биполярный транзистор

Формула изобретения

Биполярный транзистор, изготовленный на основе гетероэпитаксиальных структур и включающий сапфировую подложку, на которой последовательно размещены буферный слой из нелегированного GaN, субколлекторный слой из сильнолегированного GaN n⁺-типа проводимости, коллектор из GaN n-типа проводимости, база, содержащая два слоя из твердого раствора In_xGa_1-xN р⁺ -типа проводимости, эмиттер, содержащий два слоя из Al_y Ga_1-yN n-типа проводимости, контактные слои, и омические контакты, при этом биполярный транзистор выполнен с изменяющимся составом твердых растворов Al_yGa_1-yN и In_xGa_1-xN слоев базы и эмиттера, а также изменяющейся концентрацией легирующих базу и эмиттер примесей, причем значение х в области, прилегающей к коллектору, соответствует величине 0,22 и изменяется вдоль первого слоя базы до величины 0,12 в области, прилегающей ко второму слою базы, значение х в области, прилегающей к первому слою базы, составляет 0,12 и изменяется вдоль второго слоя базы до величины х=0,00 в области, прилегающей к первому слою эмиттера, значение у в области, прилегающей ко второму слою базы, соответствует величине 0,22 и изменяется вдоль первого слоя эмиттера до величины 0,24 в области, прилегающей ко второму слоя эмиттера, значение y в области, прилегающей к первому слою эмиттера, составляет 0,24 и изменяется вдоль второго слоя эмиттера до величины y=0,25 в области, прилегающей к контактному слою, концентрация легирующей примеси в области базы, прилегающей к коллектору, составляет 0,7*10¹⁹ см^-3 и увеличивается вдоль слоев базы до 2,0*10¹⁹ см ^-3 в области, прилегающей к первому слою эмиттера, а концентрация легирующей примеси в области эмиттера, прилегающей к базе, составляет 5,0*10¹⁷ см^-3 и увеличивается вдоль слоев эмиттера до значения 8,0*10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к контактному слою.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано в усилителях, генераторах, переключателях, смесителях, а также в аналоговых СВЧ схемах, цифровых, а также в аналого-цифровых преобразователях, в области связи, радарах и др.

В последние годы интенсивно разрабатываются оптоэлектронные приборы, у которых активная область выполнена из гетероэпитаксиальных пленок широкозонных полупроводников, выполненных из нитридов металлов III группы периодической таблицы элементов Д.И.Менделеева - GaN, AlN (далее - нитриды металлов III группы) и твердых растворов на их основе (GaAlN, InGaN) [Pearton S.J. et al. GaN-based diodes and transistors for chemical, gas, biological and pressure sensing//Joumal of Physics: Condensed Matter, V.16 (29), pp.R961-R994, 2004].

Из уровня техники известен полупроводниковый прибор, содержащий подложку; первый контакт; первый слой легированного полупроводникового материала, осажденный на подложку; полупроводниковую область перехода, осажденную на первый слой; второй слой легированного полупроводникового материала, осажденный на область перехода. Причем этот второй слой обладает противоположным первому слою типом примесной проводимости; и второй контакт. При этом второй контакт находится в электрическом соединении со вторым слоем, а первый контакт встроен в полупроводниковый прибор между подложкой и областью перехода и находится в электрическом соединении с первым слоем. Известный полупроводниковый прибор выполнен на основе GaN и/или InGaN, и/или AlGaN (см. патент РФ № 2394305, опубл. 27.01.2010).

Недостатком известного устройства являются его недостаточно высокие технические характеристики, обусловленные низким значением эффективности эмиттера, коллектора и базы.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат заключается в повышении технических характеристик устройства, в частности уменьшении значения емкости эмиттера, сопротивлении базы, емкости коллектор-база, обеспечении повышения эффективности эмиттера и предельной частоты.

Технический результат обеспечивается тем, что биполярный транзистор, изготовленный на основе гетероэпитаксиальных структур, включает сапфировую подложку, на которой последовательно размещены буферный слой из нелегированного GaN, субколлекторный слой из сильнолегированного GaN n⁺-типа проводимости, коллектор из GaN n-типа проводимости, база, содержащая два слоя из твердого раствора In_xGa_1-xN р⁺-типа проводимости, эмиттер, содержащий два слоя из Al_yGa_1-y N n-типа проводимости, контактные слои, и омические контакты. При этом биполярный транзистор выполнен с изменяющимся составом твердых растворов AlyGa_1-yN и In_xGa _1-xN слоев базы и эмиттера, а также с изменяющейся концентрацией легирующих базу и эмиттер примесей. Причем значение х в области, прилегающей к коллектору, соответствует величине 0,22 и изменяется вдоль первого слоя базы до величины 0,12 в области, прилегающей ко второму слоя базы, значение х в области, прилегающей к первому слою базы, составляет 0,12 и изменяется вдоль второго слоя базы до величины х=0,00 в области, прилегающей к первому слою эмиттера. Значение у в области, прилегающей ко второму слою базы, соответствует величине 0,22 и изменяется вдоль первого слоя эмиттера до величины 0,24 в области, прилегающей ко второму слоя эмиттера, значение у в области, прилегающей к первому слою эмиттера, составляет 0,24 и изменяется вдоль второго слоя эмиттера до величины y=0,25 в области, прилегающей к контактному слою. Концентрация легирующей примеси в области базы, прилегающей к коллектору, составляет 0,7*10¹⁹ см^-3 и увеличивается вдоль слоев базы до 2,0*10¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к первому слою эмиттера, а концентрация легирующей примеси в области эмиттера, прилегающей к базе, составляет 5,0*10¹⁷ см^-3 и увеличивается вдоль слоев эмиттера до значения 8,0*10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к контактному слою.

Сущность настоящего изобретения поясняется иллюстрацией, на которой отображено настоящее устройство.

Устройство имеет следующие конструктивные элементы:

1 - подложка из сапфира;

2 - буферный слой из нелегированного GaN;

3 - субколлекторный слой из GaN;

4 - коллектор из GaN;

5 - первый слой базы In_xGa_1-xN;

6 - второй слой базы из In_xGa_1-xN;

7 - 1-й слой эмиттера из Al_yGa_1-yN;

8 - 2-й слой эмиттера Al_yGa_1-y N;

9 - первый контактный слой;

10 - второй контактный слой;

11 - третий контактный слой;

12 - четвертый контактный слой;

13 - омические контакты;

14 - омические контакты;

15 - омические контакты.

Настоящее устройство включает подложку из сапфира толщиной 450 мкм, буферный слой 2 из нелегированного GaN толщиной 200 нм, субколлекторный слой 3 из сильнолегированного GaN n⁺-типа проводимости толщиной 600 нм, высокоомный коллектор 4 из GaN n-типа проводимости, толщиной 700 нм; 1-й слой тонкой базы 5 из твердого раствора In_xGa_1-xN р⁺-типа проводимости, толщиной 50 нм, легирован Mg; 2-й слой базы 6 из твердого раствора In_xGa_1-xN р⁺-типа проводимости, толщиной 10 нм; первый слой широкозонного эмиттера 7 из Al _yGa_1-yN n-типа проводимости, толщиной 15 нм, легирован Si; второй слой эмиттера 8 из Al_yGa _1-yN n-типа проводимости, толщиной 60 нм, легирован Si; контактные слои 9-12; 13 - омический контакт к коллектору, 14 - омический контакт к базе и 15 - омический контакт к эмиттеру.

Настоящее устройство осуществляют следующим образом.

На подложке из сапфира 1 толщиной 450 мкм, методом, например, газовой эпитаксии из металлоорганических соединений - МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ), в стандартном режиме наращивают буферный слой 2 из нелегированного GaN, толщиной 200 нм, поверх буферного слоя наращивают субколлекторный слой 3 из сильнолегированного GaN n⁺-типа проводимости, толщиной 600 нм, концентрацией легирующей примеси 3*10¹⁸ см^-3, легированный Si. Далее наращивают высокоомный коллектор 4 из GaN n⁺ -типа проводимости, толщиной 700 нм, концентрацией легирующей примеси 2*10¹⁶ cм^-3, легированный Si. Поверх высокоомного коллектора 4 методом газовой эпитаксии из металлоорганических соединений - МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ) при температуре 1100°С и давлении не менее 100 мм рт.ст. наращивают базу, включающую два слоя 5 и 6.

Первый слой тонкой базы 5 выполнен из In_xGa_1-xN p⁺ -типа проводимости. Значение х вдоль первого слоя 5 базы (от коллектора до второго слоя базы 6) изменяется от х=0,22 до значения х=0,12. Первый слой базы выполнен толщиной 60 нм. Концентрация легирующей примеси изменяется вдоль первого слоя базы 5 от 0,7*10 ¹⁹ см^-3 до 1,5*10¹⁹ см^-3 . Первый слой базы 5 выполнен легированным Mg. Второй слой тонкой базы 6 выполнен из In_xGa_1-xN p⁺ -типа проводимости. Значением х вдоль второго слоя базы 6 изменяется (от первого слоя базы 5 и до первого слоя эмиттера 7) от х=0,12 до значения х=0,00, толщиной 10 нм. Концентрация легирующей примеси изменяется от 1,5*10¹⁹ см^-3 до 2*10 ¹⁹ см^-3. Второй слой базы 6 легирован Mg. При таком выполнении в области базы 5, 6 возникает удвоенное ускоряющее дрейфовое поле для носителей за счет изменения состава твердого раствора и концентрации легирующей примеси в базе. Это происходит из-за градиента ширины запрещенной зоны и градиента концентрации легирующих примесей вдоль базы.

Затем методом газовой эпитаксии из металлоорганических соединений - МОС-гидридной эпитаксии (МОСГЭ), при температуре 1000°С и давлении не менее 70 мм рт.ст., последовательно наращивают первый слой широкозонного эмиттера 7, n-типа проводимости, состава Al_yGa _1-yN. Значение у вдоль первого слоя эмиттера 7 изменяется от 0,22 до 0,24 (от базы ко второму слою эмиттера 8). Концентрация примеси изменяется от 5,0*10¹⁷ см^-3 до 7,0*10¹⁷ см^-3. Первый слой эмиттера 7 легирован Si и имеет толщину 45 нм. Затем наращивают второй слой эмиттера 8 n-типа проводимости из Al_yGa_1-yN. Значение н вдоль второго слоя эмиттера 8 изменяется от 0,24 до значения 0,25 (от первого слоя эмиттера 7 до контактного слоя 9). Второй слой 8 имеет толщину 15 нм и выполнен с концентрацией легирующей примеси от 7,0*10¹⁷ cм^-3 до 8,0*10 ¹⁷ cм^-3. Второй слой эмиттера легирован Si. При таком конструктивном выполнении в области эмиттера 7, 8 также возникает удвоенное ускоряющее дрейфовое поле для носителей за счет изменения состава твердого раствора и легирующих примесей в эмиттере. Это происходит из за градиента ширины запрещенной зоны и градиента концентрации легирующих примесей вдоль слоев эмиттера 7,8. Таким образом, в ГБТ существенно сокращается время пролета носителей, повышается предельная частота и эффективность эмиттера.

Поверх эмиттера размещают контактные слои 9-12. Контактный слой 9 выполнен из Al_yGa _1-yN n⁺-типа проводимости. Значение у вдоль слоя меняется от 0,25 до 0,05. Контактный слой 9 выполнен толщиной 30 нм и с концентрацией легирующей примеси 4*10 см^-3 . Слой легирован Si. Контактный слой 10 выполнен из GaN n ⁺-типа проводимости толщиной 20 нм и с концентрацией легирующей примеси 4*10 см^-3. Контактный слой 10 легирован Si. Контактный слой 11 выполнен из In_xGa_1-x N n⁺-типа проводимости. Значение х изменяется вдоль слоя от 0,05 до 0,5. Контактный слой 10 выполнен толщиной 50 нм и с концентрацией легирующей примеси 1*10¹⁹ см ^-3. Контактный слой 11 легирован Si. Контактный слой 12 выполнен из In_xGa_1-xN n⁺-типа проводимости. Значение х равно 0,5, толщина составляет 20 нм, концентрация легирующей примеси около 1*10¹⁹ см ^-3. Контактный слой 12 легирован Si. Контактные слои 9-12 наращивают для уменьшения переходного сопротивления омического контакта эмиттера.

Омические контакты 13, 15 к эмиттеру и к коллектору выполняют металлизацией из Ti/Al. При отжиге напиленной системы металлизации происходит взаимодействие Ti с N. В результате образуется TiN, формирующий основу контакта, Al служит диффузионным барьером и стабилизирует контакт. Омический контакт к базе 14 формируют напылением и последующим вжиганием Ni.

Технологический процесс создания низкоомных омических контактов чрезвычайно чувствителен к режимам (температуре и времени) вжигания металлизации омического контакта и толщинам слоев металлизации.

Кристалл транзистора, полученный после утонения, полировки и алмазного скрайбирования пластины, монтируют в корпус.

Разработанная конструкция ГБТ позволила реализовать:

- повышенное значение предельной частоты, повышенную рабочую температуру при рабочих напряжениях 30-50 В, высокую эффективность эмиттера;

- низкое значение сопротивления базы, существенно низкое значение емкости эмиттера, а также низкое значение емкости коллектор-база достигнутое за счет радиационной компенсации проводимости пассивной области базы.