异质结双极晶体管及其外延生长方法

摘要

本申请提供了一种异质结双极晶体管及其外延生长方法。所述异质结双极晶体管的外延生长方法中，在外延生长发射极接触层之前进行的热处理。其中所述热处理的环境为不含砷的气体环境。即所述热处理工艺进行前控制含砷气体化合物通入有机金属气相沉积反应炉中各管路阀门的关闭。所述异质结双极晶体管的外延生长方法可以改善异质结双极晶体管中的暂态效应，减少在基层中的氢离子浓度，改善基层材料的结晶性，减少基层内的复合电流，使异质结双极晶体管的电流增益变异程度小于5％。

说明书

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种异质结双极晶体管及其外延生长方法。

背景技术

随着科技的快速发展，人与人之间的通讯、资料的传输等，已经由原来的有线传输转变为无线传输。而无线传输系统(Wireless communication system)是目前通讯科技中蓬勃发展的领域。Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体由于其具有高功率、高线性度(linear)、高崩溃电压、低功率损耗(power dissipation)等优点正好符合功率放大器的需求，异质结双极晶体管(HBT)由于具备高频及高效率的优势而被广泛应用于智能手机以及平板电脑中。

但是目前异质结双极晶体管的的电流增益与发射极向基层的电子注入的电流、基层向发射极的空穴注入的电流、发射极与基层界面再复合的电流以及基层内再复合的电流均有关系。其中，基层内再复合电流的大小对电流增益的影响较大，然而基层内再复合电流的大小与基层材料的结晶性有很大关系。基层材料的结晶性不良会导致基层内再复合的电流增加从而使得电晶体的电流增益下降，因此为了获得较好的电晶体特性必须使基层保持较好的结晶性。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种异质结双极晶体管及其外延生长方法。所述异质结双极晶体管的外延生长方法中，在外延生长发射极接触层之前进行的热处理。其中所述热处理的环境为不含砷的气体环境。即所述热处理工艺进行前控制含砷气体化合物通入有机金属气相沉积反应炉中各管路阀门的关闭。所述异质结双极晶体管的外延生长方法可以改善异质结双极晶体管中的暂态效应，减少在基层中的氢离子浓度，改善基层材料的结晶性，减少基层内的复合电流，使电晶体的电流增益变异程度小于5％。

本申请提供的技术方案如下：

一种异质结双极晶体管的外延生长方法，包括：

提供半绝缘基板；

在所述半绝缘基板的表面外延生长半导体结构层；

对所述半导体结构层进行热处理，其中所述热处理的环境为不含砷的气体环境；

在经过所述热处理之后的所述半导体结构层的表面进一步外延生长发射极接触层。

进一步地，所述热处理的气体环境的压强设置为40torr～50torr。

进一步地，所述热处理的温度范围在500℃～700℃。

进一步地，所述热处理的时间范围在1min～15min。

进一步地，在所述半绝缘基板的表面外延生长半导体结构层的步骤，包括：

在所述半绝缘基板的表面外延生长缓冲层；

在所述缓冲层远离所述半绝缘基板的表面外延生长次集电极层；

在所述次集电极层远离所述缓冲层的表面外延生长集电极层；

在所述集电极层远离所述次集电极层的表面外延生长基层；

在所述基层远离所述集电极层的表面外延生长发射极层；以及

在所述发射基层远离所述基层的表面外延生长发射极覆盖层。

本申请还提供一种异质结双极晶体管，所述异质结双极晶体管包括：

依次外延生长的半绝缘基板、缓冲层、次集电极层、集电极层、基层、发射极层、发射极覆盖层以及发射极接触层；

其中，在外延生长所述发射极接触层之前，在不含砷的气体环境中进行热处理。

进一步地，所述缓冲层、所述次集电极层、所述集电极层、所述基层、所述发射极层、所述发射极覆盖层以及所述发射极接触层的材质为Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体材质中的一种或者多种的组合。

进一步地，所述基层为含碳原子掺杂的p型半导体层，其中p型掺杂的材料为卤化甲烷、四溴化碳以及四溴化碳中的一种或者多种组合。

进一步地，所述发射极覆盖层为n型半导体发射极覆盖层，其中n型掺杂的材料为乙硅烷、甲硅烷以及二乙基碲及氢化物混合物中的一种或者多种组合。

进一步地，所述发射极覆盖层为多层复合的半导体层，多层复合的半导体层中的每一层半导体层的掺杂浓度不同，掺杂浓度在1x10

本申请提供的方案中，在外延生长发射极接触层之前进行的热处理。其中所述热处理的环境为不含砷的气体环境。即所述热处理工艺进行前控制含砷气体化合物通入有机金属气相沉积反应炉中各管路阀门的关闭。所述异质结双极晶体管的外延生长方法可以改善异质结双极晶体管中的暂态效应，减少在基层中的氢离子浓度，改善基层材料的结晶性，减少基层内的复合电流，使异质结双极晶体管的电流增益变异程度小于5％。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1本申请的实施例的异质结双极晶体管的延生长方法的步骤流程示意图；

图2本申请的实施例的外延生长的异质结双极晶体管的截面构造示意图；

图3为现有技术中未经处理的异质结双极晶体管的电流增益与基层发射极层的电压曲线图；

图4为经过本申请实施例中异质结双极晶体管的外延生长方法制备的异质结双极晶体管的电流增益与基层发射极层的电压曲线图。

附图标记：

异质结双极晶体管100；

半绝缘基板101；缓冲层102；次集电极层103；集电极层104；

基层105；发射极层106；发射极覆盖层107；发射极接触层108。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

为了提高异质结双极晶体管(Hetero-junction Bipolar Transistor EpitaxialWafer简称，HBT)操作时发射极的注入效率，发射极层的材料一般选择能隙大于基层的半导体物质，使发射极与基极结合为异质结双极晶体管。

常用的高能隙发射极材料有InGaP和AlGaAs两种半导体材料。InGaP具有高选择刻蚀、较好的元件可靠度以及较高的价带能隙等优点，因此近年来HBT发射极层的材料选择大部分都是以InGaP材料为主。

常见的异质结双极晶体管结构中电流增益β可以用下式表示

由上述方程可知，基层内再复合电流I

比如，外延生长HBT的过程中，当用有机金属气相沉积法外延生长p型砷化镓基层(base layer)时，必须通入含有氢原子的反应气体并且必须以氢气作为载气(carrier-gas)。这一制程不可避免地造成了碳受体(Carbon acceptor)被氢覆盖，形成碳氢键(C-Hcomplex)，使得等效的基层浓度降低。而氢原子同时扮演着复合中心(recombinationcenter)的角色，影响了基层电流的组成。而氢覆盖的程度是由碳掺杂浓度的比例决定的，一般在30％～10％之间不等。上述情况会导致HBT元件在首次测量时，起始的电流增益快速增加，会使元件在工作时的稳定性比较差。

当用外延生长的异质结双极晶体管类的功率放大器应用于电路设计，因为高频微波电路对电流增益变异程度要求非常严格，至少不得低于5％，其中电流增益变异程度定义为双极性电晶体电流增益初始值与稳定值的差异除以双极性电晶体电流增益的稳定值。

为避免因异质结双极晶体管的电流增益的不稳定性导致电路失效，因此在外延生长异质结双极晶体管的过程中，改善碳原子与氢原子在基层材料的结晶性是一个重要的过程，而且对于HBT电流增益的稳定性也有非常大的影响。

因此，针对上述基层的结晶性不好的缺陷，提出了本申请的技术方案。下面将对本申请的技术方案进行详细的描述。

如图1本申请的实施例的异质结双极晶体管的延生长方法的步骤流程示意图。所述异质结双极晶体管的外延生长方法，包括：

步骤01：提供半绝缘基板。本步骤中，所述半绝缘基板可以设置为Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体材质。在一个实施例中，所述半绝缘基板设置为砷化镓。

步骤02：在所述半绝缘基板的表面外延生长半导体结构层。本步骤中，可以采用有机金属气相沉积法在所述半绝缘基板的表面外延生长半导体结构层。所述半导体结构层可以包括依次层叠设置的缓冲层、次集电极层、集电极层、基层、发射极层、发射极覆盖层。

步骤03：对所述半导体结构层进行热处理，其中所述热处理的环境为不含砷的气体环境。本步骤中，对所述半导体结构层进行热处理，可以明显的改善异质结双极晶体管中的暂态效应，减少在基层中的氢离子浓度，以使所述基层保持较好的结晶性，减少所述基层内的复合电流，使所述异质结双极晶体管的电流增益变异程度小于5％。

步骤04：在经过所述热处理之后的所述半导体结构层的表面进一步外延生长发射极接触层。

本实施例，在所述异质结双极晶体管的外延生长方法中，在外延生长所述发射极接触层之前进行的热处理。其中所述热处理的环境为不含砷的气体环境。即所述热处理工艺进行前控制含砷气体化合物通入有机金属气相沉积反应炉中各管路阀门的关闭。所述异质结双极晶体管的外延生长方法可以改善异质结双极晶体管中的暂态效应，减少在所述基层中的氢离子浓度，改善所述基层材料的结晶性，减少所述基层内的复合电流，使所述异质结双极晶体管的电流增益变异程度小于5％。

在一个实施例中，所述热处理的气体环境的压强设置为40torr～50torr。本实施例中，所述热处理的气体环境的压强可以设置为43torr。所述热处理的气体环境的压强形成可以设置为在所述热处理工艺进行前控制含砷气体化合物通入有机金属气相沉积反应炉中各管路的阀门关闭，以此保证所述热处理的气体环境的压强更稳定。

在一个实施例中，所述热处理的温度范围在500℃～700℃。比如，所述热处理的温度可以设置为520℃、550℃、570℃、590℃、610℃、630℃、670℃或690℃。

在一个实施例中，所述热处理的时间范围在1min～15min。比如所述热处理的时间可以设置为1.5min、3min、5min、8min、9min、10.5min、12min、13.5min或14min。

在一个实施例中，在所述半绝缘基板的表面外延生长半导体结构层的步骤，包括：依次外延生长缓冲层、次集电极层、集电极层、基层、发射极层、发射极覆盖层。

在所述半绝缘基板的表面外延生长半导体结构层的步骤可以包括：

步骤021：在所述半绝缘基板的表面外延生长缓冲层。

步骤022：在所述缓冲层远离所述半绝缘基板的表面外延生长次集电极层。

步骤023：在所述次集电极层远离所述缓冲层的表面外延生长集电极层。

步骤024：在所述集电极层远离所述次集电极层的表面外延生长基层。

步骤025：在所述基层远离所述集电极层的表面外延生长发射极层。以及

步骤026：在所述发射基层远离所述基层的表面外延生长发射极覆盖层。

本实施例中，所述步骤021-所述步骤026的具体实施方法可以按照有机金属气相沉积方法的基本实施方案进行。

请参阅图2，本申请还提供一种异质结双极晶体管100，所述异质结双极晶体管100包括：依次外延生长的半绝缘基板101、缓冲层102、次集电极层103、集电极层104、基层105、发射极层106、发射极覆盖层107以及发射极接触层108。其中，在外延生长所述发射极接触层108之前，在不含砷的气体环境中进行热处理。

本实施例中，提供的所述异质结双极晶体管100，在外延生长所述发射极接触层108之前，在不含砷的气体环境中进行热处理。具体的，可以在所述热处理工艺进行前控制含砷气体化合物通入有机金属气相沉积反应炉中各管路阀门的关闭。本实施例制备出的所述异质结双极晶体管100可以改善异质结双极晶体管中的暂态效应，减少在所述基层105中的氢离子浓度，改善所述基层105材料的结晶性，减少所述基层105内的复合电流，使所述异质结双极晶体管100的电流增益变异程度小于5％。

在一个实施例中，所述基层105为含碳掺杂的p型半导体层，采用本申请提供的所述异质结双极晶体管的外延生长方法制备的所述异质结双极晶体管100的可以大大减少在所述基层105中的氢离子浓度。

在一个实施例中，所述缓冲层102、所述次集电极层103、所述集电极层104、所述基层105、所述发射极层106、所述发射极覆盖层107以及所述发射极接触层108的材质为Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体材质中的一种或者多种的组合。

在一个实施例中，所述基层105为含碳原子掺杂的p型半导体层，其中p型掺杂的材料可以是卤化甲烷(CBrCl

在一个实施例中，所述发射极覆盖层108可以设置为n型半导体发射极覆盖层。其中n型掺杂的材料可以是乙硅烷(Si

在一个实施例中，所述次集电极层103、所述集电极层104、所述发射极层106和所述发射极覆盖层107为n型半导体层，其中n型掺杂的材料为乙硅烷、甲硅烷以及二乙基碲及氢化物混合物中的一种或者多种组合。

在一个实施例中，所述发射极覆盖层107为多层复合的半导体层，多层复合的半导体层中的每一层半导体层的掺杂浓度不同，掺杂浓度在1x10

本申请所述热处理工艺进行前控制含砷气体化合物通入有机金属气相沉积反应炉中各管路阀门的关闭，其中反应炉中含砷气体化合物是指砷化氢(AsH

在一个具体的实施例中，参照图2(采用本申请提供的异质结双极晶体管的外延生长方法，制备的异质结双极晶体管的模式层结构图)说明具体实施例中制备出的所述异质结双极晶体管100的具体结构。

图2中所述异质结双极晶体管100是在半绝缘的GaAs化合物半导体上结晶形成的。本实施例中，利用有机金属气相沉积MOCVD法外延生长所述半绝缘基板101(GaAs基板)，进一步按照顺序外延生长后续膜层。在GaAs基板的表面外延生长i-GaAs层作为缓冲层(buffer layer)102。在所述缓冲层102的表面外延生长n

上述的所述半绝缘基板101的材质可以是Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体。比如所述半绝缘基板101的材质可以是砷化镓(GaAs)。上述的所述缓冲层102、所述次集电极层103、所述集电极层104、所述基层105、所述发射极层106、所述发射极覆盖层107、所述发射极接触层108的材质可以是砷化镓(GaAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、磷化铟镓(InGaP)、砷化铟镓(InGaAs)、磷化铝铟(AlInP)、砷化铟镓(InGaAs)、砷化铟铝(InAlAs)、磷化铟(InP)以及其他Ⅲ/Ⅴ族化合物半导体材质中的一种或者多种组合。

在所述缓冲层102、所述次集电极层103、所述集电极层104、所述基层105、所述发射极层106、所述发射极覆盖层107和所述发射极接触层108中常用的n型掺杂原子有：硅(Si)、碲(Te)或者两者的组合。在所述缓冲层102、所述次集电极层103、所述集电极层104、所述基层105、所述发射极层106、所述发射极覆盖层107和所述发射极接触层108中常用的p型掺杂原子有：碳(C)、镁(Mg)、锌(Zn)或者其中的多种组合。在本实施例中，所述次集电极层103、所述集电极层104、所述发射极层106都是用硅原子(Si)掺杂成n型半导体。其中，所述次集电极层103掺杂载流子的浓度较高。所述发射极覆盖层107以及所述发射极接触层108是用硅原子(Si)及碲原子(Te)或其组合的原子掺杂成n型半导体。其中n型掺杂的材料可以是乙硅烷(Si

在本申请实施例中，在外延生长所述异质结双极晶体管100的过程中，除了进行半导体的外延生长外，还要进行热处理工艺。并且热处理工艺是在所述发射极接触层108外延生长前进行的。其中，本申请的热处理工艺包含以下的步骤：所述发射极覆盖层107外延生长完成后所述发射极接触层108外延生长前进行热处理工艺，热处理前必须将含砷的气体化合物通入有机金属气相沉积反应炉中的管路阀门关闭，热处理工艺是将反应炉的温度升高至500℃～700℃范围内，热处理的时间在1min～15min范围内，热处理完成后再用外延生长的方法将之前未生长完的所述发射极覆盖层107和所述发射极接触层108按照顺序进行生长。这里“未生长完的所述发射极覆盖层107”是当“所述发射极覆盖层107为多层复合的半导体层”时，可以外延生长完部分复合半导体层之后，进行热处理工艺，在热处理工艺完成之后，进一步生长剩余部分的复合半导体层。当所述发射极覆盖层107完全外延生长完成后，进一步外延生长所述发射极接触层108。需要说明的是，该反应炉的温度在500～700℃范围内。同时，热处理工艺的位置和条件都可以因为装置结构的设计需要而做适当的改变。

本申请提供的所述异质结双极晶体管的外延生长方法，在外延生长异质结双极晶体管的过程中，通过增加该热处理工艺，可改善半导体中杂质有效掺杂量的控制能力并能提供较好的装置稳定性和再现性。

图3为现有技术中未经任何处理的异质结双极晶体管的测试结果。未经任何处理的异质结双极晶体管的基层中掺杂的碳受体(Carbon acceptor)被氢覆盖，形成碳氢键(C-H complex)，而这些碳氢键(C-H complex)同时扮演着复合中心(recombination center)的角色，当电子由射极往集极注入时会在基层形成复合电流导致起始的基层电流增大，导致电晶体的起始电流增益偏低。当电子持续由射极往集极注入时原本在基层材料的碳氢键因电子注入而被打断，电子与氢离子复合形成氢气并扩散到空气中，电晶体的电流增益始终稳定。

图4为采用本申请提供所述异质结双极晶体管的外延生长方法制备的异质结双极晶体管的测试结果。本申请通过增加该热处理工艺，可以利用产生的热能破坏掉基层材料中的碳氢键(C-H complex)，使氢离子复合形成氢气并扩散到空气中，原本在基层材料的碳氢键因为热能而断裂，减少复合电流的产生，使电晶体的电流增益具有较好的稳定性及再现性。

图3为现有技术中未经处理的异质结双极晶体管的电流增益与基层发射极层的电压曲线图。图4为经过本申请实施例中异质结双极晶体管的外延生长方法制备的异质结双极晶体管的电流增益与基层发射极层的电压曲线图。

图3中可以明确看出在电压为1.2V时，现有技术中未经处理的异质结双极晶体管的增益在71.9-121.8，变化率为69.4％。图4中可以明确看出在电压为1.2V时，本申请中在外延生长发射极接触层之前进行热处理的异质结双极晶体管的增益在63.4-66.4，变化率为4.7％。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。