一种基于深能级瞬态谱测试的InP/InGaAs异质结构及其制备方法与流程

本发明属于微电子技术领域，尤其涉及一种基于深能级瞬态谱测试的inp/ingaas异质结构及其制备方法。

背景技术：

inp/ingaas异质结双极型晶体管inp/ingaashbts是最常见的iii-v族化合物hbts，其具有的高频、低功耗特性使得它成为空间应用领域非常有竞争力的器件。空间辐射产生的缺陷使inp/ingaashbts器件电特性退化：如电流增益β降低、开启电压vce,off增大等，产生这些退化的原因是由于辐照后inp/ingaas异质结产生的缺陷所致，然而由于实际的hbt结构较为复杂，尚未有对辐照后inp/ingaas异质结构中的缺陷进行定量表征。

图1是现有的inp/ingaashbt中的inp/ingaas异质结构，其中ingaas层高掺杂，厚度很薄，inp发射区也很薄，且为低掺杂，因而在很小的反偏电压下，发射区完全耗尽，其结电容较大，超出了深能级瞬态谱测试范围，深能级瞬态谱测试要求结电容一般在pf量级，因此有必要提出一种新的inp/ingaas异质结构，使之满足深能级瞬态谱测试的要求。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于深能级瞬态谱测试的inp/ingaas异质结构及其制备方法，旨在解决现有的hbt结构较为复杂、且inp/ingaas异质结构中结电容过大，从而无法利用深能级瞬态谱测试技术对辐照缺陷进行定量表征的问题。

本发明是这样实现的，一种基于深能级瞬态谱测试的inp/ingaas异质结构，包括n⁺-inp衬底、n-inp层、p⁺-ingaas层、p⁺-ingaas欧姆接触层、n区欧姆接触电极和p区欧姆接触电极；其中，n⁺-inp衬底、n-inp层、p⁺-ingaas层和p⁺-ingaas欧姆接触层自下而上依次排列，在n⁺-inp衬底上的n-inp层和p⁺-ingaas层共同构成inp/ingaas异质结外延层，p⁺-ingaas欧姆接触层生长于p⁺-ingaas层的上部，p区欧姆接触电极制作在p⁺-ingaas欧姆接触层的顶部，n区欧姆接触电极制作在n⁺-inp衬底的底部。

本发明的特点还在于，所述n⁺-inp衬底采用(100)晶向，且为si高掺杂，掺杂浓度10¹⁸cm^-3。

本发明的特点还在于，所述inp/ingaas异质结外延层中，p⁺-ingaas层的in摩尔组分为0.53，ga摩尔组分为0.47，掺杂为c元素。

本发明的特点还在于，所述p⁺-ingaas欧姆接触层的厚度为200nm，si掺杂浓度10¹⁹cm^-3。

本发明的特点还在于，n区欧姆接触电极和p区欧姆接触电极均为多层金属电极，其中，与p⁺-ingaas欧姆接触层相接触的p区欧姆接触电极作为顶部金属电极，具有pt/ti/pt/au结构金属层，pt/ti/pt/au结构金属层的pt、ti、pt、au的厚度依次为2nm、15nm、15nm、120nm；与n⁺-inp衬底相接触的n区欧姆接触电极作为底部金属电极，具有ni/ge/au结构金属层，ni/ge/au结构金属层的ni、ge、au厚度依次为30nm、50nm、250nm。

本发明的特点还在于，所述inp/ingaas异质结外延层采用金属有机化学气相淀积技术生长。

本发明的特点还在于，所述n-inp层的厚度为200-300nm，si掺杂浓度为10¹⁷cm^-3；外延层中p⁺-ingaas层的厚度为50-80nm，c掺杂浓度10¹⁹cm^-3。

本发明的特点还在于，所述p⁺-ingaas欧姆接触层采用与p⁺-ingaas层相同的摩尔组分。

本发明的特点还在于，两个所述欧姆接触电极均采用电子束蒸发工艺制备。

本发明同时提供了一种制备上述基于深能级瞬态谱测试的inp/ingaas异质结构的方法，包括如下步骤：

步骤1、制备n⁺-inp衬底：衬底采用(100)晶向，掺杂为si，掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，以形成衬底层；

步骤2、在制备好的n⁺-inp衬底上，采用金属有机化学气相淀积技术外延生长低晶格失配的inp/ingaas异质结构：通过金属有机化学气相淀积技术首先在n⁺-inp衬底上生长n-inp层，该结构中n-inp层厚度为200-300nm，低掺杂si，掺杂浓度为10¹⁷cm^-3；然后在n-inp层上生长厚度为50-80nm的p⁺-ingaas层，in摩尔组分为0.53，ga摩尔组分为0.47，掺杂为c元素，掺杂浓度为10¹⁷cm^-3，从而形成inp/ingaas异质结；

步骤3、在该异质结上淀积一层厚度为200nm的p⁺-ingaas层，p⁺-ingaas层采用异质结中p⁺-ingaas层相同的摩尔组分，si掺杂，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3，以形成p⁺-ingaas欧姆接触层；

步骤4、制备电极：在与n⁺-inp衬底接触的底部，利用电子束蒸发工艺，依次淀积厚度为30nm/50nm/250nm的ni/ge/au金属，400℃的温度下退火15s，形成n区欧姆接触电极；然后在p⁺-ingaas欧姆接触层的顶部依次淀积厚度为2nm/15nm/15nm/120nm的pt/ti/pt/au金属，形成p区欧姆接触电极；

步骤5、通过常规光刻工艺，在溴甲醇溶液中腐蚀成结面积在4×10^-4cm^-3～1×10^-3cm^-3范围内的台面二极管，最终完成inp/ingaas异质结构的制备。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种基于深能级瞬态谱测试的inp/ingaas异质结构，与现有的inp/ingaashbt中inp/ingaas异质结的结构相比，本发明采用4层结构，结构较为简单，一方面增加了n-inp层的厚度，使得在一定反向偏压下，耗尽层宽度不至于完全耗尽，从而增加了耗尽层宽度，而结电容和耗尽层宽度成反比，在异质结面积不变的情况下，减小了结电容，从而能进行深能级瞬态谱测试；另一方面，采用台面结构，即只保留pn结及其必要的部分，把不必要的部分腐蚀掉，其剩余的部分便呈现出台面形，和图1所示的平面型二极管相比，在几何尺寸上，减小了异质结的结面积，也能在一定程度上使得结电容减小，从而满足深能级瞬态谱测试要求，进而可通过对深能级瞬态谱测试分析，得到inp/ingaas异质结构中的的深能级缺陷信息，进而可以对辐照后的inp/ingaas异质结构中的缺陷进行定量表征。

附图说明

图1为现有常用inp/ingaashbt中的inp/ingaas异质结构图；

图2为现有inp/ingaas异质结构的c-v特性曲线；

图3为本发明提供的一种inp/ingaas异质结构图；

图4为采用本发明提供的inp/ingaas异质结构的c-v特性曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方法和优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例提供的一种基于深能级瞬态谱测试的inp/ingaas异质结构，可用于深能级瞬态谱测试，如图3所示，本发明实施例提供的一种基于深能级瞬态谱测试的inp/ingaas异质结构，包括n⁺-inp衬底、n-inp层、p⁺-ingaas层、p⁺-ingaas欧姆接触层、n区欧姆接触电极和p区欧姆接触电极，n⁺-inp衬底、n-inp层、p⁺-ingaas层和p⁺-ingaas欧姆接触层自下而上依次排列，在n⁺-inp衬底上的n-inp层和p⁺-ingaas层共同构成inp/ingaas异质结外延层，p⁺-ingaas欧姆接触层生长于p⁺-ingaas层的上部，p区欧姆接触电极制作在p⁺-ingaas欧姆接触层的顶部，n区欧姆接触电极制作在n⁺-inp衬底的底部。

在本发明实施例中，n⁺-inp衬底采用(100)晶向，且为si高掺杂，掺杂浓度10¹⁸cm^-3。

inp/ingaas异质结外延层中，p⁺-ingaas层相当于hbt中的基区，为了减小异质结的晶格失配和晶格缺陷，p⁺-ingaas层的in摩尔组分为0.53，ga摩尔组分为0.47，掺杂为c元素。进一步，inp/ingaas异质结外延层中n-inp的厚度为200-300nm，si掺杂浓度为10¹⁷cm^-3；外延层中p⁺-ingaas层的厚度为50-80nm，c掺杂浓度10¹⁹cm^-3。inp/ingaas异质结外延层采用金属有机化学气相淀积技术生长。

p⁺-ingaas欧姆接触层的厚度为200nm，掺杂浓度10¹⁹cm^-3左右。为了形成良好的欧姆接触，以及减少界面缺陷，p⁺-ingaas欧姆接触层采用与inp/ingaas异质结外延层中p⁺-ingaas层相同的摩尔组分。

p区欧姆接触电极和n区欧姆接触电极均为多层金属电极，其中与p⁺-ingaas欧姆接触层相接触的p区欧姆接触电极作为顶部金属电极，具有pt/ti/pt/au结构金属层，pt/ti/pt/au结构金属层的pt、ti、pt、au的厚度依次为2nm、15nm、15nm、120nm；与n⁺-inp衬底相接触的n区欧姆接触电极作为底部金属电极，具有ni/ge/au结构金属层，ni/ge/au结构金属层的ni、ge、au厚度依次为30nm、50nm、250nm。两个欧姆接触电极均采用电子束蒸发工艺制备。

本发明实施例提供的基于深能级瞬态谱测试的inp/ingaas异质结构，n⁺-inp衬底：一方面用作衬底材料，另一方面作欧姆接触；inp/ingaas异质结外延层中n-inp层，一方面用作hbt中的发射区，另一方面，作为缓冲层，防止衬底中的杂质扩散进入p⁺-ingaas层。

本发明设计的结构较为简单，增加了n-inp层的厚度，且整个结构做成台面型，而利用结电容和耗尽层宽度成反比，以及与结面积成正比的关系，在一定范围的反向偏压下，减小了结电容，从而能对inp/ingaas异质结构中的辐照缺陷进行定量表征。

本发明实施例同时提供了一种制备上述基于深能级瞬态谱测试的inp/ingaas异质结构的方法，具体过程为：

第一步，制备n⁺-inp衬底：衬底采用(100)晶向，掺杂为si，掺杂浓度为10¹⁸cm^-3，以形成衬底层；

第二步，在制备好的n⁺-inp衬底上，采用金属有机化学气相淀积技术(mocvd)外延生长低晶格失配的inp/ingaas异质结构：通过金属有机化学气相淀积技术首先在n⁺-inp衬底上生长n-inp层，该结构中n-inp层厚度为250nm，低掺杂si，掺杂浓度为10¹⁷cm-³；然后在n-inp层上生长厚度为50nm的p⁺-ingaas层，in摩尔组分为0.53，ga摩尔组分为0.47，掺杂为c元素，掺杂浓度为10¹⁷cm-³，从而形成inp/ingaas异质结；

第三步，在该异质结上淀积一层厚度为200nm的p⁺-ingaas层，为了形成良好的欧姆接触，以及减少界面缺陷，采用异质结中p⁺-ingaas层层相同的摩尔组分，si掺杂，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3，以形成p⁺-ingaas欧姆接触层；

第四步，制备电极：在与衬底接触的n⁺-inp层的背面，利用电子束蒸发工艺，依次淀积厚度为30nm/50nm/250nm的ni/ge/au金属，400℃的温度下退火15s，形成n区欧姆接触电极；然后在p⁺-ingaas欧姆接触层的顶部依次淀积厚度为2nm/15nm/15nm/120nm的pt/ti/pt/au金属，形成p区欧姆接触电极；

最后，通过常规光刻工艺，在溴甲醇溶液中腐蚀成结面积为4×10^-4cm^-3的台面二极管，最终形成的inp/ingaas异质结构如图3所示。

采用上述结构后的c-v曲线如图4所示，相比图2中目前普遍的inp/ingaas异质结构的c-v特性曲线，可以看出在反向偏压0-2v范围内，结电容大大减少，在pf量级，能够满足深能级瞬态谱测试要求。

在本发明实施例中，对上述所得到的inp/ingaas异质结构进行深能级瞬态谱测试分析，包括：设置实验条件、确定深能级位置和俘获截面以深能级的浓度、深能级深度分布。

实验条件设置为：将inp/ingaas异质结置于反向偏置，然后再施加一个固定的较高频率(1mhz)变化的电压，2v左右，电压值在反向偏压vr和填充脉冲电压vp之间反复变化，保证|vr|＞|vp|，脉冲宽度tp为1ms-100ms之间，率窗时间en为0.1s^-1-10s^-1之间，在77k～450k温度扫描，得到电容随温度的变化曲线，即为深能级瞬态谱；

然后根据上一步所得的深能级瞬态谱，作出in(en/t²)与1/t关系的直线图，从该图的斜率求出inp/ingaas异质结深能级的位置et，截距求出俘获截面σn,p；

然后根据求出异质结中的深能级浓度：

其中，nt是深能级浓度，nd为电离杂质浓度，c∞为稳态结电容，δc0为零时刻的结电容和稳态结电容之差。

最后，保持异质结上的反向偏压vr不变，通过改变填充脉冲电压vp进行测量，从而得到深能级在inp/ingaas异质结构中的分布情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。