氮化镓基异质结双极性晶体管结构及制作方法

本发明涉及半导体，具体地，涉及一种氮化镓基异质结双极性晶体管结构及制作方法。

背景技术：

1、氮化镓(gan)基材料主要包括gan及其与氮化铟(inn)、氮化铝(aln)等ⅲ-ⅴ族材料的合金，因其具有大的禁带宽度、高的击穿电场、高的载流子饱和速度以及强极化效应等特性，在高温、高频、高功率领域得到广泛认可，gan基高电子迁移率晶体管(hemt)和gan基异质结双极型晶体管(hbt)也因gan基的特性备受关注。近年来，由于gan基hemt在高频、大功率应用领域表现出的高性能，因而吸引研究者对其展开大量的实验与理论研究工作。相比于gan基hemt，gan基hbt具有更高的跨导、更好的线性度、更大的功率密度、低的相位噪声和更好的阈值电压稳定性，但却在近年来发展缓慢，这是因为p型基区的材料对hbt器件的限制。基区对hbt器件有着至关重要的作用，基区不仅要起到减少复合电流，提高电流增益的作用，而且要尽量减小电阻，从而起到减小工作电压、提高射频性能的作用。而gan基的p型基区存在杂质激活能高，空穴浓度难以突破1×1018cm-3，导致基区体电阻率普遍大于1ω·cm，并且由于工艺损伤，gan基材料难以形成p型欧姆接触。由于上述缺陷，gan基hbt的优点在半导体领域无法得到充分利用。

2、有研究人员尝试引入铟镓氮(ingan)作为基区材料，虽然在一定程度上提高了空穴浓度，但是仍然无法彻底解决高基区电阻问题。除对基区的材料进行优化外，研究人员还尝试对结构改进，以用于解决基区电阻的问题。研究人员尝试改变基区厚度，以达到降低基区电阻的目的。例如，通过增加基区厚度来增强电流扩展能力，从而降低基区电阻，但是这一做法会导致基区复合电流和少子渡越时间延长，恶化直流与频率特性。或者，通过二次生长方式形成外部后基区，但是这一方法对体电阻并无明显的降低，且多次再生长工艺难度较大，难以实现。

技术实现思路

1、(一)要解决地技术问题

2、本发明提供一种氮化镓基异质结双极性晶体管结构及制作方法，用于至少部分解决上述技术问题之一。

3、(二)技术方案

4、本发明一方面提供一种氮化镓基异质结双极性晶体管外延结构，包括：衬底。n型集电区，形成于衬底上。p型基区，形成于n型集电区上，p型基区为凹槽型结构。n型发射区，形成于p型基区凹槽处，n型发射区的侧面和底面与p型基区凹槽处接触。

5、可选地，n型发射区的厚度大于p型基区凹槽结构的深度。

6、可选地，n型发射区的厚度小于p型基区凹槽结构的深度。

7、可选地，p型基区与n型发射区底面接触区域的厚度为20-100nm，其余部分的厚度大于100nm。

8、可选地，p型基区和n型发射区的材料均为氮化镓或氮化镓与ⅲ-ⅴ族材料的合金。

9、可选地，n型发射区的结构为单层结构或超晶格结构。

10、可选地，超晶格结构为氮化镓或铝镓氮基的超晶格结构。

11、可选地，n型集电区包括叠设的高导电层和低导电层，高导电层靠近衬底，低导电层靠近p型基区，其中，高导电层的电子浓度大于1×1018cm-3，低导电层的电子浓度小于1×1017cm-3。

12、可选地，n型集电区的材料为氮化镓或氮化镓与ⅲ-ⅴ族材料的合金。

13、本发明另一方面提供了一种氮化镓基异质结双极性晶体管外延结构的制备方法，包括：在衬底上制备n型集电区。在n型集电区上制备p型基区，其中，p型基区为凹槽型结构。在p型基区的凹槽型结构中生长n型发射区，其中，n型发射区的侧面和底面与p型基区凹槽处接触。

14、(三)有益效果

15、本发明通过设计特殊的基区凹槽结构，使与发射区底面接触的基区厚度变薄，从而使基区复合电流处于较小水平，提高电流增益。剩余部分依旧保持较厚的基极接触区域，增强基极接触区域的电流扩展。从而降低基区电阻，减小工作电压与导通损耗。

技术特征：

1.一种氮化镓基异质结双极性晶体管外延结构，包括：

2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述n型发射区的厚度大于所述p型基区凹槽结构的深度。

3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述n型发射区的厚度小于所述p型基区凹槽结构的深度。

4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述p型基区与所述n型发射区底面接触区域的厚度为20-100nm，其余部分的厚度大于100nm。

5.根据权利要求1所述的结构，其中，所述p型基区和n型发射区的材料均为氮化镓或氮化镓与ⅲ-ⅴ族材料的合金。

6.根据权利要求1所述的结构，其中，所述n型发射区的结构为单层结构或超晶格结构。

7.根据权利要求6所述的结构，其中，所述超晶格结构为氮化镓或铝镓氮基的超晶格结构。

8.根据权利要求1所述的结构，其中，所述n型集电区包括叠设的高导电层和低导电层，所述高导电层靠近所述衬底，所述低导电层靠近所述p型基区，其中，高导电层的电子浓度大于1×1018cm-3，低导电层的电子浓度小于1×1017cm-3。

9.根据权利要求1所述的结构，其中，所述n型集电区的材料为氮化镓或氮化镓与ⅲ-ⅴ族材料的合金。

10.一种氮化镓基异质结双极性晶体管外延结构的制备方法，包括：

技术总结
一种氮化镓基异质结双极性晶体管结构及制作方法，所述氮化镓基异质结双极性晶体管外延结构包括：衬底；n型集电区，形成于所述衬底上；p型基区，形成于所述n型集电区上，所述p型基区为凹槽型结构；n型发射区，形成于所述p型基区凹槽处，所述n型发射区的侧面和底面与所述p型基区凹槽处接触。本发明通过特殊的凹槽基区设计以及选区外延的生长方法，两侧厚基区加强电流扩展，减小基区扩展电阻与基极接触下方的基区电阻；凹槽薄基区缩短电子渡越时间，提高器件整体性能。

技术研发人员：张韵,高幸发,张连,王欣远
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11