CN108615760A - 光调制的场效应晶体管和集成电路 - Google Patents

光调制的场效应晶体管和集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光调制的场效应晶体管和集成电路，其中该光调制的场效应晶体管包括：半导体层；源区和漏区，所述源区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上，所述漏区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上；形成在所述半导体之上的栅结构；形成在所述栅结构之上的发光结构，其中，所述发光结构至少部分覆盖所述栅结构，所述发光结构用于产生光子以激发所述半导体层中的电子‑空穴对。本发明的光调制的场效应晶体管和集成电路，将发光结构设置在栅结构之上，在不影响器件关态电流的前提下，利用光照极大地改善器件的导通电流。

Description

光调制的场效应晶体管和集成电路
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种光调制的场效应晶体管和集成电路。
背景技术
氮化镓(GaN)宽禁带直接带隙材料具有高硬度、高热导率、高电子迁移率、稳定的化学性质、较小的介电常数和耐高温等优点，所以GaN在发光二极管、高频、高温、抗辐射、高压等电力电子器件中有着广泛的应用和巨大的前景。
迄今为止，基于GaN材料的异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)已经有了广泛的应用和研究，但是，常开型的HEMT并不能满足低功耗的应用要求。所以，对常关型GaN材料的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的研究很有必要，并且也越来越受到重视。
对于GaN-MOSFET，其源漏注入采用的是Si离子(n型沟道)和Mg离子(p型沟道)。但对于GaN材料，注入离子激活需要很高的温度，尤其对于p型沟道的Mg离子，激活率不高，这就导致GaN-MOSFET的导通电流受到了一定的限制。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有结构简单、导通电流高的光调制的场效应晶体管。
根据本发明实施例的光调制的场效应晶体管，包括：半导体层；源区和漏区，所述源区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上，所述漏区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上；形成在所述半导体之上的栅结构；形成在所述栅结构之上的发光结构，其中，所述发光结构至少部分覆盖所述栅结构，所述发光结构用于产生光子以激发所述半导体层中的电子-空穴对。
在本发明的一个实施例中，所述栅结构对所述发光结构产生的光子透明。
在本发明的一个实施例中，所述半导体层包括具有直接带隙结构的半导体材料。
在本发明的一个实施例中，所述半导体材料包括氮化物半导体材料、砷化物半导体材料、氧化物半导体材料或锑化物半导体材料。
在本发明的一个实施例中，所述发光结构为发光二极管结构。
在本发明的一个实施例中，所述发光二极管结构包括发光层，所述发光层为量子阱或多量子阱结构。
在本发明的一个实施例中，所述发光层材料与所述半导体层的材料属于同一系列。
在本发明的一个实施例中，所述发光层的禁带宽度不小于所述半导体层的禁带宽度。
在本发明的一个实施例中，还包括：同步结构，用于控制所述场效应晶体管和所述发光结构同步开启。
在本发明的一个实施例中，所述场效应晶体管包括MOSFET、MESFET、MISFET和JFET。
由上可知，根据本发明实施例的场效应晶体管至少具有如下优点：
相对于传统的独立GaN-MOSFET而言，本发明提出的光调制的场效应晶体管，将发光结构设置在半导体上，在不影响器件关态电流的前提下，利用光照极大地改善器件的导通电流。
本发明的另一个目的在于提出一种集成电路。
根据本发明实施例的集成电路，包括上述实施例所述的光调制的场效应晶体管。
由上可知，根据本发明实施例的集成电路至少具有如下优点：
相对于传统的独立GaN-MOSFET而言，本发明提出的集成电路，将发光结构设置在栅结构中，在不影响器件关态电流的前提下，利用光照极大地改善器件的导通电流。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的光调制的场效应晶体管的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的n沟道MESFET的结构示意图；
图3是本发明一个实施例的MOSFET或MISFET的结构示意图；
图4是本发明另一个实施例的p沟道MESFET的结构示意图；
图5是本发明另一个实施例的n沟道MOSFET的结构示意图；
图6是本发明一个实施例的发光二极管结构的结构示意图；
图7是本发明一个实施例的具有同步结构的n沟道MOSFET的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明一方面提出一种光调制的场效应晶体管，如图1所示，包括：半导体层100；源区200和漏区300，源区200和漏区300可以如图1所示设置在半导体层100之中，还可以采用抬升结构设置在半导体层100之上；形成在半导体层100之上的栅结构400；形成在栅结构400之上的发光结构500。其中，发光结构500至少部分覆盖栅结构400，发光结构500用于产生光子以激发半导体层中的电子-空穴对。
本发明实施例的光调制的场效应晶体管，对于n沟道MESFET，如图2所示，此时栅结构400仅包括栅极410。发光结构500使用栅极410作为放光结构500的一个电极，发光结构500还包括发光层510和第一电极520，发光层510可以通过键合工艺形成在栅极410之上。当器件导通时，栅压为正，发光结构500产生光子，光子在半导体层100中激发电子和空穴对，其中的电子流向沟道区，增加器件沟道区的有效载流子浓度，从而增加器件的开态电流，增强器件性能。半导体层100可以是形成在绝缘体上的半导体材料，也可以是Si上外延的化合物半导体材料，如GaN等，还可以是自支撑的化合物半导体材料，如GaN自支撑晶片衬底。需要特别指出的是，图1中的半导体层100仅是一种示意结构，可包含单层材料层，也可以包含多层材料层；图中栅结构400下方的沟道区可以是单层结构，也可以是具有二维电子气或二维空穴气的多层材料结构；半导体层中还可以包含有p型或n型阱，器件的有源区可以位于阱中，以减少漏电；这些结构都在本发明的保护范围之内，不受本示例的限制。除MESFET中栅结构是由栅金属形成的金属/半导体肖特基结以外，栅结构还可以是由p-n结形成的栅极(此时为结型场效应晶体管(JFET)结构)。
对于n沟道MOSFET或MISFET，如图3所示，栅结构400包括栅极410和栅介质420(此时为金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)或金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)结构)。发光结构500使用栅极410作为放光结构500的一个电极，发光结构500还包括发光层510和第一电极520，发光层510可以通过键合工艺形成在栅极410之上。当器件导通时，由于正栅压的吸引，电子将流向场效应晶体管的沟道，从而增强了沟道电流；而由于正栅压的排斥和衬底偏置电压的吸引，空穴将流向衬底，从而不会对沟道电流产生影响。需要说明的是，衬底上是否设置偏置电压可以根据电路的具体情况确定，不受本示例的限制。当器件关断时，发光结构500和场效应晶体管结构可以与同步关断，发光结构500不会对关态泄漏电流产生影响。
对于p沟道MESFET，如图4所示，工作原理与n沟道MESFET一致。只是此时栅压为负。当器件导通时，发光层510产生光子，光子在半导体层100中激发电子和空穴对，其中的空穴流向沟道区，增加器件沟道区的有效载流子浓度，从而增加器件的开态电流，增强器件性能。对于p沟道MOSFET或MISFET，工作原理与n沟道MOSFET或MISFET一致。对一些化合物半导体材料，例如GaN、ZnO等，由于p沟道MOSFET的注入离子激活比n沟道MOSFET更难，采用本发明的结构对p沟道MOSFET的沟道电流的增强效果将更加明显。
为了简便表述，在下面的示例中，均以n沟道MOSFET为例，而这些结构均可以用在p沟道的MOSFET之中。需要说明的是，本实施例以p沟道MESFET为例，而这些结构通过相应地调整可以应用在p沟道MISFET、MOSFET和JFET之中。
在本发明的一个实施例中，栅结构400对于发光结构500产生的光子透明，即光子需要穿过栅结构400，到达沟道，激发电子-空穴对。其中，发光结构500产生的光子穿过栅结构400包括以下方式：一、采用透明的栅结构400。栅结构400中，栅介质一般是透明的(栅介质要求绝缘，具有很宽的禁带宽度，因而一般是透明的)，而常规的栅极是不透明的，因此需要采用透明导电材料作为栅极材料。在本发明的一个示例中，透明导电材料包括超薄的金属层(仅数纳米厚)以及透明导电氧化物(TCO)等，TCO包括铟锡氧化物(ITO)、掺F的氧化锡、掺F的ZnO等。二、以n沟道MOSFET为例(这些结构通过相应地调整可以应用在n沟道MISFET、MESFET、JFET，以及应用在p沟道的MOSFET、MISFET、MESFET和JFET之中)，发光层510产生的光子绕过栅极400，直接到达半导体层100(如图5所示)。三、方式一和方式二相结合。
在本发明的一个实施例中，半导体层100包括具有直接带隙结构的半导体材料。直接带隙材料在光子的激发下可快速响应产生电子-空穴对，且其具有非常高内部量子效率，有利于增强光调制的作用，提升器件性能。
在本发明的一个实施例中，半导体层100材料包括氮化物半导体材料、砷化物半导体材料、氧化物半导体材料或锑化物半导体材料。其中，氮化物半导体材料包括GaN、AlGaN、InGaN、AlN、InN。砷化物半导体材料包括GaAs、AlGaAs、InGaAs、InAs。氧化物半导体材料包括Ga2O3、ZnO、InGaZnO。锑化物半导体材料包括GaSb、AlGaSb、InGaSb、InSb。这些材料都具有直接带隙的能带结构，可在光子的激发下快速响应产生电子-空穴对。
在本发明的一个实施例中，发光结构500为发光二极管结构。其中，发光二极管结构可以如图1所示设置在栅结构400之上。发光二极管结构还可以是如图6所示包括量子阱或多量子阱结构作为发光层的结构。发光结构500的一个电极(下电极)可以与栅结构400的栅极共用(如图2所示)，另一个电极(上电极)可以从发光结构的上部直接引出。
在本发明的一个实施例中，发光层材料与半导体层100的材料属于同一系列，即发光层材料为与半导体层100材料对应的氮化物、砷化物、氧化物或者磷化物。采用同一系列材料制成的发光层和半导体层100能简化发光结构的制作工艺，同时，有利于调节发光层和半导体层100的禁带宽度，使得发光结构500发出的光子可被半导体层100有效吸收，从而有效增强场效应晶体管的沟道导通电流。
在本发明的一个实施例中，发光层的禁带宽度不小于半导体层100的禁带宽度。发光层的禁带宽度不小于半导体层100的禁带宽度时，则产生的光子具有足够的能量在半导体层100中激发电子空穴对，此时其内部量子效率高，在半导体层中产生的有效载流子多，沟道导通电流越大。当然，即便发光层的禁带宽度小于半导体层的禁带宽度，产生的光子也可以激发半导体层中的电子-空穴对，但其内部量子效率会比较低；反之，如果发光层的禁带宽度远大于半导体层的禁带宽度，虽然光子有足够的能量激发半导体层中的电子空穴对，然而其富余的能量会转换为热量，造成器件发热和能量浪费。因此，发光层的禁带宽度与半导体层的禁带宽度一致为最优。
在本发明的一个实施例中，还包括用于控制场效应晶体管和发光结构500同步开启的同步结构。在图2所示的实施例中，在发光结构500和场效应晶体管的栅极之间共享一个电极，因此可以实现发光结构500和场效应晶体管同比开启和关断。如图7所示，在本发明的另一些实施例中，发光结构500与栅结构400之间可以有一层绝缘层600，发光结构500的下电极与栅结构400的栅极410之间不共用电极，此时就需要一个同步结构，以确保发光结构500和场效应晶体管能够同步开启和关断。最简单的同步结构就是将发光结构的第二电极530和栅结构400的栅极410之间电连接。通过在电连接的线路上适当位置串联一个合适的电阻，还可以在电阻两端形成适当的电位差，从而满足栅压和发光结构所需电压不一致的情况，实现栅结构400和发光结构500之间的电压调节，发光结构500和场效应晶体管均可在合适的电压下工作。需要指出的是，同步结构不限于在发光结构500和场效应晶体管之间电连接或串联一个电阻，只要能使发光结构500和场效应晶体管同步开启和关断的电路或器件结构均可。
在本发明的一个实施例中，场效应晶体管包括金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)、金属-半导体场效应晶体管(MESFET)、金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)和结型场效应晶体管(JFET)。这些晶体管均为栅控晶体管，其导通电流的大小受半导体层中有效载流子浓度的影响，在光子的作用下，可增加有效载流子浓度，增加导通电流。
相对于传统的独立MOSFET而言，本发明提出的光调制的场效应晶体管，将发光结构设置在栅结构之上，在不影响器件关态电流的前提下，利用光照极大地改善器件的导通电流。
本发明的实施例还公开了一种集成电路，包括上述实施例所述的光调制的场效应晶体管。通过光调制的场效应晶体管开态性能的提升，可有效改善集成电路的性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (11)

1.一种光调制的场效应晶体管，其特征在于，包括：
半导体层；
源区和漏区，所述源区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上，所述漏区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上；
形成在所述半导体之上的栅结构；
形成在所述栅结构之上的发光结构，其中，所述发光结构至少部分覆盖所述栅结构，所述发光结构用于产生光子以激发所述半导体层中的电子-空穴对。
2.如权利要求1所述的光调制的场效应晶体管，其特征在于，所述栅结构对于所述发光结构产生的光子透明。
3.如权利要求1所述的光调制的场效应晶体管，其特征在于，所述半导体层包括具有直接带隙结构的半导体材料。
4.如权利要求3所述的光调制的场效应晶体管，其特征在于，所述半导体材料包括氮化物半导体材料、砷化物半导体材料、氧化物半导体材料或锑化物半导体材料。
5.如权利要求1所述的光调制的场效应晶体管，其特征在于，所述发光结构为发光二极管结构。
6.如权利要求5所述的光调制的场效应晶体管，其特征在于，所述发光二极管结构包括发光层，所述发光层为量子阱或多量子阱结构。
7.如权利要求6所述的光调制的场效应晶体管，其特征在于，所述发光层材料与所述半导体层的材料属于同一系列。
8.如权利要求6所述的光调制的场效应晶体管，其特征在于，所述发光层的禁带宽度不小于所述半导体层的禁带宽度。
9.如权利要求1所述的光调制的场效应晶体管，其特征在于，还包括：
同步结构，用于控制所述场效应晶体管和所述发光结构同步开启。
10.如权利要求1所述的光调制的场效应晶体管，其特征在于，所述场效应晶体管包括MOSFET、MESFET、MISFET和JFET。
11.一种集成电路，其特征在于，包括如权利要求1-10任一项所述的光调制的场效应晶体管。
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