阅读说明：本技术 外延结构和低开启电压晶体管 (Epitaxial structure and low turn-on voltage transistor ) 是由 颜志泓 蔡文必 魏鸿基 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本申请提供了一种外延结构和低开启电压晶体管,涉及半导体领域。外延结构包含复合基电极层和复合发射极层。复合基电极层包含第一基电极层和制备在第一基电极层上的第二基电极层。第一基电极层的材料包含In<Sub>x</Sub>Ga<Sub>1－x</Sub>As<Sub>1－y</Sub>N<Sub>y</Sub>或In<Sub>x</Sub>Ga<Sub>1－x</Sub>As,第二基电极的材料包含In<Sub>m</Sub>Ga<Sub>1－</Sub><Sub>m</Sub>As。In<Sub>x</Sub>Ga<Sub>1－x</Sub>As<Sub>1－y</Sub>N<Sub>y</Sub>具有低能隙的特点,能够减少晶体管的开启电压,减少功耗。在靠近复合发射极层的方向上,第一基电极层中In含量不变,第二基电极层中In含量逐渐增大。In含量逐渐增大能够提高电子的载子迁移率,减少器件的基电极层的电阻,能够保证晶体管的频率特性良好。(The application provides an epitaxial structure and a low-turn-on voltage transistor, and relates to the field of semiconductors. The epitaxial structure comprises a composite base electrode layer and a composite emitter electrode layer. The composite base electrode layer includes a first base electrode layer and a second base electrode layer prepared on the first base electrode layer. The material of the first base electrode layer contains In x Ga 1－x As 1－y N y Or In x Ga 1－x As, the material of the second base electrode contains In m Ga 1－ m As。In x Ga 1－x As 1－y N y The transistor has the characteristic of low energy gap, can reduce the starting voltage of the transistor and reduce the power consumption. In the direction close to the composite emitter layer, the In content In the first base electrode layer is unchanged, and the In content In the second base electrode layer is gradually increased. The gradual increase of the In content can improve electronsThe carrier mobility of (2) reduces the resistance of the base electrode layer of the device, and can ensure good frequency characteristics of the transistor.)

外延结构和低开启电压晶体管

技术领域

本申请涉及半导体领域，具体涉及一种外延结构和低开启电压晶体管。

背景技术

现有的异质结磷化铟镓晶体管器件(InGaP HBT)具有较高的器件可靠性，具有不错的运用前景，但是其开启电压较大，导致器件的功耗较大。所以，需要设计一种晶体管，能够适用于低开启电压，减少功耗，不会带来其它缺陷。

发明内容

本申请提供一种外延结构和低开启电压晶体管，能够适用于低开启电压，减少功耗，且不会带来其它缺陷。

本申请实施例提供一种外延结构，包含：

复合基电极层，包含第一基电极层和制备在第一基电极层上的第二基电极层，第一基电极层的材料包含In_xGa_1-xAs_1-yN_y或In_xGa_1-xAs，第二基电极的材料包含In_mGa_1-mAs；

基于第二基电极层制备的复合发射极层；

其中，在靠近复合发射极层的方向上，第一基电极层中In含量不变，第二基电极层中In含量逐渐增大。

进一步地，In_xGa_1-xAs_1-yN_y中，x＝0.03，x＝3y。

进一步地，第一基电极层的材料中，In的组分范围为：3％～20％。

进一步地，第一基电极层的材料中，In的组分范围为：7％～102％。

进一步地，In_xGa_1-xAs中，在靠近复合发射极层的方向上，x的取值从0.05逐渐增至0.15。

进一步地，In_xGa_1-xAs中，在靠近复合发射极层的方向上，x的取值从0.03逐渐增至0.2。

进一步地，第二基电极层的厚度范围为：单原子层的厚度至30nm。

进一步地，复合发射极层的材料包含Ga_xIn_1-xP，复合发射极层包含：

第一发射极层；

基于第一发射极层制备的第二发射极层；

基于第二发射极层制备的第三发射极层；

其中，在远离复合基电极层的方向上，第一发射极层中x的取值逐渐增大，第二发射极层中x的取值不变，第三发射极层中x的取值逐渐增大。

进一步地，第一发射极层中x的取值从0.3逐渐增至0.7。

进一步地，第二发射极中x的取值为0.3。

进一步地，第三发射极层中x的取值从0.3逐渐增至0.51。

进一步地，复合发射极层的材料中，Ga的组分范围为：30％～70％。

进一步地，第一发射极层的厚度范围为：1nm～5nm，第二发射极层的厚度范围为：15nm～25nm，第三发射极层的厚度范围为：5nm～10nm。

本申请实施例还提供一种低开启电压晶体管，包含上述外延结构。

本申请实施例提供的外延结构和低开启电压晶体管的有益效果：

1.设计出复合基电极层，使复合基电极层包含第一基电极层和第二基电极层，第一基电极层的材料包含In_xGa_1-xAs_1-yN_y或In_xGa_1-xAs，第二基电极层的材料包含In_mGa_1-mAs，In_xGa_1-xAs_1-yN_y材料具有低能隙的特点，能够减少晶体管的开启电压，减少功耗；

2.上述In_xGa_1-xAs_1-yN_y材料具有电子的载子迁移率偏低的问题，直接运用会导致阻值过高，限制晶体管的频率特性。对此，设计出：在靠近复合发射极层的方向上，第一基电极层中In含量不变，第二基电极层中In含量逐渐增大，In含量逐渐增大能够提高电子的载子迁移率，减少器件的基电极层的电阻，保证晶体管的频率特性良好。同时，第二基电极层与上述复合发射极层之间的导电带尖峰效应，随着In含量逐渐增大而减少，进一步减少晶体管的开启电压；

3.在制备工艺上，无需增加额外的工序，不会增加额外的制备成本。

下文结合附图，对本申请的实施例作详细说明。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本申请第一实施例提供的外延结构的示意图。

图2为图1中外延结构的制备流程图。

图3为本申请第二实施例提供的运用于HBT的外延结构的示意图。

图4为本申请第三实施例提供的外延结构的示意图。

图5为图4中外延结构的制备流程图。

图6为本申请第四实施例提供的运用于HBT的外延结构的示意图。

图标：1-外延结构；10-复合基电极层；101-第一基电极层；102-第二基电极层；20-复合发射极层；201-第一发射极层；202-第二发射极层；203-第三发射极层；30-基板；40-次集电极层；50-集电极层；60-帽盖层；70-集电极金属接触层；80-发射极金属接触层；90-基电极金属接触层。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

对于异质结磷化铟镓晶体管器件(InGaP HBT)，减少发射极层(Emitter)与基电极层(Base)之间的导电带尖峰效应，能够使其开启导通电压(Vbe,on)值减低。减少基电极层的材料的能隙，可达到改善发射极层(Emitter)与基电极层(Base)之间的导电带尖峰效应的目的。

在砷化镓基异质结晶体管器件中,使用In_xGa_1-xAs_1-yN_y或In_xGa_1-xAs制备基电极层，能够减少基电极层的材料的能隙，从而达到减少发射极层(Emitter)与基电极层(Base)之间的导电带尖峰效应的目的。但是，In_xGa_1-xAs_1-yN_y具有电子的载子迁移率偏低的问题，直接运用会导致基电极层的阻值过高，限制晶体管的频率特性。

对此，本申请的实施例提供一种外延结构和低开启电压晶体管，不仅能够适用于低开启电压，减少功耗，还能够提高电子的载子迁移率，减少器件的基电极层的电阻，运用于晶体管中，能够保证晶体管的频率特性良好。

第一实施例

请参阅图1，本实施例提供一种外延结构1，包含复合基电极层10和复合发射极层20。

其中，复合基电极层10为双层材料结构，复合基电极层10包含第一基电极层101和第二基电极层102，第二基电极层102制备在第一基电极层101上。第一基电极层101的材料包含In_xGa_1-xAs_1-yN_y或In_xGa_1-xAs，第二基电极的材料包含In_mGa_1-mAs。In_xGa_1-xAs_1-yN_y材料具有低能隙的特点，改善基电极层与发射极层之间的导电带尖峰效应，能够减少晶体管的开启电压，减少功耗。

在靠近复合发射极层20的方向上，相当于说，图1中从下至上的方向上，第一基电极层101中In含量不变，第二基电极层102中In含量逐渐增大。

第二基电极层102中，In含量随着高度的增大逐渐增大，增大的速度可以与高度保持线性关系，也可以按照性能需要灵活设计大小关系，只要使In含量随着高度的增大有增大的趋势，都应该属于本申请要求保护的范围。

In含量逐渐增大能够提高电子的载子迁移率，减少基电极层的电阻，能够保证晶体管的频率特性良好。同时，第二基电极层102与上述复合发射极层20之间的导电带尖峰效应，随着In含量逐渐增大而减少，进一步减少晶体管的开启电压。

复合发射极层20为单层材料结构。复合发射极层20的材料包含Ga_nIn_1-nP。复合发射极层20中In含量分布均匀、保持相等。

请参阅图2，本实施例还提供上述外延结构1的制备方法，包含以下步骤：

S1：制备第一基电极层101

第一基电极层101的材料可以使用In_xGa_1-xAs_1-yN_y或In_xGa_1-xAs。

以In_xGa_1-xAs_1-yN_y为例，可以设计x＝0.03，x＝3y，第一基电极层101的材料中，In的组分可以为3％～20％中任一固定值。依材料成长需求以合适莫耳分率(mole ratio)成长该层。

以In_xGa_1-xAs为例，可以设计x＝0.03，第一基电极层101的材料中，In的组分可以为7％～102％中任一固定值。从而按比例调整In的莫耳分率(mole ratio)、Ga的莫耳分率(mole ratio)及N的莫耳分率(mole ratio)，逐渐堆积形成第一基电极层101，并保持从下至上In含量分布均匀、保持相等。

S2：制备第二基电极层102

第二基电极层102的材料可以使用In_mGa_1-mAs。其中，在靠近复合发射极层20的方向上，也就是从下至上的方向上，m的取值从0.05逐渐增至0.15。在其他实施例中，m的取值也可以是从0.03逐渐增至0.2。

按比例调整In的莫耳分率(mole ratio)、Ga的莫耳分率(mole ratio)，在第一基电极层101上逐渐堆积形成第二基电极层102，并保持从下至上In含量逐渐增大。In含量逐渐增大，提高以In_mGa_1-mAs形成基电极层时电子的载子迁移率，第二基电极层102与复合发射极层20之间的导电带尖峰效应减少，进而减少器件的开启电压，减少能耗。

S2可以控制第二基电极层102的厚度范围为：单原子层的厚度至30nm。

S3：制备复合发射极层20

复合发射极层20设计为单层材料结构，复合发射极层20的材料可以使用Ga_nIn_{1- n}P，复合发射极层20的材料中，Ga的组分范围为30％～70％。

按比例调整In的莫耳分率(mole ratio)、Ga的莫耳分率(mole ratio)，在第二基电极层102上逐渐堆积形成复合发射极层20。

本实施例提供的外延结构1及其制备方法的有益效果：

1.使用低能隙材料，能够减少晶体管的开启电压，减少功耗；

2.能够提高电子的载子迁移率，保持基电极层的阻值在较低的水平，能够保证晶体管的频率特性良好；

3.制备方法上只需对应调整原料的莫耳分率(mole ratio)即可，不需要增加额外的工序，不会造成额外的成本。

第二实施例

本实施例提供一种外延结构1，其在第一实施例提供的外延结构1的基础上，进一步设计成适用于HBT(异质结双极晶体管)的外延结构1。

请参阅图3，外延结构1包含从下至上依次生长的基板30、次集电极层40、集电极层50、复合基电极层10、复合发射极层20和帽盖层60。其中，复合基电极层10和复合发射极层20使用第一实施例中的结构。

此外，复合发射极层20的上方设置有发射极金属接触层80，发射极金属接触层80与帽盖层60形成欧姆接触，复合基电极层10上设置有基电极金属接触层90，基电极金属接触层90与复合基电极层10形成欧姆接触。次集电极层40上设置有集电极金属接触层70，集电极金属接触层70与次集电极层40形成欧姆接触。

其中，基板30、次集电极层40、集电极层50和帽盖层60的材料可以使用GaAs。

第三实施例

本实施例提供一种外延结构1，其与第一实施例中的外延结构1的不同之处在于，复合发射极层20的结构不同。

请参阅图4，外延结构1包含复合基电极层10和复合发射极层20。其中，复合基电极层10使用第一实施例中的结构。

复合发射极层20为三层材料结构。复合发射极层20的材料包含Ga_nIn_1-nP，复合发射极层20包含从下至上依次生长的第一发射极层201、第二发射极层202和第三发射极层203。其中，在远离复合基电极层10的方向上，也就是从下至上的方向上，第一发射极层201中n的取值逐渐增大，第二发射极层202中n的取值不变，第三发射极层203中n的取值逐渐增大。

第一发射极层201和第三发射极层203中，n的取值逐渐增大，能够进一步改善复合基电极层10与复合发射极层20之间的导电带尖峰，减少器件的开启电压，减少功耗。

第一发射极层201和第三发射极层203中，Ga含量随着高度的增大逐渐增大，增大的速度可以与高度保持线性关系，也可以按照性能需要灵活设计大小关系，只要使Ga含量随着高度的增大有增大的趋势，都应该属于本申请要求保护的范围。

请参阅图5，本实施例还提供上述外延结构1的制备方法，包含以下步骤：

S10：制备第一基电极层101

S10与第一实施例中的S1相同，这里不再赘述。

S20：制备第二基电极层102

S20与第一实施例中的S2相同，这里不再赘述。

S30：制备第一发射极层201

第一发射极层201的材料为Ga_nIn_1-nP，其中，在远离复合基电极层10的方向上，也就是从下至上的方向上，n的取值从0.3逐渐增至0.7。

按比例调整In的莫耳分率、Ga的莫耳分率，在第二基电极层102上逐渐堆积形成第一发射极层201，并保持从下至上Ga含量逐渐增大。

第一发射极层201的厚度范围为：1nm～5nm。

S40：制备第二发射极层202

第二发射极层202的材料为Ga_nIn_1-nP，其中，在远离复合基电极层10的方向上，也就是从下至上的方向上，n的取值保持不变，相当于说，第二发射极层202中Ga的分布均匀、含量保持不变。本实施例中，第二发射极中n的取值为0.3。

按比例调整In的莫耳分率、Ga的莫耳分率，在第一发射极层201上逐渐堆积形成第二发射极层202，并保持从下至上Ga含量保持不变。

第二发射极层202的厚度范围为：15nm～25nm。

S50：制备第三发射极层203

第三发射极层203的材料为Ga_nIn_1-nP，其中，在远离复合基电极层10的方向上，也就是从下至上的方向上，n的取值从0.3逐渐增至0.51。

按比例调整In的莫耳分率、Ga的莫耳分率，在第二发射极层202上逐渐堆积形成第三发射极层203，并保持从下至上Ga含量逐渐增大。

第三发射极层203的厚度范围为：5nm～10nm。

第四实施例

本实施例提供一种外延结构1，其在第三实施例提供的外延结构1的基础上，进一步设计成适用于HBT(异质结双极晶体管)的外延结构1。

请参阅图6，外延结构1包含从下至上依次生长的基板30、次集电极层40、集电极层50、复合基电极层10、复合发射极层20和帽盖层60。其中，复合基电极层10和复合发射极层20使用第三实施例中的结构。此外，帽盖层60的上方设置有发射极金属接触层80，并与复合发射极层20欧姆接触。复合基电极层10上设置有基电极金属接触层90，基电极金属接触层90与复合基电极层10欧姆接触。次集电极层40上设置有集电极金属接触层70，集电极金属接触层70与次集电极层40欧姆接触。

本实施例提供的外延结构1与第二实施例提供的外延结构1相近，不同之处在于，复合发射极层20的结构不同，其它层结构对应相同，这里不再赘述。

需要强调的是，本申请中介绍的外延结构1具有较广的运用场景，例如各种晶体管中，进一步地，还能够运用于功率放大器或其它电器中，只要运用了本申请中提供的复合基电极层10，都应该属于本申请要求保护的范围。

本申请中，复合基电极层10为双层材料结构，复合发射极层20为单层材料结构或三层材料结构，根据本申请中的原理，复合基电极层10还可以设计更多数量的层结构，复合发射极层20还可以设计为双层材料结构或更多数量的层结构，所以，在其他实施例中，可以不限定层结构的数量。

本申请实施例提供的外延结构1和低开启电压晶体管的有益效果：

1.设计出复合基电极层10，使复合基电极层10包含第一基电极层101和第二基电极层102，第一基电极层101的材料包含In_xGa_1-xAs_1-yN_y或In_xGa_1-xAs，第二基电极层102的材料包含In_mGa_1-mAs，In_xGa_1-xAs_1-yN_y材料具有低能隙的特点，能够减少晶体管的开启电压，减少功耗；

2.上述In_xGa_1-xAs_1-yN_y材料具有电子的载子迁移率偏低的问题，直接运用会导致阻值过高，限制晶体管的频率特性。对此，设计出：在靠近复合发射极层20的方向上，第一基电极层101中In含量不变，第二基电极层102中In含量逐渐增大，In含量逐渐增大能够提高电子的载子迁移率，减少器件的基电极层的电阻，保证晶体管的频率特性良好。同时，第二基电极层102与上述复合发射极层20之间的导电带尖峰效应，随着In含量逐渐增大而减少，进一步减少晶体管的开启电压；

3.在制备工艺上，无需增加额外的工序，不会增加额外的制备成本。

上述技术方案的介绍，只是申请人围绕技术核心所作的示例性介绍，不能介绍为本申请唯一的几种技术方案，本领域的技术人员可以在本申请的核心上，做一些容易想到的改动，从而得到其他技术方案，这些其他的技术方案均应该属于本申请的保护范围之内。