一種Si基GaN Bi-HEMT芯片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體芯片的制造領(lǐng)域，尤其是指一種Si基GaN B1-HEMT芯片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體芯片的發(fā)明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(dāng)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]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺點，提供一種Si基GaN B1-HEMT芯片及其制備方法，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，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案其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、SiC外延層、A1N緩沖層、GaN緩沖層、GaN HEMT溝道層、AlGaN HEMT勢皇層、GaN HEMT接觸層、GaN HEMT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、A1N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、GaNHBT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GaN HEMT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，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、A1N緩沖層、GaN緩沖層為高電阻率層。
[0008]所述GaN HEMT源電極、GaN HEMT柵電極、GaN HEMT漏電極、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、GaN HBT基極層電極、GaN HBT發(fā)射極層電極所采用的金屬材料為Ti/Al/Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au、Ni/Au的一種。
[0009]所述A1N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)射極層為GaN、AIN、InN以及它們的三元、四元合金組成的薄膜材料。
[0010]本發(fā)明所述的Si基GaN B1-HEMT芯片的制備方法，包括以下步驟:
[0011]1)選用所需的Si襯底，該Si襯底為高電阻率襯底；
[0012]2)在所述Si襯底上依次制備高電阻率的SiC外延層、A1N緩沖層、GaN緩沖層；
[0013]3)在所述GaN緩沖層上依次生長GaN HEMT溝道層、AlGaN HEMT勢皇層、GaN HEMT接觸層，以完成GaN HEMT芯片的外延層生長；
[0014]4)在所述GaN HEMT芯片的外延層上依次生長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，以完成GaN HBT芯片的外延層生長；
[0015]5)采用刻蝕方法，去除部分區(qū)域的GaN HBT芯片的外延層，在GaN HEMT接觸層上制備GaN HEMT源電極、GaN HEMT漏電極，及在GaN HEMT接觸層或GaN HEMT溝道層上制備GaN HEMT柵電極；完成GaN HEMT芯片的制備；
[0016]6)刻蝕至GaN HBT下集電極層，在其上制備GaN HBT下集電極層電極；刻蝕至GaNHBT基極層，在其上制備GaN HBT基極層電極；在GaN HBT發(fā)射極層上制備GaN HBT發(fā)射極層電極；完成GaN HBT芯片的制備；
[0017]7)采用刻蝕或高能粒子注入方式在GaN HEMT芯片上制備隔離帶，以將GaN HEMT芯片和GaN HBT芯片隔離開；至此，便完成所需的Si基GaN B1-HEMT芯片的制備。
[0018]在步驟1)中，通過區(qū)熔法或直拉法生長高阻率Si單晶，然后再切割成所需的Si襯底；所述Si襯底也能夠采用SOI絕緣襯底上的硅。
[0019]在步驟2)中，所述SiC外延層采用CVD或磁控濺射方法制備，通過控制生長條件制備本征SiC外延層，或者引入銀、絡(luò)、猛、鐵元素摻雜提高電阻率；所述A1N緩沖層、GaN緩沖層采用M0CVD或MBE方法制備，通過控制生長條件制備本征A1N緩沖層和GaN外延層，或者引入1凡、絡(luò)、猛、鐵兀素慘雜提尚電阻率。
[0020]在步驟5)、6)、7)中，所述刻蝕方法為干法ICP刻蝕；刻蝕氣體選擇為氟氣、氯氣，或氟基、氯基氣體化合物。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果:
[0022]通過外延和刻蝕工藝，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】
[0023]圖1為本發(fā)明所述Si基GaN B1-HEMT芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明所述Si基GaN B1-HEMT芯片的外延結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0026]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GaNHBT芯片和GaN HEMT芯片構(gòu)成，所述GaN HEMT芯片包括有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、GaNHEMT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、GaN HBT集電極層12、GaN HB