DE69609771T2

DE69609771T2 - InAlAs-InGaAlAs-Heteroübergangsbipolartransistor mit quaternärem Kollektor

Info

Publication number: DE69609771T2
Application number: DE69609771T
Authority: DE
Inventors: Aaron K. Oki; Dwight C. Streit; Liem T. Tran
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1996-04-23
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2016-04-24
Also published as: US5631477A; EP0746035A2; EP0746035A3; JPH08330322A; KR100272391B1; KR970004082A; JP2942500B2; DE69609771D1; EP0746035B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Bereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen einen Bipolartransistor mit Heteroübergang und insbesondere einen InAlAs/InGaAlAs-Bipolartransistor mit Heteroübergang, der eine konstante quaternäre InGaAlAs-Kollektorschicht, einen Emitter-Basis-Übergangsbereich mit abgestufter Zusammensetzung aus InGaAlAs, eine abgestuft dotierte InGaAs-Basisschicht und/oder eine Basisschicht mit abgestufter Zusammensetzung aus InGaAlAs umfaßt.

2. Diskussion des zugehörigen Standes der Technik

Wegen bestimmter bekannter Vorteile in der Leistungsfähigkeit der Vorrichtungen, sind Bipolartransistoren mit Heteroübergang (heterojunction bipolar transistors, HBTs) für viele Anwendungen erwünscht, insbesondere für Mikrowellenanwendungen bei hohen Leistungen und hohen Frequenzen. Frühe HBTs waren im allgemeinen Galliumarsenid-/Aluminiumgalliumarsenid-(GaAs/AlGaAs)- HBTs. Als die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Vorrichtungen stiegen, erwiesen sich GaAs/AlGaAs-HBTs als in ihrer Fähigkeit beschränkt, eine ausreichend hohe Frequenzleistungsfähigkeit, eine akzeptable Grenzfrequenz (fT) und einen ausreichend hohen Verstärkungsfaktor für Zwecke der Verstärkung bereitzustellen. Um diese Beschränkungen zu überwinden, wurden Indiumgalliumarsenid-/Indiumaluminiumarsenid-(InGaAs/InAlAs)- HBTs entworfen, die an Indiumphospid-(InP-)Substrate angepaßt waren. Die Vorteile der InAlAs/InGaAs-HBTs gegenüber den GaAs/AlGaAs-HBTs umfaßten eine höhere Elektronensättigungsgeschwindigkeit und -mobilität, niedrigere Einsatzspannungen und eine größere Bandlückendiskontinuität, die für Vorteile bei der Hochfrequenzleistungsfähigkeit sorgte. Ursprüngliche InAlAs/InGaAs-HBTs litten jedoch unter dem Nachteil einer nied rigen Kollektordurchbruchspannung (BVCEO) und einer hohen Ausgangsleitfähigkeit, die ihre Verwendbarkeit bei Hochfrequenzmikrowellenanwendungen begrenzten. In einem typischen Beispiel hatte ein InGaAs-Kollektor eine Bandlücke von 0,75 eV, verglichen mit einem GaAs-Kollektor, der in einem AlGaAs/GaAs-HBT eine Bandlücke von 1,45 eV hatte. Ferner erfahren InGaAs/InAs- HBTs eine Erniedrigung der Kollektordurchbruchspannung BVCEO mit steigender Temperatur.
Es wurde eine Vielzahl von Konzepten vorgebracht, um für eine akzeptable Kollektordurchbruchspannung BVcEO und eine akzeptable Ausgangsleitfähigkeit für InAlAs/InGaAs-HBTs zu sorgen. Beispielsweise wurden InAlAs/InGaAs-HBTs entworfen, die Kollektorschichten aus InP haben. Siehe hierzu beispielsweise Stanchina, W. E., "Status and Potential of AlInAs/GalriAs/InP HBT ICs," Proc. Fourth Int. Conf. Indium Phosphide and Related Materials, pp. 434-447 (1992) und Nottenburg, R. N. et al., "High-speed InGaAs(P)/InP double-heterostructure bipolar transistors," IEEE Electron Device Lett., vol. EDL-8, pp. 282-284 (1983). Zusätzlich wurden auch InAlAs/InGaAs-HBTs mit InAlAs-Kollektorschichten bereitgestellt. Siehe hierzu beispielsweise Farley, C. W. et al. "Performance tradeoffs in AlInAs/GaInAs single- and doubleheterojunction NPN heterojunction bipolar transistors," J. Vac. Sci. Technol., vol. B10, pp. 1023-1025 (1992). Eine Referenzschrift hat die Verwendung einer abgestuften InGaAlAs-Kollektorschicht in einem InAlAs/InGaAs-HBT berichtet. Hierzu siehe Vlcek, J. C. et al., "Multiply-graded InGaAlAs heterojunction bipolar transistors," Electron Lett., vol. 27, pp. 1213-1215 (1991) (was dem Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht). Ferner wurde außerdem über Kollektoren in HBTs, die aus InGaAs/InP zusammengesetzt sind, berichtet. Die Verwendung von Kollektoren aus InP oder aus Zusammensetzungen von InGaAs/InP wurde jedoch eingeschränkt, weil das Wachstum von auf Phosphor basierenden Zusammensetzungen mit den meisten Systemen mit Festkörperquellen-Molekularstrahlepitaxie (solid-source molecular beam epitaxial (MBE) systems) nicht vereinbar ist. Das US-Patent Nr. 5,150,185, das am 22. September 1992 für Yamada erteilt wurde, offenbart eine HBT-Halbleitervorrichtung, die offenbar eine quaternäre (InGaAs)0,4 (InAlAs)0,6-Kollektorschicht umfaßt, die zwischen zwei abgestuften (InGaAs)1-x (InAlAs)x-Schichten vom n-Typ angeordnet ist.
Auch wenn neuere Halbleiter-HBT-Vorrichtungen erfolgreich niedrige Kollekturdurchbruchspannungen und hohe Ausgangsleitfähigkeiten bereitgestellt haben, während sie gleichzeitig eine Hochfrequenzleistungsfähigkeit, akzeptable Grenzfrequenzen und einen hohen Verstärkungsfaktor bereitstellten, sind andere Kriterien der Vorrichtungen ebenfalls wichtig, um eine erhöhte Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu realisieren. Beispielsweise ist es wichtig, daß HBT-Vorrichtungen hohe Basiselektronenübergangszeiten aufweisen, um die Schaltgeschwindigkeit und -frequenz der Vorrichtung zu erhöhen. Das im September 1995 erteilte US-Patent Nr. US-5,448,087 mit dem Titel "Heterojunction Bipolar Transistor with Graded Base Doping", welches dem Besitzer der vorliegenden Anmeldung zugeschrieben ist, offenbart einen Bipolartransistor mit Heteroübergang, der eine abgestufte Basisdotierung hat, um so die Basisübergangszeit der Vorrichtung zu erhöhen. Dies ist jedoch eine GaAs/AlGaAs-HBT-Vorrichtung, und daher mangelt es ihr an der Fähigkeit, für eine Leistungsfähigkeit bei hohen Frequenzen etc. zu sorgen, wie oben besprochen. Auch erwähnt sei das US-Patent Nr. 5,284,783, das am 8. Februar 1994 für Ishikawa et al. erteilt wurde, und das einen Bipolartransistor mit Heteroübergang offenbart, der eine abgestufte InGaAlAs-Basisschicht und eine abgestufte InGaAlAs- Emitter-Basis-Übergangsschicht umfaßt.
Benötigt wird ein Hochleistungs-HBT, der nicht unter einer niedrigen Kollektordurchbruchspannung oder einer hohen Ausgangsleitfähigkeit leidet, und der weitere Fähigkeiten der Vorrichtungsleistungsfähigkeit bietet, wie etwa erhöhte Basisübergangszeiten bei Höchleistungsanwendungen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Vorrichtung bereitzustellen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 wird eine Halbleitervorrichtung offenbart, die eine quaternäre InGaAlAs-Kollektorschicht und eine p-Typ-Basisschicht mit abgestufter Dotierung umfaßt. Die quaternäre InGaAlAs-Kollektorschicht ermöglicht eine Leistungsfähigkeit bei hohen Frequenzen wie auch hohe Kollektordurchbruchspannungen und Ausgangsleitfähigkeiten. Auf jeder Seite der Kollektorschicht mit konstantem InGaAlAs sind Kollektorschichten mit abgestuftem InGaAlAs vorgesehen, um Übergänge durch die konstante Kollektorschicht zu minimieren. Der InAlAs/InGaAlAs-HBT kann auch eins oder mehreres aus der Gruppe mit einem abgestuften InGaAlAs-Emitter- Basis-Übergangsbereich, einer abgestuft dotierten InGaAs-Basisschicht und einer Basisschicht mit abgestufter Zusammensetzung aus InGaAlAs umfassen. Der abgestufte Emitter-Basis-Übergangsbereich verringert den Übergang zwischen der Emitter- und der Basisschicht des HBT und die Basisschichten mit abgestufter Dotierung und abgestufter Zusammensetzung sorgen für erhöhte Basisübergangszeiten.
Weitere Aufgaben, Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen ersichtlich, zusammen mit den begleitenden Zeichnungen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Profilansicht eines InAlAs/InGaAlAs-HBTs mit einer quaternären InGaAlAs-Kollektorschicht und einem abgestuften InGaAlAs-Emitter-Basis- Übergangsbereich;
Fig. 2 ist eine Profilansicht eines InAlAs/InGaAlAs-HBTs mit einer quaternären InGaAlAs-Kollektorschicht und einer abgestuft dotierten InGaAs- Basisschicht;
Fig. 3 ist eine Profilansicht eines InAlAs/InGaAlAs-HBTs mit einer quaternären InGaAlAs-Kollektorschicht und einer Basisschicht mit abgestufter Zusammen setzung aus InGaAlAs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ist eine Profilansicht eines InAlAs/InGaAlAs-HBTs mit einer quaternären InGaAlAs-Kollektorschicht und einer InGaAlAs-Basisschicht mit abgestufter Dotierung und abgestufter Zusammensetzung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 ist ein Graph des Ga-Molanteilgehalts jeder Schicht des HBTs aus Fig. 1;
Fig. 6 ist ein Graph des Al-Molanteilgehalts jeder Schicht des HBTs aus Fig. 1;
Fig. 7 ist ein Graph des Ga-Molanteilgehalts jeder Schicht des HBTs aus Fig. 3;
Fig. 8 ist ein Graph des Al-Molanteilgehalts jeder Schicht des HBTs aus Fig. 3;
Fig. 9 ist ein Bandlückendiagramm des HBTs aus Fig. 2;
Fig. 10 ist ein Bandlückendiagramm des HBTs aus Fig. 3;
Fig. 11(a) und 11(b) zeigen einen Graphen des Kollektorstroms (IC) auf der vertikalen Achse gegen die Kollektor-Emitter- Spannung (VCE) auf der horizontalen Achse, womit die Durchbruchspannung für einen InGaAs-Kollektor bzw. einen InGaAlAs-Kollektor dargestellt wird;
und
Fig. 12 ist ein Graph der Ausgangsleitfähigkeit (g&sub0;) auf der vertikalen Achse und der Kollektor-Emitter- Spannung (VCE) auf der horizontalen Achse für einen InGaAs-Kollektor und einen InGaAlAs-Kollektor.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die folgende Diskussion der bevorzugten Ausführungsformen, die eine InAlAs/InGaAlAs-HBT-Halbleitervorrichtung betreffen, ist nur von beispielhafter Natur, und es ist damit nicht die Absicht verbunden, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken.
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 werden eine quaternäre InGaAlAs-Kollektorschicht und eine p-Typ-Basisschicht mit abgestufter Dotierung in einem HBT vorgeschlagen, anstelle der bekannten InGaAs-Kollektorschicht, die niedrige Kollektordurchbruchspannungen aufweist, oder der bekannten InAlAs-Kollektorschicht, die als Folge der InGaAs/- InAlAs-Zwischenfläche zwischen der Basis- und der Kollektorschicht des HBTs eine unerwünschte Stromblockade zeigt. Dies löst das oben beschriebene Problem betreffend niedriger Kollektordurchbruchspannung und hoher Ausgangsleitfähigkeit, das bei bekannten InAlAs/InGaAs-HBTs im allgemeinen auftritt. Ferner kann die Halbleitervorrichtung der Erfindung eines oder mehrere aus der Gruppe mit einer Basisschicht mit abgestufter Zusammensetzung aus InGaAlAs, einem abgestuften InGaAlAs-Emitter-Basis- Übergangsbereich und einer abgestuft dotierten InGaAs-Basisschicht umfassen.
Fig. 1 zeigt eine Profilansicht eines HBTs 10. Der HBT 10 ist mit seinem Gitter an ein InP-Substrat 12 angepaßt, wobei jede Schicht mittels eines in der Fachwelt wohlverstandenen Molekularstrahlepitaxie-Wachstumprozesses aufgewachsen wird. In einem Beispiel wurde das Vorrichtungsmaterial mittels Festkörper-MBE unter Verwendung von gecracktem Arsen aufgewachsen, wobei für das n-Typ-Dotierungsmaterial Silicium verwendet wurde und für das p-Typ-Dotierungsmaterial Beryllium verwendet wurde. Selbstverständlich können andere Dotierungsmaterialien, andere Schichtdicken, andere Schichtstrukturen etc. als die unten ausgeführten bereitgestellt werden, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird. Die unterschiedlichen Schichten des HBTs 10 wurden in geeigneter Weise mittels eines anwendbaren Prozesses, der einem Fachmann klar verständlich wäre, mit einem Muster versehen und geätzt.
Auf dem Substrat 12 wird eine mit etwa 2 · 10¹&sup9; Atomen/cm³ dotierte n-Typ-In0,53Ga0,47As-Subkollektorschicht 14 bis zu einer Dicke von etwa 300 nm aufgewachsen. Wie in der Fachwelt wohlbekannt, beträgt der Anteil des As in diesen Arten von HBTs im allgemeinen 50%, und die verbleibenden Komponenten, d. h. das In, Ga und/oder Al machen die verbleibenden 50% der Zusammensetzung aus. Nachdem die anderen Schichten in geeigneter Weise in einem in der Fachwelt wohlverstandenen Prozeß geätzt wurden, wird auf der Subkollektorschicht 14 ein Paar Kollektorkontakte 16 aufgedampft und mit einem Muster versehen. Auf der Subkollektorschicht 14 wird eine abgestufte, mit etwa 1 · 10¹&sup9; Atomen/cm³ dotierte n-Typ-InGaAlAs-Kollektorschicht 18 bis zu einer Dicke von etwa 100 nm aufgewachsen. In einer Ausführungsform hat die abgestufte Schicht 18 in der Nähe der Subkollektorschicht 14 eine Zusammensetzung von In0,53Ga0,46Al0,01As und ist so abgestuft, daß sie an einer Oberfläche der abgestuften Schicht 18, die der Subkollektorschicht 14 entgegengesetzt ist, eine Zusammensetzung von In0,53Ga0,24Al0,23As hat. Auf der abgestuften Schicht 18 wird eine quaternäre, mit etwa 1 · 10¹&sup5; Atomen/cm³ dotierte n-Typ-In0,53Ga0,24Al0,23As- Kollektorschicht 20 bis zu einer Dicke von etwa 600 nm aufgewachsen. Auf der Kollektorschicht 20 wird eine abgestufte, mit etwa 9 · 10¹&sup5; Atomen/cm³ dotierte n-Typ-InGaAlAs-Kollektorschicht 22 bis zu einer Dicke von etwa 100 nm aufgewachsen. Die abgestufte Schicht 22 hat an einer Oberfläche neben der Kollektorschicht 20 eine Zusammensetzung von etwa In0,53Ga0,24Al0,23As und ist so abgestuft, daß sie an einer der Kollektorschicht 20 entgegengesetzten Oberfläche eine Zusammensetzung von In0,53Ga0,46Al0,01As hat. Die erhöhte Bandlücke der quaternären Kollektorschicht 20 führt zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit der Vorrichtung, ohne daß die Bandlücke so groß ist, daß sie eine normale Leistungsfähigkeit der Vorrichtung behindert.
Auf der abgestuften Schicht 22 wird eine mit etwa 4 · 10¹&sup9; Atomen/cm³ dotierte p-Typ-In0,53Ga0,47As-Basisschicht 24 bis zu einer Dicke von etwa 100 nm aufgewachsen. Nachdem die oberen Emitterschichten in einem vom Fachmann wohlverstandenen Prozeß abgelagert und geätzt wurden, wird auf der Basisschicht 24 ein Basiskontakt 26 aufgedampft und mit einem Muster versehen. Auf der Basisschicht 24 wird eine mit etwa 5 · 10¹&sup7; Atomen/cm³ dotierte abgestufte n-Typ-InGaAlAs-Emitter-Basis-Übergangsschicht 28 bis zu einer Dicke von etwa 45 nm aufgewachsen. Die abgestufte Schicht 28 hat an einer Zwischenfläche zwischen der abgestuften Schicht 28 und der Basisschicht 24 eine Zusammensetzung von In0,153Ga0,37Al0,10As und ist so abgestuft, daß sie an einer der Basisschicht 24 entgegengesetzten Oberfläche der abgestuften Schicht 28 eine Zusammensetzung von In0,52Ga0,01Al0,47As hat. Auf der abgestuften Schicht 28 wird eine mit etwa mit 5 · 10¹&sup7; Atomen/cm³ dotierte n-Typ-In0,52Al0,48As-Emitterschicht 30 bis zu einer Dicke von etwa 120 nm aufgewachsen. Auf der Emitterschicht 30 wird eine mit etwa 1 · 10¹&sup9; Atomen/cm³ dotierte n-Typ- In0,52Al0,48As-Emitter-Kontaktschicht 32 bis zu einer Dicke von etwa 50 nm aufgewachsen. Auf der Emitter-Kontaktschicht 32 wird eine mit etwa 2 · 10¹&sup9; Atomen/cm³ dotierte n-Typ-In0,53Ga0,47As- Emitter-Kontaktschicht 34 bis zu einer Dicke von näherungsweise 70 nm aufgewachsen. Auf der Emitter-Kontaktschicht 34 wird ein Emitterkontakt 36 abgelagert und mit einem Muster versehen. Jede der oben angegebenen Dicken ist insofern ein nicht beschränkendes Beispiel, als andere Dicken für jede Schicht innerhalb eines Betriebsfähigkeitsbereichs im Bereich der Erfindung anwendbar wären.
Fig. 2 zeigt eine Profilansicht eines HBTs 10a gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der HBT 10a ist dem HBT 10 aus Fig. 1 ähnlich, jedoch wurde die Basisschicht 24 durch eine abgestuft dotierte p-Typ-InGaAs-Basisschicht 40 ersetzt. Da die übrigen Schichten und Kontakte des HBTs 10a dieselben wie die entsprechenden Schichten und Kontakte des HBTs 10 sind, sind diese Schichten und Kontakte entsprechend bezeichnet, mit einem nachfolgenden Buchstaben "a" und werden nicht besonders besprochen. Die Basisschicht 40 wird bis zu einer Dicke von etwa 100 nm aufgewachsen und hat an einer Zwischenfläche zwischen der Basisschicht 40 und der abgestuften InGaAlAs-Kollektorschicht 22a eine Dotierungskonzentration von näherungsweise 1 · 10¹&sup9; Atomen/cm³. Die Dicke von 100 nm wird insofern als nichtbeschränkendes Beispiel angegeben, als jede die Betriebsfähigkeit gewährleistende Dicke verwendet werden kann. Die Basisschicht 40 ist derart abgestuft, daß die p-Typ-Dotierungskonzentration der Basisschicht 40 an der Zwischenfläche mit der abgestuften InGaAlAs-Emitterschicht 28a etwa 4 · 10¹&sup9; Atome/cm³ beträgt. Das abgestufte Dotierungsprofil verändert das Ferminiveau in der Basisschicht 40 derart, daß das Leitungsband von der Emitterseite der Basisschicht 40 zur Kollektorseite der Basisschicht 40 eine abfallende Neigung hat, die den Elektro nentransport durch die Basisschicht 40 unterstützt. Die abgestufte Dotierungskonzentration der p-Typ-Dotierungsatome erzeugt eine sanfte Abstufung im Leitungsband der Basis, die für eine höhere Basisübergangszeit sorgt, um so die Schaltgeschwindigkeit und -frequenz des HBTs 10a gegenüber den HBTs des Standes der Technik zu erhöhen.
Fig. 3 zeigt eine Profilansicht eines HBTs 10b. Der HBT 10b ist dem HBT 10 aus Fig. 1 gleich, außer daß die Basisschicht 24 durch eine Basisschicht 42 mit abgestufter Zusammensetzung aus InGaAlAs ersetzt wurde. Weil die übrigen Schichten und Kontakte des HBTs 10b dieselben wie die Schichten und Kontakte des HBTs 10 sind, werden diese Schichten und Kontakte nicht besonders besprochen, und sie werden durch eine der des HBTs 10 entsprechende Bezugszahl, der der Buchstabe "b" folgt, bezeichnet. In einer Ausführungsform ist es die Zusammensetzung der GaAl- Bestandteile der InGaAlAs-Basisschicht 42, die abgestuft ist, und die In- und As-Bestandteile bleiben konstant. Die Basisschicht 42 ist so abgestuft, daß die Zusammensetzung der Basisschicht 42 an einer Zwischenfläche zwischen der Basisschicht 42 und der abgestuften Kollektorschicht 22b etwa In0,53Ga0,46Al0,01As ist, und die Zusammensetzung der Basisschicht 42 ist an einer Zwischenfläche zwischen der Basisschicht 42 und der Emitter-Basis-Übergangsschicht 28b In0,53Ga0,24Al0,25As. Auf diese Weise ist die Basisschicht 42 von einer niedrigen Bandlücke an der Kollektorseite der Basisschicht 42 zu einer hohen Bandlücke an der Emitterseite der Basisschicht 42 abgestuft, so daß in der Basisschicht 42 ein eingebautes elektrisches Feld erzeugt wird, das den Elektronentransport durch die Basisschicht 42 unterstützt.
Fig. 4 zeigt eine Profilansicht einer Kombination der HBTs 10a und 10b als HBT 10c. Insbesondere wurde die abgestufte Dotierung der InGaAs-Basisschicht 40 des HBTs 10a mit der abgestuften Zusammensetzung der InGaAlAs-Basisschicht 42 des HBTs 10b kombiniert, um so eine Basisschicht 44 zu erhalten, die sowohl eine abgestufte Dotierungskonzentration als auch eine abgestufte Zusammensetzung umfaßt, mit der Dotierung und der Zusammensetzung der oben besprochenen Schichten 40 und 42. Daher ist die Basisübergangszeit der Basisschicht 44 als Folge der Änderung in der Bandlücke der Basisschicht 44 noch größer.
Fig. 5 zeigt einen Graphen des Ga-Molanteilgehalts jeder oben unter Bezug auf den HBT 10 aus Fig. 1 besprochenen Schicht. Der Ga-Molanteilgehalt ist auf der vertikalen Achse angegeben, und jede Schicht des HBTs 10 ist in Nanometern (nm) von der oberen Oberfläche der Emitterkontaktschicht 34 längs der horizontalen Achse von links nach rechts dargestellt. In dieser Anordnung stellt ein Bereich 54 die Subkollektorschicht 14 so dar, daß sie einen Ga-Molanteilgehalt von 47% hat. Ein abgestufter Bereich 56 repräsentiert die abgestufte Kollektorschicht 18, und ein Bereich 58 repräsentiert die Kollektorschicht 20. Der Bereich 56 hat einen Ga-Molanteilgehalt von etwa 47% angrenzend zum Bereich 54 und ist nach und nach so abgestuft, daß der Ga- Molanteilgehalt an einer Zwischenfläche zwischen dem Bereich 56 und dem Bereich 58 etwa 24% beträgt. Ein abgestufter Bereich 60 repräsentiert die abgestufte Kollektorschicht 22, und ein Bereich 62 repräsentiert die Basisschicht 24. Der abgestufte Bereich 60 hat an einer Zwischenfläche mit dem Bereich 58 einen Ga-Molanteilgehalt von etwa 24% und ist nach und nach so abgestuft, daß der Molanteilgehalt des Ga an der Zwischenfläche des Bereichs 60 und des Bereichs 62 etwa 47% ist. Ein abgestufter Bereich 64 repräsentiert die abgestufte Emitter-Basis-Übergangsschicht 28, und ein Bereich 66 repräsentiert die Emitterkontaktschicht 34. Der abgestufte Bereich 64 hat an einer Zwischenfläche zwischen dem Bereich 64 und dem Bereich 62 einen Ga-Molanteilgehalt von etwa 47% und ist bis auf etwa 0% Ga an einer Zwischenfläche zwischen dem Bereich 64 und einem Bereich 66, der die Emitterschicht 30 repräsentiert, abgestuft. Ein Bereich 68 stellt die Kombination der Emitterkontaktschichten 32 und 34 so dar, daß sie einen Ga-Gehalt von 48% haben.
Fig. 6 ist ein Graph, der den Al-Molanteilgehalt für jede Schicht des HBTs 10 aus Fig. 1 zeigt. Wie oben ist der Molanteilgehalt auf der vertikalen Achse gegeben, und jede Schicht des HBTs ist in Nanometern (nm) auf der vertikalen Achse repräsentiert. Ein abgestufter Bereich 72 repräsentiert die abgestufte Kollektorschicht 18, und ein Bereich 74 repräsentiert die Kollektorschicht 20. Der Aluminium-Molanteilgehalt des Bereichs 72 beträgt an einer Zwischenfläche zwischen dem abgestuften Bereich 72 und dem Bereich 74 etwa 23% und ist nach und nach auf etwa 0% Al bei einem Bereich 76 abgestuft, der die Subkollektorschicht 14 repräsentiert. Entsprechend repräsentiert ein abgestufter Bereich 78 die abgestufte Kollektorschicht 22, und ein Bereich 80 repräsentiert die Basisschicht 24. Der Aluminium-Molanteilgehalt des abgestuften Bereichs 78 beträgt an einer Zwischenfläche zwischen dem abgestuften Bereich 78 und dem Bereich 74 etwa 23% und ist nach und nach auf etwa 0% Aluminium am Bereich 80 abgestuft. Ein Bereich 82 repräsentiert den abgestuften Emitter-Basis-Übergangsbereich 28, und ein Bereich 84 repräsentiert die Emitterschicht 30. Der abgestufte Bereich 82 hat an einer Zwischenfläche zwischen dem Bereich 84 und dem abgestuften Bereich 82 einen Aluminiummolanteilgehalt von etwa 48% und ist nach und nach auf etwa 0% Aluminium an einer Zwischenfläche zwischen dem abgestuften Bereich 82 und dem Bereich 80 abgestuft.
Fig. 7 zeigt einen Graphen 52b, der den Ga-Molanteilgehalt in den Schichten des HBTs 10b aus Fig. 3 darstellt. Der Graph aus Fig. 7 ist im wesentlichen derselbe wie der Graph 52 aus Fig. 5, und daher sind gleiche Bereiche des Graphen 52b gleich bezeichnet wie die Bereiche im Graphen 52, gefolgt durch den Buchstaben "b". Der Unterschied zwischen dem Graphen 52b und dem Graphen 52 ist, daß der Bereich 62 durch einen abgestuften Bereich 88 ersetzt wurde, um die Basisschicht 42 mit abgestufter Zusammensetzung darzustellen. Der abgestufte Bereich 88 hat an einer Zwischenfläche zwischen dem abgestuften Bereich 60b und dem abgestuften Bereich 88 einen Ga-Molanteilgehalt von etwa 47% und ist so abgestuft, daß der Gehalt des Ga in dem abgestuften Bereich 84 an einer Zwischenfläche zwischen dem abgestuften Bereich 84 und dem abgestuften Bereich 64b etwa 24% ist.
Fig. 8 zeigt einen Graphen 70b des Aluminium-Molanteilgehalts des HBTs 10b aus Fig. 3. Der Graph 70b ist nahezu identisch mit dem Graphen 70 aus Fig. 6, und daher sind Bereiche des Graphen 70b, die denen des Graphen 70 gleich sind, entsprechend be zeichnet, gefolgt durch den Buchstaben "b". Der Unterschied zwischen dem Graphen 70b und dem Graphen 70 ist, daß ein neuer Bereich 90 hinzugefügt wurde, um die abgestufte Zusammensetzung der Basisschicht 42 darzustellen. Der Bereich 90 hat an einer Zwischenfläche zwischen dem Bereich 90 und dem Bereich 78b einen Aluminium-Molanteilgehalt von etwa 0% und einen Aluminium- Molanteilgehalt von etwa 25% an einer Zwischenfläche zwischen dem Bereich 90 und dem Bereich 82b.
Fig. 9 zeigt ein Bandlückendiagramm der Bandlücken der unterschiedlichen Schichten des HBTs 10a aus Fig. 2. Jede der unterschiedlichen Schichten ist durch eine gestrichelte vertikale Linie getrennt gezeigt. Die Energie zwischen dem Leitungsband (Ec) und dem Valenzband (Ev) ist für jede Schicht, die nicht eine Schicht mit abgestufter Zusammensetzung ist, in Elektronenvolt (eV) angegeben. Das Substrat 12a ist als Bandlückenbereich 92 dargestellt. Die Subkollektorschicht 14a ist als Bandlückenbereich 94 dargestellt. Die abgestufte Kollektorschicht 18a ist als Bandlückenbereich 96 dargestellt. Die Kollektorschicht 20 ist als Bandlückenbereich 98 dargestellt. Die abgestufte Kollektorschicht 22a ist als Bandlückenbereich 100 dargestellt. Die abgestuft dotierte Basisschicht 40 ist als Bandlückenbereich 102 dargestellt. Die Emitter-Basis-Übergangsschicht 28a ist als Bandlückenbereich 104 dargestellt. Die Emitterschicht 30a ist als Bandlückenbereich 106 dargestellt. Die Emitterkontaktschicht 32a ist als Bandlückenbereich 108 dargestellt. Und die Emitterkontaktschicht 34a ist als Bandlückenbereich 110 dargestellt.
Fig. 10 zeigt ein Bandlückendiagramm der Bandlücken der unterschiedlichen Schichten des HBTs 10b aus Fig. 3. Die Basisschicht 42 mit abgestufter Zusammensetzung ist durch einen Bandlückenbereich 114 dargestellt. Die anderen Bandlückenbereiche der Fig. 10 sind dieselben wie die Bandlückenbereiche aus Fig. 9, und daher werden Bandlückenbereiche, die den Bandlückenbereichen aus Fig. 9 gleich sind, durch dieselbe Bezugszahl bezeichnet, gefolgt durch den Buchstaben "a". Wie jedoch ersichtlich, beträgt das Bandlückenenergieniveau des Bandlückenbereichs 114 angrenzend an den Bandlückenbereich 104a 0,85 eV und sinkt nach und nach auf ein Bandlückenenergieniveau von 0,76 eV an einer Zwischenfläche zwischen dem Bandlückenbereich 114 und dem Bandlückenbereich 100a. Es ist der graduelle Anstieg im Bandlückenenergieniveau über den Bandlückenbereich 114 hinweg, der ein eingebautes elektrisches Feld erzeugt, das einen Anstieg in der Basisübergangszeit des Elektrons im HBT 10b ermöglicht.
Die Fig. 11(a) und 11(b) zeigen den Kollektorstrom IC auf der vertikalen Achse und die Kollektor-Emitter-Spannung VCE auf der horizontalen Achse, und sie stellen die Durchbruchspannung VBE für einen InGaAs-Kollektor-HBT des Standes der Technik bzw. einen InGaAlAs-Kollektor-HBT für einen HBT gemäß der vorliegenden Erfindung dar, für einen HBT mit einem Emitter von 3 · 10 um². Wie ersichtlich, hat der HBT des Standes der Technik in Fig. 11(a) eine Durchbruchspannung von näherungsweise 10 V. Der in Fig. 11(b) gezeigte HBT der vorliegenden Erfindung hat eine Durchbruchspannung von etwa 16 V.
Fig. 12 zeigt einen Graphen der Ausgangsleitfähigkeit g&sub0; auf der vertikalen Achse und die Kollektor-Emitter-Spannung VCE auf der horizontalen Achse, wodurch die Ausgangsleitfähigkeit eines HBTs des Standes der Technik mit einem InGa/InGaAs-Kollektor und eines HBTs der vorliegenden Erfindung mit einem InGaAlAs- Kollektor dargestellt wird. Wie ersichtlich, ist die Ausgangsleitfähigkeit g&sub0; im Gegensatz zum HBT des Standes der Technik beim HBT der vorliegenden Erfindung bedeutend niedriger.
Die vorangegangene Diskussion offenbart und beschreibt nur beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Claims

1. Halbleitervorrichtung, mit:

einem Substrat;

einer auf dem Substrat angeordneten InGaAlAs- Kollektorschicht; und

einer Basisschicht, die auf der Kollektorschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß:

die Basisschicht ein abgestuftes p-Typ-Dotierungsprofil aufweist, das eine erste Dotierungskonzentration an einer Oberfläche der der Kollektorschicht am nächsten liegenden Basisschicht und eine zweite Dotierungskonzentration an einer Oberfläche der einer Emitterschicht naheliegenden Basisschicht hat, wobei das Dotierungsprofil der Basisschicht so abgestuft ist, daß die erste Dotierungskonzentration kleiner als die zweite Dotierungskonzentration ist.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Basisschicht eine InGaAs-Basisschicht ist.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Basisschicht eine InGaAlAs-Basisschicht ist.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, bei der die In- GaAlAs-Basisschicht eine so abgestufte Zusammensetzung hat, daß die Konzentration von Ga am nächsten an der Kollektorschicht die höchste ist und die Konzentration von Ga am nächsten an der Emitterschicht die niedrigste ist und die Konzentration von Al am nächsten an der Kollektorschicht die niedrigste ist und die Konzentration von Al am nächsten an der Emitterschicht die höchste ist.

5. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend:

eine abgestufte InGaAlAs-Emitter-Basis-Übergangsschicht, die auf der Basisschicht angeordnet ist; und

eine auf der Emitter-Basis-Übergangsschicht angeordnete Emitterschicht, wobei die abgestufte Übergangsschicht eine so abgestufte Zusammensetzung hat, daß sie an einer der Basisschicht benachbarten Oberfläche im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie die Basisschicht hat und an einer der Emitterschicht benachbarten Oberfläche im wesentlichen dieselbe Zusammensetzung wie die Emitterschicht hat.

6. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kollektorschicht eine im wesentlichen konstante Zusammensetzung von InGaAlAs hat.

7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, ferner umfassend eine erste abgestufte InGaAlAs-Schicht, die zwischen der Kollektorschicht und dem Substrat angeordnet ist, und eine zweite abgestufte InGaAlAs-Schicht, die zwischen der Kollektorschicht und der Basisschicht angeordnet ist, wobei die erste und zweite abgestufte Schicht so abgestuftes Aluminium umfassen, daß die Konzentration von Aluminium in der ersten abgestuften Schicht an einer Oberfläche der ersten abgestuften Schicht gegenüber der Kollektorschicht im wesentlichen Null ist und die Konzentration von Aluminium in der ersten abgestuften Schicht an einer Oberfläche der ersten abgestuften Schicht, die der Kollektorschicht benachbart ist, im wesentlichen dieselbe ist wie die Konzentration von Aluminium in der Kollektorschicht, und wobei die Konzentration von Aluminium in der zweiten abgestuften Schicht an einer Oberfläche der zweiten abgestuften Schicht benachbart zu der Basisschicht im wesentlichen Null ist und die Konzentration von Aluminium in der zweiten abgestuften Schicht an einer Oberfläche der zweiten abgestuften Schicht, die der Kollektorschicht benachbart ist, im wesentlichen dieselbe wie die Konzentration von Aluminium in der Kollektorschicht ist.

8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Kollektorschicht näherungsweise 600 nm dick ist und eine n-Typ- Dotierung von näherungsweise 9 · 10¹&sup5; Atomen/cm³ hat und die erste und zweite abgestufte Schicht näherungsweise 100 nm dick sind und eine n-Typ-Dotierung von näherungsweise 1 · 10¹&sup9; Atomen/cm³ haben.

9. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die erste Dotierungskonzentration näherungsweise 1 · 10¹&sup9; Atome/cm³ ist und die zweite Dotierungskonzentration näherungsweise 4 · 10¹&sup9; Atome/cm³ ist.

10. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3 oder 5, bei der die Basisschicht eine abgestufte zusammengesetzte InGaAlAs- Basisschicht ist derart, daß die Zusammensetzung der Basisschicht an einer Zwischenfläche zwischen der Basisschicht und der Emitter-Basis-Übergangsschicht im wesentlichen dieselbe wie die der Emitter-Basis-Übergangsschicht ist, und daß die Zusammensetzung der Basisschicht an einer Zwischenfläche zwischen der Basisschicht und der Kollektorschicht im wesentlichen dieselbe wie die der Kollektorschicht ist.

11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Emitterschicht eine InAlAs-Emitterschicht ist.

12. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Substrat ein InP-Substrat ist.

13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Emitter-Basis-Übergangsschicht eine n-Typ-Dotierungskonzentration von näherungsweise 5 · 10¹&sup7; Atomen/cm³ und eine Dicke von näherungsweise 45 nm hat.