CN205194699U - 一种Si基GaN Bi-HEMT芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种Si基GaN？Bi-HEMT芯片，该芯片包括Si衬底、SiC外延层、GaN外延层、金属电极；所述SiC外延层位于Si衬底之上，GaN外延层位于SiC外延层之上，金属电极位于GaN外延层之上；所述GaN外延层可为GaN、AlN、InN及其它们的三元、四元合金组成的薄膜材料；所述GaN外延层具有GaN？HEMT和HBT两个外延结构；所述GaN？HBT外延层位于GaN？HEMT外延层之上，刻蚀去除GaN？HBT外延层，至GaN？HEMT外延层露出并在其上制备电极；通过刻蚀或高能粒子注入方式将GaN？HEMT和GaN？HBT两个器件隔离。本实用新型能有效降低芯片电阻，增加低功率模式下附加功率效率，提高芯片可靠性，同时，缩小了芯片体积，有利于减少了电路面积。
Description
技术领域
本实用新型涉及半导体芯片的制造领域，尤其是指一种Si基GaNBi-HEMT芯片。
背景技术
半导体芯片的实用新型是二十世纪的一项创举，使人类相继进入了电子工业时代和信息化时代。综合利用多种半导体材料和器件功能制备而成的微波集成电路是当前发展各种高科技武器的重要支柱，广泛用于各种先进的战术导弹、电子战、通信系统、陆海空基的各种先进的相控阵雷达(特别是机载和星载雷达)；在民用商业的移动电话、无线通信、个人卫星通信网、全球定位系统、直播卫星接收和毫米波自动防撞系统等方面已形成正在飞速发展的巨大市场。
与第一代半导体材料Si及第二代半导体材料GaAs、InP相比，GaN具有更大的禁带宽度、更高的电子饱和漂移速度、更高的击穿电压和较高的热导率等特点。GaN基微电子材料和器件的研究和开发已成为世界各国竞相占领的高科技制高点，是半导体科学、材料科学、高温电子学、超过兆瓦的固态功率电子学、高功率密度射频电子学的前沿研究领域。
GaN基合金AlGaN、InGaN、InAlGaN可与GaN构成非常有用的异质结，六方钎锌矿结构的GaN基材料具有自发极化和压电极化效应，利用这些效应可以获得很高的载流子浓度和迁移率。这些特性决定了GaN基材料非常适合于制作高温、高频、大功率微波集成电路。开展GaN功率器件、MMIC电路和模块的研究，重点解决器件和电路的可靠性，研制出系列高频大功率GaN器件和电路和组件是信息时代发展的迫切需要。
发明内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足与缺点，提供一种Si基GaNBi-HEMT芯片，能有效降低芯片电阻，增加低功率模式下附加功率效率，有利于提高线性度，并采用SiC作为缓冲层，可以避免GaN外延层与Si衬底晶格失配带来的缺陷，提高芯片可靠性，同时，缩小了芯片体积，有利于减少了电路面积。
为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种Si基GaNBi-HEMT芯片，由上下叠置的GaNHBT芯片和GaNHEMT芯片构成，所述GaNHEMT芯片包括有Si衬底、SiC外延层、AlN缓冲层、GaN缓冲层、GaNHEMT沟道层、AlGaNHEMT势垒层、GaNHEMT接触层、GaNHEMT源电极、GaNHEMT栅电极、GaNHEMT漏电极，所述GaNHBT芯片包括有GaNHBT下集电极层、GaNHBT集电极层、GaNHBT基极层、GaNHBT发射极层、GaNHBT下集电极层电极、GaNHBT基极层电极、GaNHBT发射极层电极；其中，所述Si衬底、SiC外延层、AlN缓冲层、GaN缓冲层、GaNHEMT沟道层、AlGaNHEMT势垒层、GaNHEMT接触层、GaNHBT下集电极层、GaNHBT集电极层、GaNHBT基极层、GaNHBT发射极层从下至上依次层叠设置，所述GaNHEMT源电极、GaNHEMT漏电极分别制备在GaNHEMT接触层上面，而该GaNHEMT接触层上面的外延层将通过刻蚀去除，所述GaNHEMT栅电极制备在GaNHEMT接触层或GaNHEMT沟道层上面，而该GaNHEMT接触层或GaNHEMT沟道层上面的外延层将通过刻蚀去除，所述GaNHBT下集电极层电极制备在GaNHBT下集电极层的上面，而该GaNHBT下集电极层上面的外延层将通过刻蚀去除，所述GaNHBT基极层电极制备在GaNHBT基极层的上面，而该GaNHBT基极层上面的外延层将通过刻蚀去除，所述GaNHBT发射极层电极制备在GaNHBT发射极层的上面；所述GaNHEMT芯片通过刻蚀或高能粒子注入方式在其上形成有隔离带，且隔离深度需超过GaN缓冲层，所述隔离带将GaNHEMT芯片区分为隔离的第一部分和第二部分，所述GaNHEMT源电极、GaNHEMT栅电极、GaNHEMT漏电极制备于第一部分，而所述GaNHBT芯片则是制备于第二部分上面。
所述Si衬底、SiC外延层、AlN缓冲层、GaN缓冲层为高电阻率层。
本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
将GaNHEMT和GaNHBT芯片集成在一个衬底上，可以有效减少半导体芯片和电路尺寸，有利于降低芯片制备成本，起到降低电阻和提高低功率模式下附加功率效率和线性度的作用。同时，在Si衬底上外延SiC材料，然后再SiC上外延GaN材料，可以避免Si与GaN晶格失配所带来的缺陷和位错对性能芯片的影响。
附图说明
图1为本实用新型所述Si基GaNBi-HEMT芯片的结构示意图。
图2为本实用新型所述Si基GaNBi-HEMT芯片的外延结构图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1和图2所示，本实施例所述的Si基GaNBi-HEMT芯片，由上下叠置的GaNHBT芯片和GaNHEMT芯片构成，所述GaNHEMT芯片包括有Si衬底1、SiC外延层2、AlN缓冲层3、GaN缓冲层4、GaNHEMT沟道层5、AlGaNHEMT势垒层6、GaNHEMT接触层7、GaNHEMT源电极8、GaNHEMT栅电极9、GaNHEMT漏电极10，所述GaNHBT芯片包括有GaNHBT下集电极层11、GaNHBT集电极层12、GaNHBT基极层13、GaNHBT发射极层14、GaNHBT下集电极层电极15、GaNHBT基极层电极16、GaNHBT发射极层电极17；其中，所述Si衬底1、SiC外延层2、AlN缓冲层3、GaN缓冲层4、GaNHEMT沟道层5、AlGaNHEMT势垒层6、GaNHEMT接触层7、GaNHBT下集电极层11、GaNHBT集电极层12、GaNHBT基极层13、GaNHBT发射极层14从下至上依次层叠设置，所述GaNHEMT源电极8、GaNHEMT漏电极10分别制备在GaNHEMT接触层7上面，而该GaNHEMT接触层7上面的外延层将通过刻蚀去除，所述GaNHEMT栅电极9可选择性制备在GaNHEMT接触层7或GaNHEMT沟道层5上面，而该GaNHEMT接触层7或GaNHEMT沟道层5上面的外延层将通过刻蚀去除，而在本实施例中，该GaNHEMT栅电极9具体是选择制备在GaNHEMT接触层7上面，所述GaNHBT下集电极层电极15制备在GaNHBT下集电极层11的上面，而该GaNHBT下集电极层11上面的外延层将通过刻蚀去除，所述GaNHBT基极层电极16制备在GaNHBT基极层13的上面，而该GaNHBT基极层13上面的外延层将通过刻蚀去除，所述GaNHBT发射极层电极17制备在GaNHBT发射极层14的上面；所述GaNHEMT芯片通过刻蚀或高能粒子注入方式在其上形成有隔离带18，且隔离深度需超过GaN缓冲层4，所述隔离带18将GaNHEMT芯片区分为隔离的第一部分和第二部分，所述GaNHEMT源电极8、GaNHEMT栅电极9、GaNHEMT漏电极10制备于第一部分，而所述GaNHBT芯片则是制备于第二部分上面。
此外，本实施例所述的Si衬底1、SiC外延层2、AlN缓冲层3、GaN缓冲层4均为高电阻率层；所述GaNHEMT源电极8、GaNHEMT栅电极9、GaNHEMT漏电极10、GaNHBT下集电极层11、GaNHBT集电极层12、GaNHBT基极层13、GaNHBT发射极层14、GaNHBT下集电极层电极15、GaNHBT基极层电极16、GaNHBT发射极层电极17所采用的金属材料为Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ni/Au的一种；所述AlN缓冲层3、GaN缓冲层4、GaNHEMT沟道层5、AlGaNHEMT势垒层6、GaNHEMT接触层7、GaNHBT下集电极层11、GaNHBT集电极层12、GaNHBT基极层13、GaNHBT发射极层14为GaN、AlN、InN以及它们的三元、四元合金组成的薄膜材料。
以下为本实施例上述Si基GaNBi-HEMT芯片的具体制备过程，包括以下步骤：
1)采用区熔(FZ)法，将底部带有籽晶的高纯度多晶棒密封于充满惰性气体的石英管中，并于垂直方向固定，利用射频(RF)加热器小区域加热多晶棒至熔融状态(大于1412℃)，射频加热器自底部籽晶逐渐向上移动，扫过整个多晶棒，形成高电阻率Si晶棒，切割形成所需的高电阻率Si衬底1；当然也可采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)或通过直拉(CZ)法制备。
2)在制得的Si衬底1上依次制备高电阻率的SiC外延层2、AlN缓冲层3、GaN缓冲层4。
所述SiC外延层2采用CVD方法制备，反应温度为1550-1750℃，压力为50-200mbar，反应源为SiH450-300sccm、C3H830-100sccm，并通过HCl60-280sccm进行刻蚀，通过控制生长条件制备本征SiC外延层，或者引入钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)元素掺杂提高电阻率；所述AlN缓冲层3、GaN缓冲层4采用MOCVD方法制备，反应温度为1000-1300℃，压力为50-300mbar，反应源为TMGa20-100sccm、TMAl20-100sccm和NH38000-20000sccm，通过控制生长条件制备本征AlN缓冲层和GaN外延层，或者引入钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)元素掺杂提高电阻率。
3)在所述GaN缓冲层4上依次生长GaNHEMT沟道层5、AlGaNHEMT势垒层6、GaNHEMT接触层7，反应温度为1000-1100℃，压力为60-200mbar，反应源为TMGa40-100sccm、TMAl40-100sccm和NH35000-10000sccm，以完成GaNHEMT芯片的外延层生长。
4)在所述GaNHEMT芯片的外延层上依次生长GaNHBT下集电极层11、GaNHBT集电极层12、GaNHBT基极层13、GaNHBT发射极层14，反应温度为1000-1100℃，压力为60-200mbar，反应源为TMGa40-100sccm、TMAl40-100sccm和NH35000-10000sccm，以完成GaNHBT芯片的外延层生长。
5)采用刻蚀方法，去除部分区域的GaNHBT芯片的外延层，在GaNHEMT接触层7上制备GaNHEMT源电极8、GaNHEMT漏电极10，及在GaNHEMT接触层7或GaNHEMT沟道层5上制备GaNHEMT栅电极9，而在本实施例中具体是选择在GaNHEMT接触层7上制备GaNHEMT栅电极9；完成GaNHEMT芯片的制备。
所述刻蚀为干法刻蚀，刻蚀压力为0.3-0.5Pa(随气体总流量变化)，极限真空为2×10-5Pa，功率源和射频偏置功率源均为13.56Hz，最大功率分别为1000W、600W。采用Cl2/BCl3作为刻蚀气体，在不同气体总流量(20-60mL/min)和偏置功率(20-100W)、气体组分(Cl2:10％-80％)、ICP功率P(100-500W)等条件下进行刻蚀。
使用磁控溅射制备电极，加速电压：300-800V，磁场约：50-300G，气压：1-10mTorr，电流密度：4-60mA/cm，功率密度：1-40W/cm，对于不同的材料最大沉积速率范围从100nm/min到1000nm/min。根据电极材料不同选用直流(DC)磁控溅射和射频(RF)磁控溅射。射频电源的频率通常在50-30MHz，厚度为：Ti(20nm)/Au(200nm),Ti(20nm)/Al(20nm)/Au(200nm),Ti(20nm)/Al(20nm)/Ni(20nm)/Au(200nm)，合金温度为400℃到900℃，完成电极制备。
6)刻蚀至GaNHBT下集电极层11，在其上制备GaNHBT下集电极层电极15；刻蚀至GaNHBT基极层13，在其上制备GaNHBT基极层电极16；在GaNHBT发射极层14上制备GaNHBT发射极层电极17；完成GaNHBT芯片的制备。
所述刻蚀为干法刻蚀，刻蚀压力为0.3-0.5Pa(随气体总流量变化)，极限真空为2×10-5Pa，功率源和射频偏置功率源均为13.56Hz，最大功率分别为1000W、600W。采用Cl2/BCl3作为刻蚀气体，在不同气体总流量(20-60mL/min)和偏置功率(20-100W)、气体组分(Cl2:10％-80％)、ICP功率P(100-500W)等条件下进行刻蚀。
使用磁控溅射制备电极，加速电压：300-800V，磁场约：50-300G，气压：1-10mTorr，电流密度：4-60mA/cm，功率密度：1-40W/cm，对于不同的材料最大沉积速率范围从100nm/min到1000nm/min。根据电极材料不同选用直流(DC)磁控溅射和射频(RF)磁控溅射。射频电源的频率通常在50-30MHz，厚度为：Ti(20nm)/Au(200nm),Ti(20nm)/Al(20nm)/Au(200nm),Ti(20nm)/Al(20nm)/Ni(20nm)/Au(200nm)，合金温度为400℃到900℃，完成电极制备。
7)采用刻蚀或高能粒子注入方式在GaNHEMT芯片上制备隔离带18，以将GaNHEMT芯片和GaNHBT芯片隔离开。
所述刻蚀方法为干法ICP刻蚀，刻蚀气体选择为氟(F2)气、氯(Cl2)气或氟基、氯基气体化合物。刻蚀压力为0.3-0.5Pa(随气体总流量变化)，极限真空为2×10-5Pa，功率源和射频偏置功率源均为13.56Hz，最大功率分别为1000W、600W。采用Cl2/BCl3作为刻蚀气体，在不同气体总流量(20-60mL/min)和偏置功率(20-100W)、气体组分(Cl2:10％-80％)、ICP功率P(100-500W)等条件下进行刻蚀。
至此，便完成了所需的Si基GaNBi-HEMT芯片的制备。
综上所述，在采用以上方案后，本实用新型通过采用外延和刻蚀工艺，将GaNHEMT和GaNHBT芯片集成在一个衬底上，可以有效减少半导体芯片和电路尺寸，有利于降低芯片制备成本，起到降低电阻和提高低功率模式下附加功率效率和线性度的作用。同时，在Si衬底上外延SiC材料，然后再SiC上外延GaN材料，可以避免Si与GaN晶格失配所带来的缺陷和位错对性能芯片的影响，可靠性更高，值得推广。
以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。
Claims (2)
1.一种Si基GaNBi-HEMT芯片，其特征在于：由上下叠置的GaNHBT芯片和GaNHEMT芯片构成，所述GaNHEMT芯片包括有Si衬底(1)、SiC外延层(2)、AlN缓冲层(3)、GaN缓冲层(4)、GaNHEMT沟道层(5)、AlGaNHEMT势垒层(6)、GaNHEMT接触层(7)、GaNHEMT源电极(8)、GaNHEMT栅电极(9)、GaNHEMT漏电极(10)，所述GaNHBT芯片包括有GaNHBT下集电极层(11)、GaNHBT集电极层(12)、GaNHBT基极层(13)、GaNHBT发射极层(14)、GaNHBT下集电极层电极(15)、GaNHBT基极层电极(16)、GaNHBT发射极层电极(17)；其中，所述Si衬底(1)、SiC外延层(2)、AlN缓冲层(3)、GaN缓冲层(4)、GaNHEMT沟道层(5)、AlGaNHEMT势垒层(6)、GaNHEMT接触层(7)、GaNHBT下集电极层(11)、GaNHBT集电极层(12)、GaNHBT基极层(13)、GaNHBT发射极层(14)从下至上依次层叠设置，所述GaNHEMT源电极(8)、GaNHEMT漏电极(10)分别制备在GaNHEMT接触层(7)上面，而该GaNHEMT接触层(7)上面的外延层将通过刻蚀去除，所述GaNHEMT栅电极(9)制备在GaNHEMT接触层(7)或GaNHEMT沟道层(5)上面，而该GaNHEMT接触层(7)或GaNHEMT沟道层(5)上面的外延层将通过刻蚀去除，所述GaNHBT下集电极层电极(15)制备在GaNHBT下集电极层(11)的上面，而该GaNHBT下集电极层(11)上面的外延层将通过刻蚀去除，所述GaNHBT基极层电极(16)制备在GaNHBT基极层(13)的上面，而该GaNHBT基极层(13)上面的外延层将通过刻蚀去除，所述GaNHBT发射极层电极(17)制备在GaNHBT发射极层(14)的上面；所述GaNHEMT芯片通过刻蚀或高能粒子注入方式在其上形成有隔离带(18)，且隔离深度需超过GaN缓冲层(4)，所述隔离带(18)将GaNHEMT芯片区分为隔离的第一部分和第二部分，所述GaNHEMT源电极(8)、GaNHEMT栅电极(9)、GaNHEMT漏电极(10)制备于第一部分，而所述GaNHBT芯片则是制备于第二部分上面。
2.根据权利要求1所述的一种Si基GaNBi-HEMT芯片，其特征在于：所述Si衬底(1)、SiC外延层(2)、AlN缓冲层(3)、GaN缓冲层(4)为高电阻率层。
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