一种基于化合物半导体的逻辑运算装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及集成电路技术领域，提供一种基于化合物半导体的逻辑运算装置，包括氮化镓外延片，所述氮化镓外延片上使用平面器件工艺制备HEMT结构，HEMT结构分为上、下管，均为增强型器件，即栅极未加电压时器件通路关闭；所述上管的栅极设置有开关电路，其中泄流管设置在上管栅极和公共地Vss之间，在泄流管栅极和上管栅极之间设置横向整流器件LFR，在横向整流器件LFR和公共地Vss之间放置一个第一电阻，连接上管和下管的栅极作为输入端输入信号。采用全增强型器件集成的方式实现反向器功能；引入阈值可调制的GaN HEMT工艺，实现区别于传统0/1到1/0转换逻辑的1/n到0/1高低逻辑；在不使用大规格电容的基础上实现轨到轨输出，降低了整体功耗。体功耗。体功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于化合物半导体的逻辑运算装置


[0001]本专利技术涉及集成电路
，具体涉及一种基于化合物半导体的逻辑运算装置。

技术介绍

[0002]近年来宽禁带氮化镓(GaN)以其优越的材料性能，已成为功率应用领域的新兴材料，在光电、射频、电子等领域成为先进材料。在电力电子方面因其高频、高压、高温特性，已经逐渐渗透到适配器、模块电源、车载电源等领域。无论是电力电子还是其他领域的应用中，GaN器件的角色主要是作为一种模拟器件起到开关(HEMT)、发光(LED)等作用，尚无成熟的数字逻辑方面的应用。这主要是因为目前GaN基半导体材料的主要导电行为大多依赖其自发极化所产生的n型载流子，而相对而言其p型载流子的获得十分困难。GaN的p型掺杂无论是杂质浓度还是空穴激活效率均不及预期，目前已经报道的p型载流子沟道器件或结构复杂或性能偏低，较实际应用仍存在一定的距离，这就使得GaN器件较难实现载流子输运行为的互补。而传统半导体器件如硅基p、n型MOSFET具有天然的互补载流子输运行为，且p型掺杂工艺和性能成熟，使得其在数字逻辑电路的基础器件—反向器的设计中成为优选。而GaN器件的反向器开发受制于仅有n型器件可用的条件，如果采用如图1和图2类似NMOS反向器的结构会面临诸如开态功耗大、不利于集成、无法实现轨到轨输出的问题。虽然有研究者采用两组反向器分别控制两个增强型器件的方法实现轨到轨输出，但需要使用数倍于所需器件的电路，不利于大规模集成和成本控制。

技术实现思路

[0003]基于上述缺陷,本专利技术的主要目的在于提供一种基于化合物半导体的逻辑运算装置，为基于GaN材料HEMT平面工艺的集成式逻辑反向器。
[0004]为实现上述目的，本专利技术实施例提供了如下的技术方案：
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种基于化合物半导体的逻辑运算装置，包括氮化镓外延片，所述氮化镓外延片上使用平面器件工艺制备HEMT结构，HEMT结构分为上、下管，均为增强型器件，即栅极未加电压时器件通路关闭；所述上管的栅极设置有开关电路，其中泄流管设置在上管栅极和公共地Vss之间，在泄流管和上管栅极之间设置横向整流器件LFR，在横向整流器件LFR和输出端之间放置一个第一电阻，连接上管和下管的栅极作为输入端输入信号。
[0006]作为本专利技术的进一步方案，上管阈值电压V
thu
小于下管阈值电压V
thd
，其中，阈值电压V
th
采用肖特基势垒高度、栅区势垒层厚度或离子注入浓度在内的工艺参数进行调制。
[0007]作为本专利技术的进一步方案，上管与下管串联，形成“电源
‑
上管
‑
下管
‑
接地”的结构，上管与下管连接处为输出端。
[0008]作为本专利技术的进一步方案，所述开关电路为GaN HEMT作为泄流管放置在上管栅极和输出端之间，泄流管的阈值电压V
thc
小于输入高电平与LFR开启电压之差。
[0009]作为本专利技术的进一步方案，所述横向整流器件LFR正极与上管栅极连接，负极与泄流管栅极连接。
[0010]作为本专利技术的进一步方案，横向整流器件LFR的开启电压设置为高于或等于上管阈值电压V
thu
。
[0011]作为本专利技术的进一步方案，LFR器件和输出端之间第一电阻的电阻值高于泄流管开态电阻，电阻与泄流管连接端到输出端之间再放置第二电阻。
[0012]作为本专利技术的进一步方案，所述第二电阻采用二维电子气电阻或薄膜电阻。
[0013]作为本专利技术的进一步方案，所述第二电阻为薄膜电阻。
[0014]作为本专利技术的进一步方案，所述输入端的输入信号为：低电平值低于下管阈值V
thd
高于上管阈值V
thu
，不高于LFR开启电压；高电平高于下管V
thd
和LFR开启电压。
[0015]作为本专利技术的进一步方案，低电平输入时，下管栅极电压等于输入信号电平，下管处于关闭状态，LFR两端电压等于输入电平电压，低于开启电压，LFR处于关闭状态；输入信号接入上管栅极，控制上管打开，输出端电压上升直至电源电压Vcc为高。
[0016]作为本专利技术的进一步方案，高电平输入时，下管栅极电压等于输入信号电平，下管开启使输出端接地；LFR两端电压高于开启电压，此电压下LFR开启导通，将输入信号电平作用在泄流管栅极，栅极电压等于输入信号减LFR开启电压，上管栅极与输出端导通，上管关闭，输出端接地输出0电平。
[0017]相对于现有技术而言，本专利技术具有以下有益效果：
[0018]本专利技术提供一种基于化合物半导体的逻辑运算装置，作为GaN基HEMT为基础的逻辑反向器，典型特点是利用平面GaN HEMT工艺单片集成不同阈值(V
th
)的增强型HEMT实现轨到轨的电平反相转换，其优势是：
[0019](1)相较于传统硅基器件可以提供更高功率密度，更快的工作频率。
[0020](2)采用全增强型器件无负载管，不依赖大电容实现轨到轨输出，降低功率损耗，节约芯片成本。
[0021](3)在同一工艺内制备不同阈值的HEMT结构，提高器件的集成度，实现非传统的电平逻辑转换。
[0022]本专利技术的这些方面或其他方面在以下实施例的描述中会更加简明易懂。应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本专利技术。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例。在附图中：
[0024]图1为现有技术中类似NMOS反向器的结构示意图；
[0025]图2为现有技术中类似NMOS反向器的输入输出状态的示意图
[0026]图3为本专利技术的一种基于化合物半导体的逻辑运算装置的电路示意图；
[0027]图4为本专利技术图3中一种基于化合物半导体的逻辑运算装置中低电平输入时的电路示意图。
[0028]图5为本专利技术图3中一种基于化合物半导体的逻辑运算装置中高电平输入时的电
路示意图。
[0029]图6为本专利技术图1中一种基于化合物半导体的逻辑运算装置中输出状态示意图。
[0030]本专利技术目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
[0031]本部分将详细描述本专利技术的具体实施例，本专利技术之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本专利技术的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本专利技术保护范围的限制。
[0032]在本专利技术的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
[0033]在本专利技术的描述中，对方法步骤的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于化合物半导体的逻辑运算装置，其特征在于，包括氮化镓外延片，所述氮化镓外延片上使用平面器件工艺制备HEMT结构，HEMT结构分为上、下管，均为增强型器件；所述上管的栅极设置有开关电路，其中HEMT结构的泄流管设置在上管栅极和公共地Vss之间，在泄流管和上管栅极之间设置横向整流器件LFR，在横向整流器件LFR和公共地Vss之间放置一个第一电阻，连接上管和下管的栅极作为输入端输入信号。2.根据权利要求1所述的基于化合物半导体的逻辑运算装置，其特征在于，上管阈值电压V
thu
小于下管阈值电压V
thd
，其中，阈值电压V
th
采用肖特基势垒高度、栅区势垒层厚度或离子注入浓度在内的工艺参数进行调制。3.根据权利要求2所述的基于化合物半导体的逻辑运算装置，其特征在于，上管与下管串联，形成“电源
‑
上管
‑
下管
‑
接地”的结构，上管与下管连接处为输出端。4.根据权利要求1所述的基于化合物半导体的逻辑运算装置，其特征在于，所述开关电路为GaN HEMT作为泄流管放置在上管栅极和输出端之间，泄流管的阈值电压V
thc
小于输入高电平与LFR开启电压之差。5.根据权利要求4所述的基于化合物半导体的逻辑运算装置，其特征在于，所述LFR串列正极与上管栅极连接，负极与泄流管栅极连接，横向整...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈波，
申请(专利权)人：深圳市爱迪芯半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：