CN1170322C - CaAsSb/InP双异质结晶体三极管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种GaAsSb/InP双异质结晶体三极管以及金属有机化学气相沉积技术制备三极管材料的方法。本发明晶体三极管由以下三部分组成：集电区、基区和发射区，衬底采用半绝缘的InP单晶片，集电区由生长在衬底之上的N+-InGaAs和低掺杂的N--InP组成，基区由P+-GaAsSb组成，发射区由N--InP和N+-InGaAs欧姆接触层或N--AlInAs和N+-InGaAs欧姆接触层组成。本发明技术重复性好，制备的器件性能优异，是一种理想的制备微波无线通讯及光通讯半导体器件材料的方法。
Description
本发明涉及一种GaAsSb/InP双异质结晶体三极管结构，以及采用金属有机化学气相沉积技术(MOVCD)制备碳掺杂的p-型基区GaAsSb/InP高性能微波晶体三极管材料的方法。
金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition-MOCVD)是最近三十多年逐步发展完善起来的半导体外延材料的先进制备技术，与传统的VPE及LPE技术相比，它可精确控制外延层的厚度、组分，可用来生长超薄层异质材料，如量子阱、超晶格等，已成为半导体外延材料的重要制备技术之一。基于半导体理论的“能带工程”、“波函数工程”、“晶格工程”等为设计高性能的半导体器件结构奠定了基础。
InP与GaAs和Si相比，具有高的电子饱和速度，是制备高速晶体三极管的理想材料。基于InP衬底的异质结晶体三极管(Heterojunction Bipolar Transistor-HBT)是目前速度最快的晶体三极管，同时它还与目前的光通信器件的衬底兼容，易于光电器件集成。美国著名的TRW、RFMD公司已计划将它应用于下一代通讯系统，进行大规模生产。根据晶体管的工作原理，其器件结构可以由能带工程进行设计。八十年代初提出了基于GaAs衬底的AlGaAs/GaAs HBT，利用能带工程对发射区和基区之间的能带关系进行了优化，出现了InGaP/GaAs、GeSi/Si异质结晶体三极管，前者的器件材料生长及工艺制备过程已经达到6英寸衬底上的大批量生产阶段，已用于目前的手机通讯系统。随着对通讯速率越来越高的要求，高速HBT已成为目前研制的热点。为此，除了充分发挥材料本身的特点之外，利用能带工程对HBT的整个器件结构(发射区—基区—集电区)进行系统整体设计已成为必要。目前基于InP衬底的HBT一般采用InP/InGaAs/InP分别为发射区、基区和集电区器件结构。从能带工程的角度进行分析可知，该器件结构虽然优化了发射结，但是其集电结存在问题。电子从基区发射到集电区时需要隧穿通过InGaAs/InP异质结界面势垒，器件性能受到影响。
GaAsSb/InP的能带为II型异质结构：GaAsSb的导带位于InP导带之上180meV，其价带低于InP价带736meV，GaAsSb基区与InP集电区界面不存在电子势垒，以扩散运动传输通过基区的电子在InP集电区具有较高的能量，以弹道方式发射(ballistically)，高速传输到集电极上。同时InP发射区与GaAsSb基区之间有736meV的价带能量差，如此高的势垒对基区的空穴形成有效的限制，可阻止空穴扩散、隧穿进入发射区，降低基区—发射区复合电流。因此GaAsSb/InP是用来制作HBT的理想材料体系，理论上预言InP/GaAsSb/InP HBT具有优良的微波性能。同时由于采用了InP为集电区，HBT的击穿电压也大大提高。
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种高性能的GaAsSb/InP双异质结晶体三极管及其制备方法。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
本发明GaAsSb/InP双异质结晶体三极管的结构由以下三部分组成：集电区、基区和发射区，如图1所示。衬底采用半绝缘的InP(磷化铟)单晶片，集电区由生长在衬底之上的N+-InGaAs和低掺杂的N--InP组成，基区由P+-GaAsSb组成，发射区由发射区由N--InP和N+-InGaAs欧姆接触层或N--AlInAs和N+-InGaAs欧姆接触层组成。
上述欧姆接触层是In0.53Ga0.47As，掺杂为n型，掺杂剂为Si或S，浓度1～3×1019cm-3，厚度为200nm。图2示出几种常见半导体的能隙与晶格常数的关系，可见，当Sb＝0.5时，GaAsSb与InP晶格匹配，当In的含量接近0.53时，InAlAs和InGaAs与InP衬底晶格匹配。
InP作集电区，厚度为100～500nm，掺杂浓度为1～5×1016cm-3；基区为GaAs0.5Sb0.5，掺杂为p型，掺杂剂为C，掺杂浓度3～5×1019cm-3，厚度为10～49nm：发射区由InP或AlInAs，厚度为50～100nm，掺杂浓度为1～5×1017cm-3，掺杂剂为Si或S。
本发明GaAsSb/InP双异质结晶体三极管的制备方法如下：
GaAsSb/InP双异质结晶体三极管的制备主要是材料的制备。材料的制备采用金属有机化学气相外延(MOVCD)方法，外延生长所需的源材料为三甲基铝(TMAl)，三甲基铟(TMIn)，三乙基镓(TEGa)，叔丁基砷(TBAs)或AsH3，磷烷(PH3)或叔丁基磷(TBP)和三甲基锑(TMSb)或三乙基锑(TESb)，n型掺杂源为双硅烷(Si2H6)或H2S；材料的生长温度为500～650℃，生长压力为50～150Torr，生长速度为1μm/h，GaAsSb为晶体管材料的核心。
晶体三极管基区GaAs0.5Sb0.5材料的制备中，作为p-型掺杂剂的碳来自CCl4或CBr4。
上述晶体三极管材料的制备方法中，在p-n结界面插入一个薄层为中间过渡层，用来解决材料生长的困难。
上述晶体三极管材料的制备方法中，从InP到GaAsSb的气体转换，在InP和GaAsSb的中间插入2～10个原子单层的InGaAs为中间过渡层，InP生长完成后，关闭In一秒钟，随后In、Ga、As三者同时进入反应室，再关闭In、Ga源，用H2吹扫一秒；接着Sb、Ga源进入，开始GaAsSb的生长。
上述晶体三极管材料的制备方法中，从GaAsSb到InP的异质结体系的界面转换，采用2～10个原子单层的InGaAs为中间过渡层，GaAsSb生长完成后，关掉Ga源一秒钟，随后关掉Sb源一秒钟，以低速生长InGaAs至2～10个原子单层，关掉As源，通入P源，完成由GaAsSb到InP的界面气体转换。
上述晶体三极管材料的制备方法中，从GaAsSb到AlInAs的界面气体转换，采用2～10个原子单层的InGaAs为中间过渡层，GaAsSb生长完成后，关掉Ga源一秒钟，随后关掉Sb源一秒钟，以低速生长InGaAs至2～10个原子单层，关掉As源，通入P源，完成由GaAsSb到InP的界面气体转换。InGaAs中间过渡层生长完成后，接着生长AlInAs。
本发明制备的高质量的GaAsSb/InP HBT具有低的开启电压，其器件可在较小电压下工作，从而降低电路的功耗，如果该器件用于目前的手机通讯电路中，则在不改变电池性能的情况下，手机可连续工作的时间将成倍增加，由目前的两、三天充电一次，可望提高到一、两周一次。因此使用本发明的材料体系制作的HBT是最有希望的下一代手机适用器件之一。
下面结合附图说明和实施例对本发明做进一步阐述。
图1是异质结晶体三极管的结构图，(a)是晶体三极管的结构示意图，(b)异质结晶体三极管的具体结构图。其中1.发射区，2.基区，3.集电区，4.半绝缘InP衬底，5.欧姆接触，6.发射区，7.基区，8.集电区，9.欧姆接触，10.缓冲层，11.衬底，12.重掺杂N型InGaAs，13.N型InP或AlInAs，14.重掺杂P型GaAsSb，15.N型InP，16.重掺杂N型InGaAs，17.重掺杂N型InP，18.半绝缘InP衬底。
图2是常见半导体的能隙与晶格常数的关系。其中，横坐标是晶格常数，纵坐标是能隙宽度。由图可见，当Sb＝0.5时，GaAsSb与InP晶格匹配，当In的含量接近0.53时AlInAs和InGaAs与InP衬底晶格匹配。
图3GaAsSb层的高分辨X-射线衍射曲线。其中，横坐标是衍射角，纵坐标是强度。图中曲线实线为测量结果，虚线为模拟结果。测量结果和模拟结果相符合，说明材料质量非常好。
图4GaAs0.5Sb0.5的光致发光谱图。其中，横坐标是光子能量，纵坐标是强度。
图5GaAsSb的生长速率、Sb含量、空穴浓度与CCl4流量的关系，其中横坐标是四氯化碳气体的流量，纵坐标：上图是生长速率，中图是固态薄膜中Sb的含量，下图是载流子浓度。
图6GaAsSb中空穴迁移率、电阻率与自由空穴浓度的关系。其中，横坐标是自由空穴浓度，纵坐标是：左边为平均电阻率，右边为300°K时载流子迁移率。
实施例1.InP/GaAs0.5Sb0.5/InP双异质结晶体三极管(DHBT)
InP为发射极和集电极的InP/GaAs0.5Sb0.5/InP双异质结晶体三极管(DHBT)包括掺杂浓度为2×1016cm-3厚度为300nm的InP集电极，掺杂浓度为4×1019cm-3厚度为40nm的GaAs0.5Sb0.5基极，掺杂浓度为3×1017cm-3厚度为1500nm的InP发射极，以及含有50nm InP层(3×1019cm-3)和300nm InGaAs层(3×1019cm-3)的发射结。对于5×12μm2的DHBT，发射极和基极的电流因子分别为1.00和1.05，这说明发射极/基极和集电极/基极异质结具有很高的质量。JC＝1A/cm2的开关电压为VBE＝0.4V，集电极电流开启电压降低到VCE.OFF＝0.015eV。这一具有InP/GaAs0.5Sb0.5/InP结构的双异质结晶体三极管(DHBT)的电流增益超过50，击穿电压大于BVCEO＝6-8V，电流增益截止频率fT超过75GHz。
外延层是在H2流量为6升/分的水平反应室中进行生长的。使用的源材料为三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、三乙基镓(TEGa)、叔丁基砷(TBAs)、叔丁基磷(TBP)和三甲基锑(TMSb)，掺杂源为Si2H6、CCl4。生长温度为600℃，生长压力为100Torr，InP的生长速度为1μm/h，无掺杂的GaAs0.5Sb0.5的生长速度为1.3μm/h。衬底为InP的(100)晶面，为便于气路转换，插入一个厚度小于10nm的InGaAs界面层。V/III比为2，对于与InP晶格匹配的无掺杂的GaAsSb，Sb的分配系数为0.9。这有利于GaAs1-xSbx中的成分控制。随着V/III之比增加，分配系数减小。
在上述生长条件下，在InP衬底上获得了镜面状的GaAs0.5Sb0.5，厚度为70nm的GaAs0.5Sb0.5表面的粗糙度均方根为5nm，但表面明显形成织构。当GaAsSb上面的InP生长到100nm后，表面织构消失并可观察到原子台阶。图3为InP上生长的厚度为70nm的GaAsSb(004)晶面的高分辨X-射线衍射(XRD)曲线，没有检测到相分离的迹象。XRD的峰宽与通过X-射线衍射理论得到的结果一致。这说明获得了高质量的GaAsSb。通过傅立叶干涉仪对低温下的发光特性进行测量，得到InP上生长的GaAs0.5Sb0.5的半高宽为7.7meV，如图4所示。这个结果与分子束外延生长获得的最佳结果一致，是目前最好的结果。
图5为GaAsSb的生长速率、Sb含量、空穴浓度与CCl4流量的关系。在空穴浓度低于8×1019cm-3时，空穴浓度与CCl4流量成线性关系。CCl4对生长速度的影响随其流量增大而加重，重掺杂层的生长速度减小为无掺杂层的一半。当空穴浓度在8×1019cm-3左右时，As在GaAsSb层中大量富集。通过Van der Paul标准样品进行了霍尔效应的空穴浓度测量。无掺杂的GaAs0.5Sb0.5层为p型，其空穴浓度为5×1016cm-3。随着CCl4的沉积，空穴迁移率降低，当掺杂超过1×1019cm-3时，该值降为30cm2/Vs，如图6所示。
实施例2.InP/GaAs0.5Sb0.5/InP双异质结晶体三极管(DHBT)，如实施例1所述，所不同的是，MOCVD外延生长所使用的源材料为三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、三乙基镓(TEGa)、AsH3、PH3和三乙基锑(TESb)，n型掺杂源为H2S，p型掺杂源为CBr4。生长温度为620℃，生长压力为110Torr。
Claims (8)
1.一种GaAsSb/InP双异质结晶体三极管，由发射区、基区和集电区组成，衬底采用半绝缘的磷化铟单晶片，其特征在于，集电区由生长在衬底上的N+-InGaAs和低掺杂的N--InP组成，基区由P+-GaAsSb组成，发射区由N--InP和N+-InGaAs欧姆接触层或N--AlInAs和N+-InGaAs欧姆接触层组成。
2.如权利要求1所述的GaAsSb/InP双异质结晶体三极管，其特征在于，欧姆接触层是In0.53Ga0.47As，掺杂为n型，掺杂剂为Si或S，浓度1～3×1019cm-3，厚度为200nm。
3.如权利要求1所述的GaAsSb/InP双异质结晶体三极管，其特征在于InP作集电区，厚度为100～500nm，掺杂浓度为1～5×1016cm-3；基区为GaAs0.5Sb0.5，掺杂为p型，掺杂剂为C，掺杂浓度3～5×1019cm-3，厚度为10～49nm；发射区由InP或AlInAs组成，厚度为50～100nm，掺杂浓度为1～5×1017cm-3，掺杂剂为Si或S。
4.一种权利要求1所述的GaAsSb/InP双异质结晶体三极管的制备方法，其特征在于，各区材料是采用金属有机化学气相外延方法制备的，外延生长所需的源材料为三甲基铝，三甲基铟，三乙基镓，叔丁基砷或AsH3，磷烷或叔丁基磷和三甲基锑或三乙基锑，n型掺杂源为双硅烷或H2S，基区GaAsSb材料p-型掺杂剂为碳，来自于CCl4或CBr4掺杂源，材料的生长温度为500-650℃，生长压力为20-200Torr，生长速度为1μm/h。
5.如权利要求4所述的GaAsSb/InP双异质结晶体三极管的制备方法，其特征在于，在p-n结界面插入一个薄层。
6.如权利要求4所述的GaAsSb/InP双异质结晶体三极管的制备方法，其特征在于，从InP到GaAsSb的气体转换，在InP和GaAsSb的中间插入2-10个原子单层的InGaAs为中间过渡层，InP生长完成后，关闭In一秒钟，In、Ga、As三者同时进入反应室，随后关闭In、Ga源，用H2吹扫一秒；接着Sb、Ga源进入，开始GaAsSb的生长。
7.如权利要求4所述的GaAsSb/InP双异质结晶体三极管的制备方法，其特征在于，从GaAsSb到InP的异质结体系的界面转换，采用2-10个原子单层的InGaAs为中间过渡层，GaAsSb生长完成后，关掉Ga源一秒钟，随后关掉Sb源一秒钟，以低速生长InGaAs至2-10个原子单层，关掉As源，通入P源，完成由GaAsSb到InP的界面气体转换。
8.如权利要求4所述的GaAsSb/InP双异质结晶体三极管的制备方法，其特征在于，从GaAsSb到AlInAs的界面气体转换，采用2～10个原子单层的InGaAs为中间过渡层，GaAsSb生长完成后，关掉Ga源一秒钟，随后关掉Sb源一秒钟，以低速生长InGaAs至2～10个原子单层，关掉As源，通入P源，完成由GaAsSb到InP的界面气体转换。InGaAs中间过渡层生长完成后，接着生长AlInAs。
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