一種磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)及制備方法，其特征在于所述結(jié)構(gòu)依次由半絕緣的InP襯底、外延緩沖層、腐蝕截止層、亞集電極層、集電極層、漸變基極層、發(fā)射極層和蓋層組成；制備特征在于：（1）將InP（100）襯底送入氣態(tài)源分子束外延系統(tǒng)GSMBE的預(yù)處理室，于300-350℃除氣；（2）將上述襯底傳遞至GSMBE的生長室，生長前的襯底表面解析，解析是在As氣氛下加熱至解析溫度，去除表面氧化層，然后將PH3于1000℃進行裂解，得到P2用作Ps源，調(diào)節(jié)氣源爐PH3壓力PV為450～700Torr；（3）襯底在P氣氛的保護下進行生長前的表面解吸，襯底溫度于400℃下進行外延生長，生長時襯底以每分鐘5轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，以保證外延材料的均勻性。
【專利說明】一種磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)及制備方法。通過氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)進行材料生長，通過化合物半導體工藝過程實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)雙極晶體管器件的制備，屬于材料制備【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]早在1951年，Shockley就首先提出了寬發(fā)射結(jié)原理。1957年，Kroemer進一步系統(tǒng)闡述了 HBT的原理，指出寬禁帶發(fā)射區(qū)能提高注入效率，抑制基區(qū)載流子的反向注入，大大提高電流增益，同時可以通過高摻雜的基區(qū)和稍低摻雜的發(fā)射區(qū)來減小結(jié)電容和基區(qū)電阻，從而提高晶體管的頻率特性。但由于材料生長技術(shù)的限制，直到二十世紀七十年代初，Dumke等人才第一次利用液相外延(LPE)技術(shù)成功制作出AlGaAs/GaAs HBT0進入70年代后，隨著MOCVD、MBE等薄膜材料生長技術(shù)的誕生和發(fā)展，HBT的優(yōu)良性能才得以充分實現(xiàn)。
[0003]基于InP材料體系的HBT器件被公認為是工作頻率最高的晶體管，因此成為國際上的研究前沿。與SiGe和GaAs材料體系相比，在具有較高fT的同時，InP體系的HBT仍具有較大擊穿電壓，其雙異質(zhì)結(jié)器件(DHBT)更是表現(xiàn)出誘人的特性。另外，以InP為襯底的材料較S1、GaAs襯底有著獨特的優(yōu)點:首先，InP與Si和GaAs相比，具有更高的電子飽和速度，基于InP襯底的晶體管是目前頻率最高的；其次，它還與目前常用的光通信用光電器件襯底兼容，易于實現(xiàn)光電集成。
[0004]圖1為School of ICT總結(jié)的半導體材料體系的HBT應(yīng)用。綜合研究發(fā)現(xiàn)，各材料體系都有各自的優(yōu)勢應(yīng)用頻段，InP體系HBT器件在高頻應(yīng)用方面的優(yōu)勢明顯，因而已成為現(xiàn)階段應(yīng)用研究的熱點?！綤roemer H.，RCA Review, 1957 (9): 332-324】【H.Kroemer, Proceedings of IEEE, 1982 (I): 13-25】【S.S.Tan, A.G.Milnes, IEEE Trans.Electron.Dev.1983(10):1289-1294】【Yasuyuki Suzuki, Masayuki Mamada, and ZinYamazaki，IEEE Journal of Solid-state Circuits, 2007 (11): 2594-2599XY.Baeyens, N.ffeimann, V.Houtsma, J.Weiner, Y.Yang, J.Frackoviak, A.Tate, and Y.K.Chen, IEEECompound Semiconductor.1ntegrated Circuit Symp., Palm Springs, CA, USA, Oct.2005, pp:208 - 211.】
[0005]本發(fā)明擬提供一種磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)及制備方法，所述的材料結(jié)構(gòu)的制備方法，擬利用氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)技術(shù)，在磷化銦襯底上生長磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)材料，通過微納米技術(shù)和腐蝕工藝制備雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管材料。研究磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管材料的性能，利用InP基激光器和光電探測器的工作波長恰好位于光纖的傳輸窗口 1.3~1.55μηι之間,可利用InP基HBT-PIN等器件實現(xiàn)光電集成。并且希望可進一步研究Si基上的化合物半導體材料，如Si基上的InP HBT材料等，發(fā)展與IC工藝兼容的集成技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明目的在于提供一種磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)及制備方法，采用氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)進行材料生長。材料生長工藝流程如圖2所示。
[0007]具體的說，在GSMBE制備磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)的過程中，采用半絕緣單拋的InP (100)襯底。先在InP襯底上外延生長一層50nm的InP緩沖層，InP緩沖層的引入可以使材料從襯底到結(jié)構(gòu)有良好的過度，減少直接進行異質(zhì)外延引起的缺陷和位錯等。然后依次生長Ina53Gaa47As腐蝕截至層，InP, InGaAs, InP亞集電極；InP, InGaAsP(Eg=1.15eV), InGaAsP (Eg=0.95eV)，InP 集電極；InGaAs 漸變基區(qū)；二層 InP 發(fā)射極和 InGaAs蓋層。
[0008]如上所述，氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)制備磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)材料的方法，其的優(yōu)點歸納如下:
[0009]1.在InP基DHBT材料體系選擇上，充分利用InP材料較高的電場漂移速率，在DHBT中可以降低集電結(jié)耗盡區(qū)穿越時間，從而提升器件頻率特性。由于InP基激光器和光電探測器的工作波長恰好位于光纖的傳輸窗口 1.3?1.55 μ m之間，所以InP基HBT-PIN器件很容易實現(xiàn)光電集成。
[0010]2.GSMBE為超高真空系統(tǒng)，使用高純度的分子束源，可獲得高純單晶；生長溫度相對較低，體擴散對組份和摻雜濃度分布的干擾被降到最低；可以通過控制束源爐快門擋板的開啟或者關(guān)，監(jiān)測手段多監(jiān)測手段多，可以生長受熱力學機理限制的處于不互溶隙范圍內(nèi)的多元系材料；MBE在生長機理上屬于非平衡反應(yīng)動力學過程，閉達到突然噴射或者終止分子束流的目的，因而可得到突變的組份界面和陡峭的摻雜濃度分布；監(jiān)測手段多，可以在生長過程中進行實時監(jiān)控，精確控制束流強度和生長速率；
[0011]由上述制備方法所制作的雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)如表I所示
[0012]表I為磷化銦基雙異質(zhì)雙極晶體管的結(jié)構(gòu)
[0013]
【權(quán)利要求】
1.一種磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)，其特征在于所述結(jié)構(gòu)依次由半絕緣的InP襯底、外延緩沖層、腐蝕截止層、亞集電極層、集電極層、漸變基極層、發(fā)射極層和蓋層組成； 其中， ①半絕緣的InP襯底為摻Fe的InP基底； ②外延緩沖層為非摻雜的InP層，厚度為50-60nm； ③腐蝕截止層為非摻雜的Ina53Gaa47As層，厚度為10_15nm； ④亞集電極層由三層組成，依次是厚度為280-300nm的摻Si的InP層、厚度為40_50nm的摻Si的Ina53Gaa47As層和厚度為40_50nm的摻Si的InP層； ⑤集電極層由四層組成，依次是厚度為180-200nm的摻Si的InP層、厚度為15_25nm的摻 Si 的 Ina88Gaai2Asa27Pa73 層、厚度為 15_25nm 的摻 Si 的 Ina73Gaa27Asa58Pa42 層以及厚度為 40-50nm 的摻 Si 的 Ina53Gaa47As 層； ⑥漸變基極層(或稱為基區(qū)層或基極層)為摻雜C的IrvxGaxAs層，Ga的組分集電極至發(fā)射極由0.47至0.55漸變，厚度為45-65nm ； ⑦發(fā)射極層由兩層組成，依次是厚度為30-40nm的摻Si的InP層，和厚度為120_130nm的摻Si的InP層； ⑧蓋層為摻Si的Ina53Gaa47As層,厚度為55_65nm,摻雜濃度為l_2E19/cm3。
2.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于: ①亞集電機層三層組成的Si的摻雜濃度依次為lE19-2E19/cm3、lE19-2E19/cm3和lE19-2E19/cm3； ②集電極層中的四層組成的Si的摻雜濃度依次為lE16-3E16/cm3、lE17-3E17/cm3、lE17-3E17/cm3 和 lE16_3E16/cm3 ； ③漸變基極層的摻C濃度為2E19-4E19/cm3； ④發(fā)射極層兩層摻Si的InP層摻雜濃度依次為lE17-3E17/cm3和lE19_2E19/cm3。
3.按權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于: ①亞集電極層中的三層組成依次為300nm厚的摻Si的InP層，Si的摻雜量為1.2E19/cm3 ;50nm 厚的摻 Si Ina53Gaa47As 層，Si 的摻雜量為 1.2E19/cm3 ; 50nm 厚的摻 Si InP 層，Si的摻雜量為1.2E19/W ； ②集電極層中的四層組成依次為200nm厚的摻SiInP層，Si的摻雜量為lE17/cm3 ；20nm 厚的摻 Si 的 Ina88Gaai2Asa27Pa73 層；20nm 厚的摻 Si 的 Ina73Gaa27Asa58Pa42 層，Si 的摻雜量為lE17/cm3 ;以及50nm厚的摻Si的Ina53Gaa47As層，Si的摻雜量為lE16/cm3 ； ③漸變基極層為65nm厚的摻雜C的IrvxGaxAs漸變層，摻C的濃度為4E19/cm3； ④發(fā)射極層中兩層分別為40nm厚的摻SiInP層，Si的摻雜量為2E17/cm3和130nm厚的摻Si的InP層，Si的摻雜量為1.2E19/W。
4.按權(quán)利要求1或3所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于集電極層中摻Si的Ina88Gaai2Asa27Pa73層的 λ =1.05 μ m, Eg=L 15ev ;摻 Si 的 Ina73Gaa27Asa58Pa42 層的 λ =1.29 μ m, Eg=0.95ev。
5.制備如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于在InP層的基礎(chǔ)上依次生長如權(quán)利要求1所述的各層，具體工藝是: (I)將InP (100)襯底送入氣態(tài)源分子束外延系統(tǒng)GSMBE的預(yù)處理室，于300_350°C除氣; (2)將上述襯底傳遞至GSMBE的生長室，生長前的襯底表面解析，解析是在As氣氛下加熱至解析溫度，去除表面氧化層，然后將PH3于1000°C進行裂解，得到P2用作Ps源，調(diào)節(jié)氣源爐PH3壓力Pv為450~700Torr ； (3)襯底在P氣氛的保護下進行生長前的表面解吸，襯底溫度于400°C下進行外延生長，生長時襯底以每分鐘5轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，以保證外延材料的均勻性； 其中，InP層的生長工藝條件為:1η的生長溫度為890°C，PH3的裂解壓力為650Torr，在此條件下InP的生長速率為0.55 μ m/h,對于不同的N型摻雜要求，分別采用Si的摻雜溫度為 1080。。和 12500C ； InGaAs層的生長工藝條件為:Ga的生長溫度為1025°C，In的生長溫度為890°C，AsH3的裂解壓力為650Torr，在此條件下InGaAs的生長速率為l.0ym/h，Si的摻雜溫度為.1250 0C ； Eg=L 15ev的InGaAsP層的生長工藝條件為:Ga的生長溫度為920°C，In的生長溫度為890°C，AsH3的裂解壓力為lOOTorr，PH3的裂解壓力為660Torr，在此條件下InGaAsP的生長速率為0.65 μ m/h, Si的摻雜溫度為1080°C ； Eg=0.95ev的InGaAsP層的生長工藝條件為:Ga的生長溫度為950°C，In的生長溫度為860°C，AsH3的裂解壓力為200Torr，PH3的裂解壓力為600Torr，在此條件下InGaAsP的生長速率為0.46 μ m/h, Si的摻雜溫度為1080°C ； InGaAs組份漸變層的生 長工藝條件為:Ga的生長溫度為1025_1035°C漸變，In的生長溫度為890°C，AsH3的裂解壓力為650Torr，65nm基區(qū)平均生長速率為1.2 μ m/h, P型摻雜劑CBr4的壓力為0.05Torr。
6.按權(quán)利要求5所述的方法,其特征在于: ①除氣時間為20-40分鐘； ②解析過程用高能電子衍射監(jiān)控，解析溫度為400-430°C； ③對于只含有一種V族元素的三元系材料InGaAs來說，生長速率取決于III族元素In和Ga的分子束強度之和，而組份則由In和Ga的分子束強度比決定；因此，為了調(diào)節(jié)InGaAs外延層的組份以達到設(shè)計要求，必須精確校正In和Ga的束流比fIn/fea ;采用X射線衍射來測定外延層與襯底之間的失配度，并據(jù)此計算三元合金材料的組份； ④對于四元系材料InGaAsP,采用XRD測定外延層與襯底之間的失配度和光熒光譜測試材料的本征發(fā)光波長，共同確定四兀合金材料的組份； ⑤對于漸變的InGaAs基區(qū)材料，采用緩變提高Ga溫度的方法達到Ga的組分由0.47到0.55的過渡。
【文檔編號】H01L21/205GK103794644SQ201410072323
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】艾立鹍, 徐安懷, 齊鳴, 周書星 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所