The new method for improving microwave performance of $Al_{0.3}Ga_{0.7}As/GaAs$ heterojunction bipolar transistor (HBT) was investigated. In this method, extrinsic base-collector capacitance was decreased using selectively lateral etching technique with redox solution ($I_2$/KI). The redox solution used to etch selectively the $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$ relative to GaAs has highly preferential etching property and a high etching rate. With optimum etching condition, the undercut width of $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$ relative to GaAs was approximately measured up to 3㎛ at the condition of [$I_2$]/[KI]=0.67 and pH=3.0 for [100] directional stripe. The undercut width was found to be remarkably increased with increasing the stirring speed near the chemically neutral etching solution. To verify selectively lateral etching effect, the conventional and lateral-etched HBTs were fabricated upon the HBT epitaxial layer structure with a composite subcollector layer, composing of $n^+-GaAs$ and $N^+-Al_{0.3}Ga_{0.7}As$.
As the result, dc characteristics of the lateral etched HBT were very similar to those of the conventional HBT except the collector current density for maximum dc current gain. For 3㎛×20㎛ emitter size, although the maximum current gain is nearly the same for both devices, the dc current gain of lateral etched HBT was reduced a little than that of conventional HBT which has the gain of 25 at the collector current density (Jc) of 9kA/㎠, resulting in 21 at the same collector current density. From Gummel plots, ideality factors of base and collector current were estimated as 1.5 and 1.01 for both samples, respectively. Although both samples showed the similar dc characteristics, microwave characteristics such as maximum oscillation frequency($f_max$) and unity current gain cutoff frequency($f_T$) revealed the large difference. The microwave properties of HBTs were examined by cutoff mode S-parameters measurement. From the simulation for both device structures, about 60% reduction of the base-collector capacitance ($C_bc$) was expected for the lateral etched HBT, having the collector layer undercut width of about $3 \mu m$ below the base layer. In practice, for 3㎛×7㎛ emitter size, the $f_max$ and $f_T$ of the lateral etched HBT were increased into 23.5GHz and 24GHz from 16.5GHz and 21GHz of the conventional HBT, respectively. This corresponds to the increase of $f_max$ and $f_T$ of 42.4% and 14.3%, respectively. This performance improvement resulted from the decrease of the $C_bc$ by the selectively lateral etching.
In addition, the power performance of the lateral-etched HBT was measured and compared with those of conventional HBT at the operating frequency of 1GHz At the 3㎛×20㎛ HBTs which have the matched source and load, the output power(Pout) of conventional and lateral-etched HBT are 16.29dBm and 16.16dBm, respectively, and power-added efficiency of both structures were estimated as 39% at Vce=4V, Ic=26.94mA and 38% at Vce=4V, Ic=26.73mA, respectively.
HBT의 고주파 성능은 주로 베이스-컬렉터 정전용량(base-collector capacitance)에 의해서 주로 지배되는데, 성능 향상의 중요한 지표인 전력이득 차단 주파수($f_max$)와 전류이득 차단 주파수($f_T$)는 이온 주입법과 선택적 박막 성장 등에 의한 base-collector capacitance의 감소로 인해서 크게 증가 하였다. 본 연구에서는 HBT의 성능향상을 위한 새로운 방법으로써 외부 컬렉터(extrinsic collector) 지역을 에칭함으로써 소자의 base-collector capacitance를 감소시키는 선택적 측면 에칭 기술이라는 새로운 방법을 소개하였다. 사용한 에칭 용액은 $I_2$와 KI를 물과 혼합한 redox solution이며 결정면에 따라 에칭 속도가 다른 것이 특징이다. GaAs에 대한 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$의 에칭 선택도를 조사하기 위해서 $I_2$와 KI의 혼합비, 용액의 산성도, 에칭 방향 등 여러 가지 조건을 변화하였다.
SEM을 사용하여 에칭한 GaAs와 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$의 표면 깊이차를 조사한 결과, [100] 방향에 수직하여 에칭한 경우에 대략 0.7의 혼합비에서 3㎛으로 최대값을 가졌고, 산성보다는 중성에서 더 큰 표면 깊이 차이를 가져왔다. 이러한 표면 깊이 차이는 GaAs와 $Al_{0.3}Ga_{0.7}As$의 에칭 속도 차이로 인해서 나타나며, 에칭 속도의 차이는 보통 표면을 구성하는 면의 원자 밀도, 원자 배열, 결합력 등의 차이가 그 원인이 된다. 그리고, 용액의 저어주는 속도에 의해서도 최고 20배의 깊이차를 가져오고, 저어주는 속도가 빠를수록 이종 접합의 접합면에 수평 방향에 대해서 수직 방향으로의 에칭 속도가 늘어나는 것을 알 수 있었다. 이러한 에칭 특성과 소자의 원하는 특성을 종합하여 최적의 박막을 설계하여 HBT 소자를 제작하여 그 특성을 조사하였다.
제작된 소자는 크게 두 가지 구조를 가지는데, 첫째 구조는 기존의 HBT 소자 제작 공정에 의해 제작된 소자이고, 나머지 다른 하나는 선택적 측면 에칭 방법으로 제작된 소자로써 dc측정과 고주파 측정을 통하여 성능을 서로 비교하였다. 에미터-베이스(emitter-base)와 베이스-컬렉터(base-collector) 접합의 파괴전압(breakdown voltages)은 두 소자 모두 6V와 15V 근처를 기록했고, 측면 에칭에 의한 어떠한 접합의 손상을 관찰할 수 없었다. 단지, 3㎛×20㎛라는 비교적 작은 소자에서는 측면 에칭한 소자의 dc 전류 이득이 9kA/㎠의 컬렉터 전류밀도(collector current density)에서 기존 구조의 25로부터 조금 떨어진 21로 감소하였지만 최대 전류 이득은 거의 같은 값을 가졌다. 그리고, 이러한 현상은 소자의 크기가 커질수록 점차 사라지고, dc적인 특성의 어떠한 차이도 발견되지 않았다. 고주파 성능을 조사한 결과, dc 특성과 달리 extrinsic collector 지역을 에칭한 소자가 기존의 방법으로 제작된 소자에 비해서 그 성능이 월등히 향상되었음을 알 수 있었다. 측면 에칭한 3㎛×7㎛ 소자의 $f_max$는 기존 구조를 가지는 소자의 16.5GHz에서 23.5GHz로 무려 42.4%나 향상되었고, $f_T$도 14.3% 향상되었다. 이러한 성능향상은 측면 에칭에 의한 base-collector capacitance 감소 때문이라는 것을 emitter-base 접합과 base-collector 접합을 모두 역전압(reverse bias)으로 인가한 cutoff mode 상태에서의 고주파 측정을 통하여 검증할 수 있었고, 약 50%의 base-collector capacitance 감소 효과를 얻었음을 알 수 있었다. 이와 더불어 고주파 성능에 또 다른 중요한 요소인 베이스 저항이 에칭에 의해서 크게 변화되지 않았음을 S-parameter를 변환하여 얻은 Z-parameter와 소자 모델링(modeling)을 통하여 알 수 있었다.
