GaN基CMOS反相器及其制备方法技术

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

【技术实现步骤摘要】
GaN基CMOS反相器及其制备方法


[0001]本公开涉及微电子
，尤其涉及一种GaN基CMOS反相器及其制备方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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(V
TH
)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。

技术实现思路

[0004]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。
[0005](一)技术方案
[0006]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。
[0007]根据本公开实施例，在GaN通道层上生长Al
y
Ga1‑
y
N势垒层，其中，0.15＜y＜0.25。
[0008]根据本公开实施例，Al
y
Ga1‑
y
N势垒层的厚度范围为10nm～25nm。
[0009]根据本公开实施例，在所述势垒层上生长Al
x
Ga1‑
x
N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。
[0010]根据本公开实施例，Al
x
Ga1‑
x
N渐变帽层的厚度范围为40nm～120nm。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016](二)有益效果
[0017]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：
[0018](1)可实现低功耗；
[0019](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。
[0020](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；
[0021](4)可以实现同质集成。
附图说明
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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。
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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‑
y
N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，Al
y
Ga1‑
y
N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Al
x
Ga1‑
x
N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，Al
x
Ga1‑
x
N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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙海定，张昊宸，邢展雍，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：