이종접합 바이폴라 트랜지스터

이종접합 바이폴라 트랜지스터(Heterojunction bipolar transistor, HBT)는 접합형 트랜지스터(BJT)의 일종으로, 이미터와 베이스 영역에 서로 다른 반도체 재료를 사용하여 이종접합을 형성한다. 이종접합 쌍극 트랜지스터, 이종접합 양극성 트랜지스터로도 번역된다. HBT는 수백 GHz에 이르는 매우 높은 주파수의 신호를 처리할 수 있다는 점에서 BJT를 개선한 것이다. 현대의 초고속 회로, 주로 무선주파수(RF) 시스템, 그리고 휴대 전화의 RF 전력 증폭기와 같이 높은 전력 효율이 요구되는 애플리케이션에 일반적으로 사용된다. 이종접합을 사용하는 아이디어는 1951년 특허로 거슬러 올라가는 기존 BJT만큼 오래되었다.W. Shockley: 'Circuit Element Utilizing Semiconductive Material', United States Patent 2,569,347, 1951. 이종접합 바이폴라 트랜지스터에 대한 상세한 이론은 허버트 크뢰머에 의해 1957년에 개발되었다.

재료

섬네일|계단식 이종접합 npn 바이폴라 트랜지스터의 밴드. 전자가 이미터에서 베이스로 이동하기 위한 장벽과 정공이 베이스에서 이미터로 역주입되는 장벽을 나타낸다. 또한, 베이스의 밴드갭 그레이딩은 베이스 영역에서 전자의 수송을 돕는다. 밝은 색은 결핍 영역을 나타낸다.

BJT와 HBT의 주요 차이점은 이미터-베이스 접합과 베이스-컬렉터 접합에 서로 다른 반도체 재료를 사용하여 이종접합을 생성한다는 점이다. 이는 가전자대의 전위 장벽이 전도대보다 높기 때문에 베이스에서 이미터 영역으로의 정공 주입을 제한하는 효과가 있다. BJT 기술과 달리, 이는 베이스에서 높은 도핑 밀도를 사용할 수 있게 하여 이득을 유지하면서 베이스 저항을 줄인다. 이종접합의 효율은 크뢰머 계수로 측정된다.The phototransistor effect: "The Kroemer factor is a function of the physical parameters of the materials making up the heterojunction, and can be expressed in the following way [formula given]" 크뢰머는 캘리포니아 대학교 샌타바버라에서 이 분야에서의 연구로 2000년에 노벨상을 수상했다.

기판에 사용되는 재료로는 실리콘, 갈륨 비소, 인화 인듐이 있으며, 에피택시층에는 실리콘 / 실리콘-게르마늄 합금, 알루미늄 갈륨 비소 / 갈륨 비소, 인화 인듐 / 인듐 갈륨 비소가 사용된다. 질화 갈륨 및 인듐 갈륨 질화 갈륨과 같은 넓은 밴드갭 반도체는 특히 유망하다.

SiGe 계단식 이종구조 트랜지스터에서는 베이스의 게르마늄 양이 단계적으로 변화하여 컬렉터보다 이미터에서 밴드갭이 더 좁아진다. 이러한 밴드갭의 테이퍼링은 베이스 내에서 전계 보조 수송을 유도하여 베이스를 통한 수송 속도를 높이고 주파수 응답을 증가시킨다.

제작
극도로 고도핑된 얇은 베이스층을 가진 HBT 장치를 제조해야 하므로, 주로 분자선 에피택시가 사용된다. 베이스, 이미터, 컬렉터 층 외에도, 컬렉터와 이미터 양쪽에 고도핑된 층이 증착되어 옴 접촉을 용이하게 하는데, 이들은 포토리소그래피와 에칭을 통해 노출된 후 접촉층에 놓인다. 컬렉터 아래의 접촉층인 서브컬렉터는 트랜지스터의 활성 부분이다.

재료 시스템에 따라 다른 기술이 사용된다. IBM 등은 SiGe에 초고진공 화학기상증착 (UHVCVD)을 사용하며, III-V족 시스템에는 MOVPE를 포함한 다른 기술들이 사용된다.

일반적으로 에피택시층은 격자 일치(밴드갭 등의 선택을 제한함)된다. 만약 거의 격자 일치한다면 장치는 의사정합(pseudomorphic)이고, 층이 불일치하면(종종 얇은 버퍼층으로 분리됨) 변성(metamorphic)이다.

한계
일리노이 대학교 어배너-섐페인에서 개발된 의사정합 이종접합 바이폴라 트랜지스터는 인화 인듐과 인듐 갈륨 비소로 제작되었으며, 조성적으로 등급이 매겨진 컬렉터, 베이스 및 이미터로 설계되어 710 GHz의 속도에서 차단되는 것으로 입증되었다.12.5 nm base pseudomorphic heterojunction bipolar transistors achieving fT=710GHz fT=710GHz and fMAX=340GHz Hafez et al, Appl. Phys. Lett. 87, 252109, 2005 Indium Phosphide: Transcending frequency and integration limits. Semiconductor Today. Vol 1 Issue 3. Sept 2006

속도 면에서 기록을 깨는 것 외에도, 인화 인듐/인듐 갈륨 비소로 만들어진 HBT는 단일 광전자 집적 회로에 이상적이다. PIN형 광검출기는 베이스-컬렉터-서브컬렉터 층에 의해 형성된다. InGaAs의 밴드갭은 광통신 시스템에서 사용되는 1550 nm 파장 적외선 레이저 신호를 감지하는 데 잘 작동한다. HBT를 바이어스하여 능동 소자를 얻으면 높은 내부 이득을 가진 광트랜지스터를 얻을 수 있다. 다른 HBT 응용 분야로는 아날로그-디지털 및 디지털-아날로그 변환기와 같은 혼합 신호 회로가 있다.

 같이 보기 
 하이 일렉트론 모빌리티 트랜지스터 (HEMT)
 MESFET

 각주 

 외부 링크 

 Technion에서 개발된 HBT 광전자 회로 (15Mb, 230p)
 새로운 재료 구조로 세계에서 가장 빠른 트랜지스터 개발 604 GHz 2005년 초

분류:테라헤르츠 기술
분류:마이크로파 기술