CN116759387A - GaN基CMOS反相器及其制备方法 - Google Patents
GaN基CMOS反相器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116759387A CN116759387A CN202310787116.3A CN202310787116A CN116759387A CN 116759387 A CN116759387 A CN 116759387A CN 202310787116 A CN202310787116 A CN 202310787116A CN 116759387 A CN116759387 A CN 116759387A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gan
- layer
- channel
- field effect
- effect transistor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims description 6
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims abstract description 55
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 37
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 35
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 32
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 30
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims description 9
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 6
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 3
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 72
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 32
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 26
- 239000004047 hole gas Substances 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 7
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 7
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 7
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005533 two-dimensional electron gas Effects 0.000 description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 3
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 2
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JLVVSXFLKOJNIY-UHFFFAOYSA-N Magnesium ion Chemical compound [Mg+2] JLVVSXFLKOJNIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N aluminum gallium Chemical compound [Al].[Ga] RNQKDQAVIXDKAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 210000000746 body region Anatomy 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910001425 magnesium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
- H01L21/77—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate
- H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
- H01L21/82—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components
- H01L21/8252—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices to produce devices, e.g. integrated circuits, each consisting of a plurality of components the substrate being a semiconductor, using III-V technology
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
- H01L27/02—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers
- H01L27/04—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body
- H01L27/08—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind
- H01L27/085—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only
- H01L27/088—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only the components being field-effect transistors with insulated gate
- H01L27/092—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components specially adapted for rectifying, oscillating, amplifying or switching and having potential barriers; including integrated passive circuit elements having potential barriers the substrate being a semiconductor body including only semiconductor components of a single kind including field-effect components only the components being field-effect transistors with insulated gate complementary MIS field-effect transistors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Abstract
本公开提供一种GaN基CMOS反相器的制备方法，包括：在衬底上生长GaN通道层；在GaN通道层上生长势垒层；在势垒层上生长渐变帽层，形成半导体基材结构；在中间区域对半导体基材结构进行隔离，得到左侧区域和右侧区域；分别对左侧区域和右侧区域的渐变帽层进行选择性刻蚀，得到N‑channel常关型场效应晶体管结构和P‑channel常关型场效应晶体管结构；分别在N‑channel常关型场效应晶体管结构和P‑channel常关型场效应晶体管结构上制备介质层；以及制备栅极电极、源极电极和漏极电极。同时，本公开还提供一种GaN基CMOS反相器。
Description
技术领域
本公开涉及微电子技术领域，尤其涉及一种GaN基CMOS反相器及其制备方法。
背景技术
目前GaN基的反相器结构大致分为CMOS结构和常开/常关结构(也被称为E/D逻辑)。后者由于常开型器件会严重增加反相器的导通电流，造成能源的浪费。
通常情况下，AlGaN/GaN基N-channel常关型场效应晶体管实现常关操作的方法通过(a)绝缘栅场效应晶体管结构、(b)共源共栅结构、(c)氟离子注入和(d)P型GaN栅来实现，但是用以上方法实现的常关器件存在的问题包括：(a)绝缘栅场效应晶体管结构会引入回刻工艺，造成绝缘层与衬底之间产生较大密度的界面态，这会严重影响器件的电学特性和器件寿命；(b)共源共栅结构引入的常关型硅基(Si)MOSFET有较大的寄生电感限制了开关速率；(c)对于氟离子注入，器件的长期可靠性无法保证，且使用离子注入会造成外延层损伤，漏电通路增多；(d)P型GaN栅一般采用高浓度的镁(Mg)离子实现空穴掺杂，而大量的间隙Mg杂质可以导致栅极肖特基接触劣化，同时还需要额外的工艺来激活掺杂杂质。用以上方法实现的常关器件都会因为工艺过程中产生的界面态或长时间使用而导致阈值电压(VTH)降低，影响器件正常工作。AlGaN/GaN基P-channel常关型场效应晶体管为了与N-channel器件结构匹配，往往也基于P-GaN/AlGaN结构。而为了激活P-GaN中的杂质原子，还需要额外的工艺。但即使如此，镁离子在室温下仍然难以电离，一般仅得到较低浓度的p型有效掺杂。
发明内容
基于上述问题，本公开提供了一种GaN基CMOS反相器及其制备方法，以缓解现有技术中的上述技术问题。
(一)技术方案
本公开的一个方面，提供一种GaN基CMOS反相器的制备方法，包括操作S1-S7。S1：在衬底上生长GaN通道层；S2：在所述GaN通道层上生长势垒层；S3：在所述势垒层上生长渐变帽层，形成半导体基材结构；S4：在中间区域对所述半导体基材结构进行隔离，得到左侧区域和右侧区域；S5：分别对左侧区域和右侧区域的渐变帽层进行选择性刻蚀，得到N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构；S6：分别在所述N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构上制备介质层；以及S7：制备栅极电极、源极电极和漏极电极。
根据本公开实施例，在GaN通道层上生长AlyGa1-yN势垒层，其中，0.15＜y＜0.25。
根据本公开实施例，AlyGa1-yN势垒层的厚度范围为10nm～25nm。
根据本公开实施例，在所述势垒层上生长AlxGa1-xN渐变帽层，x为Al元素的起始组分值，0＜x＜y，x沿[0001]方向线性减小至0。
根据本公开实施例，AlxGa1-xN渐变帽层的厚度范围为40nm～120nm。
根据本公开实施例，刻蚀得到N-channel常关型场效应晶体管结构时，刻蚀区域的刻蚀深度等于渐变帽层的厚度，非刻蚀区域的渐变帽层形成凸台结构作为栅极介质。
根据本公开实施例，在渐变帽层形成的凸台结构表面制备介质层，介质层厚度为5nm～20nm。
根据本公开实施例，刻蚀得到P-channel常关型场效应晶体管结构时，刻蚀区域的刻蚀深度不大于渐变帽层的厚度，形成凹槽结构以备后续制作栅极电极。
根据本公开实施例，在P-channel常关型场效应晶体管结构上制备介质层时，介质材料完全覆盖凹槽结构；制作栅极电极时，对介质材料进行选择性刻蚀，要求栅极电极的宽度小于凹槽的宽度，保证介质材料对凹槽的覆盖，栅极电极的底部与凹槽底部之间保留5nm～15nm厚度的介质层。
本公开的另一方面，提供一种GaN基CMOS反相器，采用以上任一项所述的制备方法制备而成，所述GaN基CMOS反相器包括：衬底；GaN通道层，形成于所述衬底上；势垒层，形成于所述GaN通道层上；渐变帽层，形成于所述势垒层上，与GaN通道层、势垒层共同构成成半导体基材结构；隔离区，设置于半导体基材结构的中间区域，以对所述半导体基材结构进行隔离，得到左侧区域和右侧区域；N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构，形成于半导体基材结构的左侧区域和右侧区域；介质层，形成于所述N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel上；以及电极结构，包括分别制备于所述N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构上的栅极电极、源极电极和漏极电极。
(二)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开GaN基CMOS反相器及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)可实现低功耗；
(2)可以无掺杂实现p型掺杂，节省了Mg杂质激活的工艺步骤。
(3)利用材料特性实现极化掺杂，在保证高浓p型掺杂的情况下，避免因间隙Mg杂质导致的栅极肖特基接触劣化；
(4)可以实现同质集成。
附图说明
图1为本公开实施例的GaN基CMOS反相器的半导体基材结构的示意图。
图2为本公开实施例的GaN基CMOS反相器的N-channel常关型场效应晶体管结构的示意图。
图3为本公开实施例的GaN基CMOS反相器的P-channel常关型场效应晶体管结构的示意图。
图4为本公开实施例的GaN基CMOS反相器的半导体基材结构的极化效应分析示意图。
图5为本公开实施例的GaN基CMOS反相器的渐变帽层的三维空穴气的产生机理示意图。
图6为本公开实施例的GaN基CMOS反相器的制备方法的流程图。
图7a为本公开实施例的GaN基CMOS反相器的N-channel常关型场效应晶体管结构的传输特性曲线及提取的阈值电压示意图。
图7b为本公开实施例的GaN基CMOS反相器的P-channel常关型场效应晶体管结构的传输特性曲线及提取的阈值电压示意图。
图8a为本公开实施例的GaN基CMOS反相器的器件结构和电连接示意图。
图8b为本公开实施例的GaN基CMOS反相器的工作原理示意图。
具体实施方式
本公开提供了一种GaN基CMOS反相器及其制备方法，基于Al组分线性渐变的AlxGa1-xN作为p型帽层的GaN基反相器。金属极性的AlxGa1-xN中Al组分x沿生长方向[0001](即衬底到器件表面)线性减小，充分利用III族氮化物材料的极化特性，实现了无需杂质掺杂的高密度三维空穴气(3DHG)掺杂，并设计出GaN基N-channel/P-channel常关型器件，同时，三维空穴气密度几乎与温度无关，仅由渐变铝组分AlGaN块层的渐变梯度决定，也无需激活掺杂的步骤。
本公开中涉及到的一些相关术语解释：
常关型/常开型：器件在零偏压下截止关断是常关型(也称为增强型E-mode)，反之仍然导通为常开型(也称为耗尽型D-mode)。
N-channel：载流子为电子。P-channel：载流子为空穴。
CMOS：N型金属-氧化物-半导体(NMOS，电子为载流子)和P型金属-氧化物-半导体(PMOS，空穴为载流子)，利用常关型NMOS和PMOS组成互补MOS集成电路，即CMOS。
金属极性及氮极性的III族氮化物：III族氮化物由金属元素(Al、Ga、In)和氮(N)元素组成，在室温下以纤锌矿结构稳定存在。以GaN为例，晶胞中以四面体形式结合的Ga原子和N原子，同时形成沿c轴交替排列的Ga原子层和N原子层。Ga-N双原子层的排列不同决定了GaN材料的不同极性：若Ga(金属)原子在上，则成为Ga极性(金属极性)；若N(氮)原子在上，则成为N(氮)极性。
极化效应：纤锌矿结构的III族氮化物在c轴方向上正负电荷的中心不重合而产生宏观极化作用，由于此极化效应是在III族氮化物没有应变的平衡条件下产生的，因此称为自发极化(Spontaneous polarization，PSP)；同时材料内部的压力也能引起III族氮化物材料内部正负电荷中心的分离，其产生的极化效应称为压电极化(Piezoelectricpolarization，PPZ)，极化效应对III族氮化物材料和器件性能有着重要的影响。
第三代宽禁带半导体AlGaN合金体系具有禁带宽度大、击穿场强高、电子迁移率高等优势，非常适合高频、高功率电子器件的应用，其中常关型器件由于其安全可靠、简化电路等优势具有更高的需求。利用III族氮化物的极化特性，可以制备具有三维空穴气沟道的渐变铝组分AlxGa1-xN帽层的常关型场效应晶体管，并进一步设计出相应的反相器结构。通过极化诱导掺杂可实现较高的空穴浓度，实现GaN基N-channel器件正的VTH，提高GaN基P-channel器件的饱和电流。且器件可在高压条件下保持恒定的载流子浓度，实现恒定的跨导，有利于器件的高频、高压下的线性传输特性，在故障安全电源开关、射频功率放大器、简化的驱动电路等领域具有广泛的应用前景。
通过调控外延生长中Al源的用量，可实现AlGaN外延块层中铝组分的线性变化。由于AlGaN存在自发极化和压电极化效应，因此在渐变铝组分的AlGaN块层中处处存在极化电荷，并诱导产生高密度的三维空穴气。三维空穴气密度可由AlGaN块层外延生长中Al组分渐变的梯度调控，且几乎不受温度变化影响，这有利于提高器件的热稳定性。通过调整生长条件并设计Al组分渐变梯度，同样可以设计沿生长方向[0001]线性渐变铝组分的AlGaN块层。
在实现常关操作方面，GaN N-channel器件通常采用绝缘栅场效应晶体管结构、共源共栅结构、氟离子注入和P型GaN栅等方法，使沟道中的电子被耗尽，达到夹断沟道的目的，但是用以上方法实现的常关器件都会因为工艺过程中产生的界面态或长时间使用而导致阈值电压(VTH)降低，影响器件正常工作。
同时，由于镁(Mg)掺杂在室温下的p型有效掺杂浓度较低，不利于实现大导通电流的的GaN基P-channel器件。
由于III族氮化物的极化效应，基于铝镓氮/氮化镓(AlGaN/GaN)的高电子迁移率晶体管(high-electron mobility transistor，HEMT)，在异质结界面存在高浓度、高电子迁移率的二维电子气(two dimensional electron gas，2DEG)，基本是常开型操作。通过对AlGaN/GaN基N-channel HEMT器件结构进行优化，提升器件的阈值电压(VTH)满足常关型操作，并进一步设计出GaN基常关型P-channel器件，达成类似于互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)结构的GaN基反相器。
结合图4和图5所示，本公开中采用两个III族氮化物形成的异质结界面，即AlyGa1-yN/GaN异质结界面和渐变AlxGa1-xN/AlyGa1-yN异质结界面。III族氮化物材料具有自发极化和压电极化，利用不同层Al组分差异可调控III族氮化物的极化强度。两个异质结都为自发极化主导：AlyGa1-yN/GaN界面处存在剩余极化正电荷，在GaN层内形成沿生长方向的极化电场，可吸引GaN体区内的电子，形成高密度的二维电子气，作为导电沟道保证器件高性能工作；AlxGa1-xN/AlyGa1-yN界面处存在剩余极化负电荷，在AlxGa1-xN内部形成与生长方向相反的极化电场，可吸引三维空穴气。同时，AlxGa1-xN/AlyGa1-yN界面处存在剩余极化负电荷可以屏蔽AlyGa1-yN/GaN界面处存在剩余极化正电荷，避免零偏压下导电沟道的形成，实现N-channel器件的低泄漏电流。同时，AlxGa1-xN渐变层内的高浓度三维空穴气也为P-channel器件提供了导电通路。本公开发明构思的的重点在于利用Al组分渐变的AlGaN层代替传统P型层，具体机理如图5所示，Al组分渐变的AlGaN，可以看作沿生长方向[0001]不同Al组分AlGaN单元层的累加。根据极化理论，每个单位层内的总极化是自发极化和压电极化的和，不同Al组分的单元层极化强度不同(如左侧箭头的长度大小代表极化强度的大小)。考虑到金属极性AlGaN层沿[0001]生长方向的Al组分梯度递减，相邻两个单元界面上积累的净极化电荷为负，图中所示为负电荷，其浓度分布为ρ，由/>推导，Ptot＝PSP+PPZ，其中/>表示哈密顿算子，Ptot表示总极化，PSP表示自发极化，PPZ表示压电极化。为了满足电荷中性，这些负极化电荷吸引体区内的空穴，形成三维空穴气，三维空穴气体现正电性，图中所示/>为三维空穴气。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种GaN基CMOS反相器的制备方法，如结合图6、图1、图2、图3、图8a所示，所述GaN基CMOS反相器的制备方法包括操作S1-S7：
S1：在衬底上生长GaN通道层；
S2：在所述GaN通道层上生长势垒层；
S3：在所述势垒层上生长渐变帽层，形成半导体基材结构；
S4：在中间区域对所述半导体基材结构进行隔离，得到左侧区域和右侧区域；
S5：分别对左侧区域和右侧区域的渐变帽层进行选择性刻蚀，得到N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构；
S6：分别在所述N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构上制备介质层；以及
S7：制备栅极电极、源极电极和漏极电极。
根据本公开实施例，GaN通道层厚度范围为100nm～300nm，优选为100nm。
根据本公开实施例，衬底材料可选自硅(Si)、蓝宝石。
根据本公开实施例，在GaN通道层上生长AlyGa1-yN势垒层，其中，0.15＜y＜0.25，优选为y＝0.20；y代表Al元素组分值，1-y为Ga元素组分值，AlyGa1-yN势垒层厚度为10nm～25nm，优选为10nm；
根据本公开实施例，在所述势垒层上生长AlxGa1-xN渐变帽层，x为Al元素的起始组分值，1-x为Ga元素组分值；0＜x＜y，x沿[0001]方向线性减小至0。AlxGa1-xN渐变帽层厚度为40nm～120nm，优选为40nm。
根据本公开实施例，操作S4中进行隔离时可以通过离子注入或是台面刻蚀实现。
根据本公开实施例，操作S5中对所述AlxGa1-xN渐变帽层进行选择性刻蚀，具体地：
刻蚀得到N-channel常关型场效应晶体管结构(或简称为N-channel器件)时，刻蚀区域的刻蚀深度等于渐变帽层的厚度，即将刻蚀区域的AlxGa1-xN渐变帽层完全去除。非刻蚀区域的渐变帽层形成凸台结构作为栅极介质。如图2所示，凸台结构两侧的刻蚀区域的宽度和以及未刻蚀AlxGa1-xN渐变帽层的区域宽度不做限制，可以根据实际需求进行调整。
根据本公开实施例，刻蚀得到P-channel常关型场效应晶体管结构(或简称为P-channel器件)时，刻蚀区域的刻蚀深度不大于渐变帽层的厚度，形成凹槽结构以备后续制作栅极电极。对凹槽结构刻蚀宽度不做限制。
根据本公开实施例，操作S6中，分别在N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构上制备介质层，介质层的材料可以选自Al2O3、Si3N4。
具体地，在N-channel常关型场效应晶体管结构中的渐变帽层形成的凸台结构表面制备介质层，介质层厚度为5nm～20nm，优选为10nm。
在P-channel常关型场效应晶体管结构上制备介质层时，介质材料完全覆盖凹槽结构。
根据本公开实施例，操作S7中制备电极结构时，具体地：
对于N-channel常关型场效应晶体管结构，直接在器件表面制备电极，在凸台结构表面制备的介质层上制备栅极电极，在两侧的渐变帽层表面制备源极电极和漏极电极。如图2所示，后续制备电极结构后，栅极到源极之间的宽度用LGS表示，栅极到漏极之间的宽度用LGD表示，LG表示栅极宽度。
对于P-channel常关型场效应晶体管结构，制作栅极电极时，对覆盖于凹槽结构中的介质材料进行选择性刻蚀后再制备栅极电极，要求栅极电极的宽度小于凹槽的宽度，保证介质材料对凹槽的覆盖，栅极电极的底部与凹槽底部之间保留5nm～15nm厚度，优选为10nm的介质层。如图3所示，后续制备电极结构后，栅极到源极之间的宽度用LGS表示，栅极到漏极之间的宽度用LGD表示，LG表示栅极宽度。
根据本公开实施例，结合图1至图3所示，在衬底上沿[0001]方向(衬底指向器件表面)外延本征掺杂GaN作为通道层(100～300nm，期望厚度100nm)，随后生长Al组分为y的AlGaN势垒层(组分范围0.15～0.25，厚度10～25nm，期望为Al组分0.20，厚度10nm)，最后生长起始Al组分为x的，沿[0001]方向线性由x减小至的AlxGa1-xN渐变帽层(渐变帽层的起始Al组分x要小于势垒层的Al组分y，厚度40～120nm，期望厚度为40nm)。AlGaN/GaN基N-channel常关型场效应晶体管结构如图2所示，对栅极区域以外的AlGaN渐变帽层完全刻蚀，并沉积氧化铝(Al2O3)作栅极介质。Al2O3可以有效降低栅极漏电并在一定程度上提高器件的阈值电压。沉积Al2O3厚度5～20nm，期望为10nm。AlGaN/GaN基P-channel常关型场效应晶体管结构如图3所示，对栅极区域进行刻蚀(AlGaN渐变帽层刻蚀深度不做限制，可部分刻蚀，也可完全刻蚀)，并沉积氧化铝(Al2O3)作栅极介质以及电极隔离。随后刻蚀Al2O3制备栅电极，栅电极在水平方向对Al2O3刻蚀要求小于Al2O3宽度，保持Al2O3对栅极的覆盖，在竖直方向剩余(未刻蚀)Al2O3厚度在5～15nm，期望为10nm。
本公开还提供一种GaN基CMOS反相器，采用以上所述的制备方法制备而成，如结合图8a、图1、图2、图3、图6所示，所述GaN基CMOS反相器包括：
衬底(Buffer)；
GaN通道层，形成于所述衬底上；
势垒层，形成于所述GaN通道层上；
渐变帽层，形成于所述势垒层上，与GaN通道层、势垒层共同构成成半导体基材结构；
隔离区，设置于半导体基材结构的中间区域，以对所述半导体基材结构进行隔离，得到左侧区域和右侧区域；
N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构，形成于半导体基材结构的左侧区域和右侧区域；
介质层，形成于所述N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel上；以及
电极结构，包括分别制备于所述N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构上的栅极电极、源极电极和漏极电极。
根据本公开实施例，如图8a所示，GaN基CMOS反相器工作时，VIN为输入信号，VOUT为输出信号，GND是接地，VDD是高电位。中间的黑色斜线表示CMOS反相器的隔离区，可以通过台面刻蚀，或离子注入实现。该GaN基CMOS反相器基于渐变铝组分的AlGaN帽层实现三维空穴气掺杂的栅极结构；基于渐变铝组分的AlGaN栅极结构能够实现AlGaN/GaN基N-channel场效应晶体管常关操作；利用渐变铝组分的AlGaN层实现无掺杂p型层，代替Mg掺杂的p-GaN，能够实现常关型的N-channel/P-channel的GaN基器件，并达成CMOS结构的反相器。
根据本公开实施例，采用上述制备方法制备反相器进行相关测试，该反相器的技术参数如下：
反相器宽度1μm，AlxGa1-xN渐变帽层的起始Al组分为0.1，AlyGa1-yN势垒层Al组分为0.2，栅极下方Al2O3介质层厚度为10nm。
N-channel常关型场效应晶体管结构：源、漏电极长度1μm，栅极(未刻蚀AlxGa1-xN渐变帽层)的长度2μm，栅源距离2μm，栅漏距离5μm。如图7a，仿真结果显示实现了常关型操作，在漏源电压为10V的情况下，N-channel常关型场效应晶体管结构器件的VTH(定义为电流0.01mA/mm)可达到2.20V。
P-channel常关型场效应晶体管结构：源、漏电极长度1μm，栅极刻蚀深度为30nm，宽度为1μm，栅源距离2μm，栅漏距离6μm。如图7b所示，仿真结果显示实现了常关型操作，在漏源电压为-10V的情况下，P-channel常关型场效应晶体管结构器件的VTH(定义为电流0.01mA/mm)可达到-2.43V。
基于仿真结果，N-channel器件和P-channel器件均实现了常关型操作，满足CMOS反向器的基本要求。如图8b所示，Wp和Lp分别为P-channel器件的宽和长，Wn和Ln分别为N-channel器件的宽和长，通过调整器件的尺寸，可以进一步实现两个器件输出电流的相等。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开GaN基CMOS反相器及其制备方法有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种GaN基CMOS反相器及其制备方法，基于Al组分线性渐变AlxGa1-xN作为p型帽层的GaN基反相器。金属极性的AlxGa1-xN中Al组分x沿生长方向[0001](即衬底到器件表面)线性减小，充分利用III族氮化物材料的极化特性，实现了无需杂质掺杂的高密度三维空穴气(3DHG)掺杂，并设计出GaN基N-channel/P-channel常关型器件。同时，三维空穴气几乎不受温度影响，仅由渐变铝组分AlGaN块层的渐变梯度决定，也无需激活掺杂的步骤。
还需要说明的是，以上为本公开提供的不同实施例。这些实施例是用于说明本公开的技术内容，而非用于限制本公开的权利保护范围。一实施例的一特征可通过合适的修饰、置换、组合、分离以应用于其他实施例。
应注意的是，在本文中，除了特别指明的之外，具备“一”元件不限于具备单一的该元件，而可具备一或更多的该元件。
此外，在本文中，除了特别指明的之外，“第一”、“第二”等序数，只是用于区别具有相同名称的多个元件，并不表示它们之间存在位阶、层级、执行顺序、或制程顺序。一“第一”元件与一“第二”元件可能一起出现在同一构件中，或分别出现在不同构件中。序数较大的一元件的存在不必然表示序数较小的另一元件的存在。
在本文中，除了特别指明的之外，所谓的特征甲“或”(or)或“及/或”(and/or)特征乙，是指甲单独存在、乙单独存在、或甲与乙同时存在；所谓的特征甲“及”(and)或“与”(and)或“且”(and)特征乙，是指甲与乙同时存在；所谓的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”，是指包括但不限于此。
此外，在本文中，所谓的“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、或“之间”等用语，只是用于描述多个元件之间的相对位置，并在解释上可推广成包括平移、旋转、或镜像的情形。此外，在本文中，除了特别指明的之外，“一元件在另一元件上”或类似叙述不必然表示该元件接触该另一元件。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GaN基CMOS反相器的制备方法，包括：
S1：在衬底上生长GaN通道层；
S2：在所述GaN通道层上生长势垒层；
S3：在所述势垒层上生长渐变帽层，形成半导体基材结构；
S4：在中间区域对所述半导体基材结构进行隔离，得到左侧区域和右侧区域；
S5：分别对左侧区域和右侧区域的渐变帽层进行选择性刻蚀，得到N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构；
S6：分别在所述N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构上制备介质层；以及
S7：制备栅极电极、源极电极和漏极电极。
2.根据权利要求1所述的GaN基CMOS反相器的制备方法，其中，
在GaN通道层上生长AlyGa1-yN势垒层，其中，0.15<y<0.25。
3.根据权利要求2所述的GaN基CMOS反相器的制备方法，AlyGa1-yN势垒层的厚度范围为10nm～25nm。
4.根据权利要求2所述的GaN基CMOS反相器的制备方法，其中，
在所述势垒层上生长AlxGa1-xN渐变帽层，x为Al元素的起始组分值，0<x<y，x沿[0001]方向线性减小至0。
5.根据权利要求4所述的GaN基CMOS反相器的制备方法，AlxGa1-xN渐变帽层的厚度范围为40nm～120nm。
6.根据权利要求1所述的GaN基CMOS反相器的制备方法，刻蚀得到N-channel常关型场效应晶体管结构时，刻蚀区域的刻蚀深度等于渐变帽层的厚度，非刻蚀区域的渐变帽层形成凸台结构作为栅极介质。
7.根据权利要求6所述的GaN基CMOS反相器的制备方法，在渐变帽层形成的凸台结构表面制备介质层，介质层厚度为5nm～20nm。
8.根据权利要求1所述的GaN基CMOS反相器的制备方法，刻蚀得到P-channel常关型场效应晶体管结构时，刻蚀区域的刻蚀深度不大于渐变帽层的厚度，形成凹槽结构以备后续制作栅极电极。
9.根据权利要求8所述的GaN基CMOS反相器的制备方法，在P-channel常关型场效应晶体管结构上制备介质层时，介质材料完全覆盖凹槽结构；
制作栅极电极时，对介质材料进行选择性刻蚀，要求栅极电极的宽度小于凹槽的宽度，保证介质材料对凹槽的覆盖，栅极电极的底部与凹槽底部之间保留5nm～15nm厚度的介质层。
10.一种GaN基CMOS反相器，采用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成，所述GaN基CMOS反相器包括：
衬底；
GaN通道层，形成于所述衬底上；
势垒层，形成于所述GaN通道层上；
渐变帽层，形成于所述势垒层上，与GaN通道层、势垒层共同构成成半导体基材结构；
隔离区，设置于半导体基材结构的中间区域，以对所述半导体基材结构进行隔离，得到左侧区域和右侧区域；
N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构，形成于半导体基材结构的左侧区域和右侧区域；
介质层，形成于所述N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel上；以及
电极结构，包括分别制备于所述N-channel常关型场效应晶体管结构和P-channel常关型场效应晶体管结构上的栅极电极、源极电极和漏极电极。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310787116.3A CN116759387A (zh) | 2023-06-29 | 2023-06-29 | GaN基CMOS反相器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310787116.3A CN116759387A (zh) | 2023-06-29 | 2023-06-29 | GaN基CMOS反相器及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116759387A true CN116759387A (zh) | 2023-09-15 |
Family
ID=87955029
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310787116.3A Pending CN116759387A (zh) | 2023-06-29 | 2023-06-29 | GaN基CMOS反相器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116759387A (zh) |
-
2023
- 2023-06-29 CN CN202310787116.3A patent/CN116759387A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3345216B1 (en) | Iii nitride complementary transistors | |
| US7655962B2 (en) | Enhancement mode insulated gate heterostructure field-effect transistor with electrically isolated RF-enhanced source contact | |
| US6914273B2 (en) | GaN-type enhancement MOSFET using hetero structure | |
| US8669591B2 (en) | E-mode HFET device | |
| Lu et al. | High-performance integrated dual-gate AlGaN/GaN enhancement-mode transistor | |
| Im et al. | Normally Off Single-Nanoribbon $\hbox {Al} _ {2}\hbox {O} _ {3}\hbox {/GaN} $ MISFET | |
| CN105374867B (zh) | 常关闭型化合物半导体隧道晶体管 | |
| CN107731902B (zh) | 第iii族氮化物常关晶体管的层结构 | |
| CA3044512C (en) | Semiconductor device and method for designing semiconductor device | |
| US20110012173A1 (en) | Semiconductor device | |
| US20130032860A1 (en) | HFET with low access resistance | |
| JP2006339561A (ja) | 電界効果トランジスタ及びその製造方法 | |
| JP2012064900A (ja) | 半導体装置 | |
| JP5431652B2 (ja) | 半導体装置 | |
| US10636899B2 (en) | High electron mobility transistor with graded back-barrier region | |
| US9437724B2 (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the semiconductor device | |
| WO2023236523A1 (zh) | 一种增强型N沟道和P沟道GaN器件集成结构 | |
| Du et al. | High-performance E-mode p-channel GaN FinFET on silicon substrate with high I ON/I OFF and high threshold voltage | |
| Erine et al. | Multi-channel AlGaN/GaN in-plane-gate field-effect transistors | |
| CN102194819A (zh) | 一种基于MOS控制的增强型GaN异质结场效应晶体管 | |
| JP2022103163A (ja) | 窒化物半導体トランジスタ装置 | |
| CN114725091B (zh) | 一种实现氮化镓cmos逻辑电路的结构 | |
| CN116759387A (zh) | GaN基CMOS反相器及其制备方法 | |
| CN109817711B (zh) | 具有AlGaN/GaN异质结的氮化镓横向晶体管及其制作方法 | |
| CN105826392B (zh) | 小能带隙iii-v族mosfet器件的非对称型源漏极结构 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |