CN106531838B - 基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管及其制备方法。该方法包括：选取SiC衬底；在所述SiC衬底表面生长同质外延层形成集电区；在所述同质外延层表面生长异质外延层并刻蚀形成基区；在所述异质外延层表面生长β‑Ga2O3材料并刻蚀形成发射区；在所述集电区表面生长第一金属材料形成集电极；在所述发射区表面生长第二金属材料形成发射极以最终形成所述光电NPN晶体管。本发明的NPN晶体管使用两种不同的宽禁带材料构成异质结，其禁带宽度的不同及其材料特性使得本发明光电晶体管的光电增益大幅提高，提高光电晶体管将光信号转化为电信号的能力，从而进一步提高SiC基光电晶体管的器件性能以及器件可靠性。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管及其制备方法。
背景技术
20世纪50年代起PN结晶体管的发明奠定了电子技术和集成电路的基础，PN结是在一块半导体材料上通过掺杂做出导电类型不同的两部分，又称为同质结；而之后发展的异质结是把两种不同的材料做成一个单晶的技术，两种材料禁带宽度及其他材料特性的不同使其具有一系列同质结所没有的特性，在器件设计上实现独有的功能，尤其在光电领域应用广泛，例如光电PNP晶体管用两个异质结PN结和NP结形成、光电探测器等。
目前光电晶体管种类繁多，均为接收光信号转化为电信号的晶体管，所以其接收、转化的能力将决定了光电晶体管的器件性能。前者通过光吸收能力来判断，后者通过光电晶体管的光电增益来判断，目前光电晶体管的光吸收范围因为材料特性及其灵敏度所以很难扩大到深紫外区，此外随着电子技术的发展与进步，对光电晶体管的增益要求越大。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于 Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管及其制备方法。
本发明的一个实施例提供了一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN 晶体管的制备方法，包括：
选取SiC衬底；
在所述SiC衬底表面生长同质外延层形成集电区；
在所述同质外延层表面生长异质外延层并刻蚀形成基区；
在所述异质外延层表面生长β-Ga2O3材料并刻蚀形成发射区；
在所述集电区表面生长第一金属材料形成集电极；
在所述发射区表面生长第二金属材料形成发射极以最终形成所述光电 NPN晶体管。
在本发明的一个实施例中，在所述SiC衬底表面生长同质外延层形成集电区，包括：
利用LPCVD工艺，在所述SiC衬底表面生长掺杂Al元素的N型SiC 材料以形成掺杂浓度为1×1015～9×1015cm-3的所述集电区。
在本发明的一个实施例中，在所述同质外延层表面生长异质外延层并刻蚀形成基区，包括：
利用LPCVD工艺，在所述同质外延层表面生长掺杂Al元素的P型SiC 材料以形成掺杂浓度为1×1017～9×1017cm-3的所述异质外延层；
采用第二掩膜板，采用CF4和O2作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺刻蚀所述异质外延层形成所述基区。
在本发明的一个实施例中，在所述异质外延层表面生长β-Ga2O3材料并刻蚀形成发射区，包括：
利用分子束外延工艺，在所述异质外延层表面生长掺杂元素为Sn、Si 或者Al，掺杂浓度为1×1018～9×1019cm-3的N型β-Ga2O3材料；
采用第一掩膜板，采用BCl3作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺对所述N型β-Ga2O3材料进行刻蚀形成所述发射区。
在本发明的一个实施例中，在所述集电区表面生长第一金属材料形成集电极，包括：
采用第三掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述集电区表面溅射Ni材料；
在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述同质外延层表面与所述Ni材料表面形成欧姆接触以完成所述集电极的制备。
在本发明的一个实施例中，在所述发射区表面生长第二金属材料形成发射极，包括：
采用第四掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述发射区表面溅射Ti/Au叠层双金属材料；
在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述发射区表面与所述Ti/Au叠层双金属材料表面形成欧姆接触以完成所述发射极的制备。
本发明的另一个实施例提供了一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电 NPN晶体管的制备方法，其中，包括：
选取半绝缘SiC衬底；
在所述半绝缘SiC衬底表面分别生长N型同质外延层和P型异质外延层；
在所述P型异质外延层表面生长N型β-Ga2O3材料；
刻蚀所述N型β-Ga2O3材料形成发射区；
刻蚀所述P型异质外延层形成基区，并在暴露出的所述N型同质外延层表面部分位置处生长第一金属材料形成集电极；
在所述发射区表面生长第二金属材料形成发射极，最终形成所述 Ga2O3/SiC异质结光电NPN晶体管。
在本发明的一个实施例中，所述第二金属材料为Ti/Au叠层双金属材料。
在本发明的一个实施例中，在所述发射区表面生长第二金属材料形成发射极，包括：
采用第四掩膜版，以Ti材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa的条件下，在所述发射区表面溅射形成所述Ti材料；
采用所述第四掩膜版，以Au材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W，在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa的条件下，在所述Ti材料表面溅射Au材料形成所述Ti/Au叠层双金属材料；
在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述发射区表面与所述Ti/Au叠层双金属材料表面之间形成欧姆接触以完成所述发射极的制备。
本发明的又一个实施例提供了一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电 NPN晶体管，其中，所述基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管由上述实施例中任一所述的方法制备形成。
基于β-Ga2O3材料和SiC材料均为宽禁带半导体材料，其中前者禁带宽度较大(4.7-4.9eV)，对日盲区的深紫外光的探测灵敏度极高，十分适合深紫外区的光电探测，本发明的NPN晶体管使用两种不同的宽禁带材料构成异质结，其禁带宽度的不同及其材料特性使得本发明光电晶体管的光电增益大幅提高，提高光电晶体管将光信号转化为电信号的能力，从而进一步提高SiC基光电晶体管的器件性能以及器件可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN 晶体管的截面示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN 晶体管的俯视示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN 晶体管的制备方法流程示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电 NPN晶体管的制备方法流程示意图；
图5a-图5h为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管的制备方法示意图；
图6为本发明实施例提供的一种第一掩膜版的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种第二掩膜版的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种第三掩膜版的结构示意图；以及
图9为本发明实施例提供的一种第四掩膜版的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例一
请参见图1及图2，图1为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管的截面示意图，图2为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管的俯视示意图。本发明的光电 NPN晶体管包括：衬底1、N型同质外延层2构成的集电区、P型异质外延层3构成的基区、N型Ga2O3层4构成的发射区以及发射极5和集电极6。
所述衬底1为N型的4H-SiC或6H-SiC材料的半绝缘衬底；所述N型同质外延层为掺杂N元素的SiC，掺杂浓度1015cm-3量级；所述异质P型外延层为掺杂Al元素的SiC，掺杂浓度1017cm-3量级；所述光吸收层为掺杂浓度在1018～1019cm-3量级、掺杂元素为Sn、Zn或Al等元素的N型β-Ga2O3(-201)、N型β-Ga2O3(010)或N型β-Ga2O3(001)材料；所述发射电极为Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、Cu、Pb等金属材料、包含这些金属中2种以上合金或ITO等导电性化合物形成。另外，可以具有由不同的2种以上金属构成的2层结构，例如Au/Ti叠层双金属材料。所述集电极为Au、Al、Ti、Sn、Ge、In、Ni、Co、Pt、W、Mo、Cr、 Cu、Pb等金属材料、包含这些金属中2种以上合金或ITO等导电性化合物形成。另外，可以具有由不同的2种及以上金属构成的2层结构，例如Au/Ti 叠层双金属材料。
本发明实施例，通过采用Ga2O3作为宽带隙发射区从而大幅提高发射极的注入效率，当光电晶体管表面被光照时由于发射区比基区大的宽带隙所以入射光在发射区很少被吸收而是透过发射区在基区和集电区被吸收而产生电子空穴对，降低了基区/集电区的势垒高度，增大了发射区的电子注入和基区的电子传输，从而提高了注入效率。
请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：
步骤1、选取SiC衬底；
步骤2、在所述SiC衬底表面生长同质外延层形成集电区；
步骤3、在所述同质外延层表面生长异质外延层并刻蚀形成基区；
步骤4、在所述异质外延层表面生长β-Ga2O3材料并刻蚀形成发射区；
步骤5、在所述集电区表面生长第一金属材料形成集电极；
步骤6、在所述发射区表面生长第二金属材料形成发射极以最终形成所述光电NPN晶体管。
其中，步骤2可以包括：
利用LPCVD工艺，在所述SiC衬底表面生长掺杂N元素的SiC材料以形成掺杂浓度为1015cm-3量级的N型所述集电区。
步骤3可以包括：
步骤31、利用LPCVD工艺，在所述同质外延层表面生长掺杂Al元素的P型SiC材料以形成掺杂浓度为1017量级的所述异质外延层；
步骤32、采用第二掩膜板，采用CF4和O2作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺刻蚀所述异质外延层形成所述基区。
步骤4可以包括：
步骤41、利用分子束外延工艺，在所述异质外延层表面生长掺杂元素为Sn、Si或者Al，掺杂浓度为1018～1019cm-3量级的N型β-Ga2O3材料；
步骤42、采用第一掩膜板，采用BCl3作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺对所述N型β-Ga2O3材料进行刻蚀形成所述发射区。
步骤5可以包括：
步骤51、采用第三掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述集电区表面溅射 Ni材料；
步骤52、在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述同质外延层表面与所述Ni材料表面处形成欧姆接触以完成所述集电极的制备。
其中，步骤51可以包括：
溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Ni，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa、氩气流量为 20～30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为100W的条件下，制备集电极Ni，电极厚度例如为150nm～250nm。
步骤52可以包括：
在1000℃下氮气或氩气环境下快速热退火3min。
步骤6可以包括：
步骤61、采用第四掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述发射区表面溅射 Ti/Au叠层双金属材料；
步骤62、在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述发射区表面与所述Ti/Au叠层双金属材料表面处形成欧姆接触以完成所述发射极的制备。
其中，步骤61可以包括：
步骤611、溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Ti，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa、 Ar流量为20～30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W～100W的条件下，制备栅电极Ti，电极厚度例如为20nm～30nm。
步骤612、溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Au，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa、氩气流量为20～30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W～100W的条件下，制备栅电极Au，电极厚度例如为150nm～200nm。
步骤62可以包括：
在500℃下氮气和氩气环境下进行快速热退火3min形成欧姆接触。
需要重点强调的是，步骤5和步骤6中的发射极和集电极的工艺流程并不固定。可以先进行发射极的制备，也可以先进行集电极的制备，此处不做任何限制。
本实施例的光电NPN晶体管使用两种不同的宽禁带材料构成异质结，其禁带宽度的不同及其材料特性使得本发明光电晶体管的光电增益大幅提高，提高光电晶体管将光信号转化为电信号的能力，从而进一步提高SiC 基光电晶体管的器件性能以及器件可靠性。此外Ga2O3材料本身具有日盲区深紫外光探测的光电特性及其透明导电特性决定了将Ga2O3材料应用于本发明的光吸收层可有效地提高本发明器件的光吸收能力，对于日盲区深紫外光的探测更加准确。
实施例二
请参见图4，图4为本发明实施例提供的另一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管的制备方法流程示意图。该方法可以包括：
步骤1、选取半绝缘SiC衬底；
步骤2、在所述半绝缘SiC衬底表面分别生长N型同质外延层和P型异质外延层；
步骤3、在所述P型异质外延层表面生长N型β-Ga2O3材料；
步骤4、刻蚀所述N型β-Ga2O3材料形成发射区；
步骤5、刻蚀所述P型异质外延层形成基区，并在暴露出的所述N型同质外延层表面部分位置处生长第一金属材料形成集电极；
步骤6、在所述发射区表面生长第二金属材料形成发射极，最终形成所述Ga2O3/SiC异质结光电NPN晶体管。
对于步骤2，可以包括：
步骤21、利用LPCVD工艺，在所述SiC衬底表面生长掺杂N元素的 N型SiC材料以形成所述同质外延层；
步骤22、利用LPCVD工艺，在所述同质外延层表面生长掺杂Al元素的P型SiC材料以形成所述异质外延层。
对于步骤3，可以包括：
利用分子束外延工艺，在所述异质外延层表面生长掺杂元素为Sn、Si、 Al等，掺杂浓度为1018～1019cm-3量级的N型β-Ga2O3材料。
对于步骤4，可以包括：
采用第一掩膜板，采用BCl3作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺对所述N型β-Ga2O3材料进行刻蚀形成所述发射区。
对于步骤5，可以包括：
步骤51、采用第二掩膜板，采用CF4和O2作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺对所述P型异质外延层进行刻蚀形成所述基区；
步骤52、利用磁控溅射工艺在被刻蚀掉所述异质外延层的所述N型同质外延层表面溅射Ni材料；
步骤53、在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述N型同质外延层表面与所述Ni材料表面处形成欧姆接触以完成所述集电极的制备。
对于步骤6，可以包括：
步骤61、利用磁控溅射工艺在所述发射区表面溅射Ti材料和Au材料形成Ti/Au叠层双金属材料；
步骤62、在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述发射区层表面与所述Ti/Au叠层双金属材料表面形成欧姆接触以完成所述发射极的制备。
其中，步骤61，可以包括：
步骤611、采用第四掩膜版，以Ti材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W的条件下，在所述发射区表面溅射所述Ti材料；
步骤612、采用所述第四掩膜版，以Au材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W的条件下，在所述Ti材料表面溅射Au材料形成所述Ti/Au叠层双金属材料。
需要重点强调的是，步骤5和步骤6中的发射极和集电极的工艺流程并不固定。可以先进行发射极的制备，也可以先进行集电极的制备，此处不做任何限制。
本发明实施例，首次提出了关于Ga2O3材料的新型Ga2O3/SiC异质结光电NPN晶体管的制备方法。
实施例三
请一并参见图5a-图5h及图6至图9，图5a-图5h为本发明实施例提供的一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管的制备方法示意图；图6为本发明实施例提供的一种第一掩膜版的结构示意图；图6为本发明实施例提供的一种第二掩膜版的结构示意图；图8为本发明实施例提供的一种第三掩膜版的结构示意图；以及图9为本发明实施例提供的一种第四掩膜版的结构示意图。本实施例在上述实施例二的基础上，对本发明的光电NPN晶体管的制备方法进行详细说明如下：
步骤1：请参见图5a，准备半绝缘SiC衬底1，厚度为350μm，对衬底进行RCA标准清洗。
步骤2：请参见图5b，在步骤1所准备的半绝缘SiC衬底1上通过 LPCVD生成N型同质外延层2，掺杂浓度在1015cm-3量级，掺杂元素为N，厚度为2um；
步骤3：请参见图5c，在步骤2所准备的N型同质外延层2上通过 LPCVD形成P型异质外延层3，掺杂浓度在1017cm-3量级，掺杂元素为Al，厚度为0.3um；
步骤4：请参见图5d，在步骤3所准备的P型异质外延层3上通过分子束外延法生长β-Ga2O3层，掺杂浓度在1018-1019cm-3量级，掺杂元素为Sn、 Si、Al等元素，厚度为1um。
步骤5：请参见图5e及图6，在步骤4所准备的β-Ga2O3层4上使用第一掩膜版，通过等离子刻蚀形成光吸收层，刻蚀气体为BCl3；
步骤6：请参见图5f及图7，在步骤3所准备的P型异质外延层3上使用第二掩膜版，通过等离子刻蚀形成P型异质外延层3，刻蚀气体为CF4和O2；
步骤7：请参见图5g及,8，在步骤2所准备的N型同质外延层上表面使用第三掩膜版，通过磁控溅射生长集电极Ni材料。
其中，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Ni，以质量百分比纯度为 99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa、氩气流量为20～30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为100W的条件下，制备集电极Ni，电极厚度为150nm～250nm，之后在1000℃下氮气或氩气环境下快速热退火3min。
发射电极的金属可选Au、Al、Ti等不同元素及其组成的2层结构，集电极可选用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金属替代。其中Au\Ag\Pt化学性质稳定； Al\Ti\Ni成本低。
步骤8：请参见图5h及图9，在步骤5所准备的光吸收层上使用第四掩膜版，通过磁控溅射生长发射电极Ti/Au。
其中，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Ti，以质量百分比纯度为 99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa、氩气流量为20～30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W～100W的条件下，制备栅电极钛，电极厚度为20nm～30nm。
溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Au，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10-4～1.3×10-3Pa、氩气流量为 20～30cm3/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W～100W的条件下，制备栅电极金，电极厚度为150nm～200nm，之后在500℃下氮气和氩气环境下进行快速热退火3min形成欧姆接触。
发射电极的金属可选Au、Al、Ti等不同元素及其组成的2层结构，集电极可选用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金属替代。其中Au\Ag\Pt化学性质稳定； Al\Ti\Ni成本低。
需要强调的是，上述实施例中，掩膜版可以为光刻掩膜版。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
选取6H-SiC衬底；
在所述6H-SiC衬底表面生长同质外延层形成集电区；
在所述同质外延层表面生长异质外延层并刻蚀形成基区；
利用分子束外延工艺，在所述异质外延层表面生长掺杂元素为Sn或者Al，掺杂浓度为1×1018～9×1019cm-3的N型β-Ga2O3材料；
采用第一掩膜板，采用BCl3作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺对所述N型β-Ga2O3材料进行刻蚀形成发射区；
采用第三掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述集电区表面溅射Ni/W/Cr/Pt叠层金属材料；
在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述同质外延层表面与所述Ni/W/Cr/Pt叠层金属材料表面形成欧姆接触以完成集电极的制备；
在所述发射区表面生长第二金属材料或ITO导电性化合物形成发射极以最终形成所述光电NPN晶体管。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述6H-SiC衬底表面生长同质外延层形成集电区，包括：
利用LPCVD工艺，在所述6H-SiC衬底表面生长掺杂N元素的N型6H-SiC材料以形成掺杂浓度为1×1015～9×1015cm-3的所述集电区。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述同质外延层表面生长异质外延层并刻蚀形成基区，包括：
利用LPCVD工艺，在所述同质外延层表面生长掺杂Al元素的P型6H-SiC材料以形成掺杂浓度为1×1017～9×1017cm-3的所述异质外延层；
采用第二掩膜板，采用CF4和O2作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺刻蚀所述异质外延层形成所述基区。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述发射区表面生长第二金属材料或ITO导电性化合物形成发射极，包括：
采用第四掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述发射区表面溅射Ni/W/Cr/Pt叠层金属材料或ITO导电性化合物；
在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述发射区表面与所述Ni/W/Cr/Pt叠层金属材料或ITO导电性化合物表面形成欧姆接触以完成所述发射极的制备。
5.一种基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管，其特征在于，所述光电NPN晶体管由权利要求1-4任一项所述的方法制备形成。
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