一种化合物半导体材料的HBT外延结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体电子信息技术领域，更具体的说是涉及一种化合物半导体材料的HBT外延结构及其制备方法。

背景技术

氮化镓(GaN)为代表的第三代宽禁带半导体，在半导体领域已经取得广泛应用，GaN具有高击穿电压，高电流密度，高过渡频率，低导通电阻和低寄生电容，这些特性可转化为高输出功率、宽带宽和高效率。宽禁带GaN材料由于其优良的电特性和材料特性在大功率微波和毫米波器件应用领域引起了广泛关注。由于Ⅲ-V族氮化物HBT优良的器件线性度和高温高功率特性，是未来的一种理想器件，GaN材料在高频高功率应用领域很有优势，目前对GaN基电子器件特别是GaN HBT的研究还处于初级阶段，降低异质节电容、增大电流增益、降低发射电阻、提升特征频率、通过新的结构和材料生长方法提升氮化镓HBT器件的性能是非常必要的

因此，如何提供一种化合物半导体材料的HBT外延结构及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种化合物半导体材料的HBT外延结构及其制备方法，本发明的外延结构运用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，采用三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)，三甲基铟(TMIn)，三乙基铟(TEIn)，三甲基铝(TMAl)和氨气(NH

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种化合物半导体材料的HBT外延结构，包括基底，以及依次位于其上方的集电区、基区和发射区；

其中，所述集电区包括GaN层和依次位于其上方的n

所述基区包括第一P-GaN层和依次位于其上方的P

所述发射区包括第一n-Al

优选的，所述基底的材料为蓝宝石、碳化硅或硅。

优选的，所述n

优选的，所述GaN层的厚度为30-70nm；

所述n

所述n

所述n

所述第一i-GaN层的厚度为3-10nm。

优选的，所述第一P-GaN层的厚度为10-30nm；

所述P

所述第二P-GaN层的厚度为10-20nm；

所述第二i-GaN层的厚度为3-10nm。

优选的，所述第一n-Al

所述n

所述第二n-Al

所述i-Al

所述n-GaN层的厚度为20-30nm；

所述第二n

本发明的另一个目的在于提供上述的一种化合物半导体材料的HBT外延结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)在基底上生长一层GaN层；

(2)在GaN层上生长一层掺杂硅烷的n

(3)在n

(4)在n

(5)在n

(6)在n

(7)在第一i-GaN层上生长一层掺杂镁的第一P-GaN层；

(8)在第一P-GaN层上生长一层掺杂镁的P

(9)在P

(10)在第二P-GaN层上生长一层第二i-GaN层；

(11)在第二i-GaN层上生长一层掺杂硅烷的的第一n-Al

(12)在n-Al

(13)在n

(14)在第二n-Al

(15)在i-Al

(16)在n-GaN层上生长一层掺杂硅烷的第二n

优选的，步骤(2)中所述硅烷的掺杂浓度为10

步骤(3)中所述硅烷的掺杂浓度为10

步骤(5)中所述硅烷的掺杂浓度为10

优选的，步骤(7)中所述镁的掺杂浓度为10

步骤(8)中所述镁的掺杂浓度为10

步骤(9)中所述镁的掺杂浓度为10

优选的，其特征在于，

步骤(11)中所述硅烷的掺杂浓度为10

步骤(12)中所述硅烷的掺杂浓度为10

步骤(13)中所述硅烷的掺杂浓度为10

步骤(15)中所述硅烷的掺杂浓度为10

步骤(16)中所述硅烷的掺杂浓度为10

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

目前GaN基HBT器件研究处于初级阶段，在材料生长和设计方面都需要很大的提升改进，本发明立足现有HBT基础，结合能带理论知识，解决目前HBT外延生长的诸多问题:

1、材料生长过程异质结面晶格适配问题，引入和GaN晶格匹配的Al0.82In0.18N作为发射区异质结材料，可以减小材料表面异质缺陷，亦可以实现抑制流向基区不必要的空穴电流；

2、通过在N-P-N型HBT外延层各区材料的接触界面引入本征材料层i形层，位于不同掺杂区之间的适当的i型层，可以减小结电容和势垒电容等非线性电容，增强器件线性度，利于高频微波工作；

3、通过引入P/N梯度掺杂层结构，既然可以使得界面耗尽区增强，减小结电容，同时梯度掺杂可以保证器件小的电阻率，较小发射电阻，增强频率特性，实现优化性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明GaN-HBT外延层结构示意图；

图2为本发明GaN-HBT外延层各区位置结构示意图。

其中，图中：

1-基底；2-集电区；21-GaN层；22-n

具体实施方式

下面将对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种化合物半导体材料的HBT外延结构，包括基底1，以及依次位于其上方的集电区2、基区3和发射区4；

其中，集电区2包括GaN层21和依次位于其上方的n

基区3包括第一P-GaN层31和依次位于其上方的P

发射区4包括第一n-Al

在本实施例中，基底1的材料为蓝宝石。

在本实施例中，n

在本实施例中，GaN层21的厚度为30nm；

n

n

n

第一i-GaN层26的厚度为3nm。

第一P-GaN层31的厚度为10nm；

P

第二P-GaN层33的厚度为10nm；

第二i-GaN层34的厚度为3nm。

第一n-Al

n

第二n-Al

i-Al

n-GaN层45的厚度为20nm；

第二n

实施例2

一种化合物半导体材料的HBT外延结构，包括基底1，以及依次位于其上方的集电区2、基区3和发射区4；

其中，集电区2包括GaN层21和依次位于其上方的n

基区3包括第一P-GaN层31和依次位于其上方的P

发射区4包括第一n-Al

在本实施例中，基底1的材料为碳化硅。

在本实施例中，n

在本实施例中，GaN层21的厚度为70nm；

n

n

n

第一i-GaN层26的厚度为10nm。

第一P-GaN层31的厚度为30nm；

P

第二P-GaN层33的厚度为20nm；

第二i-GaN层34的厚度为10nm。

第一n-Al

n

第二n-Al

i-Al

n-GaN层45的厚度为30nm；

第二n

实施例3

一种化合物半导体材料的HBT外延结构，包括基底1，以及依次位于其上方的集电区2、基区3和发射区4；

其中，集电区2包括GaN层21和依次位于其上方的n

基区3包括第一P-GaN层31和依次位于其上方的P

发射区4包括第一n-Al

在本实施例中，基底1的材料为硅。

在本实施例中，n

在本实施例中，GaN层21的厚度为50nm；

n

n

n

第一i-GaN层26的厚度为7nm。

第一P-GaN层31的厚度为20nm；

P

第二P-GaN层33的厚度为15nm；

第二i-GaN层34的厚度为6nm。

第一n-Al

n

第二n-Al

i-Al

n-GaN层45的厚度为25nm；

第二n

实施例4

实施例1-3中任一所述的一种化合物半导体材料的HBT外延结构的制备方法，运用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)外延生长技术，采用三甲基镓(TMGa)，三乙基镓(TEGa)，三甲基铟(TMIn)，三乙基铟(TEIn)，三甲基铝(TMAl)和氨气(NH

1.将基底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1200℃烘烤15分钟；

2.降温到500℃，气压150torr，通入三甲基镓(TMGa)和氨气(NH

3.接着在温度1020℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

4.接着在温度1020℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

5.接着在温度980℃，气压250torr，通入三乙基镓(TEGa)、三乙基铟(TEIn)、氨气(NH

6.接着在温度970℃，气压230torr，通入三乙基镓(TEGa)、三乙基铟(TEIn)、氨气(NH

7.接着在温度1030℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

8.接着在温度1010℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、二茂镁(CpMg)、氨气(NH

9.接着在温度1010℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、二茂镁(CpMg)、氨气(NH

10.接着在温度1010℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、二茂镁(CpMg)、氨气(NH

11.接着在温度1030℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

12.接着在温度990℃，气压230torr，通入三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、氨气(NH

13.接着在温度990℃，气压230torr，通入三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、氨气(NH

14.接着在温度990℃，气压230torr，通入三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、氨气(NH

15.接着在温度990℃，气压230torr，通入三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、氨气(NH

16.接着在温度1020℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

17.接着在温度1020℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

18.然后再氮气氛围980℃，300torr下退火15分钟；

19.生长完成；

实施例5

实施例1-3中任一所述的一种化合物半导体材料的HBT外延结构的制备方法，包括以下步骤

1.将基底特殊清洗处理后，放入MOCVD设备在1200℃烘烤15分钟；

2.降温到500℃，气压150torr，通入三甲基镓(TMGa)和氨气(NH

3.接着在温度1020℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

4.接着在温度1020℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

5.接着在温度980℃，气压250torr，通入三乙基镓(TEGa)、三乙基铟(TEIn)、氨气(NH

6.接着在温度970℃，气压230torr，通入三乙基镓(TEGa)、三乙基铟(TEIn)、氨气(NH

7.接着在温度1030℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

8.接着在温度1010℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、二茂镁(CpMg)、氨气(NH

9.接着在温度1010℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、二茂镁(CpMg)、氨气(NH

10.接着在温度1010℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、二茂镁(CpMg)、氨气(NH

11.接着在温度1030℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

12.接着在温度990℃，气压230torr，通入三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、氨气(NH

13.接着在温度990℃，气压230torr，通入三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、氨气(NH

14.接着在温度990℃，气压230torr，通入三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、氨气(NH

15.接着在温度990℃，气压230torr，通入三甲基铝(TMAl)、三甲基铟(TMIn)、氨气(NH

16.接着在温度1020℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

17.接着在温度1020℃，气压250torr，通入三甲基镓(TMGa)、氨气(NH

18.然后再氮气氛围980℃，300torr下退火15分钟；

19.生长完成。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。