專利名稱：npn型InGaAs/InP DHBT外延層結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高速npn型InGaAs/InP雙異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管 (DHBT)器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種InGaAsP組分漸 變集電極結(jié)構(gòu)的npn型InGaAs/InPDHBT外延層結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
InP基材料有很高的飽和電子遷移速度，可獲得高的基極摻雜濃 度，非常適合作為超高速異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)。 InP基HBT的結(jié)構(gòu)用InP材料作發(fā)射極，InGaAs 材料作為基極，InGaAs或InP材料作為集電極。用InGaAs材料作集 電極的HBT，由于只在發(fā)射極-基極為異質(zhì)結(jié)構(gòu)，被稱為單異質(zhì)結(jié)雙極 性晶體管(SHBT);用InP材料作集電極的HBT，在發(fā)射極-基極和基 極-集電極都為異質(zhì)結(jié)構(gòu)，被稱為雙異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管(DHBT)。由 于SHBT中集電極材料的帶隙較窄(0.76 eV)，擊穿電壓較低；而在 DHBT中集電極材料為InP，其帶隙為1.35eV，具有較高的擊穿電壓。
在高頻、大功率電路中，要求器件具有較高的擊穿電壓和較高的 頻率，因此就需要使用InP基DHBT。但I(xiàn)nP/InGaAs異質(zhì)結(jié)形成I型 能帶結(jié)構(gòu)，即InGaAs材料的導(dǎo)帶頂要低于InP材料的導(dǎo)帶頂。這樣， 從InGaAs材料作基極注入的載流子在基極-集電極界面會(huì)受到InP集電 極的散射作用，這使載流子在基區(qū)的復(fù)合增加，增益減小；同時(shí)，散 射會(huì)造成載流子在集電區(qū)的遷移速度低，使HBT的工作電流減小，頻 率特性差。
為消除InP基DHBT的基極-集電極導(dǎo)帶尖峰，通常采用兩種方法， 一是采用InGaAs退后層，InGaAs/InAlAs超晶格漸變層和InP 5摻雜層 的方法來(lái)消除導(dǎo)帶尖峰；二是采用InGaAs退后層和InGaAsP過(guò)渡層來(lái) 消除導(dǎo)帶尖峰。第一種方法中，InGaAs退后層的作用一是將InP的導(dǎo)帶尖峰向集 電極推遲；二是起加速基區(qū)注入載流子的速度的作用。InGaAs/InAlAs 超晶格漸變層起平滑導(dǎo)帶尖峰的作用；InP 5摻雜層主要作用是降低導(dǎo) 帶尖峰。這種結(jié)構(gòu)能獲得較高的截止頻率，但載流子要通過(guò)隧穿越過(guò) 超晶格層，這會(huì)造成載流子在集電極中的速度降低。而且為獲得能帶 的平滑作用，InGaAs層和InAlAs層的厚度需要變化，這給生長(zhǎng)造成了 很大困難。在用MBE實(shí)現(xiàn)的技術(shù)中，還可實(shí)現(xiàn)；在MOCVD技術(shù)中 則很難實(shí)現(xiàn)。
第二種方法中，InGaAs退后層作用與第一方法中的相同。InGaAsP 起平滑導(dǎo)帶尖峰的作用。這種結(jié)構(gòu)雖然克服了超晶格結(jié)構(gòu)中載流子因 為隧穿而速度降低的問(wèn)題，但由于InP的導(dǎo)帶尖峰并沒(méi)有降低，會(huì)發(fā) 生Kirk電流低的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
(一) 要解決的技術(shù)問(wèn)題
針對(duì)上述兩者在InGaAs/InP DHBT集電極設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，本 發(fā)明的主要目的在于提供一種InGaAsP組分漸變集電極結(jié)構(gòu)的npn型 InGaAs/InPDHBT外延層結(jié)構(gòu)，以消除InGaAs基極和InP集電極所形 成的導(dǎo)帶尖峰。
(二) 技術(shù)方案
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了 一種npn型InGaAs/InP DHBT外 延層結(jié)構(gòu)，該DHBT結(jié)構(gòu)包括依次相鄰接的發(fā)射極、基極和集電極， 所述集電極從靠近基極向遠(yuǎn)離基極的方向依次包括n型InGaAs退后 層、n型InGaAsP過(guò)渡層、n型InP重?fù)诫s層、n型InP層和n型集電
極接觸層。
優(yōu)選地，所述n型InGaAs退后層的摻雜濃度為lx1015至 2xl017/cm3，厚度為10至100 nm，且所采用的InGaAs材料與InP材料 的失配度小于0.5%。
優(yōu)選地，所述n型InGaAsP過(guò)渡層的摻雜濃度為lxl0'5至2xl017/cm3，厚度為3至30nm，所采用的InGaAsP材料與InP材料的 失配度小于0.1%,所采用的InGaAsP材料的帶隙寬度介于InGaAs與 InP帶隙寬度之間，且?guī)秾挾葟幕鶚O一側(cè)到集電極一側(cè)逐漸增大，所 述n型InGaAsP的層數(shù)為1至20。
優(yōu)選地，所述n型InP重?fù)诫s層的摻雜濃度2xlO卩至lxl019/cm3， 厚度為3至20 nm，且該n型InP重?fù)诫s層的濃度與厚度的積大于等于 V^。/(^t;)，其中&為集電極材料的介電常數(shù)，Ic為InGaAs與InP 材料的導(dǎo)帶差，《為電子的電量，rg為漸變層的厚度。
優(yōu)選地，所述n型InP層的厚度為20至lOOOnm。
優(yōu)選地，所述發(fā)射極采用n型InP材料。
優(yōu)選地，所述基極采用p型InGaAs材料。
(三)有益效果 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、 本發(fā)明避免用超晶格結(jié)構(gòu)，可避免載流子在超晶格結(jié)構(gòu)中隧穿 對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的降低，能提高DHBT的頻率特性，消除了 InGaAs基極和 InP集電極所形成的導(dǎo)帶尖峰。
2、 本發(fā)明加入InP重?fù)诫s層，使導(dǎo)帶尖峰降低，有效增加Kirk電 流，提高頻率特性。
3、 本發(fā)明采用的最薄層厚度為3nm，不僅能用控制較好GSMBE 技術(shù)生長(zhǎng)，也可用MOCVD技術(shù)生長(zhǎng)。增加了結(jié)構(gòu)的通用性。使生長(zhǎng) 容易控制。
4、 本發(fā)明采用InGaAs退后層、InGaAsP四元系和InP重?fù)诫s層 的復(fù)合結(jié)構(gòu)，能夠消除InGaAs基極和InP集電極的導(dǎo)帶尖峰。


圖1為本發(fā)明提供的叩n型InGaAs/InP DHBT外延層結(jié)構(gòu)的示意
圖2為本發(fā)明提供的npn型InGaAs/InP DHBT外延層結(jié)構(gòu)的能帶 示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具 體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，圖1為本發(fā)明提供的npn型InGaAs/InP DHBT外延 層結(jié)構(gòu)的示意圖，該DHBT外延層結(jié)構(gòu)包括依次相鄰接的發(fā)射極、基 極和集電極，所述集電極從靠近基極向遠(yuǎn)離基極的方向依次包括n型 InGaAs退后層、n型InGaAsP過(guò)渡層、n型InP重?fù)诫s層、n型InP層 和n型集電極接觸層。所述發(fā)射極采用n型InP材料，基極采用p型 InGaAs材料。
在靠近基極的一側(cè)采用n型InGaAs材料作為退后層，該n型 InGaAs退后層的摻雜濃度為lxl0"至2xl017/cm3。采用InGaAs的目 的在于，材料與基極材料的相同，其帶隙沒(méi)有變化，這樣載流子從基 極進(jìn)入到集電極時(shí)，不會(huì)受到阻礙?？紤]到實(shí)際生長(zhǎng)中的誤差，要求 InGaAs材料與InP材料的失配度小于0.5%。 InGaAs材料為n型材料。 基極InGaAs材料為p型材料，在集電極的n型InGaAs層與基極形成 pn結(jié)，載流子能在集電極的InGaAs層中被加速，這樣能有效增加載 流子在集電極中的遷移速度，提高頻率特性。InGaAs層的帶隙較窄， 考慮到它對(duì)擊穿電壓的影響，退后層的厚度為10至100 nm?？紤]到 InGaAsP過(guò)渡層的影B向，要求InGaAs層的厚度不小于InGaAsP單層的 厚度。
緊鄰所述n型InGaAs退后層采用一層或多層InGaAsP材料作為過(guò) 渡層，該n型InGaAsP過(guò)渡層的摻雜濃度為lx1015至2xl017/cm3。采 用InGaAsP材料的作用是平滑導(dǎo)帶尖峰，減輕導(dǎo)帶尖峰對(duì)載流子的散 射；二是采用帶隙較InGaAs高的InGaAsP材料，增加了擊穿電壓； InGaAsP的帶隙寬度介于InGaAs與InP帶隙寬度之間，以起到導(dǎo)帶平 滑作用。InGaAsP的層數(shù)為1至20。 InGaAsP的帶隙寬度從基極一側(cè) 到集電極一側(cè)逐漸增大，以達(dá)到平滑集電極能帶的目的。InGaAsP的 厚度為3至30nm。層數(shù)越多，層厚越薄，平滑作用越好?？紤]到實(shí)際 生長(zhǎng)中的誤差，InGaAsP的晶格常數(shù)與InP的失配度小于0.1%。
6緊鄰所述n型InGaAsP過(guò)渡層采用n型InP重?fù)诫s層，該n型InP 重?fù)诫s層的摻雜濃度2xl0"至lxl019/cm3，厚度為3至20nm，且該n 型InP重?fù)诫s層的濃度與厚度的積大于等于￡^&/(《27;)，以使導(dǎo)帶尖峰 降低較為充分，其中&為集電極材料的介電常數(shù)，^c為InGaAs與InP 材料的導(dǎo)帶差，《為電子的電量，7;為漸變層的厚度。InP重?fù)诫s層的 目的在于降低導(dǎo)帶尖峰，使基極和重?fù)诫s層間的導(dǎo)帶高度降低，防止 形成對(duì)載流子的阻擋；InP重慘雜采用n型慘雜，以起到降低導(dǎo)帶尖峰 的作用。
緊鄰所述n型InP重?fù)诫s層采用n型InP層。該InP材料的厚度為 20至1000nm。為得到較大的擊穿電壓，應(yīng)增加InP層的厚度。
以下結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。 實(shí)施例
在本實(shí)施例中，我們采用InGaAs退后層、2層InGaAsP過(guò)渡層、 InP重?fù)诫s層和InP層成功實(shí)現(xiàn)了集電極的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的InPDHBT的 增益截止頻率大于200 GHz。下面結(jié)合具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)一步說(shuō)明本 發(fā)明的詳細(xì)設(shè)計(jì)思想。
設(shè)計(jì)中所用發(fā)射極的為60 nm厚的n型的InP，摻雜雜質(zhì)為Si，濃 度為3xl017/cm3;基極為40 nm厚的p型InGaAs材料，摻雜雜質(zhì)為Be， 摻雜濃度為3xl019/cm3;下面詳細(xì)介紹集電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2、在靠近基極的一側(cè)采用n型InGaAs材料。采用InGaAs的目的 在于，材料與基極材料的相同，其帶隙沒(méi)有變化，這樣載流子從基極 進(jìn)入到集電極時(shí)，不會(huì)受到阻礙；
考慮到實(shí)際生長(zhǎng)中的誤差，要求InGaAs材料與InP材料的失配度 小于0.5%，這里所用的InGaAs材料與InP材料的失配小于0.1%;
InGaAs材料為n型材料。基極InGaAs材料為p型材料，在集電 極的n型InGaAs層與基極形成pn結(jié)，載流子能在集電極的InGaAs 層中被加速，這樣能有效增加載流子在集電極中的遷移速度，提高頻 率特性，這里我們?yōu)榈玫礁叩奶卣黝l率，設(shè)計(jì)的摻雜濃度為 2xl016/cm3，摻雜雜質(zhì)為Si。InGaAs層的帶隙較窄，考慮到它對(duì)擊穿電壓的影響，退后層的厚 度為10-100nm。這里，為增加擊穿電壓，厚度為20nm。
考慮到InGaAsP過(guò)渡層的影響，要求InGaAs層的厚度不小于 InGaAsP單層的厚度。InGaAs層的厚度要大于單層InGaAsP的厚度(這 里選取10nm)
3、 在n型InGaAs材料后采用一層或多層InGaAsP材料。
采用InGaAsP材料的作用一是平滑導(dǎo)帶尖峰，減輕導(dǎo)帶尖峰對(duì)載 流子的散射；二是采用帶隙較InGaAs高的InGaAsP材料，增加了擊穿 電壓；
兩層InGaAsP的摻雜雜質(zhì)為Si，摻雜濃度2xl016/cm3，。 InGaAsP的帶隙寬度介于InGaAs與InP帶隙寬度之間，以起到導(dǎo) 帶平滑作用。
InGaAsP的層數(shù)為1至20。這里我們?yōu)榻档蜕L(zhǎng)難度，層數(shù)為2。
InGaAsP的帶隙寬度從基極一側(cè)到集電極一側(cè)逐漸增大。這里兩 層材料的帶隙寬度分別為靠近InGaAs—側(cè)的帶隙寬度為0.95 eV; 另一層InGaAsP的帶隙寬度為1.15 eV。
InGaAsP的厚度為3至30 nm。層數(shù)越多，層厚越薄，平滑作用越 好?？紤]到生長(zhǎng)的難度我們選取每層的厚度都為10 nm。
考慮到實(shí)際生長(zhǎng)中的誤差，InGaAsP的晶格常數(shù)與InP的失配度小 于0.1%。我們得到的晶格失配小于0.1%。
4、 在InGaAsP后釆用InP重?fù)诫s層。
InP重?fù)诫s層的目的在于降低導(dǎo)帶尖峰，使基極和重?fù)诫s層間的導(dǎo)
帶高度降低，防止形成對(duì)載流子的阻擋；
InP重?fù)诫s采用n型摻雜，摻雜雜質(zhì)為Si。 摻雜層的厚度為3至20nm，這里我們選取3 nm。 摻雜層的濃度和厚度的積要大于等于w^/(^7;)摻雜濃度為
3xl018/cm3，這個(gè)值與厚度的乘積大于v^^/( 7;)。
5、 集電極最后采用n型InP層。
InP材料為n型，這里所用的摻雜雜質(zhì)為Si，摻雜濃度2xl016/cm3， InP材料的厚度為20至1000 nm。為得到較大的擊穿電壓，應(yīng)增加InP層的厚度。綜合考慮HBT的頻率特性和擊穿特性，InP的厚度 選取160 nm。
最后我們得到的HBT的電流增益截止頻率大于200 GHz,共發(fā)射 極擊穿電壓為5 V。
在本發(fā)明所舉的實(shí)施例中，采用發(fā)射極的為60 nm厚的n型的InP， 摻雜雜質(zhì)為Si，濃度為3xl017/cm3;基極為40 nm厚的p型InGaAs材 料，摻雜雜質(zhì)為Be，慘雜濃度為3xl0,cm、 20 nm的n型InGaAs退 后層、2層10 nm的n型InGaAsP過(guò)渡層、n型InP重?fù)诫s層和n型InP 層的集電極結(jié)構(gòu)。采用InGaAs退后層，多層InGaAsP過(guò)渡層以及InP 重?fù)诫s層和InP層的集電極結(jié)構(gòu)與本發(fā)明提供的技術(shù)方案在技術(shù)思路 上是一致的，應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果 進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體 實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)， 所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍 之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種npn型InGaAs/InP雙異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管DHBT外延層結(jié)構(gòu)，該DHBT外延層結(jié)構(gòu)包括依次相鄰接的發(fā)射極、基極和集電極，其特征在于所述集電極從靠近基極向遠(yuǎn)離基極的方向依次包括n型InGaAs退后層、n型InGaAsP過(guò)渡層、n型InP重?fù)诫s層、n型InP層和n型集電極接觸層。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的npn型InGaAs/InPDHBT外延層結(jié)構(gòu)， 其特征在于，所述n型InGaAs退后層的摻雜濃度為lx1015至 2xl017/cm3，厚度為10至100 nm，且所采用的InGaAs材料與InP材料 的失配度小于0.5%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的npn型InGaAs/InPDHBT外延層結(jié)構(gòu)， 其特征在于，所述n型InGaAsP過(guò)渡層的摻雜濃度為lx1015至 2xl017/cm3，厚度為3至30nm，所采用的InGaAsP材料與InP材料的 失配度小于0.1%，所采用的InGaAsP材料的帶隙寬度介于InGaAs與 InP帶隙寬度之間，且?guī)秾挾葟幕鶚O一側(cè)到集電極一側(cè)逐漸增大，所 述n型InGaAsP的層數(shù)為1至20。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的npn型InGaAs/InP DHBT外延層結(jié)構(gòu)， 其特征在于，所述n型InP重?fù)诫s層的摻雜濃度2xl0"至lxl019/cm3， 厚度為3至20 nm，且該n型InP重?fù)诫s層的濃度與厚度的積大于等于 e、.z(￡c/(^7;)，其中&為集電極材料的介電常數(shù)，/^c為InGaAs與InP 材料的導(dǎo)帶差，《為電子的電量，？；為漸變層的厚度。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的npn型InGaAs/InP DHBT外延層結(jié)構(gòu)， 其特征在于，所述n型InP層的厚度為20至lOOOnm。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的npn型InGaAs/InP DHBT外延層結(jié)構(gòu)， 其特征在于，所述發(fā)射極采用n型InP材料。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的npn型InGaAs/InP DHBT外延層結(jié)構(gòu)， 其特征在于，所述基極采用p型InGaAs材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種npn型InGaAs/InP雙異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管(DHBT)外延層結(jié)構(gòu)，該DHBT結(jié)構(gòu)包括依次相鄰接的發(fā)射極、基極和集電極，所述集電極從靠近基極向遠(yuǎn)離基極的方向依次包括n型InGaAs退后層、n型InGaAsP過(guò)渡層、n型InP重?fù)诫s層、n型InP層和n型集電極接觸層。利用本發(fā)明，可避免載流子在超晶格結(jié)構(gòu)中隧穿對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的降低，能提高DHBT的頻率特性，消除了InGaAs基極和InP集電極所形成的導(dǎo)帶尖峰。
文檔編號(hào)H01L29/43GK101552284SQ20081010325
公開日2009年10月7日 申請(qǐng)日期2008年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月2日
發(fā)明者劉新宇, 智 金 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所