DE69935024T2

DE69935024T2 - Halbleiterbauelement mit Bipolartransistor

Info

Publication number: DE69935024T2
Application number: DE69935024T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kyoto-shi Takagi; Kenji Hirakata-shi Harafuji
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1998-02-20
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2019-02-20
Also published as: EP1178537A2; CN1226750A; EP0938140B1; TW412808B; EP0938140A3; DE69935024D1; EP0938140A2; EP1178537A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit einem Heterojunktionsabschnitt, wie z.B. einem bipolaren Transistor, einer Diode oder einem I²L.
Aufgrund seiner exzellenten RF-Charakteristika wird ein bipolarer Transistor herkömmlicherweise verwendet als eine aktive Vorrichtung, welche in Mikrowellen/Milliwellenbändern betrieben werden kann. Insbesondere waren die am lebhaftesten durchgeführten Forschungen und Entwicklungen gerichtet auf einen Heterojunktionsbipolaren Transistor (HBT) unter Verwendung eines Verbindung-III-V-Halbleiters, wie z.B. GaAs. In den jüngsten Jahren wurde die Aufmerksamkeit fokussiert auf einen HBT unter Verwendung eines SiGe-Materials, welches ein IV-IV-Verbindungs-Material ist, welches hergestellt werden kann auf einem sehr billigen Siliziumsubstrat.
Im folgenden werden zwei repräsentative Typen von Strukturen wiedergegeben zum Implementieren von SiGe-HBTs von höherer Geschwindigkeit. Einer der beiden Typen ist ein HBT, wie er im Dokument 1 dargestellt wird (L. Harame et al., "Optimization of SiGe HBT Technology for High Speed Analog and Mixed-Signal Applications", IEDM Tech. Dig. 1993, p. 71), welche eine Si-Kollektorschicht umfasst, eine SiGe-Basisschicht und eine Si-Emitterschicht. In der SiGe-Basisschicht wird ein Ge-Zusammensetzungsverhältnis graduell von einer Region erhöht, welche in Kontakt zur Si-Emitterschicht ist zu einer Region, die in Kontakt mit der Si-Kollektorschicht ist, um eine abgestufte Zusammensetzungs-Basisschicht zur Verfügung zu stellen. Der andere der beiden Typen ist ein HBT, wie er in Dokument 2 wiedergegeben wird (A. Schuppen et al., "Enhanced SiGe Heterojunction Bipolar Transistors with 160 GHz-fmax", IEDM Tech. Dig. 1995, p.743), welcher eine Si-Kollektorschicht, eine SiGe-Basisschicht und eine Si-Emitterschicht umfasst. Die SiGe-Basisschicht weist eine extrem reduzierte Dicke auf, ein erhöhtes Ge-Zusammensetzungsverhältnis und eine erhöhte Dotierungskonzentration, um eine Basisschicht einer einheitlichen Zusammensetzung zur Verfügung zu stellen.
18 ist ein Banddiagramm des zuerst genannten bipolaren Heterojunktions-Transistor mit der Basisschicht der abgestuften Zusammensetzung. Wie aus dem Bandzustand, gezeigt in den Zeichnungen, zu sehen ist, erzeugt ein elektrisches Feld, induziert durch die abgestufte Zusammensetzung, dass Träger, die in die SiGe-Basisschicht injiziert werden, in die SiGe-Basisschicht in Richtung der Kollektorschicht driften. Da das Wandern der Träger, verursacht durch den Drift des elektrischen Feldes bei einer höheren Geschwindigkeit erfolgt als die Wanderung selbiger verursacht durch Diffusion, wird eine Basis-Transitzeit reduziert und exzellente RF-Charakteristika werden erhalten.
19 ist ein Banddiagramm des zuletzt genannten bipolaren Heterojunktions-Transistors mit der einheitlichen Zusammensetzungs-Basisstruktur. Wie aus dem Bandzustand, gezeigt in den Zeichnungen, ersichtlich ist, ist die Basisschicht extrem ausgedünnt, um die Basis-Transitzeit zu reduzieren und exzellente RF-Charakteristika zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall bringt das Verdünnen der Basisschicht das Risiko des Erhöhens des Basiswiderstandes mit sich, so dass die Basisschicht dotiert ist mit einer Verunreinigung einer hohen Konzentration, um den Basiswiderstand zu senken. Darüber hinaus wird das SiGe mit einem hohen Ge-Zusammensetzungs-Anteil in der Basisschicht verwendet, um die reverse Injektion von Trägern von der Basisschicht, datiert mit der Verunreinigung von hoher Konzentration in den Emitter zu verhindern, so dass eine Heterojunktionsbarriere, ausgebildet zwischen der SiGe-Basisschicht und der Si-Emitterschicht erhöht wird. In diesem Fall werden ebenfalls exzellente RF-Charakteristika erhalten. Insbesondere wird die Dotierungskonzentration in der Basisschicht erhöht, um den Basiswiderstand zu vermindern und dadurch die maximale Oszillationsfrequenz zu erhöhen.
In einem konventionellen Si LSI unter Verwendung eines bipolaren Transistors wurde auf der anderen Seite häufig das Zusammensetzen einer Diode durchgeführt unter Verwendung eines PN-Junktionsabschnitts zwischen der Basis und dem Kollektor des bipolaren NPN-Transistors, um die Diode als ein Element des logischen Schaltkreises zu verwenden. Der Grund dafür ist, dass der bipolare NPN-Transistor eine Struktur aufweist, die geeignet ist für die Ausbildung einer großen Anzahl von erzeugten Dioden, da der PN-Funktionsabschnitt zwischen der Basis und dem Kollektor eine hohe Zusammenbruchspannung (im Vergleich zur Sperrvorspannung) aufweist und die N-Typ-Kollektorschicht als eine allgemeine Region in dem Substrat verwendet wird.
Jedoch weist eine PN-Funktionsdiode den Nachteil auf, dass sie nicht geeignet ist zur Verwendung in einer Vorrichtung, die bei einer hohen Geschwindigkeit arbeitet, aufgrund der Minoritätsladungsträger, die sowohl in dem P-Typ als auch N-Typ-Regionen davon akkumuliert sind. Genauer gesagt werden Elektronen als Minoritätsladungsträger in der P-Typ-Basisschicht der bipolaren NPN-Transistorschicht akkumuliert, während Löcher als Minoritätsladungsträger in der N-Typ-Kollektorschicht davon akkumuliert werden. In einem typischen Hochgeschwindigkeitstransistor wird die P-Typ-Basisschicht extrem dünn ausgebildet, um die Basis-Transitzeit zu reduzieren, so dass die Akkumulation der Elektronen in der P-Typ-Basisschicht substantiell kein Problem darstellt, selbst in der PN-Junktionsdiode, welche erstellt wurde unter Verwendung eines Teils des bipolaren Transistors. Jedoch wird die N-Typ-Kollektorschicht so ausgebildet, dass sie eine hinreichende Dicke im Bereich von 0,5 bis 1 μm aufweist, um eine hohe Durchschlagspannung aufrechtzuerhalten, dass mehrere Löcher dort akkumuliert werden, was eventuell die Geschwindigkeit der PN-Junktionsdiode emittiert.
Als ein Verfahren des Erhöhens der Betriebsgeschwindigkeit durch Unterdrücken der Akkumulation von Minoritätsladungsträgern in solch einer Kollektorregion ist ein Verfahren bekannt, das in Dokument 3 offenbart wird (M. Ugajin et al., "The base-collector heterojunction effect in SiGe-base bipolar transistors, "Solid-State Electron., vol. 34, pp. 593, 1991), in welchem eine SiGe/Si-Heterojunktion zur Verfügung gestellt wird in einer Basis-/Kollektorjunktion, um eine breitere Bandlücke in der Kollektorschicht bereitzustellen. Durch diese Bereitstellung der breiteren Bandlücke für die Kollektorschicht wird eine Heterojunktionsbarriere in dem Basis-/Kollektorjunktionsabschnitt ausgebildet, um die Injektion von Löchern aus der Basisschicht in die Kollektorschicht zu unterdrücken und dadurch die Menge an Löchern, akkumuliert in dem Kollektor zu reduzieren und die Betriebsgeschwindigkeit der Diode zu erhöhen.
Des Weiteren ist ein Verfahren bekannt, das in Dokument 4 offenbart ist (M. Karlsteen et al., "Improved switch time of I2L at low power consumption by using a SiGe heterojunction bipolar transistor," Solid-State Electrom., vol. 38, pp. 1401, 1995), in welchem eine Heterojunktion zur Verfügung gestellt wird in einem Basis-/Kollektor-/Junktionsabschnitt in einem I²L (Integrated Injection Logic) Schaltkreis, in welchem eine Vielzahl von bipolaren Transistoren integriert sind, wodurch die Akkumulation von Minoritätsladungsträgern unterdrückt wird und die Betriebsgeschwindigkeit erhöht wird.
Jedoch weisen der obengenannte bipolare Transistor und die Diode unter Verwendung des bipolaren Transistors die folgenden Nachteile auf.
In dem konventionellen HBT unter Verwendung der abgestuften Zusammensetzungsbasis, wie in 18 gezeigt, ist es nötig, den Ge-Zusammensetzungs-Anteil stark zu variieren, um die Intensität des elektrischen Drift-Feldes, induziert durch die abgestufte Zusammensetzung zu erhöhen. Kurz gesagt ist es vonnöten, den Germanium-Zusammensetzungs-Anteil in einer Region der Basisschicht, die in Kontakt ist mit der Emitterschicht zu minimieren, und den Ge-Zusammensetzungs-Anteil in einer Region der Basisschicht, die in Kontakt mit der Kollektorschicht ist, zu maximieren. Um dieses Erfordernis zu erfüllen, weist die Region der Basisschicht, die in Kontakt ist mit der Emitterschicht, normalerweise eine reine Si-Zusammensetzung auf, ohne dass sie Ge enthält, so dass die Basis-Emitter-PN-Junktion eine Silizium/Silizium-Homojunktion ausbildet. Beim Erhöhen der maximalen Oszillationsfrequenz fmax des HBTs ist es effizient, den Basiswiderstand zu reduzieren, der durch die folgende Gleichung (1) repräsentiert wird. Falls eine Basis-Dotierungskonzentration erhöht wird, um den Basiswiderstand zu reduzieren wird jedoch eine erhöhte Anzahl von Löchern natürlicherweise aus der Basisschicht in die Emitterschicht injiziert.
In dem Fall, wo eine Emitter-/Basisjunktion eine Homojunktion ausbildet oder wo die Emitter-/Basisjunktion eine Heterojunktion ausbildet, jedoch eine weitgehend reine Si-Zusammensetzung aufweist am Ende der Basis, wird die Menge der Ladungsträger, welche revers in den Emitter injiziert wird, erhöht, da die Basisschicht überhaupt keine Heterojunktionsbarriere aufweist oder, falls es eine gibt, eine extrem niedrige Heterojunktionsbarriere, so dass Stromamplifikations-Faktor β nicht erhöht wird.

f_t:: Stromverstärkungs-Cutoff-Frequenz
R_B:: Basiswiderstand
C_BC:: Basis-/Kollektorjunktionskapazität

Die Tatsache, dass der Stromamplifikations-Faktor β nicht erhöht wird, kann auch abgeleitet werden aus der Beziehung repräsentiert durch die folgende Gleichung (2) welche zwischen dem Stromamplifikations-Faktor β, dem Banddiskontinuitätswert ΔEv des Va lenzbandes des Emitter-/Basisjunktionsabschnitts und der Ladungsträgerkonzentration N_B in der Basisschicht etabliert ist.

N_e:: Ladungskonzentration in der Emitterschicht
N_B:: Ladungskonzentration in der Basisschicht
V_n:: Geschwindigkeit der Elektronendiffusion in der Basisschicht
V_p:: Geschwindigkeit der Lochdiffusion der Emitterschicht
k:: Boltzmann-Konstante
T:: absolute Temperatur

Im Fall der Verwendung einer solchen abgestuften Zusammensetzungsbasis wird es daher möglich, die Basis-Transit-Zeit der Ladungsträger zu reduzieren und die Stromverstärkungs-Cutoff-Frequenz f_T zu verbessern. Jedoch kann die Zunahme der maximalen Oszillationsfrequenz fmax eventuell nicht erwartet werden, da die Konzentration der Ladungsträger in der Basisschicht nicht erhöht werden kann.
Auf der anderen Seite kann die konventionelle Struktur unter Verwendung der einheitlichen Zusammensetzungsbasis, gezeigt in 19, die reverse Injektion von Ladungsträgern aus der Basisschicht unterdrücken, da eine große Heterojunktionsbarriere ausgebildet wird zwischen der SiGe-Basisschicht mit einem hohen Ge-Zusammensetzungs-Anteil und einer Si-Emitterschicht. Falls die Konzentration an Ladungsträgern in der Si-Ge-Basisschicht (Basisdotierungskonzentration) weiter erhöht werden muss, um die maximale Oszillationsfrequenz fmax zu erhöhen, wie oben beschrieben, wird die Menge an Ladungsträgern, die revers injiziert wird, erhöht. Um dies zu verhindern, ist es nötig, des Weiteren die Höhe der Heterojunktionsbarriere zu verstärken, durch weiteres Erhöhen des Ge-Zusammensetzungs-Anteil s in der SiGe-Basisschicht, was den Unterschied in der Gitterkonstanten zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht erhöht. Als ein Ergebnis tritt eine kritische Filmdicke, zu welcher eine Versetzung in der Basisschicht auftritt, als Problem zutage.
Es ist im Allgemeinen bekannt, dass eine Gitterverzerrung sich in einer SiGe-Schicht entwickelt, ausgebildet durch Kristallwachstum auf einem Si-Substrat aufgrund des Unterschiedes in der Gitterkonstante zwischen Si und Ge, welches freigesetzt wird, falls der Ge-Zusammensetzungs-Anteil hoch ist und die Filmdicke groß ist, und daher eine Versetzung in dem Film verursacht wie auch eine fatale Schädigung des Elementes. Die Filmdicke, bei welcher eine Versetzung auftritt, wird im Allgemeinen als die kritische Filmdicke bezeichnet. Die kritische Filmdicke kleiner, wenn der Ge-Zusammensetzungs-Anteil in der SiGe-Schicht höher wird. Die kritische Filmdicke ist in der Größenordnung von 50 nm, wenn der Ge-Zusammensetzungs-Anteil 30 % ist, was mit der Filmdicke der Basisschicht korrespondiert.
Selbst wenn die Filmdicke der SiGe-Schicht gleich oder kleiner ist als die kritische Filmdicke, ist die SiGe-Schicht nicht in einem vollständig stabilen Zustand, sondern in einem quasi-stabilen Zustand, falls der Ge-Zusammensetzungs-Anteil hoch ist. Falls ein Hochtemperaturprozess in einem nachfolgenden Schritt durchgeführt wird, wird ein solcher Defekt in Form einer Versetzung leicht ausgelöst. Folglich ist es nicht geeignet mit Blick auf die Verlässlichkeit des Gerätes und mit Blick auf die thermische Belastung während eines Herstellungsprozesses für das Gerät, eine SiGe-Schicht mit einem hohen Ge-Zusammensetzungs-Anteil zu verwenden.
Folglich gibt es ein Limit für die Verbesserung der RF-Charakteristika eines bipolaren Transistors, welches realisiert wird durch Bereitstellen einer Heterojunktion in der Emitter-/Basisjunktion und durch Erhöhung der Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Ladungsträgern von der Basis in dem Emitter durch die Ausbildung einer Heterojunktion.
Auf der anderen Seite gibt es eine Grenze für die Zunahme der Betriebsgeschwindigkeit der herkömmlichen Vorrichtung, wie z.B. einem bipolaren Transistor oder einer Diode, wie in Dokument 3 oder 4 offenbart, welche realisiert wird durch Bereitstellen einer Heterojunktion in der Basis-/Kollektorjunktion, was die Injektion von Minoritätsladungsträgern von der Basisschicht in die Kollektorschicht unterdrückt und dadurch das Reduzieren der akkumulierten Ladungsträger.
Der Grund dafür ist, dass – wie in Dokument 3 offenbart – eine merkliche hohe Heterojunktionsbarriere benötigt wird, um die Qualität von Löchern, akkumuliert in der N-Typ-Si-Kollektorschicht von einem Si/SiGe HBT zu reduzieren auf die Größe der Quantität der Elektronen, akkumuliert in der P-Typ-SiGe-Basisschicht davon. Genauer gesagt wird eine Heterojunktionsbarriere einer Höhe in der Größenordnung von 0,2 eV benötigt. Um eine Heterojunktionsbarriere bei der Basis-/Kollektorjunktion, bestehend aus einer mul tiplen SiGe/Si-Schicht auszubilden, sollte der Germanium-Zusammensetzungs-Anteil in der Basisschicht zumindest 25 % oder höher sein.
Da jedoch die Dicke der Basisschicht vorzugsweise auf einen Wert reduziert wird der gleich ist oder kleiner als die kritische Filmdicke und die Vorrichtungsverlässlichkeit sowie die thermische Belastung während des Vorrichtungsherstellungsprozesses gewährleistet werden sollten, wie oben beschrieben, ist ein Germanium-Zusammensetzungs-Anteil in der SiGe-Schicht, der 25 % oder höher ist, exzessiv hoch, unter Berücksichtigung der Verlässlichkeit und der Herstellbarkeit.
Folglich ist es problematisch den Ge-Zusammensetzungs-Anteil in der SiGe-Schicht zu erhöhen, um die Höhe einer Heterojunktionsbarriere, ausgebildet an der Basis-/Kollektor-Heterojunktion zu erhöhen.
Ein bipolarer Triple-Heterojunktions-Transistor ist bekannt aus US 5426316 . Eine Hochgeschwindigkeitshalbleitervorrichtung sowie ein Produktionsverfahren dafür sind bekannt aus GB 2288691 , korrespondierend mit der Präambel von Anspruch 1. Ein bipolarer Heterojunktions-Transistor ist bekannt aus JP 09283533 .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 ist es, einen bipolaren Transistor zur Verfügung zu stellen, in welchem ein Stromamplifikations-Faktor erhöht wird mit der Bereitstellung einer Region, welche die Funktion aufweist des Unterdrückens der reversen Injektion von Ladungsträgern von der Basisschicht in die Emitterschicht, unabhängig von einer Barriere, ausgebildet an der Emitter-/Basisjunktion. In dem bipolaren Transistor kann der Stromamplifikations-Faktor verbessert werden, selbst wenn eine Basis-Dotierungs-Konzentration erhöht wird, um die maximale Oszillationsfrequenz fmax zu erhöhen durch Entspannen der Einschränkungen betreffend die Zunahme des Stromamplifikations-Faktors.
Ein zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Element, welches als bipolarer Transistor, eine Diode, ein I²L-Element oder dergleichen funktioniert, zur Verfügung zu stellen, welches bei einer hohen Geschwindigkeit betrieben werden kann, durch Unterdrücken der Injektion von Minoritätsladungsträgern von der Basisschicht in die Kollektorschicht und dadurch Reduzieren der Quantität der Minoritätsladungsträger, die in der Kollektorschicht akkumuliert werden. Dies kann realisiert werden durch Bereitstellen von Mitteln zum effizienten Erhöhen einer Heterojunktionsbarriere, ausgebildet an der Basis-/Kollektorjunktion ohne Erhöhen des Ge-Zusammensetzungs-Anteil s in der SiGe-Basisschicht auf solch einen Wert, um exzessiv die kritische Filmdicke zu vermindern, d.h. durch Implementieren einer Struktur, welche eine hinreichend hohe Verlässlichkeit gewährleistet.
Um die erste Aufgabe zu lösen, weist ein erster bipolarer Transistor entsprechend der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 eine Multi-Quanten-Barriere (MQB) auf, die aus einer Supergitter-Struktur besteht, bestehend aus zwei Typen von extrem dünnen Filmen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, welche des Weiteren alternativ gestapelt sind, welche in einer Region eines Emitters bereitgestellt wird benachbart zur Emitter-/Basisjunktion. Die MQB reflektiert eine Welle von Ladungsträgern welche revers von der Basis injiziert worden ist, und diese Tatsache wird verwendet, um in effizienter Art und Weise die Höhe einer Heterojunktionsbarriere (Barrierehöhe) zu erhöhen und dadurch die reverse Injektion der Ladungsträger aus der Basisschicht zu unterdrücken. Genauer gesagt weist der erste bipolare Transistor die folgende Struktur auf.
Der erste bipolare Transistor gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 umfasst eine Emitterschicht, eine Basisschicht und eine Kollektorschicht, wobei der bipolare Transistor einen Multi-Quanten-Barriereabschnitt aufweist, welche in besagter Emitterschicht zur Verfügung gestellt wird und aus einer Vielzahl von abwechselnd gestapelten Barriere-Schichten und Well-Schichten besteht, um die Funktion des Reflektierens einer einfallenden Welle von Minoritäts-Ladungsträgern in der Emitterschicht, injiziert von besagter Basisschicht, auszuführen und solch ein Phase zur Verfügung zu stellen, dass die einfallende Welle von besagten Minoritäts-Ladungsträgern und eine reflektierte Welle von besagten Ladungsträgern einander intensivieren.
Mit dieser Anordnung wird nicht nur eine Barriere, induziert durch das unterbrochene Valenzband an der Emitter-/Basisjunktion, sondern auch die reflektierende Funktion des Multi-Quanten-Barriereabschnitts die reverse Injektion der Ladungsträger aus der Basisschicht verhindern. Da die reverse Injektion der Ladungsträger unterdrückt wird, wird es möglich, den Stromamplifikations-Faktor zu erhöhen und die RF-Charakteristika, einschließend die maximale Oszillationsfrequenz fmax zu erhöhen, selbst wenn die Ladungsträgerkonzentration in der Basisschicht erhöht wird.
Durch Zusammensetzen der Barriere-Schichten und der Well-Schichten des Multi-Quanten-Barriereabschnitts der entsprechenden Halbleitermaterialien mit unterschiedli chen Bandlücken kann leicht eine Multi-Quanten-Barriereschicht implementiert werden, welche die Funktion aufweist, die reverse Injektion von Ladungsträgern zu unterdrücken.
Durch Setzen des Bandunterbrechungswertes eines Bandes in der Emitterschicht, welche den Multi-Quanten-Barriereabschnitt enthält, durch welchen die Majoritäts-Ladungsträger fließen, auf einen substanziell vernachlässigbaren Wert, wird eine Bandstruktur zur Verfügung gestellt, welche kein Hindernis für die Bewegung der Majoritätsladungsträger in der Emitterschicht präsentiert, was den Effekt des Verbesserns eines Stromamplifikations-Faktors verstärkt.
Wenn die Basisschicht verzerrt wird, wird ein besonders hoher Effekt erzielt, wenn der Unterschied in der Gitterkonstanten zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht groß ist.
Durch Zusammensetzen der Emitterschicht und der Basisschicht der entsprechenden Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken und durch Bereitstellen eines Abschnitts in der Bandlücke zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband in der Basisschicht, der graduell von einer Region der Basisschicht in Kontakt mit der Emitterschicht in Richtung einer Region der Basisschicht in Kontakt mit der Kollektorschicht abnimmt, wird die Wanderungsgeschwindigkeit der Ladungsträger in der Basisschicht durch eine Driftgeschwindigkeit bestimmt, nicht durch eine Diffusionsgeschwindigkeit, so dass die Basis-Transit-Zeit vermindert wird und eine Stromverstärkungs-Cutoff-Frequenz f_T erhöht wird. Darüber hinaus unterdrückt der Multi-Quanten-Barriereabschnitt die reverse Junktion der Ladungsträger von der Basisschicht in die Emitterschicht, unabhängig vom Band-Diskontinuitätswert, vermindert durch die Bereitstellung der abgestuften Zusammensetzungsbasis. Darüber hinaus kann auch ein verminderter Basiswiderstand realisiert werden, der einer Basisdotierung von höherer Konzentration zugeordnet werden kann oder einer erhöhten Dicke der Basisschicht, was eine maximale Oszillationsfrequenz fmax erhöht.
Durch Zusammensetzen des Multi-Quanten-Barriereabschnitts einer Supergitterstruktur aus einer Si_1-x-yGe_xC_y/Si-Schicht wird die kritische Filmdicke der Si_1-x-yGe_xC_y-Schicht an dem Multi-Quanten-Barriereabschnitt insbesondere erhöht, so dass es möglich wird, weiter die effektive Barrierehöhe der Multi-Quanten-Barriereschicht zu erhöhen, ohne eine Versetzung auftreten zu lassen.
Wenn der Barriere-Quantenabschnitt in einer Region der Emitterschicht angeordnet werden soll, außerhalb einer Verarmungsregion, ausgebildet zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht bei einer Arbeitsspannung, wenn der Transistor in Betrieb ist, kann die Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Ladungsträgern von der Basis in den Emitter maximal durchgeführt werden unter irgendwelchen Betriebsbedingungen.
Durch Anordnen der Basisschicht am Ende des Multi-Quanten-Barriereabschnitts, näher zur Basisschicht in solch einer Position, um das Tunneln der Ladungsträger aus der Verarmungsregion vorwärts zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht, ausgebildet in der Well-Schicht, benachbart zur Barriere-Schicht am Ende des Multi-Quanten-Barriereabschnitts, der näher zur Basisschicht liegt, zu verhindern, können solche verbesserten RF-Charakteristika wie oben beschrieben, erwartet werden, ohne Abbau der Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Ladungsträgern, durchgeführt durch den Multi-Quanten-Barriereabschnitt.
Um die erste Aufgabe zu lösen, weist ein zweiter bipolarer Transistor eine dotierte Schicht von hoher Konzentration zum effektiven Verstärken der Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Ladungsträgern von einer Basisschicht in die Emitterschicht auf, welche in der Emitterschicht des bipolaren Transistors zur Verfügung gestellt wird. Genauer gesagt weist der zweite bipolare Transistor die folgende Struktur auf.
Der zweite bipolare Transistor umfasst eine Emitterschicht, welche eine Verunreinigung eines ersten Leitfähigkeitstyps enthält, eine Basisschicht, die eine Verunreinigung eines zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, sowie eine Kollektorschicht, welche die Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps enthält, wobei der bipolare Transistor eine hoch konzentrierte dotierte Schicht aufweist, die in der Emitterschicht bereitgestellt wird und mit der Verunreinigung des ersten Leitfähigkeitstyps mit einer höheren Konzentration dotiert ist als in der Emitterschicht.
Diese erzeugt nicht nur eine Barriere, induziert durch ein unterbrochenes Valenzband an der Emitter-/Basisjunktion, sondern auch eine Potenzialbarriere, induziert durch eine hoch konzentrierte dotierte Schicht in einem Valenzband der Emitterschicht, so dass die Ladungsträger in der Basisschicht inhibiert werden gegen reverse Injektion in die Emitterschicht. Durch Unterdrücken der reversen Injektion von Ladungsträgern wird es daher möglich, den Stromamplifikations-Faktor wie auch die RF-Charakteristika, einschließend die maximale Oszillationsfrequenz fmax zu verbessern, selbst wenn die Ladungsträgerkonzentration in der Basisschicht erhöht wird.
Vorzugsweise ist die hoch konzentrierte dotierte Schicht eine δ-dotierte Schicht mit einer Dicke von 10 nm oder weniger.
Vorzugsweise ist die Konzentration der Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps in der hoch konzentrierten dotierten Schicht 1 × 10¹⁹ cm^–3 oder mehr.
Vorzugsweise ist die Konzentration der Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps in der hoch konzentrierten dotierten Schicht mehr als zehnfach höher als die Konzentration der Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps in der Emitterschicht.
Wenn die hoch konzentrierte dotierte Schicht benachbart zu einer Verarmungsregion ist, die am Emitter-/Basisjunktionsabschnitt ausgebildet wird, kann die Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Ladungsträgern von der Basis zum Emitter maximal realisiert werden.
Vorzugsweise ist die Konzentration der Ladungsträger des zweiten Leitfähigkeitstyps in der Basisschicht höher als die Konzentration der Ladungsträger des ersten Leitfähigkeitstyps in der Emitterschicht.
Durch Zusammensetzen der Emitterschicht und der Basisschicht von zwei Typen an Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken, wobei die breitere Bandlücke dem Halbleitermaterial verliehen wird, aus welchem die Emitterschicht besteht, und durch Bereitstellen eines Heterojunktionsabschnitts zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht, wird die Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Ladungsträgern aus der Basisschicht weiter verstärkt unter Verwendung einer hohen Barriere am Heterojunktionsabschnitt. In diesem Fall erreicht die verzerrte Basisschicht einen speziell hohen Effekt, wenn der Unterschied in der Gitterkonstanten zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht groß wird.
Um die zweite Aufgabe zu erfüllen, weist eine Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 10 eine Multi-Quanten-Barriere (MQB) auf mit einer Supergitterstruktur bestehend aus zwei Typen von extrem dünnen Filmen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, welche gleichzeitig alternativ gestapelt sind, welche bereitgestellt wird in einer Region der Kollektorschicht in Kontakt mit der Kollektorbasisjunktion. Die Höhe der Heterojunktionsbarriere (Barrierehöhe) wird effizient erhöht durch Verwendung des Effekts des Reflektierens einer Welle von Ladungsträgern, injiziert von der Basis (Minoritäts-Ladungsträger in der Kollektorschicht). Genauer gesagt weist die Halbleitervorrichtung folgende Struktur auf.
Die Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 10 umfasst einen bipolaren Transistor, umfassend eine Emitterschicht, eine Basisschicht und eine Kollektorschicht, wobei besagter bipolarer Transistor folgendes aufweist: Einen Multi-Quanten-Barriereabschnitt, welcher in besagter Emitterschicht zur Verfügung gestellt wird und aus und einer Vielzahl von abwechselnd gestapelten Barriereschichten und Well-Schichten besteht, um die Funktion des Reflektierens der einfallenden Welle von Minoritäts-Ladungsträgern in der Kollektorschicht, injiziert von besagter Basisschicht durchzuführen, und wobei dabei solch eine Phase bereitgestellt wird, dass die einfallende Welle und eine reflektierte Welle einander intensivieren.
In der Anordnung wird verhindert, dass die Ladungsträger in der Basisschicht in die Kollektorschicht injiziert werden, nicht nur durch eine Barriere induziert durch ein durchbrochenes Leitungsband an der Kollektor-/Basisjunktion, sondern auch durch die Reflexionsfunktion, realisiert durch den Multi-Quanten-Barriereabschnitt. Durch Unterdrücken der Induktion der Minoritäts-Ladungsträger wird dadurch die Akkumulation der Minoritäts-Ladungsträger in der Kollektorschicht verhindert und die Betriebsgeschwindigkeit des bipolaren Transistors oder dergleichen wird erhöht, selbst wenn die Ladungsträgerkonzentration in der Basisschicht erhöht wird.
Die Halbleitervorrichtung kann auch eine weitere Struktur aufweisen, ähnlich zur Struktur des ersten bipolaren Transistors.
Durch die weitere Bereitstellung der Halbleitervorrichtung mit einem Element, welches als Komponenten zwei Regionen aufweist mit der gleichen Struktur als eine Basis-/Kollektorfunktion des bipolaren Transistors, kann ein Element erhalten werden, das bei einer hohen Geschwindigkeit betrieben werden kann unter Verwendung der Funktion des Unterdrückens der Injektion von Minoritäts-Ladungsträgern, durchgeführt durch den Multi-Quanten-Barriereabschnitt. Dieses Element ist beispielsweise eine Diode.
Durch weitere Bereitstellung der Halbleitervorrichtung mit einem weiteren bipolaren Transistor, umfassend eine Kollektorschicht, angeordnet in einer Region, welche üblicherweise durch die Basisschicht des bipolaren Transistors verwendet wird, eine Basisschicht, angeordnet in einer Region, welche üblicherweise durch die Kollektorschicht des bipolaren Transistors verwendet wird und eine Emitterschicht, wird verursacht, dass die Halbleitervorrichtung als ein I²L-Element funktioniert, welches eine kleinere Fläche einnimmt und bei einer höheren Geschwindigkeit betrieben wird.
In diesem Fall ist es möglich, zumindest eine andere Kollektorschicht zur Verfügung zu stellen, verbunden mit der Basisschicht des bipolaren Transistors und einen weiteren Multi-Quanten-Barriereabschnitt, welcher in einer anderen Kollektorschicht angeordnet ist und aus einer Vielzahl von Barriereschichten und Well-Schichten besteht, die alternativ gestapelt sind, um die Funktion des Reflektierens einer einfallenden Welle von Ladungsträgern, injiziert von der Basisschicht (Minoritäts-Ladungsträger in der Kollektorschicht) durchzuführen und solch eine Phase zur Verfügung zu stellen, dass die einfallende Welle und die reflektierende Welle einander intensivieren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Querschnitts-Ansicht eines bipolaren Heterojunktions-NPN-Transistors entsprechend der ersten Ausführungsform, in welchem eine MQB-Schicht als ein Si/SiGe-Multi-Quanten-Barriereabschnitt in der Emitterschicht zur Verfügung gestellt wird;
2 ist ein Banddiagramm des bipolaren Heterojunktions-NPN-Transistors gemäß der ersten Ausführungsform, in welchem die MQB-Schicht als der Si/SiGe-Multi-Quanten-Barriereabschnitt in der Emitterschicht bereitgestellt wird;
3 ist ein Banddiagramm, welches ein Modell zum Berechnen einer Barrierehöhe ΔUe, verstärkt durch die MQB-Schicht in dem Transistor zeigt;
4 zeigt das Ergebnis des Berechnens der Barrierehöhe ΔUe, welche durch die MQB-Schicht verstärkt wird;
5 zeigt das Ergebnis des Berechnens des Ausmaßes, in welchem eine Basis-Transit-Zeit reduziert worden ist in dem HBT der vorliegenden Erfindung mit der Barrierehöhe, verstärkt durch die MQB-Schicht, und der abgestuften Zusammensetzungs-Basisschicht, im Vergleich mit der Basis-Transit-Zeit in dem herkömmlichen HBT mit der einheitlichen Zusammensetzungs-Basisschicht;
6 zeigt das Ergebnis des Berechnens des Ausmaßes, in welchem eine maximale Oszillationsfrequenz fmax erhöht worden ist in dem HBT der ersten Ausführungsform mit der Barrierehöhe, verstärkt durch die MQB-Schicht, und der abgestuften Zusammensetzungs-Basischicht mit einer erhöhten Filmdicke, im Vergleich zu dem konventionellen HBT mit der abgestuften Zusammensetzungs-Basisschicht;
7(a) ist ein Banddiagramm eines bipolaren Transistors der ersten Ausführungsform, welches die verbesserten Temperaturcharakteristika zeigt und 7(b) ist ein Diagramm, dargestellt als Funktion der Temperatur gegen einen Stromamplifikations-Faktor;
8 ist eine Querschnitts-Ansicht eines bipolaren Heterojunktions-NPN-Transistors, in welchem eine δ-dotierte Si-Schicht in der Emitterschicht bereitgestellt wird;
9 ist eine Querschnitts-Ansicht eines bipolaren Heterojunktions-NPN-Transistors, in welchem die δ-dotierte Si-Schicht in der Emitterschicht bereitgestellt wird;
10 ist ein Banddiagramm eines bipolaren Heterojunktions-NPN-Transistors, in welchem die δ-dotierte Si-Schicht nicht in der Emitterschicht bereitgestellt wird;
11 zeigt die Beziehung zwischen einer Ladungsträgerkonzentration und der Zunahme der effektiven Barrierehöhe in der δ-dotierten Si-Schicht;
12 zeigt die Beziehung zwischen einem Stromamplifikations-Faktor β und einem Kollektorstrom in dem bipolaren Heterojunktions-NPN-Transistor in jedem der Fälle, wo die δ-dotierte Si-Schicht in der Emitterschicht bereitgestellt wird bzw. nicht bereitgestellt wird;
13 ist eine Querschnitts-Ansicht des bipolaren Heterojunktions-NPN-Transistors gemäß einer zweiten Ausführungsform, in welcher eine MQB-Schicht als ein Si/SiGe-Multi-Quanten-Barriereabschnitt in der Kollektorschicht zur Verfügung gestellt wird;
14 ist ein Banddiagramm des bipolaren Heterojunktions-NPN-Transistors gemäß der zweiten Ausführungsform, in welchem die MQB-Schicht in der Kollektorschicht bereitgestellt wird;
15 ist eine Querschnitts-Ansicht, welche eine Struktur eines I²L-Elementes gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt, in welcher eine MQB-Schicht in jeder der beiden Kollektorschichten zur Verfügung gestellt wird;
16 ist ein elektrisches Schaltdiagramm, welches ein Schaltungsäquivalent zu dem I²I-Element entsprechend der dritten Ausführungsform zeigt;
17 ist eine Querschnitts-Ansicht einer Halbleitervorrichtung entsprechend einer vierten Ausführungsform, welche einen bipolaren Transistor aufweist, in welchem eine MQB-Schicht zur Verfügung gestellt wird in der Kollektorschicht und eine Diode, welche erstellt wird unter Verwendung von nur der Basis und dem Kollektor des bipolaren Transistors;
18 ist eine Querschnitts-Ansicht eines herkömmlichen bipolaren Heterojunktions-SiGe NPN-Transistors unter Verwendung der abgestuften Zusammensetzungs-Basisschicht; und
19 ist ein Banddiagramm des herkömmlichen bipolaren Heterojunktions-SiGe NPN-Transistors unter Verwendung der einheitlichen Zusammensetzungs-Basisschicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
AUSFÜHRUNGSFORM 1
Die vorliegende Erfindung betrifft einen bipolaren Heterojunktions-Transistor mit einer Multi-Quanten-Barriere, welche aus einer Supergitterstruktur besteht, die aus zwei Typen von extrem dünnen Filmen besteht mit unterschiedlichen Zusammensetzungen, welche des Weiteren alternativ gestapelt sind, welche bereitgestellt wird in einer Region des Emitters, benachbart zur Emitter-/Basisjunktion.
1 ist eine Querschnitts-Ansicht, welche eine Struktur eines bipolaren Heterojunktions-NPN-Transistors zeigt mit einer Multi-Quanten-Barriere bestehend aus einem Si/SiGe-Supergitter, bereitgestellt in der Emitterschicht entsprechend der vorliegenden Ausführungsform. Wie in der Zeichnung gezeigt, wird dort folgendes bereitgestellt: eine n-Typ-Si-Subkollektorschicht von hoher Konzentration 2, dotiert mit Arsen; eine n-Typ-Si-Kollektorschicht 3, dotiert mit Arsen; eine p-Typ SiGe-Basisschicht mit hoher Konzentration 4, dotiert mit Bor; eine n-Typ-Si-Emitterschicht 5, dotiert mit Arsen; und eine n-Typ-Si-Emitterkontaktschicht mit hoher Konzentration 6, dotiert mit Arsen, welche sequenziell auf einem Si-Substrat 1 gestapelt sind. Eine Kollektorelektrode 20, eine Basiselektrode 21 und eine Emitterelektrode 22 werden auf der Si-Subkollektorschicht 2 angeordnet, der SiGe-Basisschicht 4 bzw. der Si-Emitterkontaktschicht 6.
Die Dicke der n-Typ-Si-Subkollektorschicht von hoher Konzentration 2 ist ungefähr 500 nm und die Konzentration von Arsen (n-Typ-Verunreinigung) in dem Si-Subkollektor 2 ist ungefähr 2 × 10¹⁹ cm^–3. Die Dicke der n-Typ-Si-Kollektorschicht 3 ist ungefähr 650 nm und die Konzentration von Arsen in der Si-Kollektorschicht 3 ist ungefähr 1 × 10¹⁷ cm^–3. Die Dicke der p-Typ-SiGe-Basisschicht von hoher Konzentration 4 ist ungefähr 50 nm und die Konzentration von Bor (p-Typ-Verunreinigung) in der SiGe-Basisschicht 4 ist ungefähr 1 × 10¹⁹ cm^–3. Die Dicke der n-Typ-Si-Emitterschicht 5 ist ungefähr 100 nm und die Konzentration von Arsen in der Si-Emitterschicht 5 ist ungefähr 2 × 10¹⁸ cm^–3. Die Dicke der n-Typ-Si-Emitterkontaktschicht von hoher Konzentration 6 ist ungefähr 50 nm und die Konzentration von Arsen in der Si-Emitterkontaktschicht 6 ist ungefähr 2 × 10¹⁹ cm^–3. Diese Schichten wurden sequenziell durch MBE gestapelt.
Eine MQB-Schicht 10 als ein Multi-Quanten-Barriereabschnitt mit einer Supergitterstruktur, bestehend aus extrem dünnen Si- und SiGe-Schichten, welche alternativ gestapelt wurden, wird in einer Region der Si-Emitterschicht 5 bereitgestellt, benachbart zum Emitter-/Basisjunktionsabschnitt. Die MQB-Schicht 10 weist eine Struktur auf, so dass die Zusammensetzungen und Filmdicken davon so eingestellt wurden, dass sie eine Welle von Löchern reflektieren, die revers von der SiGe-Basisschicht 4 in die Si-Emitterschicht 5 injiziert werden und eine Phase bereitstellen, in welcher die einfallende Welle von Löchern und eine reflektierte Welle von Löchern die sich gegenseitig intensivieren. Genauer gesagt weist die MQB-Schicht 10 eine Vielschichtstruktur auf, die aus Well-Schichten 10a, jede davon bestehend aus einer SiGe-Schicht mit einer Dicke von L1, und Barriereschichten 10b bestehen, jede davon bestehend aus einer Si-Schicht mit einer Dicke von L2. Die entsprechenden Dicken der Zusammensetzungen der Well-Schichten 10a bzw. der Barriereschichten 10b werden bestimmt, so dass sie der Beziehung dargelegt durch die folgende Gleichung (3) genügen.

m1*:: effektive Masse der Löcher in der SiGe-Schicht (Well-Schicht)
m2*:: effektive Masse der Löcher in der Si-Schicht (Barriereschicht)
L1:: Dicke der SiGe-Schicht (Well-Schicht)
L2:: Dicke der Si-Schicht (Barriereschicht)
E:: Energie der einfallenden Löcher
ΔEv:: Valenzband-Unterbrechungswert an der Si/SiGe-Heterojunktion
h:: Planck'sche Konstante
m, n:: ganze Zahlen

Genauer gesagt besteht die MQB-Schicht 10 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform aus einer Supergitterschicht, die aus fünf Paaren von Barriereschichten 10b besteht, jeweils ausgebildet aus Silizium mit einer Dicke von 1,4 nm sowie den Well-Schichten 10a, jeweils ausgebildet aus Si_0,7Ge_0,3 mit einer Dicke von 1,4 nm. In diesem Fall erhöht die MQB eine effektive Barrierenhöhe um ungefähr 150 meV.
Auf der anderen Seite weist die SiGe-Basisschicht 4 eine abgestufte Zusammensetzungs-Basisstruktur auf, in welcher ein Ge-Zusammensetzungsverhältnis sich substanziell kontinuierlich von 0 bis 20 % erhöht von einer Region, die in Kontakt steht mit einer Si-Emitterschicht 5 in Richtung einer Region, die in Kontakt steht mit einer Si-Kollektorschicht 3.
2 ist ein Banddiagramm eines bipolaren Heterojunktions-NPN-Transistors mit der Multi-Quanten-Barriereschicht, bestehend aus dem Si/SiGe-Supergitter und bereitgestellt in der Si-Emitterschicht 5 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform. Wie in der Zeichnung gezeigt ist, wird die Multi-Quanten-Barriere (MQB)-Schicht 10, die aus den fünf Paaren der Si-Barriereschichten 10b und der Si_0,7Ge_0,3-Well-Schichten 10a besteht, in der Region der Si-Emitterschicht 5, benachbart zur Emitter-Basisjunktion bereitgestellt. Eine Potenzialbarriere, angezeigt durch die unterbrochenen Linien in 2 wird ausgebildet aufgrund der Existenz der MQB-Schicht 10. Die Potenzialbarriere fungiert so, dass sie Löcher, welche wahrscheinlicherweise von der SiGe-Basisschicht 4 in die Si- Emitterschicht 5 fließen, reflektiert, was die effektive Barrierehöhe, vermittelt durch die Löcher, welche wahrscheinlicherweise von der SiGe-Basisschicht 4 fließen, um ungefähr 150 meV verstärkt hat. Die erhöhte effektive Barrierehöhe unterdrückt die reverse Injektion der Löcher in die Si-Emitterschicht 5, sogar, wenn eine Lochkonzentration in der SiGe-Basisschicht 4 erhöht wird und stellt daher eine hinreichende Stromverstärkung dar. Als ein Ergebnis kann ein HBT implementiert werden mit einer extrem hohen maximalen Oszillationsfrequenz fmax.
3 zeigt ein Modell zum Berechnen der Barrierehöhe ΔUe, verstärkt durch die MQB-Schicht 10 entsprechend der vorliegenden Erfindung. Die verstärkte Barrierehöhe ΔUe in jedem der fünf Paare von Si/SiGe-Supergitterstrukturen, welche die MQB-Schicht 10 ausbilden, wurde berechnet für die drei Strukturen von Si/Si_0,8Ge_0,2, Si/Si_0,7Ge_0,3 und Si/Si_0,8Ge_0,4. Zu dieser Zeit sind die entsprechenden Bandunterbrechungswerte ΔEv des Valenzbandes an den individuellen Heterojunktionen zwischen den Well-Schichten 10a und den Barriereschichten 10b 150meV, 225 meV und 300 meV. Wie in 3 gezeigt korrespondiert der Unterschied im Energieniveau zwischen dem unteren Ende der Potenzialbarriere (siehe die unterbrochenen Linien in 3), ausgebildet aufgrund der Existenz der MQB-Schicht 10 und dem Valenzband mit der Barrierehöhe ΔUe, verstärkt durch die MQB-Schicht 10.
Obwohl das Energieniveau Ec eines Leitfähigkeitsbandes in der gesamten Emitterschicht 5, einschließend die MQB-Schicht 10 als substanziell flach in 3 gezeigt ist, fällt, um genauer zu sein, das Energieniveau des Leitungsbandes tatsächlich leicht in den Abschnitten der SiGe-Schichten der MQB-Schicht 10 im Vergleich mit dem Energieniveau des Leitungsbandes in der Si-Schicht ab. Jedoch kann der Bandunterbrechungswert in der gesamten Si-Emitterschicht 5, einschließend die MQB-Schicht 10, substanziell Null betrachtet werden, da das Absinken des Energieniveaus vernachlässigbar ist.
4 zeigt das Ergebnis des Berechnens der Barrierehöhen ΔUe, verstärkt durch die MQB-Schicht 10 durch Variation der Anzahl der Atom-Monoschichten von Well-Schichten 10a und Barriereschichten 10b. Die Berechnungen wurden durchgeführt durch Variieren von x auf 0,2, 0,3 und 0,4 in Si_1-xGe_x, repräsentierend SiGe, welches die Well-Schichten 10a ausbildet, d.h. für die drei Strukturen von Si/Si_0,8Ge_0,2, Si/Si_0,7Ge_0,3 und Si/Si_0,6Ge_0,4. In der Zeichnung repräsentiert die horizontale Achse eine Well-/Barrieredicke, ausgedrückt in der Zahl der Atom-Monoschichten (eine Atom-Monoschicht korrespondiert mit (5,43/4) Å). Wie in der Zeichnung gezeigt tendiert die erhöhte Barrierehöhe ΔUe in der MQB-Schicht 10 dazu, abzunehmen mit der Zunahme in der Anzahl der Monoschichten und irgendeinem der Fälle, wo x variiert wird auf 0,2, 0,3 und 0,4. Falls die Anzahl der Monoschichten exzessiv vermindert wird, kann ein Fall auftreten, wo die Wahrscheinlichkeit von Löchern, welche durch die MQB-Schicht 10 dringen nicht Null wird, obwohl dies nicht in der Zeichnung gezeigt wird.
Der Maximalwert der erhöhten Barrierehöhe ΔUe nimmt mit der Zunahme des Ge-Zusammensetzungs-Anteils zu und nimmt ungefähr 240 meV ein, wenn sowohl Si als auch Si_0,6Ge_0,4 von Si/Si_0,6Ge_0,4 aus 8 Atom-Monoschichten besteht. Wenn die effektive Barrierenhöhe in der MQB-Schicht 10 um ungefähr 240 meV erhöht wird, wird die Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Löchern aus der SiGe-Basisschicht 4 in die Si-Emitterschicht 5 speziell merklich durchgeführt.
Sogar falls es leichte Fluktuationen in der Filmdicke und den Zusammensetzungen der MQB-Schicht 10 gibt, wird die Funktion des Unterdrückens der Injektionen von Löchern, wie oben erwähnt, leicht durchgeführt werden, vorausgesetzt, dass die effektive Barrierehöhe ΔUe in der MQB-Schicht 10 in der Größenordnung von 100 meV oder mehr liegt.
Um die Barrierehöhe ΔUe zu verstärken, wenn SiGe in den Well-Schichten 10a der MQB-Schicht 10 verwendet wird, ist es notwendig, des Weiteren den Ge-Zusammensetzungs-Anteil in den Well-Schichten 10a zu erhöhen. Jedoch kann der erhöhte Ge-Zusammensetzungs-Anteil eine Versetzung verursachen, abhängend von der kritischen Filmdicke von SiGe. Die entsprechende kritische Filmdicke für Si_0,8Ge_0,2, Si_0,7Ge_0,3 und Si_0,6Ge_0,4 wenn die Unterlagen Si ist, sind ungefähr 180 nm, 56 nm und 25 nm.
Beim Erhöhen der kritischen Filmdicke ist es effizient, Si_1-x-yGe_xC_y und Si zu verwenden, um die Well-Schichten 10a und die Barriereschichten 10b der MQB-Schicht 10 auszubilden. Durch Einstellen des Ge-Anteils auf 40 % oder mehr und Zugabe einer geringen Menge an C (in der Größenordnung von mehreren Prozent) dazu kann ein verzerrtes Gitter erhalten werden, ohne groß die Größenordnung des Bandunterbrechungswertes ΔEv an der Emitter-/Basisjunktion zu variieren, was die kritische Filmdicke der Well-Schicht 10a erhöht. Durch eine derartige Zusammensetzung der MQB-Schicht 10a aus Si_1-x-yGe_xC_y, kann ein größerer Unterbrechungswert ΔEv erhalten werden, ohne über die kritische Filmdicke hinauszugehen, was effektiv die reverse Injektion von Löchern aus der SiGe-Basisschicht 4 in die Emitterschicht 5 unterdrückt.
Als Nächstes wird eine Beschreibung gegeben, für den Effekt des Verbesserns der RF-Charakteristika des HBTs, wobei die effektive Barrierehöhe ΔUe erhöht worden ist durch Bereitstellen der MQB-Schicht 10 in der Si-Emitterschicht 5.
5 zeigt das Ergebnis der Berechnung eines Ausmaßes, in welchem die Basis-Transit-Zeit τ_B an Ladungsträgern reduziert wurde (Basis-Transit-Zeit-Reduktions-Faktor) in dem HBT, in welchem die Barrierehöhe ΔUe erhöht worden ist durch die MQB-Schicht 10 und der Ge-Zusammensetzungs-Anteil in der SiGe-Basisschicht 4 abgestuft worden ist wie in 2 gezeigt, im Vergleich zur Basis-Transit-Zeit in dem herkömmlichen HBT unter Verwendung einer einheitlichen Zusammensetzung der Basisschicht. Wie durch die folgenden Gleichungen (4) und (5) repräsentiert, ist die Basis-Transit-Zeit τ_B ein Faktor, der direkt die Stromverstärkungs-Cutoff-Frequenz f_T beeinflusst, welche höher wird, wenn die Basis-Transit-Zeit τ_B kürzer wird.
wobei τ_BC die Transit-Zeit von Ladungsträgern vom Emitter zum Kollektor ist;

τ_E: eine Zeit ist, die benötigt wird für die Akkumulation von Minoritäts-Ladungsträgern, welche revers in dem Emitter injiziert werden; τ_EB eine Beladungs-/Entladungs-Zeit für C_EB ist;
τ_EB: die Transit-Zeit der Minoritäts-Ladungsträger in der Basis ist;
τ_B: eine Beladungs-/Entladungs-Zeit für C_BC ist; und
τ_C: die Transit-Zeit von Elektronen in dem Kollektor ist.

In dem Fall der Verwendung einer Basisschicht mit einheitlicher Zusammensetzung wird τ_B jedoch bestimmt durch eine Diffusionsgeschwindigkeit, wie sie durch die folgende Gleichung (6) repräsentiert wird. τH = WB 2/(2k·T·μe/q) (6)wobei W_B die Dicke der Basisschicht ist; μe die Mobilität der Elektronen ist; und T eine Temperatur ist.
Im Fall der Verwendung der Basisschicht mit abgestufter Zusammensetzung wird τ_B auf der anderen Seite bestimmt durch eine Driftgeschwindigkeit, wie sie durch die folgenden Gleichungen (7) und (8) repräsentiert wird. τH = WB/(μe·E) (7) E = ΔEgr/q·WR (8)
Wie aus 5 ersichtlich ist, wird die Basis-Transit-Zeit reduziert in Übereinstimmung mit dem Gradienten, falls die abgestufte Zusammensetzung in der Basisschicht bereitgestellt wird, welche die gleiche Dicke aufweist wie eine Basisschicht mit herkömmlicher einheitlicher Zusammensetzung. Wenn der Gradient der Bandlücke 300 meV in der abgestuften Zusammensetzung ist, wird die Basis-Transit-Zeit auf ungefähr 20 % der Basis-Transit-Zeit in der einheitlichen Zusammensetzungsbasis reduziert.
6 zeigt das Ergebnis des Berechnens des Grades, in welchem die maximale Oszillationsfrequenz fmax (fmax-Verstärkungsfaktor) in dem HBT erhöht worden ist, in welchem die Barrierehöhe ΔUe erhöht worden ist durch Bereitstellung der MQB-Schicht 10 und die Basisschicht mit abgestufter Zusammensetzung mit einer erhöhten Dicke für einen verminderten Basiswiderstand R_B bereitgestellt wird, im Vergleich mit der maximalen Oszillationsfrequenz fmax in dem herkömmlichen HBT mit der stark dotierten einheitlichen Zusammensetzung in der Basisschicht. Es sollte festgehalten werden, dass die Filmdicke der SiGe-Basisschicht eingestellt worden ist, um eine Basis-Transit-Zeit zur Verfügung zu stellen, die gleich ist zur Basis-Transit-Zeit in der Basisschicht mit der stark dotierten einheitlichen Zusammensetzung des konventionellen HBTs. Da die Basis-Transit-Zeit reduziert ist unter Verwendung der abgestuften Zusammensetzungs-Basisschicht, wie in den Zeichnungen gezeigt, kann die Dicke der Basisschicht erhöht werden, wenn der Basislückengradient, welche aus der abgestuften Zusammensetzung resultiert, erhöht wird. Als ein Ergebnis wird der Basiswiderstand R_B vermindert und die maximale Oszillationsfrequenz fmax wird erhöht. Wie in den Zeichnungen gezeigt, ist die maximale Oszillationsfrequenz fmax, wenn der Bandlückengradient, welcher aus der abgestuften Zusammensetzung resultiert 300 meV ist, mehr als 1,5-fach höher als die maximale Oszillationsfrequenz in der Basis mit einheitlicher Zusammensetzung.
In dem HBT entsprechend der vorliegenden Ausführungsform können daher die folgenden Effekte abgeleitet werden aus den RF-Charakteristika, die in den 6 und 5 dargestellt sind.
Zunächst erreicht die Bereitstellung der MQB-Schicht 10 mit der Barrierehöhe ΔUe in der Si-Emitterschicht 5 den gleichen Effekt wie er erzielt wird, wenn der Banddiskontinuitätswert ΔEv des Valenzbandes an der Emitter-/Basisjunktion substanziell erhöht wird (siehe Gleichung (2)), was in einem verbesserten Stromamplifikations-Faktor β resultiert. Mit anderen Worten reduziert die Bereitstellung der MQB-Schicht 10 zum Unterdrücken der reversen Injektion von Löchern aus der SiGe-Basisschicht 4 in die Si-Emitterschicht 5 den Strom Jp, dargestellt in der Gleichung (2), der von der Basis zum Emitter fließt und verbessert dadurch den Stromamplifikations-Faktor β. Der Effekt ist erzielbar, unabhängig davon, ob die Emitter-/Basisjunktion eine Heterojunktion ist oder nicht. Konsequenterweise kann der gleiche Effekt auch erzielt werden in einem normalen bipolaren Transistor, verschieden von einem HBT.
Zum Zweiten variiert, da die gestaffelte Zusammensetzung auf die SiGe-Basisschicht 4 aufgebracht wurde, und die MQB-Schicht 10 in der Si-Emitterschicht 5 bereitgestellt wird, der Ge-Zusammensetzungs-Anteil in der SiGe-Basisschicht 4 so, dass die Bandlücke in der SiGe-Basisschicht 4 graduell von der Region der SiGe-Basisschicht 4 in Kontakt mit der Si-Emitterschicht 5 in Richtung der Region davon abnimmt, die in Kontakt steht mit der Si-Kollektorschicht 3, wodurch die Stromverstärkungs-Cutoff-Frequenz f_T vergrößert wird. Wie zuvor bereits erwähnt wird, falls die Basisdotierungskonzentration erhöht wird, um den Widerstand der einheitlichen Zusammensetzungs-Basisschicht in dem konventionellen HBT abzusenken, die Menge der revers injizierten Löcher zu, so dass eine hinreichende Stromverstärkung nicht erhalten wird. Im Gegensatz dazu wird, da die effektive Barrierehöhe verstärkt wird mit der Bereitstellung der MQB-Schicht 10 in dem HBT entsprechend der vorliegenden Erfindung die effektive Barrierehöhe hinreichend groß gehalten, selbst wenn der Banddiskontinuitätswert der Heterojunktion an der Emitter-/Basisjunktion reduziert wird mit der Bereitstellung der gestaffelten Zusammensetzungsbasis, und die Basisdotierungskonzentration wird erhöht, was die reverse Injektion von Löchern unterdrückt. Folglich kann die stark dotierte Basisschicht erhalten werden mit einer gestaffelten Zusammensetzung, welche konventionell nicht erreich werden hätte können. Als ein Ergebnis wird die Basis-Transit-Zeit der Elektronen vermindert und die RF-Charakteristika werden erhöht.
Zum Dritten kann, da die Basis-Transit-Zeit reduziert wird durch Bereitstellen der gestaffelten Zusammensetzungs-Basisschicht, die Dicke der Basisschicht erhöht werden mit dem Erhöhen des Bandlückengradienten, der aus der gestaffelten Zusammensetzung resultiert. Als ein Ergebnis wird der Basiswiderstand reduziert und die maximale Oszillationsfrequenz fmax wird erhöht.
Zum Vierten erzielt eine hinreichende Stromverstärkung, welche erhalten werden kann mit einem geringen Ge-Zusammensetzungs-Anteil, den Effekt des Unterdrückens des Auftretens einer Versetzung aufgrund einer thermischen Belastung während des nachfolgenden Prozessschritts, was ein Problem darstellt, wenn ein hoher Ge-Zusammensetzungs-Anteil eingesetzt wird, d.h. ein Effekt des Erhöhens der thermischen Belastung. Kurz gesagt erzielt dies den Effekt des Bereitstellens des Vorrichtungsfabrikationsprozesses mit einer erhöhten Marge wie auch einer erhöhten Vorrichtungsverlässlichkeit.
Zum Fünften können die Temperaturcharakteristika des bipolaren Transistors ebenfalls verbessert werden. Genauer gesagt zeigt, da die Verteilung der Lochkonzentrationen in dem Valenzband der SiGe-Schicht 4 nach unten sich bei einer erhöhten Temperatur verschiebt, wie in 7(a) gezeigt wird, der Stromverstärkungsfaktor β des bipolaren Transistors eine allgemeine Tendenz, abzusinken, wenn die Temperatur T zunimmt, wie in den Zeilen 1 und 2 repräsentiert wird. Die Tendenz ist insbesondere verdächtig, wenn der Banddiskontinuitätswert ΔEv niedrig ist. Im Gegensatz dazu stellt der bipolare Transistor entsprechend der vorliegenden Erfindung einen hohen Stromamplifikations-Faktor β zur Verfügung, selbst bei einer hohen Temperatur aufgrund der Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Löchern, durchgeführt durch die MQB-Schicht 10, wie durch die Zeile 3 in 7(b) repräsentiert wird.
Folglich kann durch Bereitstellung der MQB-Schicht 10 in der Region der Emitterschicht 5, benachbart zur Emitter-/Basisjunktion des bipolaren Heterojunktions-Transistors die Stromverstärkung bzw. RF-Charakteristik des bipolaren Heterojunktionstansistors verbessert werden.
Für die MQB-Schicht 10 wird, um verlässlich die Barrierefunktion durchzuführen, die gesamte MQB-Schicht 10 vorzugsweise extern bezüglich einer Verarmungsregion, ausgebildet zwischen dem Emitter und der Basis einer Arbeitsspannung, angeordnet. Dies liegt daran, dass, wenn die MQB-Schicht 10 eine Stelle aufweist, lokalisiert innerhalb der Verarmungsregion, die Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Löchern nicht verlässlich mit Blick auf diesen Teil durchgeführt werden kann.
Darüber hinaus wird die Barriereschicht 10b der MQB-Schicht 10, welche benachbart zur SiGe-Basisschicht 4 liegt, vorzugsweise in solch einer Position positioniert, um das Tunneln von Löchern aus der Verarmungsregion in die Well-Schicht 10a zu verhindern, welche benachbart ist zur Barriereschicht 10b, da das Auftreten des Tunnelns die Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Löchern eindämmt. Vorzugsweise liegt die MQB-Schicht 10 in der Si-Emitterschicht 5 in einem Abstand kürzer als die Diffusionslänge von Löchern aus der SiGe-Basisschicht 4.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform die verbesserten Charakteristika des bipolaren Heterojunktions-Transistors als ein einzelnes Element beschrieben hat, wird leicht eingesehen werden, dass das HBT entsprechend der vorliegenden Erfindung auch für den bipolaren Part einer BiCMOS-Vorrichtung verwendet werden kann, in welcher der bipolare Transistor und ein MOS-Transistor integriert sind.
Obwohl die vorliegende Erfindung als ein Beispiel den NPN SiGe HBT beschrieben hat, wird leicht eingesehen werden, dass die vorliegende Erfindung auch anwendbar ist auf bipolare PNP-Transistoren. Alternativ kann die vorliegende Erfindung auch angewandt werden auf einen normalen bipolaren Homojunktions-Transistor, welcher verschieden ist von dem HBT und auf einen bipolaren Heterojunktions-Transistor mit einer Vielniveaustruktur, welche aus III-V-Verbindungshalbleiterschichten aus GaAs, AlGaAs oder dergleichen, wie zuvor erwähnt, besteht.
BEISPIEL 1
Das vorliegende Beispiel betrifft einen bipolaren Heterojunktions-Transistor, der dadurch charakterisiert ist, dass er eine Heterojunktionsbarrierehöhe (Barrierehöhe) aufweist, die effizient erhöht ist durch Bereitstellen einer δ-dotierten Schicht in einer Region des Emitters, benachbart zur Emitter-/Basisjunktion, die eine extrem hohe Ladungsträgerkonzentration aufweist, um die reverse Injektion von Ladungsträgern von der Basisschicht zu verhindern und dadurch die Stromverstärkung und RF-Charakteristika des bipolaren Heterojunktions-Transistors verbessert.
8 zeigt eine Struktur eines bipolaren NPN-Heterojunktions-Transistors mit einer δ-dotierten Schicht, bereitgestellt in der Emitterschicht. Wie in der Zeichnung dargestellt wird folgendes bereitgestellt: eine Si-Subkollektorschicht vom n-Typ in einer hohen Konzentration 2, dotiert mit Antimon; eine Si-Kollektorschicht vom n-Typ 3, dotiert mit Antimon; eine SiGe-Basisschicht vom p-Typ einer hohen Konzentration 4, dotiert mit Bor; eine Si-Emitterschicht vom n-Typ 5, dotiert mit Antimon; und eine Si-Emitterkontaktschicht vom n-Typ 6 in hoher Konzentration, dotiert mit Antimon, welche sequenziell auf einem Si-Substrat 1 durch MBE gestapelt wurden. Eine Kollektorelektrode 20, eine Basiselektrode 21 und eine Emitterelektrode 22 werden auf der Si- Subkollektorschicht 2 angeordnet bzw. der SiGe-Basisschicht 4 und der Si-Emitterkontaktschicht 6.
Die Dicke der Si-Subkollektorschicht 2 vom n-Typ in hoher Konzentration wird ungefähr 500 nm sein und die Konzentration von Antimon (n-Typ-Verunreinigung) in dem Si-Subkollektor 2 ist ungefähr 2 × 10¹⁹ cm^–3. Die Dicke der n-Typ Si-Kollektorschicht 3 ist ungefähr 650 nm und die Konzentration von Antimon in der Si-Kollektorschicht 3 ist ungefähr 1 × 10¹⁷ cm^–3. Die Dicke der p-Typ SiGe-Basisschicht von hoher Konzentration 4 ist ungefähr 50 nm und die Konzentration von Bor (p-Typ-Verunreinigung) in der SiGe-Basisschicht 4 ist ungefähr 1 × 10¹⁹ cm^–3. Die Dicke der n-Typ Si-Emitterschicht 5 ist ungefähr 100 nm und die Konzentration von Antimon in der Si-Emitterschicht 5 ist ungefähr 2 × 10¹⁸ cm^–3. Die Dicke der n-Typ Si-Emitterkontaktschicht von hoher Konzentration 6 ist ungefähr 50 nm und die Konzentration von Antimon in der Si-Emitterkontaktschicht 6 ist ungefähr 2 × 10¹⁹ cm^–3. Diese Schichten wurden sequenziell durch MBE ausgebildet.
Eine δ-dotierte Si-Schicht 11, stark dotiert mit einer n-Typ-Verunreinigung wird in einer Region der n-Typ Emitterschicht 5, benachbart zum Emitter-/Basisjunktionsabschnitt zur Verfügung gestellt. Die Dicke der δ-dotierten Si-Schicht 11 ist ungefähr 5 nm und die Verunreinigungskonzentration darin ist ungefähr 1 × 10²⁰ cm^–3. Die δ-dotierte Si-Schicht 11 wird in der Region des Emitters in einem Abstand von ungefähr 40 nm von dem Emitter-/Basisjunktionsabschnitt angeordnet. Antimon wird als n-Typ-Dotierungsmittel verwendet. Die SiGe-Basisschicht 4 weist eine gestaffelte Zusammensetzungs-Basisstruktur auf, in welcher ein Ge-Zusammensetzungs-Anteil sich substanziell kontinuierlich in der Größenordnung von 0 % bis 30 % von einer Region in Kontakt mit der Si-Emitterschicht 5 in Richtung einer Region in Kontakt mit der Si-Kollektorschicht 3 erhöht.
9 ist ein Banddiagramm eines bipolaren NPN-Heterojunktionstansistors, in welchem die δ-dotierte Si-Schicht in der Emitterschicht bereitgestellt wird. 10 ist ein Banddiagramm eines bipolaren NPN-Heterojunktionstansistors, in welchem die δ-dotierte Si-Schicht nicht in der Si-Emitterschicht bereitgestellt wird.
Wie aus den 9 und 10 zu sehen ist, wird, wenn die δ-dotierte Si-Schicht 11 stark dotiert ist mit der n-Typ-Verunreinigung, und in der Region des Emitters benachbart zur Emitter-/Basisjunktion bereitgestellt wird, das Band durch die δ-dotierte Si-Schicht 11 moduliert und eine potenzielle Barriere gegen Löcher wird ausgebildet. Vom Standpunkt der Löcher in der SiGe-Basisschicht 4 aus hat die Bereitstellung der δ-dotierten Si- Schicht 11 die effektive Barrierehöhe erhöht. Konsequenterweise wird die reverse Injektion der Löcher in den Emitter unterdrückt, selbst wenn die Lochkonzentration in der Si-Ge-Basisschicht 4 erhöht wird, was eine hinreichende Stromverstärkung zur Verfügung stellt. Als ein Ergebnis kann ein HBT implementiert werden, welcher gering ist in dem Basiswiderstand und extrem hoch in der maximalen Oszillationsfrequenz fmax.
Die potenzielle Barrierehöhe, verstärkt durch die δ-dotierte Si-Schicht 11, wird um eine Ladungsträgerkonzentration in der δ-dotierten Si-Schicht 11 variiert, eine Ladungsträgerkonzentration in einer Region der Si-Emitterschicht 5 auf der Peripherie der δ-dotierten Si-Schicht 11 sowie einem Verunreinigungsprofil in der δ-dotierten Si-Schicht 11.
11 ist ein Diagramm, welches die Variationen in der Barrierehöhe zeigt, aufgetragen gegen die Ladungsträgerkonzentration der der δ-dotierten Si-Schicht 11 (welche die Konzentration einer n-Typ-Verunreinigung in der vorliegenden Ausführungsform ist, jedoch die Konzentration einer p-Typ-Verunreinigung in einem bipolaren PNP-Heterojunktions-Transistors ist). Es sollte festgehalten werden, dass die 11 ein Graph ist, welcher erhalten wird, wenn die Ladungsträgerkonzentration in der Si-Emitterschicht 1 × 10¹⁸ cm^–3 ist. Die Ladungsträgerkonzentration in der Si-Emitterschicht 5 ist 2 × 10¹⁸ cm^–3, wohingegen die Ladungsträgerkonzentration der δ-dotierten Si-Schicht 11 1 × 10²⁰ cm^–3 ist, so dass das Ladungsträgerkonzentrationsverhältnis zwischen beiden 1:50 ist. Folglich hat die δ-dotierte Si-Schicht 11 die Barrierehöhe um ungefähr 100 meV erhöht, was mit einer Barrierehöhe korrespondiert, wenn die Ladungsträgerkonzentration in der δ-dotierten Si-Schicht 11 5 × 10¹⁹ cm^–3 in 11 ist.
Damit der Effekt des Beispiels besser dargestellt werden kann, ist die Ladungsträgerkonzentration in der δ-dotierten Si-Schicht 11 vorzugsweise 1 × 10¹⁹ cm^–3 oder höher. Darüber hinaus ist das Inkrement der Barrierehöhe, erzeugt durch die δ-dotierte Si-Schicht 11 vorzugsweise um einen Faktor von 10 oder mehr. Es wird sich verstehen, dass die Barrierehöhe höher ist um 50 meV, wenn die Ladungsträgerkonzentration in der δ-dotierten Si-Schicht zehnfach größer ist als die Ladungsträgerkonzentration in der Si-Emitterschicht 5. Folglich ist die Ladungsträgerkonzentration in der δ-dotierten Si-Schicht 11 vorzugsweise mehr als zehnfach höher als die Ladungsträgerkonzentration in der Si-Emitterschicht 5.
Durch Einstellen der Ladungsträgerkonzentration der SiGe-Basisschicht 4 so, dass sie höher ist als die Ladungsträgerkonzentration in der Si-Emitterschicht 5, ist es auch mög lich, in erwünschter Art und Weise den Basiswiderstand zu reduzieren und eine Kapazitätszunahme am PN-Junktionsabschnitt zu unterdrücken.
12 ist eine Ansicht, welche die Beziehung (repräsentiert durch die durchgezogene Linie) zwischen dem Stromamplifikations-Faktor β und einem Kollektorstrom in dem bipolaren NPN-Heterojunktions-Transistor, in welchem die δ-dotierte Si-Schicht 11 in der Emitterschicht bereitgestellt wird zeigt sowie die Beziehung (repräsentiert durch die unterbrochene Linie) zwischen dem Stromamplifikations-Faktor β und dem Kollektorstrom in dem dipolaren herkömmlichen NPN-Heterojunktions-Transistor, in welchem die δ-dotierte Si-Schicht nicht in der Emitterschicht bereitgestellt wird. Wie in der Abbildung gezeigt, wird der Stromamplifikations-Faktor β mit der Bereitstellung der δ-dotierten Si-Schicht 11 in der Si-Emitterschicht 5 verbessert. Der Unterschied im Stromamplifikations-Faktor β zwischen den beiden bipolaren Heterojunktions-Transistoren ist insbesondere verdächtig in einer Region mit einem großen Kollektorstrom. Da ein hoher Stromamplifikations-Faktor β erhalten wird in dem bipolaren Heterojunktions-Transistor, selbst mit einem großen Kollektorstrom wird der maximale Wert f_tmax der Strom-Cutoff-Frequenz um ungefähr 25 % im Vergleich zum maximalen Wert f_Tmax in dem bipolaren Heterojunktions-Transistor ohne eine δ-dotierte Si-Schicht erhöht.
Falls der Ge-Zusammensetzungs-Anteil in der SiGe-Basisschicht 4 erhöht wird kann eine Versetzung auftreten abhängend von der kritischen Filmdicke von SiGe. Die entsprechenden kritischen Filmdicken für Si_0,8Ge_0,2, Si_0,7Ge_0,3 und Si_0,6Ge_0,4 bei einer Unterlage von Si sind ungefähr 180 nm, 56 nm und 25 nm.
Bei der Zunahme der kritischen Filmdicke ist es effektiv, Si_1-x-yGe_xC_y zu verwenden, um die Basisschicht auszubilden. Durch Einstellen des Ge-Anteils auf 40 % oder mehr und Hinzufügen einer kleinen Menge an C (in der Größenordnung mehrere Prozent) dazu kann ein verzerrtes Gitter gemildert werden ohne groß die Größenordnung des Banddiskontinuitätswertes ΔEv der Emitter-/Basisjunktion zu variieren, was die kritische Filmdicke der Basisschicht erhöht. Durch eine derartige Zusammenstellung der Basisschicht von Si_1-x-yGe_xC_y kann ein größerer Banddiskontinuitätswert ΔEv erhalten werden, ohne über die kritische Filmdicke hinauszugehen.
Als Nächstes wird die δ-dotierte Si-Schicht 11 zur Verfügung gestellt in der Si-Emitterschicht 5, um die effektive Barrierehöhe zu verstärken. Wie in 9 gezeigt, ist der Effekt des Verbesserns der RF-Charakteristika des HBT mit der SiGe-gestaffelten Zusammensetzungs-Basisschicht 4 der gleiche wie illustriert in der ersten Ausführungsform unter Verweis auf die 5 und 6.
Aus dem oben dargelegten wurden die folgenden Effekte abgeleitet, welche durch den bipolaren Heterojunktions-Transistor (HBT) erzielt werden können.
Zuerst erreicht die Bereitstellung der δ-dotierten Si-Schicht 11 zum effektiven Verstärken der Barrierehöhe in der Si-Emitterschicht den gleichen Effekt wie denjenigen, der erzielt wird, wenn der Banddiskontinuitätswert ΔEv des Valenzbandes an der Emitter-/Basisjunktion substanziell erhöht wird (siehe Gleichung (2)), was in einem erhöhten Stromamplifikations-Faktor β resultiert. Mit anderen Worten reduziert die Bereitstellung der δ-dotierten Si-Schicht 11 zum Unterdrücken der reversen Injektion von Löchern aus der SiGe-Basisschicht 4 in die Si-Emitterschicht 5 den Strom Jp, gezeigt in Gleichung (2), welcher von der Basis zum Emitter fließt und verbessert dadurch den Stromamplifikations-Faktor β. Der Effekt ist erzielbar, unabhängig davon, ob die Emitter-/Basisjunktion eine Heterojunktion ist oder nicht. Konsequenterweise kann der gleiche Effekt auch erzielt werden in einem normalen bipolaren Transistor, welcher kein HBT ist.
Zum Zweiten variiert, da die gestaffelte Zusammensetzung auf der SiGe-Basisschicht 4 aufgebracht wurde und die δ-dotierte Si-Schicht 11 in der Emitterschicht 5 bereitgestellt wird, der Ge-Zusammensetzungs-Anteil in der SiGe-Basisschicht 4 so, dass die Bandlücke in der SiGe-Basisschicht 4 graduell aus der Region der SiGe-Basisschicht 4 abnimmt, welche in Kontakt ist mit der Si-Emitterschicht 5 in Richtung der Region davon, in Kontakt mit der Si-Kollektorschicht 3, wodurch die Stromverstärkungs-Cutoff-Frequenz f_T erhöht wird. Wie zuvor erwähnt wird, falls die Basis-Dotierungskonzentration erhöht wird, um den Widerstand der einheitlichen Zusammensetzungs-Basisschicht in dem konventionellen HBT abzusenken, die Menge der Löcher, die revers injiziert werden, erhöht, so dass eine hinreichende Stromverstärkung nicht erhalten wird. Im Gegensatz dazu wird, da die effektive Barrierehöhe am Heterojunktionsabschnitt mit der Bereitstellung der δ-dotierten Si-Schicht 11 in dem HBT erhöht wird, die effektive Barrierehöhe hinreichend groß gehalten, selbst wenn der Banddiskontinuitätswert der Heterojunktion an der Emitter-/Basisjunktion reduziert wird mit der Bereitstellung der SiGe-gestaffelten Zusammensetzungs-Basisschicht 4 und die Basis-Dotierungskonzentration erhöht, was die reverse Injektion der Löcher unterdrückt. Folglich kann die stark dotierte Basisschicht mit einer abgestuften Zusammensetzung erhalten werden, was auf konventionellem Weg nicht erreichbar wäre. Als ein Ergebnis wird die Basis-Transit-Zeit der Elektronen reduziert und die RF-Charakteristika werden verbessert.
Zum Dritten kann, da die Basis-Transit-Zeit reduziert wird durch Bereitstellen der gestaffelten Zusammensetzungs-Basisschicht, die Dicke der Basisschicht erhöht werden. Als ein Ergebnis wird der Basiswiderstand reduziert in die maximale Oszillationsfrequenz fmax wird erhöht.
Zum Vierten zeigt die Tatsache, dass eine hinreichende Stromverstärkung erhalten werden kann, selbst wenn der Ge-Zusammensetzungs-Anteil gering ist, dass eine Versetzung, verursacht durch eine thermische Belastung während des nachfolgenden Verarbeitungsschrittes, was ein Problem darstellt, wenn ein hoher Ge-Zusammensetzungs-Anteil verwendet wird, unterdrückt werden kann. In dem konventionellen HBT unter Verwendung der einheitlichen Zusammensetzungs-Basis ist es vonnöten beim Dotieren der SiGe-Basisschicht mit einer hohen Konzentrationsverunreinigung, den Ge-Zusammensetzungs-Anteil in der SiGe-Basisschicht zu erhöhen, so dass der Unterschied in der Gitterkonstanten zwischen der Emitterschicht und der Si-Basisschicht in nachteilhafter Art und Weise erhöht wird, um die kritische Filmdicke zu reduzieren, bei welcher eine Versetzung durch den Unterschied in der Gitterkonstanten verursacht wird. Jedoch werden, falls die effektive Barrierehöhe verstärkt wird mit der Bereitstellung der δ-dotierten Si-Schicht 11 hinreichende RF-Charakteristika erzielt ohne den Ge-Zusammensetzungs-Anteil in der SiGe-Basisschicht 4 zu erhöhen. Die hinreichende Stromverstärkung, welche erhältlich ist mit einem geringen Ge-Zusammensetzungs-Anteil, realisiert auch den Effekt des Unterdrückens des Auftretens einer Versetzung aufgrund der thermischen Belastung während des nachfolgenden Prozessschritts, was ein Problem darstellt, wenn ein hoher Ge-Zusammensetzungs-Anteil verwendet wird, d.h. den Effekt des Erhöhens der thermischen Belastung. Kurz gesagt erzielt dies den Effekt des Bereitstellens des Vorrichtungs-Fabrikations-Prozesses mit einer erhöhten Marge sowie einer erhöhten Vorrichtungs-Verlässlichkeit.
Zum Fünften können die Temperaturcharakteristika des bipolaren Transistors ebenfalls verbessert werden. Genauer gesagt nimmt, da die Verteilung der Lochkonzentrationen in dem Valenzband der SiGe-Schicht 4 nach unten bei einer erhöhten Temperatur sich verschiebt, der Stromamplifikations-Faktor β des bipolaren Transistors eine Tendenz ein, geringer zu werden, wenn die Temperatur zunimmt. Diese Tendenz ist insbesondere bemerkenswert, wenn der Banddiskontinuitätswert ΔEv gering ist. Im Gegensatz dazu stellt der bipolare Transistor entsprechend dem vorliegenden Beispiel einen hohen Stromamplifikations-Faktor β bereit, selbst bei einer hohen Temperatur, aufgrund der Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Löchern, durchgeführt durch die δ-dotierte Si-Schicht 11, wie durch die Zeile 3 in 7(b) dargestellt wird.
Folglich kann durch Bereitstellen der δ-dotierten Si-Schicht 11 in der Region der Emitterschicht 5, benachbart zur Emitter-/Basisjunktion des bipolaren Heterojunktions-Transistors die Stromverstärkung sowie die RF-Charakteristika in dem bipolaren Heterojunktions-Transistor verbessert werden.
Damit die δ-dotierte Si-Schicht 11 in verlässlicher Art und Weise die Barrierefunktion realisiert, wird die gesamte δ-dotierte Si-Schicht vorzugsweise extern bezüglich der Verarmungsregion angeordnet, welche zwischen dem Emitter und der Basis bei einer Arbeitsspannung ausgebildet wird und die δ-dotierte Si-Schicht 11 ist vorzugsweise benachbart zur Verarmungsregion. Dies liegt daran, dass, falls die δ-dotierte Si-Schicht 11 einen Teil aufweist, welche innerhalb der Verarmungsregion lokalisiert wird, die Barrierehöhe reduziert wird und die Funktion des Unterdrückens der reversen Injektion von Löchern abgebaut werden kann. Vorzugsweise liegt die δ-dotierte Si-Schicht 11 in der Si-Emitterschicht 5 in einem Abstand, der kürzer ist als die Diffusionslänge des Lochs von der SiGe-Basisschicht 4.
Obwohl das vorliegende Beispiel die verbesserten Charakteristika des bipolaren Heterojunktions-Transistors als ein einzelnes Element beschrieben wird, wird es leicht eingesehen werden, dass das HBT entsprechend des vorliegenden Beispiels auch verwendet werden kann für die bipolaren Teile einer BiCMOS-Vorrichtung, in welcher der bipolare Transistor und ein MOS-Transistor integriert worden sind.
Obwohl das vorliegende Beispiel den NPN SiGe HBT mit Hilfe eines Beispiels beschrieben hat, wird es leicht eingesehen werden, dass das vorliegende Beispiele auch anwendbar ist auf einen bipolaren PNP-Transistor. Alternativ kann das vorliegende Beispiel auch auf einen normalen bipolaren Homojunktions-Transistor angewandt werden, welcher verschieden ist vom HBT sowie auf einen bipolaren Heterojunktions-Transistor mit einer Vielschichtstruktur, welche aus III-V-Verbindungshalbleiterschichten aus GaAs, AlGaAs und dergleichen, wie zuvor erwähnt, aufweist.
AUSFÜHRUNGSFORM 2
13 ist eine Querschnitts-Ansicht, welche eine Struktur eines bipolaren NPN-Heterojunktions-Transistors zeigt mit einer Multi-Quanten-Barriere, bestehend aus einem Si/SiGe-Supergitter, bereitgestellt in der Kollektorschicht entsprechend der vorliegenden Ausführungsform. Wie in der Zeichnung gezeigt wird folgendes bereitgestellt: eine n-Typ Si-Subkollektorschicht 2 von hoher Konzentration, dotiert mit Arsen; eine n-Typ Si-Kollektorschicht 3, dotiert mit Arsen; eine p-Typ Si-Basisschicht mit hoher Konzentration 4, dotiert mit Bor; eine n-Typ Si-Emitterschicht 5, dotiert mit Arsen; und eine n-Typ Si-Emitterkontaktschicht 6 von hoher Konzentration, dotiert mit Arsen, welche sequenziell auf einem Si-Substrat gestapelt wurden. Eine Kollektorelektrode 20, eine Basiselektrode 21 und eine Emitterelektrode 22 werden auf der Si-Subkollektorschicht 2 angeordnet, der SiGe-Basisschicht 4 bzw. der Si-Emitterkontaktschicht 6.
Die Dicke der n-Typ Si-Subkollektorschicht 2 von hoher Konzentration ist ungefähr 500 nm und die Konzentration von Arsen (n-Typ-Verunreinigung) in dem Si-Subkollektor 2 ist ungefähr 2 × 10¹⁹ cm^–3. Die Dicke der n-Typ Si-Kollektorschicht 3 ist ungefähr 650 nm und die Konzentration der Si-Kollektorschicht 3 ist ungefähr 1 × 10¹⁷ cm^–3. Die Dicke der p-Typ SiGe-Basisschicht 4 von hoher Konzentration ins ungefähr 50 nm und die Konzentration von Bor (p-Typ-Verunreinigung) in der SiGe-Basisschicht 4 ist ungefähr 1 × 10¹⁹ cm^–3. Die Dicke der n-Typ Si-Emitterschicht 5 ist ungefähr 100 nm und die Konzentration von Arsen in der Si-Emitterschicht 5 ist ungefähr 2 × 10¹⁸ cm^–3. Die Dicke der n-Typ Si-Emitterkontaktschicht 6 von hoher Konzentration ist ungefähr 50 nm und die Konzentration von Arsen in der Si-Emitterkontaktschicht 6 ist ungefähr 2 × 10¹⁹ cm^–3. Diese Schichten wurden sequenziell durch MBE gestapelt.
Eine MQB-Schicht 12 als ein Multi-Quanten-Barriereabschnitt mit einer Supergitterstruktur, bestehend aus extrem dünnem Si und SiGe, welche alternativ gestapelt wurden, wird in einer Region der Si-Kollektorschicht 3, benachbart zum Kollektor-/Basisjunktionsabschnitt bereitgestellt. Die MQB-Schicht 12 weist eine Struktur auf, dass die Zusammensetzungen und die Filmdicken davon so eingestellt wurden, dass sie eine einfallende Welle von Löchern, injiziert von der SiGe-Basisschicht 4 in die Si-Kollektorschicht 3 reflektieren, und eine Phase bereitstellen, in welcher die einfallende Welle und eine reflektierte Welle einander verstärken. Genauer gesagt weist die MQB-Schicht 12 eine Vielschichtstruktur auf, bestehend aus Well-Schichten 12a, jeweils bestehend aus einer SiGe-Schicht mit einer Dicke von L1 sowie Barriereschichten 12b, jeweils bestehend aus einer Si-Schicht mit einer Dicke von L2. Die entsprechenden Dicken und Zusammensetzungen der Well-Schichten 12a und der Barriereschichten 12b werden bestimmt, so dass sie der Beziehung, repräsentiert durch die folgende Gleichung 3 genügen, ähnlich wie dies für die erste Ausführungsform der Fall ist.

m1*:: effektive Masse von Löchern in der SiGe-Schicht (Well-Schicht)
m2*:: effektive Masse von Löchern in der Si-Schicht (Barriereschicht)
L1:: Dicke der SiGe-Schicht (Well-Schicht)
L2:: Dicke der Si-Schicht (Barriereschicht)
E:: Energie der einfallenden Löcher
ΔEv:: Valenzbanddiskontinuitätswert an der Si/SiGe-Heterojunktion
h:: Planck'sche Konstante
m, n:: ganze Zahlen

Genauer gesagt besteht die MQB-Schicht 12 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform aus einer Supergitterstruktur, konstruiert aus fünf Paaren der Barriereschichten 12b, jeweils ausgebildet aus Silizium mit einer Dicke von 1,5 nm und den Well-Schichten 12a, jeweils ausgebildet aus Si_0,8Ge_0,2 mit einer Dicke von 1,5 nm. In diesem Fall ist eine effektive Barrierehöhe, verstärkt durch die MQB-Schicht 12 ungefähr 130 meV.
Auf der anderen Seite weist die SiGe-Basisschicht 4 eine gestaffelte Zusammensetzungs-Basisstruktur auf, in welcher ein Ge-Zusammensetzungs-Anteil substanziell kontinuierlich sich von 0 bis 20 % von einer Region in Kontakt mit der Si-Emitterschicht 5 in Richtung einer Region in Kontakt mit der Si-Kollektorschicht 3 erhöht. Dementsprechend ist die Barrierehöhe, relevant für die Löcher in der SiGe-Schicht 4 280 meV, was die Summe ist aus 150 meV, korrespondierend mit der Höhe des Valenzband-Offsets, welche an der Basis-/Kollektorheterojunktion, die aus Si/Si_0,8Ge_0,2 besteht, und 130 meV, korrespondierend mit der effektiven verstärkten Barrierehöhe der MQB-Schicht 12. Dies erzielt eine hinreichende Reduktion in den Minoritäts-Ladungsträgern, injiziert von der SiGe-Basisschicht 4 und akkumuliert in der Si-Kollektorschicht 4.
14 ist ein Banddiagramm des bipolaren NPN-Heterojunktions-Transistors mit der Multi-Quanten-Barriereschicht, bestehend aus dem Si/SiGe-Supergitter und bereitgestellt in der Si-Kollektorschicht 4 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform. Wie in der Zeichnung gezeigt wird die Multi-Quanten-Barriereschicht, welche aus fünf Paaren von Si-Barriereschichten 12b besteht und Si_0,8Ge_0,2 Well-Schichten 12a in einer Region der Si-Kollektorschicht 3 bereitgestellt, benachbart zur Kollektor-/Basisjunktion. Eine Potenzialbarriere, angegeben durch die unterbrochenen Linien in 14 wird ausgebildet aufgrund der Existenz der MQB-Schicht 12. Die Potenzialbarriere soll die Löcher, die wahrscheinlicherweise von der SiGe-Basisschicht 4 in die Si-Kollektorschicht 3 fließen, reflektieren, was eine effektive Höhe, relevant für die Löcher, welche wahrscheinlicherweise von der SiGe-Basisschicht 4 herfließen um ungefähr 130 meV erhöht hat. Die erhöhte effektive Barrierehöhe unterdrückt die Injektion von Löchern in die Si-Kollektorschicht 3, so dass die Quantität der Minoritäts-Ladungsträger, akkumuliert in der Si-Kollektorschicht 3 reduziert wird und die Betriebsgeschwindigkeit erhöht wird.
Das Modell zum Berechnen der Barrierehöhe ΔUe, verstärkt durch die MQB-Schicht 12, bereitgestellt in dem Kollektor ist ähnlich zu dem Modell zum Berechnen der Barrierehöhe ΔUe in dem Fall, wo die MQB-Schicht in dem Emitter bereitgestellt wird entsprechend der ersten Ausführungsform, welche in 3 gezeigt wird. Genauer gesagt sind die entsprechenden Banddiskontinuitätswerte ΔEv der Valenzbänder an den individuellen Heterojunktionen zwischen den Well-Schichten 12a und den Barriereschichten 12b, welche für die drei Strukturen von Si/Si_0,8Ge_0,2, Si/Si_0,7Ge_0,3 und Si/Si_0,8Ge_0,4 berechnet wurden 150 meV, 225 meV und 300 meV. Es sollte festgehalten werden, dass, da eine jede der Well-Schichten 12a und der Barriereschichten 12b eine Dicke von 1,5 nm in der vorliegenden Ausführungsform aufweist, die Werte, erhalten durch die vorliegende Ausführungsform, unterschiedlich sind von den Werten der korrespondierenden Teile, dargestellt in 3.
Das Ergebnis des Berechnens der Barrierehöhen ΔUe, verstärkt durch die MQB-Schicht 12 als Antwort auf die Variationen in der Anzahl der Atom-Monoschichten von Well-Schichten 12a und Barriereschichten 12b wurde auch in 4 gezeigt.
Um die Barrierehöhe ΔUe zu erhöhen, wenn SiGe verwendet wird in der Well-Schicht 12a der MQB-Schicht 12, ist es auch notwendig in der vorliegenden Ausführungsform, weiter den Ge-Zusammensetzungs-Anteil in den Well-Schichten 12a zu erhöhen, ähnlich wie in der ersten Ausführungsform. Jedoch kann der erhöhte Ge- Zusammensetzungs-Anteil eine Versetzung erzeugen, abhängig von der kritischen Filmdicke von SiGe. Die entsprechende kritische Filmdicke für Si_0,8Ge_0,2, Si_0,7Ge_0,3 und Si_0,6Ge_0,4, bei einer Unterlage von Si sind ungefähr 180 nm, 56 nm und 25 nm.
Beim Erhöhen der kritischen Filmdicke ist es effektiv, Si_1-x-yGe_xC_y einzusetzen, um die Well-Schichten 12a zusammenzustellen bzw. die Barriereschichten 12b der MQB-Schicht 12. Durch Einstellen der Ge-Zusammensetzung auf 40 % oder mehr und durch Zugabe von geringen Mengen an C (in der Größenordnung von mehreren Prozent) dazu kann ein verzerrtes Gitter abgemildert werden, ohne groß die Größenordnung des Banddiskontinuitätswerts ΔEv an der Kollektor-/Basisjunktion zu variieren, was die kritische Filmdicke in der Well-Schicht 12a erhöht. Durch eine derartige Zusammenstellung der MQB-Schicht 12a aus Si_1-x-yGe_xC_y kann ein größerer Banddiskontinuitätswert ΔEv erhalten werden ohne die kritische Filmdicke zu überschreiten, was effizient die Injektion von Löchern aus der SiGe-Basisschicht 4 in die Si-Kollektorschicht 3 unterdrückt.
Durch ein derartiges Bereitstellen der MQB-Schicht 12 in der Region der Si-Kollektorschicht 3, benachbart zur Basis-/Kollektorjunktion des bipolaren Heterojunktions-Transistors wird es möglich, in effizienter Art und Weise die Höhe der Heterojunktionsbarriere an der Basis-/Kollektorheterojunktion zu verstärken und dadurch die Injektion von Minoritäts-Ladungsträgern von der SiGe-Basisschicht 4 in die Si-Kollektorschicht 3 zu unterdrücken. Als ein Ergebnis wird die Quantität der Minoritäts-Ladungsträger in der Si-Kollektorschicht 3 reduziert und die Betriebsgeschwindigkeit des bipolaren Transistors kann erhöht werden.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform die verbesserten Charakteristika des bipolaren Heterojunktions-Transistors als ein einzelnes Element beschrieben hat, wird es leicht eingesehen werden, dass das HBT entsprechend der vorliegenden Erfindung auch verwendet werden kann für den bipolaren Teil einer BiCMOS-Vorrichtung, in welcher der bipolare Transistor und ein MOS-Transistor integriert worden sind.
Es wird leicht eingesehen werden können, dass falls ein integrierter Schaltkreis verwendet wird als eine Komponente der Basis-/Kollektor-PN-Junktion des bipolaren Heterojunktions-Transistors mit einer Multi-Quanten-Barriere gegen Minoritäts-Ladungsträger, bereitgestellt in einem Kollektor, wie dies in der vorliegenden Ausführungsform gezeigt wird, die Geschwindigkeit des integrierten Schaltkreises erhöht wird.
AUSFÜHRUNGSFORM 3
15 ist eine Querschnitts-Ansicht eines I²L-Elementes, welches einen bipolaren Si/SiGe-Heterojunktions-Transistor umfasst mit einer MQB-Schicht, bereitgestellt in einer Kollektorschicht wie in der zweiten Ausführungsform gezeigt wird. 16 ist ein elektrisches Schaltkreisdiagramm, welches ein Schaltkreisäquivalent für ein I²L-Element zeigt.
Eine Beschreibung wird unten für eine Struktur eines I²L-Elementes gegeben, dargestellt in 15 unter Verweis auf 16. Das I²L-Element entsprechend der vorliegenden Ausführungsform umfasst folgendes: eine n'-Typ-Halbleiterregion 51; eine n-Typ Si-allgemeine Diffusionsschicht 52, angeordnet auf der Halbleiterregion 51, um als die Basisschicht eines bipolaren PNP-Transistors zu fungieren bzw. als die Emitterschicht eines bipolaren NPN-Transistors. Eine Si-Emitterschicht 53 und eine Si-Kollektorschicht 54 des bipolaren PNP-Transistors, ausgebildet durch Einbringen einer p-Typ Verunreinigung in die Si-allgemeine Diffusionsschicht 52; eine p-Typ SiGe-Basisschicht 55 des I²L-Elementes, angeordnet auf der allgemeinen Si-Diffusionsschicht 52; zwei n-Typ Si-Kollektorschichten 56a und 56b des bipolaren NPN-Transistors, angeordnet auf der Si-Ge-Basisschicht 55; eine Isolationsschicht 57, die das gesamte Substrat abdeckt; zwei Kollektorelektroden 70a und 70b des bipolaren NPN-Transistors zum Kontaktherstellen mit den Si-Kollektorschichten 56a und 56b durch die Isolationsschicht 57; eine Basiselektrode 71 des I²L-Elementes zum Kontaktherstellen mit der SiGe-Basisschicht 66 durch die Isolationsschicht 57; eine Injektionselektrode 72 des I²L-Elementes zum Kontaktherstellen mit der Si-Emitterschicht 53 des bipolaren PNP-Transistors durch die Isolationsschicht 57; und eine geerdete Elektrode 73 zum Kontaktherstellen mit der allgemeinen Si-Diffusionsschicht 52 durch die Isolationsschicht 57. Es sollte festgehalten werden, dass die SiGe-Basisschicht 55 des I²L-Elementes als die Basisschicht des bipolaren NPN-Transistors fungiert sowie als die Kollektorkontaktschicht des bipolaren PNP-Transistors. Das I²L-Element ist so strukturiert, dass ein Strom zum Steuern des PNP-Transistors in die Injektionselektrode 72 injiziert wird, ein Input-Signal für das I²L-Element in die Basiselektrode 71 eingegeben wird, und ein Ausgabe-Signal von dem I²L-Element erhalten wird aus den Kollektorelektroden 70a und 70b, verbunden mit einer Energiespannungsquelle über einen Schaltkreis (nicht gezeigt). Die Pfeile, dargestellt in 15 repräsentieren die entsprechenden Stromflüsse in dem bipolaren PNP- und NPN-Transistoren.
Die Konzentration von Arsen (n-Typ-Verunreinigung) in jeder der Si-Kollektorschichten 56a und 56b ist ungefähr 1 × 10¹⁷ cm^–3. In einer Oberflächenregion einer jeden der Si-Kollektorschichten 56a und 56b wird eine Kontaktschicht zur Verfügung gestellt, dotiert mit Arsen bei einer hohen Konzentration (ungefähr 1 × 10²⁰ cm^–3) obwohl dies nicht gezeigt wird. Die Konzentration an Bor (p-Typ-Verunreinigung) in der SiGe-Basisschicht 55 ist ungefähr 2 × 10¹⁸ cm^–3. Die Konzentration von Bor in der Si-Emitterschicht 53 ist ungefähr 1 × 10¹⁹ cm^–3. Die Konzentration von Bor in der Si-Kollektorschicht 54 ist ungefähr 1 × 10¹⁹ cm^–3. Die Konzentration an Phosphor in der allgemeinen Si-Diffusionsschicht 52 ist ungefähr 1 × 10¹⁸ cm^–3.
Im Folgenden wird der Betrieb eines I²L-Elementes dargestellt. Wenn ein Niedrigspannungssignal "L" in die Basiselektrode 71 gespeist wird, wird der Stromfluss in dem bipolaren PNP-Transistor wie durch den durchgezogenen Pfeil in der Zeichnung angegeben, so dass die Basisspannung in dem bipolaren NPN-Transistor abgesenkt wird, um den bipolaren NPN-Transistor auszuschalten. Dementsprechend wird die Spannung an jeder der Kollektorelektroden 70a und 70b, verbunden mit der Energiespannungsversorgung hoch, so dass ein Signal "H" ausgegeben wird. Wenn das Hochspannungssignal "H" in die Basiselektrode 71 gespeist wird, wird auf der anderen Seite der Stromfluss in dem bipolaren PNP-Transistor wie durch den unterbrochenen Pfeil angezeigt, so dass die Basisspannung des bipolaren NPN-Transistors hoch wird, um den NPN-Transistor einzuschalten. Als ein Ergebnis wird die Spannung an jeder der Kollektorelektroden 70a und 70b gering werden, so dass das Signal "L" ausgegeben wird. Kurz gesagt fungiert das I²L-Element als ein NICHT-Schaltkreis (Inverter).
Das I²L-Element entsprechend der vorliegenden Ausführungsform ist dadurch charakterisiert, dass die gleichen MQB-Schichten 60a und 60b, wie sie in der ersten Ausführungsform ausgebildet werden, in den beiden Si-Kollektorschichten 56a bzw. 56b ausgebildet werden.
Solch ein I²L-Element zeigt die gleiche Funktion wie durch einen Inverter realisiert, der aus dem PFET und NFET einer CMOS-Vorrichtung besteht. Da das I²L-Element keinen Isolationsfilm benötigt, wie er von der CMOS-Vorrichtung benötigt wird, weist es den Vorteil auf für eine höhere Integration geeignet zu sein. Jedoch weist ein herkömmliches I²L-Element den Nachteil auf, dass eine längere Zeit benötigt wird zum AN/AUS-Schalten aufgrund der Minoritäts-Ladungsträger, akkumuliert in der Kollektorschicht des bipolaren NPN-Transistors. Aus diesem Grunde wird das I²L-Element nicht häufig in einem integrierten Halbleiterschaltkreis verwendet.
Im Gegensatz dazu ist es, da die Struktur des I²L-Elementes entsprechend der vorliegenden Ausführungsform die MQB-Schichten 60a und 60b aufweist, bereitgestellt in den Si-Kollektorschichten 56a bzw. 56b, zum Verhindern der Injektion von Löchern von der Basis, frei von verlängerter AN/AUS-Schaltzeit aufgrund von Löchern (Minoritäts-Ladungsträger), die in den Si-Kollektorschichten 56a und 56b akkumuliert sind, und führt eine Hochgeschwindigkeitsoperation, die für einen bipolaren Transistor intrinsisch ist durch. Folglich weist das I²L-Element die Vorteile auf einer Eignung für höhere Integration und eine Eigenschaft des Hochgeschwindigkeitsbetriebs, was die Verwendung des I²L-Elementes als ein Inverter in einer Si-Heterojunktionsvorrichtung ermöglicht. Darüber hinaus ist der Energieverbrauch hinreichend gering im Vergleich zum Energieverbrauch einer MOS-Vorrichtung.
Das I²L-Element entsprechend der vorliegenden Ausführungsform weist des Weiteren die folgenden strukturellen Vorteile auf. Im Gegensatz zu einer CMOS-Vorrichtung weist der bipolare NPN-Transistor auf der Ausgabeseite des I²L-Elementes eine sogenannte Kollektortopstruktur auf, in welcher die Si-Kollektorschichten 56a und 56b oberhalb der SiGe-Basisschicht 55 angeordnet sind. Die Kollektortopstruktur ist geeignet zur Bereitstellung von MQB-Schichten 60a und 60b, ausgebildet durch epitaktisches Wachstum. Genauer gesagt weist das I²L-Element die Kollektortopstruktur auf, in welcher die Kollektorschicht oberhalb der Basisschicht ausgebildet ist, aufgrund einer Vielzahl von Kollektorausgaben, wo hingegen ein normales Si/SiGe HBT im Allgemeinen eine Emittertopstruktur aufweist, in welcher eine Emitterschicht ausgebildet wird oberhalb einer SiGe-Basisschicht, ausgebildet durch ein epitaktisches Wachstum. Dies liegt daran, dass in dem I²L-Element die Emitter- und Basisregionen des bipolaren NPN-Transistors auch als die Basis- und Kollektorregionen des bipolaren PNP-Transistors als eine konstante Stromquelle dienen, so dass die Basis- und Kollektorschichten des NPN-Transistors eventuell durch epitaktisches Wachstum oberhalb der Emitterschicht ausgebildet werden.
Unter diesem Gesichtspunkt kann man auch sagen, dass das I²L-Element mit den MQB-Schichten, bereitgestellt in einer Region des Kollektors, benachbart zum Basis-/Kollektorjunktionsabschnitt des HBTs eine leicht herzustellende Struktur aufweist.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform das I²L-Element beschrieben hat unter Verwendung des NPN SiGe HBT, ist es auch möglich, das I²L-Element durch Verwenden eines PNP SiGe HBT zusammenzusetzen.
Das I²L-Element entsprechend der vorliegenden Ausführungsform kann ein bipolarer Heterojunktions-Transistor sein mit einer Vielniveaustruktur bestehend aus III-V-Verbindungshalbleiterschichten aus GaAs, AlGaAs und dergleichen.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform die beiden Kollektorschichten aufweist, kann sie auch eine einzelne Kollektorschicht aufweisen oder drei oder mehr Kollektorschichten.
AUSFÜHRUNGSFORM 4
Eine Beschreibung wird gegeben unten für eine Halbleitervorrichtung entsprechend der dritten Ausführungsform, in welcher der Basis-/Kollektorjunktionsabschnitt eines bipolaren Transistors als eine Diode verwendet werden kann.
Wie in 17 gezeigt weist die Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform eine bipolare Transistor-Ausbildungsregion auf und eine Dioden-Ausbildungsregion. Die bipolare Transistor-Ausbildungsregion und die Dioden-Ausbildungsregion weisen gemeinsame Elemente auf, abgesehen von den Elektroden, welche durch allgemeine Prozessschritte ausgebildet werden. Genauer gesagt wird folgendes bereitgestellt: eine Si-Kollektorschicht 103; eine p-Typ SiGe-Basisschicht 104, ausgebildet auf der Si-Kollektorschicht 103; eine n⁺-Typ Si-Emitterschicht 105, ausgebildet auf der SiGe-Basisschicht 104; eine zurückgezogene Emitterelektrode 106, bestehend aus PolySilizium zum Kontakt mit der Si-Emitterschicht 105; und eine MQB-Schicht 110, ausgebildet auf einer Region auf der Si-Kollektorschicht 103, welche unterhalb einer ersten exponierten Region liegt, wobei alle in einer aktiven Region lokalisiert sind, bestehend aus den ersten und zweiten Expositionsregionen Rexp1 und Rexp2 des Si-Substrats 101 umgeben durch LOCOS-Filme 102 und der internalen Region des Substrats, welches zwischen den exponierten Regionen Rexp1 und Rexp2 zwischengeschoben ist. Ein erster Einkristallfilm aus Si, einschließend die Si-Kollektorschicht 103 wird ausgebildet durch epitaktisches Wachstum oberhalb der ersten exponierten Region Rexp1 und den umgebenden LOCOS-Filmen, welche sorgsam mit einer Vielschichtstruktur versehen wird, die üblich ist für die MQB-Schicht 110. Eine p-Typ-Verunreinigung wird in den ersten Einkristallfilm aus Si eingebracht, außer für die Region davon, die unmittelbar unter der zurückgezogenen Emitterelektrode 106 liegt, durch Ionenimplantation unter Verwendung der zurückgezogenen Emitterelektrode 106 als eine Maske. Die SiGe-Basisschicht 104 wird oberhalb des ersten Si-Einkristallfilms ausgebildet und ein zweiter Si-Einkristallfilm ist des Weiteren durch epitaktisches Wachstum oberhalb der SiGe-Basisschicht 104 ausgebildet. Der zweite Si-Einkristallfilm, außer für die Region davon, die unmittelbar unterhalb der zurückgezogenen Emitterelektrode 106 liegt, bildet eine Silicidschicht 108 aus, wohingegen die Region, unmittelbar unterhalb der zurückgezogenen Emitterelektrode 100 eine Si-Cap-Schicht 109 ausbildet. Die oben genannte Si-Emitterschicht 105 wurde ausgebildet durch Einbringen durch Diffusion einer n-Typ-Verunreinigung von hoher Konzentration in die Si-Cap-Schicht 109 aus der Emitterelektrode 106. Eine zurückgezogene Kollektorelektrode 111, bestehend aus PolySilizium zum Kontakt mit der Si-Kollektorschicht 103 wird oberhalb der zweiten exponierten Region Rexp2 ausgebildet bzw. des umgebenden LOCOS-Films 102. Ein Isolationsfilm 112, bestehend aus einem Siliziumoxidfilm wird auf dem Substrat ausgebildet.
Die Konzentration von Arsen (n-Typ-Verunreinigung) in der Si-Kollektorschicht 103 ist ungefähr 1 × 10¹⁷ cm^–3. Die Dicke der SiGe-Basisschicht 104 ist ungefähr 50 nm und die Konzentration von Bor (p-Typ-Verunreinigung) in der SiGe-Basisschicht 104 ist ungefähr 1 × 10¹⁹ cm^–3. Die Dicke der Si-Cap-Schicht 109 ist ungefähr 100 nm und die Konzentration von Arsen in der Si-Emitterschicht 105 der Si-Cap-Schicht 109 ist ungefähr 2 × 10¹⁸ cm^–3.
Die vorliegende Ausführungsform ist dadurch charakterisiert, dass die Diode keine Elektrode aufweist, die äquivalent ist mit der Emitterelektrode, wohingegen der bipolare NPN-Transistor eine Al-Emitterelektrode 115 aufweist, verbunden mit der zurückgezogenen Emitterelektrode 106, eine Al-Basiselektrode 116, verbunden mit der Silicid-Schicht, bereitgestellt auf der Si-Basisschicht 104, und eine Al-Kollektorelektrode 117, wobei alle davon auf der Isolationsschicht 112 bereitgestellt werden. Kurz gesagt werden nur die Al-Anode 118, äquivalent zur Basiselektrode 116 des bipolaren NPN-Transistors und die Al-Kathode 119, äquivalent mit der Kollektorelektrode des bipolaren NPN-Transistors bereitgestellt. Folglich weist die Diode entsprechend der vorliegenden Ausführungsform nur die Anode und die Kathode auf, die mit der Basis verbunden sind bzw. dem Kollektor, ohne eine Elektrode, verbunden mit dem Emitter, während sie dem gleichen Emitter, die gleiche Basis und die gleichen Kollektorstrukturen wie der bipolare NPN-Transistor aufweist.
Die Halbleitervorrichtung entsprechend der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Diode mit einer Heterojunktion zusätzlich zum bipolaren Heterojunktions-Transistor, welche den gleichen Effekt verleiht, wie er in der dritten Ausführungsform verliehen wird. In der Diode wird auch eine MQB-Schicht bereitgestellt in einer Region der Si-Kollektorschicht 103, verbunden mit der Kathodenelektrode 119, benachbart zum Junktionsabschnitt zwischen der Si-Kollektorschicht 103 in der SiGe-Basisschicht 104, so dass die Betriebsgeschwindigkeit erhöht wird durch Unterdrücken der Akkumulation von Löchern.
Obwohl die vorliegende Ausführungsform das NPN SiGe HBT als ein Beispiel beschrieben hat, wird es leicht eingesehen werden, dass die vorliegende Erfindung auch anwendbar ist auf den bipolaren PNP-Transistor. Wie bereits zuvor erwähnt ist die vorliegende Erfindung auch anwendbar auf einen normalen bipolaren Homojunktions-Transistor, verschieden von einem HBT oder auf einen bipolaren Heterojunktions-Transistor, welcher eine Vielschichtstruktur aufweist, die als III-V-Zusammensetzungs-Halbleiterschichten aus GaAs, AlGaAs oder dergleichen besteht.

Claims

Ein bipolarer Transistor umfassend eine Emitterschicht (5), eine Basisschicht (4) und eine Kollektorschicht (3), wobei besagter bipolarer Transistor einen Multi-Quanten-Barriereabschnitt aufweist, welcher in besagter Emitterschicht (5) zur Verfügung gestellt wird und aus einer Vielzahl von abwechselnd gestapelten Barriere-Schichten (10b) und Well-Schichten (10a) besteht, um die Funktion des Reflektierens einer einfallenden Welle von Minoritäts-Ladungsträgern in der Emitterschicht (5), injiziert von besagter Basisschicht (4) auszuführen und solch eine Phase zur Verfügung zu stellen, dass die einfallende Welle von besagten Minoritäts-Ladungsträgern und eine reflektierte Welle von besagten Minoritätsträgern einander intensivieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Band in besagter Emitterschicht besagten Multi-Quanten-Barriereabschnitt der Majoritäts-Ladungsträger enthält und einen substantiell vernachlässigbaren Band-Diskontinuitätswert aufweist.
Der bipolare Transistor gemäß Anspruch 1, wobei die Barriere-Schicht (10b) und die Well-Schichten (10a) von besagten Multi-Quanten-Barriereabschnitten aus entsprechenden Halbleitermaterialien bestehen, welche unterschiedliche Bandlücken aufweisen.
Der bipolare Transistor gemäß Anspruch 1, wobei besagte Basisschicht (4) verzerrt ist.
Der bipolare Transistor gemäß Anspruch 3, wobei besagte Emitterschicht (5) und besagte Basisschicht (4) aus entsprechenden Halbleitermaterialien bestehen mit unterschiedlichen Bandlücken und eine Bandlücke zwischen einem Valenzband und einem Leitungsband in besagter Basisschicht (4) einen Abschnitt aufweist, welcher graduell von einer Region von besagter Basisschicht (4) abnimmt, welche in Kontakt ist mit besagter Emitterschicht (5) in Rich tung von besagter Basisschicht (4), welche in Kontakt ist mit besagter Kollektorschicht (3).
Der biopolare Transistor gemäß Anspruch 1, wobei besagte Basisschicht (4) aus einem Halbleiter besteht, welcher zumindest Silizium und Germanium enthält.
Der bipolare Transistor gemäß Anspruch 5, wobei besagter Multi-Quanten-Barriereabschnitt eine Supergitterstruktur aufweist, welche aus einer multiplen Si_1-xGe_x/Si Schicht besteht.
Der bipolare Transistor gemäß Anspruch 5, wobei besagter Multi-Quanten-Barriereabschnitt eine Supergitterstruktur aufweist, welche aus einer multiplen Si_1-x-yGe_xC_y/Si Schicht besteht.
Der bipolare Transistor gemäß Anspruch 1, wobei besagter Multi-Quanten-Barriereabschnitt in einer Region von besagter Emitterschicht (5) angeordnet ist, außerhalb von einer Verarmungsregion, welche ausgebildet ist zwischen besagter Emitterschicht (5) und besagter Basisschicht (4) bei einer Arbeitsspannung, wenn der Transistor in Betrieb ist.
Der bipolare Transistor gemäß Anspruch 8, wobei besagte Barriereschicht (10b) an dem Ende von besagtem Multi-Quanten-Barriereabschnitt, welcher enger an besagter Basisschicht (4) ist, in solch einer Position angeordnet ist, dass das Tunneln der Ladungsträger von der Verarmungsregion, ausgebildet zwischen der besagten Emitterschicht (5) und besagter Basisschicht (4) zur Well-Schicht (10a), benachbart zu der Barriereschicht (10b) an dem Ende von besagtem Multiquanten-Barriereabschnitt, näher zu besagter Basisschicht (4), zu verhindern.
Eine Halbleitervorrichtung umfassend einen bipolaren Transistor, umfassend eine Emitterschicht (5, 52, 105), eine Basisschicht (4, 55, 104) und eine Kollektorschicht (3, 56, 103), wobei besagter bipolarer Transistor folgendes aufweist: einen Multi-Quanten-Barriereabschnitt, welcher in besagter Emitterschicht (3, 56, 103) zur Verfügung gestellt wird und aus und einer Vielzahl von abwechselnd gestapelten Barriereschichten (12b) und Well-Schichten (12a) besteht, um die Funktion des Reflektieren der einfallenden Welle von Minoritäts-Ladungs-Trägern in der Kollektorschicht (3, 56, 103), injiziert von besagter Basisschicht (4, 55, 104) durchzuführen, und wobei dabei solch eine Phase bereitgestellt wird, dass die einfallende Welle und eine reflektierte Welle einander intensivieren, dadurch gekennzeichnet, dass das Band in besagter Kollektorschicht, welches besagten Multi-Quanten-Barriereabschnitt enthält, aus den Majoritäts-Ladungsträgern, einen substanziell vernachlässigbaren Banddiskontinuitätswert aufweist.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei die Barriereschichten (12b) und Well-Schichten (12a) von besagtem Multi-Quanten-Barriereabschnitt aus entsprechenden Halbleitermaterialien bestehen, welche unterschiedliche Bandlücken aufweisen.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei besagte Basisschicht (4, 55, 104) verzerrt ist.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei besagte Basisschicht (4, 55, 104) aus einem Halbleiter besteht, welcher zumindest Silizium und Germanium enthält.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei besagter Multi-Quanten-Barriereabschnitt eine Supergitterstruktur aufweist, bestehend aus einer multiplen Si_1-xGe_x/Si Schicht.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 13, wobei besagter Multi-Quanten-Barriereabschnitt eine Supergitterstruktur aufweist, bestehend aus einer multiplen Si_1-x-yGe_xC_y/Si Schicht.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei besagter Multi-Quanten-Barriereabschnitt in einer Region angeordnet ist von besagter Kollektorschicht (3, 56, 103), welche außerhalb einer Verarmungsregion angeordnet ist, welche zwischen besagter Emitterschicht (5, 52, 105) und besagter Basisschicht (4, 55, 104) bei einer Arbeitsspannung liegt, wenn der Transistor in Betrieb ist.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 16, wobei die Barriereschicht (12b) am Ende von besagtem Multi-Quanten-Barriereabschnitt, näher an besagter Basisschicht (4, 55, 104), in solch einer Position angeordnet ist, um das Tunneln der Ladungsträger von der Verarmungsregion, ausgebildet zwischen besagter Kollektorschicht (3, 56, 103) und besagter Basisschicht (4, 55, 104) zur Well-Schicht (12a), benachbart zu der Barriereschicht, am Ende von besagtem Multi-Quanten-Barriereabschnitt, näher zu besagter Basisschicht (4, 55, 104), zu verhindern.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 10, desweiteren umfassend ein Element, welches als Komponenten zwei Regionen aufweist, welche die gleiche Struktur wie eine Basis (104)- / Kollektor (103)- Verknüpfung von besagtem bipolaren Transistor.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 18, wobei besagtes Element eine Diode ist.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 10, welches desweiteren folgendes umfasst: einen weiteren bipolaren Transistor, umfassend eine Kollektorschicht, angeordnet in einer Region, welche im allgemeinen durch die Basisschicht von besagtem bipolarem Transistor verwendet wird, eine Basisschicht, angeordnet in einer Region, welche im allgemeinen durch die Kollektorschicht von besagtem bipolaren Transistor verwendet wird und eine Emitterschicht, wobei besagte Halbleitervorrichtung als ein I²L-Element funktioniert.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 20, welche desweiteren umfasst: zumindest eine Kollektorschicht, verknüpft mit der Basisschicht von besagtem bipolaren Transistor, wobei besagte Halbleitervorrichtung folgendes aufweist: einen weiteren Multi-Quanten-Barriereabschnitt, welcher in besagter einer weiteren Kollektorschicht zur Verfügung gestellt wird und aus einer Vielzahl von Barriereschichten besteht, welche abweckselnd gestapelt sind, um die Funktion des Reflektierens einer einfallenden Welle von Ladungsträgern durchzuführen, welche von besagter Basisschicht injiziert werden, und solch eine Phase zur Verfügung stellen, dass die einfallende Welle und eine reflektierende Welle einander intensivieren.