异质结双极型晶体管

技术领域

本发明涉及一种双极性晶体管，尤其是一种异质结双极型晶体管。

背景技术

无线通信装置通常需要使用高效率、优越的高频特性、高线性度及高坚固性的功率放大器(Power Amplifier，PA)，而在现在的移动通信中，PA的操作频率已达到近高频或在高频范围中。在第五代移动通信中，PA的操作频率甚至会在更高的频率范围如6GHz以下(sub-6GHz)或毫米波(Millimeter Wave)的频段中操作。因此，功率放大器的效率、高频特性、线性度与坚固性都需要再提升，以使PA在高频或毫米波的频段中发挥应有的运作效能或甚至优化运作效能。

提升功率放大器的效率能通过提高操作电压或操作电流而得到有效提升，比如通过电路设计方式来提高PA的操作电压或电流，另外，也可通过调整异质结双极型晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor，HBT)的外延层的结构及/或材料来提高附加功率效率(Power Added Efficiency，PAE)。

然而，当HBT在高电压或高电流下操作时容易因为过大的功率而使HBT组件损坏，例如PA与天线不匹配时所反弹回来的过大功率造成HBT及PA的坚固性(Ruggedness)变差，因此如何有效增进异质结双极型晶体管在高电压或高电流(亦即，高功率)操作下的坚固性(Ruggedness)是一大挑战。

参阅美国专利公开号US2018/0240899A1，发明名称“HETEROJUNCTION BIPOLARTRANSISTOR”，后文中将此专利文献称为899案。

899案公开：HBT在Kirk效应(Kirk Effect)发生时利用能隙渐变所建立的内建电场(即，准电场(Quasi-Electric Field))而提高电子的速度，以缩短电子通过基极-集电极结(Base-Collector Junction)的时间及在Kirk效应发生时减少HBT输出功率的降幅。

发明内容

899案缩短电子通过基极-集电极结时间的技术方案为：使内建电场强度为峰值电场强度的0.3至1.8倍，让电子速度可达到约电子峰值速度(Peak Velocity)的70％，而当内建电场强度为峰值电场强度的0.5至1.3倍时，电子速度可达到约电子峰值速度的90％。也就是，电子通过基极-集电极结时的最高速度约是峰值速度的90％。899案教示当最大内建电场强度从峰值电场强度的1.8倍降到1.3倍时，电子速度能进一步提高；只是，此电子速度的极限仅约电子峰值速度的9成而已，如此在现有的无线通信装置中或现有的操作频率下，899案的HBT在效率、高频特性、线性度及坚固性可得到的提升比较有限，而在未来更高的操作频率下，899案的HBT在效率、高频特性、线性度及坚固性恐怕难以被提升或难以发挥应有效能。

本发明所要解决的问题为：第一，电子通过基极-集电极结的最高速度受限于电子峰值速度的90％的问题，借以连带克服膝电压无法再降低的问题，当膝电压无法再降低，则HBT的效率、高频特性也难以再提升。第二，解决坚固性或线性度较难改善或难以显著增进的问题。

第三，在899案中，能隙渐变层Al

本发明的一实施例，HBT中包含集电极层，集电极层包含能隙渐变层，能隙渐变层可以是形成于集电极层的一部分或全部。

能隙渐变层至少通过能隙逐渐变窄而产生电场强度有变化的内建电场，借此使通过该能隙渐变层的电子被加速；当能隙渐变层中包含不会产生明显峰值电场强度的半导体材料时，内建电场强度大于0.1kV/cm。

当能隙渐变层中包含会产生峰值电场强度的半导体材料时，能隙渐变层的一部分的内建电场强度超过峰值电场强度的1.8倍之上。

根据899案的教导，如果把最大内建电场强度从峰值电场强度的1.8倍降为1.3倍时，电子速度能从峰值速度的70％提升到90％；惟899案并未公开当内建电场强度超过峰质电场强度的1.8倍之上，一些电子的速度到达峰值速度之后是能达到接近电子的峰值速度或维持峰值速度，甚至能继续加速而达到超速的状态(Velocity Overshot)。当一半导体材料具有在使电场强度变化时，在某个电场强度下“电子的移动速度显示出峰值”的特性，“电子的移动速度显示出峰值”于本文称为峰值速度(Peak Velocity)，峰值速度(PeakVelocity)的定义以899案所称为准。当电子处在较强的内建电场强度下，电子较能在够短的时间内，例如在电子的能量弛豫时间(Energy Relaxation Time)内，电子因为强电场强度的加速而获得能量，当电子得到能量后且是在能量弛豫时间内则电子的速度能被电场改变，其中当内建电场强度超过峰值电场强度的1.8倍之上，电子通过基极-集电极结的速度能很接近于或维持于峰值速度，或甚至到达峰值速度(以899案的峰值速度作参考)仍继续加速而达到超速的状态(Velocity Overshot)。原则上，内建电场强度越大则电子的速度也会上升，因此当能隙渐变层中其中一部分的内建电场强度显著超过峰值电场强度时，则能隙渐变层中的电子整体速度(平均速度)能优于899案。

相较于背景技术，本发明的各实施例中能隙渐变层的内建电场因电场强度较强，能使一些电子以较快的速度通过能隙渐变层或基极-集电极结，而得以有效缩短电子通过能隙渐变层或基极-集电极结的时间，以提升HBT的高频特性或提升输出功率。

由于在能隙渐变层中的电子能从“强内建电场强度”获得能量，如此电子能更快的通过能隙渐变层或基极-集电极结，所以在HBT中引发Kirk效应的集电极电流密度Jc会变高，电子在通过基极-集电极结的时间也可以缩短，因而可以降低在高电流下HBT的膝电压，改善HBT的效率、输出功率或高频特性。当半导体材料能产生峰值电场强度时，“强内建电场强度”是代表内建电场强度大于峰值电场强度的1.8倍之上。当半导体材料不产生(明显的)峰值电场强度时，“强内建电场强度”是代表内建电场强度至少为0.1kV/cm以上。

此外，HBT的高频特性也跟电子通过集电极层的时间(Collector TransientTime，τ

在一实施例中，能隙渐变层的中更设置宽能隙层，能隙渐变层的强内建电场强度能帮助提高电子速度，而具有宽能隙层的能隙渐变层不但能帮助降低集电极层厚度且能维持适当的崩溃电压，由于集电极层厚度能降低且电子还能被加速，因此电子通过集电极层的时间能再被进一步缩短，有助于提升HBT的高频特性或效率。

由于HBT的效率、高频特性、线性度或坚固性获得明显提升，因此HBT应用于现有的无线通信装置的PA中时，PA的操作性能会提升，而值得强调的是，HBT也适合在更高的操作频率下工作，例如操作在6GHz以下、10GHz以下或甚至于毫米波的频段范围。

附图说明

图1是本发明的能隙渐变层的一实施例的示意图；

图2a是本发明的能隙渐变层的另一实施例的示意图；

图2b是本发明的能隙渐变层的另一实施例的示意图；

图3是本发明的能隙渐变层的另一实施例的示意图；

图4是本发明的电洞阻隔层的一实施例的示意图；

图5是本发明的电洞阻隔层的另一实施例的示意图；

图6是本发明的宽能隙层的一实施例的示意图；

图7是本发明的一实施例的HBT与背景技术的HBT的共发射极(Common Emitter)的电流-电压(I-V)特性图。

附图标记说明：

10-衬底；20-次集电极层；30-集电极层；40-基极层；50-发射极层；60-发射极覆盖层；70-欧姆接触层；301-底层；303-中间层；305-顶层；GL：能隙渐变层；HL-电洞阻隔层；WL-宽能隙层

具体实施方式

以下配合附图及组件标记对本发明的实施方式作详细说明，以使熟悉所属技术领域的技术人员在研读本发明后能据以实施。

以下描述具体的组件及其排列的例子以简化本发明。当然这些仅是例子且不该以此限定本发明的范围。例如，在描述中提及第一外延层于第二外延层之上时，其可能包含第一外延层与第二外延层直接接触的实施例，也可能包含两者之间有其他组件或外延层形成而没有直接接触的实施例。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号及/或符号，这些重复仅为了简单清楚地叙述一些实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定关联。

此外，其中可能用到与空间相关的用词，像是“在...下方”、“下方”、“较低的”、“上方”、“较高的”及类似的用词，这些关系词是为了便于描述附图中一个(些)组件或特征与另一个(些)组件或特征之间的关系。这些空间关系词包含使用中或操作中的装置之不同方位，以及附图中所描述的方位。

本发明说明书提供不同的实施例来说明不同实施方式的技术特征。举例而言，全文说明书中所指的“一些实施例”意味着在实施例中描述到的特定特征、结构、或特色至少包含在一实施例中。因此，全文说明书不同地方所出现的词组“在一些实施例中”所指不一定为相同的实施例。

此外，特定的特征、结构、或特色可在一或多个的实施例中透过任何合适的方法结合。进一步地，对于在此所使用的用语“包含”、“具有”、“有”、“其中”或前述的变换，这些语意类似于用语“包含”来包含相应的特征。

此外，“层”可以是单一层或者包含是多层；而一外延层的“一部分”可能是该外延层的一层或互为相邻的多层。

[第一实施例]

参考图1，HBT包含衬底(Substrate)10、n型次集电极层(Sub Collector Layer)20、n型集电极层(Collector Layer)30、p型的基极层(Base Layer)40、n型的发射极层(Emitter Layer)50、发射极覆盖层(Emitter Cap Layer)60与欧姆接触层(Ohmic ContactLayer)70。在该衬底10上依序形成该n型次集电极层20、该n型集电极层30、该p型的基极层40、该发射极层50以及n型的发射极层60与欧姆接触层70。其中，集电极层30的掺杂浓度是低于次集电极层20的掺杂浓度。

在集电极层30中包含具有能隙变化的能隙渐变层GL，能隙渐变层GL是形成于集电极层30的一部分或全部，例如能隙渐变层GL至少是集电极层30的其中一层。

能隙渐变层的材料可包含选自由GaAs、AlGaAs、GaAsSb、GaAsPSb、InGaAs、InGaAsN、AlGaAsP、AlGaAsN、AlGaAsSb、AlGaAsBi、InGaP、InGaPN、InGaPSb、InGaPBi、InGaAsP、InGaAsPN、InGaAsPSb、InGaAsPBi、InAlGaP、InAlGaPN、InAlGaPSb及InAlGaPBi所组成的群组的至少其中一种，或其他适当材料；集电极层30的材料包含选自由GaAs、InGaP、InGaAsP、InAlGaP及AlGaAs所组成的群组的至少其中一种；基极层40的材料包含选自由P型的GaAs、GaAsSb、GaAsPSb、InGaAs及InGaAsN所组成的群组的至少其中一种。

能隙渐变层GL会产生内建电场，内建电场是一种借由能隙渐变层的能隙逐渐变化所引起的一种能作用于电子的电场(一种作用力)，如此电子能在内建电场中获得能量而使速度发生变化。

第一实施例的能隙渐变层的内建电场的强度大于0.1kV/cm；优选的，第一实施例的能隙渐变层的内建电场的强度更大于0.2、0.3、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、60、70、80或90kV/cm。原则上，第一实施例的能隙渐变层的内建电场的强度约不超过100kV/cm。

必须注意的是，能隙渐变层的半导体材料、厚度、成分或能隙渐变的方式被调整或改变时，原则上内建电场强度也会不同。

[第二实施例]

899案教导能隙渐变集电极层还必须包含在特定电场强度下会产生峰值电场强度(对应峰值速度)的半导体材料(参考899案〔0094〕段与权利要求1)，在899案的〔0094〕段中，当能隙渐变层包含的半导体材料是AlGaAs，则在AlGaAs处会提供峰值电场(对应峰值速度)；899案对峰值电场(强度)的定义为：电子速度会出现有峰值速度时的电场强度(参899案的图5A与图5B)。关于内建电场强度、峰值电场强度与峰值速度的定义，本文的各实施例系参照899案的定义。另899案也还提及有效电场与外部电场等，关于有效电场与外部电场的定义也请参考899案。

第二实施例跟第一实施例的主要差异是，第二实施例的能隙渐变层是由具有在使电场强度变化时，在“某个电场强度下”“电子的移动速度显示出峰值的特性”的半导体材料形成，上句中的“某个电场强度下”与“电子的移动速度显示出峰值”在本文亦称作“峰值电场强度”与“峰值速度”。第一实施例的能隙渐变层的半导体材料则是由具有在使电场强度变化时，在某个电场强度下电子的移动速度“不会”显示出峰值的特性的半导体材料形成。其他方面如各外延层的结构、外延层的材料可参考第一实施例或根据实际需求而做适当选择。某些半导体材料如AlGaAs，通过调整材料成分或材料成分比例而能使电子速度显示出“峰值速度”或不显示“峰值速度”。材料成分或材料成分比例的调整方式可参照899案。

第二实施例的能隙渐变层的内建电场强度为超过峰值电场强度的1.8倍，或在1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.5、4.0、4.5、5.0或5.5倍以上，其中会产生峰值电场强度的半导体材料是能隙渐变层中的一部分。第二实施例的能隙渐变层的半导体材料包含选自由AlGaAs、GaAsSb、InGaAs、InGaAsN、InAlGaAs及InAlAs所组成的群组的至少其中一种，或上述材料的适当配合。

举例而言，若能隙渐变层包含的半导体材料是Al

其中，在第一实施例与第二实施例中，能隙渐变层产生强内建电场强度，其中只要内建电场强度的其中一部分(如能隙渐变层的一层或多层)产生所需的内建电场强度即可，在第一实施例与第二实施例中，内建电场的一部分的内建电场强度越强(在适当内建电场强度的范围)时，电子速度通过集电极-基极结的速度能从接近于峰值速度而进一步提升至峰值速度，甚至能更进一步达到超速(Velocity Overshot)状态。

在第一实施例或第二实施例的能隙渐变层中，能隙变化至少包含第一能隙变化，第一能隙变化是该能隙渐变层的能隙随着逐渐远离该基极层而逐渐变窄或逐渐变小；此外，能隙变化还包含“第二能隙变化”、“第三能隙变化”或以上两者，“第二能隙变化”与“第三能隙变化”的先后顺序不拘，根据实际需求而定；其中，“第二能隙变化”是该能隙渐变层的能隙随着逐渐远离该基极层而逐渐变宽或逐渐变大；“第三能隙变化”为该能隙渐变层的能隙的大小固定，其中在第三能隙变化中，能隙渐变层的能隙的大小会介于与能隙渐变层相邻的两半导体层的能隙之间。通过“第二能隙变化”或“第三能隙变化”可降低能隙渐变层与基极层之间的导电带不连续，而减轻或消除集电极电流阻挡效应，也可提高电洞位能障。

以第一能隙变化而言，当能隙渐变层是形成于集电极层的靠近基极层的一侧(参考图2a)，能隙渐变层的能隙最大处可以约在能隙渐变层与基极层的结处，但不限于此。或参考图2b，能隙渐变层是形成于集电极层的靠次集电极层20的一侧，能隙渐变层是第一能隙变化，在能隙渐变层与基极层之间是第二能隙变化(参考图2b)；或者，当集电极层30包含有底层301、中间层303与顶层305(参考图3)，且若能隙渐变层是中间层303且能隙渐变层是第一能隙变化，则能隙渐变层的能隙最小处可以约为中间层303与底层301的结处附近，但不限于此。

在一实施例中，若能隙渐变层是顶层305且能隙渐变层是第二能隙变化，能隙渐变层的能隙最小处可以约在顶层与基极层的结处或附近，但不限于此。在能隙渐变层与基极层的结处，基极层的能隙可与能隙渐变层的最小能隙大致相同，但不限于此。在另一实施例，若能隙渐变层是中间层且能隙渐变层是第二能隙变化，则能隙渐变层的能隙最大处约在中间层与底层的结处或附近。

此外，第一能隙变化或第二能隙变化的能隙变化可以是线性能隙渐变、非线性能隙渐变、阶梯状能隙渐变或上述的任意组合。

[第三实施例]

参考图4，能隙渐变层GL的其中一部分更设置电洞阻隔层HL，电洞阻隔层HL的一部分的能隙或最大能隙需大于基极层的能隙，借以提高电洞位障来阻隔电洞，如此能降低HBT的补偏电压及膝电压，从而提升HBT或PA的效率。在一实施例中，参考图5，电洞阻隔层HL设置于能隙渐变层的中间层(如图3的中间层301)之中，电洞阻隔层HL之下的半导体层(如图3的底层301)可以是第一能隙变化；电洞阻隔层HL之上的半导体层(如图3的上层305)可以是第二能隙变化及/或第三能隙变化。

电洞阻隔层HL可包含选自由GaAsPSb、GaAs、GaAsSb、InGaP、InGaAs、InGaAsN、Al

由于电洞阻隔层HL的能隙(或最大能隙)大于基极层的能隙，因此基极-集电极结的饱和电流会降低，也会使HBT的基极-集电极结扩散电容(Diffusion Capacitance)降低，且基极-集电极结扩散电容随基极-集电极结电压改变时的变化量变小，因此会使HBT在接近饱和区或在饱和区工作时的截止频率f

电洞阻隔层与基极层的结能建立适当的价电带电洞位障或在电洞阻隔层与集电极层的结能形成电洞位能井；在过高的操作功率时，价电带电洞位障或电洞位能井能起到保护异质结双极型晶体管的作用，从而增加异质结双极型晶体管的坚固性；在过高的功率操作下，电洞阻隔层与基极层的结的电洞位障能阻挡足量的电洞，以形成集电极电流阻挡效应，或电洞阻隔层与集电极层的结的电洞位能井会累积够多的电洞而造成高频特性劣化，限制过高的输出功率，因此得以避免因过高的操作功率而损坏异质结双极型晶体管组件，而得以改善HBT的坚固性。

通过上述的实施例，能隙渐变层中的一些电子在到达峰值速度后的短暂时间中，电子速度的降幅能减少、接近于或在峰值速度左右或超过峰值速度，如此HBT要达到引发Kirk效应的集电极电流密度的门坎会提高；由于电子在通过基极-集电极结的时间可以明显缩短，HBT的膝电压也能被降低，而能改善HBT的效率、线性度、输出功率或高频特性。

在第二实施例中，当能隙渐变层中所包含的半导体材料会使电子速度显示出明显的峰值速度，且能隙渐变层的内建电场强度明显超过峰值电场强度的1.8倍，能隙渐变层中的电子速度的降幅会相对变小、或电子速度会接近于峰值速度、或电子速度会在峰值速度左右或会到达峰值速度(以899案的峰值速度作参考)后仍继续加速；当能隙渐变层中的电子速度变快，如此集电极电流阻挡效应造成的影响会相对变得较轻微，如此能把原本铝成分含量能再适度增加或使能隙变化适度加大；当原本铝成分含量再增加或使能隙变化加大，截止频率f

在一实施例中，在能形成内建电场的能隙渐变层GL之中还包含宽能隙层WL；其中，宽能隙层是设置在第一能隙变化、第二能隙变化或第三能隙变化的至少其中之一个之中；通过宽能隙层WL的设置使得电洞位能障变高，借此提高对电洞的阻挡效果，如此有助于降低膝电压，也有助于提升HBT的效率；宽能隙层的材料可包含选自于AlGaAs、AlGaAsP、AlGaAsN、AlGaAsSb、AlGaAsBi、InGaP、InGaPN、InGaPSb、InGaPBi、InGaAsP、InGaAsPN、InGaAsPSb、InGaAsPBi、InAlGaP、InAlGaPN、InAlGaPSb及InAlGaPBi所组成的群组的其中至少一种，或者是以上材料的配合，其中，InGaP的能隙是大于1.86eV、1.87eV、1.88eV、1.89eV、1.90eV或1.91eV；优选的，宽能隙层的厚度在15nm以下但不包含0。

根据本文实施例，内建电场的强度(作用力)超过峰值电场强度1.8倍时，能隙渐变层中电子速度的降幅相对变小或在峰值速度左右或在峰值速度以上；因此电子能在更短时间中通过能隙渐变层或集电极-基极结，而有助于显著改善HBT的效率、高频特性、线性度或坚固性。

在一些实施例中更包含间隔层(Spacer)(图中未显示)，间隔层是位于能隙渐变层与基极层之间及/或形成于能隙渐变层与“在能隙渐变层下方的集电极层”之间；间隔层主要包含III-V族半导体，例如间隔层可包含选自由GaAs、GaAsSb、GaAsPSb、InGaAs、InGaAsN、AlGaAs、AlGaAsSb、AlGaAsP、InAlGaAs、AlGaAsN所组成的群组的其中至少一种，或以上材料的配合；值得一提的是，间隔层可为P型掺杂(其掺杂浓度小于1x10

在一些实施例中，还包含包含中间复合层(图中未显示)，中间复合层设置于衬底10及次集电极层20之间；中间复合层包含缓冲层，缓冲层主要是由III-V族半导体形成。或者，中间复合层可包含场效晶体管(Field Effect Transistor)。

或者中间复合层可包含赝配高电子迁移率晶体管(pHEMT)，且赝配高电子迁移率晶体管包含在衬底10上由下到上依序堆叠的至少一层缓冲层、第一掺杂层、第一间隔层、通道层、第二间隔层、第二掺杂层、萧特基层、刻蚀终止层以及用于欧姆接触的顶盖层(图中未显示)。缓冲层是由III-V族半导体形成；该第一掺杂层及该第二掺杂层的材料为N型的砷化镓、N型的砷化铝镓、N型的磷化铟铝镓、N型的磷化铟镓以及N型的磷砷化铟镓的至少其中之一种；第一间隔层及第二间隔层的材料包含砷化镓、砷化铝镓、磷化铟铝镓、磷化铟镓以及磷砷化铟镓的至少其中之一种；该通道层的材料是包含砷化镓、砷化铟镓、砷化铝镓、磷化铟铝镓、磷化铟镓以及磷砷化铟镓的至少其中之一种；该萧特基层的材料是包含砷化镓、砷化铝镓、磷化铟铝镓、磷化铟镓以及磷砷化铟镓的至少其中之一种；该刻蚀终止层的材料是包含砷化镓、砷化铝镓、磷化铟铝镓、磷砷化铟镓、磷化铟镓以及砷化铝的至少其中之一种；而顶盖层是由N型III-V族半导体形成。

图7是比较图3实施例的HBT与背景技术(参考899案)的HBT的共发射极(commonemitter)的电流-电压(I-V)特性。背景技术的HBT结构大致相同于图3，其中图3实施例的HBT与背景技术的HBT(后称两者)的集电极层的总厚度都是1100nm，但两者的能隙渐变层(中间层)的厚度并不相同，图3的能隙渐变层的厚度是50nm，而背景技术的能隙渐变层的厚度为350nm。两者的顶层皆由Al

第一能隙变化与第二能隙变化是概呈线性变化。

根据上述条件可知，图3实施例的能隙渐变层所产生的内建电场强度约在峰值电场强度的5至6倍。背景技术所产生的内建电场强度则是约在峰值电场强度的1倍左右；从图7的I-V特性图可知，图3实施例的膝电压确实明显较低，这是因为电子能以更快速度通过能隙渐变层或基-集极结，所以在HBT中引发Kirk效应的集极电流密度Jc会变高，因而可以降低在高电流密度下HBT的膝电压，改善HBT的效率、输出功率或高频特性。

上文概述了若干实施例的特征，以便熟悉此项技术者可较佳地理解本发明的态样。熟悉此项技术者应了解，熟悉此项技术者可容易地使用本发明作为用于设计或变更其他制程及结构的基础，此等其他制程及结构用于执行本文引入的实施例的相同目的及/或达成此等实施例的相同优点。熟悉此项技术者也应了解，此等同等构造不背离本发明的精神及范畴；且熟悉此项技术者可在不背离本发明的精神及范畴的情况下进行各种变化、替换或变更。