CN108615799B - 光调制的半导体场效应晶体管和集成电路 - Google Patents

光调制的半导体场效应晶体管和集成电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光调制的半导体场效应晶体管和集成电路，其中该光调制的半导体场效应晶体管包括：半导体层；源区和漏区，所述源区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上，所述漏区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上；形成在所述半导体层之上的栅结构；形成在所述半导体层之上的发光结构，其中，所述发光结构至少部分地覆盖所述源区和/或漏区，所述发光结构用于产生用于激发所述半导体层中电子和空穴对的光线。本发明的光调制的半导体场效应晶体管和集成电路，将发光结构设置半导体层之上，部分覆盖源或漏，使发光结构与沟道区更近，可以在沟道区有效激发电子‑空穴对，提高沟道区载流子浓度，利用光照极大地改善器件的导通电流。

Description

光调制的半导体场效应晶体管和集成电路
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种光调制的半导体场效应晶体管和集成电路。
背景技术
氮化镓(GaN)宽禁带直接带隙材料具有高硬度、高热导率、高电子迁移率、稳定的化学性质、较小的介电常数和耐高温等优点，所以GaN在发光二极管、高频、高温、抗辐射、高压等电力电子器件中有着广泛的应用和巨大的前景。
迄今为止，基于GaN材料的异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)已经有了广泛的应用和研究，但是，常开型的HEMT并不能满足低功耗的应用要求。所以，对常关型GaN材料的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的研究很有必要，并且也越来越受到重视。
对于GaN-MOSFET，其源漏注入采用的是Si离子(n型沟道)和Mg离子(p型沟道)。但对于GaN材料，注入离子激活需要很高的温度，尤其对于p型沟道的Mg离子，激活率不高，这就导致GaN-MOSFET的导通电流受到了一定的限制。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有结构简单、导通电流高的光调制的半导体场效应晶体管。
根据本发明实施例的光调制的半导体场效应晶体管，包括：半导体层；源区和漏区，所述源区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上，所述漏区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上；形成在所述半导体层之上的栅结构；形成在所述半导体层之上的发光结构，其中，所述发光结构至少部分地覆盖所述源区和/或漏区，所述发光结构用于产生用于激发所述半导体层中电子和空穴对的光线。
在本发明的一个实施例中，所述源区包括：第一重掺杂层；形成在所述第一重掺杂层之上的第一金属接触层；所述发光结构包括：形成在所述第一重掺杂层之上的第一发光层；形成在所述第一发光层之上的第一掺杂层，所述第一重掺杂层和所述第一掺杂层的导电类型相反；设置在所述发光结构第一掺杂层之上的第一电极。
在本发明的一个实施例中，所述发光结构还包括：形成在所述第一重掺杂层和所述发光层之间的第二掺杂层，所述第二掺杂层与所述第一重掺杂层的导电类型相同。
在本发明的一个实施例中，所述漏区包括：第二重掺杂层；形成在所述第二重掺杂层之上的第二金属接触层；所述发光结构包括：形成在所述第二重掺杂层之上的第二发光层；形成在所述第二发光层之上的第三掺杂层，所述第三掺杂层和所述第二重掺杂层的导电类型相反；设置在所述发光结构第三掺杂层之上的第二电极。
在本发明的一个实施例中，所述发光结构还包括：形成在所述第二重掺杂层和所述发光层之间的第四掺杂层，所述第四掺杂层和所述第二重掺杂层的导电类型相同。
在本发明的一个实施例中，所述半导体层包括具有直接带隙结构的半导体材料。
在本发明的一个实施例中，所述衬底的材料包括氮化物半导体材料、砷化物半导体材料、氧化物半导体材料或锑化物半导体材料。
在本发明的一个实施例中，所述发光层为发光二极管。
在本发明的一个实施例中，所述发光二极管结构包括发光层，所述发光层为量子阱或多量子阱结构。
在本发明的一个实施例中，所述发光层的材料与所述衬底的材料属于同一系列。
在本发明的一个实施例中，所述发光层的禁带宽度不小于所述半导体层的禁带宽度。
在本发明的一个实施例中，还包括：同步结构，用于控制所述半导体场效应晶体管和所述发光结构同步开启。
在本发明的一个实施例中，所述场效应晶体管包括MOSFET、MESFET、MISFET和JFET。
在本发明的一个实施例中，所述场效应晶体管具有平面结构、双栅结构、FinFET结构或环栅结构。
由上可知，根据本发明实施例的光调制的半导体场效应晶体管至少具有如下优点：
相对于传统的独立GaN-MOSFET而言，本发明提出的光调制的半导体场效应晶体管，将发光结构设置衬底之上，部分覆盖源或漏，使发光结构与沟道区很接近，可以在沟道区有效激发电子-空穴对，提高沟道区载流子浓度，利用光照极大地改善器件的导通电流。
本发明的另一个目的在于提出一种集成电路。
根据本发明实施例的集成电路，包括上述实施例所述的光调制的场效应晶体管。
由上可知，根据本发明实施例的集成电路至少具有如下优点：
相对于传统的独立GaN-MOSFET而言，本发明提出的集成电路，将发光结构设置衬底之上，部分覆盖源或漏，使发光结构与与沟道区更近，可以在沟道区有效激发电子-空穴对，提高沟道区载流子浓度，利用光照极大地改善器件的导通电流。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的光调制的半导体场效应晶体管的结构示意图；
图2是本发明一个实施例中将发光结构设置在源区之上的半导体场效应晶体管的结构示意图；
图3是本发明另一个实施例中将发光结构设置在源区之上的半导体场效应晶体管的结构示意图；
图4是本发明一个实施例中将发光结构设置在漏区之上的半导体场效应晶体管的结构示意图；
图5是本发明另一个实施例中将发光结构设置在漏区之上的半导体场效应晶体管的结构示意图；
图6是本发明一个实施例中发光结构与栅极共享电压的半导体场效应晶体管的结构示意图；
图7是本发明一个实施例的发光二极管结构的结构示意图；
图8是本发明一个实施例的包括同步结构的光调制的半导体场效应晶体管的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
本发明一方面提出一种光调制的半导体场效应晶体管，如图1所示，包括：半导体层100；源区200和漏区300，源区200和漏区300可以如图1所示设置在半导体层100之中，还可以采用抬升结构设置在半导体层100之上，一方面，抬升的源极和漏极可以通过外延形成，获得更重的掺杂和更低的电阻率，降低源漏串联电阻和器件导通电阻，提升器件的开态性能；另一方面，通过外延形成的抬升的源极和漏极可以有效地控制其中掺杂元素的分布，利用调制器件的阈值电压；形成在半导体层100之上的栅结构400；形成在半衬底100之上的发光结构500。其中，发光结构500至少部分地覆盖源区200和/或漏区300，发光结构500用于产生光子以激发半导体层100中的电子-空穴对。
在本发明的一个实施例中，对于n沟道MOSFET，如图2所示，源区200包括第一重掺杂层210，其导电类型为n型，和形成在第一重掺杂层210之上的第一金属接触层220。发光结构500包括形成在第一重掺杂层210之上第一发光层510；形成在发光层510之上的第一掺杂层520，其导电类型为p型，即与第一重掺杂层210的导电类型相反，第一掺杂层520可以是重掺杂层，通过重掺杂降低电阻，提高发光效率；形成在第一掺杂层520之上的第一电极。其中，发光结构500与源区200共用第一重掺杂层210，可以降低器件结构的复杂性，降低制造成本。当器件导通时，栅压为正，发光结构500产生光子，光子在半导体层100中激发电子和空穴对，其中的电子流向沟道区，增加器件沟道区的有效载流子浓度，从而增加器件的开态电流，增强器件性能。半导体层100可以是形成在绝缘体上的半导体材料，也可以是Si上外延的化合物半导体材料，如GaN等，还可以是自支撑的化合物半导体材料，如GaN自支撑晶片衬底。需要特别指出的是，图2中的半导体层100仅是一种示意结构，可包含单层材料层，也可以包含多层材料层；图中栅结构400下方的沟道区可以是单层结构，也可以是具有二维电子气或二维空穴气的多层材料结构；半导体层中还可以包含有p型或n型阱，器件的有源区可以位于阱中，以减少漏电；这些结构都在本发明的保护范围之内，不受本示例的限制。栅结构400可以仅包括栅金属(此时为金属-半导体场效应晶体管(MESFET)结构)，或包括栅金属和栅介质(此时为金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)或金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)结构)，此外，栅结构还可以是由p-n结形成的栅极(此时为结型场效应晶体管(JFET)结构)。发光结构500部分覆盖源区200和/或漏区300。在本发明的另一个实施例中，如图3所示，工作原理与上述实施例中与n沟道MOSFET一致，区别仅在于发光结构500不与源区200共用第一重掺杂层210，而是在第一重掺杂层210和发光层510之间设置第二掺杂层530，第二掺杂层530与第一重掺杂层210具有相同的导电类型，即n型导电。需要说明的是，本实施例以n沟道MOSFET为例，而这些结构通过相应地调整可以应用在n沟道MISFET、MESFET和JFET，以及p沟道MOSFET、MISFET、MESFET和JFET之中。
在本发明的另一个实施例中，对于p沟道MOSFET，如图4所示，漏区300包括第二重掺杂层310，其导电类型为p型，和形成在第二重掺杂层310之上的第二金属接触层320。发光结构500包括形成在第二重掺杂层310之上第二发光层510；形成在发光层510之上的第三掺杂层520，其导电类型为n型，即与第二重掺杂层310的导电类型相反，第一掺杂层520可以是重掺杂层，通过重掺杂降低电阻，提高发光效率；形成在第一掺杂层520之上的第二电极。其中，发光结构500与漏区200共用第二重掺杂层320，可以降低器件结构的复杂性，降低制造成本。当器件导通时，栅压为正，发光结构500产生光子，光子在半导体层100中激发电子和空穴对，其中的电子流向沟道区，增加器件沟道区的有效载流子浓度，从而增加器件的开态电流，增强器件性能。对一些化合物半导体材料，例如GaN、ZnO等，由于p沟道MOSFET的注入离子激活比n沟道MOSFET更难，造成常规情况下沟道中的有效载流子浓度低，采用光子激发电子-空穴对后，对有效载流子浓度提升的作用将非常显著，因此，采用本发明的结构对这类化合物半导体材料构成的p沟道MOSFET的沟道电流的增强效果将更加明显。需要特别指出的是，图4中的半导体层100仅是一种示意结构，可包含单层材料层，也可以包含多层材料层；图中栅结构400下方的沟道区可以是单层结构，也可以是具有二维电子气或二维空穴气的多层材料结构；半导体层中还可以包含有p型或n型阱，器件的有源区可以位于阱中，以减少漏电；这些结构都在本发明的保护范围之内，不受本示例的限制。栅结构400可以仅包括栅金属(此时为金属-半导体场效应晶体管(MESFET)结构)，或包括栅金属和栅介质(此时为金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)或金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)结构)，此外，栅结构还可以是由p-n结形成的栅极(此时为结型场效应晶体管(JFET)结构)。发光结构500部分覆盖源区200和/或漏区300。在本发明的另一个实施例中，如图5所示，工作原理与上述实施例中与p沟道MOSFET一致，区别仅在于发光结构500不与漏区300共用第二重掺杂层310，而是在第二重掺杂层310和发光层510之间设置第四掺杂层530，第二掺杂层530与第二重掺杂层310具有相同的导电类型，即p型导电。需要说明的是，本实施例以p沟道MOSFET为例，而这些结构通过相应地调整可以应用在p沟道MISFET、MESFET和JFET，以及n沟道MOSFET、MISFET、MESFET和JFET之中。
在本发明的另一个实施例中，发光结构500还可以同时设置在源区200和漏区300之上，原理与上述发光结构500仅设置在源区200或漏区300之上类似。相对于将发光结构500仅设置在源区200或漏区300之上，将发光结构500的设置在源区200和漏区300之上时，供电电路将会较为复杂，因为源区200和漏区300的电位不同，要其上的发光结构500同时工作，则两个发光结构500需要供给不同的电压，所以将发光结构500仅设置在源区200或漏区300上为优选。
为了简便表述，在下面的示例中，均以n沟道MOSFET为例，而这些结构均可以用在n沟道MISFET、MESFET和JFET，以及p沟道MOSFET、MISFET、MESFET和JFET之中。
如图6所示，在本发明的一个实施例中，发光结构500与场效应晶体管共享相同的栅电压(发光结构500的设置方式可以如图2-图5中任一形式设在源区200和/或漏区300之上)。当器件导通时，发光结构500和场效应晶体管同步开启和关断，可以在增强光调制的场效应晶体管的沟道电流的前提下，简化器件和电路结构，减少工艺的复杂性，降低成本。
在本发明的一个实施例中，半导体层100包括具有直接带隙结构的半导体材料。直接带隙材料在光子的激发下可快速响应产生电子-空穴对，且其具有非常高内部量子效率，有利于增强光调制的作用，提升器件性能。
在本发明的一个实施例中，半导体层100的材料包括氮化物半导体材料、砷化物半导体材料、氧化物半导体材料或锑化物半导体材料。其中，氮化物半导体材料包括GaN、AlGaN、InGaN、AlN、InN。砷化物半导体材料包括GaAs、AlGaAs、InGaAs、InAs。氧化物半导体材料包括Ga2O3、ZnO、InGaZnO。锑化物半导体材料包括GaSb、AlGaSb、InGaSb、InSb。这些材料都具有直接带隙的能带结构，可在光子的激发下快速响应产生电子-空穴对。
在本发明的一个实施例中，发光结构500为发光二极管结构。其中，发光二极管结构可以如图1所示进行设置。发光二极管结构还可以是如图7所示包括量子阱或多量子阱结构作为发光层的结构。场效应晶体管的一个电极的引出可以直接从衬底100引出，或从衬底背面引出，另一个电极可以通过第一掺杂层引出。
在本发明的一个实施例中，发光层的材料与半导体层100的材料属于同一系列，即发光层520的材料为与半导体层100材料对应的氮化物、砷化物、氧化物或者磷化物。采用同一系列材料制成的发光层520和半导体层100能简化发光结构的制作工艺，同时，调节发光层和半导体层100的禁带宽度，使得发光结构500发出的光子可被半导体层100有效吸收，从而有效增强场效应晶体管的沟道导通电流。
在本发明的一个实施例中，发光层520的禁带宽度不小于半导体层100的禁带宽度。发光层520的禁带宽度不小于半导体层100的禁带宽度时，则产生的光子具有足够的能量在半导体层100中激发电子空穴对，此时其内部量子效率高，在半导体层中产生的有效载流子多，沟道导通电流越大。当然，即便发光层520的禁带宽度小于半导体层的禁带宽度，产生的光子也可以激发半导体层中的电子-空穴对，但其内部量子效率会比较低；反之，如果发光层520的禁带宽度远大于半导体层的禁带宽度，虽然光子有足够的能量激发半导体层中的电子空穴对，然而其富余的能量会转换为热量，造成器件发热和能量浪费。因此，发光层的禁带宽度与半导体层的禁带宽度一致为最优。
在本发明的一个实施例中，还包括用于控制场效应晶体管和发光结构500同步开启的同步结构。如图8所示，在本实施例中，在发光结构500(发光结构500的设置方式可以如图2-图5中任一形式设在源区200和/或漏区300之上)和场效应晶体管之间串联一个电阻，通过调制栅极电压，以确保发光结构和场效应晶体管能够同步开启和关断。需要指出的是，同步结构不限于在发光结构500和场效应晶体管之间串联一个电阻，只要能使发光结构和场效应晶体管同步开启的电路或器件结构均可；同样，电阻也不限于串联在电源和发光结构之间，也可以串联在电源和场效应晶体管的栅极之间，串联这个电阻是为了调制场效应晶体管和发光结构之间的电压，使得发光结构和场效应晶体管均在合适的电压下工作即可。
相对于传统的半导体场效应晶体管而言，本发明提出的光调制的半导体场效应晶体管，将发光结构设置衬底之上，部分覆盖源和/或漏，使发光结构与沟道区很接近，可以在沟道区有效激发电子-空穴对，提高沟道区载流子浓度，利用光照极大地改善器件的导通电流。
本发明的实施例还公开了一种集成电路，包括上述实施例所述的半导体场效应晶体管。通过光调制的场效应晶体管开态性能的提升，可有效改善集成电路的性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (15)

1.一种光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，包括：
半导体层；
源区和漏区，所述源区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上，所述漏区设置在所述半导体层之中或所述半导体层之上；
形成在所述半导体层之上的栅结构；
形成在所述半导体层之上的发光结构，其中，所述发光结构至少部分地覆盖所述源区和/或漏区，所述发光结构用于产生用于激发所述半导体层中电子和空穴对的光线；
所述源区和所述漏区采用抬升结构设置在所述半导体层之上。
2.如权利要求1所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，所述源区包括：
第一重掺杂层；
形成在所述第一重掺杂层之上的第一金属接触层；
所述发光结构包括：
形成在所述第一重掺杂层之上的第一发光层；
形成在所述发光层之上的第一掺杂层，所述第一重掺杂层和所述第一掺杂层的导电类型相反；
设置在所述发光结构第一掺杂层之上的第一电极。
3.如权利要求2所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，所述发光结构还包括：
形成在所述第一重掺杂层和所述发光层之间的第二掺杂层，所述第二掺杂层与所述第一重掺杂层的导电类型相同。
4.如权利要求1所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，所述漏区包括：
第二重掺杂层；
形成在所述重掺杂层之上的第二金属接触层；
所述发光结构包括：
形成在所述第二重掺杂层之上的第二发光层；
形成在所述第二发光层之上的第三掺杂层，所述第三掺杂层和所述第二重掺杂层的导电类型相反；
设置在所述发光结构第三掺杂层之上的第二电极。
5.如权利要求4所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，所述发光结构还包括：
形成在所述第二重掺杂层和所述发光层之间的第四掺杂层，所述第四掺杂层和所述第二重掺杂层的导电类型相同。
6.如权利要求1所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，所述半导体层包括具有直接带隙结构的半导体材料。
7.如权利要求6所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，所述半导体层的材料包括氮化物半导体材料、砷化物半导体材料、氧化物半导体材料或锑化物半导体材料。
8.如权利要求2-5中任一项所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，所述发光层为发光二极管。
9.如权利要求8所述的光调制的半导体场效应晶体管，所述发光二极管结构包括发光层，所述发光层为量子阱或多量子阱结构。
10.如权利要求2-5中任一项所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，所述发光层的材料与所述半导体层的材料属于同一系列。
11.如权利要求2-5中任一项所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，所述发光层的禁带宽度不小于所述半导体层的禁带宽度。
12.如权利要求1所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，还包括：
同步结构，用于控制所述半导体场效应晶体管和所述发光结构同步开启。
13.如权利要求1所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，所述场效应晶体管包括MOSFET、MESFET、MISFET和JFET。
14.如权利要求1所述的光调制的半导体场效应晶体管，其特征在于，所述场效应晶体管具有平面结构、双栅结构、FinFET结构或环栅结构。
15.一种集成电路，其特征在于，包括如权利要求1-14中任一项所述的光调制的半导体场效应晶体管。
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