TW202243128A - 沿矽基氮化鎵場效電晶體橫向製造之光導半導體開關 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種積體電路結構，其包括具有一上表面之一基板；經安置於該基板之該上表面上之氮化鎵層；及沿經整合至該積體電路結構之該氮化鎵層上之一電晶體經橫向地安置之一光導半導體開關。
Description
本發明係關於改良之氮化鎵(GaN)積體電路技術，具體而言係關於包含GaN光導半導體開關(PCSS)及/或光電導開關電晶體及GaN電晶體及隨附積體電路結構之一結構。
現時，晶載矽基氮化鎵高電子遷移率電晶體(HEMT)開關及RF裝置透過電信號控制，且受傳統半導體裝置設計及製造之限制。例如，開關速度受裝置幾何形狀及開關電流比之限制。另一實例包含裝置之崩潰電壓，此為該裝置在災難性裝置故障前可處置之最大電壓。此電壓由HEMT半導體材料及/或電介質之崩潰判定，此時汲極側之電場峰值(取決於所施加之汲極偏壓及閘極至汲極距離)超過材料之崩潰場。當前最先進的GaN HEMT開關之最大操作電壓約為650 V，在低於崩潰電壓之安全操作區域操作。光導半導體開關(PCS)及光電導開關電晶體係不同的裝置，具有高電壓開關能力、超快速開關速度，或藉由光而非藉由由金屬門施加之偏壓而切換之快速能量脈衝。因此，該等裝置相對於傳統GaN HEMT開關及RF裝置具有增加操作電壓之潛力。
此外，現存GaN PCS結構係透過基於非平面發射之處理製造之獨立裝置，其透過導線接合抑或電路板設計與電晶體、積體電路(IC)及光源(例如雷射器及發光二極體)連接，作為更大模組之一部分。
實現最大效能及功能密度所需的係緊湊型整合光導電晶體開關及光導開關電晶體。
根據本發明，提供了一種積體電路結構，其包括：一基板，其具有一上表面；一氮化鎵層，其經安置於該基板之該上表面上；及一光導半導體開關，其沿經整合至該積體電路結構之該氮化鎵層上之一電晶體經橫向地安置。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：基板包括一矽材料及一碳化矽材料中之至少一者。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：基板及氮化鎵層構成一晶圓。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：電晶體包括一場效電晶體。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：光導半導體開關包括經安置於GaN層上之一第一電觸點及一第二電觸點。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：光導半導體開關包括經安置於矽晶圓上之一氮化鎵上之一氮化鋁鎵層，第一電觸點及第二電觸點經橫向地配置在該晶圓之該氮化鎵層上之台面外。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：氮化鋁鎵層在沒有一二維電子氣體介面之情況下經組態於台面外。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：光導半導體開關包括經安置於矽晶圓上之一氮化鎵上之一氮化鋁鎵層，第一電觸點及第二電觸點經安置於該氮化鋁鎵層上的台面上。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：存在一AlGaN-GaN二維電子氣介面。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：積體電路結構包括一透明二氧化矽介質絕緣層，該二氧化矽介質絕緣層經組態以將光導半導體開關之第一電觸點及第二電觸點與電晶體絕緣。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：積體電路結構進一步包括光學地經耦合至光導半導體開關之一光源。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：光導半導體開關及電晶體各者經組態以分開地或相互依賴地被利用。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：光導半導體開關均勻地經整合至矽晶圓上之一氮化鎵上之電晶體，且經組態以控制電晶體。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：光導半導體開關均勻地經整合至矽晶圓上之一氮化鎵上之電晶體，且經組態以藉由電晶體控制。
上文實施例中任一項之另一實施例可額外地及/或替代地包含：一電介質及一夾層對被使用以觸發光導半導體開關之一光源係透明的。
下文之詳細描述及隨附圖式闡述矽基氮化鎵異質技術之其他細節，其中類似元件符號描繪類似元件。
參考圖1，繪示一橫向積體電路結構10。橫向積體電路結構10包含一電晶體12，其與一PCSS 14電耦合，且各者經橫向地整合且經支撐在一共同基板16上。電晶體12可為一FET，例如GaN電晶體、Si電晶體及隨附積體電路結構。PCSS 14可包含一GaN PCSS。基板16可包含一矽(Si)或碳化矽(SiC)材料。基板16包含一上表面18 。
一氮化鎵(GaN)層經安置在基板16之上表面18上以形成一矽基氮化鎵晶圓22。GaN層20串聯地支撐電晶體12及PCSS 14，使得電晶體12及PCSS 14經橫向地整合且經併入同一積體電路。
FET 12包含經安置於GaN層20上之一氮化鋁鎵(AlGaN)層24。FET 12包含經安置於AlGaN層24上之氮化矽電介質(SiN/電介質)層26，該AlGaN層24靠近FET 12之汲極D、閘極G及源極S中之各者。一二氧化矽電介質(SiO2/電介質)層28將電晶體12電路及一夾層30 (此為例如SiNx)及經安置於二氧化矽電介質層28內之導電互連31絕緣。電介質28、26及夾層30對被利用以觸發PCSS 14傳導路徑之一光源32係透明的。在一例示性實施例中，在電介質或夾層不透明之情況下，可在膜中打開一窗以允許光傳輸。
PCSS 14可包含經安置於GaN層上之一第一電觸點34 (PCSS-1)及一第二電觸點36 (PCSS-2)。在一例示性實施例中，二氧化矽電介質層28使光導半導體開關14之第一電觸點34及第二電觸點36中之各者絕緣。在例示性實施例中，電介質層28可為氮化矽或二氧化矽材料等。在其他例示性實施例中，第一電觸點34及第二電觸點36不具有電介質絕緣。一光導半導體開關14係半導體材料(例如GaN)之一區域，其通常具有非常高的電阻，此處例如無意地摻雜或摻雜一深層，諸如碳或鐵。此使材料能夠以極低洩漏阻斷大量電壓。然而，當使用具有一能量高於或接近帶隙能量之一光源32照明時，會產生過多激發載子。此類激發載子現形成用於開關之一低電阻傳導路徑。PCSS 14提供高電壓開關能力、超快開關速度或快速能量脈衝。至電晶體12之一輸入電壓可藉由PCSS 14之通斷狀態或其他方式控制。
亦參考圖2及圖3，可在晶圓22上以多種方式製造GaN PCSS 14。
如圖2中所示，在一例示性實施例中，PCSS 14可包含基板16，其中GaN層20經安置於包括晶圓22之基板16上。AlGaN層24可在沒有一二維電子氣體(2DEG)介面之情況下經組態於台面外。第一電觸點34及第二電觸點36經橫向地安置於晶圓22之GaN層20上之台面之外。
如圖3中所示，在例示性實施例中，PCSS 14可包括基板16，其中GaN層20經安置於包括晶圓22之基板16上。第一電觸點34及第二電觸點36位於台面上，且正在經安置於AlGaN層24上，使得提供AlGaN-GaN二維介面(2DEG介面)。可蝕刻AlGaN層24以在2DEG層24中形成一GaN窗38。窗38可具有一可變寬度尺寸，該尺寸可影響PCSS 14中接面之電阻。
本發明之一技術優勢包含光學閘控開關直接與矽基氮化鎵程式流程之整合，以實現光學閘控開關之本質高壓能力及快速回應時間。
本發明之另一個技術優勢包含一結構，該結構包含含有矽基氮化鎵電晶體裝置及GaN PCSS裝置兩者之一單一晶片/晶圓，其中最終裝置具有GaN電晶體、Si電晶體及GaN PCSS之功能，分開地或相互依賴地被利用。
本發明之另一個技術優勢包含一PCSS裝置，該裝置控制或藉由均勻地經整合在同一晶圓中一GaN+Si裝置控制。
本發明之另一個技術優勢包含一結構，該結構具有用於光電導材料之多個選項，例如，藉由光敏AlGaN/GaN材料之一狹窄區域連接之一AlGaN/GaN 2DEG。
本發明之另一個技術優勢包含利用矽鑄造廠之傳統技術製造可基於層減之GaN PCSS。
本發明之另一個技術優勢包含使用相同處置步驟同時製造GaN PCSS及GaN/Si電晶體兩者。
本發明之另一個技術優勢包含將PCSS添加至為一非顯然添加之一矽基氮化鎵裝置上，因為該裝置利用不會在一獨立矽基氮化鎵裝置或獨立PCSS裝置中使用之層及結構。
本發明之另一個技術優勢包含2DEG層必須完全凹陷，與矽基氮化鎵裝置不同。
本發明之另一技術優勢包含所使用之一AlGaN/GaN高電子遷移率電晶體(HEMPT) 磊晶之基板，而非針對光敏性最佳化之一體基板，此與典型的PCSS裝置不同。
已提供一種矽基氮化鎵異質技術。雖然已在其特定實施例之上下文中描述矽基氮化鎵異質技術，但對於已閱讀了上文描述之熟悉此項技術者來說，其他不可預見的替代方案、修改及變化可能變得顯而易見。因此，本發明旨在包含落在隨附發明申請專利範圍之廣泛範圍內之此等備選方案、修改及變動。
10:橫向積體電路結構
12:電晶體
14:PCSS
16:基板
18:上表面
20:GaN層
22:晶圓
24:AlGaN層
26:電介質
28:電介質
30:夾層/中間導電互連
31:導電互連
32:光源
34:第一電觸點
36:第二電觸點
38:GaN窗
D:汲極
G:閘極
S:源極
圖1係一例示性橫向積體電路結構之一橫截面示意圖。
圖2係一例示性GaN PCSS之一橫截面示意圖。
圖3係一例示性GaN PCSS之一橫截面示意圖。
10:橫向積體電路結構
12:電晶體
14:PCSS
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20:GaN層
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32:光源
34:第一電觸點
36:第二電觸點
D:汲極
G:閘極
S:源極
Claims (15)
- 一種積體電路結構，其包括： 一基板，其具有一上表面； 一氮化鎵層，其經安置於該基板之該上表面上；及 一光導半導體開關，其沿經整合至該積體電路結構之該氮化鎵層上之一電晶體經橫向地安置。
- 如請求項1之積體電路結構，其中該基板包括一矽材料及一碳化矽材料中之至少一者。
- 如請求項1之積體電路結構，其中該基板及該氮化鎵層構成一晶圓。
- 如請求項1之積體電路結構，其中該電晶體包括一場效電晶體。
- 如請求項1之積體電路結構，其中該光導半導體開關包括經安置於該GaN層上之一第一電觸點及一第二電觸點。
- 如請求項5之積體電路結構，其中該光導半導體開關包括經安置於矽晶圓上之一氮化鎵上之一氮化鋁鎵層，該第一電觸點及該第二電觸點經橫向地配置在該晶圓之該氮化鎵層上之台面外。
- 如請求項6之積體電路結構，其中該氮化鋁鎵層在沒有一二維電子氣體介面之情況下經組態於台面外。
- 如請求項5之積體電路結構，其中該光導半導體開關包括經安置於矽晶圓上之一氮化鎵上之一氮化鋁鎵層，該第一電觸點及該第二電觸點經安置於該氮化鋁鎵層上的台面上。
- 如請求項8之積體電路結構，其中存在一AlGaN-GaN二維電子氣體介面。
- 如請求項1之積體電路結構，其進一步包括： 一透明二氧化矽電介質絕緣層，其經組態以將該光導半導體開關之該第一電觸點及該第二電觸點中之各者與該電晶體絕緣。
- 如請求項1之積體電路結構，其進一步包括： 一光源，其光學地經耦合至該光導半導體開關。
- 如請求項1之積體電路結構，其中該光導半導體開關及該電晶體各者經組態以分開地或相互依賴地被利用。
- 如請求項1之積體電路結構，其中該光導半導體開關與該電晶體均勻經整合在矽晶圓上之一氮化鎵上，且經組態以控制該電晶體。
- 如請求項1之積體電路結構，其中該光導半導體開關與該電晶體均勻經整合在矽晶圓上之一氮化鎵中，且經組態以藉由該電晶體控制。
- 如請求項1之積體電路結構，其中一電介質及一夾層對被利用以觸發該光導半導體開關之一光源係透明的。
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2022
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| US20220320152A1 (en) | 2022-10-06 |
| WO2022212485A1 (en) | 2022-10-06 |
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