一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管及其制造方法

本发明涉及半导体器件，具体涉及一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管及其制造方法。

背景技术：

1、双极型晶体管（bjt）是目前半导体领域最重要的器件之一，在高速电路、模拟电路、功率放大等方面具有广泛的应用。其中，高压大功率双极晶体管是电池充电器，供能和光伏逆变器等应用的理想选择。bjt通常有两种构型，n-p-n和p-n-p型，pn结处会放大微弱的输入信号，厚且低掺杂的集电区将作为耐压层承担高的反向偏压。垂直型bjt相较于横向型bjt能够在更高的电压下工作，适应更高的电流密度，因此在功率开关等用途上表现出了巨大潜力。

2、在高压功率双极晶体管研究方面，以宽禁带材料sic为基础的器件已经得到了深入研究与广泛应用。同样，垂直结构的氮化镓（gan）异质结双极晶体管（hbt）因具有低光刻精度要求、常关态、高电流密度、强雪崩击穿能力和由导电调制效应导致的更低比导通电阻等优点，也被认为是现有的场效应晶体管功率开关的优先替代方案。但由于gan材料本身以及外延技术的限制，如外延生长更厚的高质量集电极，以及外延生长具有高载流子寿命和高空穴浓度的p型gan，gan双极型晶体管难以在截止状态下实现高的击穿电压，同时导通状态下的电流增益也由于p型gan中大量的少子复合难以提升。因此，寻找可以进行高质量厚膜外延以及具有高击穿场强的超宽禁带半导体材料，以及具有长少子寿命并可与其进行高质量异质集成的p型材料，具有实际的应用价值。

技术实现思路

1、本发明提出了一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管及其制造方法，以解决现有的双极型晶体管结构难以在截止状态下实现高的击穿电压且在导通状态下电流增益难以提升的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管，所述晶体管包括从下至上依次排列的ga2o3集电极、nio基极和ga2o3发射极；

3、所述nio基极上位于所述ga2o3发射极两侧均设置有基极电极；

4、所述ga2o3集电极与所述nio基极形成n-p结，所述nio基极与所述ga2o3发射极形成p-n结。

5、优选地，所述ga2o3集电极由ga2o3高导衬底和ga2o3外延层构成，所述ga2o3高导衬底的sn掺杂浓度为5×1018cm-3，所述ga2o3外延层的si掺杂浓度为1×1016cm-3。

6、优选地，所述ga2o3发射极采用掺杂浓度为5×1018cm-3的n型ga2o3。

7、优选地，所述ga2o3发射极设置于两个所述基极电极之间且间距为2μm；所述ga2o3发射极为直径6μm的圆形；两个所述基极电极为环宽3μm且外径16um的圆环。

8、优选地，所述nio基极的li掺杂浓度范围为5×1017cm-3至1×1019cm-3，厚度范围为70nm至200nm。

9、优选地，所述nio基极的li掺杂浓度为3×1018cm-3，厚度为100nm。

10、优选地，所述nio基极直径为20μm。

11、本发明还提供了一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管的制造方法，包括以下步骤：

12、步骤s1：在ga2o3高导衬底下方沉积金属，形成集电极电极；

13、步骤s2：在ga2o3外延层上异质外延nio层，形成nio基极；

14、步骤s3：在所述nio基极上部分外延ga2o3层，形成ga2o3发射极；

15、步骤s4：在所述ga2o3发射极上沉积金属，形成发射极电极；

16、步骤s5：在nio基极上部分ga2o3发射极两侧沉积金属，形成两个基极电极。

17、优选地，所述集电极电极通过电子束蒸发法形成ti/au金属电极，并进行快速热退火处理形成欧姆接触。

18、优选地，所述发射极电极通过ti/au金属沉积形成，并进行快速热退火处理；所述基极电极通过ni/au金属沉积形成。

19、本发明的有益效果至少包括：氧化镓ga2o3作为超宽禁带半导体材料，具有4.4-4.9ev的超宽带隙和高达8mv/cm的理论击穿场强，且已有成熟的晶体熔融生长技术可以制备厚的低掺杂外延耐压层，是高耐压大功率双极晶体管的理想材料。目前已有多种p型材料被证明可以与其实现良好的异质集成，其中基于氧化镍nio制备的氧化镓异质结二极管展现出了优异的反向击穿性能和正向导通特性，是与ga2o3进行异质集成的优选材料。本发明的异质结双极型晶体管将超宽带隙材料ga2o3与nio进行n-p-n异质集成，利用ga2o3的高击穿场强和成熟的厚膜外延技术，以及nio材料相对其他可与ga2o3异质集成的p型材料较长的少子寿命和其与ga2o3高质量的异质外延，设计了垂直型高耐压异质结双极型晶体管。超宽带隙材料作为发射极提升了电子的注入效率，同时ga2o3/nio特殊的ⅱ型能带排列导致的大空穴注入势垒使得基区空穴扩散电流进一步降低，有效地提升了电流增益。同时，厚的ga2o3集电极外延层增强了器件耐压能力，从而获得了高性能的ga2o3基hbt。为目前尚缺乏深入研究的氧化镓基双极晶体管提供了基础，有助于高压大功率双极晶体管的发展。

技术特征：

1.一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管，其特征在于：所述晶体管包括从下至上依次排列的ga2o3集电极、nio基极和ga2o3发射极；

2.根据权利要求1所述的一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管，其特征在于：所述ga2o3集电极由ga2o3高导衬底和ga2o3外延层构成，所述ga2o3高导衬底的sn掺杂浓度为5×1018cm-3，所述ga2o3外延层的si掺杂浓度为1×1016cm-3。

3.根据权利要求1所述的一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管，其特征在于：所述ga2o3发射极采用掺杂浓度为5×1018cm-3的n型ga2o3。

4.根据权利要求1所述的一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管，其特征在于：所述ga2o3发射极设置于两个所述基极电极之间且间距为2μm；所述ga2o3发射极为直径6μm的圆形；两个所述基极电极为环宽3μm且外径16um的圆环。

5.根据权利要求4所述的一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管，其特征在于：所述nio基极的li掺杂浓度范围为5×1017cm-3至1×1019cm-3，厚度范围为70nm至200nm。

6.根据权利要求5所述的一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管，其特征在于：所述nio基极的li掺杂浓度为3×1018cm-3，厚度为100nm。

7.根据权利要求6所述的一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管，其特征在于：所述nio基极直径为20μm。

8.一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管的制造方法，其特征在于：所述集电极电极通过电子束蒸发法形成ti/au金属电极，并进行快速热退火处理形成欧姆接触。

10.根据权利要求8所述的一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管的制造方法，其特征在于：所述发射极电极通过ti/au金属沉积形成，并进行快速热退火处理；所述基极电极通过ni/au金属沉积形成。

技术总结本发明提供了一种垂直结构的氧化镓基异质结双极晶体管及其制造方法，晶体管包括从下至上依次排列的Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;集电极、NiO基极和Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;发射极；NiO基极上位于Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;发射极两侧均设置有基极电极；Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;集电极与NiO基极形成n‑p结，NiO基极与Ga<subgt;2</subgt;O<subgt;3</subgt;发射极形成p‑n结。在有效地提升了电流增益的同时，增强了器件耐压能力。本发明为目前尚缺乏深入研究的氧化镓基双极晶体管提供了基础，有助于高压大功率双极晶体管的发展。技术研发人员：叶建东,裴馨仪,任芳芳,顾书林,张荣受保护的技术使用者：南京大学技术研发日：技术公布日：2025/1/13