阅读说明：本技术 一种基于氧化镓的集成器件 (Integrated device based on gallium oxide ) 是由 卢星 王钢 陈梓敏 于 2020-05-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于氧化镓的集成器件,涉及半导体集成领域。针对现有技术中没有基于氧化镓材料的单一芯片同时集成压电谐振器和晶体管的技术空缺而提出本方案。包括并列设置的压电谐振器区和晶体管区；晶体管区和压电谐振器区分设在同一氧化镓层的两侧,氧化镓层在压电谐振器区设有电极对,电极对与氧化镓层电性连接,电极对中的任一电极与晶体管区中的源极电性连接。优点在于,通过采用氧化镓半导体,在一块芯片上同时制得晶体管和压电谐振器,实现射频前端中的射频信号放大电路和射频滤波器的单片集成化技术基础,具有高性能、低损耗、高可靠性、体积小和成本低的优点。尤其适用于射频技术的前端设备。(The invention discloses an integrated device based on gallium oxide, and relates to the field of semiconductor integration. The scheme is provided aiming at the technical vacancy that a single chip based on gallium oxide materials simultaneously integrates a piezoelectric resonator and a transistor in the prior art. The piezoelectric resonator comprises a piezoelectric resonator area and a transistor area which are arranged in parallel; the transistor area and the piezoelectric resonator area are arranged on two sides of the same gallium oxide layer, the gallium oxide layer is provided with an electrode pair in the piezoelectric resonator area, the electrode pair is electrically connected with the gallium oxide layer, and any electrode in the electrode pair is electrically connected with a source electrode in the transistor area. The piezoelectric resonator and the radio frequency signal amplifying circuit have the advantages that by adopting the gallium oxide semiconductor, the transistor and the piezoelectric resonator are simultaneously manufactured on one chip, the single-chip integration technical basis of the radio frequency signal amplifying circuit and the radio frequency filter in the radio frequency front end is realized, and the piezoelectric resonator has the advantages of high performance, low loss, high reliability, small size and low cost. The method is particularly suitable for the front-end equipment of the radio frequency technology.)

一种基于氧化镓的集成器件

技术领域

本发明涉及半导体集成领域，为新一代信息技术，尤其涉及一种基于氧化镓的集成器件。

背景技术

随着大数据和物联网时代的到来，射频通信技术得到了快速发展和广泛应用。射频前端是通信设备的关键部件，随着通信制式升级而日益复杂，同时也面临着小型化、高效率、高可靠性和低成本的挑战。射频信号放大电路和射频滤波器是构建射频前端不可或缺的两大组成部分，其中射频信号放大电路包括功率放大器和低噪声放大器等，由半导体晶体管制成；而射频滤波器则通常由压电陶瓷谐振器来实现。目前，在主流的射频前端中，放大电路和滤波器是两种独立的芯片。存在如下问题：1、两种独立芯片由于材料不兼容而无法实现集成，对系统的小型化不利；2、多芯片组装带来的寄生问题会增加系统功耗和失效风险，不利于提高设备效率和可靠性；3、多芯片组装也不利于生产成本的进一步降低。

另一方面，氧化镓是新一代的超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速度高、耐腐蚀、耐高温和抗辐照等突出优点，是制备高频、高功率、耐高温、抗辐射等电子器件的优选材料，在未来射频通信领域极具应用潜力。其中，ε相的氧化镓单晶具有六方对称结构，具有极强的压电极化特性，且在较宽的温度范围内都可保持其压电性能，十分适合用于制备高频、低损耗、高稳定性的薄膜压电谐振器件。

目前并没有将氧化镓材料在压电谐振和放大电路中集成器件的具体应用。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于氧化镓的集成器件，以实现在块芯片上中同时集成压电谐振器和晶体管。

本发明所述的一种基于氧化镓的集成器件，包括并列设置的压电谐振器区和晶体管区；所述的晶体管区和压电谐振器区分设在同一氧化镓层的两侧，所述氧化镓层在压电谐振器区设有电极对，所述电极对与氧化镓层电性连接，电极对中的任一电极与晶体管区中的源极电性连接。

本发明所述的一种基于氧化镓的集成器件，其优点在于，通过采用氧化镓半导体，在一块芯片上同时制得晶体管和压电谐振器，实现射频前端中的射频信号放大电路和射频滤波器的单片集成化技术基础，具有高性能、低损耗、高可靠性、体积小和成本低的优点。此外，本发明所述集成器件的实现兼容常规氧化镓电子器件的制备工艺，方法简单可靠，从而保证低成本。

所述的氧化镓层厚度为0.1um至20um。目的在于公开优选的取值范围。

所述氧化镓层由单晶ε相氧化镓组成。目的在于公开优选的氧化镓晶态选取。

所述的电极对包括第一电极和第二电极，所述的第一电极设置在氧化镓层上表面，所述的第二电极设置在氧化镓层下表面；所述的晶体管区在源极下方设有贯通至器件底部的通孔；所述的第二电极至少一端穿过所述通孔与所述源极电性连接。

所述的电极对包括互为叉指电极的第一电极和第二电极，所述的第一电极和第二电极均设置在氧化镓层上表面，所述的第二电极至少一端延伸进晶体管区并与源极电性连接。提供另一种电极对的实现结构。

从下而上依次层叠设置衬底、缓冲层、氧化镓层；所述的缓冲层和衬底在压电谐振器区设有空腔，氧化镓层在所述空腔对应位置设置电极对；所述氧化镓层上表面在晶体管区还层叠设有沟道层，在沟道层上表面靠近压电谐振器区的一端设有源极，另一端设有漏极，在源极和漏极之间设有栅极。在于提供一种具体的层叠结构。

所述的栅极与源极的距离小于与漏极的距离。其优点在于减小源极-栅极之间的寄生电阻，提高漏极-栅极之间的耐压，从而最大程度获得晶体管的高频率和大功率性能。

所述的沟道层上表面在源极、栅极、漏极之下还设有势垒层。可以提高晶体管的沟道载流子浓度和迁移率，进而获得更高的工作频率和更大的输出电流。

所述的栅极为T型结构。优点在于减小栅长的同时获得较低的栅极电阻，使晶体管同时具有高频率和大功率。

附图说明

图1是本发明所述基于氧化镓的集成器件实施例一的结构示意图。

图2是本发明所述基于氧化镓的集成器件实施例二的结构示意图。

图3是本发明所述基于氧化镓的集成器件实施例三的结构示意图。

图4是本发明所述基于氧化镓的集成器件实施例四的结构示意图。

图5是本发明所述压电谐振器区的俯视图。

附图标记：101-衬底、102-缓冲层、103-氧化镓层、104-沟道层、105-势垒层、106-第一电极、107-第二电极、108-栅极、109-漏极、110-源极。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本发明所述的一种基于氧化镓的集成器件同时集成了压电谐振器和晶体管，主要包括了由下至上层叠设置的衬底(101)、缓冲层(102)、氧化镓层(103)。氧化镓层(103)的一侧为晶体管区，另一侧为压电谐振器区。本发明实施例以场效应管的结构为例进行说明，本领域技术人员在本发明构思下对晶体管类型做变换是无需创造性劳动的公知手段。

氧化镓层(103)在晶体管区的上表面层叠一沟道层(104)，在所述沟道层(104)上表面分别设置源极(110)、栅极(108)和漏极(109)组成场效应管。其中源极(110)靠近压电谐振器区，漏极(109)远离压电谐振器区，栅极(108)设置在源极(110)和漏极(109)之间。为了提高器件的高频率和大功率性能，栅极(108)设置为T型结构且更接近源极(110)而远离漏极(109)。源极(110)下方从沟道层(104)开始至衬底(101)设有垂直贯穿各层的通孔，通孔中填充有电极金属，将源极(110)引出衬底(101)底部。

氧化镓层(103)在压电谐振器区的上表面设置与其电性连接的第一电极(106)。衬底(101)和缓冲层(102)在第一电极(106)下方的位置通过刻蚀镂空形成空腔，将氧化镓层(103)下表面对应的位置裸露。氧化镓层(103)裸露的下表面设置与其电性连接的第二电极(107)，组成压电谐振器。第二电极(107)通过导线与衬底(101)底部引出的电极金属连成一体，实现第二电极(107)与源极(110)的直接接触，由此即实现了一块芯片内同时集成压电谐振器和晶体管的技术方案。其中，第一电极(106)和第二电极(107)组成所述的电极对，用于与氧化镓层(103)实现机电耦合。而空腔的四周依然保留衬底(101)和缓冲层(102)的材料，因为缓冲层的压电特性弱，且为非晶或多晶结构，对于压电转换几乎无贡献且会造成对声波振荡能量的吸收。而空腔的设置可以有效降低缓冲层对声波的负面影响，使得压电谐振器区的机电耦合系数更高。

优选地，所述的氧化镓层(103)厚度为0.1um至20um，由单晶ε相氧化镓组成。所述衬底的组成材料可为蓝宝石、硅或碳化硅。所述的沟道层(104)可由氧化镓材料组成。

本发明的工作原理如下，压电谐振器将射频通过压电效应在氧化镓层(103)上实现机电耦合从而完成滤波，滤波后的电信号通过同一芯片内的晶体管得到按需放大。利用纵向压电效应，由分设于上下表面的电极对实现电信号的输入和输出，其优点是压电效应强和损耗小。

实现射频前端中的射频信号放大电路和射频滤波器的单片集成化，具有高性能、低损耗、高可靠性、体积小和成本低的优点。此外，本发明所述集成器件的实现兼容常规氧化镓电子器件的制备工艺，方法简单可靠，从而保证低成本。

实施例二

如图2所示，本实施例与实施例一的区别主要在于，所述的沟道层(104)上方还层叠一势垒层(105)，所述势垒层(105)可由氧化铝镓材料组成。所述的源极(110)、栅极(108)和漏极(109)设置在势垒层(105)上方，横向的相对位置与实施例一相同。势垒层(105)的设置目的在于提高晶体管的沟道载流子浓度和迁移率，进而获得更高的工作频率和更大的输出电流。

实施例三

如图3所示，本实施例与实施例一的区别主要在于，不设置垂直贯通的通孔，所述的第二电极(107)和第一电极(106)互为叉指电极，并同时设置在氧化镓层(103)上表面。第二电极(107)的一端通过电极金属与源极(110)直接连接。所述叉指电极结构如图5所示。

本实施例的工作原理与实施例一差别在于，利用横向压电效应，由位于压电薄膜上表面的电极对实现电信号的输入和输出，其优点是结构简单，制备工艺步骤少。

实施例四

如图4所示，本实施例与实施例三的区别主要在于，所述的沟道层(104)上方还层叠一势垒层(105)，所述势垒层(105)可由氧化铝镓材料组成。所述的源极(110)、栅极(108)和漏极(109)设置在势垒层(105)上方，横向的相对位置与实施例三相同。势垒层(105)的设置目的在于提高晶体管的沟道载流子浓度和迁移率，进而获得更高的工作频率和更大的输出电流。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。