CN117747430A - 一种异质结双极晶体管外延片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于异质结双极晶体管技术领域，具体涉及一种异质结双极晶体管外延片的制备方法。本发明提供制备方法，在MOCVD设备中制备，生长基区之前将所述MOCVD设备的小盘支撑气体变更为氢气和氮气，快速降温20～30℃后进行基区生长；生长完基区后，将所述小盘支撑气体变更为氩气和氮气，快速升温20～30℃后生长发射层。本发明采用改变小盘支撑气体的方式，快速改变外延片表面的温度，外延片表面温度如图2所示，很好的实现了集电区与基区，基区与发射区温度的快速转变，即不影响基区外延层的质量，也不影响外延层界面的质量。
Description
技术领域
本发明属于异质结双极晶体管技术领域，具体涉及一种异质结双极晶体管外延片的制备方法。
背景技术
异质结双极晶体管(HeterojunctionBipolarTransistor，HBT)是一种双极晶体管(BJT)，它使用不同的半导体材料在发射极和基极之间形成异质结。HBT的优点是高电流增益和低基极电阻。此外，由于半导体层本身的材料特性，在GaAs衬底上外延生长化合物半导体层制备的HBTs(以下简称GaAs HBTs)具有很高的电子迁移率，这在高频应用中具有很大的优势。例如，GaAs HBT通常用于移动电话、WiFi终端及其基站，如射频(RF)功率放大器和其他单片微波集成电路(MMIC)等。利用应变半导体层或渐变组成的半导体层对基极、发射极和/或集电极进行带隙工程，可以有效地改善GaAs HBT的性能，例如基区和发射区分别采用InGaAs/InGaP、GaAsSb/InGaP和GaAsPBi/InGaP等材料，可减少HBT的传导电子传递时间，从而提高HBT的高频性能，如高电流增益截止频率(ft)和最大振荡频率(fmax)等。
HBT基极层InGaAs一般是高掺杂，往往需要采用相对较低的生长温度才能获得高掺杂，而发射区需要采用高温生长才能获得较好的材料质量，因此，在InGaAs/InGaP HBT外延生长过程中，如何生长好符合设计要求的InGaAs材料，是制备高性能HBT外延片的难点。
中国专利CN106505100A提出一种异质接面双极晶体管，把InGaAs基区分为四段，从下至上每段组分递增，可以减小失配InGaAs的应变，避免InGaAs的生长厚度超过临界厚度时应力驰豫形成位错，从而减小载流子迁移率。该方法可获得高质量的基区，但也减小了基区的In组分，在一定程度上降低了HBT器件的高频特性。
中国专利CN115831743A提出一种HBT器件的分子束外延生长方法，在集电区层上沉积生长基区层时，镓源炉采用分段线性升温方式升温。在外延生长组分连续渐变的基区层的过程中，通过将镓源炉升温方式设定为分段线性升温方式，按照对数函数关系选择分段目标温度值，实现用分段线性升温方式来近似模拟对数式升温方式，与将镓源炉温度从第一温度阶跃或直接线性升温至第二温度的方式相比，可以显著降低镓源炉在短时快速升温过程中可能出现的温度过冲，从而显著改善因温度过冲导致的基区层InGaAs材料的组分变化异常，有利于提高HBT器件的性能。该方法可获得高质量的基区，但采用分子束外延(MBE)生长方法，外延生长速率慢，成本较高，这也限制了HBT外延片的广泛使用。
综上，目前GaAs/InGaAs/GaInP HBT晶体管存在基区掺杂浓度高外延生长难度大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种异质结双极晶体管外延片的制备方法，本发明采用MOCVD外延生长方法能够制备得到高质量InGaAs基区材料，从而得到的HBT外延片增益高、可靠性好。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种异质结双极晶体管外延片的制备方法，在MOCVD设备中制备，包括以下步骤：
(1)将衬底放入MOCVD设备中，在所述衬底表面依次生长缓冲层、集电极欧姆接触层、集电区腐蚀阻挡层和集电区，得到第一外延片半成品；
(2)将所述MOCVD设备的小盘支撑气体变更为氢气和氮气，对所述第一外延片半成品的表面进行降温后生长基区，所述基区的材料为P型掺杂的InGaAs，所述降温所用时间≤5s，所述降温的温差为20～30℃，得到第二外延片半成品；
(3)将所述小盘支撑气体变更为氩气和氮气，对所述第二外延片半成品的表面进行升温后生长发射层，所述发射层的材料为N型掺杂的InGaP，所述升温所用时间≤5s，所述升温的温差为20～30℃，得到第三外延片半成品；
(4)在所述第三外延片半成品表面生长副发射层和发射区欧姆接触层，得到异质结双极晶体管。
优选的，步骤(2)中：变更所述小盘支撑气体种类之前，还包括：停止向所述MOCVD设备的反应室内通入集电区生长气源，向所述MOCVD设备的反应室内通入TMAs，所述TMAs的流量为180sccm。
优选的，所述氢气和氮气的流量比为(2～5)：(15～20)。
优选的，所述降温的温差为25℃。
优选的，所述基区的生长方法包括以下步骤：维持所述TMAs的流量以及小盘支撑气体种类和流量不变，向所述反应室内通入TMIn、TMGa和CCl4；所述TMIn的流量为60sccm，所述TMGa以双稀释管路通入到反应室中，通入所述反应室的TMGa流量为12sccm。
优选的，所述基区的掺杂浓度为4E19cm-3，厚度为50nm。
优选的，步骤(3)中：变更所述小盘支撑气体种类之前，还包括：维持所述TMAs的流量不变，停止向所述反应室内通入TMIn、TMGa和CCl4。
优选的，所述氩气和氮气的流量比为(17～22)：(0.5～2)。
优选的，所述升温的温差为25℃。
优选的，所述发射层的生长方法包括以下步骤：维持所述小盘支撑气体种类和流量不变，停止向所述反应室内通入TMAs，向所反应室内通入PH3，所述PH3的流量为720sccm；向所述反应室通入TMGa、TMIn和SiH4。
本发明提供了一种异质结双极晶体管外延片的制备方法，在MOCVD设备中制备，包括以下步骤：(1)将衬底放入MOCVD设备中，在所述衬底表面依次生长缓冲层、集电极欧姆接触层、集电区腐蚀阻挡层和集电区，得到第一外延片半成品；(2)将所述MOCVD设备的小盘支撑气体变更为氢气和氮气，对所述第一外延片半成品的表面进行降温后生长基区，所述基区的材料为P型掺杂的InGaAs，所述降温所用时间≤5s，所述降温的温差为20～30℃，得到第二外延片半成品；(3)将所述小盘支撑气体变更为氩气和氮气，对所述第二外延片半成品的表面进行升温后生长发射层，所述发射层的材料为N型掺杂的InGaP，所述升温所用时间≤5s，所述升温的温差为20～30℃，得到第三外延片半成品；(4)在所述第三外延片半成品表面生长副发射层和发射区欧姆接触层，得到异质结双极晶体管。
本发明提供的制备方法得到的HBT外延片可靠性好。原因为：
(1)在生长异质结晶体管基极层，往往需要采用相对较低的生长温度才能获得高掺杂，而集电区和发射区需要采用高温生长才能获得较好的材料质量，因此在外延生长时会存在不同层使用不同的生长温度。传统方法一般在生长完集电区后，改变加热丝的温度，从而改变外延片表面的温度，这种方法耗时较久且温度存在波动。本发明采用改变小盘支撑气体的方式，快速改变外延片表面的温度，避免在集电区和基区、基区和发射区之间，由于等待温度变化带来的界面缺陷，从而提升HBT外延片的可靠性；
(2)本发明利用不同气体导热系数不同，实现外延片表面快速降温。氢气导热系数为1769μW/cm·K，氮气导热系数为250μW/cm·K，氩气导热系数为161μW/cm·K。在同样剂量的热辐射下，采用氩气和氮气混合气作为小盘支撑气体时的小盘温度，比采用氢气和氮气混合气作为小盘支撑气体时的小盘温度低20～30℃。
本发明提供的制备方法得到的HBT外延片增益高。原因为：本发明采用改变小盘支撑气体的方式，快速改变外延片表面的温度，避免了基区在等待温度变化时造成的掺杂扩散，避免了陡峭的PN突变结变成缓变结，因而具有更高的增益。
综上，本发明采用改变小盘支撑气体的方式，快速改变外延片表面的温度，外延片表面温度如图2所示，很好的实现了集电区与基区，基区与发射区温度的快速转变，即不影响基区外延层的质量，也不影响外延层界面的质量。
附图说明
图1为本发明提供的HBT外延结构示意图；
图1中：01为衬底，02为缓冲层，03为集电极欧姆接触层，04为集电区腐蚀阻挡层，05为集电区，06为基区，07为发射层，08为副发射层，09为发射区欧姆接触层；
图2为本发明实施例中外延片表面温度示意图；
图3为本发明实施例1得到的HBT与对比例1制备的HBT的性能对比图。
具体实施方式
本发明提供了一种异质结双极晶体管外延片的制备方法，在MOCVD设备中制备，包括以下步骤：
(1)将衬底放入MOCVD设备中，在所述衬底表面依次生长缓冲层、集电极欧姆接触层、集电区腐蚀阻挡层和集电区，得到第一外延片半成品；
(2)将所述MOCVD设备的小盘支撑气体变更为氢气和氮气，对所述第一外延片半成品的表面进行降温后生长基区，所述基区的材料为P型掺杂的InGaAs，所述降温所用时间≤5s，所述降温的温差为20～30℃，得到第二外延片半成品；
(3)将所述小盘支撑气体变更为氩气和氮气，对所述第二外延片半成品的表面进行升温后生长发射层，所述发射层的材料为N型掺杂的InGaP，所述升温所用时间≤5s，所述升温的温差为20～30℃，得到第三外延片半成品；
(4)在所述第三外延片半成品表面生长副发射层和发射区欧姆接触层，得到异质结双极晶体管。
在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料/组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
本发明提供的异质结双极晶体管外延片的制备方法在MOCVD设备中制备。
本发明提供的异质结双极晶体管的结构示意图如图1所示，下面结合图1，对本发明提供的异质结双极晶体管进行详细说明。本发明提供的异质结双极晶体管包括衬底，依次设置在所述衬底表面的缓冲层、集电极欧姆接触层、集电区腐蚀阻挡层、集电区、基区、发射层、副发射层和发射区欧姆接触层。在本发明的具体实施例中，所述异质结双极晶体管各层的信息如表1所示。
表1本发明提供的HBT外延结构信息表
| 序号 | 外延材料 | 厚度 | 波长 | 掺杂质 | 掺杂 | 备注 |
| 09 | In0.5GaAs | 110nm | Te | 2E19cm-3 | 欧姆接触层 | |
| 08 | GaAs | 140nm | / | Si | 5E18cm-3 | 副发射层 |
| 07 | GaInP | 25nm | Si | 4E17cm-3 | 发射区 | |
| 06 | In0.06GaAs | 50nm | / | C | 4E19cm-3 | 基区 |
| 05 | GaAs | 1100nm | / | Si | 0.5-5E17cm-3 | 集电区 |
| 04 | GaInP | 80nm | Si | 5E18cm-3 | 腐蚀截止层 | |
| 03 | GaAs | 500nm | / | Si | 5E18cm-3 | 接触层 |
| 02 | GaAs | 100nm | / | Si | 1E18cm-3 | 缓冲层 |
| 01 | SI-GaAs | 675um | / | / | 衬底 |
本发明将衬底放入MOCVD设备中，在所述衬底表面依次生长缓冲层、集电极欧姆接触层、集电区腐蚀阻挡层和集电区，得到第一外延片半成品。
在本发明的具体实施例中，所述缓冲层，集电区欧姆接触层、集电区腐蚀阻挡层、集电层的生长优选在MOCVD系统(Aixtron公司)中进行，反应室压力为100mbar，生长温度为680℃，以H2为载气，三甲基铟(TMIn)、三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、四氯化碳(CCl4)、硅烷(SiH4)、三甲基砷(TMAs)、砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)中的一种或多种为反应源气体，依次生长缓冲层，集电区欧姆接触层、集电区腐蚀阻挡层、集电层。本发明对所述缓冲层，集电区欧姆接触层、集电区腐蚀阻挡层、集电层的具体生长方法没有特殊要求。
得到第一外延片半成品后，本发明将所述MOCVD设备的小盘支撑气体变更为氢气和氮气，对所述第一外延片半成品的表面进行降温后生长基区，所述基区的材料为P型掺杂的InGaAs，所述降温所用时间≤5s，所述降温的温差为20～30℃，得到第二外延片半成品。
在本发明中，变更所述小盘支撑气体种类之前，本发明优选还包括：立即关闭TMGa、SiH4和AsH3阀门，停止向所述MOCVD设备的反应室内通入集电区生长气源，开启TMAs阀门，向所述MOCVD设备的反应室内通入TMAs，所述TMAs的流量优选为180sccm。然后把小盘支撑气体变更为氢气和氮气，外延片表面温度在5秒内会下降20～30℃。本发明优选根据氢气和氮气的比例，调节外延片表面的实际温度。所述氢气和氮气的流量比优选为(2～5)：(15～20)，更优选为3:17。所述降温的温差优选为25℃。
在本发明中，降温温度稳定后，所述基区的生长方法优选包括以下步骤：维持所述TMAs的流量以及小盘支撑气体种类和流量不变，向所述反应室内通入TMIn、TMGa和CCl4；所述TMIn的流量为优选60sccm，所述TMGa优选以双稀释管路通入到反应室中，通入所述反应室的TMGa流量优选为12sccm。
本发明将TMIn、TMGa和CCl4一起通入到MOCVD反应室内生长C掺杂的InGaAs，掺杂浓度探测在4E19cm-3的水平，其中，TMIn的Source流量设定为60sccm，TMGa以双稀释管路通入到反应室中，其Source/Dilute/inject流量分别为30/970/400，双稀释管路通入到反应室的气体浓度可通过以下公式计算：
其中，S是实际通入到反应室的气体流量，FSource、FDilute、FInject分别代表Source、Dilute、Injetct的流量。因此，通入到反应室的TMGa流量为12sccm，InGaAs外延层的生长速率与In和Ga的流量呈线性关系，可以计算得到InGaAs的生长速率为0.084nm/s。生长595秒的时间，InGaAs基区的生长厚度为50nm。
得到第二外延片半成品后，本发明将所述小盘支撑气体变更为氩气和氮气，对所述第二外延片半成品的表面进行升温后生长发射层，所述发射层的材料为N型掺杂的InGaP，所述升温所用时间≤5s，所述升温的温差为20～30℃，得到第三外延片半成品。
在本发明中，变更所述小盘支撑气体种类之前，本发明优选还包括：维持所述TMAs的流量不变，立即关闭TMGa、TMIn和CCl4，停止向所述反应室内通入TMIn、TMGa和CCl4。然后把小盘支撑气体变更为氩气和氮气，外延片表面温度在5秒内会上升20～30℃，本发明优选根据氩气和氮气的比例调节外延片表面的实际温度。所述氩气和氮气的流量比优选为(17～22)：(0.5～2)，更优选为19:1。所述升温的温差优选为25℃。
在本发明中，升温温度稳定后，所述发射层的生长方法优选包括以下步骤：维持所述小盘支撑气体种类和流量不变，立即TMAs阀门，停止向所述反应室内通入TMAs，开启PH3阀门，向所反应室内通入PH3，所述PH3的流量优选为720sccm；然后向所述反应室通入TMGa、TMIn和SiH4。
得到第三外延片半成品后，本发明在所述第三外延片半成品表面生长副发射层和发射区欧姆接触层，得到异质结双极晶体管。本发明对所述发射层和发射区欧姆接触层的生长方法没有特殊要求。
本发明采用改变小盘支撑气体的方式，快速改变外延片表面的温度，外延片表面温度如图2所示，很好的实现了集电区与基区，基区与发射区温度的快速转变，即不影响基区外延层的质量，也不影响外延层界面的质量。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例提供的HBT外延结构示意图如图1所示。表1为本实施例提供的HBT外延结构的各层材料、厚度、掺杂元素、掺杂浓度以及对应作用的信息表。按照图1所示结构制备结双极晶体管。
以电阻率为4x108Ω·cm的GaAs作为生长衬底，放入到Aixtron公司的MOCVD系统中生长，反应室压力为100mbar，生长温度为680℃，以H2为载气，三甲基铟(TMIn)、三甲基镓(TMGa)、三甲基铝(TMAl)、四氯化碳(CCl4)、硅烷(SiH4)、三甲基砷(TMAs)、砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)为反应源气体，小盘支撑气体为氮气和氩气的混合气(优选比例19:1)。首先，通入三甲基镓(TMGa)作为源气体，以硅烷(SiH4)作为掺杂气体，TMGa的Source流量设置为100sccm，生长N-GaAs缓冲层和N-GaAs集电区欧姆接触层，然后把AsH3切换为PH3，然后通入三甲基镓(TMGa)和三甲基铟(TMIn)生长GaInP腐蚀截止层，采用的TMGa的Source流量设置为15sccm，TMIn的Source流量为600sccm，然后把PH3切换为AsH3，生长GaAs集电区，TMGa的Source流量设置为100sccm。
生长完集电区后，立即关闭TMGa、SiH4和AsH3阀门，开启TMAs阀门，通入TMAs的Source流量为180sccm。然后把小盘支撑气体变更为氢气和氮气，外延片表面温度在5秒内会下降25℃，根据氢气和氮气的比例，调节外延片表面的实际温度(氢气和氮气流量比例3:17)。然后将TMIn、TMGa和CCl4一起通入到MOCVD反应室内生长C掺杂的InGaAs，掺杂浓度探测在4E19cm-3的水平，其中，TMIn的Source流量设定为60sccm，TMGa以双稀释管路通入到反应室中，其Source/Dilute/inject流量分别为30/970/400，双稀释管路通入到反应室的气体浓度可通过以下公式计算：
其中，S是实际通入到反应室的气体流量，FSource、FDilute、FInject分别代表Source、Dilute、Injetct的流量。因此，通入到反应室的TMGa流量为12sccm，InGaAs外延层的生长速率与In和Ga的流量呈线性关系，可以计算得到InGaAs的生长速率为0.084nm/s。生长595秒的时间，InGaAs基区的生长厚度为50nm。然后，立即关闭TMGa、TMIn和CCl4，然后把小盘支撑气体变更为氩气和氮气，外延片表面温度在5秒内会上升25℃可根据氩气和氮气的比例，调节外延片表面的实际温度(氩气和氮气流量比例19:1)。5秒温度稳定后，立即关闭TMAs阀门，开启PH3阀门，通入PH3的Source流量为720sccm，然后通入TMGa、TMIn和SiH4等源气体，生长发射区InGaP外延层，然后生长GaAs副发射区和InGaAs欧姆接触层，即形成完整的HBT外延结构。
对比例1
传统工艺与本发明相比，所用的设备和衬底是相同的，衬底表面的缓冲层、集电极欧姆接触层、集电区腐蚀阻挡层和集电区的生长工艺与实施例1相同，生长完集电区后，立即关闭TMGa、SiH4阀门和AsH3阀门，开启TMAs阀门，通入TMAs的Source流量为180sccm。然后设置温度下降，准备生长基区。通过降低设置温度，外延片表面温度下降25℃，降温持续时间约55秒，然后将TMIn、TMGa和CCl4一起通入到MOCVD反应室内生长C掺杂的InGaAs，掺杂浓度在4E19cm-3的水平(与实施例1相同)。生长完基区后，立即关闭TMGa、TMIn和CCl4，然后设置温度上升，准备生长发射区。通过升高设置温度，外延片表面温度上升25℃，降温持续时间约55秒，然后立即关闭TMAs阀门，开启PH3阀门，通入PH3的Source流量为720sccm，然后通入TMGa、TMIn和SiH4等源气体，生长发射区InGaP外延层(与实施例1相同)，然后生长GaAs副发射区和InGaAs欧姆接触层，即形成完整的HBT外延结构。
测试例
把本发明实施例1和对比例1获得的外延片，制备为E区面积为75μm×75μm大小的晶体管器件，测试其电流增益放大倍数和基区方阻特性，结果如图3所示。
由图3可知，采用本发明工艺生长的外延片，电流增益放大倍数从110～130增加到140～150，增加了10％以上。这是由于生长基区后界面暂停时间短，避免了基区在等待温度变化时造成的掺杂扩散，避免了陡峭的PN突变结变成缓变结，因而具有更高的增益。
由以上实施例可知本发明提供异质结双极晶体管外延片的制备方法，针对GaAs/InGaAs/GaInP HBT晶体管基区掺杂浓度高外延生长难度大的情况，本发明提供了一种高质量InGaAs基区材料的MOCVD外延生长方法，获得HBT增益大、可靠性好。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (10)
1.一种异质结双极晶体管外延片的制备方法，其特征在于，在MOCVD设备中制备，包括以下步骤：
(1)将衬底放入MOCVD设备中，在所述衬底表面依次生长缓冲层、集电极欧姆接触层、集电区腐蚀阻挡层和集电区，得到第一外延片半成品；
(2)将所述MOCVD设备的小盘支撑气体变更为氢气和氮气，对所述第一外延片半成品的表面进行降温后生长基区，所述基区的材料为P型掺杂的InGaAs，所述降温所用时间≤5s，所述降温的温差为20～30℃，得到第二外延片半成品；
(3)将所述小盘支撑气体变更为氩气和氮气，对所述第二外延片半成品的表面进行升温后生长发射层，所述发射层的材料为N型掺杂的InGaP，所述升温所用时间≤5s，所述升温的温差为20～30℃，得到第三外延片半成品；
(4)在所述第三外延片半成品表面生长副发射层和发射区欧姆接触层，得到异质结双极晶体管。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中：变更所述小盘支撑气体种类之前，还包括：停止向所述MOCVD设备的反应室内通入集电区生长气源，向所述MOCVD设备的反应室内通入TMAs，所述TMAs的流量为180sccm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氢气和氮气的流量比为(2～5)：(15～20)。
4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述降温的温差为25℃。
5.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述基区的生长方法包括以下步骤：维持所述TMAs的流量以及小盘支撑气体种类和流量不变，向所述反应室内通入TMIn、TMGa和CCl4；所述TMIn的流量为60sccm，所述TMGa以双稀释管路通入到反应室中，通入所述反应室的TMGa流量为12sccm。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在，所述基区的掺杂浓度为4E19cm-3，厚度为50nm。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中：变更所述小盘支撑气体种类之前，还包括：维持所述TMAs的流量不变，停止向所述反应室内通入TMIn、TMGa和CCl4。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氩气和氮气的流量比为(17～22)：(0.5～2)。
9.根据权利要求1或8所述的制备方法，其特征在于，所述升温的温差为25℃。
10.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，所述发射层的生长方法包括以下步骤：维持所述小盘支撑气体种类和流量不变，停止向所述反应室内通入TMAs，向所反应室内通入PH3，所述PH3的流量为720sccm；向所述反应室通入TMGa、TMIn和SiH4。
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