一种磷化铟基双异质结双极型晶体管外延层结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明设及双异质结双极晶体管(D皿T)技术领域，尤其是设及npn型InGaAsAnP D皿T技术领域。
【背景技术】
[0002] 憐化铜基双异质结双极型晶体管（InPD皿T)能够同时具有较高的击穿电压和特 征频率，在高频、宽带W及光电集成电路领域里占有显著地位，在雷达、航天卫星、导弹制 导、通信系统、空间防御、高速智能化武器及电子对抗等领域得到了越来越广泛的应用。
[0003]InPDHBT主要包括I型InGaAs/InP和II型GaAsSb/InP两种技术，其中InGaAs/InP 结构的InPD皿T目前主要存在W下缺点：
[0004]1)由于基区InGaAs和集电区InP界面处由于能带不连续而存在导带尖峰，导带尖 峰会阻碍电子由发射区到集电区的输运，使电子的渡越时间增长，产生电流阻塞效应，导致 器件频率降低；
[000引2)InPDHBT的基区材料一般采用InGaAs渗C，C的扩散系数很小，能够精确地控制PN结的位置，但是C在InGaAs中属于两性渗杂元素，其既能提供电子，又能提供空穴，所W InPD皿T的基区InGaAs渗C很难得到高空穴浓度，会严重影响晶体管的性能，导致基区的串 联电阻增大，使器件的频率降低；
[0006]3)基区厚度太大会导致电子在基区的复合变大，电子在基区的渡越时间变长，导 致器件的直流增益和频率降低。
[0007]因此，为了获得更高频率性能的InPD皿T，有必要对上述技术问题做进一步研究 改进。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题是提供一种憐化铜基双异质结双极型晶体管外延层结 构，异质结界面处不存在导带尖峰，电子渡越时间更短，该结构制成的晶体管具有更高的频 率性能。
[0009]为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种憐化铜基双异质结双极 型晶体管外延层结构，自憐化铜衬底向上依次包括轻渗杂的N型憐化铜集电区层、能带渐变 层、重渗杂的P型铜嫁神基区层和N型憐化铜发射区层，所述能带渐变层为四层，其位于集电 区层和基区层之间的结构如下表所示，
[00川进一步地，所述基区层InGaAs中渗杂碳，其渗杂浓度为沈19-祀19cm-3。
[0012]进一步地，所述基区层由MOCVD生长完成后在氮气环境下进行原位退火，退火方式 为降溫退火，退火溫度从550°C降到400°C，时间为5min。
[001引进一步地，所述基区层厚度为20nm-40nm，其InGaAs材料自能带渐变层一侧向发射 区层组分渐变，由Ino.55Gao.45As渐变为Ino.45Gao.55As。
[0014]进一步地，所述集电区层与衬底之间设有次集电区层，所述次集电区层为渗杂Si 的N型InGaAs，厚度为0.3-0.5um，渗杂浓度为祀18-2E19cm-3。
[0015]进一步地，发射区层的上方依次设有发射区接触层和表面电极接触层;所述发射 区接触层为渗杂Si的N型InP材料，厚度为10化m-200皿，渗杂浓度为祀18-2E19cm-3;所述表 面电极接触层为渗杂Si的N型InGaAs材料，厚度为50nm-150nm，渗杂浓度为祀18-2E19cm-3。
[0016] 进一步地，所述衬底为(100)晶面的半绝缘型InP材料，厚度为620um。
[0017]采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本发明采用四层结构的能带渐变层， 能够消除基区和集电区界面的导带尖峰，减小对电子运动的阻碍，提高器件频率。本发明能 带渐变层层数和层的厚度适中，适用于MOCVD生长，生产难度低，质量容易控制。
【附图说明】
[0018]图1为本发明实施例双极型晶体管测试I-V特性曲线；
[0019]图2、图3为本发明实施例双极型晶体管高频特性曲线。
【具体实施方式】
[0020] 针对InGaAsAnP结构的InPD皿T的外延层结构，本发明从W下几个方面考虑对其 进一步优化和改进:为了提高器件的频率特性，减薄基极外延层厚度和提高其渗杂浓度，W 降低载流子基区渡越时间和减小基极串联电阻;为了减小集电结界面InGaAs基区和InP集 电区由于导带不连续引起的电流阻塞效应，在基区和集电区之间插入组分渐变的InGaAsP 能带渐变层，W消除导电尖峰;选取适当的集电区的厚度W优化载流子的集电区渡越时间。
[0021] 下面对本发明作进一步详细的说明。
[002引实施例
[0023] -种憐化铜基双异质结双极型晶体管外延层结构，见图1，衬底为（100)晶面的半 绝缘型InP材料，厚度为620um，在晶体管结构中用于隔离器件，防止器件之间发生短路效 应，自衬底向上依次设有轻渗杂的N型憐化铜集电区层、能带渐变层、重渗杂的P型铜嫁神基 区层和N型憐化铜发射区层，各层结构见下表。
[0024]
[0025]次集电区层为集电区电极接触层，制作在衬底上，次集电区层为渗杂Si的N型 InGaAs,厚度为0.3-0.5um，渗杂浓度为祀18-2E19cnf3。高渗杂有利于实现良好的欧姆接触， 减小串联电阻。
[0026]集电区层为非渗的InP材料，目的是收集由发射区传来的电子；内部存在电场，使 电子加速;减小电容。InP材料代替了传统的InGaAs材料，提高了器件的击穿电压。
[0027]能带渐变层采用四层结构，其中能带渐变层一至能带渐变层S为N型Ina-X) GaxAsyP(i-y)材料，从集电区层向基区层，其各层之间的组分渐变，能带渐变层四为非渗的 InGaxAs材料，各层具有不同的带隙宽度，起到导带平滑作用，消除基区和集电区界面的导 带尖峰，减小对电子运动的阻碍，提高器件频率。
[002引基区层InGaAs中渗杂碳，其渗杂浓度为2E19-5E19cm-3,为在基区层得到高空穴浓 度，基区层由MOCVD生长完成后在氮气环境下进行原位退火，退火方式为降溫退火，退火溫 度从550°C均匀降至lj400°C，时间为5min，使得基区层InGaAs中的碳原子得到充分激活，获得 高渗杂浓度，减小了基区的电阻，提高了器件频率。
[0029]基区层厚度控制在20nm-40nm，窄基区厚度可W减小电子在基区的复合效应，减小 电子的渡越时间，提高器件增益和频率。
[0030]基区层InGaAs材料组分的比例在层内不均一，自能带渐变层一侧向发射区层组分 渐变，由Ino.日日Gao.4日As渐变为Ino.4日Gao.日日As。基区组分渐变能够在基区形成内部电场，使电 子加速，提高器件频率。
[0031]发射区层为N型InP材料，其作用是发射电子。
[0032]发射区接触层为为高渗的N型InP材料，高渗杂有利于实现良好的欧姆接触，减小 串联电阻。
[0033]表面电极接触层为高渗的N型InGaAs材料，高渗杂有利于实现良好的欧姆接触，减 小串联电阻，InGaAs材料可W减小电子的表面复合效应。
[0034]对该实施例外延层结构的双极型晶体管测试I-V特性曲线：
[0035]测试条件:Vce=[0，4]V,Step=O.IV;化=[0，100]uA,St邱=IOuA;Ve=OV;输出 基极电压Vbe,集电极电流Ice。
[0036]测试谱图见图1，从图中能够看出其测试直流增益达到80。
[0037]对该实施例外延层结构的双极型晶体管利用网络分析仪和Ic-cap分析软件来测 试器件的高频特性：
[003引测试频率范围：1E9化到4E10化。
[0039]测试谱图见图2和图3,其中曲线a为测试曲线，直线b为测试曲线a在其拐点处的延 长线，延长线与X轴的交点为频率特性数值。从图中能够看出其测试截止频率Ft达到 220G化，最大工作频率Fmax达到400G化。
【主权项】
1. 一种磷化铟基双异质结双极型晶体管外延层结构，自磷化铟衬底向上依次包括轻掺 杂的N型磷化铟集电区层、能带渐变层、重掺杂的P型铟镓砷基区层和N型磷化铟发射区层， 其特征在于，所述能带渐变层为四层，其位于集电区层和基区层之间的结构如下表所示，2. 根据权利要求1所述的外延层结构，其特征在于，所述基区层InGaAs中掺杂碳，其掺 杂浓度为 2E19-5E19cnf3。3. 根据权利要求2所述的外延层结构，其特征在于，所述基区层由MOCVD生长完成后在 氮气环境下进行原位退火，退火方式为降温退火，退火温度从550°C降到400°C，时间为 5min〇4. 根据权利要求2所述的外延层结构，其特征在于，所述基区层厚度为20nm-40nm，其 InGaAs材料自能带渐变层一侧向发射区层组分渐变，由Ino.55Gao.45As渐变为Ino.45Gao.55As。5. 根据权利要求4所述的外延层结构，其特征在于，所述集电区层与衬底之间设有次集 电区层，所述次集电区层为掺杂Si的N型InGaAs，厚度为0.3-0.5um，掺杂浓度为5E18-2E19cm- 3〇6. 根据权利要求4所述的外延层结构，其特征在于，发射区层的上方依次设有发射区接 触层和表面电极接触层;所述发射区接触层为掺杂Si的N型InP材料，厚度为100nm-200nm， 掺杂浓度为5E18-2E19cnf 3;所述表面电极接触层为掺杂Si的N型InGaAs材料，厚度为50nm-150nm，掺杂浓度为 5E18-2E19cm-3〇7. 根据权利要求5所述的外延层结构，其特征在于，所述衬底为（100)晶面的半绝缘型 InP材料，厚度为620um。
【专利摘要】本发明涉及双异质结双极晶体管(DHBT)技术领域，尤其是涉及npn型InGaAs/InP？DHBT技术领域，具体公开了一种磷化铟基双异质结双极型晶体管外延层结构，自磷化铟衬底向上依次包括轻掺杂的N型磷化铟集电区层、能带渐变层、重掺杂的P型铟镓砷基区层和N型磷化铟发射区层，能带渐变层为四层结构，能带渐变层一至三为N型In(1-x)GaxAsyP(1-y)材料，从集电区层向基区层，其各层之间的组分渐变，能带渐变层四为非掺的InGaxAs材料。本发明结构基区还具有更高的空穴浓度和更薄的厚度。本发明结构异质结界面处不存在导带尖峰，电子渡越时间更短，该结构制成的晶体管具有更高的频率性能。
【IPC分类】H01L29/737, H01L29/06
【公开号】CN105428403
【申请号】CN201510919059
【发明人】张宇, 陈宏泰, 车相辉, 林琳, 位永平, 王晶, 郝文嘉, 于浩
【申请人】中国电子科技集团公司第十三研究所
【公开日】2016年3月23日
【申请日】2015年12月10日