TWI778598B

TWI778598B - 功率電晶體的製作方法及功率電晶體

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Publication number: TWI778598B
Application number: TW110114834A
Authority: TW
Inventors: 曾憲正; 陳明盈; 蔡坤和; 孫昱紘; 黎岷儒
Original assignee: 崑山科技大學
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2022-09-21
Also published as: TW202243244A

Abstract

一種功率電晶體的製作方法，包含：依序形成蝕刻停止層及次射極層於半導體基板上；形成磷化銦鎵層及石墨烯複合層於次射極層上，且石墨烯複合層覆蓋磷化銦鎵層；於石墨烯複合層提供蝕刻遮罩，以界定集極區；移除蝕刻遮罩；於石墨烯複合層上依序形成砷化鎵複合層及表面層；移除部分石墨烯複合層、部份砷化鎵複合層及部份表面層，以顯露部份磷化銦鎵層，其中保留之砷化鎵複合層及表面層作為集極，保留且顯露之石墨烯複合層作為基極；並於顯露之磷化銦鎵層進行硼離子佈植以形成射極。一種功率電晶體亦被提供，具有更好的電流驅動能力以及更高的功率驅動效益。

Description

功率電晶體的製作方法及功率電晶體

本發明是有關一種功率半導體的製作方法，尤其是一種用於製作異質接面電晶體(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)之功率電晶體的製作方法及功率電晶體。

功率半導體是負責電能轉換與電路控制的關鍵角色，所有電子產品都可以看到它的影子。目前功率半導體元件相當多元，其中，異質接面電晶體(HBT)因具有高操作頻率、高功率、低雜訊、高速度、高電流密度、線性度好等優點而成為功率放大器的主流技術並廣泛地應用於各種無線通訊元件上。而目前對於異質接面電晶體的技術要求更趨於需具有更好的電流驅動能力以及更高的功率驅動效益。

本發明提供一種功率電晶體的製作方法及功率電晶體，功率電晶體具有更好的電流驅動能力以及更高的功率驅動效益。

本發明所提供之功率電晶體的製作方法，包含：提供半導體基板；形成蝕刻停止層於半導體基板上；形成次射極層於蝕刻停止層上；形成磷化銦鎵層及石墨烯複合層於次射極層上，且石墨烯複合層覆蓋磷化銦鎵層，其中石墨烯複合層的材料由石墨烯及砷化銦鎵混合而成；於石墨烯複合層提供一蝕刻遮罩，並經由蝕刻製程界定集極區；移除蝕刻遮罩；於石墨烯複合層上依序形成砷化鎵複合層及表面層；經由蝕刻製程移除部分石墨烯複合層、部份砷化鎵複合層及部份表面層，以顯露部份磷化銦鎵層，其中保留之砷化鎵複合層及表面層作為集極，保留且顯露之石墨烯複合層作為基極；以及於顯露之部份磷化銦鎵層進行硼離子佈植以形成射極。

在本發明的一實施例中，上述之半導體基板為半絕緣的砷化鎵基板，蝕刻停止層的材料為磷化銦鎵，其中銦與鎵的成分比例相同。

在本發明的一實施例中，上述之次射極層的材料為砷化鎵，磷化銦鎵層的材料為磷化銦鎵，其中銦與鎵的成分比例相同。

在本發明的一實施例中，在上述之次射極層上且磷化銦鎵層的一側形成有間隔層位於次射極層及石墨烯複合層之間，其中間隔層的材料為砷化鎵。

在本發明的一實施例中，上述之砷化鎵複合層包含砷化鎵層、第一漸變層及第二漸變層，第一漸變層鄰近石墨烯複合層，第二漸變層鄰近表面層，砷化鎵層介於第一漸變層及第二漸變層之間。

在本發明的一實施例中，上述之第一漸變層及第二漸變層的材料為砷化銦鎵。

在本發明的一實施例中，上述之砷化鎵層包含第一砷化鎵子層、第二砷化鎵子層及第三砷化鎵子層堆疊而成，其中第二砷化鎵子層介於第一砷化鎵子層及第三砷化鎵子層之間，第二砷化鎵子層的厚度小於第一砷化鎵子層及第三砷化鎵子層的厚度，第二砷化鎵子層的摻雜濃度高於第一砷化鎵子層及第三砷化鎵子層的摻雜濃度。

本發明所提供的功率電晶體，包含：半導體基板；蝕刻停止層形成於半導體基板上；次射極層形成於蝕刻停止層上；磷化銦鎵層及石墨烯複合層形成於次射極層上，且石墨烯複合層覆蓋部份磷化銦鎵層，其中石墨烯複合層的材料由石墨烯及砷化銦鎵混合而成，且石墨烯複合層作為一基極，顯露之磷化銦鎵層作為射極；以及砷化鎵複合層及表面層依序形成於石墨烯複合層上，以作為一集極。

本發明因採用混合有石墨烯及砷化銦鎵之石墨烯複合層作為功率電晶體的基極，因此功率電晶體具有更好的電流驅動能力以及更高的功率驅動效益。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

圖1A至1E所示是本發明一實施例功率電晶體的製作方法之流程示意圖，功率電晶體例如為異質接面電晶體(Heterojunction Bipolar Transistor, HBT)。如圖1A所示，提供一半導體基板10，半導體基板10例如為半絕緣的砷化鎵(GaAs)基板；形成蝕刻停止層12於半導體基板10上，於一實施例中，蝕刻停止層12的材料為磷化銦鎵(InGaP)，其中銦(In)與鎵(Ga)的成分比例相同。形成次射極(sun-emitter)層14於蝕刻停止層12上，次射極層14的材料為砷化鎵(GaAs)。接著，如圖1B所示，形成磷化銦鎵層16及石墨烯複合層18於次射極層14上，且石墨烯複合層18覆蓋磷化銦鎵層16，其中磷化銦鎵層16的材料為磷化銦鎵(InGaP)，且銦與鎵的成分比例相同，又石墨烯複合層18的材料由石墨烯及砷化銦鎵 (InGaAs)混合而成；於一實施例中，在次射極層14上且磷化銦鎵層16的一側更先形成有間隔層(spacer)20位於次射極層14及石墨烯複合層18之間，且間隔層20的材料例如為砷化鎵(GaAs)；又於石墨烯複合層18上提供蝕刻遮罩22，並經由蝕刻製程界定集極(collector)區。

接續上述說明，如圖1C所示，移除蝕刻遮罩22，且於石墨烯複合層18上依序形成砷化鎵複合層24及表面層26，於一實施例中，表面層26的材料為砷化銦鎵(InGaAs)，且銦與鎵的成分比例相同。之後，經由蝕刻製程移除部分石墨烯複合層18、部份砷化鎵複合層24及部份表面層26，於一實施例中，如圖1C及1D所示，經由反應離子蝕刻(reactive-ion etching)製程移除石墨烯複合層18的第一部份18a、砷化鎵複合層24的第一部份24a及表面層26的第一部份26a，以顯露部份磷化銦鎵層16，並於顯露之部份磷化銦鎵層16進行硼(B)離子佈植且設置金屬電極34以作為一射極28(emitter)。

接續上述說明，如圖1D及圖1E所示，經由選擇性蝕刻(selective etching)製程移除砷化鎵複合層24的第二部份24b及表面層26的第二部份26b，則保留之砷化鎵複合層24’及表面層26’上設置金屬電極36以作為一集極(collector)30，保留且顯露之石墨烯複合層18’上設置金屬電極38以作為一基極(base)32。

圖2是本發明一實施例功率電晶體的結構剖面示意圖，如圖2所示，功率電晶體40包含：半導體基板10；蝕刻停止層12形成於半導體基板10上；次射極層14形成於蝕刻停止層12上；磷化銦鎵層16及石墨烯複合層18’形成於次射極層14上，且石墨烯複合層18’覆蓋部份磷化銦鎵層16，其中石墨烯複合層18’用以作為功率電晶體40的基極32，顯露之磷化銦鎵層16用以作為射極28，於一實施例中，在次射極層14上且磷化銦鎵層16的一側更形成有間隔層(spacer)20位於次射極層14及石墨烯複合層18’之間。又砷化鎵複合層24’及表面層26’依序形成於石墨烯複合層18’上，用以作為功率電晶體40的集極30。

於一實施例中，如圖2所示，砷化鎵複合層24’包含第一漸變層241、砷化鎵層242及第二漸變層243，第一漸變層241鄰近石墨烯複合層18’，第二漸變層243鄰近表面層26’，砷化鎵層242介於第一漸變層241及第二漸變層243之間。於一實施例中，第一漸變層241的材料為砷化銦鎵(InGaAs)，且以第一漸變層241中所含有銦(In)及鎵(Ga)為基準，第一漸變層241中所含有的銦(In)的成分由石墨烯複合層18’朝砷化鎵層242漸減；第二漸變層243的材料為砷化銦鎵(InGaAs)，且以第二漸變層243中所含有銦(In)及鎵(Ga)為基準，第二漸變層243中所含有的銦(In)的成分由砷化鎵層242朝表面層26 ’漸增。

下表一列出本發明一實施例表面層26、第二漸變層243、砷化鎵層242、第一漸變層241、石墨烯複合層18’、間隔層20、磷化銦鎵層16、次射極層14及蝕刻停止層12的材料、厚度及摻雜濃度，其中npn型的功率電晶體及pnp型的功率電晶體可具有不同的厚度或者摻雜濃度。 (表一)

層	材料	厚度(Å)	Doping (cm ^-3)
npn	pnp	npn	pnp
表面層26	In(0.5)Ga(0.5)As	500	500	n＞1×10 ¹⁹	p＞ 1×10 ¹⁹
第二漸變層243	GaAs-In(0.5)Ga(0.5)As	500	500	n＞1×10 ¹⁹	p＞ 1×10 ¹⁹
砷化鎵層242	GaAs	6000	4000	n=3×10 ¹⁶	p=4×10 ¹⁶
第一漸變層241	In(0.1)Ga(0.9)As-GaAs	200	200	n=4×10 ¹⁶	p=4×10 ¹⁶
石墨烯複合層18’	石墨烯、InGaAs	700	700	p=3×10 ¹⁹	n=3×10 ¹⁹
間隔層20	GaAs	50	50
磷化銦鎵層16 (射極)	In(0.5)Ga(0.5)P	300	300	n=5×10 ¹⁷	p=5×10 ¹⁷
次射極層14	GaAs	6000	6000	n=5×10 ¹⁸	p=5×10 ¹⁸
蝕刻停止層12	In(0.5)Ga(0.5)P	500	500	n=4×10 ¹⁸	p=3×10 ¹⁸

在表一中，蝕刻停止層12及磷化銦鎵層16的材料為磷化銦鎵(InGaP)，其中銦(In)與鎵(Ga)的成分比例相同，因此以In(0.5)Ga(0.5)P表示；表面層26的材料為砷化銦鎵(InGaAs)，其中銦(In)與鎵(Ga)的成分比例相同，因此以In(0.5)Ga(0.5)As表示。在第一漸變層241中，銦(In)及鎵(Ga)的成分比最大為1比9，因此以 In(0.1)Ga(0.9)As表示，其中銦(In)的成分由石墨烯複合層18’朝砷化鎵層242漸減；在第二漸變層243中，銦(In)的成份由砷化鎵層242朝表面層26’漸增至銦(In)與鎵(Ga)的成分比例相同。

於一實施例中，以厚度200〜300Å之石墨烯複合層18為例，石墨烯複合層18的生長過程包括：首先，將氬氣(Ar)和氫氣(H ₂)混合氣體引入真空爐，並在穩定壓力下將真空爐加熱到1000°C，其中為了擴大石墨烯複合層18的粒徑，將銅箔在1000℃下退火。接下來，引入10 sccm 的氫氣和50 sccm的甲烷(CH ₄)，並在低壓條件下進行石墨烯複合層18的生長。生長之後，將用作支撐層的光致抗蝕劑塗覆在石墨烯複合層18上，並在0.5M 的氯化鐵(FeCl ₃·6H ₂O)溶液中蝕刻掉銅箔，並用去離子水沖洗石墨烯複合層18後，將其轉移到目標基板上，並用丙酮去除光致抗蝕劑。

在本發明實施例中，集極(collector)30的非均勻摻雜設計是功率電晶體的主要要件。於一未繪示的實施例中，砷化鎵複合層24’之砷化鎵層242亦可由多層不同摻雜濃度的砷化鎵子層所構成。例如砷化鎵層242包含第一砷化鎵子層、第二砷化鎵子層及第三砷化鎵子層堆疊而成，其中第二砷化鎵子層介於第一砷化鎵子層及砷化鎵子層之間，第二砷化鎵子層的厚度小於第一砷化鎵子層及第三砷化鎵子層的厚度，第二砷化鎵子層的摻雜濃度高於第一砷化鎵子層及第三砷化鎵子層的摻雜濃度；其中第一砷化鎵子層的厚度例如為4500Å，摻雜濃度為8×10 ¹⁵cm ^-3，第二砷化鎵子層的厚度例如為200Å，摻雜濃度為5×10 ¹⁷cm ^-3，第三砷化鎵子層的厚度例如為2300Å，摻雜濃度為8×10 ¹⁵cm ^-3。

在上述非均勻摻雜設計中，高摻雜層與低摻雜集極結合在一起，需要高摻雜區來適應由集極-基極電壓感應的電場，此種非均勻摻雜的集極設計重新排列了集極中的電場，以延遲功率電晶體不穩定性的發生，從而提高了電流處理能力和功率電晶體的線性度(linearity)。

圖3為本發明一實施例npn功率電晶體與傳統功率電晶體之集極-射極電壓(Vce)與集極電流(Ic)特性圖。如圖所示，與傳統功率晶體管的Ic-Vce特性（虛線）相比，本發明npn功率晶體管的Ic-Vce特性（實線）沒有明顯的負微分斜率，在傳統GaAs功率電晶體的情況下，負微分斜率已歸因於功率電晶體的自發熱，因此，此特性圖結果表明，本發明實施例的功率電晶體40在有效散熱中發揮了作用。

圖4為本發明一實施例功率電晶體與傳統功率電晶體之附加功率效率(Power-Added Efficiency，PAE)和輸入功率增益(Gain)的比較圖。其中呈現了在2.0 GHz下執行的附加功率效率和增益對輸入功率的依賴性，藉由微調功率電晶體的設計，可提高熱穩定性和高功率穩定性，進而提高增益和效率，因此，可以實現約58％的高附加功率效率。

根據上述，在本發明實施例功率電晶體中，射極較為鄰近半導體基板，而集極則較為遠離半導體基板，此種集極在上而射極在下的設計，使得整個功率電晶體可朝半導體基板下方的方向進行散熱，而無需提供大面積的散熱結構，使得功率電晶體的尺寸可大幅縮小，符合微型化的趨勢。再者，本發明實施例功率電晶體採用混合有石墨烯及砷化銦鎵之石墨烯複合層作為基極，因此，功率電晶體可具有更好的電流驅動能力以及更高的功率驅動效益。進一步地，本發明實施例功率電晶體適於應用在車用複合晶片上，使車用複合晶片具有所需達成的產品品質與可靠度，以確保使用此車用複合晶片之車輛的安全。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10:半導體基板 12:蝕刻停止層 14:次射極層 16:磷化銦鎵層 18、18’:石墨烯複合層 18a:第一部份 20:間隔層 22:遮罩 24、24’:砷化鎵複合層 24a:第一部份 24b:第二部份 241:第一漸變層 242:砷化鎵層 243:第二漸變層 26、26’:表面層 26a:第一部份 26b:第二部份 28:射極 30:集極 32:基極 34、36、38:金屬電極 40:功率電晶體

圖1A至1E所示是本發明一實施例功率電晶體的製作方法之流程示意圖。圖2是本發明一實施例功率電晶體的結構剖面示意圖。圖3為本發明一實施例npn功率電晶體與傳統功率電晶體之集極-射極電壓(Vce)與集極電流(Ic)特性圖。圖4為本發明一實施例功率電晶體與傳統功率電晶體之附加功率效率(Power-Added Efficiency，PAE)和輸入功率增益(Gain)的比較圖。

10:半導體基板

12:蝕刻停止層

14:次射極層

16:磷化銦鎵層

18’:石墨烯複合層

20:間隔層

24’:砷化鎵複合層

241:第一漸變層

242:砷化鎵層

243:第二漸變層

26’:表面層

28:射極

30:集極

32:基極

40:功率電晶體

Claims

一種功率電晶體的製作方法，包含：提供一半導體基板；形成一蝕刻停止層於該半導體基板上；形成一次射極層於該蝕刻停止層上；形成一磷化銦鎵層及一石墨烯複合層於該次射極層上，且該石墨烯複合層覆蓋該磷化銦鎵層，其中該石墨烯複合層的材料由石墨烯及砷化銦鎵混合而成；於該石墨烯複合層提供一蝕刻遮罩，並經由蝕刻製程界定一集極區；移除該蝕刻遮罩；於該石墨烯複合層上依序形成一砷化鎵複合層及一表面層；經由一蝕刻製程移除部分該石墨烯複合層、部份該砷化鎵複合層及部份該表面層，以顯露部份該磷化銦鎵層，其中保留之該砷化鎵複合層及該表面層作為一集極，保留且顯露之該石墨烯複合層作為一基極；以及於顯露之部份該磷化銦鎵層進行硼離子佈植以形成一射極。
如請求項1所述之功率電晶體的製作方法，其中，該半導體基板為半絕緣的砷化鎵基板，該蝕刻停止層的材料為磷化銦鎵，其中銦與鎵的成分比例相同。
如請求項1所述之功率電晶體的製作方法，其中，該次射極層的材料為砷化鎵，該磷化銦鎵層的材料為磷化銦鎵，其中銦與鎵的成分比例相同。
如請求項1所述之功率電晶體的製作方法，其中，於該次射極層上且該磷化銦鎵層的一側形成有一間隔層位於該次射極層及該石墨烯複合層之間，其中該間隔層的材料為砷化鎵。
如請求項1所述之功率電晶體的製作方法，其中，該砷化鎵複合層包含一砷化鎵層、一第一漸變層及一第二漸變層，該第一漸變層鄰近該石墨烯複合層，該第二漸變層鄰近該表面層，該砷化鎵層介於該第一漸變層及該第二漸變層之間。
如請求項5所述之功率電晶體的製作方法，其中，該第一漸變層及該第二漸變層的材料為砷化銦鎵。
如請求項5所述之功率電晶體的製作方法，其中，該砷化鎵層包含第一砷化鎵子層、第二砷化鎵子層及第三砷化鎵子層堆疊而成，其中該第二砷化鎵子層介於該第一砷化鎵子層及該第三砷化鎵子層之間，該第二砷化鎵子層的厚度小於該第一砷化鎵子層及該第三砷化鎵子層的厚度，該第二砷化鎵子層的摻雜濃度高於該第一砷化鎵子層及該第三砷化鎵子層的摻雜濃度。
一種功率電晶體，包含：一半導體基板；一蝕刻停止層形成於該半導體基板上；一次射極層形成於該蝕刻停止層上；一磷化銦鎵層及一石墨烯複合層形成於該次射極層上，且該石墨烯複合層覆蓋部份該磷化銦鎵層，其中該石墨烯複合層的材料由石墨烯及砷化銦鎵混合而成，且該石墨烯複合層作為一基極，顯露之該磷化銦鎵層作為一射極；以及一砷化鎵複合層及一表面層依序形成於該石墨烯複合層上，以作為一集極。