一种氮化镓衬底上反相器和环形振荡器

一种氮化镓衬底上反相器和环形振荡器
【技术领域】
1.本实用新型涉及电子电力技术领域，特别涉及一种氮化镓衬底上反相器和环形振荡器。


背景技术：

2.gan(氮化镓)基数字电路主要采用直接耦合场效应管逻辑(dcfl)来实现，在这其中高性能的e-mode(增强模式)gan hemt(高电子迁移率晶体管)器件的研发一直是技术痛点和难点。对于目前实现e-mode的方法，一般有f 离子注入，p-gan帽层技术和栅挖槽三种技术。其中，由f 离子注入技术实现的e-mode器件，因其阈值把控难的缺点，使得基于此e-mode器件实现的dcfl反相器和环形振荡电路的可靠性大打折扣；由p-gan帽层技术实现的e-mode器件，因其帽层生长工艺难度高且帽层较厚，使得dcfl反相器和环形振荡电路的高频特性成为问题；而由栅挖槽技术实现的e-mode器件，由于其对刻蚀深度的把控度要求极高，因此给商用大规模生产带来了困难。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的在于提供一种氮化镓衬底上反相器和环形振荡器，使得dcfl反相器和环形振荡电路的高频特性和可靠性得到提升。
4.本实用新型的目的是通过以下技术方案实现：
5.一种氮化镓衬底上反相器和环形振荡器，包括：
6.si衬底；
7.gan缓冲层，形成于所述si衬底上；
8.gan沟道层，形成于所述gan缓冲层上；
9.algan势垒层，形成于所述gan沟道层上；
10.e-mode器件和d-mode器件，形成于所述algan势垒层上，所述e-mode器件和所述d-mode器件的源极和漏极区域溅射ti/al/ni/au或ti/al/ni/tin或ti/al/w或ti/al/ni/w的金属组合，所述d-mode器件的有源区上覆盖耐高温掩膜；
11.电荷隧穿层，形成于所述e-mode器件和d-mode器件上；
12.电荷储存层，形成于所述电荷隧穿层上；
13.电荷阻挡层，形成于所述电荷储存层上；
14.其中，去除所述e-mode器件的欧姆接触区上方的电荷隧穿层、电荷储存层和电荷阻挡层，去除所述d-mode器件的欧姆接触区上方的电荷隧穿层，分别定义所述e-mode器件和所述d-mode器件的栅极金属区域，并在栅极上溅射ni/au或ni/tin或ni/w的金属组合，分别在所述e-mode器件和所述d-mode器件的表面生长若干层不导电电介质，使所述e-mode器件和所述d-mode器件间的电极绝缘，分别对所述e-mode和所述d-mode的栅极、源极和漏极区域进行不导电电介质的开孔，对所述e-mode和所述d-mode器件进行互联。
15.在其中一个实施例中，采用电子束蒸发蒸镀或金属溅射方法溅射漏极和源极金
属，欧姆接触区域每种金属厚度为1nm-10um；溅射漏极和源极金属后进行热退火，退火温度为100
°‑
1030
°
。
16.在其中一个实施例中，采用原子层沉积方法生长所述电荷隧穿层，所述电荷隧穿层材料为厚度1nm-1um的宽带隙氧化物。
17.在其中一个实施例中，所述耐高温掩膜为金属掩膜或碳膜；采用原子层沉积方法生长所述电荷储存层，所述电荷储存层材料为厚度1nm-1um的低带隙氧化物。
18.在其中一个实施例中，所述电荷阻挡层材料为厚度1nm-1um的宽带隙氧化物。
19.在其中一个实施例中，采用酸法腐蚀去除所述e-mode器件的欧姆接触区上方的所述电荷隧穿层、电荷储存层和电荷阻挡层。
20.在其中一个实施例中，采用酸法腐蚀去除所述d-mode器件的欧姆接触区上方的所述电荷隧穿层。
21.在其中一个实施例中，采用电子束蒸发蒸镀或金属溅射方法溅射栅极区域金属，栅极区域每种金属厚度为1nm-10um。
22.在其中一个实施例中，若干层所述不导电电介质的厚度为1nm-50um。
23.在其中一个实施例中，互联的金属为厚度1nm-10um的导电金属。
24.与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型的氮化镓衬底上反相器和环形振荡器，运用电荷储存层实现e-mode器件的方式，提出了一种在氮化镓衬底上用直接耦合场效应逻辑实现反相器和环形振荡电路的全新策略，基于电荷储存层实现的e-mode器件因其制造简单，且没有刻蚀工艺和额外的外延要求，使得dcfl反相器和环形振荡电路的高频特性和可靠性得到提升。
【附图说明】
25.图1是本实用新型氮化镓衬底上反相器和环形振荡器器件示意图；
26.图2是本实用新型氮化镓衬底上反相器和环形振荡器电路示意图。
【具体实施方式】
27.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
28.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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技术和简化描述，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技术保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
29.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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，可以通过具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
30.请参考图1，一种氮化镓衬底上反相器和环形振荡器，包括：si衬底；gan缓冲层，形成于si衬底上；gan沟道层，形成于gan缓冲层上；algan势垒层，形成于gan沟道层上；e-mode器件和d-mode器件，形成于algan势垒层上，e-mode器件和d-mode器件的源极和漏极区域溅射ti/al/ni/au或ti/al/ni/tin或ti/al/w或ti/al/ni/w的金属组合，d-mode器件的有源区上覆盖耐高温掩膜；电荷隧穿层，形成于e-mode器件和d-mode器件上；电荷储存层，形成于电荷隧穿层上；电荷阻挡层，形成于电荷储存层上；其中，去除e-mode器件的欧姆接触区上方的电荷隧穿层、电荷储存层和电荷阻挡层，去除d-mode器件的欧姆接触区上方的电荷隧穿层，分别定义e-mode器件和d-mode器件的栅极金属区域，并在栅极上溅射ni/au或ni/tin或ni/w的金属组合，分别在e-mode器件和d-mode器件的表面生长若干层不导电电介质，使e-mode器件和d-mode器件间的电极绝缘，分别对e-mode和d-mode的栅极、源极和漏极区域进行不导电电介质的开孔，对e-mode和d-mode器件进行互联。
31.在其中一个实施例中，采用电子束蒸发蒸镀或金属溅射方法溅射漏极和源极金属，即ti/al/ni/au或ti/al/ni/tin或ti/al/w或ti/al/ni/w的金属组合，欧姆接触区域每种金属厚度为1nm-10um不等；溅射漏极和源极金属后在快速热退火炉(rta)中进行热退火，退火温度为100
°‑
1030
°
之间。优选的，在快速热退火炉中进行热退火的退火温度为880
°
。
32.在其中一个实施例中，采用原子层沉积方法生长电荷隧穿层1，电荷隧穿层1材料为厚度1nm-1um的宽带隙氧化物，如al2o3、hfo2、sion。优选的，电荷隧穿层1材料为厚度4nm的al2o3。
33.在其中一个实施例中，耐高温掩膜为金属掩膜或碳膜；采用原子层沉积方法生长电荷储存层2，电荷储存层2材料可以为任一比上述宽带隙氧化物低的低带隙的氧化物，如zro2(二氧化锆)，sio2(二氧化硅)等。电荷储存层2材料的厚度为1nm-1um不等。
34.在其中一个实施例中，电荷阻挡层3材料为厚度1nm-1um的宽带隙氧化物。优选的，电荷阻挡层3材料为厚度12nm的al2o3。
35.在其中一个实施例中，采用酸法腐蚀去除e-mode器件的欧姆接触区上方的电荷隧穿层1、电荷储存层2和电荷阻挡层3；采用酸法腐蚀去除d-mode器件的高温掩膜(c膜)上方的两层氧化物。
36.在其中一个实施例中，采用酸法腐蚀去除d-mode器件的欧姆接触区上方的剩余的电荷隧穿层1。
37.在其中一个实施例中，采用电子束蒸发蒸镀或金属溅射方法溅射栅极区域金属，栅极区域每种金属厚度为1nm-10um不等。这里优选为采用ni/tin金属组合，金属厚度分别为50nm/50nm。
38.在其中一个实施例中，若干层不导电电介质总的厚度为1nm-50um。不导电电介质优选为用lpcvd(低压力化学气相沉积法)生长的sin，优选厚度为300nm。
39.在其中一个实施例中，互联的金属为厚度1nm-10um的任一导电金属，如al、ag、au等，优选为1um的al。
40.本技术还公开了一种氮化镓衬底上反相器和环形振荡器的实现方法，利用直接耦合场效应逻辑，其具体包括以下步骤：
41.步骤10，提供si衬底并在衬底上依次形成gan缓冲层、gan沟道层和algan(氮化铝镓)势垒层，gan缓冲层、gan沟道层和algan势垒层依次层叠；接着分别刻蚀出e-mode器件和d-mode器件有源区，有源区包括分别源极(source)、栅极(gate)和漏极(drain)；e-mode器件和d-mode器件有源区间刻蚀有间隔，并生长有氮化硅(sin)，具体采用等离子体刻蚀机刻蚀，刻蚀深度为gan缓冲层过刻蚀。
42.步骤20，分别在e-mode器件和d-mode器件的源极和漏极区域溅射ti/al/ni/au或ti/al/ni/tin或ti/al/w或ti/al/ni/w的金属组合(ti钛、al铝、ni镍、金、tin氮化钛、w钨)。优选的，分别在e-mode器件和d-mode器件的源极和漏极区域溅ti/al/ni/tin金属组合，金属厚度分别为22nm/90nm/50nm/50nm。
43.步骤30，分别在e-mode器件和d-mode器件上方生长电荷隧穿层1，电荷隧穿层1材料可以为任一宽带隙氧化物，如al2o3(三氧化二铝)、hfo2(二氧化铪)、sion(氮氧化硅)等。
44.步骤40，用金属掩膜或碳膜或任一耐高温掩膜盖住d-mode器件的有源区，在e-mode器件上方的电荷隧穿层1上方生长电荷储存层2。
45.步骤50，在电荷储存层2上方生长电荷阻挡层3，阻挡层材料为任一宽带隙氧化物，如al2o3、hfo2、sion等。
46.步骤60，去除e-mode器件的欧姆接触区上方的电荷隧穿层1、电荷储存层2和电荷阻挡层3这三层氧化物，以及去除d-mode器件的高温掩膜(c膜)上方的两层氧化物即电荷储存层2和电荷阻挡层3部分，并用氧等离子体去除碳掩膜。
47.步骤70，去除d-mode器件的欧姆接触区上方的剩余的电荷隧穿层1。
48.步骤80，分别定义e-mode器件和d-mode器件的栅极金属区域，并在栅极上溅射ni/au或ni/tin或ni/w的金属组合。
49.步骤90，分别在e-mode器件和d-mode器件的表面生长若干层不导电电介质，可以是一层或多层，使e-mode器件和d-mode器件间的电极绝缘。
50.步骤100，分别对e-mode和d-mode的栅极、源极和漏极区域进行不导电电介质的开孔工艺，对e-mode和d-mode器件进行互联。此步骤结束后，反相器和环形振荡器形成。
51.请参考图2的电路图，以dcfl反相器为例：vin为稳压前电压输入端，vout为稳压后电压输出端，gnd为接地(公共端)，vdd为器件内部工作电压。vin与gnd构成电压输入回路，vout与gnd构成电压输出回路。
52.与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型的氮化镓衬底上反相器和环形振荡器，运用电荷储存层实现e-mode器件的方式，提出了一种在氮化镓衬底上用直接耦合场效应逻辑实现反相器和环形振荡电路的全新策略，基于电荷储存层实现的e-mode器件因其制造简单，且没有刻蚀工艺和额外的外延要求，使得dcfl反相器和环形振荡电路的高频特性和可靠性得到提升。
53.以上述依据本技术的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。