БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР
BIPOLAR TRANSISTOR

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.
+
+
19
-3
19
-3
17
-3
17
-3
x
1-x
y
1-y
1-y
x
1-x
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 InGaN р-типа проводимости, эмиттер, содержащий два слоя из AlGaN n-типа проводимости, контактные слои, и омические контакты. При этом биполярный транзистор выполнен с изменяющимся составом твердых растворов AlyGaN и InGaN 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*10 см и увеличивается вдоль слоев базы до 2,0*10см в области, прилегающей к первому слою эмиттера, а концентрация легирующей примеси в области эмиттера, прилегающей к базе, составляет 5,0*10 см и увеличивается вдоль слоев эмиттера до значения 8,0*10 см 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;
x
1-x
5 - первый слой базы InGaN;
x
1-x
6 - второй слой базы из InGaN;
y
1-y
7 - 1-й слой эмиттера из AlGaN;
y
1-y
8 - 2-й слой эмиттера AlGaN;
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.
+
+
+
x
1-x
x
1-x
y
1-y
y
1-y
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 InGaN р-типа проводимости, толщиной 50 нм, легирован Mg; 2-й слой базы 6 из твердого раствора InGaN р-типа проводимости, толщиной 10 нм; первый слой широкозонного эмиттера 7 из AlGaN n-типа проводимости, толщиной 15 нм, легирован Si; второй слой эмиттера 8 из AlGaN 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.
+
18
-3
+
16
-3
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*10 см, легированный Si. Далее наращивают высокоомный коллектор 4 из GaN n-типа проводимости, толщиной 700 нм, концентрацией легирующей примеси 2*10 cм, 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.
x
1-x
x
1-x
+
19
-3
19
-3
+
19
-3
19
-3
Первый слой тонкой базы 5 выполнен из InGaN 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 см до 1,5*10 см. Первый слой базы 5 выполнен легированным Mg. Второй слой тонкой базы 6 выполнен из InGaN 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*10 см до 2*10 см. 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.
y
1-y
y
1-y
17
-3
17
-3
17
-3
17
-3
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 AlGaN. 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*10см до 7,0*10 см. Первый слой эмиттера 7 легирован Si и имеет толщину 45 нм. Затем наращивают второй слой эмиттера 8 n-типа проводимости из AlGaN. 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*10cм до 8,0*10cм. 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.
y
1-y
x
1-x
x
1-x
+
-3
+
-3
+
19
-3
+
19
-3
Поверх эмиттера размещают контактные слои 9-12. Контактный слой 9 выполнен из AlGaN 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. Слой легирован Si. Контактный слой 10 выполнен из GaN n-типа проводимости толщиной 20 нм и с концентрацией легирующей примеси 4*10 см. Контактный слой 10 легирован Si. Контактный слой 11 выполнен из InGaN 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*10 см. Контактный слой 11 легирован Si. Контактный слой 12 выполнен из InGaN n-типа проводимости. Значение х равно 0,5, толщина составляет 20 нм, концентрация легирующей примеси около 1*10 см. 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.