JP2001144101A - Modified heterojunction bipolar transistor - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は変成へテロ接合バ
イポーラ・トランジスタ（metamorphic heterojunction
bipolar transistor＝ＭＨＢＴ）に関して、特に大き
いサイズのＧａＡｓウエハー材料構造の低コスト生産に
適用する変成へテロ接合バイポーラ・トランジスタに関
する。The present invention relates to a metamorphic heterojunction bipolar transistor.
bipolar transistors (MHBT), especially for modified heterojunction bipolar transistors applied to low cost production of large size GaAs wafer material structures.
【０００２】[0002]
【従来の技術】現在、軍事用或いは民生用などのデジタ
ルコンピューター、通信システム、あるいは先端電子シ
ステム中で、高性能のトランジスタの増幅器はその高周
波処理電子信号において必要不可欠である。これら増幅
器は、従来技術のＩＭＰＡＴＴとＴＷＴＳなどのマイク
ロ素子の特性より優れた低コスト、高利得（ゲイン）、
低ノイズ、高効率性能を有する。2. Description of the Related Art At present, in digital computers, communication systems, and advanced electronic systems for military and civil use, high-performance transistor amplifiers are indispensable for high-frequency processing electronic signals. These amplifiers have low cost, high gain (gain), superior to the characteristics of micro devices such as IMPATT and TWTS of the prior art.
Has low noise and high efficiency performance.
【０００３】変成へテロ接合バイポーラ・トランジスタ
（metamorphic heterojunction bipolar transistor＝
ＭＨＢＴ）は異なる組成とバンドギャップの半導体間に
ヘテロ接合を形成する。それはワイドバンドギャップの
エミッタ及びロウバンドギャップのベースを使用して、
ヘテロ接合の場所にバンドオフセットを設け、N-p-nト
ランジスタ内の電子をベースへ注入するのを助けて、同
時にホールインジェクションがエミッタへ注入されるの
を防ぐ。またエネルギーバリアを超えた電子は順方向加
速方式によりベースへ注入されて、ベースの走行時間
（transit time）を減少して、高速操作を提供する。[0003] Metamorphic heterojunction bipolar transistor =
MHBT) forms a heterojunction between semiconductors of different compositions and band gaps. It uses a wide bandgap emitter and a low bandgap base,
A band offset is provided at the heterojunction to help inject the electrons in the Npn transistor into the base and at the same time prevent hole injection from being injected into the emitter. Also, electrons that have crossed the energy barrier are injected into the base by a forward acceleration scheme, reducing transit time of the base and providing high speed operation.
【０００４】そのため携帯電話のパワーアンプの応用に
適用するＡｌＧａＡｓ（或いはＩｎＧａＰ）／ＧａＡｓ
材料ベースのＧａＡｓへテロ接合バイポーラ・トランジ
スタは、高周波、高リニアリティー、小型ダイサイズ、
さらにただ１つの供給電源だけが必要だという長所を備
えていた。しかし、ＧａＡｓベースへテロ接合バイポー
ラ・トランジスタのハイ・ターンオン電圧は実用上、従
来使用の携帯電話の操作電圧が３．０から３．６ボルト
の範囲に制限されていた。For this reason, AlGaAs (or InGaP) / GaAs applied to the application of a power amplifier for a portable telephone.
Material-based GaAs heterojunction bipolar transistors are high frequency, high linearity, small die size,
It also had the advantage that only one power supply was required. However, the high turn-on voltage of GaAs-based heterojunction bipolar transistors has been practically limited to operating voltages of conventional cellular phones in the range of 3.0 to 3.6 volts.
【０００５】従来、移動体通信の主要な流れは、そのシ
ステム設計が単一セル・リチウム・バッテリーを支援し
ていて、その供給電圧範囲は１．２から１．５ボルトの
間であった（従来の３．６ボルトより低い）。そして携
帯電話の総重量の約６０％を占めているバッテリーパッ
クのサイズと重量が軽減した。反対に、ＩｎＰベースへ
テロ接合バイポーラ・トランジスタは１．５ボルトの操
作電圧に適用して、それは低いターンオン電圧を有する
ためＧａＡｓベースへテロ接合バイポーラ・トランジス
タより高い利得と効率を提供した。その主要な原因は、
高インジウムを含む材料の高移動性の真性アドバンテー
ジとより速い非平衡輸送速度率、そして比較的低い表面
再結合のためであった。In the past, the main stream of mobile communications has been that its system design supports single cell lithium batteries, and its supply voltage range is between 1.2 and 1.5 volts ( Lower than the conventional 3.6 volts). And the size and weight of the battery pack, which accounts for about 60% of the total weight of the mobile phone, have been reduced. Conversely, the InP-based heterojunction bipolar transistor applied to an operating voltage of 1.5 volts and provided higher gain and efficiency than the GaAs-based heterojunction bipolar transistor because it had a lower turn-on voltage. The main cause is
This is due to the high mobility intrinsic advantage and faster nonequilibrium transport rate rate of materials containing high indium, and relatively low surface recombination.
【０００６】ＩｎＡｌＡｓ（或いは傾斜ＡｌＩｎＧａＡ
ｓ）／ＩｎＧａＡｓへテロ接合材料ベースのＧａＡｓへ
テロ接合バイポーラ・トランジスタは既にＧａＡｓ基板
上に製造することに成功している。図１に示すように、
エピタキシャル成長の材料構造は、半絶縁のＩｎＰ基板
１０、高ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ膜１２を含み、Ｇａ
Ａｓベースへテロ接合バイポーラ・トランジスタのコレ
クターのオーミック電極を形成して、低ドープトｎ型Ｉ
ｎＧａＡｓ或いはＩｎＰ或いはＩｎＡｌＡｓ膜１３によ
りＧａＡｓベースへテロ接合バイポーラ・トランジスタ
のコレクターを形成する。高ドープトｐ型ＩｎＧａＡｓ
膜１４によりＧａＡｓベースへテロ接合バイポーラ・ト
ランジスタのベースを形成してベースのオーミック電極
とする。ｎ型ＩｎＡｌＡｓ或いは傾斜ＡｌＩｎＧａＡｓ
或いはＩｎＰ膜１５により、ＧａＡｓベースへテロ接合
バイポーラ・トランジスタのエミッタを形成する。そし
て高ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ膜１６によりＧａＡｓベ
ースへテロ接合バイポーラ・トランジスタのエミッタの
オーミック電極とする。InAlAs (or graded AlInGaAs)
s) / InGaAs heterojunction material-based GaAs heterojunction bipolar transistors have already been successfully fabricated on GaAs substrates. As shown in FIG.
The material structure of the epitaxial growth includes a semi-insulating InP substrate 10 and a highly doped n-type InGaAs film 12.
Forming a collector ohmic electrode of an As-base heterojunction bipolar transistor to form a lightly doped n-type
The collector of the GaAs-based heterojunction bipolar transistor is formed by the nGaAs or InP or InAlAs film 13. Highly doped p-type InGaAs
The base of the GaAs-based heterojunction bipolar transistor is formed by the film 14 to form an ohmic electrode of the base. n-type InAlAs or graded AlInGaAs
Alternatively, the emitter of the GaAs-based heterojunction bipolar transistor is formed by the InP film 15. The highly doped n-type InGaAs film 16 serves as an ohmic electrode of the emitter of the GaAs-based heterojunction bipolar transistor.
【０００７】そのため、ＧａＡｓベースへテロ接合バイ
ポーラ・トランジスタは比較的高い最大操作周波および
遮断周波数などの長所を有して、大幅にノイズを低下し
て利益と効率を高める。ＩｎＰベースへテロ接合バイポ
ーラ・トランジスタは比較的高いインジウムを含み、そ
れは比較的高い電子速度、電流密度と相互コンダクタン
スを有する。ＩｎＰベースへテロ接合バイポーラ・トラ
ンジスタは低電圧と高効率操作方面において、特に携帯
電話のパワーアンプの応用上、十分な魅力があるが、そ
の製造工程は簡単ではなく、特にＩｎＰ基板の使用が困
難であった。そのほか、ＩｎＰウエハーは非常に壊れや
すく高価で、現在は３インチウエーハしか供給されてい
ない。反対にもし６インチのＧａＡｓウエハーを使用す
ると、ＧａＡｓベースへテロ接合バイポーラ・トランジ
スタの製造技術は高い歩留まり率と低コスト（従来のＩ
ｎＰより４０％少ない）を達成することができる。As such, GaAs-based heterojunction bipolar transistors have the advantages of relatively high maximum operating and cutoff frequencies, significantly reducing noise and increasing profit and efficiency. InP-based heterojunction bipolar transistors contain relatively high indium, which has a relatively high electron velocity, current density and transconductance. InP-based heterojunction bipolar transistors are attractive enough for low-voltage and high-efficiency operation, especially for power amplifier applications for mobile phones, but the manufacturing process is not simple and the use of InP substrates is particularly difficult Met. In addition, InP wafers are very fragile and expensive, and currently only 3-inch wafers are supplied. Conversely, if a 6-inch GaAs wafer is used, GaAs-based heterojunction bipolar transistor fabrication techniques will have high yield and low cost (conventional I-type).
40% less than nP).
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は高効
率、低電圧操作の材料構造を有する新型のへテロ接合バ
イポーラ・トランジスタを提供することである。この発
明のその他の目的は製造コストを下げる材料構造を有す
る新型のへテロ接合バイポーラ・トランジスタを提供す
ることである。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a new type of heterojunction bipolar transistor having a material structure for high efficiency and low voltage operation. It is another object of the present invention to provide a new type of heterojunction bipolar transistor having a material structure that reduces manufacturing costs.
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】変成へテロ接合バイポー
ラ・トランジスタは、ＧａＡｓウエハーの材料が半絶縁
のＧａＡｓ基板と、未ドープト変成緩衝膜、変成へテロ
接合バイポーラ・トランジスタのコレクターのオーミッ
ク電極を形成する高ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ膜を含
む。そして、変成へテロ接合バイポーラ・トランジスタ
のコレクターを形成する低ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ或
いはＩｎＰ或いはＩｎＡｌＡｓ膜、変成へテロ接合バイ
ポーラ・トランジスタのベースを形成してベースのオー
トミック電極とする高ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ膜と、
変成へテロ接合バイポーラ・トランジスタのエミッタを
形成するｎ型ＩｎＡｌＡｓ或いは傾斜ＡｌＩｎＧａＡｓ
或いはＩｎＰ膜、そして変成へテロ接合バイポーラ・ト
ランジスタのエミッタのオーミック電極を形成する高ド
ープトｎ型ＩｎＧａＡｓ膜を含む。SUMMARY OF THE INVENTION A metamorphic heterojunction bipolar transistor comprises a GaAs substrate having a semi-insulating GaAs wafer material, an undoped metamorphic buffer film, and a collector ohmic electrode of the metamorphic heterojunction bipolar transistor. Highly doped n-type InGaAs film. Then, a low-doped n-type InGaAs or InP or InAlAs film forming the collector of the metamorphic heterojunction bipolar transistor, and a highly doped n-type InGaAs forming the base of the metamorphic heterojunction bipolar transistor and forming the base as an automatic electrode. Membrane and
N-type InAlAs or graded AlInGaAs forming the emitter of a metamorphic heterojunction bipolar transistor
Alternatively, it includes an InP film and a highly doped n-type InGaAs film forming an ohmic electrode of an emitter of the metamorphic heterojunction bipolar transistor.
【００１０】[0010]
【実施例】以下、この発明にかかる好適な実施例を図面
に基づいて説明する。図２に示すように、エピタキシャ
ル成長の材料構造は、半絶縁ＧａＡｓ基板２０、未ドー
プトＡｌＧａＡｓＳｂ或いはＡｌＩｎＧａＡｓ或いはそ
の他の形式の変成緩衝膜２１、高ドープトｎ型ＩｎＧａ
Ａｓ膜２２により変成へテロ接合バイポーラ・トランジ
スタのコレクターのオーミック電極を形成する。また低
ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ或いはＩｎＰ或いはＩｎＡｌ
Ａｓ膜２３により、変成へテロ接合バイポーラ・トラン
ジスタのコレクターを形成する。高ドープトｐ型ＩｎＧ
ａＡｓ膜２４により、変成へテロ接合バイポーラ・トラ
ンジスタのベースおよびベースのオーミック電極を形成
する。ｎ型ＩｎＡｌＡｓ或いは傾斜ＡｌＩｎＧａＡｓ或
いはＩｎＰ膜２５により、変成へテロ接合バイポーラ・
トランジスタのエミッタを形成する。そして、高ドープ
トｎ型ＩｎＧａＡｓ膜２６により、変成へテロ接合バイ
ポーラ・トランジスタのエミッタのオーミック電極を形
成する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 2, the material structure of the epitaxial growth includes a semi-insulating GaAs substrate 20, an undoped AlGaAsSb or AlInGaAs or other type of metamorphic buffer film 21, a highly doped n-type InGaA.
The As film 22 forms an ohmic electrode of the collector of the metamorphic heterojunction bipolar transistor. Low doped n-type InGaAs or InP or InAl
The As film 23 forms the collector of the metamorphic heterojunction bipolar transistor. Highly doped p-type InG
The aAs film 24 forms the base of the metamorphic heterojunction bipolar transistor and the base ohmic electrode. A metamorphic heterojunction bipolar transistor is formed by an n-type InAlAs or graded AlInGaAs or InP film 25.
Form the emitter of the transistor. Then, the ohmic electrode of the emitter of the metamorphic heterojunction bipolar transistor is formed by the highly doped n-type InGaAs film 26.
【００１１】ここで注目すべき点は、変成へテロ接合バ
イポーラ・トランジスタの主要な特徴は緩衝膜２１で、
それは基板２０とコレクターコンタクト膜２２間に挟ま
れていることである。このように変成へテロ接合バイポ
ーラ・トランジスタにＩｎＰベースへテロ接合バイポー
ラ・トランジスタの能動膜構造をＧａＡｓ基板２０上に
設ける。緩衝膜がＧａＡｓ基板２０に設けられるため、
格子整合からＩｎＰ基板１０の高インジウムを含むエピ
タキシャル成長膜２２〜２６間の格子定数の作用を有す
る。It should be noted that the main feature of the metamorphic heterojunction bipolar transistor is the buffer film 21.
That is, it is sandwiched between the substrate 20 and the collector contact film 22. As described above, the active film structure of the InP-based heterojunction bipolar transistor is provided on the GaAs substrate 20 in the metamorphic heterojunction bipolar transistor. Since the buffer film is provided on the GaAs substrate 20,
From the lattice matching, it has the effect of the lattice constant between the epitaxially grown films 22 to 26 containing high indium of the InP substrate 10.
【００１２】そのため、変成へテロ接合バイポーラ・ト
ランジスタは従来のＩｎＰベースへテロ接合バイポーラ
・トランジスタの特性を有しながら、ＧａＡｓ基板の製
造コストしか、かからない。実際使用では、変成へテロ
接合バイポーラ・トランジスタが使用のＧａＡｓ基板に
非常に高性能の装置を使用させてＭＭＩＣ（モノリシッ
ク・マイクロ波集積回路）が基板とウエハーの製造コス
トを低くする。もし直径が６インチなどの大面積のＧａ
Ａｓウエハーを使用した場合、変成へテロ接合バイポー
ラ・トランジスタのチップコストは低くなる。注目すべ
き点はＧａＡｓ材料に６インチウエハーだけが提供され
ていて、ＩｎＰ材料は３インチウエハーだけが提供され
ていることである。変成へテロ接合バイポーラ・トラン
ジスタが使用する格子定数シフト緩衝膜成長技術は商業
方式により提供されている（例えばアメリカのＩＱＥお
よびフランスのPicogiga）。[0012] Therefore, the metamorphic heterojunction bipolar transistor has the characteristics of the conventional InP-based heterojunction bipolar transistor, but only incurs the manufacturing cost of the GaAs substrate. In practical use, MMICs (monolithic microwave integrated circuits) reduce the cost of manufacturing substrates and wafers by using very high performance devices on GaAs substrates that use metamorphic heterojunction bipolar transistors. If a large area Ga such as 6 inches in diameter
If an As wafer is used, the chip cost of the modified heterojunction bipolar transistor is reduced. It should be noted that only 6 inch wafers are provided for GaAs material and only 3 inch wafers are provided for InP material. Lattice-constant shift buffer growth techniques used by metamorphic heterojunction bipolar transistors are provided commercially (eg, IQE in the United States and Picogiga in France).
【００１３】変成技術は材料構造中のアルミニウムとイ
ンジウム成分による広範囲の組成で、優れた潜在力を提
供して後のより高性能の発展に提供する。例えば、従来
のＩｎＰベースへテロ接合バイポーラ・トランジスタよ
り優れたブレークダウンと効率を提供する。[0013] The transformation technique offers excellent potential with a wide range of compositions by the aluminum and indium components in the material structure to provide for later higher performance developments. For example, it provides better breakdown and efficiency than conventional InP-based heterojunction bipolar transistors.
【００１４】以上のごとく、この発明を好適な実施例に
より開示したが、もとより、この発明を限定するための
ものではなく、同業者であれば容易に理解できるよう
に、この発明の技術思想の範囲において、適当な変更な
らびに修正が当然なされうるものであるから、その特許
権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な
領域を基準として定めなければならない。As described above, the present invention has been disclosed by the preferred embodiments. However, the present invention is not intended to limit the present invention, and the technical concept of the present invention can be easily understood by those skilled in the art. Since appropriate changes and modifications can naturally be made in the scope, the scope of patent protection must be determined based on the claims and equivalents thereof.
【００１５】[0015]
【発明の効果】上記をまとめると、この発明と従来の技
術の違いは表１のようにまとめることができ、この発明
の新型変成へテロ接合バイポーラ・トランジスタは以下
の長所を有する。 （１）ウエハーコストが同じサイズのＩｎＰウエハーよ
りはるかに少ない。 （２）ＧａＡｓ基板は壊れにくいため歩留まり率が改善
される。 （３）ウエハー裏面に加工がしやすいため４０％以上の
製造コストを削減することができる。 （４）ＧａＡｓ材料が提供できる大きいサイズのウエハ
ーは低コストチップの生産に役立つ。 従って、産業上の利用価値が高い。In summary, the differences between the present invention and the prior art can be summarized as shown in Table 1. The new modified heterojunction bipolar transistor of the present invention has the following advantages. (1) Wafer cost is much lower than InP wafer of the same size. (2) Since the GaAs substrate is hard to break, the yield rate is improved. (3) Since the back surface of the wafer can be easily processed, the manufacturing cost can be reduced by 40% or more. (4) The large size wafer that GaAs material can provide is useful for low cost chip production. Therefore, the industrial use value is high.
【００１６】[0016]
【表１】 [Table 1]
【図１】従来の技術にかかるＩｎＰベースへテロ接合バ
イポーラ・トランジスタの材料構造の断面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a material structure of an InP-based heterojunction bipolar transistor according to the related art.
【図２】この発明にかかる好適な実施例の変成へテロ接
合バイポーラ・トランジスタの材料構造の断面図であ
る。 １０ ＩｎＰ基板 １２ 高ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ膜 １３ 低ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ或いはＩｎＰ或い
はＩｎＡｌＡｓ膜 １４ 高ドープトｐ型ＩｎＧａＡｓ膜 １５ ｎ型ＩｎＡｌＡｓ或いは傾斜ＡｌＩｎＧａＡｓ
或いはＩｎＰ膜 １６ 高ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ膜 ２０ 半絶縁ＧａＡｓ基板 ２１ 緩衝膜 ２２ 高ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ膜 ２３ 低ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ或いはＩｎＰ或い
はＩｎＡｌＡｓ膜 ２４ 高ドープトｐ型ＩｎＧａＡｓ膜 ２５ ｎ型ＩｎＡｌＡｓ或いは傾斜ＡｌＩｎＧａＡｓ
或いはＩｎＰ膜 ２６ 高ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ膜FIG. 2 is a sectional view of a material structure of a metamorphic heterojunction bipolar transistor according to a preferred embodiment of the present invention; Reference Signs List 10 InP substrate 12 Highly doped n-type InGaAs film 13 Lowly doped n-type InGaAs or InP or InAlAs film 14 Highly doped p-type InGaAs film 15 n-type InAlAs or graded AlInGaAs
Or InP film 16 Highly doped n-type InGaAs film 20 Semi-insulating GaAs substrate 21 Buffer film 22 Highly doped n-type InGaAs film 23 Low-doped n-type InGaAs or InP or InAlAs film 24 Highly-doped p-type InGaAs film 25 n-type InAlAs or inclined AlInGaAs
Or InP film 26 Highly doped n-type InGaAs film
Claims (2)
ストのＧａＡｓウエハーに対応する物質構造を有し、 半絶縁のＧａＡｓ基板、 未ドープト変成緩衝膜、 変成へテロ接合バイポーラ・トランジスタのコレクター
のオーミック電極を形成する高ドープトｎ型ＩｎＧａＡ
ｓ膜、 前記変成へテロ接合バイポーラ・トランジスタのコレク
ターを形成する低ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ或いはＩｎ
Ｐ或いはＩｎＡｌＡｓ膜、 前記変成へテロ接合バイポーラ・トランジスタのベース
を形成して、前記ベースのオーミック電極とする高ドー
プトｎ型ＩｎＧａＡｓ膜、 前記変成へテロ接合バイポーラ・トランジスタのエミッ
タを形成するｎ型ＩｎＡｌＡｓ或いは傾斜ＡｌＩｎＧａ
Ａｓ或いはＩｎＰ膜、そして前記変成へテロ接合バイポ
ーラ・トランジスタのエミッタのオーミック電極を形成
する高ドープトｎ型ＩｎＧａＡｓ膜、 を含むことを特徴とする変成へテロ接合バイポーラ・ト
ランジスタ（metamorphic heterojunction bipolar tra
nsistor＝ＭＨＢＴ）。1. A semi-insulating GaAs substrate, an undoped metamorphic buffer film, and a collector ohmic electrode of a metamorphic heterojunction bipolar transistor having a material structure corresponding to a low-cost GaAs wafer of 6 inches or larger. -Doped n-type InGaAs forming GaAs
an n-type InGaAs or In layer forming a collector of the metamorphic heterojunction bipolar transistor.
A P or InAlAs film; a highly doped n-type InGaAs film which forms the base of the metamorphic heterojunction bipolar transistor and serves as an ohmic electrode of the base; and an n-type InAlAs which forms the emitter of the metamorphic heterojunction bipolar transistor. Or graded AlInGa
A highly doped n-type InGaAs film forming an ohmic electrode of an emitter of the modified heterojunction bipolar transistor; and a metamorphic heterojunction bipolar transistor.
nsistor = MHBT).
ＡｌＧａＡｓＳｂ或いはＡｌＩｎＧａＡｓ或いはその他
のタイプの変成緩衝膜であることを特徴とする請求項１
記載の変成へテロ接合バイポーラ・トランジスタ。2. The undoped metamorphic buffer film is undoped AlGaAsSb or AlInGaAs or another type of metamorphic buffer film.
A metamorphic heterojunction bipolar transistor as described.
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