CN1698210A - P型氮化物半导体结构以及双极晶体管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种p型氮化物半导体结构，通过在加工损伤的p型氮化物半导体上再生长含In的p型氮化物半导体，可修复加工损伤，大幅度改善欧姆特性。此外，还提供了一种可显著改善电流增益并显著提高开启电压的p型氮化物半导体双极晶体管。在通过蚀刻处理的p型氮化物半导体(2)上形成含In的p型氮化物半导体层(8)。在具有p型氮化物半导体基极层的双极晶体管中，通过再生长，在通过蚀刻发射极层(1)而暴露的p型InGaN基极层(2)上形成含In的p型InGaN基极层(8)。
Description
技术领域
本发明涉及一种p型氮化物半导体结构以及双极晶体管，更详细地说，本发明涉及一种具有氮化物半导体的p型氮化物半导体结构以及在高输出的功率放大器等中使用的p型氮化物半导体双极晶体管。
背景技术
通常，由于氮化物半导体具有所谓的带隙大的特性，所以可应用在各种各样的光电子元件中。通过蚀刻等加工的p型氮化物半导体的表面会因加工而受到损伤。由于此损伤表现出n型导电性，所以即使在加工后的p型氮化物半导体的表面形成欧姆电极也不能获得良好的电流-电压(I-V)特性(例如，参照非专利文献1：T.Makimoto，K.Kumakura，和N.Kobayashi发表于Journal of Crystal Growth 221，P.350-355(2000)(晶体生长期刊211，第350-355页，2000年)；以及非专利文献2：T.Makimoto，K.Kumakura，和N.Kobayashi发表于phys.stat.sol.(a)188，No.1，P.183-186，(2001)(phys.stat.sol.(a)188，第1期，第183-186页，2001年)。
为减少此损伤造成的影响，报道了一种在遭受损伤的层上生长新的p型氮化物半导体的方法。在此，重点说明有关基极层为p型氮化物半导体的npn型氮化物半导体异质结双极晶体管(HBT：异质结双极晶体管)的研究。
图9A～图9E是表示HBT的典型制造工艺的一个实例图，图9A是HBT结构的结晶生长的状态示意图，图9B是经蚀刻露出基极层的状态示意图，图9C是经蚀刻后暴露出子集电极层的状态示意图，图9D是在基极层上形成p型电极的状态示意图，图9E是在发射极层和子集电极层上形成n型电极的状态示意图。
如图9A所示，HBT结构由n型子集电极层24、在此n型子集电极层24上层叠的n型集电极层23、在此n型集电极层23上层叠的p型InGaN基极层22和在此p型InGaN基极层22上层叠的n型GaN发射极层21构成。接下来，如图9B所示，通过蚀刻暴露基极层22。然后，如图9C所示，通过蚀刻，暴露n型子集电极层24。接着，如图9D所示，在露出的基极层22上形成p型电极(基极电极)25。继而如图9E所示，在发射极层21和露出的n型子集电极层24上形成n型电极26。
在这种HBT制造工艺中，为了形成基极电极25，通过蚀刻去除发射极层21从而使基极层22的表面暴露。在此露出的基极层22的表面形成基极电极25。由于此露出的基极层22的表面会受到蚀刻损伤，所以对于基极层22为p型GaN情况下的基极电极就不能显示出良好的I-V特性。并且，制造出的HBT也不能显示出良好的发射极接地I-V特性。
就是说，在现有的HBT的发射极接地I-V特性中，存在所谓的电流增益小、而开启电压大的问题。基于减少此基极层的表面损伤影响的目的，报道了一种在受损伤的p型氮化物半导体基极层上生长新的p型半导体的方法。
下面，说明这些现有的方法。
用于减少损伤影响的第一个方法是在受损伤的表面再生长p型GaN的方法(例如，参考非专利文献3：L.S.McCarthy，P.Kozodoy，M.J.W.Rodwell，S.P.DenBaars，U.K.Mishra发表于IEEE Electron DeviceLetters，Vol.20，No.6，P.277-279(1999)(IEEE电子器件通讯，第20卷，第6期，第277-279页，1999年)；以及非专利文献4：B.S.Shelton，D.J.H.Lambert，Jian Jang Huang，M.M.Wong，U.Chowdhury，Ting GangZhu，H.K.Kwon，Z.Liliental-Weber，M.Benarama，M.Feng，R.D.Dupuis发表于IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.48，No.3，P.490-494(2001)(IEEE电子器件学报，第48卷，第3期，第490-494页，2001年)。
图10是表示在受蚀刻损伤后的p型GaN上再生长p型GaN情况下的现有例子的HBT结构的示意图，以及在p型氮化物半导体基极层上生长新的p型半导体的现有HBT结构的示意图。此HBT结构由n型GaN子集电极层34、在此n型GaN子集电极层34上层叠的n型GaN集电极层33、在此n型GaN集电极层33上层叠的p型GaN基极层32、在此p型GaN基极层32上层叠的n型AlGaN发射极层31、在露出的p型GaN基极层32上形成的外部再生长p型GaN基极层35构成。在露出的n型GaN子集电极层34上形成集电极的电极37，在外部再生长的p型GaN基极层35上形成基极电极36，在n型AlGaN发射极层31上形成发射极电极38。
然而，上述任何一个非专利文献中记载的内容都未涉及基极层的再生长，且HBT的电流增益为10以下，不能获得更大的值。
此外，在上述非专利文献3中，发射极接地I-V特性中的开启电压为4V以上。并且，在上述非专利文献4中，由于报道的发射极接地I-V特性漏电流大，所以无法测量开启电压。
这样，即使通过蚀刻在露出的基极层之上再生长p型GaN(也称为“外部基极层”)，也基本上不能改善HBT的特性。作为p型氮化物半导体的典型例子而使用p型GaN进行再生长的情况下，由于不能修复再生长界面上存在的加工损伤，因此就不能改善HBT的特性。这就表明，为了制造良好的HBT，重要的是再生长的材料。
第二个方法是替代再生长p型GaN，在受损伤的表面上再生长p型GaAs的方法(例如，参照非专利文件5：K.P.Lee，A.P.Zhang，G.Dang，F.Ren，J.Han，S.N.G.Chu，W.S.Hobson，J.Lopata，C.R.Abemathy，S.J.Pearton，J.W.Lee发表于Solid-State Electronics 45，P.243-247(2001)(固态电子45，第243-247页，2001年))。其中P型GaN的空穴浓度为1020cm-3，比室温下的p型GaN的空穴浓度高出100倍以上。该报道引人注目之处是以获得良好的HBT特性为目的这种高空穴浓度。
但是，即使进行p型GaAs的再生长，发射极接地I-V特性中的电流增益也为5以下、开启电压也在3.5V以上，而不能获得良好的HBT特性。即使在这种情况下，由于不能修复存在于p型GaN基极层和p型GaAs生长层之间的加工损伤，因此也不能改善HBT特性。这就表明，即使单纯地增加在受到加工损伤的p型GaN之上再生长层的空穴浓度，也不能制造出良好的HBT。
作为其他专利文献，有特开平5-175225号公报和特开平5-291282号公报。这些公报的内容是为了实现结电容的减少，在高电阻化的AlGaAs外部发射极层上再生长p型GaAs外部基极层。此外，特开平7-245316号公报的内容是通过蚀刻在n型GaAs集电极层上的n型InGaP阻挡层来形成p型GaAs外部基极层。
本发明鉴于上述问题，其目的是通过解决在加工后的p型氮化物半导体的表面上形成良好的欧姆电极时所存在的困难，从而提供一种能够形成良好欧姆电极的p型氮化物半导体结构。
此外，本发明的另一目的在于，通过解决现有的p型氮化物半导体双极晶体管的电流增益比由其他半导体制造的双极晶体管的电流增益显著下降的问题，提供一种使电流增益显著提高的p型氮化物半导体双极晶体管。
此外，本发明的再一个目的在于，通过解决现有的p型氮化物半导体双极晶体管的开启电压比根据带隙所预计的值还要大许多的问题，提供一种能够将开启电压减少到接近根据带隙所预想的值的p型氮化物半导体双极晶体管。
发明内容
本发明提供一种p型氮化物半导体结构，其特征在于，在通过蚀刻加工后的p型氮化物半导体上设置含In(铟)的p型氮化物半导体层。
此外，本发明提供一种p型氮化物双极晶体管，其特征在于，在基极层为p型氮化物半导体的双极晶体管中，在通过蚀刻发射极层而露出的p型基极层的表面上，设置含In的p型氮化物半导体层。
即，本发明的最主要特征是在加工后的p型氮化物半导体上再生长含In的p型氮化物半导体的结构。再有，与现有技术的不同点在于，在再生长的p型氮化物半导体中含有In。
在受到加工损伤的p型氮化物半导体上生长含In的p型氮化物半导体的情况下，利用In原子可得到良好的再生长界面，并能够大幅度地减少加工损伤。其结果是能够形成良好的欧姆电极。如果将本发明使用在双极晶体管的外部p型基极层的再生长中，就能减少因加工损伤而产生的基极漏电流。其结果，就能够获得大幅度提高的电流增益和低的开启电压。
附图说明
图1为表示本发明的HBT结构的示意图；
图2为表示在实施例中使用的npn型HBT的层结构的示意图；
图3为表示进行p型InGaN外部基极层的再生长后的状态的示意图；
图4为实施例中的再生长p型InGaN外部基极层附近的详细情况的示意图；
图5为再生长p型InGaN时的I-V特性(本发明)和没有再生长p型InGaN时(现有结构)的I-V特性的比较图；
图6为表示采用现有方法制造的HBT的发射极接地特性图的一个例子；
图7为表示实施例中的HBT的发射极接地I-V特性的图；
图8是表示为了调整开启电压而利用小电流测量出的发射极接地I-V特性图；
图9A～图9E是用于制造HBT的典型的现有工艺(无再生长)的一个例子；
图10为表示在受蚀刻损伤的p型GaN上再生长p型GaN的情况下的现有例子的HBT结构的示意图。
本发明的最佳实施方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施例。
图1为表示本发明的HBT结构的示意图，显示了p型氮化物半导体双极晶体管的结构。
此HBT结构包括n型GaN子集电极层5、在此n型GaN子集电极层5上层叠的n型GaN集电极层4、在此n型GaN集电极层4上层叠的缓变InGaN层3，在此缓变InGaN层3上层叠的p型InGaN基极层2、在此p型InGaN基极层2上层叠的n型GaN发射极层1和在露出的p型InGaN基极层2上形成的外部再生长的p型InGaN基极层8。在露出的n型GaN子集电极层5上形成集电极电极10，在外部再生长的p型InGaN基极层8上形成基极电极9，在n型GaN发射极层1上形成发射极电极11。
此HBT是一种在基极层2为p型氮化物半导体的HBT中、在通过蚀刻发射极层1而露出的p型基极层2的表面上生长出含In的p型氮化物半导体层8的p型氮化物半导体HBT。本发明的p型基极层2为含In的p型InGaN。
下面，说明本发明的HBT的制造方法。
首先，利用有机金属气相生长法(MOVPE法)在SiC衬底7上制造npn型HBT。图2示出了该生长的层结构的示意图。发射极层1为n型GaN(Si：5×1019cm-3，40nm)，基极层2为p型InGaN(In：7％，Mg：1×1019cm-3，100nm)，缓变层3为InGaN(30nm)，集电极层4为n型GaN(Si：1×1017cm-3，500nm)，子集电极层5为n型GaN(1μm)，缓冲层6为AlN(100nm)，衬底7为SiC，采用双异质结的结构。使用三乙基镓、氨在1000℃下生长集电极层4。使用三甲基铟、三乙基镓、氨在780℃下生长缓变InGaN层3、基极层2、集电极层4。P型杂质使用Mg原子，n型杂质使用Si原子。使用X射线双晶体方法，在假设InGaN晶体完全地缓和的情况下，使用维加德(ベガ-ド)定律求出InGaN中的In组份。此外，测量中使用的InGaN的膜厚为100nm到200nm范围内。
虽然在基极层2中使用p型InGaN，但由于增大了此p型InGaN的In组份，并增大了与GaN的晶格常数差，所以就会增加缺陷密度。其结果是，由于少数载流子的寿命缩短了，就会使电流增益变小。因此，本实施例的p型InGaN的In的组份使用比7％更小的值。由于减小In组份，加工损伤的影响就变大(例如参照非专利文献1)，因此电流增益和加工损伤的关系为矛盾的关系。基于这一点，优选p型InGaN基极层2的In组份为5％～30％的范围内，优选p型氮化物半导体层8的In组份高于p型InGaN基极层2的In组份。
此外，在简单地使p型InGaN基极层2和n型GaN集电极层4相结合时，由于基极层2和集电极层4之间的导带不连续，因而会产生尖突(spike)。由于此尖突阻碍从发射极层1注入基极层2的电子向集电极层4的移动，因此就会减少电流增益。为了消除此影响，在基极层2和集电极层4之间设置In组份缓慢变化的缓变InGaN层3。
首先，通过使用氯气进行干法蚀刻(反应性离子蚀刻)，加工图2中所示的HBT层结构，暴露出基极层2的表面和子集电极层5的表面。
接下来，利用SiO2掩模覆盖没有再生长p型氮化物半导体层8的部分。此后，使用三甲基铟、三乙基镓、环戊二烯镁(Mg原子的原料气体)、氨，在p型InGaN基极层2上再生长p型InGaN外部基极层8。由于希望此再生长的生长温度比生长基极层2的温度(本实施例为780℃)还要低，本实施例中设为750℃。
优选此再生长的p型InGaN外部基极层8的In组份比p型InGaN层2的In组份高。图3示出了进行再生长后的状态示意图。此后，利用HF去除SiO2掩模12，通过电子束蒸发，形成各个电极(基极电极9、集电极电极10、发射极电极11)。由此，最终制造出图1中示出的HBT。在此情况下，发射极电极的尺寸为50μm×30μm。
图4中详细地示出了根据本实施例再生长出的p型InGaN外部基极层8的详细结构。在经蚀刻露出的p型InGaN基极层2上，再生长100nm的In组份为20％的p型InGaN层17，继续生长2nm的In组份为30％的厚度很薄的p型InGaN层13。这些再生长的p型InGaN层中含Mg的浓度为4×1019cm-3。如本实施例所示，在In组份为30％的厚度很薄的p型InGaN层13和In组份为20％的p型InGaN层12之间，由于晶体的变形，因而就产生了极化电荷14。此极化电荷大是氮化物半导体的特点，在GaAs系列和InP系列的化合物半导体中，极化电荷的尺寸小到几乎可忽略。在In组份低的InGaN之上生长In组份高的InGaN的情况下，在其界面产生负极化电荷。利用此性质，能够降低p型氮化物半导体和金属之间的接触电阻(例如，参考特开2003-007998号公报“低电阻氮化物半导体及其制造方法”(熊仓、牧本、小林)，或非专利文献6：K.Kumakura，T.Makimoto和N.Kobayashi所著，发表于Applied Physics Letters，Vol.79，No.16，pp.2558-2590(2001)(应用物理通讯，第79卷，第16期，第2558-2590页，2001年))。
即，这种薄的p型InGaN层起到减小与金属的接触电阻的作用，但是上述文献没有关于本发明的实质部分的记载。对此必须注意，本发明的实质部分是在p型InGaN基极层2上再生长的厚度为100nm、In组份为20％的p型InGaN层17的再生长。
优选此20％的p型InGaN外部基极层17的Mg浓度比7％的p型InGaN基极层2的更高。另一方面，可以理解，当Mg浓度过高时，空穴载流子浓度就会下降。根据以上事实，优选Mg浓度在1×1019cm-3到2×1020cm-3之间。此外，当20％的p型InGaN外部基极层17的厚度薄时，不能获得所期望的再生长效果，在外部基极层17较厚的情况下，就会不利于器件的制造。因此，该厚度优选为1nm至1000nm。
由此，如图4所示，因蚀刻而产生的缺陷，就会在p型InGaN基极层2之上产生正电荷16。此正电荷16是欧姆特性变坏的原因。在本实施例中，In组份为20％的p型InGaN外部基极层17并不完全变形，希望在此层和In组份为7％的p型InGaN基极层2之间产生某种程度的负极化电荷15。由于此负极化电荷15与因缺陷而产生的正电荷16相互抵消，因此就能获得所期望的良好的欧姆特性。因此，优选再生长的p型InGaN外部基极层17的In组份高于p型InGaN基极层2的In组份。
在本实施例中再生长的p型InGaN外部基极层8上形成两个Pd/Au电极9，测量电极间的I-V特性。电极的尺寸为50μm×80μm，其间隔为20μm。在与电极无关的部分，不再进行再生长基极层8的生长。为此，使所有的电流都通过7％的p型InGaN基极层2和20％的再生长p型InGaN外部基极层17的界面。
图5是再生长p型InGaN外部基极层8时的I-V特性(实施例)和没有进行再生长时(现有技术的方法)的I-V特性的比较图。在现有技术的方法中，由于蚀刻损伤，不能获得良好的欧姆特性。与此相反，如本实施例所示，在再生长出p型InGaN外部基极层8的情况下，I-V特性得到了显著的改善。
利用图9所示的未使用本发明的典型HBT制造工艺，制造出HBT。图5中显示了非专利文献2中介绍的发射极接地特性的一个例子。在此HBT中，由于基极层中使用p型InGaN层，加工损伤比在p型GaN的情况下更少。尽管如此，电流增益最大值为20左右，开启电压为6V左右。开启电压的预计值与期望值相差不小于5V。
与此相对照，图7示出了本实施例的HBT的发射极接地I-V特性。电流增益的最大值不小于3000。图8是用于调整开启电压而利用小电流测量出的发射极接地I-V特性。图8中表明开启电压为0.27V。由于n型GaN发射极1和In组份为7％的p型InGaN基极层2的导带不连续量为0.2V，可得到基本上等于此不连续量的开启电压。开启电压的预计值与期望值相差不超过0.1V。这样，与利用现有方法制造的情况相比，本实施例的HBT大幅度地将电流增益提高为100倍以上，开启电压的预计值与期望值之差也急剧减小为小于1/50。
如此，由于使用p型InGaN外部基极层8为再生长层，因此能够大幅度地改善HBT的特性。而在p型氮化物半导体中使用含In原子，目的是为了修复加工损伤。
产业上的可利用性
如以上所述，在本发明中，通过在存在加工损伤的p型氮化物半导体之上进行含In的p型氮化物半导体的再生长，以修复加工损伤，就能大幅度地改善欧姆特性。为此，如果使用本发明HBT的基极层，就具有能大幅度地改善电流增益和开启电压的优点。
Claims (13)
1.一种p型氮化物半导体结构，其特征在于，在采用蚀刻加工的p型氮化物半导体上，设置有再生长的含铟的p型氮化物半导体层。
2.根据权利要求1中所述的p型氮化物半导体结构，其特征在于，所述含铟的p型氮化物半导体层是p型InGaN。
3.一种p型氮化物半导体结构，其特征在于，在衬底上包括：
n型集电极层；
在该n型集电极层上形成的p型基极层；和
在该p型基极层上形成的n型发射极层；
其中，在通过蚀刻该n型发射极层而露出的所述p型基极层的表面上，形成有再生长的含铟的p型氮化物半导体层。
4.根据权利要求3中所述的p型氮化物半导体结构，其特征在于，所述p型氮化物半导体层是p型InGaN。
5.根据权利要求1至4任一项所述的p型氮化物半导体结构，其特征在于，所述p型基极层是p型InGaN。
6.根据权利要求1至5任一项所述的p型氮化物半导体结构，其特征在于，所述p型InGaN基极层的铟组份为5～30％。
7.根据权利要求1至6任一项所述的p型氮化物半导体结构，其特征在于，所述p型氮化物半导体层的铟组份高于所述p型InGaN基极层的铟组份。
8.一种p型氮化物半导体双极晶体管，在衬底上包括：
n型集电极层；
在该n型集电极层上形成的p型基极层；和
在该p型基极层上形成的n型发射极层；
所述p型基极层为p型氮化物半导体，其特征在于，
在通过蚀刻所述n型发射极层而露出的所述p型基极层的表面上，形成有再生长的含铟的p型氮化物半导体层。
9.根据权利要求8中所述的p型氮化物半导体双极晶体管，其特征在于，所述p型氮化物半导体层是p型InGaN。
10.根据权利要求8或9所述的p型氮化物半导体双极晶体管，其特征在于，所述p型基极层是p型InGaN。
11.根据权利要求8、9或10所述的p型氮化物半导体双极晶体管，其特征在于，在所述p型基极层和所述n型集电极层之间，形成有使铟组份缓慢变化的缓变层。
12.根据权利要求8至11任一项所述的p型氮化物半导体双极晶体管，其特征在于，所述p型InGaN基极层的铟组份为5～30％。
13.根据权利要求8至12任一项所述的p型氮化物半导体双极晶体管，其特征在于，所述p型氮化物半导体层的铟组份高于所述p型InGaN基极层的铟组份。
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