[发明专利]一种砷化镓基双异质结双极晶体管结构及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型砷化镓基双异质结双极晶体管结构设计及制备方 法。通过气态源分子束外延(GSMBE)进行材料生长，通过化合物半导体工 艺过程实现异质结双极晶体管器件的制备，属于材料制备技术领域。

背景技术

早在1951年，Shockley就首先提出了宽发射结原理。1957年，Kroemer 进一步系统阐述了HBT的原理，指出宽禁带发射区能提高注入效率，抑制基 区载流子的反向注入，大大提高电流增益，同时可以通过高掺杂的基区和稍 低掺杂的发射区来减小结电容和基区电阻，从而提高晶体管的频率特性。但 由于材料生长技术的限制，直到二十世纪七十年代初，Dumke等人才第一次 利用液相外延(LPE)技术成功制作出AlGaAs/GaAsHBT。

进入20世纪90年代后，由于MOCVD和MBE技术的发展，以及化合物 材料和异质结工艺的日趋成熟，三端微波器件取得令人瞩目的成就，使得异 质结双极型晶体管以及高电子迁移率晶体管结构的各种器件性能逐年提高。 与此同时，在此基础上构成的MMIC技术已实用化，并进人商品化阶段，不 仅能获得大功率、高效率而且噪声系数小。微波领域常用器件有场效应晶体 管(FET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)等。 FET具有成熟的工艺，能实现亚微米量级的栅长，成本较低，在低噪声模拟 电路和低功耗数字电路方面表现良好。HBT主要由化合物半导体或合金半导 体构成，需要两种禁带宽度不同的材料分别作为发射区和基区，宽带隙材料 作发射区，窄带隙材料作基区。而在双异质结HBT(DHBT)中，集电区与 基区材料带隙也不相同。HBT在高速、大动态范围、低谐波失真、低相位噪 声并重的电路应用中占据独特而重要的地位。HBT采用宽禁带发射区，允许 基区高掺杂，可同时获得高截止频率、高增益、高效率，且具有较高的击穿 电压，非常适合于功率放大电路应用。HBT具有线性度高的优点，无需加漏 极开关来使器件关断，在低静态电流状态下比较容易调整。目前，HBT技术 已被广泛应用于制作光纤通信系统中激光器和调制器的驱动电路。

GaAs基III-V族化合物半导体及其组成的三元混晶材料，可以通过调节 组份组成的方法调节禁带宽度和晶格常数等物理性质，成为微波领域的关键 性基础材料。在III-V族化合物半导体材料与器件的设计中，通过对晶格常数、 禁带宽度等参数进行选择和优化，可以获得多种异质结外延结构。通过外延 方式的选择和材料生长条件的优化，材料与器件的结构设计生长可具有很大 的选择余地。

由于各组份的Al_xGa_1-xAs材料均能与GaAs实现晶格匹配，因此，最初的 GaAsHBT的发射区采用Al_xGa_1-xAs。但Al很容易形成深能级复合中心，使 器件的性能尤其是可靠性下降。采用与GaAs晶格匹配的In_0.49Ga_0.51P代替 Al_xGa_1-xAs作为GaAsHBT的发射区，能得到比Al_xGa_1-xAs发射区更优越的直 流和频率特性。并且InGaP/GaAsHBT有很高的可靠性。

双异质结HBT(DHBT)开启电压低，反向击穿电压高，输出功率大， 尤其适用于功率放大等电路，充分发挥HBT器件的特点。但是，由于传统的 GaAs基(如InGaP/GaAs/InGaPDHBT)受集电结导带势垒尖峰的影响，使其 I-V输出特性变差，最大输出功率降低。为了降低集电结的导带势垒尖峰， DHBT可以采用n型掺杂插入层复合集电结、双δ掺杂插入层和缓变集电结 等结构。从材料生长的角度考虑，带有n型掺杂插入层的InGaP/GaAs/InGaP DHBT结构材料与其他解决集电结的导带势垒尖峰的方法相比较，这种方法 不同批次的稳定性，可重复性要好，利于大规模生产，可以有效地降低集电 结的导带势垒尖峰，获得良好的输出特性。在本发明设计中采用带有N型掺 杂的插入层InGaP/GaAs/InGaPDHBT结构。

与本发明相关的文献有：