專利名稱：磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體微電子、微波器件領(lǐng)域，特別是指一種磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。
為了克服電子的阻擋效應(yīng)，集電區(qū)需要設(shè)計(jì)成特殊的結(jié)構(gòu)。可以在BC結(jié)中間生長(zhǎng)一層組分漸變層，以實(shí)現(xiàn)能帶漸變。目前已經(jīng)研究了各種摻雜和組分的能帶漸變材料來(lái)克服BC結(jié)間電子的阻擋效應(yīng)，并取得了很大成功，但是要想克服由于大的導(dǎo)帶不連續(xù)性造成的電子的阻擋效應(yīng)，就要求有較長(zhǎng)的組分漸變層，較寬的耗盡區(qū)和高的摻雜水平，并且，器件的性能與組分銻度有很大的關(guān)系?？朔娮幼钃跣?yīng)的另一種方法是集電區(qū)用復(fù)合結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，收集區(qū)包含兩種以上不同的材料，如窄帶材料In0.53Ga0.47As和寬帶材料InP材料。為了克服電子阻擋效應(yīng)而不犧牲擊穿電壓，在復(fù)合收集區(qū)，需要優(yōu)化In0.53Ga0.47As層的厚度。在In0.53Ga0.47As和InP之間生長(zhǎng)In0.53Ga0.47As本征層和幾層不同厚度，組分，摻雜濃度的InP或GaInAsP層，以減少每一個(gè)界面的電子陷阱。并且在In0.53Ga0.47As/InP界面使用偶極摻雜。
盡管這兩種結(jié)構(gòu)的InP DHBT擊穿電壓均得到了很大的改善，但這兩種結(jié)構(gòu)均致使集電區(qū)的設(shè)計(jì)復(fù)雜、制備困難，更為嚴(yán)重的是對(duì)提高截止頻率超過(guò)160GHz器件的性能是十分不利的。
設(shè)計(jì)BC結(jié)不存在電子阻擋效應(yīng)的InP DHBT來(lái)提高器件的微波和直流性能是未來(lái)InP HBT的發(fā)展方向。最近，M.W.Dvorak等人提出用與InP晶格匹配的鎵砷銻(GaAs0.51Sb0.49)材料取代In0.53Ga0.47As材料作InPDHBT的基區(qū)，這種最新結(jié)構(gòu)的Npn InP/GaAs0.51Sb0.49/InP DHBT不存在電子阻擋效應(yīng)。據(jù)最新的研究報(bào)道，它的截止頻率已經(jīng)達(dá)到305GHz，充分顯示了它在高頻領(lǐng)域應(yīng)用的潛力。但是美中不足的是P型GaAs0.51Sb0.49材料電子的遷移率μn只有700cm2/vs數(shù)量級(jí)，比P型In0.53Ga0.47As的3000cm2/vs要低很多。要想得到相同的基區(qū)渡越時(shí)間，InP/GaAs0.51Sb0.49DHBT的基區(qū)必須做的比InP/In0.53Ga0.47As DHBT的基區(qū)薄很多。基區(qū)太薄，不但擊穿電壓下降，而且很容易發(fā)生基區(qū)穿通，致使器件損壞。
針對(duì)上述問(wèn)題，在比較了兩種InP DHBT的優(yōu)缺點(diǎn)及深入研究了III-V族化合物半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)、能帶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們提出了兩種新的器件結(jié)構(gòu)，它既可以克服傳統(tǒng)InP DHBT的BC結(jié)存在電子阻擋效應(yīng)的缺點(diǎn)，又能避免InP/GaAs0.51Sb0.49DHBT中GaAs0.51Sb0.49材料電子遷移率低等不足。
本發(fā)明一種磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其特征在于，其中包括一襯底；該襯底上生長(zhǎng)有一層與磷化銦晶格匹配的重?fù)诫s的N型子收集區(qū)；該子收集區(qū)上是輕摻雜的N型磷化銦收集區(qū)；該收集區(qū)生長(zhǎng)有一層與磷化銦晶格匹配的重?fù)诫s的P型作為基區(qū)，基區(qū)上面是磷化銦發(fā)射區(qū)；最上面一層是作歐姆接觸層。
其中在子收集區(qū)上制作集電極。
其中在基區(qū)上制作基極。
其中在歐姆接觸層上制作發(fā)射極。
其中所述的襯底為半絕緣磷化銦材料。
其中所述的N型子收集區(qū)是銦鎵砷材料。
其中所述的P型基區(qū)是銦鎵砷銻材料。
其中所述的歐姆接觸層是銦鎵砷材料。
InP/GaAs0.51Sb0.49/InP DHBT不存在電子阻擋效應(yīng)。但是，它的基區(qū)P型GaAs0.51Sb0.49材料的電子遷移率μn只有700cm2/vs數(shù)量級(jí)，比P型In0.53Ga0.47As的3000cm2/vs要低很多。要想得到相同的基區(qū)渡越時(shí)間，InP/GaAs0.51Sb0.49DHBT的基區(qū)必須做的比InP/In0.53Ga0.47As DHBT的基區(qū)薄很多?；鶇^(qū)太薄，不但擊穿電壓下降，而且很容易發(fā)生基區(qū)穿通，致使器件損壞。
在深入研究了III-V族化合物半導(dǎo)體材料的物理性質(zhì)、能帶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，我們提出了新的器件結(jié)構(gòu)。在基區(qū)用InxGa1-xAsySb1-y材料取代In0.53Ga0.47As及GaAs0.51Sb0.49材料。器件的剖面圖如圖2所示。在基區(qū)材料中摻入適量的In以后，可以提高材料的電子遷移率，因此可以提高器件的頻率特性。材料的電子遷移率隨著In組分的增加而增加，但是，它的導(dǎo)帶能量隨著In組分的增加而降低。所以要控制In的含量，使InxGa1-xAsySb1-y材料導(dǎo)帶的高度不低于InP材料導(dǎo)帶的高度，這樣即可保證這種新結(jié)構(gòu)HBT的BC結(jié)不存在電子阻擋效應(yīng)，同時(shí)又可提高其基區(qū)材料的電子遷移率。
適當(dāng)選取各組分的比例，即x，y的關(guān)系滿足219xy+3833x-4423y+2267＝0時(shí)可以做到基區(qū)InxGa1-xAsySb1-y材料與發(fā)射區(qū)及集電區(qū)InP材料晶格匹配?？刂艻n的含量可以使其BC結(jié)不存在電子阻擋效應(yīng)。在基區(qū)用能帶漸變結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高器件的頻率特性。這兩種新結(jié)構(gòu)的InP DHBT均可以提高器件的直流和微波性能，并且其集電區(qū)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制備容易。
InP/InxGa1-xAsySb1-y/InP DHBT與InP/In0.53Ga0.47As DHBT相比，其優(yōu)點(diǎn)在于它的BC結(jié)不存在電子阻擋效應(yīng)，可以充分發(fā)揮基區(qū)材料高電子遷移率的優(yōu)勢(shì)，而且集電區(qū)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)和制備。與InP/GaAs0.51Sb0.49DHBT相比，它的基區(qū)InxGa1-xAsySb1-y材料的電子遷移率高于GaAs0.51Sb0.49材料的，同樣基區(qū)厚度的情況下，它的頻率特性要高于InP/GaAs0.51Sb0.49DHBT的，在保持相同截止頻率的條件下，它的最大震蕩頻率和擊穿電壓均要高于InP/GaAs0.51Sb0.49DHBT的。此種結(jié)構(gòu)的InP DHBT其BC結(jié)既不存在電子阻擋效應(yīng)，基區(qū)的電子遷移率又高于GaAs0.51Sb0.49，因此，它的微波和直流特性均要高于上述兩種結(jié)構(gòu)的InPDHBT。
本發(fā)明同時(shí)解決了InP/In0.53Ga0.47As DHBT的BC結(jié)存在電子阻擋效應(yīng)和InP/GaAs0.51Sb0.49/InP DHBT基區(qū)GaAs0.51Sb0.49材料電子遷移率低等問(wèn)題。提高器件的直流和微波性能。實(shí)施本發(fā)明的方式本發(fā)明可以用以下兩種器件結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
第一種器件結(jié)構(gòu)基區(qū)用固定組分的InxGa1-xAsySb1-y材料，其中各組分的含量滿足條件219xy+3833x-4423y+2267＝0(如X＝0.15時(shí)，Y＝0.6473，1-Y＝0.3527；X＝0.10時(shí)，Y＝0.6022，1-Y＝0.3978；X＝0.05時(shí)，Y＝0.5573，1-Y＝0.4427；X＝0.00時(shí)，Y＝0.5119，1-Y＝0.4881)可以保證晶格匹配。In的含量x控制在使BC結(jié)不存在電子阻擋效應(yīng)的范圍內(nèi)，Sb的含量可由上述x、y的關(guān)系式求得。這種結(jié)構(gòu)的InP/InxGa1-xAsySb1-y/InP DHBT其各層材料及摻雜類型如表1所示。能帶結(jié)構(gòu)如圖3所示。表1 基區(qū)材料組分不變的InP/InxGa1-xAsySb1-y/InP DHBT結(jié)構(gòu)

其中，N表示N型摻雜，P表示P型摻雜，“+”號(hào)表示重?fù)诫s，“-”號(hào)表示輕摻雜。第二種器件結(jié)構(gòu)在InP半絕緣襯墊1上首先生長(zhǎng)一層與InP晶格匹配的重?fù)诫s的N型Ga0.47In0.53As子收集區(qū)2；在子收集區(qū)2上是輕摻雜的N型InP收集區(qū)3；然后再生長(zhǎng)一層與InP晶格匹配的重?fù)诫s的N型InXGa1-XAsYSb1-Y4作為基區(qū)，其中x、y的值固定不變；基區(qū)上面是InP發(fā)射區(qū)5；最上面一層是歐姆接觸用的Ga0.47In0.53As層6。
表2基區(qū)材料組分漸變的InP/InxGa1-xAsySb1-y/InP DHBT結(jié)構(gòu)

其中，N表示N型摻雜，P表示P型摻雜，“+”號(hào)表示重?fù)诫s，“-”號(hào)表示輕摻雜。
在InP半絕緣襯墊1上首先生長(zhǎng)一層與InP晶格匹配的重?fù)诫s的N型Ga0.47In0.53As子收集區(qū)2；在子收集區(qū)2上是輕摻雜的N型InP收集區(qū)3；然后再生長(zhǎng)一層與InP晶格匹配的重?fù)诫s的P型InXGa1-XAsYSb1-Y作為基區(qū)4，其中x的值逐漸減小，而y則逐漸增加，在x、y變化過(guò)程中要滿足關(guān)系式219xy+3833x-4423y+2267＝0才能保證基區(qū)與集電區(qū)及發(fā)射區(qū)之間晶格匹配；基區(qū)上面是InP發(fā)射區(qū)5；最上面一層是作歐姆接觸用的Ga0.47In0.53As層6。
權(quán)利要求
1.一種磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其特征在于，其中包括一襯底；該襯底上生長(zhǎng)有一層與磷化銦晶格匹配的重?fù)诫s的N型子收集區(qū)；該子收集區(qū)上是輕摻雜的N型磷化銦收集區(qū)；該收集區(qū)生長(zhǎng)有一層與磷化銦晶格匹配的重?fù)诫s的P型作為基區(qū)，基區(qū)上面是磷化銦發(fā)射區(qū)；最上面一層是作歐姆接觸層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其特征在于，其中在子收集區(qū)上制作集電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其特征在于，其中在基區(qū)上制作基極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其特征在于，其中在歐姆接觸層上制作發(fā)射極。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其特征在于，其中所述的襯底為半絕緣磷化銦材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其特征在于，其中所述的N型子收集區(qū)是銦鎵砷材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其特征在于，其中所述的P型基區(qū)是銦鎵砷銻材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其特征在于，其中所述的歐姆接觸層是銦鎵砷材料。
全文摘要
本發(fā)明一種磷化銦基磷化銦/銦鎵砷銻/磷化銦雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管，其中包括一襯底；該襯底上生長(zhǎng)有一層與磷化銦晶格匹配的重?fù)诫s的N型子收集區(qū)；該子收集區(qū)上是輕摻雜的N型磷化銦收集區(qū)；該收集區(qū)生長(zhǎng)有一層與磷化銦晶格匹配的重?fù)诫s的P型作為基區(qū)，基區(qū)上面是磷化銦發(fā)射區(qū)；最上面一層是作歐姆接觸層。
文檔編號(hào)H01L29/66GK1459873SQ02117379
公開(kāi)日2003年12月3日 申請(qǐng)日期2002年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月21日
發(fā)明者石瑞英, 劉訓(xùn)春 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子中心