降低基區(qū)電阻率的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)及生長方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，適用于GaN基雙極晶體管(HBT)，是一種利用材料的極化效應(yīng)降低基區(qū)電阻率的技術(shù)，該技術(shù)有利于提高GaN基HBT的性能。
【背景技術(shù)】
[0002]寬帶隙GaN基材料因其擊穿電場高、飽和速度快、熱導(dǎo)率高等優(yōu)勢而成為第三代半導(dǎo)體材料，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要材料。近年來，GaN基HFET和HBT均吸引了眾多學(xué)者研宄。目前GaN基HFET已經(jīng)取得了飛躍發(fā)展，其截至頻率已超過200GHz，并已實(shí)現(xiàn)了超高壓工作(千伏以上)。相比GaN基HFET，GaN基HBT具有更顯著的優(yōu)勢，其具有更高的功率密度、線性的電流增益、均勻的器件開關(guān)特性，更重要的是GaN基HBT是一種常關(guān)器件。另外，不同于GaN基HFET器件，GaN基HBT是一種縱向器件，在器件工藝上更容易實(shí)現(xiàn)較高的頻率。自1998年美國UCSB利用二次外延技術(shù)實(shí)現(xiàn)了第一支GaN基HBT以來，GaN基HBT雖然取得了一定的進(jìn)展，但總的來說GaN基HBT的研宄還處于初級階段，無論是材料生長還是器件制造都還存在很多問題。其中一個(gè)比較大的問題就是基區(qū)空穴濃度較低。2001年NTT公司采用InGaN作為基區(qū)材料，在一定程度上提高了空穴濃度。2011年美國佐治亞理工學(xué)院在GaN襯底上制作的以InGaN為基區(qū)的HBT電流增益hfe達(dá)到115，電流密度達(dá)到141kA/cm2。雖然使用InGaN作為基區(qū)在一定程度上能解決基區(qū)空穴濃度低的問題，但是基區(qū)電阻率依然還有待降低。
[0003]最近，有文獻(xiàn)報(bào)道了一種新型摻雜方法一極化摻雜。該方法利用GaN基化合物的極化效應(yīng)與組分的關(guān)系，通過使組分漸變獲得均勻分布的凈極化負(fù)電荷或凈極化正電荷，并由此誘導(dǎo)產(chǎn)生自由空穴或電子，實(shí)現(xiàn)η型或P型導(dǎo)電。極化摻雜方法不依賴與熱電離，而是依靠組分梯度帶來的極化電場對受主雜質(zhì)進(jìn)行電離。因此使用極化摻雜的方法可實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)電性。據(jù)報(bào)道，目前利用極化摻雜方法獲得的P型GaN基材料中空穴濃度高達(dá)lE18/cm3。此方法有望解決GaN基HBT基區(qū)電阻率較高的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，提供一種降低基區(qū)電阻率的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)及生長方法，目的在于通過特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使基區(qū)電阻率大大降低，從而提高器件性能。
[0005]本發(fā)明提供一種降低基區(qū)電阻率的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)，其包括:
[0006]—襯底；
[0007]一 η型集電區(qū)，其制作在襯底上；
[0008]一 P型組分漸變基區(qū)，其制作在η型集電區(qū)上；
[0009]一 η型發(fā)射區(qū)，其制作在P型基區(qū)上。
[0010]本發(fā)明還提供一種降低基區(qū)電阻率的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)的生長方法，包括:
[0011]步驟1:取一襯底；
[0012]步驟2:沿襯底上生長極性面或半極性面的GaN基材料的η型集電區(qū)；
[0013]步驟3:在η型集電區(qū)上生長P型組分漸變基區(qū)，當(dāng)P型組分漸變基區(qū)的材料為組分漸變的InxGahN時(shí)，生長過程中對輸入生長反應(yīng)室的III族金屬有機(jī)源材料In的流量和金屬有機(jī)源材料鎵的流量進(jìn)行控制，控制反應(yīng)室中TMIn/(TMGa+TMIn)的比例，形成的P型組分漸變基區(qū)，或在生長過程中使III族金屬有機(jī)源材料銦和鎵的流量保持不變輸入生長反應(yīng)室，控制反應(yīng)室生長溫度線性變化，形成P型組分漸變基區(qū)3，其中In組分漸變滿足沿極化電場方向逐漸減小；
[0014]步驟4:在P型組分漸變基區(qū)上生長η型發(fā)射區(qū)。
[0015]本發(fā)明再提供一種降低基區(qū)電阻率的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)的生長方法，包括:
[0016]步驟1:取一襯底；
[0017]步驟2:在襯底上生長極性面或半極性面的GaN基材料的η型集電區(qū)；
[0018]步驟3:在η型集電區(qū)上生長P型組分漸變基區(qū)，當(dāng)P型組分漸變基區(qū)的材料為組分漸變的AlGaN時(shí)，生長過程中，對輸入生長反應(yīng)室的III族金屬有機(jī)源材料Al的流量和金屬有機(jī)源材料鎵的流量進(jìn)行控制，控制反應(yīng)室中TMAl/(TMGa+TMAl)的比例，形成P型組分漸變基區(qū)，其中Al組分漸變滿足沿極化電場方向逐漸增加。
[0019]步驟4:在P型組分漸變基區(qū)上生長η型發(fā)射區(qū)，完成制備。
[0020]本發(fā)明的有益效果是，可通過設(shè)計(jì)特殊的組分梯度，利用極化摻雜技術(shù)使P型基區(qū)的空穴濃度提高，從而降低基區(qū)電阻率。
【附圖說明】
[0021]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，其中:
[0022]圖1為降低基區(qū)電阻率的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0023]圖2為降低基區(qū)電阻率的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)制備流程圖。
[0024]圖3為基區(qū)為組分漸變InGaN材料的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)沿(0001)極性面生長過程中反應(yīng)室中的溫度隨時(shí)間的變化情況。
[0025]圖4為基區(qū)為組分漸變InGaN材料的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)沿(0001)極性面生長過程中反應(yīng)室中的TMIn與TMGa隨時(shí)間的變化情況。
[0026]圖5為基區(qū)為組分漸變AlGaN材料的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)沿(0001)極性面生長過程中反應(yīng)室中的TMAl與TMGa隨時(shí)間的變化情況。
【具體實(shí)施方式】
[0027]請參閱圖1所示，本發(fā)明提供降低基區(qū)電阻率的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)，包括:
[0028]—襯底 I ;
[0029]一 η型集電區(qū)2，其制作在襯底I上，厚度為0.5-2.5um，一般分為高導(dǎo)電層和低導(dǎo)電層兩層，可以為GaN材料，也可以為AlGaN材料，還可以為組分漸變的AlGaN材料，其中，當(dāng)為組分漸變的AlGaN材料時(shí)，Al組分沿極化電場方向逐漸線性降低，該η型集電區(qū)2主要用于收集電子電流，實(shí)現(xiàn)器件電流或功率放大等作用；
[0030]一 P型組分漸變基區(qū)3，其制作在η型集電區(qū)2上厚度為20200nm，為組分漸變的InGaN材料，其組分x值沿極化電場方向線性減小，從xl漸變到x2，其中O < x2 < xl < I ;也可以為組分漸變的AlGaN材料，其組分j值沿極化電場方向線性增加，從yl漸變到y(tǒng)2，其中O < yl < y2 < 1，該層組分的線性變化是為了保證材料內(nèi)極化電場線性減小，從而產(chǎn)生一個(gè)非平衡極化電場，該電場將電離雜質(zhì)、缺陷等受主原子，產(chǎn)生高濃度空穴，從而使電阻率降低，提高器件的射頻性能；
[0031]一 η型發(fā)射區(qū)4，其制作在P型組分漸變基區(qū)3上厚度為50_200nm，可以為GaN材料，也可以為AlGaN材料，還可以為組分漸變的AlGaN材料，其中，當(dāng)為組分漸變的AlGaN材料時(shí)，Al組分沿極化電場方向逐漸線性降低，該η型發(fā)射區(qū)4主要是用于提供電子電流。
[0032]其中在P型組分漸變基區(qū)3和η型發(fā)射區(qū)4的界面處，ρ型組分漸變基區(qū)3 —側(cè)的帶隙寬度小于等于η型發(fā)射區(qū)4 一側(cè)的帶隙寬度，這樣有利于促進(jìn)電子電流從η型發(fā)射區(qū)4流向ρ型組分漸變基區(qū)3，同時(shí)更重要的是阻擋空穴電流從ρ型組分漸變基區(qū)3流向η型發(fā)射區(qū)4。
[0033]請參閱圖2和圖3，并結(jié)合參閱圖1本發(fā)明還提供了一種降低基區(qū)電阻率的GaN基HBT外延結(jié)構(gòu)的生長方法，包括:
[0034]步驟1:取一襯底I ;
[0035]步驟2:沿襯底I上生長極性面或半極性面的GaN基材料的η型集電區(qū)2，厚度為0.5-2.5um，一般分為高導(dǎo)電層和低導(dǎo)電層兩層，其可以為GaN材料，也可以為AlGaN材料，還可以為組分漸變的AlGaN材料，其中，當(dāng)為組分漸變的AlGaN材料時(shí)，Al組分沿極化電場方向逐漸線性降低；
[0036]步驟3:在η型集電區(qū)2上生長ρ型組分漸變基區(qū)3，當(dāng)ρ型組分漸變基區(qū)3為組分漸變的InxGahN材料時(shí)，生長過程中可以對輸入生長反應(yīng)室的III族金屬有機(jī)源材料In的流量和金屬有機(jī)源材料鎵的流量進(jìn)行控制，控制反應(yīng)室中TMIn/(TMGa+TMIn)的比例，如在優(yōu)選的(0001)極性面生長時(shí)，由于InGaN材料中的極化效應(yīng)導(dǎo)致的極化電場與生長方向相反，因此組分漸變的P型InGaN基區(qū)的In組分沿生長方向逐漸線性增加，即TMIn/(TMGa+TMIn)的比例隨生長時(shí)間逐漸增加(如圖3中所示tlt2段)，便能實(shí)現(xiàn)In組分沿生長方向逐漸增加，從x2變到xl，其中O彡x2 < xl ( 1，厚度為20200nm，生長出ρ型組分漸變基區(qū)3，該層組分的線性變化是為了保證材料內(nèi)極化電場線性減小，從而產(chǎn)生一個(gè)非平衡極化電場，該電場將電離雜質(zhì)、缺陷等受主原子，產(chǎn)生高濃度空穴，從而使電阻率降低，提高器件的射頻性能；；
[0037]步驟4:在ρ型組分漸變基區(qū)3上生長η型發(fā)射區(qū)4，厚度為0.52.5um，可以為GaN材料，也可以為AlGaN材料，還可以為組分漸變的AlGaN材料，其中，當(dāng)為組分漸變的A