CN105355545A - 提高p型铟镓砷薄膜掺杂浓度的方法、薄膜的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及P型铟镓砷薄膜生长技术领域，具体公开了提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的方法，将掺杂碳的铟镓砷薄膜，在氮气环境下进行降温退火，退火温度从550±10℃均匀降到400±10℃，时间为5±1min，压力为50±5mbar。该方法能够减弱MOCVD反应室内氢钝化效应对掺杂碳原子的影响，能够破坏C-H化学键，使InGaAs薄膜中的碳原子得到充分激活，获得高P型掺杂浓度的InGaAs薄膜。该方法能够用于半导体器件结构的制备中。
Description
技术领域
本发明涉及P型铟镓砷薄膜生长技术领域。
背景技术
P型铟镓砷薄膜广泛应用于半导体器件结构中，为了获得高性能的半导体器件，往往需要高P型掺杂浓度的铟镓砷薄膜。
金属有机化学气相沉积法（MOCVD）生长制备掺杂碳的P型铟镓砷薄膜，很难获得高P型掺杂浓度，空穴载流子浓度较低，一般小于1E19cm-3（电化学CV测试），主要原因在于，C在InGaAs中是两性杂质，容易与反应室中的H原子结合（氢钝化效应），C原子被H原子束缚，无法释放出空穴。并且In-C化学键的键能较小，结合较难，所以InGaAs的In组分越大，掺C的浓度越低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的方法，能够激活铟镓砷薄膜中的碳原子释放出空穴，提高P型掺杂浓度，具有实施简单的优点。
进一步地，本发明还提供了一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的P型铟镓砷薄膜的制备方法，能够减弱MOCVD反应室内氢钝化效应对掺杂碳原子的影响，破坏C-H化学键，使InGaAs薄膜中的碳原子得到充分激活，获得高P型掺杂浓度的铟镓砷薄膜。
本发明还提供了上述高掺杂P型铟镓砷薄膜的制备方法的应用，用于半导体器件结构中的P型铟镓砷薄膜制备，能够制得高性能的半导体器件。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的方法，包括以下步骤：将掺杂碳的铟镓砷薄膜，在氮气环境下进行降温退火，退火温度从550±10℃均匀降到400±10℃，时间为5±1min，压力为50±5mbar。
优选的，退火温度从550℃均匀降到400℃，时间为5min，压力为50mbar。
优选的，所述铟镓砷薄膜为InxGa（1-x）As，x为0.4-0.6。
一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的P型铟镓砷薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在衬底上生长掺杂碳的P型铟镓砷薄膜；
S2、将掺杂碳的铟镓砷薄膜，在氮气环境下进行降温退火，退火温度从550±10℃均匀降到400±10℃，时间为5±1min，压力为50±5mbar。
进一步地，步骤S1中，MOCVD设备反应室压力50±5mbar，温度为450±10℃，设备载气为H2，按摩尔比向反应室内通入铟源、镓源、砷源和碳源，在半绝缘型磷化铟衬底的（100）晶面上生长掺杂碳的铟镓砷薄膜，生长完后将设备载气由H2转为N2，停止通入各材料的源，将反应室在2±0.2min内线性升温至550±10℃。
进一步地，铟源、镓源和砷源的通入量为：As/（In+Ga）摩尔比为1.2±0.2。
进一步地，S2步骤退火后制得的高掺杂P型铟镓砷薄膜的载流子浓度为8.5E19cm-3-2E19cm-3。
如前所述的高掺杂P型铟镓砷薄膜的制备方法的应用，用于磷化铟基双异质结晶体管的基区的制备，或用于磷化铟基激光器或探测器的P型表面电极接触层的制备，或用于磷化铟基平面掺杂势垒二极管结构中的P型掺杂层的制备。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的方法采用退火降温的方式，使InGaAs薄膜中的碳原子得到充分激活，释放出空穴，能够获得高P型掺杂浓度。
本发明制备高掺杂P型铟镓砷薄膜的方法，通过MOCVD生长制备掺杂碳的P型铟镓砷薄膜后，再采用退火降温的方式，能够破坏薄膜中的C-H化学键，形成空穴、电子和H+，使InGaAs薄膜中的碳原子得到充分激活，获得高P型掺杂浓度的铟镓砷薄膜。本方法采用原位退火的方式，适用于MOCVD设备，能够直接应用于现有MOCVD制备外延层薄膜的技术，操作简单。
本发明将上述薄膜的制备方法应用于磷化铟基双异质结晶体管的基区的制备，能够减小基区电阻，提高器件频率；用于磷化铟基激光器或探测器的P型表面电极接触层的制备，能够减小欧姆接触电阻，提高器件转换效率；用于磷化铟基平面掺杂势垒二极管结构中的P型掺杂层的制备，能够提高面电荷密度，提高势垒高度。
附图说明
图1是本发明提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的P型铟镓砷薄膜的制备方法实施例的温度曲线图；
图2-4是本发明制备方法实施例制得不同组分浓度InGaAs薄膜经降温退火后的电化学CV测试曲线图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地描述本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
采用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）生长掺杂碳的P型InGaAs薄膜，所用源材料为：In源：TMIn、Ga源：TMGa、As源：AsH3、C源：CBr4。薄膜生长完后进行原位退火，制得高掺杂P型InGaAs薄膜。具体步骤如下。
1.将3英寸（100）晶面半绝缘型InP衬底（厚度为620um）放入MOCVD反应室内，反应室压力由1000±5mbar降至50±5mbar，时间为10±1min，设备载气由N2转为H2。将反应室由室温线性升温到450±10℃，时间为10±1min。
2.打开所有源阀门，在3英寸（100）晶面半绝缘型InP衬底上生长0.5um的InGaAs掺C薄膜，保持温度为450±10℃，时间为20±2min，压力为50±5mbar，控制As/（In+Ga）摩尔比为1.2±0.2。
3.生长完后将设备载气由H2转为N2，关闭所有的源阀门，线性升温至550±10℃，时间为2±0.2min。
4.进行MOCVD原位退火工艺，采用降温退火的工艺方式，退火温度从550±10℃线性降温到400±10℃，时间为5±1min，压力为50±5mbar。目的是使基区InGaAs中的碳原子得到充分激活，获得高p型掺杂浓度。
采用上述方法，薄膜生长过程中控制In和Ga的不同摩尔比，制备不同组分浓度的InxGa（1-x）As薄膜，分别为In0.4Ga0.6As掺C薄膜、In0.53Ga0.47As掺C薄膜和In0.6Ga0.4As掺C薄膜。
利用电化学CV测试设备分别测试上述In组分x为0.4、0.53、0.6的InxGa（1-x）As掺C薄膜的掺杂浓度分布。参见图2-4，测得x为0.4时的掺杂浓度为8.5E19cm-3，x为0.53时的掺杂浓度为4.2E19cm-3，x为0.6时的掺杂浓度为2E19cm-3。且从图中能够看出，掺杂浓度均匀。
将上述薄膜的制备方法应用于磷化铟基双异质结晶体管的基区的制备，能够减小基区电阻，提高器件频率；用于磷化铟基激光器或探测器的P型表面电极接触层的制备，能够减小欧姆接触电阻，提高器件转换效率；用于磷化铟基平面掺杂势垒二极管结构中的P型掺杂层的制备，能够提高面电荷密度，提高势垒高度。
Claims (8)
1.一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的方法，其特征在于：包括以下步骤：将掺杂碳的铟镓砷薄膜，在氮气环境下进行降温退火，退火温度从550±10℃均匀降到400±10℃，时间为5±1min，压力为50±5mbar。
2.根据权利要求１所述的一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的方法，其特征在于，退火温度从550℃均匀降到400℃，时间为5min，压力为50mbar。
3.根据权利要求１所述的一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的方法，其特征在于，所述铟镓砷薄膜为InxGa（1-x）As，x为0.4-0.6。
4.一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的P型铟镓砷薄膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、采用金属有机化学气相沉积法在衬底上生长掺杂碳的P型铟镓砷薄膜；
S2、将掺杂碳的铟镓砷薄膜，在氮气环境下进行降温退火，退火温度从550±10℃均匀降到400±10℃，时间为5±1min，压力为50±5mbar。
5.根据权利要求4所述一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的P型铟镓砷薄膜的制备方法，其特征在于：步骤S1中，金属有机化学气相沉积法反应室压力50±5mbar，温度为450±10℃，设备载气为H2，按摩尔比向反应室内通入铟源、镓源、砷源和碳源，在半绝缘型磷化铟衬底的（100）晶面上生长掺杂碳的铟镓砷薄膜，生长完后将设备载气由H2转为N2，停止通入各材料的源，将反应室在2±0.2min内线性升温至550±10℃。
6.根据权利要求5所述的一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的P型铟镓砷薄膜的制备方法，其特征在于：铟源、镓源和砷源的通入量为：As/（In+Ga）摩尔比为1.2±0.2。
7.根据权利要求4所述的一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的P型铟镓砷薄膜的制备方法，其特征在于：S2、退火后制得的高掺杂P型铟镓砷薄膜的载流子浓度为8.5E19cm-3-2E19cm-3。
8.根据权利要求4所述的一种提高P型铟镓砷薄膜掺杂浓度的P型铟镓砷薄膜的制备方法的应用，其特征在于：用于磷化铟基双异质结晶体管的基区的制备，或用于磷化铟基激光器或探测器的P型表面电极接触层的制备，或用于磷化铟基平面掺杂势垒二极管结构中的P型掺杂层的制备。
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