特表 2024-512626 ＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉ電界効果トランジスタと横方向に並んで製造された光導電性半導体スイッチ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-19

(54)【発明の名称】ＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉ電界効果トランジスタと横方向に並んで製造された光導電性半導体スイッチ

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20240312BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20240312BHJP

   H01L 21/8234 20060101ALI20240312BHJP

   H01L 21/337 20060101ALI20240312BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

H01L29/78 301B

H01L27/06 102A

H01L29/80 E

H01L29/80 G

H01L29/80 C

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023559708

(86)(22)【出願日】2022-03-30

(85)【翻訳文提出日】2023-09-27

(86)【国際出願番号】 US2022022523

(87)【国際公開番号】W WO2022212487

(87)【国際公開日】2022-10-06

(31)【優先権主張番号】17/220,660

(32)【優先日】2021-04-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】503455363

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】デジャール，マシュー，ティー．

(72)【発明者】

【氏名】ラロッシュ，ジェフリー，アール．

(72)【発明者】

【氏名】ロング，クレイ，ティー．

(72)【発明者】

【氏名】ソワレ，ラヴレース，ジェイ．

【テーマコード（参考）】

5F048

5F102

5F140

【Ｆターム（参考）】

5F048AC01

5F048AC10

5F048BA14

5F102GA19

5F102GB01

5F102GC01

5F102GD01

5F102GD04

5F102GJ02

5F102GJ03

5F102GL04

5F102GM04

5F102GQ01

5F102GR12

5F102GS04

5F102GV07

5F102GV08

5F140AB06

5F140AB08

5F140BA01

5F140BA02

5F140BA06

5F140BA09

5F140BA17

5F140BB18

5F140BC12

5F140CC03

5F140CC08

(57)【要約】

集積回路構造であって、上面を有する基板と、基板の上面に配置された窒化ガリウム層と、集積回路構造内に集積された窒化ガリウム層上でトランジスタと横方向に並んで配置された光導電性半導体スイッチとを含み、再成長窒化ガリウム材料が、光導電性半導体スイッチ上に配置されて、ウェハと動作可能に結合される、集積回路構造。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

集積回路構造であって、
上面を有する基板と、
前記基板の前記上面上に配置された窒化ガリウム層であって、前記基板及び前記窒化ガリウム層はウェハを含む、前記窒化ガリウム層と、
前記集積回路構造内に集積された前記窒化ガリウム層上にトランジスタと横方向に並んで配置された光導電性半導体スイッチと、を備え、
再成長窒化ガリウム材料が前記光導電性半導体スイッチ上に配置され、前記ウェハと動作可能に結合される、
集積回路構造。

【請求項2】

前記基板が、シリコン材料及び炭化シリコン材料のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の集積回路構造。

【請求項3】

前記トランジスタが、電界効果トランジスタを含む、請求項１に記載の集積回路構造。

【請求項4】

前記光導電性半導体スイッチが、前記ＧａＮ層上に配置された第１の電気接点及び第２の電気接点を備える、請求項１に記載の集積回路構造。

【請求項5】

前記光導電性半導体スイッチが、窒化ガリウムオンシリコンウェハ上に配置された窒化アルミニウムガリウム層を含み、前記第１の電気接点及び前記第２の電気接点が、前記ウェハの前記窒化ガリウム層上にメサから離れて横方向に配置され、前記再成長窒化ガリウム材料が、前記第１の電気接点及び前記第２の電気接点のそれぞれを覆うように堆積され、前記第１の電気接点と前記第２の電気接点との間の前記窒化ガリウム上に配置される、請求項４に記載の集積回路構造。

【請求項6】

前記再成長窒化ガリウム材料及び前記窒化ガリウム層のうちの少なくとも１つが、光導電性回路を形成する、請求項５に記載の集積回路構造。

【請求項7】

前記光導電性半導体スイッチが、窒化ガリウムオンシリコンウェハ上に配置された窒化アルミニウムガリウム層を含み、前記第１の電気接点及び前記第２の電気接点が、前記窒化アルミニウムガリウム層上に配置されているメサ上にあり、ＡｌＧａＮ－ＧａＮ二次元電子ガス界面が存在し、窓がＡｌＧａＮ層内にエッチングされ、再成長ＧａＮ層が、前記窓内に堆積される、請求項４に記載の集積回路構造。

【請求項8】

前記再成長ＧａＮ層が、前記窓内の露出した窒化ガリウム層上に配置される、請求項７に記載の集積回路構造。

【請求項9】

前記光導電性半導体スイッチの前記第１の電気接点及び前記第２の電気接点のそれぞれと前記トランジスタを絶縁するように構成された透明な二酸化シリコン誘電体絶縁層をさらに含む、請求項４に記載の集積回路構造。

【請求項10】

前記光導電性半導体スイッチに光学的に結合された光源をさらに含む、請求項１に記載の集積回路構造。

【請求項11】

前記光導電性半導体スイッチ及び前記トランジスタが、それぞれ別個にまたは相互依存して利用されるように構成される、請求項１に記載の集積回路構造。

【請求項12】

前記光導電性半導体スイッチが、窒化ガリウムオンシリコンウェハ上で前記トランジスタと均一に集積され、前記トランジスタを制御するように構成される、請求項１に記載の集積回路構造。

【請求項13】

前記光導電性半導体スイッチが、窒化ガリウムオンシリコンウェハ内で前記トランジスタと均一に集積され、前記トランジスタによって制御されるように構成される、請求項１に記載の集積回路構造。

【請求項14】

誘電体及び中間層が、前記光導電性半導体スイッチをトリガするために利用される光源に対して透明である、請求項１に記載の集積回路構造。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

本開示は、改良された窒化ガリウム（ＧａＮ）集積回路技術、詳細には、ＧａＮ光導電性半導体スイッチ（ＰＣＳＳ）及び／または光導電性スイッチングトランジスタ及びＧａＮトランジスタの両方を含む構造、ならびに付随する集積回路構造を対象とする。

【0002】

現在、オンチップのＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉ高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）スイッチ及びＲＦデバイスは電気信号によって制御されており、従来の半導体デバイスの設計及び製造の制約によって制限されている。例えば、スイッチング速度はデバイスの形状とオン／オフ電流比に制限される。別の例には、デバイスの絶縁破壊電圧が含まれる。絶縁破壊電圧とは、デバイスが壊滅的に故障する前にデバイスが処理できる最大電圧である。この電圧は、印加されたドレインバイアスとゲートからドレインまでの距離の関数であるドレイン側の電界ピークが材料の絶縁破壊電界を超えたときの、ＨＥＭＴ半導体材料及び／または誘電体の絶縁破壊によって決まる。絶縁破壊電圧未満の安全な動作領域で動作する現在の最先端のＧａＮ ＨＥＭＴスイッチの最大動作電圧は、約６５０Ｖである。光導電性半導体スイッチ（ＰＣＳＳ）と光導電性スイッチングトランジスタは、異なるデバイスであり、金属ゲートによって印加されるバイアスではなく光によってスイッチングされる高電圧スイッチング機能、超高速スイッチング速度、または高速エネルギーパルスを提供する。そのため、従来のＧａＮ ＨＥＭＴスイッチやＲＦデバイスと比べて動作電圧が増加する可能性がある。

【0003】

さらに、既存のＧａＮ ＰＣＳＳ構造は、非平面のリフトオフベースのプロセスを通して製造されたスタンドアロンデバイスであり、より大きなモジュールの一部として、トランジスタ、集積回路（ＩＣ）、及び光源（例えば、レーザ及び発光ダイオード）に、ワイヤボンディングまたは回路基板設計のいずれかによって接続されている。

【0004】

最大の性能と機能密度に必要なのは、コンパクトに集積された光導電性半導体スイッチと光導電性スイッチングトランジスタである。

【発明の概要】

【0005】

本開示によると、上面を有する基板と、基板の上面に配置された窒化ガリウム層であって、基板及び窒化ガリウム層がウェハを含む窒化ガリウム層と、集積回路構造内に組み込まれた窒化ガリウム層上にトランジスタと横方向に並んで配置された光導電性半導体スイッチとを含む集積回路構造であって、再成長窒化ガリウム材料が、光導電性半導体スイッチ上に配置され、ウェハと動作可能に結合される、集積回路構造が提供される。

【0006】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、基板がシリコン材料及び炭化シリコン材料のうちの少なくとも１つを含むことを、追加的及び／または代替的に含み得る。

【0007】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、トランジスタが電界効果トランジスタを含むことを、追加的及び／または代替的に含み得る。

【0008】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、光導電性半導体スイッチがＧａＮ層上に配置された第１の電気接点及び第２の電気接点を含むことを追加的及び／または代替的に含み得る。

【0009】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、光導電性半導体スイッチが窒化ガリウムオンシリコンウェハ上に配置された窒化アルミニウムガリウム層を含み、第１の電気接点及び第２の電気接点がウェハの窒化ガリウム層上でメサから離れて横方向に配置され、再成長窒化ガリウム材料は、第１の電気接点及び第２の電気接点のそれぞれを覆って堆積され、第１の電気接点と第２の電気接点との間の窒化ガリウム上に配置されることを追加的及び／または代替的に含み得る。

【0010】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、再成長窒化ガリウム材料及び窒化ガリウム層のうちの少なくとも１つが光導電性回路を形成することを追加的及び／または代替的に含み得る。

【0011】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、光導電性半導体スイッチが窒化ガリウムオンシリコンウェハ上に配置された窒化アルミニウムガリウム層を含み、第１の電気接点及び第２の電気接点が、窒化アルミニウムガリウム層上に配置されているメサ上にあり、ＡｌＧａＮ－ＧａＮの二次元の電子ガス界面が存在し、ＡｌＧａＮ層内に窓がエッチングされ、再成長ＧａＮ層が窓に堆積されることを、追加的及び／または代替的に含み得る。

【0012】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、再成長ＧａＮ層が窓の露出された窒化ガリウム層上に配置されることを、追加的及び／または代替的に含み得る。

【0013】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、光導電性半導体スイッチの第１の電気接点及び第２の電気接点のそれぞれとトランジスタを絶縁するように構成された透明な二酸化シリコン誘電体絶縁層をさらに含む集積回路構造を追加的及び／または代替的に含み得る。

【0014】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、光導電性半導体スイッチに光学的に結合された光源をさらに含む集積回路構造を追加的及び／または代替的に含み得る。

【0015】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、光導電性半導体スイッチ及びトランジスタがそれぞれ、別個にまたは相互依存して利用されるように構成されることを、追加的及び／または代替的に含み得る。

【0016】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、光導電性半導体スイッチが窒化ガリウムオンシリコンウェハ上でトランジスタと均質的に統合され、トランジスタを制御するように構成されることを、追加的及び／または代替的に含み得る。

【0017】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、光導電性半導体スイッチが窒化ガリウムオンシリコンウェハ内のトランジスタと均質的に統合され、トランジスタによって制御されるように構成されることを追加的及び／または代替的にさらに含み得る。

【0018】

前述の実施形態のいずれかのさらなる実施形態は、誘電体及び中間層が光導電性半導体スイッチをトリガするために利用される光源に対して透明であることを追加的及び／または代替的に含み得る。

【0019】

ＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉ異種技術の他の詳細は、以下の詳細な説明と添付の図面に記載される。図中、類似の参照番号は類似の要素を表す。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】例示的な横方向集積回路構造の概略断面図である。

【0021】

【図2】例示的なＧａＮ ＰＣＳＳの概略断面図である。

【0022】

【図3】例示的なＧａＮ ＰＣＳＳの概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１を参照すると、横方向集積回路構造１０が示されている。横方向集積回路構造１０は、ＰＣＳＳ１４と電気的に結合されたトランジスタ１２を含み、それぞれ横方向に集積され、共通の基板１６上に支持される。トランジスタ１２は、ＦＥＴ、例えば、ＧａＮトランジスタ、Ｓｉトランジスタ、及び付随する集積回路構造であってよい。ＰＣＳＳ１４は、ＧａＮ ＰＣＳＳを含み得る。基板１６は、シリコン（Ｓｉ）または炭化シリコン材料（ＳｉＣ）を含み得る。基板１６は上面１８を含む。

【0024】

窒化ガリウム（ＧａＮ）層が基板１６の上面１８上に配置されて、ＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉウェハ２２が形成される。ＧａＮ層２０は、トランジスタ１２及びＰＣＳＳ１４が横方向に集積され、同じ集積回路に組み込まれるように、トランジスタ１２及びＰＣＳＳ１４をタンデムに支持する。

【0025】

ＦＥＴ１２は、ＧａＮ層２０上に配置された窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層２４を含む。ＦＥＴ１２は、ＦＥＴ１２のドレインＤ、ゲートＧ、及びソースＳのそれぞれに近接するＡｌＧａＮ層２４上に配置された窒化シリコン誘電体（ＳｉＮ／誘電体）層２６を含む。二酸化シリコン誘電体（ＳｉＯ_２／誘電体）層２８は、トランジスタ１２の回路、ならびに例えばここではＳｉＮｘである中間層３０、及び二酸化シリコン誘電体層２８内に配置された導電性相互接続３１を絶縁する。誘電体２８、２６及び中間層３０は、ＰＣＳＳ１４の導電パスをトリガするために利用される光源３２に対して透明であってよい。例示的な実施形態では、誘電体または中間層が透明でない場合、光の透過を可能にするためにフィルムに窓を開けることができる。

【0026】

ＰＣＳＳ１４は、ＧａＮ層上に配置された第１の電気接点３４（ＰＣＳＳ－１）及び第２の電気接点３６（ＰＣＳＳ－２）を含み得る。例示的な実施形態では、二酸化シリコン誘電体層２８は、光導電性半導体スイッチ１４の第１の電気接点３４及び第２の電気接点３６のそれぞれを絶縁する。例示的な実施形態では、誘電体層２８は、窒化シリコン、または二酸化シリコン材料などであってよい。他の例示的な実施形態では、第１の電気接点３４及び第２の電気接点３６は誘電体絶縁を有さない。光導電性半導体スイッチ１４は、通常は非常に抵抗が高く、ここでは例えば意図せずにドープされているか、あるいは炭素や鉄などの深い準位でドープされている半導体材料（ＧａＮなど）の領域である。これにより、材料は非常に低い漏れ電流でかなりの量の電圧をブロックすることができる。しかしながら、バンドギャップエネルギーを上回る、またはバンドギャップエネルギーに近いエネルギーを有する光源３２で照射されたときに、大量の励起キャリアが生成される。これらの励起キャリアは、スイッチングに使用される低抵抗の導電パスを形成する。ＰＣＳＳ１４は、高電圧スイッチング機能、超高速スイッチング速度、または高速エネルギーパルスを提供する。トランジスタ１２への入力電圧は、ＰＣＳＳ１４のオンオフ状態によって制御することができる、またはその逆の場合もある。

【0027】

図２、図３も参照すると、ＧａＮ ＰＣＳＳ１４は、ウェハ２２上に様々な方法で製造することができる。

【0028】

図２に示すように、例示的な実施形態では、ＰＣＳＳ１４は、ウェハ２２を構成する基板１６上に配置されたＧａＮ層２０を有する基板１６を含み得る。第１の電気接点３４及び第２の電気接点３６は、ウェハ２２のＧａＮ層２０上にメサから離れて横方向に配置される。再成長ＧａＮ材料４０は、第１の電気接点３４及び第２の電気接点３６のそれぞれを覆って、及び第１の電気接点３４と第２の電気接点３６の間の窒化ガリウム層２０を覆って堆積されることにより、再成長ＧａＮ材料４０及び／またはＧａＮ層２０のいずれかが光導電性回路４２を形成する。

【0029】

図３に示すように、例示的な実施形態では、ＰＣＳＳ１４は、ウェハ２２を構成する基板１６上に配置されたＧａＮ層２０を有する基板１６を含み得る。第１の電気接点３４及び第２の電気接点３６は、ＡｌＧａＮ－ＧａＮの二次元界面（２ＤＥＧ界面）が存在するように、ＡｌＧａＮ層２４上に配置されているメサ上にある。ＡｌＧａＮ層２４をエッチングして、２ＤＥＧ層２４内にＧａＮ窓３８を形成することができる。再成長ＧａＮ４０は、ゲート金属（図示せず）の代わりに窓３８内に堆積することができる。再成長ＧａＮ４０は、ＡｌＧａＮ層２４からエッチングされた窓３８内の露出したＧａＮ層２０上に形成される。

【0030】

本開示は、モノリシックに、またはトランジスタ及び光源とウェハ間のボンディングまたはダイスタッキングを介して集積化された光導電性半導体スイッチ及び光導電性スイッチングトランジスタを提供する。これを達成するには、サブトラクティブプレーナ処理技術が必要である。

【0031】

本開示の技術的利点は、光ゲートスイッチをＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉプロセスフローと直接統合して、光ゲートスイッチに固有の高電圧能力及び迅速な応答時間を可能にすることを含む。

【0032】

本開示の別の技術的利点は、ＧａＮ－ｏｎ－ＳｉトランジスタデバイスとＧａＮ ＰＣＳＳデバイスの両方を含む単一のチップ／ウェハを含む構造を含み、ここで、最終デバイスは、別個にまたは相互依存して利用されるＧａＮトランジスタ、Ｓｉトランジスタ、及びＧａＮ ＰＣＳＳの機能を有する。

【0033】

本開示の別の技術的利点は、同じウェハ内に均一に集積されたＧａＮ＋Ｓｉデバイスを制御する、またはそれによって制御されるＰＣＳＳデバイスを含む。

【0034】

本開示の別の技術的利点は、独立したもしくは結合された再成長ＡｌＧａＮ／ＧａＮを有するＡｌＧａＮ／ＧａＮベースの基板、または光導電性ＡｌＧａＮ／ＧａＮ材料の狭い領域によって接続されたＡｌＧａＮ／ＧａＮ ２ＤＥＧなど、光導電性材料の複数の選択肢を有する構造を含む。

【0035】

本開示の別の技術的利点は、基板内のエピタキシャルＧａＮとは独立して構成及び調整することができる再成長ＡｌＧａＮ／ＧａＮを含む。パラメータの構成と調整は、形状／厚さ、ドーピング、濃度／化学量を含み得る。

【0036】

本開示の別の技術的利点は、ＧａＮ ＰＣＳＳを製造する方法が、Ｓｉファウンドリに伝統的な技術を利用した層サブトラクションベースであってよいことを含む。

【0037】

本開示の別の技術的利点は、ＧａＮ ＰＣＳＳトランジスタ及びＧａＮ／Ｓｉトランジスタの両方が、同じ処理ステップを使用して同時に製造されることを含む。

【0038】

本開示の別の技術的利点は、スタンドアロンのＧａＮ－ｏｎ－ＳｉデバイスまたはスタンドアロンのＰＣＳＳデバイスでは使用されない層及び構造を利用するため、ＰＣＳＳをＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉデバイスに追加することを含むが、これは重要な追加である。

【0039】

本開示の別の技術的利点は、ＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉデバイスとは異なり、２ＤＥＧ層が完全に埋め込まれなければならないことを含む。

【0040】

本開示の別の技術的利点は、典型的なＰＣＳＳデバイスとは異なり、感光性のために最適化されたバルク基板とは対照的に、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＰＴ）エピ基板が使用されることを含む。

【0041】

ＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉ異種技術が提供されてきた。ＧａＮ－ｏｎ－Ｓｉ異種技術を、その特定の実施形態の文脈において記載してきたが、他の予期しない代替、修正、及び変形が、前述の説明を読んだ当業者には明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲の広い範囲に該当するこれらの代替、修正、及び変形を包含することが意図されている。

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】