專利名稱：變形異質接面雙極性晶體管的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種變形異質接面雙極性晶體管(metamorphicheterojunction bipolar transistor，MHBT)，特別是有關于一種具有適用于低成本生產于大尺寸砷化鎵晶圓的材料結構的變形異質接面雙極性晶體管。
近來，無論是在軍事工或商業應用領域中的數字電腦、通訊系統、以及尖端電子系統中，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，遂儼然成為新一代高科技工業的巨星。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于傳統的IMPATT與TWTS等微波元件的特性。
異質接面雙極性晶體管(heterojunction bipolar transistor，HBT)于兩種不同組成與能隙的半導體之間具有一異質接面。其使用寬能隙的射極以及窄能隙的基極，造成在異質接面處的能帶補償，有助于N-p-n晶體管內的電子發射至基極，并且同時阻礙電洞發生進入射極。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間(transittime)，遂提供了在高頻操作的優勢。
因此，ALGaAs(或InGaP)/GaAs材料系列的砷化鎵異質接面雙極性晶體管極適用于移動電話中的功率放大器的應用，因其具有高頻、高線性、小晶粒尺寸、以及只需要一供應電源等優點。然而，砷化鎵系列異質接面雙極性晶體管的高導通電壓于實際應用中卻將目前所使用的移動電話限制于3.0至3.6伏特范圍的操作電壓。
目前移動通訊的主要趨勢是將系統設計成支援單一細胞鋰電池，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大約60％的總重量。相對地，磷化銦系列的異質執著面雙極性晶體管則極適用于1.5伏特的操作電壓，因為其具有較低的導通電壓，并且提供較砷化鎵系列異質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、以及較低的表面復合速率。
InAlAs(或漸變AlInGaAs)/InGaAs異質接面材料系列的磷化銦異質接面雙極性晶體管已被成功地制造于磷化銦基板上。煩請參閱圖1，其是為展示先前技術中的磷化銦系列異質接面雙極性晶體管的一材料結構的實例的橫截面圖。如該圖中所示，該磊晶成長的材料結構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點，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、與轉導值。盡管該磷化銦系列異質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，尤其是在移動電話的功率放大器的應用上，然而其在制造上卻有相當大的困難，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。相對地，如果使用六寸的砷化鎵晶圓，砷化鎵系列異質接面雙極性晶體管的制程技術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乃克不容緩。
因此，本發明的一主要目的乃在提供一種新型的變形異質接面雙極性晶體管，其具有一種能帶來高效率與低電壓操作的材料結構。
本發明的另一目的乃在提供一種新型的新型變形異質接面雙極性晶體管，其具有一種能降低制造成本的材料結構。
為達上述目的，本發明新型變形異質接面雙極性晶體管，其具有一材料結構，以適用于低成本生產于大尺寸砷化鎵晶圓，該材料結構包括有一半絕緣的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接面雙極性晶體管的射極的歐姆接觸。
較佳者，該材料結構是磊晶成長于具有六寸或更大直徑的大尺寸砷化鎵晶圓上。
本發明的性質、原理與應用，藉由下列參照附圖所作的較佳具體實施例的詳細描述，將會更為明白，其中類似的元件是由類似的參考數字或字元所表示，其中
圖1是展示先前技術中的磷化銦系列異質接面雙極性晶體管的一材料結構的實施例的橫截面圖；圖2是根據本發明的較佳具體實施例所繪示的變形異質接面雙極性晶體管的一材料結構的實例的橫截面圖。
煩請參閱圖2所示，其是為根據本發明的較佳具體實施例所繪示的變形異質接面雙極性晶體管之一材料結構的實例的橫截面圖。如圖所示，該磊晶成長的材料結構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接面雙極性晶體管得以利用磷化銦系列異質接面雙極性晶體管的主動層結構于砷化鎵基板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層22～26之間的晶格常數的過度作用。
因此，該變形異質接面雙極性晶體管具有常用的磷化銦系列異質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。在實際使用上，變形異質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，變形異質接面雙極性晶體管所使用的晶格常數偏移的緩沖層成長技術是可以商業方式取得，諸如美國的IQE以及法國的Picogiga均提供有磊晶代工的業務。
變形技術亦允許在材料結構中的鋁與銦成分的寬松的組成范圍，其提供了優良的潛力以供日后更高性能的發展，例如較已知的磷化銦系列異質接面雙極性晶體管更高的崩潰電壓與效率。
綜上所述，我們將本發明以及先前技術所揭露無線手機所用的功率晶體管技術歸納于比較下表
從以上可發現，本發明的新型變形異質接面雙極性晶體管具有以下的優點(1)晶圓成本遠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。
本發明的圖式與描述以較佳實施例說明如上，僅用于藉以幫助了解本發明的實施，非用以限定本發明的精神，而熟悉此領域技藝者領悟本發明的精神后，在不脫離本發明的精神范圍內，當可作些許更動潤飾及同等的變化替換，其專利保護范圍當視后附的申請專利范圍及其等同領域而定。
權利要求
1.一種變形異質接面雙極性晶體管，其具有一材料結構，以適用于低成本生產于六寸或更大尺寸的砷化鎵晶圓，其特征在于該材料結構包括有一半絕緣的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接面雙極性晶體管的射極的歐姆接觸。
2.如權利要求1所述的變形異質接面雙極性晶體管，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
一種變形異質接面雙極性晶體管,特別是有關于一種具有適用于低成本生產于大尺寸砷化鎵晶圓的材料結構的變形異質接面雙極性晶體管。本發明材料結構包括有: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H01L29/02GK1296291SQ0012431
公開日2001年5月23日 申請日期2000年9月4日 優先權日1999年10月7日
發明者趙鵬盛, 吳展興, 林燕津 申請人:穩懋半導體股份有限公司