Биполярный транзистор на основе гетероэпитаксильных структур
Настоящая полезная модель относится к области полупроводниковой микроэлектроники. Биполярный транзистор, выполненный на основе гетероэпитаксиальных структур SiGe, включает подложку из высокоомного кремния с кристаллографической ориентацией (111), буферный слой из нелегированного кремния, субколлекторный слой сильнолегированного кремния n-типа проводимости, поверх которого сформирован коллектор из кремния n-типа проводимости, тонкая база из SiGe р-типа проводимости, эмиттер из кремния n-типа проводимости, контактные слои на основе кремния n-типа проводимости и омические контакты. При этом биполярный транзистор в области базы выполнен с обеспечением двойного ускоряющего дрейфового поля за счет плавного изменения содержания Ge вдоль базы с уменьшением его содержания от области коллектора к области эмиттера и за счет плавного изменения концентрации легирующей примеси вдоль базы с увеличением ее от области коллектора к области эмиттера. Технический результат заключается в том, что настоящее устройство имеет высокие граничные частоты, низкий коэффициент шума, высокий коэффициент усиления и КПД. 1 илл.
Настоящая полезная модель относится к области полупроводниковой микроэлектроники, а именно к конструкции биполярных транзисторов, которые могут быть использованы при создании СВЧ элементной базы.
Основными требованиями, предъявляемыми к СВЧ полупроводниковой электронике в настоящее время и в ближайшем будущем, являются увеличение уровня излучаемой СВЧ мощности и увеличение функциональных возможностей при уменьшении габаритов и снижении потребляемой мощности.
Из уровня техники известен биполярный транзистор, который содержит эмиттер, базу, состоящую из сильнолегированной и слаболегированной областей, и коллектор, состоящий из сильно- и слаболегированной областей (см. патент Великобритании 
1523012, опубл. 31.08.1978).
Недостатком известного устройства являются высокое значение коэффициента шума и низкие значения граничной частоты.
Кроме того, известно полупроводниковое устройство, содержащее по крайней мере три области полупроводника чередующегося типа проводимости, образующие два р-n-перехода. При этом первая область полупроводника выполнена из двух зон различной концентрации, образующих L-H-переход. Причем зона, прилегающая к р-n-переходу, имеет меньшую концентрацию примеси, чем вторая, и разность концентраций обеспечивает встроенное поле в первой области, уравновешивающее диффузионный ток неосновных носителей тока, инжектируемых в нее из первого р-n-перехода, а толщина первой области меньше диффузионной длины неосновных носителей в ней (см. А.С. СССР 640686, опубл. 30.12.1978).
Недостатком такого устройства является достаточно высокий уровень шума и низкая производительность устройства, обусловленная преобладанием рекомбинационных токов.
Задачей настоящей полезной модели является устранение вышеперечисленных недостатков.
Технический результат заключается в том, что настоящее устройство имеет высокие граничные частоты, низкий коэффициент шума, высокий коэффициент усиления и КПД.
Технический результат обеспечивается тем, что биполярный транзистор, выполненный на основе гетероэпитаксиальных структур SiGe, включает подложку из высокоомного кремния с кристаллографической ориентацией (111), буферный слой из нелегированного кремния, субколлекторный слой сильнолегированного кремния n-типа проводимости, поверх которого сформирован коллектор из кремния n-типа проводимости, тонкая база из SiGe р-типа проводимости, эмиттер из кремния n-типа проводимости, контактные слои на основе кремния n-типа проводимости и омические контакты. При этом биполярный транзистор в области базы выполнен с обеспечением двойного ускоряющего дрейфового поля за счет плавного изменения содержания Ge вдоль базы с уменьшением его содержания от области коллектора к области эмиттера и за счет плавного изменения концентрации легирующей примеси вдоль базы с увеличением ее от области коллектора к области эмиттера.
Настоящая полезная модель поясняется иллюстрацией, на которой отображен поперечный разрез эмиттерных полосок двухэмиттерной ячейки.
Настоящее устройство имеет следующие конструктивные элементы:
1 - подложка;
2 - буферный слой;
3 - низкоомный коллектор;
4 - высокоомный коллектор;
5 - база;
6 - первый слой эмиттера;
7 - второй слой эмиттера;
8 - контактные слои;
9 - омические контакты к эмиттеру и коллектору;
10 - омический контакт к базе.
Настоящая полезная модель изготавливается следующим образом.
На подложке (фиг.1.) из высокоомного кремния 1 с кристаллографиической ориентацией (111) (толщина слоя 450 мкм), методом, например, молекулярно пучковой эпитаксии, в стандартном режиме наращивают буферный слой 2 из нелегированного кремния (толщина слоя 200 нм), поверх буферного слоя последовательно наращивают низкоомный коллектор (субколлекторный слой) 3 n - кремния (толщина слоя 600 нм) с концентрацией примеси 3*10 18 см-3, легированного фосфором (для снижения сопротивления омического контакта коллектора), высокоомный коллектор 4 из n-кремния (толщина слоя 700 нм) с концентрацией примеси 2*1016 см-3, легированного фосфором (для снижения коллекторной емкости и исключения прокола базовой области). Затем способом МПЭ наращивают тонкую базу 5 из SiGe. содержание германия в области базы прилегающем к коллекторной области 4 составляет 20% и плавно уменьшаясь, достигает 10% прилегающем к области первого слоя эмиттера 6. Содержание примеси (например бора) в области базы 5, прилегающей к коллектору 4, достигает уровня 0,6-0,7*1019 см-3 и плавно увеличиваясь достигает уровня 2*1019 см-3 в области, прилегающей к первому слою эмиттера 6. Выращенные поверх базы первый слой эмиттера 6 из кремния толщиной 20 нм и второй слой эмиттера 7 толщиной 80 нм, легированы, например фосфором. Концентрация примеси плавно увеличивается от 5*1017 см-3 в области, прилегающей к базе до значения 7*1017 см-3 в области, прилегающей к нанесенным поверх эмиттера контактным слоям 8. При этом контактные слои 8 выполнены из кремния n-типа проводимости и легированы фосфором. Их наращивают для уменьшения переходного сопротивления омических контактов 9, 10. Омические контакты 9 к эмиттеру 7 и к коллектору 4 создают методом «взрыва» (Ti/TiW/Au) с последующим скоростным высокотемпературным отжигом. Омический контакт 10 к базе (NiAu) изготавливают с помощью технологий фотолитографии и вакуумного напыления металлов.
Кристалл транзистора, полученный после утонения, полировки и алмазного скрайбирования пластины вмонтируют в металло-керамический корпус, содержащий, поликоровые платы и дискретные однослойные конденсаторы, обеспечивающие внутрикорпусное согласование.
Конструкция настоящего устройства позволяет реализовать высокую предельную частоту, высокую эффективность эмиттера, снизить время пролета неосновных носителей и, при этом сохранить уровень легирования активной базы превосходящим уровень легирования эмиттера.
Также настоящее устройство имеет следующие преимущества.
За счет плавного изменения содержания германия и концентрации легирующей примеси в базе транзистора возникает удвоенное ускоряющее дрейфовое поле для неосновных носителей, что резко снижает пролетное время носителей. При этом повышается предельная частота и эффективность эмиттера.
За счет высокого уровня легирования сопротивление базы уменьшено. Это также обеспечивает возможность уменьшения ширины базы для снижения пролетного времени.
За счет относительно низкого уровня легирования эмиттера существенно снизился значение емкости эмиттера.
Значение емкости коллектор-база снижено за счет радиационной компенсации проводимости пассивной области базы.
Выявлена перспективность эффекта баллистического переноса носителей в базе и коллекторном переходе, определяемые конструкцией гетероперехода и структурной эпитаксиальной пленки.
Перечисленные факторы в действующих образцах ГБТ позволили достичь преимущества в сравнении с аналогами, а также в сравнении с наиболее прогрессивными и сложными конструкциями биполярных транзисторов на кремнии, а также полевыми транзисторами (FET), в том числе НЕМТ конструкции.
Наличие удвоенного ускоряющего дрейфового поля для неосновных носителей в базе, высокая эффективность эмиттера (задающая уровень начального низкочастотного усиления), наличие тонкой базы, реализация режима баллистического переноса, а также малые значения СЭ и постоянной КБСК определили высокое быстродействие и предельную частоту ГБТ на основе SiGe. Опытные образцы транзисторов показали возможность достигать значения граничных частот fT, fmax до 100-200 ГГц. Для достижения таких параметров (там, где это возможно) традиционные конструкции усилительных приборов должны иметь размеры элементов порядка 1 мкм и даже меньше.
Высокий уровень легирования базы уменьшает модуляцию ширины базы в зависимости от режима, снижает значение выходной проводимости, улучшает линейность. Отмечается низкий уровень интермодуляционных искажений. По этой причине, а также из других конструктивных соображений в ГБТ может быть реализован более эффективный режим работы в диапазоне повышенных плотностей тока и большой выходной мощности (в 2-4 раза большей, чем в псевдоморфных НЕМТ, на 60 ГГц). Большее значение рабочих токов, а также то обстоятельство, что ГБТ имеют экспоненциальную зависимость выходного тока от управляющего напряжения позволяют получить в 10-100 раз более высокое значение крутизны по сравнению с FET. Для ГБТ характерны низкие 1/f и рекомбинационные шумы, а также повышенная радиационная стойкость.
Биполярный транзистор, выполненный на основе гетероэпитаксильных структур SiGe, включающий подложку из высокоомного кремния с кристаллографической ориентацией (111), буферный слой из нелегированного кремния, субколлекторный слой сильнолегированного кремния n-типа проводимости, поверх которого сформирован коллектор из кремния n-типа проводимости, тонкая база из SiGe р-типа проводимости, эмиттер из кремния n-типа проводимости, контактные слои на основе кремния n-типа проводимости и омические контакты, при этом биполярный транзистор в области базы выполнен с обеспечением двойного ускоряющего дрейфового поля за счет плавного изменения содержания Ge вдоль базы с уменьшением его содержания от области, прилегающей к коллектору, к области, прилегающей к эмиттеру, и за счет плавного изменения концентрации легирующей примеси вдоль базы с увеличением ее от области, прилегающей к коллектору, к области, прилегающей к эмиттеру.
