Ga2O3/SiC异质结光电PNP晶体管及其制备方法与流程

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP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结是在一块半导体材料上通过掺杂做出导电类型不同的两部分，又称为同质结；而之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，两种材料禁带宽度及其他材料特性的不同使其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，均为接收光信号转化为电信号的晶体管，所以其接收、转化的能力将决定了光电晶体管的器件性能。前者通过光吸收能力来判断，后者通过光电晶体管的光电增益来判断，目前光电晶体管的光吸收范围因为材料特性及其灵敏度所以很难扩大到深紫外区，此外随着电子技术的发展与进步，对光电晶体管的增益要求越大。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管及其制备方法。

本发明的一个实施例提供了一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管的制备方法，包括：

选取SiC衬底；

在所述SiC衬底表面生长P型SiC同质外延层形成集电区；

在所述P型SiC同质外延层表面生长N型SiC同质外延层；

在所述N型SiC同质外延层表面生长P型β-Ga₂O₃异质外延层；

在所述P型β-Ga₂O₃异质外延层通过干法刻蚀形成发射区；

在所述N型SiC同质外延层通过干法刻蚀形成基区；

并在暴露出的所述P型SiC同质外延层表面部分位置处生长第一金属材料形成集电极；

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Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管。

在本发明的一个实施例中，在所述SiC衬底表面分别生长同质外延层和异质外延层，包括：

利用LPCVD工艺，在所述SiC衬底表面生长掺杂Al元素的P型SiC材料以厚度为3～5μm、掺杂浓度为1×10¹⁶～1×10¹⁷cm^-3形成所述集电区；

在本发明的一个实施例中，在所述P型SiC同质外延层表面生长N型SiC同质外延层，包括：

利用LPCVD工艺，在所述P型SiC同质外延层表面生长掺杂N元素的N型SiC材料以形成厚度为0.3～0.5μm、掺杂浓度为1×10¹⁷～1×10¹⁸cm^-3的所述N型SiC同质外延层。

在本发明的一个实施例中，在所述N型SiC同质外延层表面生长P型β-Ga₂O₃异质外延层，包括：

利用分子束外延工艺，在所述N型SiC同质层表面生长掺杂元素为Cu或者Zn，掺杂浓度为1×10¹⁹～9×10¹⁹cm^-3，厚度为0.5～0.8μm的所述P型β-Ga₂O₃异质外延层。

在本发明的一个实施例中，在所述P型β-Ga₂O₃异质外延层通过干法刻蚀形成发射区，包括：

采用第一掩膜板，采用BCl₃作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺对所述P型β-Ga₂O₃异质外延层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N型SiC同质外延层通过干法刻蚀形成基区，包括：

采用第二掩膜板，采用CF₄或O₂作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺对所述N型SiC外延层进行刻蚀形成所述基区。

在本发明的一个实施例中，在暴露出的所述P型SiC同质外延层表面部分位置处生长第一金属材料形成集电极，包括：

利用磁控溅射工艺在所述集电区溅射Ni金属材料；

在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述P型SiC同质外延层表面与所述Ni金属材料表面形成欧姆接触以完成所述集电极的制备。

在本发明的一个实施例中，在所述发射区表面生长第二金属材料形成发射极，包括：

利用磁控溅射工艺在所述发射区表面溅射Ti材料和Au材料形成Ti/Au叠层双金属材料；

在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述发射区表面与所述Ti/Au叠层双金属材料表面形成欧姆接触以完成所述发射极的制备。

在本发明的一个实施例中，利用磁控溅射工艺在所述发射区表面溅射Ti材料和Au材料形成Ti/Au叠层双金属材料，包括：

采用第四掩膜版，以Ti材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W的条件下，在所述发射区表面溅射所述Ti材料；

采用所述第四掩膜版，以Au材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W的条件下，在所述Ti材料表面溅射Au材料形成所述第二Ti/Au叠层双金属材料。

本发明的另一个实施例提供了一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管，其中，所述Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管由上述实施例中任一所述的方法制备形成。

本发明的PNP晶体管使用两种不同的宽禁带材料构成异质结，其禁带宽度的不同及其材料特性使得本发明光电晶体管的光电增益大幅提高，提高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以及器件可靠性。此外Ga₂O₃材料本身具有日盲区深紫外光探测的光电特性及其透明导电特性决定了将Ga₂O₃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。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管的截面示意图；

图2为本发明实施例提供的一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管的俯视示意图；

图3为本发明实施例提供的一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管的制备方法流程示意图；

图4a-图4h为本发明实施例提供的一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管的制备方法示意图；

图5为本发明实施例提供的一种第一光刻掩膜版的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种第二光刻掩膜版的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种第三光刻掩膜版的结构示意图；以及

图8为本发明实施例提供的一种第四光刻掩膜版的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1及图2，图1为本发明实施例提供的一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管的截面示意图，图2为本发明实施例提供的一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管的俯视示意图。本发明的Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管包括：衬底1、P型SiC同质外延层2构成的集电区、N型SiC同质外延层3构成的基区、P型Ga₂O₃层4构成的发射区以及发射极5和集电极6。

所述衬底1为P型的4H-SiC或6H-SiC材料的半绝缘衬底；所述同质P型外延层为掺杂元素Al的SiC，掺杂浓度10¹⁶cm^-3量级；所述N型SiC同质外延层为掺杂元素N的SiC，掺杂浓度10¹⁷cm^-3量级；所述光吸收层为掺杂浓度在10¹⁹cm^-3、掺杂元素为Cu、Zn等元素的P型β-Ga₂O₃(-201)、P型β-Ga₂O₃(010)或P型β-Ga₂O₃(001)材料；所述发射电极为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ITO等导电性化合物形成。另外，可以具有由不同的2种以上金属构成的2层结构，例如Al/Ti叠层双金属材料。所述集电极为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ITO等导电性化合物形成。另外，可以具有由不同的2种及以上金属构成的2层结构，例如Al/Ti叠层双金属材料。

本发明实施例，通过采用Ga₂O₃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由于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。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管的制备方法流程示意图。该方法包括如下步骤：

步骤1、选取SiC衬底；

步骤2、在所述SiC衬底表面生长P型SiC同质外延层形成集电区；

步骤3、在所述P型SIC同质外延层表面生长N型SiC同质外延层；

步骤4、在所述N型SiC同质外延层表面生长P型β-Ga₂O₃异质外延层；

步骤5、干法刻蚀所述P型β-Ga₂O₃异质外延层形成发射区；

步骤6、干法刻蚀所述N型SiC同质外延层形成基区，

步骤7、在所述集电区生长第一金属材料形成集电极；

步骤8、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Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管。

对于步骤2，可以包括：

步骤21、利用LPCVD工艺，在所述SiC衬底表面生长掺杂Al元素的掺杂浓度为10¹⁶cm^-3量级的P型SiC材料以形成所述P型集电区；

对于步骤3，可以包括

利用LPCVD工艺，在所述同质外延层表面生长掺杂N元素的N型SiC材料以形成所述N型SiC外延层。

对于步骤4，可以包括：

利用分子束外延工艺，在所述异质外延层表面生长掺杂元素为Cu或者Zn，掺杂浓度为10¹⁹cm^-3量级的P型β-Ga₂O₃材料。

对于步骤5，可以包括：

采用第一掩膜板，采用BCl₃作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺对所述P型β-Ga₂O₃材料进行刻蚀形成所述发射区。

对于步骤6，可以包括：

采用第二掩膜板，采用CF₄或O₂作为刻蚀气体，利用等离子刻蚀工艺对所述N型SiC同质外延层进行刻蚀形成所述基区；

对于步骤7可以包括：

步骤71、采用第三掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述集电区表面溅射Ni金属材料；

步骤72、在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述同质外延层表面与所述Ni金属材料表面形成欧姆接触以完成所述集电极的制备。

对于步骤72，可以包括：

在1000℃下氮气或氩气环境下快速热退火3min。

对于步骤8，可以包括：

步骤81、采用第四掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述发射区表面溅射Ti材料和Au材料形成Ti/Au叠层双金属材料；

步骤82、在氮气和氩气的气氛下，利用快速热退火工艺在所述发射区层表面与所述Ti/Au叠层双金属材料表面形成欧姆接触以完成所述发射极的制备。

其中，步骤81，可以包括：

步骤811、采用第四掩膜版，以Ti材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W的条件下，在所述发射区表面溅射所述Ti材料电极厚度例如为20nm～30nm；

步骤812、采用所述第四掩膜版，以Au材料作为靶材，以氩气作为溅射气体通入溅射腔体中，在工作功率为20～100W的条件下，在所述Ti材料表面溅射Au材料电极厚度例如为150nm～200nm形成所述Ti/Au叠层双金属材料。

步骤82可以包括：

在500℃下氮气和氩气环境下进行快速热退火3min形成欧姆接触。

需要重点强调的是，步骤7和步骤8中的发射极和集电极的工艺流程并不固定。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。

本发明实施例，首次提出了关于Ga₂O₃材料的新型Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管的制备方法。本发明的PNP晶体管使用两种不同的宽禁带材料构成异质结，其禁带宽度的不同及其材料特性使得本发明光电晶体管的光电增益大幅提高，提高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以及器件可靠性。此外Ga₂O₃材料本身具有日盲区深紫外光探测的光电特性及其透明导电特性决定了将Ga₂O₃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

请一并参见图4a-图4h及图5至图8，图4a-图4h为本发明实施例提供的一种Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管的制备方法示意图；图5为本发明实施例提供的一种第一光刻掩膜版的结构示意图；图6为本发明实施例提供的一种第二光刻掩膜版的结构示意图；图7为本发明实施例提供的一种第三光刻掩膜版的结构示意图；以及图8为本发明实施例提供的一种第四光刻掩膜版的结构示意图。本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的Ga₂O₃/SiC异质结光电PNP晶体管的制备方法进行详细说明如下：

步骤1：请参见图4a，准备SiC半绝缘衬底1，厚度为350μm，对衬底进行RCA标准清洗。

步骤2：请参见图4b，在步骤1所准备的SiC半绝缘衬底1上通过LPCVD生成P型同质外延层2，掺杂浓度在10¹⁶～10¹⁷cm^-3量级，掺杂元素为Al，厚度为2um；

步骤3：请参见图4c，在步骤2所准备的P型同质外延层2上通过LPCVD形成N型SiC同质外延层3，掺杂浓度在1017-1018cm^-3量级，掺杂元素为N，厚度为0.3um；

步骤4：请参见图4d，在步骤3所准备的N型SiC同质外延层3上通过分子束外延法生长β-Ga₂O3层4作为光吸收层，掺杂浓度在1×10¹⁹～2×10¹⁹cm^-3，掺杂元素为Cu、Zn等元素，厚度为1um；

步骤5：请参见图4e及图5，在步骤4所准备的β-Ga₂O₃层4上使用第一掩膜版，通过等离子刻蚀形成光吸收层，刻蚀气体为BCl₃；

步骤6：请参见图4f及图6，在步骤3所准备的P型异质外延层3上使用第二掩膜版，通过等离子刻蚀形成图4f中的N型异质外延层形成基区，刻蚀气体为CF₄和O₂；

步骤7：请参见图4g及图7，在步骤2所准备的N型同质外延层2上表面使用第三掩膜版，通过磁控溅射生长集电极Ni材料。

溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的镍，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa、氩气流量为20～30cm³/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W～100W的条件下，制备集电极Ni，电极厚度为150nm～250nm。

之后在1050℃下氮气和氩气环境下进行快速热退火3min形成欧姆接触。

发射电极的金属可选Au、Al、Ti等不同元素及其组成的2层结构，集电极可选用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金属替代。其中Au\Ag\Pt化学性质稳定；Al\Ti\Ni成本低。

步骤8：请参见图4h及图8，在步骤5所准备的发射区上使用第四掩膜版，通过磁控溅射生长发射电极Ti/Au。

溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的钛，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa、氩气流量为20～30cm³/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W～100W的条件下，制备栅电极钛，电极厚度为20nm～30nm。

溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Au，以质量百分比纯度为99.999％的Ar作为溅射气体通入溅射腔，溅射前，用高纯氩气对磁控溅射设备腔体进行5分钟清洗，然后抽真空。在真空度为6×10^-4～1.3×10^-3Pa、氩气流量为20～30cm³/秒、靶材基距为10cm和工作功率为20W～100W的条件下，制备栅电极铝，电极厚度为150nm～200nm，之后在500℃下氮气和氩气环境下进行快速热退火3min形成欧姆接触。

发射电极的金属可选Au、Al、Ti等不同元素及其组成的2层结构，集电极可选用Al\Ti\Ni\Ag\Pt等金属替代。其中Au\Ag\Pt化学性质稳定；Al\Ti\Ni成本低。

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。