CN1516292A

CN1516292A - 光控晶体管的制造方法及其结构

Info

Publication number: CN1516292A
Application number: CNA031010555A
Authority: CN
Inventors: 寺胍桓; 寺嶋一高; 徐顺弘; 章烱煜; 赖穆人
Original assignee: WEIKAI SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WEIKAI SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2004-07-28

Abstract

本发明公开了一种光控晶体管的制造方法及其结构，其在硅衬底上先形成磷化硼缓冲层，再形成第一氮化铝层补偿应力，接着，形成氮化镓层以及n型氮化铝层作异质结，再进行氮化镓系材料的选择性外延或各向异性蚀刻，形成具立方晶格的棱镜状受光层，棱镜状受光层聚集入射光光束后，激发n型氮化铝层的电子，并于氮化镓层中形成高速二维电子流，提高光控晶体管的功率及灵敏度。

Description

光控晶体管的制造方法及其结构

技术领域

本发明有关一种光控晶体管的制造方法及其结构，且特别有关一种在源极(Source)电极与漏极(Drain)电极之间形成棱镜(Prism)状受光层以取代栅极(Gate)电极的光控晶体管的制造方法及其结构。

背景技术

在二十一世纪，信息社会迈入兆位元时代。光电科技在兆位元信息的传输、处理、储存及显示上均扮演着关键性的角色，而光电集成电路(Optoelectronic Integrated Circuit；OEIC)，即是一种将多个光学元件及电子元件集中设计在同一个衬底上的工艺技术，由于其可将元件体积缩小，并降低制造成本，增加操作稳定度，于是成为光电科技中一项很有发展潜力的技术。

请参考图1，其为美国专利US6355945所公开的一种光电集成电路结构剖面图。如图1所示，传统的光电集成电路通常是在砷化镓(GaAs)材料的衬底11上，形成一个光电二极管(Photodiode)12作为光学电路区，以及一个金属半导体场效应晶体管(Metal Semiconductor Field Effect Transistor；MESFET)14作为电子电路区，其中光电二极管12由n型氮化镓(GaN)层12a及p型氮化镓层12b所组成，而MESFET 14则包括源极电极14a、栅极电极14b及漏极电极14c。导线16连接于光电二极管12的n极电极18a与MESFET 14的栅极电极14b之间，用以对光学电路区及电子电路区作电连接。

当入射光19由光电二极管12的p型氮化镓层12b接收后，会在光电二极管12中产生光电流，转换成电信号，经由导线16，提供栅极电极14b的电压，同时在源极电极14a与漏极电极14c的偏压下，产生光电开关的作用。

在实际的工艺中，利用热扩散或离子注入法，在砷化镓衬底11的一部分中依序形成n型硅底材13以及p型源极区15与p型漏极区17，再利用光刻、蚀刻方式形成源极电极14a、栅极电极14b及漏极电极14c，便完成MESFET 14的工艺，接着，在砷化镓衬底11的另一部分上另外依序形成n型氮化镓层12a及p型氮化镓层12b，再利用光刻、蚀刻方式形成n极电极18a及p极电极18b，完成光电二极管12的工艺。由于氮化镓层12a与砷化镓材料的衬底11的晶格失配(Lattice Mismatch)相当大，很容易在氮化镓层12a外延时形成晶格缺陷(Lattice Defects)，所以在衬底11上先沉积一层氧化锌(ZnO)材料的缓冲层(Buffer Layer)10，由于氧化锌材料与砷化镓衬底11的晶格失配较低，氮化镓层12a便能较佳地长在砷化镓衬底11上。

然而，由图1可知，传统的光电集成电路利用光电二极管12来接收入射光18，并转换为电信号，用以控制MESFET 14的栅极电极14b，在整个工艺上，等于是入射光19必须先经过一个光电二极管12，再经由栅极电极14b，控制MESFET 14的开关，整整多了一个形成光电二极管12的步骤，浪费集成电路可用的空间，也增加制造成本。

再者，利用光电二极管12接收入射光19以产生光电流，会有电流不稳定问题，进而造成MESFET 14栅极电极14b的电压不稳，而且光电流所产生的栅极电压必须大于启始电压，才能产生漏极电流，皆影响整个光电元件的光控灵敏度。

另外，如图1所示，由于MESFET 14利用栅极电极14b底下经掺杂的n型硅底材13，来增加其导电性，而这些掺杂的杂质(Impurity)却会造成沟道中电子运动的阻碍，因而降低其迁移率(Mobility)，在光电元件朝高增益、高功率、高频率的应用发展时，确实形成很大的限制。一种高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor；HEMT)便是利用两种不同带隙(Band Gap)能量的氮化镓系材料作异质结(Hetero Junction)，在两材料的界面处因能带补偿(Offset)，产生一个狭窄的位能阱，使得自由电子可以在此位能阱中无阻碍地高速运动，形成所谓的二维电子气(Two DimensionalElectron Gas；2DEG)，可应用于高频率及高功率的元件。然而，HEMT晶体管仍是以栅极来控制漏极电流，在一般光电元件中光控晶体管的设计，却未能将这种2DEG的特性加以应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光控晶体管，利用源极与漏极之间棱镜状受光层的设计，由晶体管本身直接接收入射光，并产生聚光效果，再于异质结的氮化镓系材料界面产生二维电子气，以增加光控的灵敏度，并提高光控晶体管的功率及效能。

根据本发明的目的，提出一种光控晶体管的制造方法，其简述如下：

首先，形成硅衬底，利用卤化物气相外延法，形成磷化硼缓冲层，接着，利用金属有机化学气相沉积法，依序形成第一氮化铝层、氮化镓层以及n型氮化铝层，利用金属有机化学气相沉积法，形成第二氮化铝层，再利用光刻及蚀刻方式，形成源极电极区及漏极电极区，接着，对第二氮化铝层进行蚀刻，以形成棱镜状受光层，最后，形成源极电极与漏极电极。其中棱镜状受光层聚集入射光光束后，于n型氮化铝层中产生光电子，再落入氮化镓层中形成高速二维电子气，可提高光控晶体管的功率及效能。

根据本发明的目的，提出一种光控晶体管的结构，其结构包括：硅衬底、形成于硅衬底上的磷化硼缓冲层，形成于磷化硼缓冲层上的第一氮化铝层、形成于第一氮化铝层上的氮化镓层、形成于氮化镓层上的源极电极、n型氮化铝层以及漏极电极，以及形成于n型氮化铝层上的棱镜状受光层，其中n型氮化铝层位于源极电极与漏极电极之间，且棱镜状受光层具有聚光作用，可有效增加光控晶体管的灵敏度。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一优选实施例，并配合附图，作详细说明如下，其中：

图1示出现有光电集成电路的结构剖面图；

图2A至图2D示出依照本发明一优选实施例的光控晶体管的制造流程；

图2E示出图2D中棱镜状受光层的聚光作用示意图；

图3A及图3B示出依照本发明一优选实施例的光控晶体管中棱镜状受光层的另一制造流程；

图4A至图4C示出依照本发明一优选实施例的光控晶体管中形成多个栅极电极及多个棱镜状受光层的制造流程；以及

图4D至图4F示出图4C中多个栅极电极及多个棱镜状受光层的另一制造流程。

附图中的附图标记说明如下：

10、202：缓冲层 11：衬底

12：光电二极管 12a：n型氮化镓层

12b：p型氮化镓层 13：n型硅底材

14：金属半导体场效应晶体管

14a、212a、310a、414a、424a：源极电极

14b、420、430：栅极电极

14c、214a、312a、416a、426a：漏极电极

15：p型源极区 16：导线

17：p型漏极区 18a：n极电极

18b：p极电极 19、218：入射光

200：硅衬底 204、210、422：氮化铝层

206：氮化镓层 208：n型氮化铝层

212、310、414、424：源极电极区

214、312、416、426：漏极电极区

216、314、418、428：棱镜状受光层

220：二维电子气 410：二氧化硅层

412：栅极电极区

具体实施方式

如上所述，为了在晶体管的源极与漏极之间形成一层棱镜状的受光层，本发明的特点就是在硅衬底上先长一层磷化硼(BP)作缓冲层，再继续长氮化镓系材料，即可以形成具有立方晶格(Cubic Lattice)的氮化镓系层，由于立方晶格具有<100>与<111>晶面，利用外延或蚀刻方式皆易于形成出如棱镜状的受光层，因此可提高本发明的晶体管的光控灵敏度。

请参照图2A，为了形成具有立方晶格的氮化镓系材料，本发明的光控晶体管于硅衬底200的<100>晶面表面，先形成一层磷化硼材料的缓冲层202，再接着形成一层氮化铝(AlN)层204。其中缓冲层202利用卤化物气相外延法(Halide Vapor Phase Epitaxy)形成，于H₂气体中，将硅衬底200加热至约900℃，以H₂作为承载气体(Carrier Gas)，氯化硼(BCl)与氯化磷(PCl)或氯化硼与磷化氢(HP)作为前驱体。先于温度约300℃上下进行低温磷化硼层外延，其厚度约为400nm，再于温度约1000℃上下进行高温磷化硼层外延，反应约60分钟，其厚度约为4560nm。

另外，氮化铝层204用于避免上述硅衬底200与缓冲层202的晶格失配所产生的线缺陷(Line Defects)，用以补偿接下来外延的半导体层的内部应力(Strain)，以形成较佳的晶格结构，可利用金属有机化学气相沉积法(MetalOrganic Chemical Vapor Deposition；MOCVD)，以甲基联胺与三甲基铝为前驱体，首先，供应氢气与氮气，温度约为350℃～500℃，开始供应MMH。经过约3分钟后，开始进行第一次TMG供应，时间约为20分钟。接着，停止TMG供应，经过约5分钟，将反应室温度升高至800℃，期间保持MMH供应。接着，于相同温度进行第二次TMG供应，时间约为60分钟。期间保持MMH供应。最后，先停止MMH与TMG的供应，于相同温度下保持一段时间，约30分钟，再将温度降至室温，才完成氮化铝外延，其中氮化铝层204亦可以是其它氮化镓系Al_xIn_yGa_zN材料，其中0＜x+y+z＜1。

请参考图2B，接着，在氮化铝层204表面依序形成氮化镓层206、n型氮化铝层208及氮化铝层210。其外延方式如同上述氮化铝层204，其中氮化镓层206以甲基联胺与三甲基镓为前驱体，而n型氮化铝层208利用高温热扩散或离子注入法，掺杂硅杂质形成。n型氮化铝层208，用以提供光生电子，氮化镓层206则用以将氮化铝层208中的自由电子与杂质分开，以提高电子的移动速率，而氮化铝层210用以形成受光层。其中氮化镓层206、n型氮化铝层208及氮化铝层210亦可以是其它氮化镓系Al_xIn_yGa_zN材料，其中0＜x+y+z＜1。

接下来，利用光刻、蚀刻方式，形成源极电极区212与漏极电极区214，如图2C所示。最后，利用各向异性蚀刻(Anisotropic Etching)方式，例如：使用氢氧化钾(KOH)或氟化氢(HF)的湿蚀刻，以形成棱镜状受光层216，再形成源极电极212a与漏极电极214a，即完成本发明光控晶体管的工艺。

本发明的特点就在于：利用上述的工艺所形成的氮化铝层210，是具有晶面<100>及晶面<111>的立方晶格。不同于传统利用碳化硅(SiC)或蓝宝石(Sapphire)为底材只能形成六角状晶格的氮化镓系层，当进行各向异性蚀刻时，由于晶面<100>蚀刻速率小于晶面<111>的蚀刻速率，便可将氮化铝层210蚀刻成如图2D所示的棱镜状受光层216。当入射光218由各个角度入射到透明的棱镜状受光层216，经折射后到达底下的n型氮化铝层208，会产生如图2E所示的聚光效果，可更有效激发光电子，提高光控晶体管的灵敏度。

本发明的另一重点是利用氮化镓层206与n型氮化铝层208作异质结，由于两种材料不同的带隙宽度，形成一个狭窄的位能阱，宽带隙的n型氮化铝层208中受光激发的电子，会落入窄带隙氮化镓层206的位能阱中，因此在源极电极212a与漏极电极214a之间加偏压下，氮化镓层206接近n型氮化铝层208的接面处，会形成高速移动的二维电子气220，电子迁移率μ＞2000cm²/V·s。因此，不需要栅极偏压，可直接利用光照来进行晶体管的开关或放大器的操作，并提供高功率及高效能的应用。

上述的n型氮化铝层208也可以是p型氮化铝层，用以形成二维空穴气(Two Dimensional Hole Gas；2DHG)，仍可达到上述高速电流传导的效果，因此，亦不脱离本发明的范围。

请参考图3A，上述形成棱镜状受光层216的步骤，亦可先在n型氮化铝层208形成后，先进行光刻、蚀刻，以形成源极电极区310与漏极电极区312。接着，利用二氧化硅(SiO₂)作掩模，盖住源极电极区310与漏极电极区312，再于n型氮化铝层208表面，进行氮化铝的选择性外延(SelectiveEpitaxy)，以形成棱镜状受光层314，最后形成源极电极310a与漏极电极312a，即完成光控晶体管的工艺，如图3B所示。其中选择性外延方式，利用本发明工艺所形成的氮化铝层具有<100>与<111>晶面，因此，控制适当的温度与压力，可使得外延时晶体横向成长速率小于纵向成长速率，便可形成棱镜状的受光层314。

另外，本发明的光控晶体管亦可在n型氮化铝层208上先形成一层二氧化硅层410，如图4A所示，再对二氧化硅层410作光刻、蚀刻以定义出多个栅极电极区412，并利用光刻、蚀刻方式形成源极电极区414与漏极电极区416，如图4B所示。接着，利用上述选择性外延技术，形成多个氮化铝材料的棱镜受光层418，最后，将栅极电极区412的二氧化硅蚀刻掉，形成多个栅极电极420以及源极电极414a与漏极电极416a，如图4C所示。

如上所述，当光照于氮化镓层206中产生电流时，可于上述多个栅极电极420上加负偏压，增加电流的强度，当光照停止时，于上述多个栅极电极420上加正偏压，可使得n型氮化铝层208中的电子被吸向栅极电极420，造成氮化镓层206中的导电沟道消失，截断电流。避免了传统光电元件在光照消失时尚存在的暗电流(Dark Current)，因此，增加光控晶体管的控制效率。

另外，也可以在多个栅极电极区412形成之后，先长一层氮化铝层422，如图4D所示。接着，利用光刻、蚀刻方式，形成源极电极区424与漏极电极区426，同时蚀刻掉多个栅极电极区412上方的氮化铝部分，如图4E所示，再利用上述各向异性蚀刻，形成多个棱镜受光层428，并蚀刻掉栅极电极区412的二氧化硅，以形成多个栅极电极430，最后，形成源极电极424a与漏极电极426a，即完成光控晶体管的工艺，如图4F所示。

本发明上述实施例所公开的光控晶体管，其特点在于使用耐高温、高压的氮化镓系材料，利用磷化硼作缓冲层以形成具有立方晶格的氮化镓系层，即可顺利地形成棱镜状受光层取代传统的栅极电极，以直接接收入射光，可提高光控晶体管的灵敏度，并利用掺杂的氮化镓系层与未经掺杂的氮化镓系层作异质结，产生高速二维电子气，提高光控晶体管的功率及效能，若再配合栅极电极的设计，还可消除传统光电元件的暗电流，提高光电控制的效率。

综上所述，虽然本发明已以一优选实施例公开如上，但是其并非用以限定本发明，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以所附权利要求所界定的者为准。

Claims

1.一种光控晶体管的制造方法，该光控晶体管用以接收一入射光，并产生一电子流，其制造方法包括：

形成一硅衬底；

利用卤化物气相外延法，形成一磷化硼缓冲层；

利用金属有机化学气相沉积法，依序形成一层第一氮化铝层、一层氮化镓层以及一层n型氮化铝层；

利用金属有机化学气相沉积法，形成一层第二氮化铝层；

利用光刻及蚀刻方式，形成一源极电极区及一漏极电极区；

对该第二氮化铝层进行蚀刻，以形成一棱镜状受光层；以及

形成一源极电极及一漏极电极，

其中该棱镜状受光层聚集该入射光光束后，激发该n型氮化铝层中的电子，并于该氮化镓层中形成该电子流。

2.如权利要求1所述的光控晶体管的制造方法，其中该磷化硼层的厚度约为4000nm至5000nm之间。

3.如权利要求1所述的光控晶体管的制造方法，其中该第二氮化铝层是具有<100>与<111>晶面的立方晶格半导体层。

4.如权利要求3所述的光控晶体管的制造方法，其中该对第二氮化铝层进行蚀刻的步骤中，该第二氮化铝层<100>晶面的蚀刻速率小于<111>晶面的蚀刻速率，因而形成该棱镜状受光层。

5.如权利要求1所述的光控晶体管的制造方法，其中该第一氮化铝层、该氮化镓层、该n型氮化铝层以及该第二氮化铝层亦可以是其它氮化镓系Al_xIn_yGa_zN材料，其中0＜x+y+z＜1。

6.如权利要求1所述的光控晶体管的制造方法，其中该电子流是一高速二维电子气。

7.如权利要求6所述的光控晶体管的制造方法，其中该n型氮化铝层是一宽带隙氮化铝层，且该氮化镓层是一窄带隙氮化镓层。

8.如权利要求7所述的光控晶体管的制造方法，其中该入射光激发该宽带隙氮化铝层中的电子，落入该窄带隙氮化镓层，形成该高速二维电子气。

9.如权利要求1所述的光控晶体管的制造方法，其中该n型氮化铝层亦可以是一p型氮化铝层。

10.如权利要求1所述的光控晶体管的制造方法，其中该形成n型氮化铝层步骤之后，也可先进行光刻、蚀刻以形成该源极电极区及该漏极电极区，再进行氮化铝的选择性外延，以形成该棱镜状受光层，最后再形成该源极电极及该漏极电极。

11.如权利要求10所述的光控晶体管的制造方法，其中该选择性外延，是控制适当的温度及气压，使得晶体横向生长速率小于纵向生长速率，以形成该棱镜状受光层。

12.如权利要求1所述的光控晶体管的制造方法，其中该形成n型氮化铝层步骤之后，也可先形成一层二氧化硅层，接着，进行光刻、蚀刻以形成多个栅极电极区，并形成该源极电极区及该漏极电极区，最后进行氮化铝的选择性外延，形成多个棱镜状受光层，再蚀刻掉该些栅极电极区的二氧化硅，并形成多个栅极电极以及该源极电极与该漏极电极。

13.如权利要求12所述的光控晶体管的制造方法，其中该形成多个栅极电极区之后，也可先形成一氮化铝层，再进行光刻、蚀刻以形成源极电极区与漏极电极区，接着蚀刻掉该些栅极电极区上的该氮化铝层部分，最后，将剩余的该氮化铝层部分蚀刻成多个棱镜状受光层，再蚀刻掉该些栅极电极区的二氧化硅，并形成多个栅极电极以及该源极电极与该漏极电极。

14.一种光控晶体管的结构，该光控晶体管用以接收一入射光，并产生一电子流，其结构包括：

一硅衬底；

一层磷化硼缓冲层，其形成于该硅衬底之上；

一第一氮化铝层，其形成于该磷化硼缓冲层之上；

一层氮化镓层，形成于该第一氮化铝层之上；

一源极电极、一n型氮化铝层以及一漏极电极，其形成于该氮化镓层之上，其中该n型氮化铝层位于该源极电极与该漏极电极之间；以及

一棱镜状受光层，其形成于该n型氮化铝层之上。

15.如权利要求14所述的光控晶体管的结构，其中该棱镜状受光层是氮化镓系Al_xIn_yGa_zN材料，其中0＜x+y+z＜1。

16.如权利要求14所述的光控晶体管的结构，其中该第一氮化铝层、该氮化镓层以及该n型氮化铝层也可以是其它氮化镓系Al_xIn_yGa_zN材料，其中0＜x+y+z＜1。

17.如权利要求14所述的光控晶体管的结构，其中该磷化硼层的厚度约为4000nm至5000nm之间。

18.如权利要求14所述的光控晶体管的结构，其中该电子流是一位于该氮化镓层的高速二维电子气。

19.如权利要求14所述的光控晶体管的结构，其中该n型氮化铝层也可以是一p型氮化铝层。