專利名稱：雙極型晶體管的制作方法
技術領域：
本發明涉及雙極型晶體管之類，該種晶體管實現著從基區排除和抽取少數載流子。
窄禁帶半導體如像銻化銦(InSb)具有高電子遷移率、高電子飽和速度和低電子有效質量的特征。這些特點對于高速器件應用，例如高速晶體管，具有很重要的意義。由窄禁帶半導體制造的雙極型晶體管由于它們能以低的集電極與基極電壓工作，與常規晶體管相比就能在高頻下工作并消耗更少的功率。
然而，在室溫下窄禁帶半導體具有高的本征載流子濃度(即相對于由離化施主或受主產生的單載流子型而言它是由熱激發產生的電子-空穴對)。從而由這樣的半導體制成的雙極型晶體管具有高的漏電電流和高的輸出電導的缺點。這就造成低的動態范圍和有限的電壓增益。
窄禁帶雙極型晶體管中的低動態范圍，可用如美國專利No.5,382,814中所公開的那樣，在晶體管基區使用排除(excluding)和抽取(extracting)的接觸的方法使其抵消。該專利公開了一種InSb雙極型晶體管，由于它的本底摻雜濃度(離化的摻雜原子數)低于本征載流子濃度，所以在室溫下它有本征的基區。在工作中，少數載流子從晶體管的基區在與發射區和集電區的結處抽出。借助于在基極接觸和基區之間的一處寬禁帶In0.85Al0.15Sb區，使少數載流子被排除從晶體管的基極接觸進入基區。基區內的載流子濃度因而被降低成比本征載流子濃度低好多，減少了漏電電流并稍增大了動態范圍。然而，這種雙極型晶體管的動態范圍和高頻性能仍然較差，并發現在接近環境溫度時此器件不能正常工作，而這是任何實用器件所必需的。在上述專利中公開的雙極型晶體管由于它的基區為低摻雜，它還有基區接入電阻高的缺點，這造成功率增益低。
本發明的一項目的就是要提供一種雙極型晶體管的替換形式。
本發明提供的一種雙極型晶體管具有使發射極和集電極區安排成從基區抽取少數載流子的結構，一種抵消少數載流子經過基極接觸進入基區的結構，基區和集電極區的禁帶在0.5eV以下，其中基區的摻雜濃度大于1017cm-3。
本發明提供的優點在于本發明的晶體管具有比現有技術窄禁帶的雙極型晶體管更大的動態范圍，更大的AC電壓和功率增益-帶寬乘積以及更低的基極接入電阻(base access resistance)。
本發明的晶體管最好是發射極區具有比基區更大的禁帶寬度。這就保證了本發明的晶體管當基區的摻雜濃度與發射極相比較大時能提供有效的電流增益。
抵消少數載流子經過基極接觸進入基區的結構可以是一種具有用以阻止載流子進入基區的勢壘的排除的異質結構。另一種可以是在基區內有一注入區，提供一個“高-低”摻雜結，它也制止少數載流子進入基極。這一可選方案簡化了制造，而且只要需要時，就允許在基區和發射區之間使用寬禁帶的發射極作為一層鈍化層。包括一層鈍化層在內的這一方案通過減少基極內的復合提高了性能。它是人們所知的在現有雙極型晶體管技術中增加漏電流和降低電流增益的原因，因而這種減少是有利的。
為了能使本發明得到更加全面的理解，這里將僅以舉例的方式參照附圖對本發明的實施方案進行描述，其中
圖1示出本發明晶體管的整個垂直剖面；圖2為圖1晶體管的平面視圖；圖3示出現有技術窄禁帶雙極型晶體管的整個垂直剖面；圖4示出圖3晶體管的平面視圖；圖5、6和7示出作為基極電壓的函數圖1和圖3晶體管的電流、電壓和功率增益；以及圖8和9示出本發明另一方案晶體管的整個垂直剖面。
圖1至9中的斜線蔭影區表示那里的半導體材料比無蔭影區有更寬的禁帶寬度。
參閱圖1，這里以窄禁帶雙極型晶體管的形式示出了本發明的一個器件，一般用10標示。雙極型晶體管10包括有連續配置的薄層，第一層14是子集電極層14，它與500μm厚度的銻化銦(InSb)或GaAs基片12接觸。每一接著的層16至22以及26至30是相接觸的并與鄰近它的兩相應層形成結。這些層的具體情況如下子集電極層14摻雜濃度為2×1018cm-3的1μm厚度的n+InSb層，
集電極層16摻雜濃度為2×1015cm-3的0.5μm厚度的n-InSb層，基極層18摻雜濃度為2×1018cm-3的0.12μm厚度的p+InSb層，發射極層26摻雜濃度為4×1017cm-3的30nm厚度的n-In0.95Al0.05Sb層，發射極蓋頂層28摻雜濃度為2×1018cm-3的30nm厚度的n+In0.95Al0.05Sb層。
發射極接觸層30摻雜濃度為2×1018cm-3的0.1μm厚度的n+InSb層，排除的基極層20摻雜濃度為5×1018cm-3的20nm厚度的p+In0.85Al0.15Sb層，基極蓋頂層22摻雜濃度為5×1018cm-3的0.1μm厚度的p+InSb層。
雙極型晶體管10還包括金屬基極、發射極和集電極的接觸24、32、34，它們各由10nm厚度的鉻層和200nm厚度的金層組成。
組合起來，薄層26、28和30以及發射極接觸32構成一個發射極臺面36。p+In0.85Al0.15Sb(**)層20、p+InSb層22和金屬基板接觸層24構成一排除的基極接觸25。發射極臺面36、排除的基極接觸25和金屬發射極接觸34各有1μm的寬度b并以1μm的間距側向分隔開。
參閱圖2，這里示出一幅雙極型晶體管10的平面視圖，表示出金屬基極、發射極和集電極接觸24、32、34的橫向位置。晶體管10有10μm的長度I。
晶體管是用半導體器件生產技術領域的人員所熟悉的標準方法制成的。薄層14、16、18、26、28、30和32是用分子束外延(MBE)的方法在基片12的整個表面上起始生長的。薄層26、28和30則經向下刻蝕至基極層18以產生發射極臺面36部分。薄層18經向下刻蝕至子集電極層14使基極層18和集電極層16從子集電極層14上豎立。排除的基極層20和基極蓋頂層22然后用MBE再生長。金屬基極、發射極和集電極接觸24、32和34接著經電子束蒸發或濺射淀積。
現在參閱圖3，這里示出一個通常用50標示的現有技術窄禁帶雙極型晶體管的垂直剖面。晶體管50的平面視圖則示于圖4。晶體管50包括有連續配置的薄層，第一層54是一層1μm厚度的n+InSb集電極層，它與一片未摻雜的InSb基片(未示出)接觸。晶體管50還包括一層0.12μm厚度的p-InSb基極層58和一層0.1厚度的n+InSb發射極層56。一個排除的基極接觸結構65包括一層20nm厚度的p+In0.85Al0.15Sb(**)層60。一層p+InSb層62和一層金屬基極接觸層64如同晶體管10中的那樣圍繞著發射極56。發射極56和排除的基極接觸結構65分別有金屬接觸層72和64。在集電極層54和發射極層56中的摻雜濃度為2×1018cm-3，在基極層58中為5×1015cm-3，而在薄層60和62中則為3×1018cm-3。金屬接觸層72和發射極56在一起形成一個發射極臺面76。在圖3和4中的橫向距離t均為1μm。參見圖4，晶體管50的整個長度g為10μm，而發射極臺面76的長度h則為6μm。
參閱圖5，這里示出了在室溫下雙極型晶體管10和晶體管50各自的電流增益分貝數(dB)與基極電壓伏特數的關系曲線80、81。曲線80和81表明本發明的晶體管10在基極電壓處于0.15V至0.35V的范圍內(此時器件為開態)要比現有技術的晶體管50有大很多的電流增益。
圖6分別示出晶體管10和晶體管50的電壓增益特性曲線82、83。基極電壓在0.1V和0.3V之間時(此時器件為開態)，晶體管10的電壓增益要比現有技術晶體管50的大好多數量級。
圖7分別示出晶體管10和50的功率增益分貝數(dB)與基極電壓之間的關系曲線84、85。基極電壓在-0.1V至0.4V有效范圍內晶體管10比晶體管50有大好多的功率增益。
晶體管10的發射極層26和發射極蓋頂層28的禁帶寬度比發射極蓋頂層32、基區層18、集電極層16和子集電極層14的約大出50％。盡管如若基區和發射區的摻雜濃度相等，本發明的晶體管在薄層26和28以及其它薄層之間沒有禁帶寬度差也能令人滿意地工作，這種特性用來保持電流增益。
現在參閱圖8，這里示出本發明另一方案的晶體管，總的用100標示。與晶體管10等同的部分則加前綴100相似地標注。晶體管100除去在基極層118內有一排除的p++注入區121取代排除的異質結構之外，它具有與晶體管10相同的結構和尺寸。由于晶體管100不需要在經刻蝕確定發射極臺面后再生長排除的異質結構，它比晶體管10制造簡單。p++注入區121是在約25keV的能量下以5×1013cm-2的合適劑量注入鎂產生的，它形成了超過1019cm-3的近表面摻雜濃度。
參閱圖9，這里示出了用200標示的本發明的又一晶體管。在標號前加200相似地標注與晶體管100等同的部分。晶體管200除去在形成發射極臺面時未刻蝕去除薄層226之外，它具有與晶體管100相同的尺寸和結構。薄層226因而起著鈍化層的作用(由于它的較寬的禁帶)，減少了基極表面的復合，并且因增加電流增益和減少漏電而提高了晶體管性能。通過基區注入引進了很高的摻雜使薄層226轉換成p型，并因此把高摻雜引入基極接觸，它也用于提高接觸的排除特性。因而它用作提高晶體管性能的多種有利因素。
權利要求
1.一種雙極型晶體管，有被配置成從基區抽取少數載流子的發射區和集電區域，一種用以抵制少數載流子經過基極接觸進入基區的結構，基區有小于0.5eV的禁帶并且其中基區有大于1017cm-3的摻雜濃度。
2.按照權利要求1的一種雙極型晶體管，其中基區有大于發射區的摻雜濃度，并且其中發射區有比基區更寬的禁帶。
3.按照權利要求1或2的一種雙極型晶體管，其中用以阻止少數載流子經過基極接觸進入基極的結構是一個排除的異質結構。
4.按照權利要求1或2的一種雙極型晶體管，其中用以抵制少數載流子經過基極接觸進入基區的結構是在基區內的一個注入區，造成基區接觸的摻雜濃度高于基區本身。
5.按照權利要求4的一種雙極型晶體管，其中晶體管包含在基區和發射區之間的一層完整的鈍化層，利用發射極以外的寬禁帶發射區，并利用基區接觸注入使它的摻雜類型轉換成基區的類型。
全文摘要
一種雙極型晶體管具有窄禁帶半導體材料的基極和集電極區排除的基板接觸的少數載流子具有基區摻雜濃度超過10
文檔編號H01L29/66GK1432196SQ01810449
公開日2003年7月23日 申請日期2001年5月24日 優先權日2000年5月30日
發明者T·J·菲利普斯 申請人:秦內蒂克有限公司