[发明专利]双极异质结晶体管及其制造方法

说明书

本发明涉及到一种包括发射极形成层。基极形成层和收集极形成层的双极异质结晶体管。该异质结为发射极一基极结。

这种双极异质结晶体管具有很高的电流增益，也就是β系数比较大，有关情况可以从FR-A-2352404号专利文件中获得。其中在AlGaAs（铝-镓-砷）和GaAs（镓-砷）之间，用Ⅲ-Ⅴ族技术形成一个异质结，这里AlGaAs的能带宽为2.3电子伏，这里使用的外延技术，对其进行控制有一定困难，而且花费也十分昂贵。

另外，还有一种人所共知的双极晶体管，其发射极-基极结是由多晶硅和单晶硅组成的。使用这种技术需要在高温下将掺杂杂质从多晶硅层的发射极扩散到单晶硅的基极中去。因而导致发射极和基极之间的结不鲜明。如何解释β的增加也很含糊，有的人解释为是因为少数载流子在发射极的多晶部分的扩散系数较低，还有的人解释为在多晶层相单晶层之间存在着一薄层氧化物的缘故，还有的人解释为前两个因素的结合而导致β系数的增加。

另外一种用来制造双极异质结晶体管的硅工艺技术是SIPOS技术（例如可见FR-A-2309981），在这种工艺中，发射极形成层量在温度大约为650℃的情况下，从O-SiH-NO-PH（氧-硅烷-氧化氮-磷化氢）蒸气中得到的，从而得到掺磷的Si-SiO₂（硅-二氧化硅）多晶结构。然后，为了减少结表面上的态密度，上述材料要在温度为900℃下的氢气气氛中退火，退火之后发射极层的能带宽度成为1.5电子＊这种技术的缺点在于：由于在高温下退火，磷＊扩散到基极层中，从而扰乱了十分精确而又鲜明的发射极-基极结的界面，造成发射极层的能带宽度与基极层中的能带宽度之间的转变变得不太鲜明，另外，因为存在绝缘的二氧化硅（SiO₂）从而这种晶体管具有较大的发射极电阻值。

本发明的主要目的是提供一种双异质结硅晶体管，其发射极带宽很宽。为意味着在异质结上没有积聚电荷就具有高的增益。并且制造工艺也很简单，花费也不昂贵。

因此，该晶体管的特征在于：发射极形成层基本上由掺杂的和氢化的并且至少部分地形成非晶结构的半导体材料组成。

这样可以得到很高的电流增益。因为由于发射极层材料带宽的原因使少数载流子到发射极的注入势垒增加了，同样由于该层带宽的原因，发射极的本征载流子浓度Ni减少了。

这种晶体管很适合在高频下应用，并且可以用在任何一种半导体技术中，诸如差分放大器、运算放大器以及各种各样的具有高增益β的快速数字集成电路之中。

从某种意义上讲，非晶结构包含了：从完全非晶的氢化硅（α-Si∶H），还包含由埋在非晶基质中，其平均尺寸为2～100毫微米的小晶粒组成的微晶硅（uC-Si）。直至由平均尺寸为2～100毫微米的晶粒和晶界构成的连续结构这么一个范畴。在任何情况下材料中氢的含量都是最基本成分，同时，禁带宽度也大于或等于晶体硅（C-Si）的禁带宽（在特殊情况下，带晶粒的多晶硅的平均尺寸大于100毫微米），在制造硅的过程中使用的温度和硅的退火温度越高，那么处于边缘的多晶硅的晶粒数目和/或尺寸也越大，一般认为是带晶界的晶粒的连续结构，其尺寸在一般情况下至少为100毫微米。在完全非晶的情况下，发射极形成层的电阻率，其数值近似在1-1000欧姆-厘米之间，而在微晶硅（uC-Si）的情况下，电阻率的数值约在10^-3欧姆-厘米以下。

已知掺杂的和氢化的非晶硅，可用来制造太阳能电池，这方面的情况是人所共知的，例如可参见US-A-4457538，这里所使用的非晶硅比用在晶体管中的非晶硅还有其他要求。

按本发明的最佳实施方案，形成发射极的层是用在非晶基质内形成的一般尺寸为2～100毫微米晶粒的微晶硅（uc-Si）制作的。硅的制作温度越高，则晶粒的密度也越大，尽管一般的多晶半导体材料都有很大的晶粒，最终会使所谓的多晶态达到无残留的非晶硅。这种微晶发射极具有很低的电阻值，从而使这种晶体管在高频大电流的情况下做为功率晶体管是十分有价值的。