专利名称：npn型InGaAs/InP DHBT外延层结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及高速npn型InGaAs/InP双异质结双极性晶体管 (DHBT)器件的结构设计技术领域，尤其涉及一种InGaAsP组分渐 变集电极结构的npn型InGaAs/InPDHBT外延层结构。
背景技术：
InP基材料有很高的饱和电子迁移速度，可获得高的基极掺杂浓 度，非常适合作为超高速异质结双极性晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)。 InP基HBT的结构用InP材料作发射极，InGaAs 材料作为基极，InGaAs或InP材料作为集电极。用InGaAs材料作集 电极的HBT，由于只在发射极-基极为异质结构，被称为单异质结双极 性晶体管(SHBT);用InP材料作集电极的HBT，在发射极-基极和基 极-集电极都为异质结构，被称为双异质结双极性晶体管(DHBT)。由 于SHBT中集电极材料的带隙较窄(0.76 eV)，击穿电压较低；而在 DHBT中集电极材料为InP，其带隙为1.35eV，具有较高的击穿电压。
在高频、大功率电路中，要求器件具有较高的击穿电压和较高的 频率，因此就需要使用InP基DHBT。但InP/InGaAs异质结形成I型 能带结构，即InGaAs材料的导带顶要低于InP材料的导带顶。这样， 从InGaAs材料作基极注入的载流子在基极-集电极界面会受到InP集电 极的散射作用，这使载流子在基区的复合增加，增益减小；同时，散 射会造成载流子在集电区的迁移速度低，使HBT的工作电流减小，频 率特性差。
为消除InP基DHBT的基极-集电极导带尖峰，通常采用两种方法， 一是采用InGaAs退后层，InGaAs/InAlAs超晶格渐变层和InP 5掺杂层 的方法来消除导带尖峰；二是采用InGaAs退后层和InGaAsP过渡层来 消除导带尖峰。第一种方法中，InGaAs退后层的作用一是将InP的导带尖峰向集 电极推迟；二是起加速基区注入载流子的速度的作用。InGaAs/InAlAs 超晶格渐变层起平滑导带尖峰的作用；InP 5掺杂层主要作用是降低导 带尖峰。这种结构能获得较高的截止频率，但载流子要通过隧穿越过 超晶格层，这会造成载流子在集电极中的速度降低。而且为获得能带 的平滑作用，InGaAs层和InAlAs层的厚度需要变化，这给生长造成了 很大困难。在用MBE实现的技术中，还可实现；在MOCVD技术中 则很难实现。
第二种方法中，InGaAs退后层作用与第一方法中的相同。InGaAsP 起平滑导带尖峰的作用。这种结构虽然克服了超晶格结构中载流子因 为隧穿而速度降低的问题，但由于InP的导带尖峰并没有降低，会发 生Kirk电流低的问题。
发明内容
(一) 要解决的技术问题
针对上述两者在InGaAs/InP DHBT集电极设计中存在的问题，本 发明的主要目的在于提供一种InGaAsP组分渐变集电极结构的npn型 InGaAs/InPDHBT外延层结构，以消除InGaAs基极和InP集电极所形 成的导带尖峰。
(二) 技术方案
为达到上述目的，本发明提供了 一种npn型InGaAs/InP DHBT外 延层结构，该DHBT结构包括依次相邻接的发射极、基极和集电极， 所述集电极从靠近基极向远离基极的方向依次包括n型InGaAs退后 层、n型InGaAsP过渡层、n型InP重掺杂层、n型InP层和n型集电
极接触层。
优选地，所述n型InGaAs退后层的掺杂浓度为lx1015至 2xl017/cm3，厚度为10至100 nm，且所采用的InGaAs材料与InP材料 的失配度小于0.5%。
优选地，所述n型InGaAsP过渡层的掺杂浓度为lxl0'5至2xl017/cm3，厚度为3至30nm，所采用的InGaAsP材料与InP材料的 失配度小于0.1%,所采用的InGaAsP材料的带隙宽度介于InGaAs与 InP带隙宽度之间，且带隙宽度从基极一侧到集电极一侧逐渐增大，所 述n型InGaAsP的层数为1至20。
优选地，所述n型InP重掺杂层的掺杂浓度2xlO卩至lxl019/cm3， 厚度为3至20 nm，且该n型InP重掺杂层的浓度与厚度的积大于等于 V^。/(^t;)，其中&为集电极材料的介电常数，Ic为InGaAs与InP 材料的导带差，《为电子的电量，rg为渐变层的厚度。
优选地，所述n型InP层的厚度为20至lOOOnm。
优选地，所述发射极采用n型InP材料。
优选地，所述基极采用p型InGaAs材料。
(三)有益效果 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果
1、 本发明避免用超晶格结构，可避免载流子在超晶格结构中隧穿 对运动速度的降低，能提高DHBT的频率特性，消除了 InGaAs基极和 InP集电极所形成的导带尖峰。
2、 本发明加入InP重掺杂层，使导带尖峰降低，有效增加Kirk电 流，提高频率特性。
3、 本发明采用的最薄层厚度为3nm，不仅能用控制较好GSMBE 技术生长，也可用MOCVD技术生长。增加了结构的通用性。使生长 容易控制。
4、 本发明采用InGaAs退后层、InGaAsP四元系和InP重掺杂层 的复合结构，能够消除InGaAs基极和InP集电极的导带尖峰。
图1为本发明提供的叩n型InGaAs/InP DHBT外延层结构的示意
图2为本发明提供的npn型InGaAs/InP DHBT外延层结构的能带 示意图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具 体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1为本发明提供的npn型InGaAs/InP DHBT外延 层结构的示意图，该DHBT外延层结构包括依次相邻接的发射极、基 极和集电极，所述集电极从靠近基极向远离基极的方向依次包括n型 InGaAs退后层、n型InGaAsP过渡层、n型InP重掺杂层、n型InP层 和n型集电极接触层。所述发射极采用n型InP材料，基极采用p型 InGaAs材料。
在靠近基极的一侧采用n型InGaAs材料作为退后层，该n型 InGaAs退后层的掺杂浓度为lxl0"至2xl017/cm3。采用InGaAs的目 的在于，材料与基极材料的相同，其带隙没有变化，这样载流子从基 极进入到集电极时，不会受到阻碍。考虑到实际生长中的误差，要求 InGaAs材料与InP材料的失配度小于0.5%。 InGaAs材料为n型材料。 基极InGaAs材料为p型材料，在集电极的n型InGaAs层与基极形成 pn结，载流子能在集电极的InGaAs层中被加速，这样能有效增加载 流子在集电极中的迁移速度，提高频率特性。InGaAs层的带隙较窄， 考虑到它对击穿电压的影响，退后层的厚度为10至100 nm。考虑到 InGaAsP过渡层的影B向，要求InGaAs层的厚度不小于InGaAsP单层的 厚度。
紧邻所述n型InGaAs退后层采用一层或多层InGaAsP材料作为过 渡层，该n型InGaAsP过渡层的掺杂浓度为lx1015至2xl017/cm3。采 用InGaAsP材料的作用是平滑导带尖峰，减轻导带尖峰对载流子的散 射；二是采用带隙较InGaAs高的InGaAsP材料，增加了击穿电压； InGaAsP的带隙宽度介于InGaAs与InP带隙宽度之间，以起到导带平 滑作用。InGaAsP的层数为1至20。 InGaAsP的带隙宽度从基极一侧 到集电极一侧逐渐增大，以达到平滑集电极能带的目的。InGaAsP的 厚度为3至30nm。层数越多，层厚越薄，平滑作用越好。考虑到实际 生长中的误差，InGaAsP的晶格常数与InP的失配度小于0.1%。
6紧邻所述n型InGaAsP过渡层采用n型InP重掺杂层，该n型InP 重掺杂层的掺杂浓度2xl0"至lxl019/cm3，厚度为3至20nm，且该n 型InP重掺杂层的浓度与厚度的积大于等于￡^&/(《27;)，以使导带尖峰 降低较为充分，其中&为集电极材料的介电常数，^c为InGaAs与InP 材料的导带差，《为电子的电量，7;为渐变层的厚度。InP重掺杂层的 目的在于降低导带尖峰，使基极和重掺杂层间的导带高度降低，防止 形成对载流子的阻挡；InP重惨杂采用n型惨杂，以起到降低导带尖峰 的作用。
紧邻所述n型InP重掺杂层采用n型InP层。该InP材料的厚度为 20至1000nm。为得到较大的击穿电压，应增加InP层的厚度。
以下结合具体的实施例对本发明进一步详细说明。 实施例
在本实施例中，我们采用InGaAs退后层、2层InGaAsP过渡层、 InP重掺杂层和InP层成功实现了集电极的设计。设计的InPDHBT的 增益截止频率大于200 GHz。下面结合具体的结构设计进一步说明本 发明的详细设计思想。
设计中所用发射极的为60 nm厚的n型的InP，掺杂杂质为Si，浓 度为3xl017/cm3;基极为40 nm厚的p型InGaAs材料，掺杂杂质为Be， 摻杂浓度为3xl019/cm3;下面详细介绍集电极的结构设计
2、在靠近基极的一侧采用n型InGaAs材料。采用InGaAs的目的 在于，材料与基极材料的相同，其带隙没有变化，这样载流子从基极 进入到集电极时，不会受到阻碍；
考虑到实际生长中的误差，要求InGaAs材料与InP材料的失配度 小于0.5%，这里所用的InGaAs材料与InP材料的失配小于0.1%;
InGaAs材料为n型材料。基极InGaAs材料为p型材料，在集电 极的n型InGaAs层与基极形成pn结，载流子能在集电极的InGaAs 层中被加速，这样能有效增加载流子在集电极中的迁移速度，提高频 率特性，这里我们为得到更高的特征频率，设计的掺杂浓度为 2xl016/cm3，掺杂杂质为Si。InGaAs层的带隙较窄，考虑到它对击穿电压的影响，退后层的厚 度为10-100nm。这里，为增加击穿电压，厚度为20nm。
考虑到InGaAsP过渡层的影响，要求InGaAs层的厚度不小于 InGaAsP单层的厚度。InGaAs层的厚度要大于单层InGaAsP的厚度(这 里选取10nm)
3、 在n型InGaAs材料后采用一层或多层InGaAsP材料。
采用InGaAsP材料的作用一是平滑导带尖峰，减轻导带尖峰对载 流子的散射；二是采用带隙较InGaAs高的InGaAsP材料，增加了击穿 电压；
两层InGaAsP的掺杂杂质为Si，掺杂浓度2xl016/cm3，。 InGaAsP的带隙宽度介于InGaAs与InP带隙宽度之间，以起到导 带平滑作用。
InGaAsP的层数为1至20。这里我们为降低生长难度，层数为2。
InGaAsP的带隙宽度从基极一侧到集电极一侧逐渐增大。这里两 层材料的带隙宽度分别为靠近InGaAs—侧的带隙宽度为0.95 eV; 另一层InGaAsP的带隙宽度为1.15 eV。
InGaAsP的厚度为3至30 nm。层数越多，层厚越薄，平滑作用越 好。考虑到生长的难度我们选取每层的厚度都为10 nm。
考虑到实际生长中的误差，InGaAsP的晶格常数与InP的失配度小 于0.1%。我们得到的晶格失配小于0.1%。
4、 在InGaAsP后釆用InP重掺杂层。
InP重掺杂层的目的在于降低导带尖峰，使基极和重掺杂层间的导
带高度降低，防止形成对载流子的阻挡；
InP重掺杂采用n型掺杂，掺杂杂质为Si。 掺杂层的厚度为3至20nm，这里我们选取3 nm。 掺杂层的浓度和厚度的积要大于等于w^/(^7;)掺杂浓度为
3xl018/cm3，这个值与厚度的乘积大于v^^/( 7;)。
5、 集电极最后采用n型InP层。
InP材料为n型，这里所用的掺杂杂质为Si，掺杂浓度2xl016/cm3， InP材料的厚度为20至1000 nm。为得到较大的击穿电压，应增加InP层的厚度。综合考虑HBT的频率特性和击穿特性，InP的厚度 选取160 nm。
最后我们得到的HBT的电流增益截止频率大于200 GHz,共发射 极击穿电压为5 V。
在本发明所举的实施例中，采用发射极的为60 nm厚的n型的InP， 掺杂杂质为Si，浓度为3xl017/cm3;基极为40 nm厚的p型InGaAs材 料，掺杂杂质为Be，惨杂浓度为3xl0,cm、 20 nm的n型InGaAs退 后层、2层10 nm的n型InGaAsP过渡层、n型InP重掺杂层和n型InP 层的集电极结构。采用InGaAs退后层，多层InGaAsP过渡层以及InP 重掺杂层和InP层的集电极结构与本发明提供的技术方案在技术思路 上是一致的，应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果 进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体 实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围 之内。
权利要求
1、一种npn型InGaAs/InP双异质结双极性晶体管DHBT外延层结构，该DHBT外延层结构包括依次相邻接的发射极、基极和集电极，其特征在于所述集电极从靠近基极向远离基极的方向依次包括n型InGaAs退后层、n型InGaAsP过渡层、n型InP重掺杂层、n型InP层和n型集电极接触层。
2、 根据权利要求1所述的npn型InGaAs/InPDHBT外延层结构， 其特征在于，所述n型InGaAs退后层的掺杂浓度为lx1015至 2xl017/cm3，厚度为10至100 nm，且所采用的InGaAs材料与InP材料 的失配度小于0.5%。
3、 根据权利要求1所述的npn型InGaAs/InPDHBT外延层结构， 其特征在于，所述n型InGaAsP过渡层的掺杂浓度为lx1015至 2xl017/cm3，厚度为3至30nm，所采用的InGaAsP材料与InP材料的 失配度小于0.1%，所采用的InGaAsP材料的带隙宽度介于InGaAs与 InP带隙宽度之间，且带隙宽度从基极一侧到集电极一侧逐渐增大，所 述n型InGaAsP的层数为1至20。
4、 根据权利要求1所述的npn型InGaAs/InP DHBT外延层结构， 其特征在于，所述n型InP重掺杂层的掺杂浓度2xl0"至lxl019/cm3， 厚度为3至20 nm，且该n型InP重掺杂层的浓度与厚度的积大于等于 e、.z(￡c/(^7;)，其中&为集电极材料的介电常数，/^c为InGaAs与InP 材料的导带差，《为电子的电量，？；为渐变层的厚度。
5、 根据权利要求1所述的npn型InGaAs/InP DHBT外延层结构， 其特征在于，所述n型InP层的厚度为20至lOOOnm。
6、 根据权利要求1所述的npn型InGaAs/InP DHBT外延层结构， 其特征在于，所述发射极采用n型InP材料。
7、 根据权利要求1所述的npn型InGaAs/InP DHBT外延层结构， 其特征在于，所述基极采用p型InGaAs材料。
全文摘要
本发明公开了一种npn型InGaAs/InP双异质结双极性晶体管(DHBT)外延层结构，该DHBT结构包括依次相邻接的发射极、基极和集电极，所述集电极从靠近基极向远离基极的方向依次包括n型InGaAs退后层、n型InGaAsP过渡层、n型InP重掺杂层、n型InP层和n型集电极接触层。利用本发明，可避免载流子在超晶格结构中隧穿对运动速度的降低，能提高DHBT的频率特性，消除了InGaAs基极和InP集电极所形成的导带尖峰。
文档编号H01L29/43GK101552284SQ20081010325
公开日2009年10月7日 申请日期2008年4月2日 优先权日2008年4月2日
发明者刘新宇, 智 金 申请人:中国科学院微电子研究所