垂直MOVPE反应器中采用二叔丁基硅烷实现In0.53Ga0.47As高效n型掺杂的机理与性能优化研究

本研究系统探究了金属有机二叔丁基硅烷（DTBSi）在垂直紧密耦合喷淋头MOVPE反应器中对InGaAs的硅掺杂机制，在620°C下实现n=2.5×1019 cm?3的高掺杂浓度及1831 cm2/Vs的电子迁移率，通过调节反应器压力（100→200 mbar）成功将生长温度降低40K，为无线通信D波段（110-170 GHz）InP双异质结双极晶体管（DHBT）的发射极电阻优化提供新方案。

　　

1 引言

InP双异质结双极晶体管（DHBT）因其高截止频率（f_T/f_max）和击穿电压特性，成为D波段无线通信（110-170 GHz）的核心器件。研究团队聚焦发射极电阻（R_e）的降低需求，采用晶格匹配In_0.53Ga_0.47As作为接触层材料，通过金属有机气相外延（MOVPE）技术实现高浓度n型掺杂。相比MBE工艺和传统硅烷（SiH₄）/乙硅烷（Si₂H₆）掺杂，本研究创新性采用非自燃的二叔丁基硅烷（DTBSi）作为掺杂源，结合低毒性叔丁基砷（TBAs）和叔丁基磷（TBP）替代砷烷（AsH₃）和磷烷（PH₃），在安全性和工艺可控性方面取得突破。

2 样品制备

实验在配备60rpm旋转 susceptor的垂直紧密耦合喷淋头（CCS）MOVPE反应器中进行，采用三波长反射仪（Laytec EpiTT）实时监测生长速率和表面形貌。通过高分辨率X射线衍射（HR-XRD）验证InGaAs层厚度（95-554 nm）和In组分（53.27±0.55%），与原位反射率测量偏差<1.7%。电学特性通过传输线测量（TLM）和范德堡法表征，接触金属采用Ti/Pt/Au（10/10/400 nm）叠层结构。

3 实验结果与讨论

3.1 IV/III比影响

在580-620°C范围内，IV/III比（DTBSi/(TMGa+TMIn)）从0.05增至0.3时，载流子浓度呈现先线性增长后饱和的趋势。620°C下最高浓度达2.5×10¹⁹ cm^?3，但掺入效率（η）在>1×10¹⁹ cm^?3时下降，归因于Si_As反位缺陷和Si_III-V_III复合体形成。原子力显微镜（AFM）显示620°C样品呈现1μm宽台阶流形貌（RMS=340 pm），而580°C样品表面更平滑（RMS=260 pm）。

3.2 生长温度调控

温度依赖性呈现三阶段特征：530-550°C区间激活能E_A=1.62 eV，550-600°C降至0.66 eV，>600°C又升至1.90 eV。在550°C/0.55 nm/s条件下观察到表面反射率骤降，AFM显示脊状结构，而将生长速率降至0.115 nm/s可获得RMS=131 pm的原子级平整表面。

3.3 V/III比优化

保持IV/III比=0.3时，TBAs流量增加使V/III比从10升至90，载流子浓度饱和于1.7×10¹⁹ cm^?3。低V/III比（15）导致RMS>0.8 nm的粗糙表面，证实As覆盖不足会引发表面失稳。

3.4 反应器压力效应

压力从100 mbar提升至200 mbar时，载流子浓度提高1.8倍（580°C下达2.8×10¹⁹ cm^?3），归因于气体停留时间延长促进DTBSi分解。HR-XRD映射显示200 mbar下厚度均匀性达±0.5 nm，证实层流条件保持良好。

3.5 载气流量影响

总流量从20 slm降至10 slm时，生长速率因边界层增厚而提升41%，但载流子浓度仅增长53%，偏离理论预期（1.44倍），表明界面掺入动力学起主导作用。

4 结论

通过多参数协同优化，研究团队在垂直CCS-MOVPE反应器中实现DTBSi掺杂InGaAs的突破性性能：200 mbar/580°C下获得2.8×10¹⁹ cm^?3载流子浓度与1631 cm²/Vs迁移率，接触电阻达10^?8 Ω·cm²量级。该工作为高热预算受限的异质结器件开发提供新思路，推动III-V族半导体在太赫兹通信领域的应用。