CN109244179A - 基于金刚石/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金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管及其制备方法，所述制备方法包括：在SiC衬底的上表面生长同质外延材料，形成集电区；在所述集电区的上表面生长异质外延材料并刻蚀，形成基区；在所述基区的上表面生长金刚石材料并刻蚀，形成发射区；在所述集电区的上表面生长第一金属材料，形成集电极；在所述发射区的上表面生长第二金属材料，形成发射极。本发明的光电NPN晶体管采用金刚石和SiC这两种禁带宽度不同的材料形成异质结，使得光电NPN晶体管的光电增益大幅提高，能够提高对热盲区的深紫外光的探测灵敏度，从而提高光电NPN晶体管的器件性能及器件可靠性。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种基于金刚石/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结是采用不同的掺杂工艺将P型和N型半导体制作在同一块半导 体基片上所形成的空间电荷区，又称为同质结；随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，两种材料不同的禁带宽度及其他独有特 性的使异质结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，功能均为接收光信号转化为电信号，所以其 接收、转化的能力将决定了光电晶体管的器件性能，其中，接收的能力通过 光吸收能力来判断，而转化的能力通过光电晶体管的光电增益来判断，随着 电子技术的发展与进步，对光电晶体管的增益和光吸收范围要求逐渐增大， 但目前光电晶体管的光吸收范围因为材料特性及其灵敏度的限制，很难扩 大到深紫外区，从而限制了光电晶体管的光吸收范围。
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金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管及其制备方法。本发明要解决的技术问题 通过以下技术方案实现：
本发明的一个方面提供了1、一种基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN 晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
在SiC衬底的上表面生长同质外延材料，形成集电区；
在所述集电区的上表面生长异质外延材料并刻蚀，形成基区；
在所述基区的上表面生长金刚石材料并刻蚀，形成发射区；
在所述集电区的上表面生长第一金属材料，形成集电极；
在所述发射区的上表面生长第二金属材料，形成发射极，从而制备出所 述基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管。
在本发明的一个实施例中，所述衬底由N型4H-SiC或N型6H-SiC材 料制成。
在本发明的一个实施例中，在所述SiC衬底的上表面生长同质外延材 料，形成集电区，包括：
利用低压力化学气相沉积工艺，在所述SiC衬底的上表面生长掺杂元 素为N且掺杂浓度为2×1016-9×1016cm-3的N型SiC材料，形成所述集电 区。
在本发明的一个实施例中，在所述集电区的上表面生长异质外延材料 并刻蚀，形成基区，包括：
利用低压力化学气相沉积工艺，在所述集电区的上表面生长掺杂元素 为Al且掺杂浓度为5×1016-5×1017cm-3的P型SiC材料，形成所述异质外延 层；
利用第一掩膜版并采用CF4和O2作为刻蚀气体，通过等离子刻蚀工艺 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，在所述基区的上表面生长金刚石材料并刻 蚀，形成发射区，包括：
利用分子束外延工艺，在所述基区的上表面生长掺杂元素为N、P或S 且掺杂浓度为5×1016-5×1017cm-3的N型金刚石材料；
利用第二掩膜版并采用BCl3作为刻蚀气体，通过等离子刻蚀工艺对所 述N型金刚石材料进行刻蚀，形成所述发射区。
在本发明的一个实施例中，在所述集电区的上表面生长第一金属材料， 形成集电极，包括：
利用第三掩膜版并采用Ar作为溅射气体，采用磁控溅射工艺在所述集 电区的上表面溅射Ni材料；
在N2和Ar的气氛中，采用快速热退火工艺在所述集电区与所述Ni材 料之间形成欧姆接触，从而形成所述集电极。
在本发明的一个实施例中，在所述发射区的上表面生长第二金属材料， 形成发射极，从而制备出所述基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管， 包括：
利用第四掩膜版并采用Ar作为溅射气体，采用磁控溅射工艺在所述发 射区的上表面溅射Ti/Au叠层双金属材料；
在N2和Ar的气氛中，采用快速热退火工艺在所述发射区与所述Ti/Au 叠层双金属材料之间形成欧姆接触，从而形成所述发射极。
在本发明的一个实施例中，利用第四掩膜版并采用Ar作为溅射气体， 采用磁控溅射工艺在所述发射区的上表面溅射Ti/Au叠层双金属材料，包 括：
采用第四掩膜版，以Ti材料为靶材，以Ar为溅射气体，在所述发射区 表面溅射Ti材料；
采用所述第四掩膜版，以Au材料为靶材，以Ar作溅射气体，在所述 Ti材料的表面溅射Au材料，形成Ti/Au叠层双金属材料。
本发明的另一方面提供了一种基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶 体管，包括衬底、集电区、基区、发射区、发射极以及集电极，其中，
所述衬底由N型的4H-SiC或6H-SiC材料制成；所述集电区位于所述 衬底上表面，由掺杂元素为N且掺杂浓度为2×1016-9×1016cm-3的N型SiC 材料制成；所述基区和所述集电极位于所述集电区上表面，其中，所述基区 由掺杂元素为Al且掺杂浓度为5×1016-5×1017cm-3的P型SiC材料制成；所 述发射区位于所述基区上表面，由掺杂元素为N、P或S且掺杂浓度为 5×1016-5×1017cm-3的N型金刚石材料制成；发射极位于所述发射区的上表 面。
在本发明的一个实施例中，所述发射极由Ni材料制成；所述集电极由 Ti/Au叠层双金属材料制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的制备方法采用N型金刚石材料作为发射区，其禁带宽度较 大，相当于截止波长为225nm，具有“太阳盲区”特性，使得器件无需配置 滤光片或介电涂层就能满足在可见光背景下使用，而且对热盲区的深紫外 光的探测灵敏度较高，十分适合深紫外区的光电探测。
2、本发明的制备方法使用金刚石和SiC这两种禁带宽度不同的材料构 成异质结，使得光电晶体管的光电增益大幅提高，能够提高光电晶体管将光 信号转化为电信号的能力，从而提高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金刚石/SiC异质结构的光电NPN 晶体管的制备方法流程图；
图2a-图2h为本发明实施例提供的一种基于金刚石/SiC异质结构的光 电NPN晶体管的制备过程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种第一掩膜版的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种第二掩膜版的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种第三掩膜版的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种第四掩膜版的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN 晶体管的截面示意图；
图8为本发明实施例提供的一种基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN 晶体管的俯视示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明内容做进一步的描述，但本发明的实施 方式不限于此。
实施例一
请一并参见图1、图2a-2h以及图3至图6，图1为本发明实施例提供 的一种基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管的制备方法流程图；图 2a-图2h为本发明实施例提供的一种基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN 晶体管的制备过程示意图；图3至图6分别为本发明实施例提供的第一掩 膜版、第二掩膜版、第三掩膜版和第四掩膜版的结构示意图。本实施例的制 备方法包括以下步骤：
S1：在SiC衬底的上表面生长同质外延材料，形成集电区；
利用低压力化学气相沉积(LPCVD)工艺，在所述SiC衬底的上表面生 长掺杂元素为N且掺杂浓度为2×1016-9×1016cm-3的N型SiC材料，形成 所述集电区，如图2b所示。
进一步地，在步骤S1之前，所述制备方法还包括：
S0：选取SiC衬底；
选取N型4H-SiC或N型6H-SiC材料作为所述衬底1，如图2a所示。 在本实施例中，选取衬底的厚度可以为100-350μm。进一步地，利用湿法清 洗工艺对所述SiC衬底进行清洗。
S2：在所述集电区的上表面生长异质外延材料并刻蚀，形成基区；
利用LPCVD工艺，在所述集电区的上表面生长掺杂元素为Al且掺杂 浓度为5×1016-5×1017cm-3的P型SiC材料，形成异质外延层3’，如图2c 所示；随后，利用图3所示的第一掩膜版并采用CF4和O2作为刻蚀气体， 通过等离子刻蚀工艺刻蚀所述异质外延层，形成所述基区3，如图2d所示。
在本步骤中，刻蚀过程中等离子刻蚀腔室中的气压为10-100pa。
S3：在所述基区的上表面生长金刚石材料并刻蚀，形成发射区；
利用分子束外延工艺，在所述基区的上表面生长掺杂元素为N、P或S 且掺杂浓度为5×1016-5×1017cm-3的N型金刚石材料4’，如图2e所示；利 用图4所示的第二掩膜版并采用BCl3作为刻蚀气体，通过等离子刻蚀工艺 对所述N型金刚石材料进行刻蚀，形成所述发射区4，如图2f所示。
在本步骤中，刻蚀过程中等离子刻蚀腔室中的气压为10-100pa。
本发明实施例，通过采用金刚石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，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。
S4：在所述集电区的上表面生长第一金属材料，形成集电极；
在本实施例中，所述第一金属材料选用利用Ni材料，利用图5所示的 第三掩膜版并采用Ar作为溅射气体，采用磁控溅射工艺在所述集电区的上 表面溅射Ni材料；在N2和Ar的气氛中，采用快速热退火工艺在所述集电 区与所述Ni材料之间形成欧姆接触，从而形成所述集电极6。
具体地，溅射前，用高纯Ar(质量百分比为99.999％的Ar)对磁控溅射 设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空；选用质量百分比>99.99％的Ni为 溅射靶材，同时以质量百分比为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔； 在真空度为6×10-4-1.3×10-3Pa、Ar流量为20-30cm3/s、靶材基距为10cm 以及工作功率为100W的条件下溅射Ni材料，溅射时间为10min；接着在 N2和Ar的气氛中，在800-1000℃温度下快速热退火3-10min，形成所述集 电极6，如图2g所示。
S5：在所述发射区的上表面生长第二金属材料，形成发射极，从而制备 出所述基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管。
在本实施例中，所述第二金属材料选用Ti/Au叠层双金属材料。
所述S5包括：
S51：利用图6所示的第四掩膜版并采用Ar作为溅射气体，采用磁控 溅射工艺在所述发射区的上表面溅射Ti/Au叠层双金属材料；
具体地，首先，在溅射前，用高纯Ar(质量百分比为99.999％的Ar)对 磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空；选用质量百分比>99.99％ 的Ti为溅射靶材，并以质量百分比为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅 射腔；利用图6所示的第四掩膜版，在真空度为6×10-4-1.3×10-3Pa、Ar流量 为20-30cm3/s、靶材基距为10cm以及工作功率为20W-100W的条件下溅射 Ti材料，所述Ti材料的厚度为20nm-30nm。
进一步地，用高纯Ar对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真 空；选用质量百分比>99.99％的Au为溅射靶材，以质量百分比为99.999％ 的Ar作为溅射气体通入溅射腔；利用图6所示的第四掩膜版，在真空度为 6×10-4-1.3×10-3Pa、Ar流量为20-30cm3/s、靶材基距为10cm以及工作功率 为20W-100W的条件下，在Ti材料的上表面溅射Au材料，形成Ti/Au叠 层双金属材料，其中，所述Au材料的厚度为150nm-250nm。
S52：在N2和Ar的气氛中，采用快速热退火工艺，在800-1000℃温度 下快速热退火3-10min，在所述发射区与所述Ti/Au叠层双金属材料之间形 成欧姆接触，从而形成所述发射极5，如图2h所示。
此外，发射极5还可选用Au、Al或Ti等不同元素及其组成的2层结 构，集电极6还可选用Al、Ti、Ni、Ag或Pt等金属材料，其中Au、Ag、 Pt化学性质稳定；Al、Ti、Ni成本低。
需要强调的是，上述实施例中所使用的第一掩膜版、第二掩膜版、第三 掩膜版和第四掩膜版可以为光刻掩膜版。
此外，需要重点强调的是，步骤S4和步骤S5中的发射极和集电极的 制备顺序并不固定。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。例如：替代性地，所述制备方法可以包括下述步骤：
步骤1、在SiC衬底表面生长N型同质外延层和P型异质外延层；
步骤2、在所述P型异质外延层表面生长N型金刚石材料；
步骤3、刻蚀所述N型金刚石材料以形成发射区；
步骤4、刻蚀所述P型异质外延层以形成基区，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以形成集电极；
步骤5、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 述金刚石/SiC异质结光电NPN晶体管。
也就是说，可以先刻蚀形成发射区，再刻蚀形成基区，这对于得到的光 电晶体管的性能没有影响。
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， 两种材料不同的禁带宽度以及各自独有的特性使得本发明光电晶体管的光 电增益显著提高，增强了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及其器件可靠性；此外金刚石材料 本身具有日盲区深紫外光探测的光电特性以及其透明导电特性决定了将金 刚石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7和图8，图7是本发明实施例提供的一种基于金刚石/SiC异 质结构的光电NPN晶体管的截面示意图；图8为本发明实施例提供的一种 基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管的俯视示意图。本实施例的金 刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管包括衬底1、集电区2、基区3、发射 区4、发射极5以及集电极6。衬底1由N型的4H-SiC或6H-SiC材料制 成；集电区2位于衬底1上表面，由掺杂元素为N且掺杂浓度为2×1016-9 ×1016cm-3的N型SiC材料制成；基区3和集电极6位于集电区2上表面 其中，基区3由掺杂元素为Al且掺杂浓度为5×1016-5×1017cm-3的P型SiC 材料制成；发射区4位于基区3上表面，由掺杂元素为N、P或S且掺杂浓 度为5×1016-5×1017cm-3的N型金刚石材料制成；并且发射极5位于发射区 4的上表面。
发射极5可以为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种以上合金或由ITO(导电玻璃)等 导电性化合物形成。另外，发射极5还可以是由2种或多种不同金属构成 的2层结构，例如Au/Ti叠层双金属材料。集电极6可以为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种以上合金或由ITO等导电性化合物形成。另外，集电极6还可以 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。
在本实施例中，发射极5由Ni材料制成；集电极6由Ti/Au叠层双金 属材料制成。
另外，衬底1的厚度为100-350μm，集电区2的厚度为1-3μm，基区3 的厚度为0.2-0.5μm；发射区4的厚度是0.8-1.6μm，发射极5的厚度为150- 250nm，集电极6的厚度为150-250nm。
本实施例基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管使用金刚石和 SiC这两种禁带宽度不同的材料构成异质结，使得光电晶体管的光电增益大 幅提高，能够提高光电晶体管将光信号转化为电信号的能力，从而提高光电 晶体管的器件性能以及器件可靠性。
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 (10)
1.一种基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管的制备方法，其特征在于，包括：
在SiC衬底的上表面生长同质外延材料，形成集电区；
在所述集电区的上表面生长异质外延材料并刻蚀，形成基区；
在所述基区的上表面生长金刚石材料并刻蚀，形成发射区；
在所述集电区的上表面生长第一金属材料，形成集电极；
在所述发射区的上表面生长第二金属材料，形成发射极，从而制备出所述基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述衬底由N型4H-SiC或N型6H-SiC材料制成。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述SiC衬底的上表面生长同质外延材料，形成集电区，包括：
利用低压力化学气相沉积工艺，在所述SiC衬底的上表面生长掺杂元素为N且掺杂浓度为2×1016-9×1016cm-3的N型SiC材料，形成所述集电区。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述集电区的上表面生长异质外延材料并刻蚀，形成基区，包括：
利用低压力化学气相沉积工艺，在所述集电区的上表面生长掺杂元素为Al且掺杂浓度为5×1016-5×1017cm-3的P型SiC材料，形成所述异质外延层；
利用第一掩膜版并采用CF4和O2作为刻蚀气体，通过等离子刻蚀工艺刻蚀所述异质外延层，形成所述基区。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述基区的上表面生长金刚石材料并刻蚀，形成发射区，包括：
利用分子束外延工艺，在所述基区的上表面生长掺杂元素为N、P或S且掺杂浓度为5×1016-5×1017cm-3的N型金刚石材料；
利用第二掩膜版并采用BCl3作为刻蚀气体，通过等离子刻蚀工艺对所述N型金刚石材料进行刻蚀，形成所述发射区。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述集电区的上表面生长第一金属材料，形成集电极，包括：
利用第三掩膜版并采用Ar作为溅射气体，采用磁控溅射工艺在所述集电区的上表面溅射Ni材料；
在N2和Ar的气氛中，采用快速热退火工艺在所述集电区与所述Ni材料之间形成欧姆接触，从而形成所述集电极。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述发射区的上表面生长第二金属材料，形成发射极，从而制备出所述基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管，包括：
利用第四掩膜版并采用Ar作为溅射气体，采用磁控溅射工艺在所述发射区的上表面溅射Ti/Au叠层双金属材料；
在N2和Ar的气氛中，采用快速热退火工艺在所述发射区与所述Ti/Au叠层双金属材料之间形成欧姆接触，从而形成所述发射极。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，利用第四掩膜版并采用Ar作为溅射气体，采用磁控溅射工艺在所述发射区的上表面溅射Ti/Au叠层双金属材料，包括：
采用第四掩膜版，以Ti材料为靶材，以Ar为溅射气体，在所述发射区表面溅射Ti材料；
采用所述第四掩膜版，以Au材料为靶材，以Ar作溅射气体，在所述Ti材料的表面溅射Au材料，形成Ti/Au叠层双金属材料。
9.一种基于金刚石/SiC异质结构的光电NPN晶体管，其特征在于，包括衬底(1)、集电区(2)、基区(3)、发射区(4)、发射极(5)以及集电极(6)，其中，
所述衬底(1)由N型的4H-SiC或6H-SiC材料制成；所述集电区(2)位于所述衬底(1)上表面，由掺杂元素为N且掺杂浓度为2×1016-9×1016cm-3的N型SiC材料制成；所述基区(3)和所述集电极(6)位于所述集电区(2)上表面其中，所述基区(3)由掺杂元素为Al且掺杂浓度为5×1016-5×1017cm-3的P型SiC材料制成；所述发射区(4)位于所述基区(3)上表面，由掺杂元素为N、P或S且掺杂浓度为5×1016-5×1017cm-3的N型金刚石材料制成；并且发射极(5)位于所述发射区(4)的上表面。
10.根据权利要求9所述的光电NPN晶体管，其特征在于，所述发射极(5)由Ni材料制成；所述集电极(6)由Ti/Au叠层双金属材料制成。
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|---|---|---|---|---|
| CN111415979A (zh) * | 2020-02-28 | 2020-07-14 | 深圳第三代半导体研究院 | 一种垂直异质p-n结结构器件及其制备方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US5536952A (en) * | 1992-03-24 | 1996-07-16 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Heterojunction bipolar transistor |
| CN106531838A (zh) * | 2016-12-08 | 2017-03-22 | 西安电子科技大学 | 基于Ga2O3/SiC异质结构的光电NPN晶体管及其制备方法 |
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