一種InGaAsBi高遷移率材料的制備方法及結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種InGaAsBi高電子迀移率材料的制備方法及構(gòu)筑而成的結(jié)構(gòu)。所述的方法是通過氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)進(jìn)行材料生長，屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]稀鉍材料是目前m-v族化合物半導(dǎo)體中研究較少的材料體系，但由于其具有高迀移率等特性成為近幾年在國際上引起關(guān)注的研究熱點之一。對稀鉍材料的初步研究發(fā)現(xiàn)其有許多新的物理性質(zhì)，比如強帶隙收縮，價帶邊上升，強自旋軌道耦合，具有表面劑作用及對電子輸運影響小等。因為鉍元素是V族元素中最大最重的元素，當(dāng)被引入II1-V族化合物中時，會形成最大的自旋軌道耦合，導(dǎo)致價帶邊上升，剪裁能帶。同時研究發(fā)現(xiàn)，在不同的生長條件下，摻碳還可分別獲得超高濃度的P型或η型InGaAsBi，可用于異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)等器件的基區(qū)或歐姆接觸層。HBT的優(yōu)異特性是直接由價帶在異質(zhì)界面處的不連續(xù)ΔEv造成的，AEv增加了發(fā)射極異質(zhì)結(jié)處價帶勢皇的高度，從而使得HBT可以使用較高濃度的基區(qū)，同時維持極高的發(fā)射效率和電流增益。而高摻雜濃度可以降低基區(qū)的方塊電阻，且可減小基區(qū)厚度而不用擔(dān)心穿通效應(yīng)。薄的基區(qū)厚度可以降低基區(qū)渡越時間，提高器件的截止頻率。因此，在InP/InGaAs/InP DHBT基區(qū)或歐姆接觸層的InGaAs中引入Bi具有提高器件性能的潛力(圖1所示，圖中CB—導(dǎo)帶，HH—重空穴帶，LH—輕空穴帶，以及SO—軌道自旋分裂帶)。
[0003]從圖1可以看出在HBT中，增加ΔΕν，射基異質(zhì)結(jié)處價帶勢皇升高，此效應(yīng)可以采用較高濃度基區(qū)，而同時維持極高的發(fā)射效率和電流增益;高摻雜濃度則可以降低基區(qū)的方塊電阻，且基區(qū)很薄而不用擔(dān)心穿通效(punch through)。窄基區(qū)寬度可以降低基區(qū)渡越時間，且增加截止頻率。【Alberi K,Dubon O D,ffalukiewicz ff, Yu K Μ,Bertulis K andKrotkus A 2007Appl.Phys.Lett.91051909][Fluegel B,Francoeur S,Mascarenhas A,Tixier S,Young E C and Tiedje T 2006Phys.Rev.Lett.97067205HKudrawiec R,Kopaczek J1Misiewicz J,Petropoulos J P1Zhong Y and Zide JMO201lAppl.Phys.Lett.99251906][Carrier P and Wei S H 2004Phys.Rev.B 70035212】【Jin S and John Sweeney S2013J.Appl.Phys.114213103】【Marko I P,Batool Z1HildK,Jin S R,Hossain N1Hosea T J C,Petropoulos J P,Zhong Y,Dongmo P B,Zide JMOand Sweeney S J2012Appl.Phys.Lett.101221108】
[0004]本申請的發(fā)明人擬利用氣態(tài)源分子束外延(GSifflE)技術(shù)，在磷化銦襯底上生長InGaAsBi高電子迀移率材料，通過微納米加工技術(shù)制備高電子迀移率晶體管材料，發(fā)展與IC工藝兼容的集成技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于提供一種InGaAsBi高電子迀移率材料制備方法，所述的方法是采用氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)進(jìn)行材料生長。
[0006]材料生長工藝流程如圖2所示，由所述的方法通過微納米技術(shù)制備出高電子迀移率晶體管材料。由圖2方法提供的材料結(jié)構(gòu)如圖3所示。
[0007]具體的說，在本發(fā)明制備InGaAsBi高電子迀移率材料的過程中，采用半絕緣單拋的InP(10)襯底。先在InP襯底上外延生長一層InGaAs緩沖層，InGaAs緩沖層的引入可以使材料從襯底到結(jié)構(gòu)有良好的過渡，減少直接進(jìn)行異質(zhì)外延引起的缺陷和位錯等，然后生長InGaAsBi 層。
[0008]將襯底送入外延系統(tǒng)的預(yù)處理室進(jìn)行除氣。對于InP襯底，除氣溫度為300°C;除氣約30分鐘，完成后即可傳入生長室。生長前的襯底表面解吸:InP襯底在As氣氛的保護(hù)下加熱至解吸溫度(400°C?430°C)以去除表面的氧化層;解吸的過程用高能電子衍射(RHEED)來監(jiān)控。
[0009]由高純砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)裂解后得到的As2和P2分別用作As源和P源，砷烷和磷烷的束流強度由束源爐的管道壓力來控制，V族束源的裂解溫度為1000°C<JnP在GSMBE生長時的襯底溫度為400°C ,AsH3的裂解溫度為1000°C，通過調(diào)節(jié)氣路中AsH3的壓力來控制As束流的大小。在本文實驗中，氣源爐六8出的壓力?￥ = 450?5501'0^，相應(yīng)的生長室壓力為1.8?2.5 X I O—5Torr。生長時襯底以每分鐘5轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)，以保證外延材料的均勻性。對于只含有一種V族元素的三元系材料InGaAs來說，其生長速率主要取決于III族元素In和Ga的分子束強度之和，而組份則由In和Ga的分子束強度比決定。因此，為了調(diào)節(jié)InGaAs外延層的組份以達(dá)到設(shè)計要求，必須精確校正In和Ga的束流比fIn/fGa(fIn/fA1)。本發(fā)明采用X射線衍射(XRD)來測定外延層與襯底之間的失配度，通過盧瑟福背散射(RBS)測試來確定Bi的組份并據(jù)此計算合金材料的組份。
[0010]如上所述，采用氣態(tài)源分子束外延(GSMBE)制備InGaAsBi高電子迀移率材料制備方法，其的優(yōu)點歸納如下:
[0011]1、在InP材料體系選擇上，充分利用InP材料體系高的電子飽和速度，以及和常用的光通信用光電器件襯底兼容，易于實現(xiàn)光電集成。由于InP基激光器和光電探測器的工作波長恰好位于光纖的傳輸窗口 1.3?1.55μπι之間，InP基HEMT器件很容易實現(xiàn)光電集成。
[0012]2、材料生長的可控性好，可以實現(xiàn)材料的生長溫度，厚度，均勻性等多方面的良好控制。GSMBE為超高真空系統(tǒng)，使用高純度的分子束源，可獲得高純單晶；生長溫度相對較低，體擴散對組份和摻雜濃度分布的干擾被降到最低;可以通過控制束源爐快門擋板的開啟或者關(guān)，監(jiān)測手段多監(jiān)測手段多，可以生長受熱力學(xué)機理限制的處于不互溶隙范圍內(nèi)的多元系材料;MBE在生長機理上屬于非平衡反應(yīng)動力學(xué)過程，達(dá)到突然噴射或者終止分子束流的目的，因而可得到突變的組份界面和陡峭的摻雜濃度分布;監(jiān)測手段多，可以在生長過程中進(jìn)行實時監(jiān)控，精確控制束流強度和生長速率；
[0013]3、創(chuàng)新點在于利用GSMBE在材料生長方面的優(yōu)勢，減少InGaAsBi高電子迀移率材料生長過程中界面粗糙容易引入合金無序。我們設(shè)計采用間斷生長的方法，在InGaAs緩沖層和InGaAsBi生長時，分別采用間斷10秒和20秒的方法，保證膜生長方式分為臺階流動式生長，避免形成二維形核式生長。InGaAsBi高電子迀移率材料外延方法比較多，可以用MBE，MOCVD等等，并且材料結(jié)構(gòu)簡單成熟，適合批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0014]圖1為InGaAs材料中引入Bi后價帶變化示意圖；
[0015]圖2為材料生長工藝流程示意圖；
[0016]圖3為本發(fā)明制備方法生成的磷化銦基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖4為InGaAsBi/InP材料的XRD搖擺曲線。A圖為存在InGaAs緩沖層的不同Bi組份的InGaAsBi材料示意圖；B圖為不存在InGaAs緩沖層的不同Bi組份的InGaAsBi材料示意圖。
[0018]圖5為InGaAsBi/InP材料的盧瑟福背散射(RBS)測試曲線。通過盧瑟福背散射測試確定InGaAsB i材料中B i的組份。
[0019]圖6為InGaAsBi/InP材料的表面粗糙度曲線。
[0020]圖7為InGaAsBi/InP材料的電學(xué)特性曲線。從圖中可以看出含有InGaAs緩沖層的InGaAsBi材料在迀移率等電學(xué)特性方面比不含有InGaAs緩沖層的InGaAsBi材料有明顯的優(yōu)勢，具有較高的電子迀移率。
【具體實施方式】
[0021 ] 實施例1高迀移率InGaAsBi材料的制備方法
[0022]將襯底送入外延系統(tǒng)的預(yù)處理室進(jìn)行除氣。對于InP襯底，除氣溫度為300°C;除氣約30分鐘，完成后即可傳入生長室。生長前的襯底表面解吸:InP襯底在As氣氛的保護(hù)下加熱至解吸溫度(400°C?430°C)以去除表面的氧化層;解吸的過程用高能電子衍射(RHEED)來監(jiān)控。
[0023]由高純砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)裂解后得到的As2和P2分別用作As源和P源，砷烷和磷烷的束流強度由束源爐的管道壓力來控制