降低基区电阻率的GaN基HBT外延结构及生长方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体技术领域，适用于GaN基双极晶体管(HBT)，是一种利用材料的极化效应降低基区电阻率的技术，该技术有利于提高GaN基HBT的性能。
【背景技术】
[0002]宽带隙GaN基材料因其击穿电场高、饱和速度快、热导率高等优势而成为第三代半导体材料，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要材料。近年来，GaN基HFET和HBT均吸引了众多学者研宄。目前GaN基HFET已经取得了飞跃发展，其截至频率已超过200GHz，并已实现了超高压工作(千伏以上)。相比GaN基HFET，GaN基HBT具有更显著的优势，其具有更高的功率密度、线性的电流增益、均匀的器件开关特性，更重要的是GaN基HBT是一种常关器件。另外，不同于GaN基HFET器件，GaN基HBT是一种纵向器件，在器件工艺上更容易实现较高的频率。自1998年美国UCSB利用二次外延技术实现了第一支GaN基HBT以来，GaN基HBT虽然取得了一定的进展，但总的来说GaN基HBT的研宄还处于初级阶段，无论是材料生长还是器件制造都还存在很多问题。其中一个比较大的问题就是基区空穴浓度较低。2001年NTT公司采用InGaN作为基区材料，在一定程度上提高了空穴浓度。2011年美国佐治亚理工学院在GaN衬底上制作的以InGaN为基区的HBT电流增益hfe达到115，电流密度达到141kA/cm2。虽然使用InGaN作为基区在一定程度上能解决基区空穴浓度低的问题，但是基区电阻率依然还有待降低。
[0003]最近，有文献报道了一种新型掺杂方法一极化掺杂。该方法利用GaN基化合物的极化效应与组分的关系，通过使组分渐变获得均匀分布的净极化负电荷或净极化正电荷，并由此诱导产生自由空穴或电子，实现η型或P型导电。极化掺杂方法不依赖与热电离，而是依靠组分梯度带来的极化电场对受主杂质进行电离。因此使用极化掺杂的方法可实现高导电性。据报道，目前利用极化掺杂方法获得的P型GaN基材料中空穴浓度高达lE18/cm3。此方法有望解决GaN基HBT基区电阻率较高的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于，提供一种降低基区电阻率的GaN基HBT外延结构及生长方法，目的在于通过特殊的结构设计，使基区电阻率大大降低，从而提高器件性能。
[0005]本发明提供一种降低基区电阻率的GaN基HBT外延结构，其包括:
[0006]—衬底；
[0007]一 η型集电区，其制作在衬底上；
[0008]一 P型组分渐变基区，其制作在η型集电区上；
[0009]一 η型发射区，其制作在P型基区上。
[0010]本发明还提供一种降低基区电阻率的GaN基HBT外延结构的生长方法，包括:
[0011]步骤1:取一衬底；
[0012]步骤2:沿衬底上生长极性面或半极性面的GaN基材料的η型集电区；
[0013]步骤3:在η型集电区上生长P型组分渐变基区，当P型组分渐变基区的材料为组分渐变的InxGahN时，生长过程中对输入生长反应室的III族金属有机源材料In的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中TMIn/(TMGa+TMIn)的比例，形成的P型组分渐变基区，或在生长过程中使III族金属有机源材料铟和镓的流量保持不变输入生长反应室，控制反应室生长温度线性变化，形成P型组分渐变基区3，其中In组分渐变满足沿极化电场方向逐渐减小；
[0014]步骤4:在P型组分渐变基区上生长η型发射区。
[0015]本发明再提供一种降低基区电阻率的GaN基HBT外延结构的生长方法，包括:
[0016]步骤1:取一衬底；
[0017]步骤2:在衬底上生长极性面或半极性面的GaN基材料的η型集电区；
[0018]步骤3:在η型集电区上生长P型组分渐变基区，当P型组分渐变基区的材料为组分渐变的AlGaN时，生长过程中，对输入生长反应室的III族金属有机源材料Al的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中TMAl/(TMGa+TMAl)的比例，形成P型组分渐变基区，其中Al组分渐变满足沿极化电场方向逐渐增加。
[0019]步骤4:在P型组分渐变基区上生长η型发射区，完成制备。
[0020]本发明的有益效果是，可通过设计特殊的组分梯度，利用极化掺杂技术使P型基区的空穴浓度提高，从而降低基区电阻率。
【附图说明】
[0021]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明做进一步的详细说明，其中:
[0022]图1为降低基区电阻率的GaN基HBT外延结构的示意图。
[0023]图2为降低基区电阻率的GaN基HBT外延结构制备流程图。
[0024]图3为基区为组分渐变InGaN材料的GaN基HBT外延结构沿(0001)极性面生长过程中反应室中的温度随时间的变化情况。
[0025]图4为基区为组分渐变InGaN材料的GaN基HBT外延结构沿(0001)极性面生长过程中反应室中的TMIn与TMGa随时间的变化情况。
[0026]图5为基区为组分渐变AlGaN材料的GaN基HBT外延结构沿(0001)极性面生长过程中反应室中的TMAl与TMGa随时间的变化情况。
【具体实施方式】
[0027]请参阅图1所示，本发明提供降低基区电阻率的GaN基HBT外延结构，包括:
[0028]—衬底 I ;
[0029]一 η型集电区2，其制作在衬底I上，厚度为0.5-2.5um，一般分为高导电层和低导电层两层，可以为GaN材料，也可以为AlGaN材料，还可以为组分渐变的AlGaN材料，其中，当为组分渐变的AlGaN材料时，Al组分沿极化电场方向逐渐线性降低，该η型集电区2主要用于收集电子电流，实现器件电流或功率放大等作用；
[0030]一 P型组分渐变基区3，其制作在η型集电区2上厚度为20200nm，为组分渐变的InGaN材料，其组分x值沿极化电场方向线性减小，从xl渐变到x2，其中O < x2 < xl < I ;也可以为组分渐变的AlGaN材料，其组分j值沿极化电场方向线性增加，从yl渐变到y2，其中O < yl < y2 < 1，该层组分的线性变化是为了保证材料内极化电场线性减小，从而产生一个非平衡极化电场，该电场将电离杂质、缺陷等受主原子，产生高浓度空穴，从而使电阻率降低，提高器件的射频性能；
[0031]一 η型发射区4，其制作在P型组分渐变基区3上厚度为50_200nm，可以为GaN材料，也可以为AlGaN材料，还可以为组分渐变的AlGaN材料，其中，当为组分渐变的AlGaN材料时，Al组分沿极化电场方向逐渐线性降低，该η型发射区4主要是用于提供电子电流。
[0032]其中在P型组分渐变基区3和η型发射区4的界面处，ρ型组分渐变基区3 —侧的带隙宽度小于等于η型发射区4 一侧的带隙宽度，这样有利于促进电子电流从η型发射区4流向ρ型组分渐变基区3，同时更重要的是阻挡空穴电流从ρ型组分渐变基区3流向η型发射区4。
[0033]请参阅图2和图3，并结合参阅图1本发明还提供了一种降低基区电阻率的GaN基HBT外延结构的生长方法，包括:
[0034]步骤1:取一衬底I ;
[0035]步骤2:沿衬底I上生长极性面或半极性面的GaN基材料的η型集电区2，厚度为0.5-2.5um，一般分为高导电层和低导电层两层，其可以为GaN材料，也可以为AlGaN材料，还可以为组分渐变的AlGaN材料，其中，当为组分渐变的AlGaN材料时，Al组分沿极化电场方向逐渐线性降低；
[0036]步骤3:在η型集电区2上生长ρ型组分渐变基区3，当ρ型组分渐变基区3为组分渐变的InxGahN材料时，生长过程中可以对输入生长反应室的III族金属有机源材料In的流量和金属有机源材料镓的流量进行控制，控制反应室中TMIn/(TMGa+TMIn)的比例，如在优选的(0001)极性面生长时，由于InGaN材料中的极化效应导致的极化电场与生长方向相反，因此组分渐变的P型InGaN基区的In组分沿生长方向逐渐线性增加，即TMIn/(TMGa+TMIn)的比例随生长时间逐渐增加(如图3中所示tlt2段)，便能实现In组分沿生长方向逐渐增加，从x2变到xl，其中O彡x2 < xl ( 1，厚度为20200nm，生长出ρ型组分渐变基区3，该层组分的线性变化是为了保证材料内极化电场线性减小，从而产生一个非平衡极化电场，该电场将电离杂质、缺陷等受主原子，产生高浓度空穴，从而使电阻率降低，提高器件的射频性能；；
[0037]步骤4:在ρ型组分渐变基区3上生长η型发射区4，厚度为0.52.5um，可以为GaN材料，也可以为AlGaN材料，还可以为组分渐变的AlGaN材料，其中，当为组分渐变的A