異質結雙極型電晶體

發射區、基區和收集區由禁頻寬度不同的材料製成的電晶體。W.B.肖克萊於1951年提出這種電晶體的概念。70年代中期，在解決了砷化鎵的外延生長問題之後，這種電晶體才得到較快的發展。最初稱為“寬發射區”電晶體。其主要特點是發射區材料的禁頻寬度EgE大於基區材料的禁頻寬度EgB。

基本介紹

• 中文名：異質結雙極型電晶體
• 外文名：Heterojunction bipolar transistor
• 簡稱：HBT
• 主要優點：基區可以高摻雜 可高達1020/cm3

簡介

異質結雙極型電晶體（Heterojunction bipolar transistor,HBT）是在雙極結型電晶體（Bipolar Junction Transistor,BJT)的基礎上，只是把發射區改用寬頻隙的半導體材料，即同質的發射結採用了異質結來代替。由於異質結能帶的不連續性（帶隙的能量差ΔEg = 價帶頂能量突變ΔEv +導帶底能量突變ΔEc），對n-p-n BJT，較大的ΔEv對於基區往發射區注入的空穴有阻擋作用，則寬頻隙發射區異質結的注射效率接近1（即只有電子從發射區注入到基區），並且注射效率與發射區和基區的摻雜濃度無關。HBT的最大優點就在於發射結的注射效率 (放大係數) 基本上與發射結兩邊的摻雜濃度無關, 從而可把基區的摻雜濃度做得很高(甚至比發射區的還高), 這就可以在保證放大係數很大的前提下來提高頻率, 從而能進入毫米波段。現在HBT是能夠工作在超高頻和超高速的一種重要的有源器件。HBT的最大電流增益可表示為 (不考慮基區複合)βmax = IEn / IEp ∝ exp[ΔEg / kT] ，則HBT與一般BJT的最大電流增益之比完全由帶隙的能量差來決定：βmax (HBT) / βmax (BJT) = exp[ΔEg / kT] 。通常取ΔEg>250 meV, 則HBT的增益可比BJT的提高10的4次方倍。

對於一般的BJT，為了進一步提高頻率和速度,就要求減小基極電阻、減小發射結電容和減小寄生電容。而一般的BJT，為了提高注射效率, 需要儘可能降低基區摻雜濃度NB和提高發射區摻雜濃度NE，使比值 (NB/NE) 降低；但是由於發射區重摻雜會引起禁頻寬度變窄和Auger複合顯著, 反而使注射效率降低，同時也會使發射結電容增大；而且基區摻雜濃度也不能太低，否則會使基極電阻增大。所以採用降低比值(NB/NE)的方法來提高發射結注射效率的作用是很有限的，而且提高放大能力與提高頻率和速度是互相矛盾的。也因此一般的BJT在實現超高頻、超高速上遇到了不可克服的困難。而異質結BJT（HBT）是一種新型結構的重要器件，它克服了頻率、速度與放大係數之間的矛盾，從而可實現超高頻和超高速。

製作方法

在高濃度n型第一子集電極層(102)上，依次形成：由能帶隙小的材料構成的高濃度n型第二子集電極層(108)；由i型或者低濃度n型集電極層(103)；高濃度p型基極層(104)；由能帶隙大的材料構成的n型發射極層(105)；高濃度n型發射極蓋體層(106)；由能帶隙小的材料構成的高濃度n型發射極接觸層(107)。發射極電極(111)、基極電極(112)、以及集電極電極(113)的各自的下側形成合金化反應層(114)～(116)。由此，基於本發明的異質結雙極型電晶體，不僅可以降低製造成本，還能夠實現各電極的良好的歐姆特性。

基本特徵

一種異質結雙極型電晶體，其特徵在於，具備以下各部分：高濃度n型第一子集電極層；形成於所述第一子集電極層上，且由與所述第一子集電極層相比能帶隙更小的材料構成的高濃度n型第二子集電極層；形成於所述第二子集電極層的規定部分上的i型或者低濃度n型集電極層；形成於所述集電極層上的高濃度p型的基極層；形成於所述基極層上，且由與所述基極層相比能帶隙更大的材料構成的n型發射極層；形成於所述發射極層上的規定部分上的高濃度n型發射極蓋體層；形成於所述發射極蓋體層上，且由與所述發射極蓋體層相比能帶隙更小的材料構成的高濃度n型發射極接觸層；形成於所述發射極接觸層上，且由一個或者多個導電層構成的發射極電極；形成於所述發射極層的未形成所述發射極蓋體層的部分上，且由一個或者多個導電層構成的基極電極；形成於所述第二子集電極層上的未形成所述集電極層的部分上，且由一個或者多個導電層構成的集電極電極，其中，在所述發射極接觸層的所述發射極電極的下側部分，形成第一合金化反應層；在所述發射極層的所述基極電極的下側部分，形成第二合金化反應層；在所述第二子集電極層的所述集電極電極的下側部分，形成第三合金化反應層。

主要優點

HBT具有以下優點：①基區可以高摻雜 (可高達1020/cm3)，則基區不易穿通，從而基區厚度可以很小 (則不限制器件尺寸的縮小)；②因為基區高摻雜，則基區電阻很小，最高振盪頻率fmax得以提高；③基區電導調製不明顯，則大電流密度時的增益下降不大；④基區電荷對C結電壓不敏感，則Early電壓得以提高；⑤發射區可以低摻雜 ( 如1017/cm3)，則發射結勢壘電容降低，電晶體的特徵頻率fT提高；⑥可以做成基區組分緩變的器件，則基區中有內建電場，從而載流子渡越基區的時間τB得以減短。總之，HBT的高頻、高速性能以及大功率等性能都較優良。它與HEMT一起都是重要的毫米波有源器件以及毫米波IC的基礎器件。

變異質結

異質發射結最好是採用緩變異質結。可以用作為HBT發射結的幾種異質結（舉例）：①AlGaAs/GaAs異質結的晶格匹配很好，容易實現微波與光電器件及其IC；②InP/InGaAs 或 InAlAs/InGaAs異質結的晶格能匹配，其中InGaAs的電子遷移率很高 (GaAs的1.6倍，是Si的9倍)；③Si/SiGe

異質結的晶格不匹配, 但可採用應變層 (厚度<0.2μm) 來進行彈性調節之，而且在很大程度上這種異質結器件的工藝與矽工藝兼容，由於Si和SiGe的ΔEg≈ΔEv , 則Si/SiGe異質結對n-p-n型的HBT有利。