БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР СВЧ Российский патент 2014 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники, а именно к конструкции биполярных транзисторов, которые могут быть использованы при создании СВЧ элементной базы, и способам их изготовления.

Основными требованиями, предъявляемыми к СВЧ полупроводниковой электронике в настоящее время и в ближайшем будущем, являются увеличение уровня излучаемой СВЧ-мощности и увеличение функциональных возможностей при уменьшении габаритов и снижении потребляемой мощности.

Из уровня техники известен биполярный транзистор, который содержит эмиттер, базу, состоящую из сильнолегированной и слаболегированной областей, и коллектор, состоящий из сильно- и слаболегированной областей (см. патент Великобритании №1523012, опубл. 31.08.1978).

Недостатком известного устройства является недостаточно высокая мощность и отсутствие отвода тепла от активной области транзистора.

Кроме того, известно полупроводниковое устройство, содержащее по крайней мере три области полупроводника чередующегося типа проводимости, образующие два р-n-перехода. При этом первая область полупроводника выполнена из двух зон различной концентрации, образующих L-H-переход. Причем зона, прилегающая к р-n-переходу, имеет меньшую концентрацию примеси, чем вторая, и разность концентраций обеспечивает встроенное поле в первой области, уравновешивающее диффузионный ток неосновных носителей тока, инжектируемых в нее из первого р-n-перехода, а толщина первой области меньше диффузионной длины неосновных носителей в ней (см. А.с. СССР №640686, опубл. 30.12.1978).

Недостатком такого устройства является также недостаточно высокая мощность транзистора.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеуказанных недостатков.

Технический результат изобретения заключается в повышении выходной СВЧ-мощности, уменьшении значений емкости эмиттера, сопротивления базы, емкости коллектор-база, граничных состояний гетеропереходов и в повышении значений эффективности эмиттера, предельной частоты, а также в обеспечении эффективного отвода тепла от активной области транзистора.

Технический результат обеспечивается тем, что биполярный транзистор СВЧ на основе гетероэпитаксиальных структур включает последовательно размещенные на подложке из монокристаллического кремния р-типа проводимости буферный слой из A1N, слой из поликристаллического алмаза, имеющий толщину, по меньшей мере, равную 0,1 мкм, нелегированный буферный слой из GaN, субколлекторный слой из GaN n+типа проводимости, коллектор из GaN n-типа проводимости, базу из твердого раствора Al_уGa_1-уN, промежуточный слой из Al_yGa_1-уN p+типа проводимости, эмиттер, включающий Al_xGa_1-xN n-типа проводимости, контактные слои, омические контакты и слои изолирующего диэлектрического покрытия из поликристаллического алмаза. Кроме того, составы слоев из Al_xGa_1-xN и Al_yGa_1-yN выполнены различающимися и с неодинаковой концентрацией легирующей примеси. При этом плавное изменение состава твердого раствора Al_yGa_1-yN вдоль базы и промежуточного слоя реализовано при значении у от 0,00 в области, прилегающей к коллектору, до значения у равное 0,12 в области, прилегающей к эмиттеру. Плавное изменение концентрации легирующей примеси вдоль базы и промежуточного слоя реализовано от значения 0,7·10¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к области коллектора, до значения 2·10¹⁹cм^-3 в области, прилегающей к области эмиттера. Изменение состава твердого раствора Al_xGa_1-xN вдоль эмиттера, реализовано при значении х от 0,22 в области, прилегающей к области промежуточного слоя, до значения х равное 0,25 в области, прилегающей к области первого контактного слоя. Плавное изменение концентрации примеси вдоль эмиттера реализовано от значения 5·10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к промежуточному слою, до значения 8·10 см^-3 в области, прилегающей к области первого контактного слоя.

Биполярный транзистор может содержать три слоя изолирующего диэлектрического покрытия из поликристаллического алмаза, размещенные между эмиттером базой и коллектором.

Сущность настоящего изобретения поясняется чертежом, где отображено устройство биполярного транзистора СВЧ и обозначены следующие конструктивные элементы:

1 - фланец марки МД-40;

2 - слой припоя состава AuSn;

3 - пьедестал из теплопроводящего поликристаллического алмаза;

4 - подслой из AuSn;

5 - подложка из монокристаллического кремния р-типа проводимости;

6 - буферный слой из A1N;

7 - слой CVD поликристаллического алмаза;

8 - нелегированный буферный слой GaN;

9 - субколлекторный слой;

10 - высокоомный коллектор;

11 - база;

12 - промежуточный слой;

13 - первый слой широкозонного эмиттера;

14 - второй слой эмиттера;

15 - контактный слой;

16 - контактный слой;

17 - контактный слой;

18 - контактный слой;

19 - омический контакт к коллектору;

20 - омический контакт к базе;

21 - омический контакт к эмиттеру;

22 - слой изолирующего диэлектрического покрытия из поликристаллического алмаза.

Настоящее устройство производят следующим образом.

На фланце марки МД-40 1 толщиной 1600 мкм размещают слой припоя из AuSn 2, толщиной 25 мкм, на который запаивают пьедестал из теплопроводящего поликристаллического алмаза 3 толщиной 0,15 мм. Поверх пьедестала 3 размещают подслой AuSn 4 толщиной ~25 мкм, который в дальнейшем служит основой для укрепления кристалла транзистора к пьедесталу 3. В качестве базовой подложки 5 используют монокристаллический кремний р-типа проводимости, ориентированный по плоскости (111). На поверхности базовой подложки 5 с нанесенным на нее буферным слоем из A1N 6, толщиной 0,1 мкм, размещают теплопроводящий слой CVD поликристаллического алмаза 7 толщиной 0,1 мм. После этого базовую подложку 5 из кремния утоняют широко известными методами мокрого и сухого травления до толщины 10 мкм. Далее последовательно размещают многослойные гетероэпитаксиальные слои: буферный слой из нелегированного GaN 8, толщиной 200 нм, поверх буферного слоя наращивают субколлекторный слой 9 из GaN n+типа проводимости и толщиной 600 нм, легированный Si (для снижения сопротивления омического контакта коллектора), высокоомный коллектор 10 из GaN толщиной 700 нм, легированный Si (для снижения коллекторной емкости и исключения прокола базовой области). Поверх высокоомного коллектора 10 последовательно размещают слой тонкой базы 11 из Al_yGa_1-уN. Значение у в твердом растворе вдоль базы 11 изменяется: в области, прилегающей к коллектору 10, составляет 0,00 и увеличивается до 0,09 в области, прилегающей к области промежуточного слоя 12. Толщина базы составляет 80 нм. Промежуточный слой 12 выполняют из твердого раствора Al_yGa_1-yN р+типа проводимости. Значение у изменяется вдоль промежуточного слоя 12: в области, прилегающей к базе 11, соответствует величине 0,09, далее плавно увеличивается и достигает величины 0,12 в области, прилегающей к области эмиттера 13. Содержание легирующей примеси (например, магния) в области изменяется: в области базы 11, прилегающей к коллектору 10, составляет 0,7·10¹⁹ см^-3 и плавно увеличивается до 2,0·10¹⁹cм^-3 в области, прилегающей к области эмиттера 13 (первый слой эмиттера).

Далее размещают слои эмиттера 13 и 14, при этом первый слой выполнен из Al_xGa_1-xN n-типа проводимости. Значение х вдоль первого слоя 13 изменяется от 0,22 в области, прилегающей к промежуточному слою 12, до 0,24 в области, прилегающей ко второму слою эмиттера 14. Слой 13 выполняют толщиной 80 нм. Концентрация примеси изменяется от 5·10¹⁷ cм^-3 в области, прилегающей к промежуточному слою 12, до 7·10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей ко второму слою эмиттера 14. Слой 13 легирован Si. Второй слой эмиттера 14 выполняют из Al_xGa_1-xN n-типа проводимости. Значение х вдоль второго слоя эмиттера 14 изменяется, а именно в области, прилегающей к первому слою эмиттера 13, составляет 0,24, и изменяется плавно до величины 0,25 в области, прилегающей к первому контактному слою 15. Концентрация примеси изменяется от 7·10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к первому слою эмиттера 13, до величины 8·10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к первому контактному слою 15. Слой 14 легирован Si.

При таком выполнении в области эмиттера 13, 14 также, как в области базы 11 и в области промежуточного слоя 12, возникают удвоенные ускоряющие дрейфовые поля для носителей. Это обусловлено изменением составов твердых растворов Al_xGa_1-xN, Al_yGa_1-yN и легирующих примесей. Далее осуществляют травление эмиттерной мезы, формирование контакта к базе 11, травление базовой мезы, изоляцию коллектора 10, осаждение коллекторной металлизации, формирование контактных слоев 15-18, осаждение первого слоя изолирующего поликристаллического алмаза 22, осаждение тонкослойного резистора, формирование контактных окон в изолирующем поликристаллическом алмазе, формирование разводки первого уровня, осаждение второго слоя изолирующего поликристаллического алмаза, травление окон в слое изолирующего поликристаллического алмаза и формирование второго уровня разводки, осаждение третьего слоя изолирующего поликристаллического алмаза и травление окон под контактные площадки, шлифовку и травление сквозных отверстий с обратной стороны, осаждение гальванического золото на обратную сторону.

Контактный слой 15 выполняют из Al_xGa_1-xN n-типа проводимости. Значение х вдоль первого контактного слоя 15 в области, прилегающей ко второму слою эмиттера 14, составляет 0,25 и изменяется плавно до величины 0,05 в области, прилегающей ко второму контактному слою 16. Поверх первого контактного слоя 15 последовательно размещают контактный слой 16 GaN n+типа проводимости, контактный слой 17 из In_yGa_1-уN. Значение у уменьшается от 0,05 (в области, прилегающей к слою 15) до 0,5 (в области, прилегающей к слою 18). Контактный слой 18 выполняют из In_уGa_1-yN при у=0,5.

Контактные слои 15-18 наращивают для уменьшения переходного сопротивления омического контакта эмиттера 13, 14. Омические контакты (19, 21) к коллектору и эмиттеру выполняются металлизацией из Ti/Al. Это наиболее распространенная система металлизации, на основе которой создаются омические контакты. При отжиге напыленной системы металлизации происходит взаимодействие Ti с N. В результате образуется TiN, формирующий основу контакта, А1 служит диффузионным барьером и стабилизирует контакт. Омический контакт к базе 20 осуществляют напылением и последующим вжиганием Ni. Слои 22 изолирующего поликристаллического алмаза с соответствующими металлизацией омических контактов размещают на поверхности кристалла транзистора, между эмиттером, базой и коллектором.

Корпус транзистора представляет собой негерметичную металлокерамическую конструкцию. Основание изготовлено из МД-40 (для обеспечения, во-первых, наилучшего отвода тепла от кристалла транзистора, во-вторых, согласования ТКР металла и поликоровых плат) и покрыто золотом. В корпусе установлены поликоровые платы, между которыми расположены кристаллы ГБТ. Соединение контактных площадок кристалла с металлизацией плат осуществляется золотой проволокой методом термокомпрессии или ультразвука.

В настоящем устройстве существенно сокращается время пролета носителей, повышаются предельная частота, теплоотвод от активной области транзистора и эффективность эмиттера, уменьшается сопротивления базы и емкость эмиттера.

Изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники. Биполярный транзистор СВЧ на основе гетероэпитаксиальных структур включает последовательно размещенные на подложке из монокристаллического кремния р-типа проводимости буферный слой из A1N, слой из поликристаллического алмаза, имеющий толщину, по меньшей мере, равную 0,1 мкм, нелегированный буферный слой из GaN, субколлекторный слой из GaN n+типа проводимости, коллектор из GaN n-типа проводимости, базу из твердого раствора Al_уGa_1-уN, промежуточный слой из Al_уGa_1-уN р+типа проводимости, эмиттер, включающий Al_xGa_1-xN n-типа проводимости, контактные слои, омические контакты и слои изолирующего диэлектрического покрытия из поликристаллического алмаза. Кроме того, составы слоев из Al_xGa_1-xN и Al_уGa_1-уN выполнены различающимися и с неодинаковой концентрацией легирующей примеси. Изобретение позволяет повысить выходную СВЧ-мощность, уменьшить значения емкости эмиттера, сопротивления базы, емкости коллектор-база, граничных состояний гетеропереходов и обеспечивает повышенные значения эффективности эмиттера, предельной частоты, а также обеспечивает эффективный отвод тепла от активной области транзистора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Биполярный транзистор СВЧ на основе гетероэпитаксиальных структур, включающий последовательно размещенные на подложке из монокристаллического кремния р-типа проводимости буферный слой из AlN, слой из поликристаллического алмаза, имеющей толщину, по меньшей мере, равную 0,1 мкм, нелегированный буферный слой из GaN, субколлекторный слой из GaN n+типа проводимости, коллектор из GaN n-типа проводимости, базу из твердого раствора Al_yGa_1-yN, промежуточный слой из Al_yGa_1-yN р+типа проводимости, эмиттер, включающий Al_xGa_1-xN n-типа проводимости, контактные слои, омические контакты и слои изолирующего диэлектрического покрытия из поликристаллического алмаза, кроме того, составы слоев из Al_xGa_1-xN и Al_yGa_1-yN выполнены различающимися и с неодинаковой концентрацией легирующей примеси, при этом плавное изменение состава твердого раствора Al_yGa_1-yN вдоль базы и промежуточного слоя реализовано при значении y от 0,00 в области, прилегающей к коллектору, до значения y равное 0,12 в области, прилегающей к эмиттеру, а плавное изменение концентрации легирующей примеси вдоль базы и промежуточного слоя реализовано от значения 0,7·10¹⁹ см^-3 в области, прилегающей к области коллектора, до значения 2·10¹⁹ cм^-3 в области, прилегающей к области эмиттера, изменение состава твердого раствора Al_хGa_1-xN вдоль эмиттера реализовано при значении х от 0,22 в области, прилегающей к области промежуточного слоя, до значения х равное 0,25 в области, прилегающей к области первого контактного слоя, а плавное изменение концентрации примеси вдоль эмиттера реализовано от значения 5·10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к промежуточному слою, до значения 8·10¹⁷ см^-3 в области, прилегающей к области первого контактного слоя.

2. Биполярный транзистор по п.1, характеризующийся тем, что он содержит три слоя изолирующего диэлектрического покрытия из поликристаллического алмаза, размещенные между эмиттером базой и коллектором.