高增益低導通電壓銻砷化銦鎵異質接面雙極性電晶體之研製

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張朝閔(Chao-Min Chang) 查詢紙本館藏

畢業系所

電機工程學系

論文名稱

高增益低導通電壓銻砷化銦鎵異質接面雙極性電晶體之研製
(Growth and characterization of InGaAsSb base DHBT with high current gain and low turn-on voltage)

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摘要(中)

本論文主要研究銻砷化銦鎵(InGaAsSb)材料之磊晶成長技術及其材料特性，同時將其應用於磷化銦(InP)系列電晶體元件之基極。在雙異質接面雙極性電晶體中，藉由增加基極摻雜濃度能夠降低其片電阻(RSH)而提升高頻特性，然而此舉又會因為Auger process機率增加而降低其電流增益。對此問題我們藉由電晶體基極中的少數載子生命期，分析InGaAsSb材料中摻雜濃度對Auger process的影響。
本研究另一個重點為四元材料的成長。我們發展出一套能夠成長InGaAsSb材料晶格匹配於InP基板上，又能夠任意調整Sb成分的成長技術。藉由改變磊晶成長條件以及設計不同電晶體之結構用以研究元件特性與材料之關係。在所製作的In0.52Al0.48As/In0.09Ga0.91As0.58Sb0.42/In0.53Ga0.47As DHBT上可以得到VBE=0.45 V的低導通電壓以及?/RSH=0.073的高電流增益/片電阻比，已與傳統InP DHBT之最佳結果相當。

摘要(英)

This dissertation describes the material growth and characterization of InP-based heterojunction bipolar transistors (HBTs) with an InGaAsSb base layer, which have the advantages of low turn-on voltage and high current capability. High doping concentration in base to reduce the base sheet resistance is necessary for achieving high fMAX, but it might also result in decreased current gain and ?/RSH ratio due to the enhanced Auger process. To obtain more insights into the current behavior of InGaAsSb base DHBTs, doping effect on the electron lifetime (?n) is studied.
In this research, we develop a growth technique for growing lattice- matched InGaAsSb on InP substrates with accurately controlled Sb composition. For a high Sb-content InGaAsSb layer, the amount of Ga is increased to complement the decreases of In while maintaining a constant growth rate and V/III ratio. In addition, the effects of Sb composition on the characteristics of InGaAsSb base DHBTs are investigated. The In0.52Al0.48As/ In0.09Ga0.91As0.58Sb0.42/In0.53Ga0.47As DHBT exhibits a low turn-on voltage of 0.45 V and a high ?/RSH ratio of 0.073, which is comparable to the state-of-the-art conventional InP DHBTs.

關鍵字(中)

★ 銻砷化銦鎵
★ 少數載子生命週期
★ 高電流增益/低片電阻比

關鍵字(英)

★ minority carrier lifetime
★ InGaAsSb
★ high beta over sheet ratio

論文目次

目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅴ
圖目錄 Ⅶ
表目錄 Ⅸ
第一章導論 1
1-1 簡介 1
1-2 研究動機 2
1-3 綱要 4
第二章銻砷化銦鎵材料成長技術發展 5
2-1 序論 5
2-2 銻砷化銦鎵材料之成長方法 6
2-3 銻砷化銦鎵材料之特性分析 10
2-4 結論 12
第三章銻砷化銦鎵元件特性分析 13
3-1 序論 13
3-2 銻砷化銦鎵元件成長與製作 14
3-2-1 結構設計與元件磊晶片成長 14
3-2-2 元件製作流程 18
3-3 元件直流特性分析 20
3-3-1 基-射極與基-集極接面特性 20
3-3-2 共射極輸出特性 23
3-3-3 少數載子生命週期對於銻砷化銦鎵基極電晶體元件電流增益之影響 25
3-3-4 少數載子生命週期於銻砷化銦鎵塊材之量測 28
3-3-5 銻砷化銦鎵之高增益低片電阻 31
3-6 結論 33
第四章最佳化成長銻砷化銦鎵材料與元件應用 34
4-1 序論 34
4-2 成長銻砷化銦鎵晶格匹配於磷化銦基板 35
4-3 結構設計 42
4-4 導電帶不連續對銻砷化銦鎵順向導通電壓之影響 44
4-5 電流增益與基極片電阻比值之提升 45
4-6 結論 49
第五章結論 50
參考文獻 52
圖目錄
圖2-2-1砷化銦及砷化鎵不同溫度下之成長速率和B.E.P. 7
圖2-2-2 In0.51Ga0.49As0.74Sb0.26成長於磷化銦基板上 8
圖2-2-3 (a) In0.42Ga0.58As0.85Sb0.15/InP (b) In0.24Ga0.76As0.61Sb0.39/InP 9
圖2-3-1不同銻含量下的電洞遷移率 10
圖2-3-2銻砷化銦鎵之不同濃度下的電洞遷移率 11
圖2-3-3銻砷化銦鎵之片電阻改善 12
圖3-2-1不同銻含量下所形成之導電帶不連續 15
圖3-2-2 SHBT、Sb(15)及Sb(39) DHBT之能帶結構 17
圖3-3-1室溫下不同銻含量的Gummel Plot 20
圖3-3-2不同集極電流下的電流增益 22
圖3-3-3不同銻含量的共射極輸出特性圖 23
圖3-3-4少數載子生命週期與濃度關係圖 27
圖3-3-5少數載子生命週期量測結果圖 29
圖3-3-6少數載子生命週期與濃度關係圖 30
圖3-3-7不同銻含量銻砷化銦鎵基極元件?/RSH 32
圖4-2-1半導體材料能隙與對應之晶格常數圖 35
圖4-2-2銻砷化銦鎵之晶格常數圖 36
圖4-2-3不同閥門位置所對應的Sb B.E.P. .. 38
圖4-2-4 In0.42Ga0.58As0.89Sb0.11 XRD 38
圖4-2-5 In0.25Ga0.75As0.72Sb0.28 XRD 39
圖4-2-6 In0.09Ga0.91As0.58Sb0.42 XRD 39
圖4-2-7不同銻含量下的電洞遷移率 40
圖4-2-8銻砷化銦鎵之片電阻改善 41
圖4-3-1 Sb=28%及Sb=42%的能帶結構 42
圖4-4-1不同銻含量元件之順向集極與逆向射極電流 45
圖4-4-2不同銻含量元件之順向導通電壓 45
圖4-5-1不同銻含量銻砷化銦鎵基極元件?/RSH 48
表目錄
表1-2-1不同基極厚度之銻砷化銦鎵的HBT元件量測結果 2
表1-2-2不同銻含量下的電流增益與片電阻 3
表2-2-1磊晶參數表 6
表3-2-1 InAlAs/InGaAsSb DHBT 磊晶結構 16
表3-3-1不同銻含量下的濃度變化以及直流特性 27
表3-3-2不同銻含量之銻砷化銦鎵塊材 28
表3-3-3不同銻含量下的濃度變化以及直流特性 31
表4-2-1磊晶參數表 37
表4-2-2材料特性相關參數 40
表4-3-1 InAlAs/InGaAsSb DHBT 磊晶結構 43
表4-5-1銻砷化銦鎵之少數載子生命週期 46
表4-5-2不同銻含量下的濃度變化以及直流特性 48

參考文獻

參考文獻
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指導教授

綦振瀛(Jen-Inn Chyi)

審核日期

2009-7-17

推文