CN110943046A - 一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及晶体管技术领域，具体来说是一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构及其制备方法，采用一磊晶层结构进行制备，而后通过蚀刻在所述的基板上分别定义出双极性晶体管区域和场效应晶体管区域。本发明同现有技术相比，其优点在于：本发明不但可以提高组件或电路的工作效率，还可以可降低组件制作上的成本，提高两种晶体管散热的效率，在相同的氮化镓磊晶层上，能同时制作出异质接面双极性晶体管与增强式高电子移导率晶体管，简化了制备工艺并降低了制备成本，且优选地，两种晶体管都具有背沟槽与背金属的设计，利用背沟槽与背金属之设计改善电流路径并提高两种晶体管的散热效率。
Description
技术领域
本发明涉及晶体管技术领域，具体来说是一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构及其制备方法。
背景技术
双极性晶体管（bipolar junction transistor, BJT），俗称三极管，是一种具有三个终端的电子器件，由三部分掺杂程度不同的半导体制成，晶体管中的电荷流动主要是由于载流子在PN结处的扩散作用和漂移运动，是一只控制电流的元器件，其能够放大信号，并且具有较好的功率控制、高速工作以及耐久能力，所以它常被用来构成放大器电路，或驱动扬声器、电动机等设备，并被广泛地应用于航空航天工程、医疗器械和机器人等应用产品中。
场效应晶体管（Field Effect Transisto，FET）简称场效应管，由多数载流子参与导电，也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管的强大竞争者。
现有技术中尚未有将双极性晶体管和场效应管同时进行制备的工艺及其结构。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构及其制备方法，通过一个整合制程实现两种不同晶体管的加工。
为了实现上述目的，设计一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法，所述的方法采用一磊晶层结构进行制备，所述的磊晶层结构具有由上至下依次设置的第一n型氮化镓层、p型氮化镓层、n型氮化镓铝层、第二n型氮化镓层和基板，而后通过蚀刻在所述的基板上分别定义出双极性晶体管区域和场效应晶体管区域：所述的双极性晶体管区域内具有由上至下依次设置的所述第一n型氮化镓层、p型氮化镓层、n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，并在第一n型氮化镓层上沉积一个金属接触层作为集极电极，在p型氮化镓层上沉积两个金属接触层作为基极电极和射极电极；所述的场效应晶体管区域内具有由上至下依次设置的p型氮化镓层、n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，并在p型氮化镓层上沉积一个金属接触层作为栅极电极，在n型氮化镓铝层上沉积两个金属接触层作为源极电极和基极电极。
优选地，在所述的双极性晶体管区域底部处的基板上形成第一背沟槽，所述的第一背沟槽贯穿基板并延伸至第二n型氮化镓层内，而后在所述的第一背沟槽内填充发射极金属以供电流流通并构成第一背部散热层；在所述的场效应晶体管区域底部处的基板上形成第二背沟槽，所述的第二背沟槽不贯穿所述的基板，而后在所述的第二背沟槽内填充金属以构成第二背部散热层。
优选地，所述的第一背部散热层和第二背部散热层的底部端面高于所述的基板的底部端面。
优选地，所述的双极性晶体管区域内在第一n型氮化镓层上设有用于沉积集极电极的金属接触层沉积位置，在p型氮化镓层上去除部分第一n型氮化镓层并形成基极电极和射极电极的金属沉积位置。
优选地，所述的场效应晶体管区域内去除第一n型氮化镓层，并在p型氮化镓层上设有用于沉积栅极电极的金属接触层沉积位置，在n型氮化镓铝层上去除部分p型氮化镓层并形成源极电极和漏极电极的金属沉积位置。
优选地，所述的方法同时进行两种晶体管的整合制备：首先，去除最上层的第一n型氮化镓层并仅在所述的双极性晶体管区域内留有用于作为沉积集极电极的金属接触层沉积位置的第一n型氮化镓层；而后，去除第二层的p型氮化镓层，并在所述的双极性晶体管区域内的第一n型氮化镓层下侧留有p型氮化镓层，且双极性晶体管区域内的p型氮化镓层两侧边缘的上方裸露，以用于作为基极电极和射极电极的金属沉积位置，在场效应晶体管区域留有p型氮化镓层并用于作为沉积栅极电极的金属接触层沉积位置；再后，去除n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，并留有位于在留有的p型氮化镓层下侧的n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层。
本发明还涉及一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构，包括基板，所述的基板上具有双极性晶体管区域和场效应晶体管区域，所述的双极性晶体管区域内具有由上至下依次设置的第一n型氮化镓层、p型氮化镓层、n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，且第一n型氮化镓层上设有集极电极，p型氮化镓层上设有基极电极和射极电极；所述的场效应晶体管区域内具有由上至下依次设置的p型氮化镓层、n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，p型氮化镓层上设有栅极电极，n型氮化镓铝层上设有源极电极和基极电极。
优选地，所述的双极性晶体管区域底部的基板处设有第一背沟槽，所述的第一背沟槽贯穿基板并延伸至第二n型氮化镓层内，且所述的第一背沟槽内填充发射极金属以供电流流通并构成第一背部散热层。
优选地，所述的第一背部散热层的底部端面高于所述的基板的底部端面。
优选地，所述的场效应晶体管区域底部的基板处设有第二背沟槽，所述的第二背沟槽不贯穿所述的基板，且所述的第二背沟槽内填充有金属以构成第二背部散热层。
本发明同现有技术相比，其优点在于：本发明不但可以提高组件或电路的工作效率，还可以可降低组件制作上的成本，提高两种晶体管散热的效率，在相同的氮化镓磊晶层上，能同时制作出异质接面双极性晶体管与增强式高电子移导率晶体管，简化了制备工艺并降低了制备成本，且优选地，两种晶体管都具有背沟槽与背金属的设计，利用背沟槽与背金属之设计改善电流路径并提高两种晶体管的散热效率。
附图说明
图1是本发明中一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的结构示意图；
图2是本发明中一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法的步骤成型图a；
图3是本发明中一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法的步骤成型图b；
图4是本发明中一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法的步骤成型图c；
图5是本发明中一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法的步骤成型图d；
图6是本发明中一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法的步骤成型图e；
图7是本发明中一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法的步骤成型图f；
图8是本发明中一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法的步骤成型图g；
图9是本发明中一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法的步骤成型图h；
图中：301.集极电极 302. 双极性晶体管区域内的第一n型氮化镓层 303a.栅极电极 303b.基极电极和射极电极 304a. 场效应晶体管区域内的p型氮化镓层 304b.双极性晶体管区域内的p型氮化镓层 305a. 场效应晶体管区域内的n型氮化镓铝层 305b.双极性晶体管区域内的n型氮化镓铝层 306.源极电极和漏极电极 307a. 第二背部散热层 307b. 第一背部散热层 308a.场效应晶体管区域内的第二n型氮化镓层 308b. 双极性晶体管区域内的第二n型氮化镓层 309.基板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，这种方法及装置的结构和原理对本专业的人来说是非常清楚的。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施方式所提出新制备工艺是将在同一个磊晶层中实现集极在上氮化镓异质接面双极性晶体管与常关型氮化镓高电子移导率晶体管的整合制备，并进而获得了该新晶体管结构。并且，优选地，两种晶体管都具有背沟槽与背金属的设计，让异质接面双极性晶体管的射极金属在背基板的位置改善电流路径，也同时让常关型氮化镓高电子移导率晶体管有背沟槽与背金属之设计，更可以提高两种晶体管散热的效率。
如图1所示，基板的右侧部分为双极性晶体管区域，其具有由上至下依次设置的第一n型氮化镓层、p型氮化镓层、n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，且第一n型氮化镓层上设有集极电极，p型氮化镓层上设有基极电极和射极电极，在蚀刻制程后集极区在最上层，此时最上层的第一n型氮化镓层是集极区，第二层的p型氮化镓层是基极区，而最下层的第二n型氮化镓层为射极区。如此，集极电极仍位于磊晶层的最上层，形成了集极在上的氮化镓异质接面双极性晶体管。
而基板的左侧部分为场效应晶体管区域，其具有由上至下依次设置的p型氮化镓层、n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，p型氮化镓层上设有栅极电极，n型氮化镓铝层上设有源极电极和基极电极，从而形成了p型GaN闸极结构增强式氮化镓高电子移导率晶体管，又称常关型氮化镓高电子移导率晶体管。此方法主要是利用闸极金属下方多一层p型GaN，通过P型GaN层与第二n型GaN层形成一个PN结，使沟道中的2-DEG（二维电子气）耗尽，从而实现增强型的AlGaN/GaN异质结场效应晶体管（AlGaN/GaN HFET）。
其制备工艺主要为：在相同的磊晶层之下制作集极在上异质接面双极性晶体管与增强式高电子移导率晶体管，藉由光罩，利用蚀刻制程定义出异质接面双极性晶体管的射极、基极和集极三个区域，也同时定义出增强式高电子移导率晶体管的p型氮化镓栅极和n型氮化铝镓的源极和漏极区域，并分别沉积n型和p型半导体的金属接触层。据此即可在相同的氮化镓磊晶层上，同时制作出异质接面双极性晶体管与增强式高电子移导率晶体管。
优选地，还能在所述的双极性晶体管区域底部处的基板上形成第一背沟槽，所述的第一背沟槽贯穿基板并延伸至第二n型氮化镓层内，而后在所述的第一背沟槽内填充发射极金属以供电流流通并构成第一背部散热层；在所述的场效应晶体管区域底部处的基板上形成第二背沟槽，所述的第二背沟槽不贯穿所述的基板，而后在所述的第二背沟槽内填充金属以构成第二背部散热层，第一背部散热层和第二背部散热层内填充的金属优选地可采用传导性高而又价格便宜的材质，例如铝。优选地，所述的第一背部散热层和第二背部散热层的底部端面高于所述的基板的底部端面，其中第一散热层具有供电流流通和散热的功能，第二背部散热层具有散热功能，此项制备工艺和结构，不但可以提高组件或电路的工作效率，更可以提高两种晶体管散热的效率，且将本实施方式的晶体管设置于电路中，可以用户进行选择是基于BJT进行电流控制还是基于FET进行电压控制。
优选地，形成氮化镓磊晶层的方法包括分子束磊晶法或有机金属气相沉积磊晶法。
优选地，半绝缘性的基板的材料包括氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)、氧化锌(ZnO) 、硅基板(Si)、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlxGa1-xN)、氮化铟镓(InxGa1-xN)及氮化铝铟镓(InxAlyGa1-x-yN)所组成之群组，其中x、y为含量(0≤x≤1, 0≤y≤1)。
优选地，磊晶层的材料包括碳化硅(SiC)或氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlxGa1-xN)、氮化铟镓(InxGa1-xN)及氮化铝铟镓(InxAlyGa1-x-yN)所组成之群组，其中x、y为含量(0≤x≤1, 0≤y≤1)。
优选地，所述的晶体管的材料包括碳化硅(SiC)或氧化锌(ZnO)、氮化镓(GaN)、氮化铝镓(AlxGa1-xN)、氮化铟镓(InxGa1-xN)及氮化铝铟镓(InxAlyGa1-x-yN)所组成之群组，其中x、y为含量(0≤x≤1, 0≤y≤1)。
优选地，作为电极的金属接触层的材料包括Au、Pt/Ti/Pt/Au、Ti/Al/Ti/Au、Ti/Au、Cr/Au、Pd/Au、Ti/Pd/Au Pd/Ti/Au、Cr、Pt/Au、Ni/Au、Ta/Ti、Ti/Pt/Au、Ti/Cr/Au或Pt/Ru。
实施例1
本实施例提供一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法的具体示例，见图2所示，首先制备或准备一具有多层的磊晶层结构，所述的磊晶层结构具有由上至下依次设置的第一n型氮化镓层、p型氮化镓层、n型氮化镓铝层、第二n型氮化镓层和基板，后续即通过蚀刻在所述的基板上分别定义出双极性晶体管区域和场效应晶体管区域，从而在一块该磊晶层结构上进行两种晶体管的整合制备。
而后可以在该磊晶层结构上先后或者同时进行两种晶体管的整合制备，以下优选地以同时的整合制备为例进行说明。
首先，见图3所示，去除最上层的第一n型氮化镓层并仅在所述的双极性晶体管区域内留有一部分第一n型氮化镓层上并用于作为沉积集极电极的金属接触层沉积位置，例如在双极性晶体管区域内的中部留存一部分第一n型氮化镓层。
而后，见图4所示，去除第二层的p型氮化镓层，并在所述的双极性晶体管区域内的第一n型氮化镓层下侧留有一部分p型氮化镓层，双极性晶体管区域内的p型氮化镓层两侧边缘的上方裸露，以用于作为基极电极和射极电极的金属沉积位置；以及在场效应晶体管区域留有一部分p型氮化镓层并用于作为沉积栅极电极的金属接触层沉积位置。
再后，见图5所示，去除n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，并留有位于在留有的p型氮化镓层下侧的n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层。
最后，见图6和图7所示，然后在金属接触沉积位置进行金属接触层的沉积即可。
若还需要进行背沟槽和背金属的设置，参见图8-图9并结合图1所示，在完成上述步骤后，再进行下述步骤即可：
在所述的双极性晶体管区域底部处的基板上形成第一背沟槽，并使所述的第一背沟槽贯穿基板并延伸至第二n型氮化镓层内，而后在所述的第一背沟槽内填充发射极金属以供电流流通并构成第一背部散热层。
在所述的场效应晶体管区域底部处的基板上形成第二背沟槽，并且所述的第二背沟槽不贯穿所述的基板，而后在所述的第二背沟槽内填充金属以构成第二背部散热层。
Claims (10)
1.一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法，其特征在于所述的方法采用一磊晶层结构进行制备，所述的磊晶层结构具有由上至下依次设置的第一n型氮化镓层、p型氮化镓层、n型氮化镓铝层、第二n型氮化镓层和基板，而后通过蚀刻在所述的基板上分别定义出双极性晶体管区域和场效应晶体管区域：
所述的双极性晶体管区域内具有由上至下依次设置的所述第一n型氮化镓层、p型氮化镓层、n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，并在第一n型氮化镓层上沉积一个金属接触层作为集极电极，在p型氮化镓层上沉积两个金属接触层作为基极电极和射极电极；
所述的场效应晶体管区域内具有由上至下依次设置的p型氮化镓层、n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，并在p型氮化镓层上沉积一个金属接触层作为栅极电极，在n型氮化镓铝层上沉积两个金属接触层作为源极电极和基极电极。
2.如权利要求1所述的一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法，其特征在于还包括：
在所述的双极性晶体管区域底部处的基板上形成第一背沟槽，所述的第一背沟槽贯穿基板并延伸至第二n型氮化镓层内，而后在所述的第一背沟槽内填充发射极金属以供电流流通并构成第一背部散热层；
在所述的场效应晶体管区域底部处的基板上形成第二背沟槽，所述的第二背沟槽不贯穿所述的基板，而后在所述的第二背沟槽内填充金属以构成第二背部散热层。
3.如权利要求2所述的一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法，其特征在于所述的第一背部散热层和第二背部散热层的底部端面高于所述的基板的底部端面。
4.如权利要求1所述的一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法，其特征在于所述的双极性晶体管区域内在第一n型氮化镓层上设有用于沉积集极电极的金属接触层沉积位置，在p型氮化镓层上去除部分第一n型氮化镓层并形成基极电极和射极电极的金属沉积位置。
5.如权利要求1所述的一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法，其特征在于所述的场效应晶体管区域内去除第一n型氮化镓层，并在p型氮化镓层上设有用于沉积栅极电极的金属接触层沉积位置，在n型氮化镓铝层上去除部分p型氮化镓层并形成源极电极和漏极电极的金属沉积位置。
6.如权利要求1所述的一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构的制备方法，其特征在于同时进行两种晶体管的整合制备：首先，去除最上层的第一n型氮化镓层并仅在所述的双极性晶体管区域内留有用于作为沉积集极电极的金属接触层沉积位置的第一n型氮化镓层；
而后，去除第二层的p型氮化镓层，并在所述的双极性晶体管区域内的第一n型氮化镓层下侧留有p型氮化镓层，且双极性晶体管区域内的p型氮化镓层两侧边缘的上方裸露，以用于作为基极电极和射极电极的金属沉积位置，在场效应晶体管区域留有p型氮化镓层并用于作为沉积栅极电极的金属接触层沉积位置；
再后，去除n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，并留有位于在留有的p型氮化镓层下侧的n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层。
7.一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构，包括基板，其特征在于所述的基板上具有双极性晶体管区域和场效应晶体管区域，
所述的双极性晶体管区域内具有由上至下依次设置的第一n型氮化镓层、p型氮化镓层、n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，且第一n型氮化镓层上设有集极电极，p型氮化镓层上设有基极电极和射极电极；
所述的场效应晶体管区域内具有由上至下依次设置的p型氮化镓层、n型氮化镓铝层和第二n型氮化镓层，p型氮化镓层上设有栅极电极，n型氮化镓铝层上设有源极电极和基极电极。
8.如权利要求7所述的一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构，其特征在于所述的双极性晶体管区域底部的基板处设有第一背沟槽，所述的第一背沟槽贯穿基板并延伸至第二n型氮化镓层内，且所述的第一背沟槽内填充发射极金属以供电流流通并构成第一背部散热层。
9.如权利要求8所述的一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构，其特征在于所述的第一背部散热层的底部端面高于所述的基板的底部端面。
10.如权利要求7或8所述的一种双极性晶体管和场效应晶体管的整合结构，其特征在于所述的场效应晶体管区域底部的基板处设有第二背沟槽，所述的第二背沟槽不贯穿所述的基板，且所述的第二背沟槽内填充有金属以构成第二背部散热层。
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