稀有金属 2004,(03),516-518 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.03.018
InGaAs/InP HBT材料的GSMBE生长及其特性研究
邹璐 陈晓杰 齐鸣
中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室,中国科学院上海微系统与信息技术研究所信息功能材料国家重点实验室 上海200050 ,上海200050 ,上海200050 ,上海200050
摘 要：
本文报道了采用气态源分子束外延 (GSMBE) 技术生长InGaAs/InP异质结双极晶体管 (HBT) 材料及其特性的研究。通过对GSMBE生长工艺的优化 , 在半绝缘 ( 10 0 ) InP衬底上成功制备了高质量的InGaAs/InPHBT材料 , InGaAs外延层与InP衬底的晶格失配度仅为 4× 10 - 4量级 , 典型的InP发射区掺杂浓度 ( 4× 10 1 7cm- 3) 时 , 电子迁移率为 80 0cm2 ·V- 1 ·s- 1 , 具有较好的电学特性 , 可以满足器件制作的要求。
关键词：
分子束外延 ;异质结双极晶体管 ;InGaAs ;InP ;
中图分类号： TN304
收稿日期： 2003-09-16
基金： 国家“973”计划资助项目 (G2 0 0 0 0 683 0 4, 2 0 0 2CB3 119);
Growth and Characterization of InGaAs/InP HBT Structural Materials by GSMBE
Abstract：
The InGaAs/InP HBT structural materials were grown by means of gas source molecular beam epitaxy (GSMBE) and the properties of the material were studied. The lattice mismatch between InGaAs epilayer and InP substrate is only 4×10-4 . The electron mobility is 800 cm2 ·V-2 ·s-1 when the carrier concentration of InP emitter is 4×1017 cm-3 . The results show that the quality of the materials is high enough to be applied to the device fabrication.
Keyword：
MBE; HBT; InGaAs; InP;
Received： 2003-09-16
异质结双极晶体管 (HBT) 以其优越的高频高速性能而广泛应用于微波、毫米波电路和数字电路, 其中InP基HBT已成为毫米波段无线通信的关键元器件之一
[1 ]
, 也用于数据传输率超过10 Gbps的高速光通信
[2 ]
。 目前, InGaAs/InP HBT是正在发展的新型微波毫米波器件之一。 InGaAs/InP HBT技术充分利用了InP及相关材料的优点, 包括InGaAs优越的电子传输特性、良好的表面及界面特性和InP与GaAs及其他材料相比具有相对较高的热导率。 此外, InP基HBT在高速光通信中的广泛应用还因为该材料系与1.3～1.55 μm波长的光电子器件在材料上是兼容的, 使光电单片集成成为可能。 分子束外延 (MBE) 是生长HBT微结构材料的主要技术之一, 本文报道了采用气态源分子束外延 (GSMBE) 技术生长InGaAs/InP HBT微结构材料及其特性的研究。
1 实 验
所用生长系统为V80H型GSMBE系统。 采用高纯金属Ga和In作为Ⅲ族源, Si和Be分别用作n 型和p 型掺杂剂。 生长时束流的大小分别由各束源炉的温度控制。 由高纯砷烷 (AsH3 ) 和磷烷 (PH3 ) 裂解后得到的As2 和P2 分别用作As源和P源, 束流大小由压力控制, 裂解温度为1000 ℃。 生长时衬底以每分钟5转的速度旋转, 以保证材料的均匀性。
为了提高外延层的晶体质量, 首先在InP半绝缘衬底上生长InP缓冲层。 由于基区的p型掺杂剂Be较易扩散, 在基区两边采用了隔离层以防止p-n结的偏移。 采用高掺杂的InGaAs做为接触层以减小欧姆接触的电阻。 生长的单异质结InGaAs/InP HBT材料结构如表1所示。 可以看出, 生长这种材料体系的HBT结构涉及到AsH3 和PH3 的气氛切换。 气氛切换关系到异质界面的好坏, 而HBT器件对界面质量十分敏感。 经过大量的实验探索, 我们发展出了如图1所示的AsH3 和PH3 切换工艺。
2 结果与讨论
根据图1的InGaAs/InP HBT材料结构, 必须在生长整个器件结构前设计合理的生长程序, 既保证各层材料的结构及电学性能, 又保证良好的整体材料质量。 获得高质量HBT结构材料的关键在于异质结界面生长过程中的衬底温度控制、 AsH3 和PH3 气氛切换以及In, Ga等束流强度的控制等。 应尽量避免各层界面组分混溶而影响材料性能和后续器件工艺, 并采用厚度合适的隔离层来抑制重掺杂基区Be扩散引起p-n结与异质结的偏位。
表1GSMBE生长InP/InGaAs HBT的材料结构
Table 1 Schematic cross-section of the InP/InGaAs HBT structure grown by GSMBE
材料名称
厚度/nm
掺杂元素
掺杂浓度/cm-3
0.53 Ga0.47 As250
Si
2.00×1019
50
Si
1.00×1019
250
Si
4.00×1017
0.53 Ga0.47 As5
0.53 Ga0.47 As55
Be
2.00×1019
0.53 Ga0.47 As5
0.53 Ga0.47 As650
Si
2.00×1016
0.53 Ga0.47 As50
Si
1.00×1019
30
Si
1.00×1019
Fe
图1 GSMBE生长InP/InGaAs HBT的材料结构 —— Source on; -·-·- Source off
Fig.1 Schematic illustration of the switching operation at InGaAs/InP hetero interface
InGaAs作为HBT的基区材料, 必须与作为发射区的InP材料晶格匹配。 图2给出了所生长的InGaAs/InP外延层的X射线衍射 (XRD) 摇摆曲线, 由此可测得InGaAs/InP异质结构的晶格失配为4.25×10-4 , In组分为0.5297, InGaAs外延层衍射峰的半高全宽 (FWHM) 为23弧秒, 表明外延层具有非常好的晶体质量。
图3给出了用范德堡法对作为发射区的掺硅n型InP外延层进行霍尔测量的结果, 在典型的InP发射区掺杂浓度 (4×1017 cm-3 ) 时, 电子迁移率为800 cm2 ·V-1 ·s-1 , 具有较好的电学特性, 可以满足器件制作的要求。
图2 InGaAs/InP外延层的XRD摇摆曲线
Fig.2 XRD rocking curve of InGaAs/InP epilayer
图3 InP外延层的电子迁移率
Fig.3 Electron mobility of InP epilayer
为了进一步研究材料结构与器件性能的关系, 对所生长的InGaAs/InP HBT结构材料进行了原型器件研制和表征。 所制备的HBT器件发射极面积为100 μm×100μm, 周长面积比为4×10-2 μm-1 。 由于InGaAs/InP体系的材料具有良好的腐蚀选择性, 所以在流片工艺中采用了湿法化学腐蚀制作台面结构。 发射极和集电极采用真空蒸发AuGeNi/Au并合金化制作欧姆接触, 基极采用真空蒸发Cr/Au并合金化制作欧姆接触。
图4为所研制的InGaAs/InP HBT原型器件的BE结和BC结特性曲线, 其中n-InP/p+ -InGaAs异质发射结的正向开启电压为0.9V, p+ -InGaAs/n-InGaAs BC结的开启电压为 0.6 V, BE结和BC结的反向击穿电压分别为10和12 V, 可见器件的结特性较好, 从而反映了所生长的InP/InGaAs HBT材料具有良好的材料性能和界面质量。
图4 BE结和BC结I-V特性
Fig.4 I -V curves of BE and BC junctions
3 小 结
本文通过对GSMBE生长工艺的优化, 在半绝缘 (100) InP衬底上成功地生长出高质量InGaAs/InP HBT材料, 原型器件的研制结果表明, 所得材料具有较好的电学特性, 可以满足器件制作的要求。
参考文献
[1] KobayashiKW , CowlesJ, TranLT , etal. A 50MHz～55GHzmultidecadeInPbasedHBTdistributedamplifier[J].IEEEMicrowaveandGuidedWaveLetters, Oct.1997, 7 (10) :353.
[2] MokhtoriM , SwahnT , WaldenRH , etal. InP HBTchip setfor40Gbpsfiberopticalcommunicationsystemsoperationalat3V [J].IEEEJ.SolidStateCircuits, Sept.1997, 32 (9) :1371.
[3] ChenXJ, LiAZ , ChenJX , etal. GSMBEgrownIn0.49Ga0.51P/GaAsheterojunctionbipolartransistorswithheavilyberylliumdopedbaseandundopedspacer[J].J.CrystalGrowth, 2001, 227-228:352.
