一種Si基GaN Bi-HEMT芯片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及半導(dǎo)體芯片的制造領(lǐng)域，尤其是指一種Si基GaNB1-HEMT芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體芯片的實用新型是二十世紀的一項創(chuàng)舉，使人類相繼進入了電子工業(yè)時代和信息化時代。綜合利用多種半導(dǎo)體材料和器件功能制備而成的微波集成電路是當前發(fā)展各種高科技武器的重要支柱，廣泛用于各種先進的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、電子戰(zhàn)、通信系統(tǒng)、陸海空基的各種先進的相控陣雷達(特別是機載和星載雷達)；在民用商業(yè)的移動電話、無線通信、個人衛(wèi)星通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、直播衛(wèi)星接收和毫米波自動防撞系統(tǒng)等方面已形成正在飛速發(fā)展的巨大市場。
[0003]與第一代半導(dǎo)體材料Si及第二代半導(dǎo)體材料GaAs、InP相比，GaN具有更大的禁帶寬度、更高的電子飽和漂移速度、更高的擊穿電壓和較高的熱導(dǎo)率等特點。GaN基微電子材料和器件的研究和開發(fā)已成為世界各國競相占領(lǐng)的高科技制高點，是半導(dǎo)體科學(xué)、材料科學(xué)、高溫電子學(xué)、超過兆瓦的固態(tài)功率電子學(xué)、高功率密度射頻電子學(xué)的前沿研究領(lǐng)域。
[0004]GaN基合金AlGaN、InGaN、InAlGaN可與GaN構(gòu)成非常有用的異質(zhì)結(jié)，六方釬鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN基材料具有自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，利用這些效應(yīng)可以獲得很高的載流子濃度和迀移率。這些特性決定了 GaN基材料非常適合于制作高溫、高頻、大功率微波集成電路。開展GaN功率器件、MMIC電路和模塊的研究，重點解決器件和電路的可靠性，研制出系列高頻大功率GaN器件和電路和組件是信息時代發(fā)展的迫切需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點，提供一種Si基GaNB1-HEMT芯片，能有效降低芯片電阻，增加低功率模式下附加功率效率，有利于提高線性度，并采用SiC作為緩沖層，可以避免GaN外延層與Si襯底晶格失配帶來的缺陷，提高芯片可靠性，同時，縮小了芯片體積，有利于減少了電路面積。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所提供的技術(shù)方案為:一種Si基GaNB1-HEMT芯片，由上下疊置的GaN HBT芯片和GaN HEMT芯片構(gòu)成，所述GaN HEMT芯片包括有Si襯底、SiC外延層、AlN緩沖層、GaN緩沖層、GaN HEMT溝道層、AlGaN HEMT勢皇層、GaN HEMT接觸層、GaNHEMT源電極、GaN HEMT柵電極、GaN HEMT漏電極，所述GaN HBT芯片包括有GaN HBT下集電極層、GaN HBT集電極層、GaN HBT基極層、GaN HBT發(fā)射極層、GaN HBT下集電極層電極、GaNHBT基極層電極、GaN HBT發(fā)射極層電極;其中，所述Si襯底、SiC外延層、AlN緩沖層、GaN緩沖層、GaN HEMT溝道層、AlGaN HEMT勢皇層、GaN HEMT接觸層、GaN HBT下集電極層、GaN HBT集電極層、GaN HBT基極層、GaN HBT發(fā)射極層從下至上依次層疊設(shè)置，所述GaN HEMT源電極、GaN HEMT漏電極分別制備在GaN HEMT接觸層上面，而該GaN HEMT接觸層上面的外延層將通過刻蝕去除，所述GaN HEMT柵電極制備在GaN HEMT接觸層或GaN HEMT溝道層上面，而該GaNHEMT接觸層或GaN HEMT溝道層上面的外延層將通過刻蝕去除，所述GaN HBT下集電極層電極制備在GaN HBT下集電極層的上面，而該GaN HBT下集電極層上面的外延層將通過刻蝕去除，所述GaN HBT基極層電極制備在GaN HBT基極層的上面，而該GaN HBT基極層上面的外延層將通過刻蝕去除，所述GaN HBT發(fā)射極層電極制備在GaN HBT發(fā)射極層的上面;所述GaNHEMT芯片通過刻蝕或高能粒子注入方式在其上形成有隔離帶，且隔離深度需超過GaN緩沖層，所述隔離帶將GaN HEMT芯片區(qū)分為隔離的第一部分和第二部分，所述GaN HEMT源電極、GaN HEMT柵電極、GaN HEMT漏電極制備于第一部分，而所述GaN HBT芯片則是制備于第二部分上面。
[0007]所述Si襯底、SiC外延層、AlN緩沖層、GaN緩沖層為高電阻率層。
[0008]本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果:
[0009]將GaN HEMT和GaN HBT芯片集成在一個襯底上，可以有效減少半導(dǎo)體芯片和電路尺寸，有利于降低芯片制備成本，起到降低電阻和提高低功率模式下附加功率效率和線性度的作用。同時，在Si襯底上外延SiC材料，然后再SiC上外延GaN材料，可以避免Si與GaN晶格失配所帶來的缺陷和位錯對性能芯片的影響。
【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型所述Si基GaNB1-HEMT芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2為本實用新型所述Si基GaNB1-HEMT芯片的外延結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合具體實施例對本實用新型作進一步說明。
[0013]如圖1和圖2所示，本實施例所述的Si基GaN B1-HEMT芯片，由上下疊置的GaN HBT芯片和GaN HEMT芯片構(gòu)成，所述GaN HEMT芯片包括有Si襯底1、SiC外延層2、AlN緩沖層3、GaN緩沖層4、GaN HEMT溝道層5、AlGaN HEMT勢皇層6、GaN HEMT接觸層7、GaN HEMT源電極8、GaN HEMT柵電極9、GaN HEMT漏電極10，所述GaN HBT芯片包括有GaN HBT下集電極層11、GaNHBT集電極層12、GaN HBT基極層13、GaN HBT發(fā)射極層14、GaN HBT下集電極層電極15、GaNHBT基極層電極16、GaN HBT發(fā)射極層電極17;其中，所述Si襯底l、SiC外延層2、A1N緩沖層3、GaN緩沖層4、GaN HEMT溝道層5、AlGaN HEMT勢皇層6、GaN HEMT接觸層7、GaN HBT下集電極層ll、GaN HBT集電極層12、GaN HBT基極層13、GaN HBT發(fā)射極層14從下至上依次層疊設(shè)置，所述GaN HEMT源電極8、GaN HEMT漏電極10分別制備在GaN HEMT接觸層7上面，而該GaNHEMT接觸層7上面的外延層將通過刻蝕去除，所述GaN HEMT柵電極9可選擇性制備在GaNHEMT接觸層7或GaN HEMT溝道層5上面，而該GaN HEMT接觸層7或GaN HEMT溝道層5上面的外延層將通過刻蝕去除，而在本實施例中，該GaN HEMT柵電極9具體是選擇制備在GaN HEMT接觸層7上面，所述GaN HBT下集電極層電極15制備在GaN HBT下集電極層11的上面，而該GaNHBT下集電極層11上面的外延層將通過刻蝕去除，所述GaN HBT基極層電極16制備在GaNHBT基極層13的上面，而該GaN HBT基極層13上面的外延層將通過刻蝕去除，所述GaN HBT發(fā)射極層電極17制備在GaN HBT發(fā)射極層14的上面;所述GaN HEMT芯片通過刻蝕或高能粒子注入方式在其上形成有隔離帶18，且隔離深度需超過GaN緩沖層4，所述隔離帶18將GaNHEMT芯片區(qū)分為隔離的第一部分和第二部分，所述GaN HEMT源電極8、GaN HEMT柵電極9、GaN HEMT漏電極10制備于第一部分，而所述GaN HBT芯片則是制備于第二部分上面。
[0014]此外，本實施例所述的Si襯底l、SiC外延層2、A1N緩沖層3、GaN緩沖層4均為高電阻率層；所述GaN HEMT源電極8、GaN HEMT柵電極9、GaN HEMT漏電極10、GaN HBT下集電極層IUGaN HBT集電極層12、GaN HBT基極層13、GaN HBT發(fā)射極層14、GaN HBT下集電極層電極15,GaN HBT基極層電極16、GaN HBT發(fā)射極層電極17所采用的金屬材料為Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ni/Au的一種;所述AlN緩沖層3、GaN緩沖層4、GaN HEMT溝道層5、AlGaN HEMT勢皇層6、GaN HEMT接觸層7、GaN HBT下集電極層11、GaN HBT集電極層12、GaN HBT基極層13、GaNHBT發(fā)射極層14為GaN、AlN、InN以及它們的三元、四元合金組成的薄膜材料。
[0015]以下為本實施例上述Si基GaNB1-HEMT芯片的具體制備過程，包括以下步驟:
[0016]I)采用區(qū)熔(FZ)法，將底部帶有籽晶的高純度多晶棒密封于充滿惰性氣體的石英管中，并于垂直方向固定，利用射頻(RF)加熱器小區(qū)域加熱多晶棒至熔融狀態(tài)(大于1412°C)，射頻加熱器自底部籽晶逐漸向上移動，掃過整個多晶棒，形成高電阻率Si晶棒，切割形成所需的高電阻率Si襯底I ；當然也可采用S0I(Silicon-0n-1nsulator，絕緣襯底上的娃)或通過直拉(CZ)法制備。
[0017]2)在制得的Si襯底I上依次制備高電阻率的SiC外延層2、A1N緩沖層3、GaN緩沖層4。
[0018]所述SiC外延層2采用CVD方法制備，反應(yīng)溫度為1550-1750°c，壓力為50_200mbar，反應(yīng)源為SiH4 50-300sccm、C3H8 30_100sccm，并通過HCl 60_280sccm進行刻蝕，通過控制生長條件制備本征SiC外延層，或者引入釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)元素摻雜提高電阻率;所述AlN緩沖層3、GaN緩沖層4采用MOCVD方法制備，反應(yīng)溫度為1000-1300°C，壓力為50-300mbar，反應(yīng)源為TMGa 20_100sccm、TMAl 20_100sccm和NH3