CN1897301A - 双极晶体管和功率放大器 - Google Patents

Abstract

一种双极晶体管，其中将基极台面指(发射极凸出层15、基极层16和集电极层17)插入在两个集电极指(集电极电极13)之间，并且在该基极台面指上形成基极指(基极电极12)和该基极指两侧上的两个发射极指(发射极层14和发射极电极11)。这两个发射极指形成为相对于作为基准的基极指对称。

Description

双极晶体管和功率放大器

技术领域

本发明涉及一种双极晶体管和功率放大器。更特别地，本发明涉及一种双极晶体管，以及采用该双极晶体管的功率放大器，该双极晶体管形成为用在使用射频频带的移动无线终端(移动电话等)的信号发射部分中的用于功率放大的半导体集成电路上的有源元件。

背景技术

近年来，采用由化合物半导体制成的双极晶体管作为有源元件的用于功率放大的半导体集成电路被广泛地用在例如移动电话等的移动无线终端的信号发射部分中，其中该化合物半导体制成的双极晶体管使得能够进行射频操作和正电源操作。特别是，异质结双极晶体管(下文简称为HBT)被广泛地使用，其中其基极层是P型GaAs层，而其与该基极层成异质结的发射极层是具有大能带隙的AlGaAs或InGaP层。在双极晶体管中采用HBT的原因是可以防止基极层的空穴回流到发射极层中并且与发射极的电子载流子复合，由此增加电子载流子从发射极到基极的注入效率，导致晶体管的高效率操作。

HBT通常具有多指(finger)结构，其中一个或多个条线型发射极指被并排设置。例如，参见日本专利特开公报No.6-342803和日本专利特开公报No.2002-110904。图10A和10B是示出其中设置一个发射极指的示例性HBT结构的平面图和剖面图。在图10A和10B的常规HBT的结构中，一个发射极指(发射极层104和发射极电极101)和设置在该发射极指的两侧上的两个基极指(基极电极102)被插置在两个集电极指(集电极电极103)之间。典型地，根据发射极的面积来确定HBT的输出功率。因此，在HBT具有一个发射极指的情况下，发射极指的长度L需要很大，以便实现高的输出功率。然而，发射极指不必占用半导体芯片面积。

为了避免这个问题，提供多个发射极指以便在不增加发射极指长度L的情况下实现HBT的高输出功率。图11A和11B是示出其中设置四个发射极指的示例性HBT结构的平面图和剖面图。在图11A和11B的常规HBT的结构中，四个发射极指和设置在所述发射极指的两侧上的五个基极指被插置在两个集电极指之间。在图11A的HBT的情况下，由于发射极区域可以被多个发射极指占用，因此使用各自的长度L小于图10A的HBT中的长度的发射极指可以实现高输出功率HBT。

其中具有优良的射频特性的多指结构HBT被考虑作为单位单元并且多个该HBT单元并联连接以复合其输出的多单元结构被广泛地用作功率放大HBT结构。在图12A和12B中示出了具有多单元结构的示例性功率放大HBT。图12A示出了其中设置各自具有一个发射极指的多个HBT单元的示例性多单元结构。图12B示出了其中设置各自具有四个发射极指的多个HBT单元的多单元结构。在图12A和12B中，HBT单元的集电极输出端共同连接到公共的集电极导体100，而HBT单元的发射极共同连接到公共的发射极导体110。发射极导体110设置有过孔120并且经由该过孔120接地。

然而，在这种多单元结构的情况下，应该注意以下几点。在功率放大HBT中，每个HBT由于高电流密度而产生热量。然而，HBT单元不均匀地产生热量，从而由于每个HBT单元之间不均匀的热量产生而在HBT单元的操作中发生故障。更具体而言，具有高于在温度上具有高增长的环境的温度的HBT单元由于正反馈(热逸散)进一步产生热量，最终导致击穿。而且，当热量产生在每个HBT单元之间不均匀时，HBT发射极都不能有效工作，导致射频特性退化。

因此，为了纠正每个HBT单元之间热量产生的不均匀性，采用了一种在用于将DC偏压输送到每个HBT单元的DC偏压输送线150和每个HBT单元的基极导体140之间插入外部基极电阻130的方法，如图12A和12B中清楚示出的。通过插入该外部基极电阻130，可以抑制HBT的基极电流的增加，由此使得即使温度增加也可以避免热逸散。外部基极电阻130用于稳定HBT单元的操作，并且通常被称为基极镇流电阻。注意到，通过为每个HBT单元的发射极提供镇流电阻，同样抑制了集电极电流的增加，由此使得可以抑制热逸散。然而，近来，考虑到镇流电阻可以取的值的范围很窄，因此基极镇流电阻比集电极镇流电阻使用得更多。

如上所述，采用基极镇流电阻的常规功率放大HBT采取措施来抵抗每个HBT单元之间热量产生的不均匀性，然而，每个HBT单元之间热量产生的不均匀性不被考虑。每个HBT单元之间热量产生的不均匀性指的是由于以下原因而引起的每个发射极指之间热量产生的不均匀性。

在图11A的具有四个发射极指的HBT单元中，当所有的发射极指产生几乎相同量的热量时，两个中央的发射极指受到来自两个较外部的发射极指的热量的影响，从而这两个中央的发射极指具有较高的温度。具体而言，这两个中央的发射极指的热量产生分布区域覆盖这两个较外部的发射极指的热量产生分布区域，从而这两个中央的发射极指具有较高的温度(参见图13)。注意到，为了纠正这个问题，考虑到在每个发射极指之间提供充分的间隔，以使热量产生分布区域彼此完全地分离。然而，在这种情况下，增加了HBT单元的面积，导致了新出现的问题：芯片面积增加；射频特性退化；等等。因此，它并不实际。

在图11A的HBT单元的情况下，由于这五个基极指被设置在四个发射极指的两侧，因此就每个基极指的基极电极和基极层之间的接触电阻而言，在每个指之间可能发生非均匀性。因此，在基极电流的注入量上出现非均匀性，导致每个发射极指之间的非均匀性。

这个问题类似地存在于图10A的具有一个发射极指和两个基极指的HBT单元中。具体而言，就这两个基极指的基极电极和基极层之间的接触电阻而言，在这两个基极指之间可能发生非均匀性。特别地，在这个HBT单元中，基极指长，对应于发射极指，从而接触电阻的非均匀性在长度方向上增加。由于两侧的基极电阻的非均匀性，HBT单元的操作中的非均匀性增加。例如，流过发射极指的电流在更靠近右基极指的部分中比在更靠近左基极指的部分中更大。

此外，在HBT单元中，基极-集电极寄生电容高，并且由于该寄生电容的功率反馈导致射频频带应用中的增益退化。HBT的射频特性主要取决于发生在基极层和集电极层之间的寄生电容，并且该寄生电容与图10B和11B中示出的基极台面宽度W1成比例。这是因为基极-集电极电容与夹置该集电极层的基极层和集电极层之间的面积成比例。为了减小基极台面宽度W1，需要将除了所需的发射极面积之外的面积减小到可能的程度。然而，图11B的HBT单元结构具有用于四个发射极的五个基极，而图10B的HBT单元结构具有用于一个发射极的两个基极，即，基极面积总是比所需的发射极面积大对应于一个基极电极的面积。因此，在常规HBT单元结构中，由于基极指的影响而对基极台面宽度W1的减小存在着限制，导致射频频带中增益特性的退化。

另一方面，在具有多单元结构的功率放大HBT中，外部基极电阻130的值大，如图12A和12B所示。因此，当功率放大HBT实际集成在半导体上时，需要为外部基极电阻确保大的面积，导致大的芯片面积，即，成本增加。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种双极晶体管，其在HBT单元中具有均匀的热量产生并且改善了射频频带中的增益特性；以及一种采用多单元结构以减小芯片面积的功率放大器。

本发明涉及一种形成在半导体衬底上的双极晶体管。为了实现这个目的，本发明的双极晶体管包括基极指、相对于作为中心的基极指对称地设置并且与该基极指平行的两个发射极指，以及设置成夹置该基极指和这两个发射极指的两个集电极指。注意到，偶数的发射极指可以被相对于作为中心的基极指对称地设置，并且在纵向上设置成与该基极指平行。

优选地，两个发射极指各自具有30μm或更小的长度。而且，优选地，基极指具有1μm或更小的电极宽度。

当双极晶体管是具有与基极层成异质结的发射极层的异质结双极晶体管时，基极指可以具有电极，该电极具有一种结构，其中电极穿透发射极层的宽间隙层以与基极层欧姆接触。

此外，可以提供一种功率放大器，其包括多个双极晶体管，其中其基极公共地连接，其集电极连接到射频信号输出端子，并且发射极接地，电容插入在射频信号输入端子和公共连接的基极之间，并且电阻插入在偏压输送端子和公共连接的基极之间。

根据本发明，单元中的均匀操作非常好，并且可以减小基极-集电极电容，由此以低成本获得优异的射频特性。此外，由于内部基极电阻值高，当构造具有多单元结构的功率放大器时，可以实现具有小尺寸和优异的耐击穿特性且没有外部基极电阻的功率放大器。

从以下结合附图对本发明的详细说明，本发明的这些和其他目的、特征、方面和优点将变得更加显而易见。

附图说明

图1A是示出根据本发明实施例的双极晶体管结构的平面图；

图1B是示出沿着图1A的线a-a截取的双极晶体管的剖面图；

图2是示出图1A的双极晶体管的单位单元温度分布的图；

图3是示出发射极指长度和耐击穿特性之间的相关性的特性图；

图4是示出具有多单元结构的功率放大HBT的示例性结构的图，其中每个单元是图1A的双极晶体管；

图5是示出基极电极宽度(内部基极电阻值)和耐击穿特性之间的相关性的特性图；

图6A是示出根据本发明实施例的另一双极晶体管的平面图；

图6B是示出具有多单元结构的功率放大HBT的示例性结构的图，其中每个单元是图6A的双极晶体管；

图7是用于说明图1B的本发明实施例的双极晶体管的制造步骤的图；

图8是用于说明制造通过修改图1B的双极晶体管而获得的双极晶体管的其他步骤的图；

图9A是示出功率放大器的示例性结构的图，其中多个本发明实施例的双极晶体管并联；

图9B是示出图9A的功率放大器的等效电路图；

图10A是示出常规双极晶体管的结构的平面图；

图10B是示出沿着图10A的线c-c截取的双极晶体管的剖面图；

图11A是示出另一常规双极晶体管的结构的平面图；

图11B是示出沿着图11A的线d-d截取的双极晶体管的剖面图；

图12A是示出具有多单元结构的常规功率放大HBT的示例性结构的图，其中每个单元是图10A的双极晶体管；

图12B是示出具有多单元结构的常规功率放大HBT的示例性结构的图，其中每个单元是图11A的双极晶体管；以及

图13是示出图11A的双极晶体管的单位单元温度分布的图。

具体实施方式

(双极晶体管的结构)

最初，将介绍根据本发明实施例的双极晶体管的结构。

图1A是示出根据本发明实施例的双极晶体管结构的平面图。图1B是示出沿着图1A的线a-a截取的双极晶体管的剖面图。在本实施例的双极晶体管的结构中，将基极台面指(发射极凸出(ledge)层15、基极层16和集电极层17)插入在两个集电极指(集电极电极13)之间，并且在该基极台面指上形成一个基极指(基极电极12)和该基极指两侧上的两个发射极指(发射极层14和发射极电极11)。这两个发射极指形成在相对于作为基准的基极指对称的位置上。这种双极晶体管典型地是异质结双极晶体管(HBT)。

在本实施例的双极晶体管的结构中，由于这两个发射极指设置在相对于基极指对称的位置上，因此这两个发射极指具有均匀的热量产生，如图2所示。由于只存在一个基极指，因此伴随着基极指的非均匀性问题不会发生。

发射极指优选具有30μm或更小的长度L，以便防止非均匀性的发生。例如，如图3所示，考虑施加的功率相对于饱和输出的特性作为表示非均匀性的指示器，该饱和输出由于HBT的输出负载为VSWR＝10∶1时的热逸散而击穿一个HBT单元。在这种情况下，该值越大，器件的稳定性越高。即使当发射极指长度L为30μm或更小，并且施加的功率为5dB，HBT也不被击穿。

此外，在本实施例的双极晶体管的结构中，由于只有一个基极指设置在两个发射极指之间，因此每发射极指的基极指数量最小。因此，对应于所需的输出功率，相对于发射极面积的基极指的面积小，从而可以减小大于发射极面积的基极层的面积。因此，可以使基极台面宽度W1变窄，从而可以减小基极-集电极电容，由此使得可以在射频频带中实现高增益。

这里，如果将基极电极12的宽度设置为1μm或更小，基极电极12和基极层16的接触面积小，从而接触电阻大。图4示出一种功率放大HBT的示例性结构，其中将本发明的双极晶体管考虑为一个单元，并且多个单元并联连接。图5示出基极电极宽度、耐击穿特性以及基极接触电阻的特性相关性图，其中该HBT的发射极指长度L为30μm。从图5可以看出，当基极电极宽度为1μm或更小时，晶体管具有高达20Ω的寄生基极电阻，并且耐击穿性能高，从而不再需要防止热逸散的基极镇流电阻。因此，当将功率放大HBT构造成具有其中将双极晶体管考虑为一个单元并且多个单元并联连接的结构时，可以使该结构的面积减小对应于常规结构(图11A等)所需的外部基极电阻(基极镇流电阻)130的量。

注意到，当需要大量的单元以获得功率放大器的高输出特性时，可以制造具有这样一种结构的HBT单元，其中设置两个或更多个基极台面，并且公共地使用基极电极12和集电极电极13。图6A示出双极晶体管的示例性结构。尽管基极指长度长，一个基极台面部分具有大约20Ω的基极电阻，从而在新的单位单元中的两个基极台面部分中抑制了非均匀性。根据本发明的结构，可以容易地连接单元，并且可以构造新的单元。图6B示出一种功率放大HBT的示例性结构，其中将这种双极晶体管考虑为一个单元，并且多个单元并联连接。

(制造双极晶体管的方法)

接着，将要介绍制造本发明实施例的双极晶体管的方法。

图7是用于说明制造图1B的本发明实施例的双极晶体管的步骤A到E的图。

发射极部分是包括n型GaAs发射极层14和n型InGaP发射极凸出层15的层。与WSi制成的发射极电极11接触的层需要欧姆接触。因此，InGaAs的薄层设置在发射极的最上层。P型GaAs基极层16(基极部分)设置在发射极部分之下。N型GaAs集电极层17设置在p型GaAs基极层16之下。以高浓度掺杂的n⁺型GaAs子集电极层18(称为子集电极层)设置在n型GaAs集电极层17之下。对这个外延层进行刻蚀工艺以形成发射极台面层和基极台面层，由此在半导体层上形成晶体管的三端电极。通过这种方式，制造了晶体管。

对于HBT，在刻蚀步骤中可以使用GaAs和InGaP的选择性刻蚀。集电极电极13由Ni/AuGe/Au的合金制成，并且基极电极12由Ti/Pt/Au制成。

最初，在遮盖形成在发射极区域上的WSi发射极电极11的同时刻蚀n型GaAs发射极层14，以暴露出n型InGaP发射极凸出层15(步骤A)。在这种情况下，使用GaAs和InGaP的选择性刻蚀。接着，刻蚀n型InGaP发射极凸出层15、p型GaAs基极层16和n型GaAs集电极层17，以暴露出n⁺型GaAs子集电极层18(步骤B)。步骤B是形成基极台面层的步骤。基极台面宽度W1越小，则基极-集电极电容越小，即，射频特性越优异。

这里，将简要介绍异质结发射极凸出层的功能。通过刻蚀和除去发射极部分而暴露出的p型基极层的表面具有许多表面态，并且所述表面态中的表面复合导致晶体退化。为了采取措施来解决这个问题，通过淀积另一稳定层(即，发射极凸出层)来保护尽可能包围发射极层的所需面积的这种大的基极层表面。采用发射极凸出层的这种结构还被称为围绕(girdling)结构。

在发射极台面间隔W4内刻蚀n型InGaP发射极凸出层15，以暴露p型GaAs基极层16(步骤C)。这种刻蚀是选择性刻蚀，由此形成具有凸出开口宽度W2的开口。当在窄发射极台面间隔W4中形成高精度窄发射极凸出开口宽度W2以增加射频性能时，需要高精度光刻技术和高精度刻蚀技术，即，需要高成本的制造方法。

接着，使用淀积剥离(lift-off)形成宽度为1μm或更小并且由Ti/Pt/Au制成的基极电极12(步骤D)。接着，使用淀积剥离随后在大约400℃下加热成合金，从而在n⁺型GaAs子集电极层18上形成由AuGeNi/Au制成的集电极电极13(步骤E)。

在具有优异的射频特性的HBT中，为了提高其在射频频带中的功能，需要使基极台面宽度W1变窄，确保窄基极台面宽度W1中的凸出开口宽度W2，并且形成宽度为1μm或更小的基极电极。然而，如上所述，制造成本增加了。

因此，在图8中示出了这种制造方法的简化版本以及利用这种简化的方法制造的HBT结构。在图8的HBT结构中，最初没有设置凸出开口，并且基极电极82穿透n型InGaP发射极凸出层15以与p型GaAs基极层16接触，其中该n型InGaP发射极凸出层15典型地与p型GaAs基极层16成异质结。在该HBT结构中，不需要刻蚀n型InGaP发射极凸出层15以形成小开口的步骤，导致简单的制造方法。在基极电极82被淀积和形成在n型InGaP发射极凸出层15上之后，通过加热使基极电极82热扩散到n型InGaP发射极凸出层15中，从而基极电极82与p型GaAs基极层16接触。在这个结构中，凸出开口宽度不呈现，并且基极宽度W3窄，从而可以使基极台面宽度W1小于任何结构的基极台面宽度W1，并且基极-集电极电容也很小，导致增益和效率提高，以及令人满意的射频特性。

注意到集电极电极13由Ni/AuGe/Au的合金制成，并且基极电极82由Pt/Ti/Pt/Au制成，其中Pt被引入到最下一层。

最初，在遮盖形成在发射极区域上的WSi发射极电极11的同时刻蚀n型GaAs发射极层14，以暴露出n型InGaP发射极凸出层15(步骤A)。在这种情况下，使用GaAs和InGaP的选择性刻蚀。接着，刻蚀n型InGaP发射极凸出层15、p型GaAs基极层16和n型GaAs集电极层17，以暴露出n⁺型GaAs子集电极层18(步骤B)。步骤B是形成基极台面层的步骤。基极台面宽度W1越小，则基极-集电极电容越小，即，射频特性越优异。步骤A和B与图7的相同。

在形成基极台面之后，使用淀积剥离在n型InGaP发射极凸出层15上形成由Pt/Ti/Pt/Au制成的基极电极82(步骤F)。其后，使用淀积剥离形成由AuGeNi/Au制成的集电极电极13，随后在大约400℃下加热成合金以形成集电极电极13(步骤G)。在大约400℃下的加热不仅允许集电极电极13变成合金，而且使n型InGaP发射极凸出层15上的Pt/Ti/Pt/Au基极电极82的最底层中的Pt热扩散到n型InGaP发射极凸出层15中(由于Pt具有高热扩散系数)，以与p型GaAs基极层16接触，导致欧姆连接。

在这种结构中，射频性能的改善不需要用于形成窄发射极台面间隔W4中的高精度窄发射极凸出开口宽度W2的高性能制造方法，导致了低的成本。此外，由于需要W1＞W4＞W3，因此对于相同的基极宽度W3可以使发射极台面间隔W4更窄，并且作为结果，可以使基极台面宽度W1变窄。由此，可以进一步减小基极-集电极电容，由此使得可以改善射频频带中的性能。

(功率放大器的结构)

接着，将要介绍采用本发明实施例的双极晶体管的功率放大器。

图9A是示出其中多个图1B的本发明实施例的双极晶体管并联连接的功率放大器的示例性结构的图。图9B是示出图9A的功率放大器的等效电路图。在图9A和9B的功率放大器的示例性结构中，四个双极晶体管并联连接。

功率放大器由多个双极晶体管Q、电容C和电阻R构成。多个双极晶体管Q的基极电极经由电容C公共地连接到射频信号输入(RF输入)端，并且经由电阻R连接到偏压输送(DC输入)端。电容C是用于使射频信号通过的电容。电阻R是用于防止过量的基极电流流动的抑制电阻。多个双极晶体管Q的发射极电极经由公共导体和过孔而接地。多个双极晶体管Q的集电极电极公共地连接到射频信号输出(RF输出)端。

由于该功率放大器具有其中多个图1B的双极晶体管并联连接的结构，因此基极-集电极电容小，从而提高了增益和效率，导致了令人满意的射频特性。此外，耐击穿特性高，从而不再需要用于防止热逸散的基极镇流电阻。因此，在这种情况下，当构造了其中将双极晶体管考虑为一个单元并且多个单元并联连接的功率放大HBT时，可以使该结构的面积减小对应于常规结构(图11A等)所需的外部基极电阻(基极镇流电阻)130的量。

如上所述，根据本发明实施例的双极晶体管，在单元中存在优异的均匀操作，并且可以减小基极-集电极电容，由此以低成本获得优异的射频特性。在多单元功率放大器的情况下，可以实现具有小尺寸(没有外部基极电阻)和优异的耐击穿特性的功率放大器。

尽管已经具体介绍了本发明，但是前述说明在所有方面都是示意性而非限制性的。应该理解在不脱离本发明范围的情况下可以做出许多其他的修改和变化。

Claims (10)

1、一种形成在半导体衬底上的双极晶体管，包括：

基极指；

两个发射极指，相对于作为中心的该基极指对称地设置并且与该基极指平行；以及

两个集电极指，设置成夹置该基极指和该两个发射极指。

2、根据权利要求1的双极晶体管，其中所述两个发射极指各自具有30μm或更小的长度。

3、根据权利要求1的双极晶体管，其中所述基极指具有1μm或更小的电极宽度。

4、根据权利要求2的双极晶体管，其中所述基极指具有1μm或更小的电极宽度。

5、根据权利要求1的双极晶体管，其中：

所述双极晶体管是具有与该基极层成异质结的发射极层的异质结双极晶体管；并且

所述基极指具有电极，该电极具有其中所述电极穿透所述发射极层的宽间隙层以与所述基极层欧姆接触的结构。

6、根据权利要求2的双极晶体管，其中：

所述双极晶体管是具有与该基极层成异质结的发射极层的异质结双极晶体管；并且

所述基极指具有电极，该电极具有其中所述电极穿透所述发射极层的宽间隙层以与所述基极层欧姆接触的结构。

7、根据权利要求3的双极晶体管，其中：

所述双极晶体管是具有与该基极层成异质结的发射极层的异质结双极晶体管；并且

所述基极指具有电极，该电极具有其中所述电极穿透所述发射极层的宽间隙层以与所述基极层欧姆接触的结构。

8、根据权利要求4的双极晶体管，其中：

所述双极晶体管是具有与该基极层成异质结的发射极层的异质结双极晶体管；并且

所述基极指具有电极，该电极具有其中所述电极穿透所述发射极层的宽间隙层以与所述基极层欧姆接触的结构。

9、一种形成在半导体衬底上的双极晶体管，包括：

基极指；

偶数个发射极指，相对于作为中心的该基极指对称地设置并且在纵向上被设置成与该基极指平行；以及

两个集电极指，设置成夹置该基极指和该偶数个发射极指。

10、一种功率放大器，包括：

多个根据权利要求3到9中任何一项所述的双极晶体管，用于进行电流放大，其中所述多个双极晶体管并联连接，并且其基极公共地连接，其集电极连接到射频信号输出端，而发射极接地；

电容，连接所述射频信号输入端和所述多个双极晶体管的公共连接的所述基极；以及

电阻，连接偏压输送端和所述多个双极晶体管的公共连接的所述基极。

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