单片光电集成电路的调制掺杂闸流管和互补晶体管组合制造技术

用彼此反转的二个调制掺杂的晶体管结构组成的外延层结构，在单片衬底（１４９）上得到了闸流管以及高速晶体管和光电子器件族。借助于对赝高电子迁移率晶体管（ＰＨＥＭＴ）结构进行平面掺杂而得到这种晶体管结构。对于一种晶体管，加入了与ＰＨＥＭＴ的调制掺杂相反的被轻掺杂层分隔开的二个相同极性的平面掺杂层。此组合被不掺杂的材料分隔于ＰＨＥＭＴ调制掺杂。电荷层薄而重掺杂。顶部电荷层（１６８）得到了低的栅接触电阻，且底部电荷层（１５３）确定了相对于ＰＨＥＭＴ调制掺杂层的场效应晶体管（ＦＥＴ）电容。对于其它的晶体管，仅仅加入了一个额外的层。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术的背景1.专利技术的领域本专利技术涉及到半导体异质结器件的领域，确切地说是涉及到一种半导体结构，它利用调制掺杂产生的反沟道来实现闸流管、晶体管、光发射器、光探测器、光调制器、光放大器、以及其它光电子器件。2.技术的状态本专利技术建立在熟知的赝脉冲掺杂的高电子迁移率晶体管(脉冲掺杂的PHEMT)，有时称为脉冲掺杂的调制掺杂场效应晶体管(脉冲掺杂的MODFET)或脉冲掺杂的二维气场效应晶体管(脉冲掺杂的TEGFET)的现有器件结构之上。GaAs/InGaAs/AlxGa1-xAs由于能够用MBE(分子束外延)生长光学/电学性质高的外延层而已经成为这些器件所选择的III-V族材料系统。但诸如GaN之类的比较新的宽带半导体由于容易制作量子阱，故也是有前景的侯选材料。作为无线和MMIC应用中的前端放大器，目前对PHEMT有持续的需求，且其优异的低噪声和高频性能已经被广泛地承认。在制造恰当工作于几GHz范围的微波晶体管方面，PHEMT是非常有用的，一开始被广泛地用于军用系统，现在已经被用于商业产品，特别是在蜂窝通信领域。在高频范围内结合电信号而使用光信号，能够得到许多优点。在单片上组合电子元件和光电子元件产生了光电子集成电路(OEIC)的概念。通常，由于一方面诸如FET之类的电子器件与另一方面诸如结型二极管激光器和MSM或钉扎二极管之类的光电子器件的结构性质非常不同，故单片集成已经被证明很困难。事情变得甚至更为复杂的是，光电子器件组合的引入必然与目前是处于硅CMOS电路形式中的互补MOS晶体管的现有技术电子芯片技术发生竞争。其含意是光电子器件组合的引入必须提供具有光电子功能的互补器件组合。以这种方式，光电子技术基础可能提供具有明显优于常规CMOS的互补功能和光电子功能二者。利用欧姆接触代替肖特基接触，PHEMT可以被修正为光电子器件(见美国专利#4800415，此处将其整个内容列为参考)。这种器件已经被称为HFET，更准确地说是一种反沟道HFET(ICHFET)，以便区别于描述为HFET的III-V族晶体管的大范围。但由于得到的结构必须执行多种功能，故p掺杂如何加入到PHEMT的详细性质是一个关键的问题，这些功能是1)必须提供低阻欧姆接触，2)必须提供载流子进入光电子器件有源区的漏斗，以及3)必须使自由载流子吸收减为最小。为了用欧姆接触修正的PHEMT来实现互补结构，必须生长二种不同类型的调制掺杂量子阱界面，一个产生电子的反沟道，另一个产生空穴的反沟道。这二种界面结构上组合的方式，提供了以闸流管的形式产生光开关的某些独特的机会。这些通常在CMOS技术的实现中被常规地形成为p-n-p-n结构的串联组合，但被有意地抑制，以便消除寄生闭锁。但在III-V互补技术的层结构的设计中，闸流管可以被优化来提供开关激光器和探测器的独特机会。本专利技术的目的是设计一种单一的外延层结构，它能够同时被制作在单一的集成电路芯片中，以便用作电子多数载流子双极晶体管、空穴多数载流子双极晶体管、以电子作为沟道多数载流子的场效应晶体管、以空穴作为沟道多数载流子的场效应晶体管、其中沟道多数载流子从沟道接触注入而沟道少数载流子从欧姆栅接触注入的横向注入激光器、闸流管开关激光器、吸收其量子阱带隙上的辐射的闸流管开关探测器、其中多数光电子被清除到沟道接触而光空穴被清除到栅或收集极欧姆接触的钉扎(pin)型带隙探测器、以及光放大器和调制器。本专利技术的另一目的是将制造技术具体化，以便产生最佳用作互补逻辑门的一对互补的n沟道和p沟道场效应晶体管。此制造程序还应该产生分别具有n沟道和p沟道控制元件的互补双极场效应晶体管。本专利技术的另一目的是演示闸流管器件如何可以从相同的互补技术程序被优化，以便当被转换到其开通状态时被用作高效率激光器，以及在其高阻抗关断状态下被用作高效率探测器。本专利技术的另一目的是用互补结构产生一种共面方向耦合器，其中可以借助于将电荷从可以将电荷注入到其各个波导核心中的自对准接触注入到这些波导中的任何一个或二者中，选择性地改变沿二个平行波导的传播常数。本专利技术的另一目的是演示光电子器件如何能够被制造成垂直腔器件，还仍然在集成电路平面内提供由低损耗无源波导互连的源、探测器、调制器、放大器、以及开关。本专利技术的再一个目的是用独特的对通常PHEMT结构进行修正并使之具有光电子性能的平面层掺杂的组合来达到这些目标。本专利技术的最终目的是演示互补晶体管技术以及光电子器件技术作为可制造的解决方案如何被同时优化。专利技术的概述为了满足用同一个单片半导体器件结构与互补FET或双极运行一起达到闸流管激光器和探测器那样的垂直腔器件工作的这些目的，提出了一种半导体器件结构和制造技术。根据本专利技术的一个示例性实施方案，其中位于非常靠近调制掺杂层的平面掺杂层(n沟道晶体管的p型层和p沟道晶体管的n型层)被用来建立场效应晶体管的栅电容的互补ICHFET器件，被外延组合来在单个外延生长中实现二种晶体管。各个这些晶体管是PHEMT器件，其中的栅接触是欧姆接触，性质上与肖特基二极管相反。此欧姆接触是非整流的，而肖特基二极管接触是对外加信号整流的。此n型晶体管的栅接触被生长在量子阱上(指定为正常结构)，而p型晶体管的栅接触被生长在量子阱下面(指定为反结构)。对于n型晶体管，在PHEMT的栅金属与调制掺杂层之间有二个平面掺杂层，且二者的掺杂类型(p型)都与调制掺杂层(n型)相反。表面层电荷使得能够得到低电阻欧姆接触。第二层由于在调制掺杂层上方以精密的间距建立了栅电压而确定了FET的输入电容。这些掺杂类型相反的层之间的间距是不掺杂的，并形成在相对于量子阱为中等带隙的材料中。p型晶体管以反结构形式被生长。最低的层是n型层，被临界电容器厚度分隔在p型调制掺杂层下方。在此n型层下方，是n+型GaAs，用以形成对p型晶体管的栅的欧姆接触。用常规的合金技术来形成对底层的欧姆接触。n型晶体管的收集极接触由p型晶体管的沟道区形成，而p型晶体管的收集极接触由n型晶体管的沟道区形成。借助于将正常器件与反器件组合在在同一组外延层中，得到了这种情况。由整个层结构来产生闸流管，以便包围n型晶体管和p型晶体管二者。此闸流管结构能够利用n型和p型晶体管的所有端子接触。为了产生n型反沟道器件，用离子注入和标准的自对准技术，源电极和漏电极被制作在难熔金属栅/发射极的二侧上。在激活注入的粒子的高温退火之后，源电极和漏电极被金属化。对于p型器件，难熔金属确定了栅的特点，但实际上用作器件的收集极。栅层是底部N+层，并由位于源区或漏区一侧的欧姆接触提供其电连接，以便提供到底部外延层的电通道。对于场效应晶体管，栅或收集极接触金属在器件的长度(短尺度)上构成均匀的金属特征。对于光电子器件(包括闸流管激光器、探测器、光放大器、以及调制器)，栅金属被开窗口，以便允许光通过而进出有源区，且依赖于表面P++平面层掺杂来产生跨越光窗口的恒定电位。从栅金属接触流入到有源层的电流的性质于是是二维的，其载流子流动分布决定于硅注入剂的使用以引导载流子。这些光电子器件是谐振垂直腔器件，且n和p型晶体管的调制掺杂层之间的间距被调整来在腔中产生半波长的整数倍。上述实施方案产生了垂直于表面发射或探测的光电子器件。在另一个实施方案中，垂直腔的DBR镜面用作介质波导的包封本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体器件，它包含：生长在衬底上的一系列外延层，所述外延层包括Ｎ＋掺杂层、被至少第一外延层分隔于所述Ｎ＋掺杂层的形成ｐ调制掺杂量子阱的第一多个层，形成ｎ调制掺杂量子阱的第二多个层，所述第一多个层被至少第二外延层分隔于所述第二多个 层，以及被至少第三外延层分隔于所述第二多个层的Ｐ＋掺杂层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2001-3-2 09/798,3161.一种半导体器件，它包含生长在衬底上的一系列外延层，所述外延层包括N+掺杂层、被至少第一外延层分隔于所述N+掺杂层的形成p调制掺杂量子阱的第一多个层，形成n调制掺杂量子阱的第二多个层，所述第一多个层被至少第二外延层分隔于所述第二多个层，以及被至少第三外延层分隔于所述第二多个层的P+掺杂层。2.根据权利要求1的半导体器件，其中所述p调制掺杂量子阱包含P+掺杂的AlGaAs层，基本上不掺杂的InGaAs量子阱层，以及GaAs势垒层。3.根据权利要求1或2的半导体器件，其中所述n调制掺杂量子阱包含N+掺杂的AlGaAs层，基本上不掺杂的InGaAs量子阱层，以及GaAs势垒层。4.根据前述任何一个权利要求的半导体器件，其中至少所述n调制掺杂量子阱和所述p调制掺杂量子阱之一包括基本上不掺杂的InGaAsN。5.根据前述任何一个权利要求的半导体器件，其中所述系列外延层包括由AlAs和GaAs组成的多个分布布拉格反射器(DBR)镜面层。6.根据前述任何一个权利要求的半导体器件，其中所述分隔p和n调制掺杂量子阱的至少第二外延层，是比较厚的AlGaAs层。7.根据权利要求6的半导体器件，其中所述至少第二外延层还包括GaAs层。8.根据权利要求1的半导体器件，其中所述系列外延层包括分布布拉格反射器(DBR)镜面，其上淀积有(i)第一系列层，用来实现以电子(n型)作为其多数载流子的调制掺杂双极场效应晶体管，此场效应晶体管的发射极淀积在所述DBR镜面上，而其收集极作为顶部表面层，所述n型双极晶体管在调制掺杂界面处具有p型反沟道，用作场效应控制元件，起常规基极区的作用，且所述双极晶体管的层结构还实现一种p沟道异质结构场效应晶体管(PHFET)层结构，以所述发射极层起所述PHFET的栅接触层的作用，以及(ii)淀积在所述第一系列层上的第二系列层，用来实现以空穴(p型)作为其多数载流子的调制掺杂双极场效应晶体管，此场效应晶体管的收集极层与所述n型双极晶体管的所述收集极共用，而其发射极作为顶部表面层，所述p型双极晶体管在调制掺杂界面处具有n型反沟道，用作场效应控制元件，起常规基极区的作用，且所述双极晶体管的层结构还实现一种n沟道异质结构场效应晶体管(NHFET)层结构，以所述发射极表面层起所述NHFET的栅接触层的作用。9.根据权利要求8的半导体器件，其中所述n型双极晶体管包含一系列层，它包含N+GaAs的第一底层，N型AlxGa1-xAs层，所述AlyGa1-yAs的N+掺杂层、所述不掺杂AlyGa1-yAs的至少第一外延层、以及所述p调制掺杂量子阱包括P+型AlyGa1-yAs的δ掺杂层，不掺杂AlyGa1-yAs的分隔层，不掺杂GaAs的分隔层，以及至少一个具有AlyGa1-yAs势垒的非应变GaAs量子阱或至少一个具有GaAs势垒的不掺杂InGaAsN量子阱，所述至少一个第二外延层包含不掺杂的AlyGa1-yAs，以便起所述n型晶体管收集极的作用，且其中所述p型晶体管以所述收集极作为公共收集极开始，且所述p型双极晶体管包含淀积在所述至少一个第二外延层上的一系列层，它包括不掺杂GaAs的分隔层，包括至少一个AlyGa1-yAs势垒和非应变GaAs量子阱或至少一个具有GaAs势垒的不掺杂InGaAsN量子阱的所述n调制掺杂量子阱，不掺杂的GaAs分隔层，不掺杂的AlyGa1-yAs分隔层，N+型AlyGa1-yAs的δ掺杂层，不掺杂的AlyGa1-yAs层，所述P+掺杂AlyGa1-yAs层，P型AlxGa1-xAs层，以及P++型GaAs层或GaAs与InGaAs的组合，以便用作所述p型晶体管发射极的金属接触层。10.根据权利要求9的半导体器件，其中x＝0.7，而y＝0.15。11.根据权利要求10的半导体器件，其中对0.98微米的固有发射频率，氮在所述InGaAsN中的百分比被选择为0％，对1.5微米的固有发射频率，选择为大约4％-5％，而对0.98和1.5微米之间的固有发射频率，选择为0％-5％之间。12.根据权利要求9-11中任何一个的半导体器件，其中所述至少一个AlyGa1-yAs势垒和非应变量子阱或至少一个具有GaAs势垒的InGaAsN的不掺杂量子阱，包含一系列AlyGa1-yAs势垒和非应变GaAs量子阱或一系列具有GaAs势垒的InGaAsN的不掺杂量子阱。13.根据权利要求9-12中任何一个的半导体器件，其中所述至少一个AlyGa1-yAs的第二外延层的厚度为4000-10000。14.根据权利要求9-13中任何一个的半导体器件，其中所述n型双极晶体管的所述N型AlxGa1-xAs层的掺杂约为5×1017cm-3，而厚度为500-3000，所述N+型掺杂的AlyGa1-yAs层的掺杂约为3×1018cm-3，而厚度为60-80，不掺杂AlyGa1-yAs的所述至少第一外延层的厚度为200-300，所述P+型AlyGa1-yAs的δ掺杂层的掺杂约为3-4×1018cm-3，而厚度为60-80，所述不掺杂AlyGa1-yAs的分隔层的厚度为20-30，所述不掺杂GaAs的分隔层的厚度约为15，所述p型双极晶体管由淀积在所述至少一个第二外延层上的一系列层组成，它包括约为100的不掺杂GaAs的所述分隔层，所述p型双极晶体管的所述不掺杂GaAs的分隔层的厚度约为15，所述p型双极晶体管的不掺杂AlyGa1-yAs的所述分隔层的厚度为60-80，所述p型双极晶体管的不掺杂AlyGa1-yAs的所述层的厚度为200-300，所述p型双极晶体管的所述P+型AlyGa1-yAs层的掺杂约为3×1018/cm-3，而厚度为60-80，所述P型AlxGa1-xAs层的掺杂约为5×1017cm-3，而厚度为1000-3000，且所述P+型GaAs层或GaAs与InGaAs的组合层的掺杂约为5×1019-1020cm-3。14.一种采用利用一组为重合图形而被腐蚀的对准掩模的制造程序而由权利要求1-13中任何一个所述的外延层系列构成的多功能光电子器件；注入N型离子，以便产生pn结，来形成正载流子进入结构有源区的电流引导路径和二维导电，并建立负阈值以形成耗尽晶体管；确定难熔金属，以便形成n沟道场效应晶体管的栅电极或p型双极晶体管的发射极电极和所有激光器和探测器的p型接触，借助于一开始清除所述顶部P++表面层和P+δ掺杂层，所述难熔金属形成所述p沟道场效应晶体管的收集极电极，所述难熔金属图形形成光圈，以便使光能流能够进出所述光电子器件；利用难熔金属及其光抗蚀剂作为掩模来产生自对准，注入N型离子，以便形成对所述n沟道场效应晶体管反沟道的低阻接触，由于所述p型双极晶体管的所述调制掺杂层的存在，所述反沟道被产生在GaAs、应变InGaAs、或应变和非应变InGaAsN的所述量子阱中；利用起收集极作用的难熔金属作为掩模来产生自对准，注入P型离子，以便形成对所述p沟道场效应晶体管反沟道的低阻接触，由于所述p型双极晶体管的所述调制掺杂层的存在，所述反沟道被产生在GaAs、应变InGaAs、或应变和非应变InGaAsN的量子阱中；进行对所述注入的快速热退火，以便激活选择的区域和使选择的区域无序；利用深腐蚀将有源器件区形成为台面，以便暴露底部镜面层，再随之以对所述有源器件区下方的AlAs层的完全水气氧化；确定并腐蚀对所述P+离子注入区、对所述N+离子注入区、以及对用作所述p沟道HFET的所述栅接触或用作所述n型双极晶体管的所述发射极的所述底部N+层的接触区；确定用于p和n型金合金剥离步骤的抗蚀剂，随之以金属化以及n型和p型区中金属的剥离；涂敷聚酰亚胺隔离，腐蚀接触窗口，以及剥离金金属图形互连；涂敷激光器和探测器的分布布拉格反射镜面层。15.权利要求14所述的适合于光电子闸流管工作的器件，其中，所述顶部P++发射极是所述器件的阳极，所述N+底部发射极区是所述器件的阴极，而接触所述n型反沟道的所述N+离子注入源区用作高阻抗第三端子的输入节点，用作闸流管的器件电学上具有非常确定的关断和开通状态以及可以被从所述第三端子输入的电流调制的开关电压，从零注入电流时的最大值到高注入时的最小值，当所述开通状态电流超过所述激光器阈值时，所述闸流管用作处于其开关开通状态的VCSEL，从所述光圈发射光，且所述闸流管用作处于关断状态的谐...

【专利技术属性】
技术研发人员：GW泰勒，
申请(专利权)人：康涅狄格州大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]