[發明專利]基于準增強型氮化鎵器件的反相器及其制造方法

在審

• 申請號: 202310403315.X
• 申請日: 2023-04-17
• 公開（公告）號: CN116564965A
• 公開（公告）日: 2023-08-08
• 發明（設計）人: 曹平予;崔苗;趙胤超;李帆
• 申請（專利權）人: 西交利物浦大學
• 主分類號: H01L27/088
• 分類號: H01L27/088;H01L29/778;H01L29/20;H01L21/8236
• 代理公司: 蘇州謹和知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32295
• 代理人: 葉棟

本發明提供了一種基于準增強型氮化鎵器件的反相器及其制造方法，反相器包括耗盡型負載晶體管和一個準增強型負載晶體管，準增強型負載晶體管由一個耗盡型負載晶體管的源極和柵極之間串聯若干二極管形成，二極管為與晶體管一同制備的肖特基勢壘二極管，準增強型負載晶體管的漏極與耗盡型負載晶體管的源極和柵極連接，本發明通過對器件結構的改變，制備了閾值電壓為正的準增強型GaN?HEMT器件，不需要對半導體層進行刻蝕，降低對刻蝕設備的需求，簡化制備工藝流程，同時避免了刻蝕所帶來的損傷，提高了器件的性能；將準增強型器件與耗盡型器件同時集成在一個外延片上，這兩種器件通過金屬連接，構成單片集成的反相器電路。

技術領域

本發明涉及一種基于準增強型氮化鎵器件的反相器及其制造方法。

背景技術

氮化鎵(GaN)材料的禁帶寬度大、電子飽和速度快、且擊穿電壓高。因此，基于鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質結結構的高電子遷移率晶體管(HEMT)具有飽和電流大，通態電阻小等優點。因此，GaN?HEMT能夠在高壓、高頻、高溫等極端條件下工作，被廣泛應用于汽車工業、航空航天以及軍事裝備等重要領域。

GaN?HEMT器件在自發極化與壓電極化的雙重作用下形成二維電子氣，從而構成漏極與源極之間的導電溝道。由于AlGaN/GaN異質結的存在，只有柵極施加負電壓的情況下，才能耗盡二維電子氣，使器件處于關斷狀態，因此稱為耗盡型(D-mode)器件。而反相器電路通常由一個D-mode器件和一個增強型(E-mode)器件串聯組成，因此需要制備E-mode?GaNHEMT，即只有在柵極施加正電壓的情況下，器件才會實現導通。目前實現E-mode?GaN?HEMT的方式主要有四種：柵極挖槽(Gate?Recess)技術，p-GaN?cap技術，氟離子注入技術以及Cascade結構技術。前兩種方法對刻蝕技術及設備要求較高，容易造成器件表面損傷，進而引起器件性能的退化。氟離子注入技術會降低器件的熱穩定性，而Cascade技術會增加器件的電阻，降低器件的工作頻率。

柵極挖槽型：

通過ICP等刻蝕技術，對柵下的AlGaN勢壘層進行刻蝕，耗盡導電溝道，從而實現E-mode器件。但柵槽刻蝕帶來的損傷以及界面態會影響器件性能，造成柵極漏電增加、溝道電子遷移率降低、導通電阻增大等問題。

p-GaN層全刻蝕方案：

通過p-GaN層來耗盡二維電子氣，并通過ICP等刻蝕技術，刻蝕除柵極以下的p-GaN層。該方法依然需要借助刻蝕技術，因此帶來一定的刻蝕損傷，使得器件界面特性差，容易產生電流崩塌。

氟離子注入技術：

該技術可以通過注入氟離子，來實現增強型器件，且注入氟離子的濃度和深度分布可控。但是，該技術會影響器件的熱穩定性，導致器件的高溫特性變差。

Cascade結構技術：

該技術是將增強型硅(Si)基場效應晶體管(MOSFET)器件與耗盡型GaN器件級聯形成Cascade結構。因此，總導通電阻為二者之和，由于Si基器件的通態電阻較大，因此器件的總導通電阻較大。同時，器件開關速度也取決于Si基器件，所以該技術方案的工作頻率也較低。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于準增強型氮化鎵器件的反相器及其制造方法，不需要進行刻蝕工藝，以簡單的工藝實現高可靠性，減少蝕刻帶來的損傷及界面態的問題。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于準增強型氮化鎵器件的反相器，包括：

耗盡型的第一負載晶體管；

耗盡型的第二負載晶體管，其漏電極與耗盡型的第一負載晶體管的源電極和柵電極連接；及