异质接面双极晶体管的制作方法

本发明涉及一种异质接面双极晶体管，特别是由磊晶生长于一砷化镓基板上的化合物半导体层所成于的一种伪晶型异质接面双极晶体管形。

背景技术：

异质接面双极晶体管(heterojunction bipolar transistor，以下缩写为HBT)是一种使用不同半导体材料以在发射极和基极之间形成一异质接面的双极晶体管(bipolar junction transistor，BJT)。HBT的优点是高电流增益和低基极阻抗。此外，以化合物半导体层磊晶生长于一砷化镓基板上所制作的HBT(以下缩写为GaAs HBT)，因为这些半导体层本身的材料特性而具有高电子迁移率，这在高频应用上是一种很大的优势。例如，GaAs HBT通常用于移动电话、WiFi终端机及其基地台中如射频(RF)功率放大器和其他单晶微波集成电路(monolithic microwave integrated circuits，MMICs)。通过使用应变(拟晶)的半导体层或具有渐变成分的半导体层对基极、发射极及/或集电极进行能隙工程能有效改进GaAs HBT的性能。从而降低HBT的导电电子过渡时间，使得高频性能例如高电流增益截止频率(以下以fT表示)和最大振荡频率(以下以fmax表示)能获得改进。

双异质接面双极晶体管(double HBT，以下缩写为DHBT)是另一种类型的HBT，其中发射极和集电极两者的能隙皆比基极宽。已知的是一个形成于一砷化镓基板上的InGaP/GaAs/AlGaAs DHBT能在横跨集电极和发射极电压(VCE)的低压降和高集电极电流(Ic)的偏压区域(即膝点区域)降低基极–集电极电容Cbc。Cbc的降低导致在功率放大器中的高线 性度，例如WiFi信号调制的低误差向量幅度(error vector magnitude，EVM)(参照13th GAAS Symposium,Paris,2005,pp.205-208)。这解释了Cbc的降低可归因于电洞被在基极–集电极接面处的价带差阻挡。因为集电极的能隙大于基极的能隙，在DHBT中的基极–集电极接面处有一个价带差，其能阻挡电洞扩散到集电极，并因此降低扩散电容。然而，InGaP/GaAs/AlGaA DHBT的fT和fmax分别是30GHz和57GHz，小于典型的GaAs HBT的fT和fmax，即，在fT中为超过40GHz而在fmax中为超过100GHz。HBT的fT和fmax是与用于形成基极的材料中的电子迁移率以及用于形成集电极的材料中的饱和电子速度相关。为了提高DHBT的运作速度，不可缺少的是使用具有更高电子迁移率的材料来形成基极以及使用具有更高饱和电子速度的材料来形成集电极。

技术实现要素：

如上所述，InGaP/GaAs/AlGaA DHBT能降低在I-V曲线膝点区域的Cbc，这使得HBT的线性度被提高。一GaAs HBT包括一拟晶型基极层，例如InGaAs和GaAsSb，即使在集电极材料是GaAs的条件下也能形成一类似DHBT的结构，因为这些材料的能隙小于GaAs的能隙。因为GaAs的电子饱和速度高于AlGaAs的电子饱和速度，所以能通过使用一个拟晶基极层和一GaAs集电极层同时提高高频性能和线性度两者。特别是，包括一拟晶InGaAs基极层的GaAs HBT能因为InGaAs的较高的电子迁移率而实质上改善高频性能。因此，为了获得一个具有改进的线性度的高速GaAs HBT，本发明提出使用拟晶层来形成基极层。在使用一拟晶基极层例如InGaAs的GaAs HBT(以下称为拟晶GaAs HBT)中，铟含量和基极层的厚度必须被优化，使得基极层的厚度小于一给定的铟含量的临界厚。随着铟含量的增加，InGaAs的体晶格常数也会增大。在此，术语“体晶格常数”是指当材料在块体形态时的固有晶格常数，也就是非应变形态。对于InGaAs在一GaAs基板上拟晶生长的临界厚度是由两种材料之间在体晶格 常数的差异来决定，这种差异也被称为晶格失配，且其为InGaAs的铟含量的一个函数。基极层的厚度必须小于临界厚度，(1)以尽可能避免在半导体层的生长过程中因为基极层和GaAs基板之间的晶格失配而形成失配位错；(2)以防止失配位错在组件的长时间工作中增殖。

尽管有高频操作和高线性度的潜在优势，只要使用InGaAs作为基极仍然难以降低Vce的偏移(以下简称为Vceoff)。Vceoff是指在Ic-Vce特性图中导通组件的偏移电压，即Ic为零时的Vce，如图15所示。当组件被用作功率放大器时，通常希望能有较小的Vceoff。如图15所示，当Vceoff较小时，在电流–电压平面上可用于放大器操作的负载线的区域也较宽。而线性度、最大输出功率和功率附加效率也可以被改善。与正常的HBT比较时，通常假设DHBT会导致较小的Vceoff。然而，本案发明人发现在使用InGaP作为发射极材料的GaAs HBT中使用InGaAs作为基极材料实际上会使Vceoff增加。图6D显示Vceoff的二维仿真结果。在传统的包括晶格匹配的InGaP作为发射极和GaAs作为基极的GaAs HBT，Vceoff为197mV。然而，如果使用InGaAs基极，Vceoff对的10％和12％的铟含量分别增加至223mV和228mV。这是因为加在基极层中的InGaAs改变了在发射极–基极接面处和集电极–基极接面处的顺向接面电子流之间的平衡点。图16显示了使用GaAs基极(实线)和InGaAs基极(虚线)的传导能带边缘(conduction band edge，ECBM)的变化。粗箭头绘示了穿过发射极–基极接面和集电极–基极接面的顺向接面电子流。顺向接面电子流是由对传导电子的能障来决定。在发射极–基极接面处，能障是由InGaP发射极的传导能带边缘来决定，对GaAs基极和InGaAs基极亦同。然而，在集电极–基极接面处，所述传导能带边缘能通过用于InGaAs基极的成分渐变的InGaAs层而平滑地相连。其结果是，对顺向接面电子流的能障被降低，而在顺向接面电子流中的不平衡因为InGaAs基极而增加。因此，使得Vceoff变大。

本发明的第一个目的是提出一种GaAs HBT，其包括一具有一种设计来降低或消除失配位错的渐变成分的拟晶基极层，以降低基极–集电极电容Cbc，同时增加DC电流增益，从而大幅改善所述HBT的DC和RF性能。

本发明的第二个目的是提出一种GaAs HBT，其包括一具有一种设计来降低偏移电压Vceoff的成分变化的拟晶基极层。

本发明的第三个目的是提出一种GaAs HBT，其包括一拟晶于GaAs的基极层，其体晶格常数大于GaAs的体晶格常数，以及一拟晶于GaAs的发射极层，其体晶格常数小于GaAs的体晶格常数。然后HBT结构上的力学不稳定性可以被降低。因此能避免失配位错在组件的长时间工作中形成或增殖。

为达上述第一目的，本发明提供一种HBT，其包括磊晶生长于一GaAs基板上的多个层半导体层，所述多个层半导体层在所述GaAs基板上形成一集电极、在所述集电极上形成一基极以及在所述基极上形成一发射极，其中所述基极包括：一第一基极层，包括一铟含量i为0<i<1的砷化镓铟IniGa1-iAs，所述铟含量i为均匀分布或以一第一斜率s1从一发射极端到一集电极端变化，当所述铟含量i从所述发射极端到所述集电极端为增加时，所述第一斜率s1被定义为正值；以及一第二基极层，位于所述第一基极层与所述发射极之间，并包括一铟含量j为0<j<1的InjGa1-jAs，所述铟含量j以一第二斜率s2从所述发射极端到所述集电极端变化，当所述铟含量j从所述发射极端到所述集电极端为增加时，所述第二斜率s2被定义为正值；其中所述铟含量i的一平均值大于所述铟含量j的一平均值，所述第二斜率s2的一平均值为正值，且所述第一斜率s1的平均值为所述第二斜率s2的平均值的一半或更小。

于实施时，所述铟含量i为一常数。

于实施时，所述第一基极层的铟含量i介于0.03和0.2之间。

为达上述第二目的，本发明提供一种异质接面双极晶体管(HBT)，其包括磊晶生长于一GaAs基板上的多个层半导体层，所述多个层半导体层在所述GaAs基板上形成一集电极、在所述集电极上形成一基极以及在所述基极上形成一发射极，其中所述基极包括：一第三基极层，包括一铟含量m为0<m<1的InmGa1-mAs；以及一第四基极层，位于所述第三基极层与所述发射极之间，并包括一铟含量n为0<n<1的InnGa1-nAs；其中所述第四基极层的铟含量n的一平均值大于在所述第三基极层内靠近所述第四基极层处的所述第三基极层的铟含量m。

于实施时，所述第四基极层的铟含量n从一第三基极层端到一发射极端为增加。

于实施时，所述第三基极层的铟含量m为介于0.03和0.2之间。

于实施时，所述发射极还包括一与砷化镓晶格匹配的第一射极层，以及一介于所述第四基极层和所述第一射极层的第二射极层，其中所述第二射极层包括一铟含量v为介于0.53和0.8之间的InvGa1-vAs。

为达上述第三目的，本发明提供一种异质接面双极晶体管(HBT)，其包括磊晶生长于一GaAs基板上的多个层半导体层，所述多个层半导体层在所述GaAs基板上形成一集电极、在所述集电极上形成一基极以及在所述基极上形成一发射极，其中所述基极包括一第五基极层，其拟晶于GaAs上并具有一至少比GaAs的体晶格常数大0.15％的第一体晶格常数；以及所述发射极包括一第三射极层，其拟晶于GaAs上并具有一至少比GaAs的体晶格常数小0.15％的第二体晶格常数。

于实施时，所述第三射极层是由一铟含量x和一磷含量y皆介于0和1之间的磷砷化镓铟InxGa1-xAs1-yPy构成，且所述铟含量x和所述磷含量y的组合满足所述第三射极层的体晶格常数至少比GaAs的体晶格常数小0.15％的条件。

于实施时，所述第三射极层是由一铟含量x介于0.1和0.44之间的磷化镓铟InxGa1-xP构成。

于实施时，所述第三射极层是由一铟含量x介于0.1和0.44之间的InxGa1-xP构成，所述发射极在所述第五基极层和所述第三射极层之间还包括一第四射极层，且所述第四射极层由一铟含量z介于0.53和0.8之间的InzGa1-zP构成。

于实施时，所述第三射极层是由一磷含量y介于0.03和0.5之间的磷砷化镓GaAs1-yPy构成。

于实施时，所述第五基极层是由一铟含量o和一锑含量p皆介于0和1之间的锑砷化镓铟InoGa1-oAs1-pSbp构成，且所述铟含量o和所述锑含量p的组合满足所述第五基极层的体晶格常数至少比GaAs体晶格常数大0.15％的条件。

于实施时，所述第五基极层是由一铟含量o介于0.03和0.2之间的InoGa1-oAs构成。

于实施时，所述第五基极层是由一铟含量o介于0.03和0.2之间的InoGa1-oAs构成，而所述基极在所述第五基极层和所述第三射极层之间还包括一第六基极层，且所述第六基极层由具有一铟含量q的InqGa1-qAs构成，所述铟含量q的一平均值大于在所述第五基极层内靠近所述第六基极层处的所述第五基极层的铟含量o。

于实施时，所述铟含量q从一第五基极层端到一发射极端为增加。

于实施时，所述第五基极层是由一锑含量p介于0.03和0.2之间的锑砷化镓GaAs1-pSbp构成。

为对于本发明的特点与作用能有更深入的了解，下面通过实施例配合图式详述于后。

附图说明

图1图为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的剖视图；

图2A和图2B分别显示在图1所示的GaAs HBT的两个实施例中的基极层沿着半导体层堆栈方向的铟含量分布；

图3A为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的剖视图；

图3B显示在图3A所示的GaAs HBT的一个实施例中沿着半导体层堆栈方向的铟含量分布；

图3C显示Cbc的二维组件仿真结果，以图3A所示的GaAs HBT的第二基极层的厚度tgrad-的函数绘示；

图4A为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的图表；

图4B显示Cbc的测量结果，以示于图4A的GaAs HBT(圆形)和一基极材料为GaAs的传统GaAs HBT(三角形)的电流Ic的函数绘示；

图4C显示功率附加效率(PAE)的测量结果，以示于图4A的GaAs HBT(实线)和一基极材料为GaAs的GaAs HBT(虚线)的输出功率(Pout)的函数绘示；

图4D显示示于图4A的GaAs HBT(实线)和基极材料为GaAs的GaAs HBT(虚线)使用一WiFi IEEE 802.11a调变所测得的误差向量幅度(EVM)；

图5A为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的剖视图；

图5B、图5C和图5D图分别显示在图5A所示的GaAs HBT的三个实施例中的基极层沿着半导体层堆栈方向的铟含量分布；

图6A为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的剖视图；

图6B显示在图6A所示的GaAs HBT的一个实施例中的第三和第四基极层沿着半导体层堆栈方向的铟含量分布；

图6C显示在图6A所示的GaAs HBT的一个实施例中的第一和第二射极层沿着半导体层堆栈方向的铟含量分布；

图6D显示五种传统GaAs HBT和本发明的两个实施例的Vceoff的二维组件仿真结果。

图7A为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的图表；

图7B显示集电极电流Ic的测量结果，以示于图7A的GaAs HBT(实线)和一基极材料为GaAs的GaAs HBT(虚线)的电流Vce的函数绘示；

图7C显示Cbc的测量结果，以示于图7A的GaAs HBT(圆形)和一基极材料为GaAs的GaAs HBT(三角形)的电流Ic-的函数绘示；

图7D显示PAE的测量结果，以示于图7A的GaAs HBT(圆形)和一基极材料为GaAs的GaAs HBT(三角形)的Pout的函数绘示；

图8为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的剖视图；

图9A为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的剖视图；

图9B显示在图9A所示的GaAs HBT的一个实施例中，第三射极层沿着半导体层堆栈方向的铟含量分布及其产生的传导能带边缘ECBM的变化图；

图10A为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的剖视图；

图10B显示在图10A所示的GaAs HBT的一个实施例中，第三射极层沿着半导体层堆栈方向的铟含量分布及其产生的ECBM的变化图；

图11A为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的剖视图；

图11B显示在图11A所示的GaAs HBT的一个实施例中，第三射极层 沿着半导体层堆栈方向的铟含量分布及其产生的ECBM的变化图；

图12A为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的剖视图；

图12B显示在图12A所示的GaAs HBT的一个实施例中，第三和第四射极层沿着半导体层堆栈方向的铟含量分布；

图13A为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的图表；

图13B和图13C为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的实施例的图表；

图13D、图13E和图13F分别显示示于图13A、图13B和图13C中的GaAs HBT的高温操作寿命(HTOL)的测试结果。

图14A为根据本发明所提供的一种GaAs HBT的一个实施例的图表；

图14B为一传统InGaAs基极拟晶型GaAs HBT的图表；

图14C显示示于图14A中的GaAs HBT的HTOL的测试结果；

图14D显示示于图14B中的传统GaAs HBT的HTOL的测试结果；

图14E显示Cbc的测量结果，以示于图14A的GaAs HBT(圆形)和一基极材料为GaAs的GaAs HBT(三角形)的电流Ic的函数绘示。

图15为显示Vce的偏移电压(Vceoff)的集电极电流(Ic)和发射极电压(VCE)特性图，并绘示当组件做为一RF功率放大器操作时的负载线；

图16绘示了具有GaAs基极的传统GaAs HBT和具有InGaAs基极的传统拟晶型GaAs HBT的传导能带边缘的变化。粗箭头绘示了顺向接面电子流。

附图标记说明：100-GaAs HBT；110-GaAs基板；120-子集电极；130-集电极；131、132-集电极层；140-基极；141-第一基极层；142-第二基极层；150-发射极；151-InGaAs接触层；152-GaAs层；153-InGaP层；200-GaAs HBT；210-GaAs基板；220-子集电极；230-集电极；231、232-集电极层；240-基极；241-第三基极层；242-第四基极层；250-发射极；251-InGaAs接触层；252-GaAs层；253-第一射极层；254-第二射极层；300-GaAs HBT；310-GaAs基板；320-子集电极；330-集电极；340-基极；341-第五基极层；350-发射极；351-第三射极层；352-第四射极层；360-平面n型掺杂；i、j、n、m、o、q、v、x、z-铟含量；s1-第一斜率；s2-第二斜率。

具体实施方式

本发明所提供的多个实施例将参照图式详述如下。

图1显示本发明所提供的一种GaAs异质接面双极晶体管(HBT)100的一个实施例。GaAs HBT 100包括一GaAs基板110和磊晶生长于GaAs基板110上的多个层半导体层。所述多个层半导体层在GaAs基板110上依序形成一子集电极120、一集电极130、一基极140和一发射极150，其中基极140包括一第一基极层141和一第二基极层142。第一基极层141形成于集电极130上，第二基极层142则形成于第一基极层141与发射极150之间。

第一基极层141包括一铟含量i为0<i<1的IniGa1-iAs，第二基极层142包括一铟含量j为0<j<1的InjGa1-jAs。在第一基极层141的铟含量i是均匀分布或以一第一斜率s1从一发射极端到一集电极端变化，在第二基极层142的铟含量j是以一第二斜率s2从发射极端到集电极端变化。在此，当铟含量从发射极端到集电极端为增加时，定义第一斜率s1和第二斜率s2为正值。在本发明中，第二基极层142被设计为具有一平均为正值的第二斜率s2，另一方面，第一基极层141被设计为具有比第二基极层142 高的平均铟含量和比第二基极层142小的正值铟含量变化梯度。在本发明的一个较佳的实施例中，第一斜率s1的平均值为第二斜率s2的平均值的一半或更小。在一个极端的例子中，铟含量i为一常数。在另一个极端的例子中，第一斜率s1为甚至可以稍微偏向负值。在一些施例中，在第一基极层141的铟含量i是介于0.03和0.2之间。如图1所示，y轴方向定义为从发射极端沿着多个层半导体层的堆栈方向指向集电极端。

图2A和图2B显示铟含量i和j沿y轴的分布变化的两个实施例。在图2A的实施例中，第二斜率s2的平均值为正值，第一斜率s1的平均值为第二斜率s2的平均值的一半或更小。图2B显示一极端的实施例，其中只有第二基极层142的铟含量分布具有变化梯度，在第一基极层141的铟含量i则是均匀分布，表示第一斜率s1的平均值为0。相较于整个基极如上述第一基极层是由具有均匀铟含量分布的单一InGaAs层构成的情况，本发明所提供的基极140的总铟含量较低。所产生的结果为降低或甚至消除晶体的失配差排。因为基极层的总厚度未改变，基极薄层电阻值也不会改变。此外，由在第二基极层142的第二斜率s2施加的内建漂移电场避免电子电洞在发射极/基极接面处的再结合，因此有助于提升电流增益。另一方面，具有高铟含量的第一基极层141能降低基极集电极间电容Cbc，这是因为扩散电容降低，如在InGaP/GaAs/AlGaAs DHBT的研究中的提议，及/或因为基极起始电压Vbe下降而造成的空乏电容降低。因此使组件射频(RF)性能受到改善。

图3A显示本发明所提供的另一种GaAs HBT 100的一个实施例，其中发射极150是由一InGaAs接触层151、一GaAs层152和一铟含量为0.48的晶格匹配的InGaP层153。0.48或0.49皆被认为是能使晶格常数与GaAs匹配的铟含量。在本发明中，0.48被认作是能使InGaP与GaAs晶格匹配的铟含量。InGaP层151的厚度和掺杂浓度分别是40nm和2×1017cm-3。第二基极层142的厚度tgrad可以变化，而基极层的总厚度则固定为70nm。 如图3B所示，在第二基极层142中的铟含量从0线性递增到0.1，并在第一基极层141中固定为0.1。在基极/集电极接面处有一薄的InGaAs集电极层131，其铟含量从在基极端的0.1递减为在集电极端的0。此一薄集电极层的引入是为了能平滑地连接基极和集电极之间的传导能带边缘。InGaAs集电极层131的厚度通常是介于5到30nm。集电极层132是由GaAs构成，其厚度为1μm。

对显示于图3A的GaAs HBT结构在膝点区域(knee region，指低集电极电压/高集电极电流区域)的基极集电极间电容Cbc进行模拟。图3C显示在发射极尺寸为3μm×40μm×3指(3个指状发射极)、Vce＝0.5V和Ic＝100mA的条件下，Cbc的一个二维组件仿真结果，以第二基极层142的厚度tgrad-的函数绘示。相较于整个基极层(即tgrad＝70nm)为线性递减的极端例子，当基极层的均匀分布组成部分(即第一基极层)的厚度增加时Cbc降低。当tgrad为大于0且小于70nm时能降低Cbc，同时也能降低或消除晶体的失配差排。

图4A显示图3A所示的GaAs HBT 100的一个实施例，其中半导体层是以金属有机物化学气相沈积(metal-organic chemical vapor deposition)在一GaAs基板上生长一磊晶晶圆来制造。第二基极层142中的铟含量从在第一基极层端的0.07线性递减到在发射极端的0。第一基极层141中的铟含量则固定在0.07。集电极层131具有从在集电极端的0线性递增到在第一基极层端的0.07的铟含量。在图4A和在其他显示组件结构的图表中，在两个数字间的箭号表示递增/递减，例如0.070表示该层某元素的含量为从在该层底端的0.07连续递减到在该层顶端的0。在优化第一和第二基极层的厚度之后，当第一和第二基极层的厚度分别为50nm和20nm时，可达到相等于140的直流电流增益。图4B显示在发射极尺寸为3μm×40μm×3指且Vce＝0.5V的条件下一Cbc的测量结果，以示于图4A的GaAs HBT(圆形)和一基极材料为GaAs的传统GaAs HBT(三角形)的 电流Ic的函数绘示。如图所示，本发明提供的GaAs HBT的Cbc小于传统GaAs HBT，尤其在对应于膝点区域的大电流Ic处。

对图4A所示的GaAs HBT的射频性能进行评估。组件的负载拉移量测(load-pull measurement)是在频率为0.9GHz、发射极尺寸为3μm×40μm×3指、Vce为3.6V和Ic为10mA的条件下进行。图4C显示以本发明(实线)和一基极材料为GaAs的GaAs HBT(虚线)的输出功率(Pout)的函数绘示的功率附加效率(power-added efficiency，PAE)。本发明所提供的GaAs HBT在高功率区域的PAE的最大值被改进。这是因为在膝点区域降低的Cbc在高功率时降低了增益抑制。

图4D显示使用一WiFi IEEE 802.11a调变运作的功率放大器的误差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)。所述EVM是针对使用图4A所示的GaAs HBT(实线)和一基极物质为GaAs的GaAs HBT(虚线)制作的功率放大器在频率为5.8GHz、发射极尺寸为3μm×40μm×3指、Vce为5V和Ic为23mA的条件下进行评估。使用本发明的GaAs HBT制作的功率放大器的输出功率(Pout)在一给定的EVM 1.8％或3％范围内增进约0.8dB，其给定的EVM满足IEEE 802.11标准中的需求。

图5A显示本发明所提供的一种GaAs HBT 200的一个实施例。GaAs HBT 200包括一GaAs基板210和磊晶生长于GaAs基板210上的多个层半导体层。所述多个层半导体层依序形成一子集电极220、一集电极230、一基极240和一发射极250，其中基极240还包括一第三基极层241和一第四基极层242。第三基极层241形成于集电极230上，第四基极层242则形成于第一基极层241与发射极250之间。

第三基极层241是由铟含量0<m<1的InmGa1-mAs构成，第四基极层242是由铟含量n为0<n<1的InnGa1-nAs构成。第四基极层242的铟含量n的平均值大于在该第三基极层内靠近该第四基极层处的第三基极 层241的铟含量m。如图5A所示，y轴方向定义为从发射极端沿着多个层半导体层的堆栈方向指向集电极端。在一些实施例中，第四基极层242的铟含量n为从第三基极层端向发射极端渐增，如图5B、图5C和图5D所示。另一方面，第三基极层241的铟含量m可为从第四基极层端向集电极端均匀分布、增加或减少。某些较佳的铟含量分布变化如图5B、图5C和图5D所示。在图5B中，第三基极层的铟含量m为均匀分布。在图5C中，铟含量m为从第四基极层端向集电极端增加。在图5D中，铟含量m先从第四基极层端增加，然后在接近集电极端处变为均匀分布。图5D所示的第三基极层的铟含量分布变化对应在本发明另一实施例(GaAs HBT 100)中的第一和第二基极层，其组成分布变化如图2B所示。在本发明中，InGaAs基极被设计为在接近基极–发射极接面处的铟含量高于在基极内部。在一些实施例中，第三基极层241的铟含量m为介于0.03和0.2之间。

图6A显示本发明所提供的一种GaAs HBT 200的另一个实施例，其中发射极250包括一InGaAs接触层251、一GaAs层252和一第一射极层253。第一射极层253与GaAs晶格匹配，其铟含量为0.48。第一射极层253的厚度和掺杂浓度分别是40nm和2×1017cm-3。铟含量的分布变化可以被修改以形成一由高铟含量InvGa1-vP构成的第二射极层254，其具有显示于图6C的铟含量v分布变化。另一方面，如图6B所示，包括InnGa1-nAs的第四基极层242的铟含量n从在发射极端的0.12线性递减为在第三基极层端的0.1，而在包括InmGa1-mAs的第三基极层241的铟含量m固定为0.1。在接近基极–集电极接面处有一薄集电极层231，其铟含量从在基极端的0.1递减为在集电极端的0。此一薄集电极层的引入是为了能平滑地连接基极和集电极之间的传导能带边缘。集电极层231的厚度通常是介于5到30nm。集电极层232包括GaAs，其厚度为1μm。

图6D为Vceoff的不同组件种类的二维组件仿真结果。在图6D中的基极和发射极层参照如图6A所示的HBT结构。在图6D中的T表示每一 层的厚度。第四基极层的厚度T等于零的组件相应于传统的HBT。在传统具有GaAs基极的HBT中，其中基极是由44nm的GaAs构成而发射极是由40nm的晶格匹配的InGaP构成，其模拟的Vceoff为197mV。如基极材料以铟含量为0.1的InGaAs取代，则Vceoff增加为223mV。铟含量为0.12时，Vceoff甚至更高(228mV)。另一方面，在图6D所示的实施例1中，第四基极层在总基极厚度不变的条件下被引入，Vceoff下降为214mV。而在实施例2中，高铟含量InGaP的第二射极层也被引入，Vceoff则下降为181mV。须注意的是，只单独引入第二射极层时，对第四基极层铟含量为0.1和0.12时产生的Vceoff分别为190mV和196mV。当组件同时包括第四基极层和第二射极层两者时，Vceoff的下降最为明显。

图7A显示示于图6A的GaAs HBT 200的一个实施例，其中GaAs HBT是使用以金属有机气相沈积磊晶生长于一GaAs基板上的晶元所制成。发射极250包括一InGaAs接触层251、一GaAs层252和一第一射极层253。第四基极层242的铟含量从在第三基极层端的0.1线性递增为在发射极端的0.12。第三基极层241的铟含量则固定为0.1。图7B显示一Ic的测量结果，以示于图7A发射极尺寸为3μm×40μm×3指的GaAs HBT(实线)和一基极材料为GaAs的传统GaAs HBT(虚线)的电流Vce的函数绘示。本发明提供的组件的Vceoff小于传统组件。图7C显示在发射极尺寸为3μm×40μm×3指且Vce＝0.5V的条件下一Cbc的测量结果，以示于图7A的GaAs HBT(圆形)和一基极材料为GaAs的传统GaAs HBT(三角形)的电流Ic-的函数绘示。本发明提供的基极材料为InGaAs的GaAs HBT的Cbc小于传统组件，尤其在对应于膝点区域的大电流Ic处。

对图7A所示的GaAs HBT的射频性能进行评估。组件的负载拉移量测是在组件发射极尺寸为3μm×40μm×3指、频率为1.9 5GHz、Vc为3.4V和Ic为6.4mA的条件下进行。图7D显示以本发明(圆形)和一基极材料为GaAs的GaAs HBT(三角形)的功率附加效率(PAE)相对输出功率(Pout)。本发明所提供的GaAs HBT的PAE的最大值增加。这是因为在膝点区域降低的Cbc在高功率工作时减少了增益抑制。

图8显示本发明所提供的一种GaAs HBT 300的一个实施例。GaAs HBT 300包括一GaAs基板310和磊晶生长于GaAs基板310上的多个层半导体层。所述多个层半导体层依序形成一子集电极320、一集电极330、一基极340和一发射极350。基极340包括一第五基极层341，其拟晶于GaAs上并具有一至少比GaAs的体晶格常数大0.15％的第一体晶格常数。发射极350包括一第三射极层351，其拟晶于GaAs上并具有一至少比GaAs的体晶格常数小0.15％的第二体晶格常数。拟晶射极层产生一拉伸应变，以补偿在拟晶基极层中的压缩应变。因此能降低力学上的不稳定，且能避免晶体的失配差排在组件工作时形成或增殖。

在一个实施例中，第三射极层351可由一铟含量x和一磷含量y皆介于0和1之间的InxGa1-xAs1-yPy构成，并满足第三射极层351的体晶格常数至少比GaAs的体晶格常数小0.15％的条件。

在一个实施例中，第三射极层351可由铟含量x介于0.1和0.44之间的InxGa1-xP构成。铟含量x为0.1和0.44的InxGa1-xP分别具有比GaAs的体晶格常数小2.8％和0.3％的体晶格常数。

在一个实施例中，第三射极层351可由磷含量y介于0.03和0.5之间的GaAs1-yPy构成。GaAs1-yPy在磷含量y小于0.5时具有一直接能隙。因此能避免导电电子通过GaAs1-yPy层时的高阻抗。

在一个实施例中，第五基极层341可由一铟含量o和一锑含量p皆介于0和1之间的InoGa1-oAs1-pSbp构成，且满足第五基极层341的体晶格常数至少比GaAs的体晶格常数大0.15％的条件。

在一个实施例中，第五基极层341可由一铟含量o介于0.03和0.2之间的InoGa1-oAs构成。铟含量o为0.03和0.2的InoGa1-oAs分别具有比GaAs的体晶格常数大0.2％和1.4％的体晶格常数。

在一个实施例中，第五基极层341可由一锑含量p介于0.03和0.2之间的GaAs1-pSbp构成。

在任一种上述发射极和基极材料的组合中，在基极层中的压缩应变皆被在发射极层中的拉伸应变补偿。

图9A显示图8所示的GaAs HBT的一个实施例。在此实施例中，第三射极层351包括一高镓含量的InxGa1-xP。高镓含量的InxGa1-xP具有一拉伸应变，能补偿在第五基极层341中的压缩应变。铟含量x的变化横跨第三射极层351。例如，铟含量x可以在InxGa1-xP层中渐变，其中铟含量x的最小值在InxGa1-xP层中间。定义y轴方向为从发射极端沿着多个层半导体层的堆栈方向指向集电极端。图9B显示沿y轴渐变的铟含量x，其最小值在接近第三射极层中间处，以及沿y轴方向所绘出的传导能带边缘ECBM的变化图。在此实施例中，铟含量x为0.3或更高，如图9B所示。这是因为铟含量小于0.3时InGaP具有一间接能隙。因此能避免导电电子通过InGaP层时的高阻抗。

为了使传导能带边缘的变化曲线平滑，可在高镓含量区域引入一高浓度n型掺杂。第图0A为图8所示的GaAs HBT 300的一个实施例，其中一高浓度的n型掺杂360在铟含量分布最低处，即镓含量分布最高处被引入。图10B显示所产生的传导能带边缘ECBM的变化图，其铟含量分布与图9B所示相同，而平面n型掺杂360则位于铟含量分布最低处。相较于图9B所示的结果，导电电子能更平顺地从发射极流到基极，因此能获得一更佳的高频操作。

图11A为图8所示的GaAs HBT 300的另一个实施例，其中第三射极层351包括一厚的高镓含量InxGa1-xP层，其铟含量x为0.3。第三射极层351还包括两个平面n型掺杂360，分别位于铟含量x为0.3的InxGa1-xP 层的两端，以使传导能带边缘ECBM的变化曲线平滑，如图11B所示。所述厚的高镓含量InxGa1-xP层强力补偿在拟晶基极层中产生的压缩应变。能更有效地避免在组件运作时形成或增殖晶体的失配差排。

图12A显示图8所示的GaAs HBT 300的另一个实施例。在图12A中，一包括InzGa1-zP的第四射极层352被引入于第三射极层351和基极340之间。在第四射极层352中，在基极端的铟含量z为大于与GaAs晶格匹配的层的铟含量，如图12B所示，以降低Vceoff。在这种情况下，第四射极层352引入一额外的压缩应变。然而，此力学上的不稳定能被在第三射极层351中的高镓含量区域的拉伸应变降低。厚的高镓含量的InGaP所产生的强拉伸应变能补偿在第五基极层341和第四射极层352两者中的压缩应变，因此能确保力学上的稳定性。两个平面n型掺杂360的引入是为了使从发射极到基极的传导能带边缘ECBM的变化曲线平滑。

图13A、图13B和图13C显示本发明所制作用于测试被拉伸应变的发射极层补偿应变的效果的GaAs HBT的半导体层结构。图13B和图13C显示本发明所提供的GaAs HBT的实施例。半导体层是使用以金属有机物化学气相沈积生长的磊晶层来制造。在图13A显示的GaAs HBT中，发射极包括一铟含量为0.48的晶格匹配InGaP层，和一位于晶格匹配InGaP发射极和基极之间的额外的高铟含量InzGa1-zP层。高铟含量的InGaP发射极层的铟含量z从在基极端的0.65递减为在发射极端的0.48。在图13B显示的GaAs HBT中，铟含量分布变化与图9B所示者类似的高镓含量的InxGa1-xP发射极层被引入，以补偿在基极和高铟含量InzGa1-zP发射极中产生的压缩应变。这两层高镓含量的InxGa1-xP对应于在图9A中的第三射极层351，而高铟含量的InzGa1-zP对应于在图12A中的第四射极层352。这个实施例中包括InoGa1-oAs的基极对应于第五基极层。在图13C显示的GaAs HBT中，第三射极层包括一厚的高镓含量InxGa1-xP层，以增强对压缩应变的补偿。在典型的手机功率放大器操作条件下进行高温操作寿 命(high-temperature operation lifetime，HTOL)测试。在HTOL测试中的偏压条件为Vce＝3V和Ic＝20mA。受测组件的发射极尺寸为2μm×20μm×2指。在测试期间的接面温度为约210℃。对每一种组件测试45个样品。图13D、图13E和图13F分别显示示于图13A、图13B和图13C中的GaAs HBT的HTOL测试结果。对初始值归一化的DC直流增益以受应力时间的函数绘示。在没有应变补偿的情况下，大量样品在160小时的测试后显示故障，如图13D所示。然而，在有应变补偿的情况下，故障的数量以补偿强度的程度比例降低，如图13E和图13F所示。

图14A显示图12A所示的GaAs HBT 300的一个实施例，其中半导体层是使用以金属有机物化学气相沈积生长的磊晶层制造。第三射极层包括一铟含量x为0.3的厚的高镓含量InxGa1-xP层和两个平面n型掺杂区域。所述GaAs HBT还包括铟含量z为从0.65渐变到0.48的包括InzGa1-zP的第四射极层。所述基极包括一铟含量o为0.1且均匀分布的InoGa1-oAs层(第五基极层)和一铟含量q为从0.1渐变到0.12的InqGa1-qAs层(第六基极层)，其类似于图7A所示的第四基极层。插入第六基极层的目的是为了降低Vceoff。使用由InGaAs构成的第五基极层是为了降低Cbc，其功能类似于GaAs HBT 100和GaAs HBT 200中的InGaAs基极层。在此实施例中，由第五、第六基极层和第四射极层产生的大的压缩应变被包括一厚高镓含量InxGa1-xP层的第三射极层有效地补偿。在一典型的手机功率放大器操作条件下对显示于图14A的GaAs HBT进行HTOL测试。同时也对显示于图14B根据先前技术的一种拟晶InGaAs基极的GaAs HBT进行HTOL测试。在图14B中，基极是由铟含量固定为0.1的InGaAs构成，而发射极包括一晶格匹配的InGaP。本发明的HTOL测试结果如图14C所示，现有技术的HTOL测试结果则如图14D所示。数个现有技术的样品在经过200小时的测试后发生故障，而根据本发明一实施例所提供的GaAs HBT即使在经过1000小时的测试后也未发生任何故障。应注意的是，在图14A 所示的GaAs HBT的基极层中的总铟含量大于图14B所示的GaAs HBT的基极层中的总铟含量，即使在基极总厚度相同的条件下。此外，图14A所示GaAs HBT的InGaP发射极在接近发射极–基极接面处的铟含量较高。因此，图14A所示的GaAs HBT的总压缩应变远高于第14B图所示GaAs HBT。但图14A所示的GaAs HBT仍然能通过测试。

图14E显示Cbc的测量结果，以示于图14A的GaAs HBT(圆形)和一基极材料为GaAs的传统GaAs HBT(三角形)的电流Ic的函数绘示。发射极尺寸为3μm×40μm×3指且Vce＝0.5V。如图14E所示，示于图14A基极由InGaAs构成的GaAs HBT的Cbc远小于基极由GaAs构成的传统HBT，尤其在对应于膝点区域的大电流Ic处。

因此，本发明具有以下优点：

1.在包括拟晶InGaAs基极层的GaAs HBT中，其中拟晶InGaAs基极层的铟含量为从发射极端到集电极端以各种斜率增加，其总铟含量比具有均匀铟含量分布或线性渐变铟含量分布的单一基极层为低。其结果是，由于晶格失配而形成的失配位错被减少或消除。在集电极端具有高铟含量的第一基极层能降低Cbc，因此，RF性能得到改善。另一方面，横跨在发射极端具有较大斜率铟含量的第二基极层的漂移电场有助于DC电流增益的增加。

2.在包括拟晶InGaAs基极层的GaAs HBT中，其中拟晶InGaAs基极层在接近基极–发射极接面处具有一高铟含量区域，其在Ic-Vce特性图中的导通电压偏移Vceoff能被降低，而在具有拟晶InGaAs基极层的传统GaAs HBT中则否。因此能提升功率放大器的射频性能。所述InGaAs基极也能降低CBC和提高RF性能。

3.此GaAs HBT中包括一拟晶于GaAs的基极且其体晶格常数大于GaAs体晶格常数及一拟晶于GaAs的发射极且其体晶格常数小于GaAs体 晶格常数。此拟晶的发射极产生一拉伸应变以补偿在拟晶基极层中的压缩应变，因此能降低力学上的不稳定，且能避免晶体的失配差排在组件长时间工作时形成或增殖。

综上所述，本发明提供的一种异质接面双极晶体管具有改良的直流和射频性能，在长时间的工作过程中具有强化的力学稳定性及较佳的高频工作性能，确实可达到预期的目的。又上述说明与图示仅是用以说明本发明的实施例，凡熟于此业技艺的人士，仍可做等效的局部变化与修饰，其并未脱离本发明的技术与精神。