摻雜濃度，也僅需依常規退火條件即可。舉例來說，常規的次集電極層厚度為0.3～0.8μm，集電極層的厚度為0.5～1.2μm，在此前提下，於兩者之間形成厚度為3～15nm的InxGaAs中間層，可顯著降低勢壘而實現降低電阻的目的，且隨著In組分的增加(x值變大)其勢壘層變低，效果更為明顯。
本實施例的HBT可應用於3G/4G功率放大器。對於功率放大器，附加功率效率(PAE)是一個重要的參數。PAE定義為輸出功率Pout與輸入功率Pin之差與直流輸入功率Pdc的比：(Pout-Pin)/Pdc。PAE是表示效率質量的指針，該值越大就越能夠抑制功率放大器的功率耗損。通過中間層3的設置降低集電極層的雜散電阻值，亦即降低器件直流功率，提高了PAE，改善了整體性能。上述3G/4G功率放大器應用於行動電話等手持式裝置時，可增加待機時間。
參考圖2，實施例2與實施例1的HBT外延結構差別在於，其中間層9是由InxGaAs/GaAs超晶格結構構成，其中0＜x≤0.4。具體，InxGaAs/GaAs超晶格結構是由InxGaAs薄層91和GaAs薄層92交替生長並保持嚴格周期性的多層膜，各薄層的厚度均在幾個納米到幾十納米之間。該超晶格結構中InxGaAs薄層91厚度為應力補償後不超過依據Mattews and Blakeslee模型所計算之臨界厚度。中間層9的超晶格結構，其兩端最末層均為InxGaAs薄層91，周期範圍是1～100。藉由InxGaAs/GaAs超晶格結構形成量子阱，且通過In組分增加使量子阱中的載子濃度提高，從而降低了集電極雜散電阻與集電極金屬歐姆接觸阻值。具體，InxGaAs/GaAs超晶格結構中間層9中，各InxGaAs薄層91的x數值可相同或不同。
上述實施例僅用來進一步說明本發明的一種化合物半導體異質接面雙極電晶體，但本發明並不局限於實施例，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均落入本發明技術方案的保護範圍內。