CN105070751B - GaAs HBT器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种GaAs HBT器件。该GaAs HBT器件包括衬底、N型GaAs集电区、P型GaAs基区、N型InGaP发射区、N型InGaAs帽层、介质层和TaN薄膜。N型集电区形成在衬底上，其表面划分为电极区域和非电极区域，所有区域形成有由下自上依次层叠的P型基区、N型发射区和N型帽层；在电极区域，P型基区两侧的N型集电区上形成有两个集电极金属电极，N型发射区两侧的P型基区上形成有两个基极金属电极，N型帽层上形成有发射极金属电极；在电极区域一侧的非电极区域，N型帽层上沉积有介质层，TaN薄膜沉积在介质层上。本发明能够集成信号传感和信号放大两个功能，从而有效减小传感器系统体积。
Description
技术领域
本发明涉及及半导体集成电路制造技术领域，特别是涉及一种GaAs HBT器件。
背景技术
在某些特定的测试领域，需要进行实时监测，例如飞机飞行时需对机翼进行压变数据监控、火车高速行进时需对各组件进行压变数据监控，油田钻头在工作时需进行压变数据监控，在这些场合中，由于压力特别大，所以需要关注材料的可靠性，一旦材料达到极限或出现微裂纹等隐形损伤，就必须预警、保养，同时，高速运动的部件一般均已经进行过空气动力学、流体力学优化，所以在测试时不希望对测试系统造成不必要的影响，因此，减小传感器系统体积就变得非常必要。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种GaAs HBT器件，能够集成信号传感和信号放大两个功能，从而有效减小传感器系统体积。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种GaAs HBT器件，包括衬底、N型GaAs集电区、P型GaAs基区、N型InGaP发射区、N型InGaAs帽层、介质层和TaN薄膜，所述N型GaAs集电区形成在所述衬底上，并且所述N型GaAs集电区的表面划分为电极区域和位于所述电极区域两侧的非电极区域，所述电极区域和所述非电极区域均形成有由下自上依次层叠的所述P型GaAs基区、N型InGaP发射区和N型InGaAs帽层；其中，在所述电极区域，所述P型GaAs基区两侧的N型GaAs集电区上形成有第一集电极金属电极和第二集电极金属电极，所述N型InGaP发射区两侧的P型GaAs基区上形成有第一基极金属电极和第二基极金属电极，所述N型InGaAs帽层上形成有发射极金属电极；在所述电极区域一侧的非电极区域，所述N型InGaAs帽层上沉积有所述介质层，所述TaN薄膜沉积在所述介质层上。
优选地，所述TaN薄膜为蛇形线结构。
优选地，所述第一集电极金属电极和第二集电极金属电极与所述N型GaAs集电区之间、所述第一基极金属电极和第二基极金属电极与所述P型GaAs基区之间以及所述发射极金属电极与所述N型InGaAs帽层之间均形成欧姆接触。
优选地，所述TaN薄膜的沉积温度为150-330℃。
优选地，所述介质层的材料为SiO2或者Si3N4。
优选地，所述衬底的材料包括GaAs、Si、SiC、GaN、蓝宝石或Diamond。
优选地，所述N型GaAs集电区的厚度为0.5-3μm，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3。
优选地，所述P型GaAs基区的厚度为20-500nm，掺杂浓度大于或等于5×1017cm-3。
优选地，所述N型InGaP发射区的厚度为10-500nm,掺杂浓度大于或等于1×1017cm-3，所述N型InGaP发射区的材料为N-InXGa1-XP，其中，X为0.49-0.51。
优选地，所述N型InGaAs帽层的厚度为10-200nm，掺杂浓度大于或等于1×1018cm-3，所述N型InGaAs帽层的材料为InYGa1-YAs，其中，Y为0-1。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
1.集成度高，工艺实现简单，精度高，利于减小压力传感器系统体积和降低成本；
2.TaN薄膜的电阻率可以通过沉积温度进行调节；
3.由于作为传感器的TaN薄膜与接收器分开，可以在不影响原有空气动力学、流体力学设计的基础上，实时监控压变数据。
附图说明
图1是本发明实施例GaAs HBT器件的截面示意图。
图2-5是本发明实施例GaAs HBT器件的制造流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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。
参见图1，是本发明实施例GaAs HBT器件的截面示意图。本实施例的GaAs HBT(heterojunction bipolar transistor，异质结双极晶体管)器件包括衬底1、N型GaAs集电区2、P型GaAs基区3、N型InGaP发射区4、N型InGaAs帽层5、介质层6和TaN薄膜7。
N型GaAs集电区2形成在衬底1上，并且N型GaAs集电区2的表面划分为电极区域a和位于电极区域a两侧的非电极区域b，电极区域a和非电极区域b均形成有由下自上依次层叠的P型GaAs基区3、N型InGaP发射区4和N型InGaAs帽层5。
在电极区域a，P型GaAs基区3两侧的N型GaAs集电区2上形成有第一集电极金属电极C1和第二集电极金属电极C2，N型InGaP发射区4两侧的P型GaAs基区3上形成有第一基极金属电极B1和第二基极金属电极B2，N型InGaAs帽层5上形成有发射极金属电极E。
在电极区域a一侧的非电极区域b，N型InGaAs帽层5上沉积有介质层6，TaN薄膜7沉积在介质层6上。在本实施例中，介质层6的材料为SiO2或者Si3N4。GaAs材料具有极高的高温稳定性(熔点在1200℃左右)，电子迁移率比硅的电子迁移率大5-6倍，具有高频性能好、抗辐射能力强等优点，用GaAs材料制作的放大器放大效果比较理想。TaN(氮化钽)材料具有优良的压变特性，同时具有极高的高温稳定性(熔点在3000℃左右)、较低的电阻温度系数，优良的硬度和耐磨性，是用于压力、温度、应力、热流等方面传感器的优良材料。由于TaN有20多个稳定相，作为应变传感器的TaN薄膜，适宜的生长温度在200-500℃，如与HBT器件一起制作对HBT器件的性能会产生影响，而介质层6可以将作为传感器的TaN薄膜7与HBT器件分开，从而能够保护HBT器件的性能不会受到影响。
在本实施例中，第一集电极金属电极C1和第二集电极金属电极C2与N型GaAs集电区2之间、第一基极金属电极B1和第二基极金属电极B2与P型GaAs基区3之间以及发射极金属电极E与N型InGaAs帽层5之间均形成欧姆接触。第一集电极金属电极C1和第二集电极金属电极C2、第一基极金属电极B1和第二基极金属电极B2以及发射极金属电极E可以通过光刻、金属沉积、剥离等工艺制作。
衬底1的材料包括GaAs、Si、SiC、GaN、蓝宝石或Diamond，主要作为支撑材料。
N型GaAs集电区2的厚度为0.5-3μm，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3。N型GaAs集电区2主要作为HBT器件的集电极。
P型GaAs基区3的厚度为20-500nm，掺杂浓度大于或等于5×1017cm-3。P型GaAs基区3主要作为HBT器件的基极。
N型InGaP发射区4的厚度为10-500nm,掺杂浓度大于或等于1×1017cm-3，N型InGaP发射区4的材料为N-InXGa1-XP，其中，X为0.49-0.51。N型InGaP发射区4主要作为HBT器件的基极，由于晶格匹配的问题，X的取值一般仅能选择0.49-0.51，并且由于HBT器件是异质结结构，N型InGaP发射区4的掺杂浓度不需要比P型GaAs基区3高。
N型InGaAs帽层5的厚度为10-200nm，掺杂浓度大于或等于1×1018cm-3，N型InGaAs帽层5的材料为InYGa1-YAs，其中，Y为0-1。N型InGaAs帽层5利于HBT器件制作欧姆接触电极。
在制作本发明实施例的GaAs HBT器件时，可以采用PECVD(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)、光刻等薄膜沉积技术沉积得到介质层6。以及采用掩膜工艺在N2下反应溅射沉积得到TaN薄膜7，或者采用在N2下反应溅射工艺，先溅射TaN涂层，再曝光和刻蚀形成TaN薄膜7。可选地，TaN薄膜7的沉积温度为150-330℃，可根据实际使用情况，调整TaN电阻率。本实施例并不对TaN薄膜7的形状和长度作限定，TaN薄膜7的形状例如是蛇形线结构。
请结合参见图2至图5，本发明实施例还提供一种GaAs HBT器件的制造方法。该制备方法包括以下步骤：
S1：在衬底上由下至上依次形成N型GaAs集电区、P型GaAs基区、N型InGaP发射区和N型InGaAs帽层，其中，N型GaAs集电区的表面划分为电极区域和位于电极区域两侧的非电极区域。
其中，如图2所示，衬底1、N型GaAs集电区2、P型GaAs基区3、N型InGaP发射区4和N型InGaAs帽层5为依次层叠的结构。N型GaAs集电区的表面划分为电极区域a和位于电极区域a两侧的非电极区域b。
衬底1的材料包括GaAs、Si、SiC、GaN、蓝宝石或Diamond，主要作为支撑材料。
N型GaAs集电区2的厚度为0.5-3μm，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3。N型GaAs集电区2主要作为HBT器件的集电极。
P型GaAs基区3的厚度为20-500nm，掺杂浓度大于或等于5×1017cm-3。P型GaAs基区3主要作为HBT器件的基极。
N型InGaP发射区4的厚度为10-500nm,掺杂浓度大于或等于1×1017cm-3，N型InGaP发射区4的材料为N-InXGa1-XP，其中，X为0.49-0.51。N型InGaP发射区4主要作为HBT器件的基极，由于晶格匹配的问题，X的取值一般仅能选择0.49-0.51，并且由于HBT器件是异质结结构，N型InGaP发射区4的掺杂浓度不需要比P型GaAs基区3高。
N型InGaAs帽层5的厚度为10-200nm，掺杂浓度大于或等于1×1018cm-3，N型InGaAs帽层5的材料为InYGa1-YAs，其中，Y为0-1。N型InGaAs帽层5利于HBT器件制作欧姆接触电极。
S2：在N型InGaAs帽层上的特定区域沉积介质层。
其中，如图3所示，介质层6沉积在N型InGaAs帽层5上。在本实施例中，可以采用PECVD、光刻等薄膜沉积技术沉积得到介质层6。
S3：在介质层上沉积TaN薄膜。
其中，如图4所示，TaN薄膜7沉积在介质层6上。在本实施例中，可以采用掩膜工艺在N2下反应溅射沉积得到TaN薄膜7，或者采用在N2下反应溅射工艺，先溅射TaN涂层，再曝光和刻蚀形成TaN薄膜7。
S4：刻蚀电极区域的N型InGaAs帽层、N型InGaP发射区和P型GaAs基区，以露出N型InGaP发射区两侧的部分P型GaAs基区以及P型GaAs基区两侧的部分N型GaAs集电区。
其中，如图5所示，电极区域a的N型InGaAs帽层5、N型InGaP发射区4和P型GaAs基区3与N型GaAs集电区2构成一个阶梯状台面。
S5：在电极区域的P型GaAs基区两侧的N型GaAs集电区上沉积第一集电极金属电极和第二集电极金属电极、N型InGaP发射区两侧的P型GaAs基区上沉积第一基极金属电极和第二基极金属电极以及N型InGaAs帽层上沉积发射极金属电极。
S6：通过快速退火使第一集电极金属电极和第二集电极金属电极与N型GaAs集电区之间、第一基极金属电极和第二基极金属电极与P型GaAs基区之间以及发射极金属电极与N型InGaAs帽层之间形成欧姆接触。
其中，如图1所示，沉积第一集电极金属电极C1和第二集电极金属电极C2、第一基极金属电极B1和第二基极金属电极B2、发射极金属电极E后，经过快速退火即得到本发明实施例的GaAs HBT器件。
通过上述方式，本发明实施例的GaAs HBT器件由于将作为传感器的TaN薄膜集成在HBT器件上，能够集成信号传感和信号放大两个功能，从而有效减小传感器系统体积，具有集成度高，工艺实现简单，降低成本等优点，而TaN薄膜具有应变效应，TaN薄膜在侦测到压力变化时，电阻会发生显著变化，即产生压电信号，电阻的显著变化导致电流的变化，HBT器件作为电流驱动器件，可以将变化的电流信号放大，因此GaAs HBT器件的精度高。并且TaN薄膜的电阻率可以通过改变沉积温度来进行调节，从而可以在不影响原有空气动力学、流体力学设计的基础上，实时监控压变数据。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1. 一种GaAs HBT器件，其特征在于，包括衬底、N型GaAs集电区、P型GaAs基区、N型InGaP发射区、N型InGaAs帽层、介质层和TaN薄膜，所述N型GaAs集电区形成在所述衬底上，并且所述N型GaAs集电区的表面划分为电极区域和位于所述电极区域两侧的非电极区域，所述电极区域和所述非电极区域均形成有由下自上依次层叠的所述P型GaAs基区、N型InGaP发射区和N型InGaAs帽层；
其中，在所述电极区域，所述P型GaAs基区两侧的N型GaAs集电区上形成有第一集电极金属电极和第二集电极金属电极，所述N型InGaP发射区两侧的P型GaAs基区上形成有第一基极金属电极和第二基极金属电极，所述N型InGaAs帽层上形成有发射极金属电极；在所述电极区域一侧的非电极区域，所述N型InGaAs帽层上沉积有所述介质层，所述TaN薄膜沉积在所述介质层上；
将作为传感器的TaN 薄膜集成在HBT器件上，能够集成信号传感和信号放大两个功能，从而有效减小传感器系统体积；
TaN薄膜的电阻率通过改变沉积温度来进行调节，从而在不影响原有空气动力学、流体力学设计的基础上，实时监控压变数据。
2.根据权利要求1所述的GaAs HBT器件，其特征在于，所述TaN薄膜为蛇形线结构。
3.根据权利要求1或2所述的GaAs HBT器件，其特征在于，所述第一集电极金属电极和第二集电极金属电极与所述N型GaAs集电区之间、所述第一基极金属电极和第二基极金属电极与所述P型GaAs基区之间以及所述发射极金属电极与所述N型InGaAs帽层之间均形成欧姆接触。
4.根据权利要求1所述的GaAs HBT器件，其特征在于，所述TaN薄膜的沉积温度为150-330℃。
5.根据权利要求1或4所述的GaAs HBT器件，其特征在于，所述介质层的材料为SiO2或者Si3N4。
6.根据权利要求1所述的GaAs HBT器件，其特征在于，所述衬底的材料包括GaAs、Si、SiC、GaN、蓝宝石或Diamond。
7.根据权利要求1所述的GaAs HBT器件，其特征在于，所述N型GaAs集电区的厚度为0.5-3μm，掺杂浓度小于或等于5×1017cm-3。
8.根据权利要求1所述的GaAs HBT器件，其特征在于，所述P型GaAs基区的厚度为20-500nm，掺杂浓度大于或等于5×1017cm-3。
9.根据权利要求1所述的GaAs HBT器件，其特征在于，所述N型InGaP发射区的厚度为10-500nm,掺杂浓度大于或等于1×1017cm-3，所述N型InGaP发射区的材料为N-InXGa1-XP，其中，X为0.49-0.51。
10.根据权利要求1所述的GaAs HBT器件，其特征在于，所述N型InGaAs帽层的厚度为10-200nm，掺杂浓度大于或等于1×1018cm-3，所述N型InGaAs帽层的材料为InYGa1-YAs，其中，Y为0-1。
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