阅读说明：本技术 垂直pHEMT晶体管结构及开关芯片 (Vertical pHEMT transistor structure and switch chip ) 是由 黄永锋 殷玉喆 何力 刘伟 于 2020-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种垂直pHEMT晶体管结构及开关芯片。晶体管包括：围绕金属化通孔四周,由内层向外层依次排布缓冲层、沟道层、第一隔离层和势垒层,所述金属化通孔、缓冲层、沟道层、第一隔离层和势垒层均为柱状结构,金属化通孔轴向同衬底法线方向,于所述势垒层侧壁分别设置源极、栅极、漏极,源极、栅极、漏极呈水平或垂直排布,在垂直排布时,栅极包围柱状侧壁一周。开关芯片由若干垂直pHEMT晶体管垂直方向串联或并联而成。本发明的晶体管及开关芯片具备高隔离度、功率容量大、体积小、集成性好、低功耗、高效率、宽带特性好的特点。(The invention discloses a vertical pHEMT transistor structure and a switch chip. The transistor includes: the buffer layer, the channel layer, the first isolation layer and the barrier layer are sequentially arranged from the inner layer to the outer layer around the metalized through hole, the buffer layer, the channel layer, the first isolation layer and the barrier layer are all of a columnar structure, the axial direction of the metalized through hole is the same as the normal direction of the substrate, a source electrode, a grid electrode and a drain electrode are respectively arranged on the side wall of the barrier layer, the source electrode, the grid electrode and the drain electrode are horizontally or vertically arranged, and when the metalized through hole is vertically arranged, the grid electrode surrounds the columnar. The switch chip is formed by connecting a plurality of vertical pHEMT transistors in series or in parallel in the vertical direction. The transistor and the switch chip have the characteristics of high isolation, large power capacity, small volume, good integration, low power consumption, high efficiency and good broadband characteristics.)

垂直pHEMT晶体管结构及开关芯片

技术领域

本发明涉及半导体芯片领域，尤其是一种垂直pHEMT晶体管结构，以及垂直pHEMT晶体管堆叠结构形成的开关芯片。

背景技术

微波开关在收发模块等现代通信系统中有广泛应用。现有微波开关有两种技术：一种是机械开关，用电控制机械臂通断来控制微波通道的开关；另一种是芯片开关，用电控制芯片中晶体管的通断来控制微波通道的开关。

机械开关相比于芯片开关的优势：隔离度高，可达60dB以上隔离度，而芯片开关只能达到20dB左右。因此机械开关广泛应用于仪器仪表等需要高隔离度、高灵敏度、精密测量等领域。

芯片开关相比于机械开关的优势：体积小，易于集成，开关速度快。芯片开关一个晶体管只有100微米左右尺度，便于在芯片上多个开关级联，以及和其他控制电路和微波电路集成。这点机械开关是做不到的。而且由于芯片开关是电控芯片晶体管通断来实现微波开关功能，因此速度要远高于机械开关。机械开关切换需要100毫秒左右，而芯片开关可以实现10ms以内的切换速度。因此芯片开关广泛应用于多通道收发芯片/模块、5G、Wifi等对体积和集成度要求较高的现代通信系统中。

芯片开关可以在多种类型的芯片上实现，衬底不同，典型如GaAs、GaN、InP、体硅CMOS-RF、SOI-RF等类型。新型结构的芯片开关还包括微机电系统MEMS芯片开关。

除了MEMS芯片开关，其他几种微波开关结构大致相同，典型如GaAs、GaN等化合物半导体开关都属于pHEMT晶体管类型的芯片开关。这种开关的基本结构是pHEMT晶体管，主要包括衬底和栅、漏、源等结构，典型GaAs pHEMT结构如图1所示，硅基化合物半导体晶体管与此类似。

参见附图1，未掺杂InGaAs层与AlGaAs层在界面处形成异质结，产生二维电子气。栅极控制势垒高度，当栅极达到一定偏压时，二维电子气隧道穿越势垒，在源极和漏级间形成电流。为了防止电流泄露到GaAs衬底中，加入了未掺杂GaAs/AlGaAs超晶格缓冲层。

基于pHEMT结构晶体管的开关芯片的原理是：当栅极不加控制电压时，栅极的势垒阻碍了源极的二维电子气电流流向漏极，开关处于关闭状态。当栅极加上控制电压时，栅极的势垒降低，不再阻碍源极的二维电子气电流流向漏极，开关处于打开状态。由于栅极控制势垒阻碍二维电子气流动的能力弱于机械开关的机械臂，因此芯片开关的隔离度远小于机械开关，严重影响了芯片开关的应用。

pHEMT晶体管是一种在芯片上制作的平面微波结构，之所以是平面结构，主要是为了方便半导体芯片制作工艺，现有技术的结构特征是：是一种平面芯片电路，栅极做成多个插指插入到源级和漏极之间。一个典型的GaAs pHEMT晶体管版图设计如图2所示。基于pHEMT结构晶体管的功能完整的多管堆叠单刀双掷开关芯片通常如图3所示。

图3所述结构采用了串联-并联结合的多管堆叠结构，目的是为了提高整体的隔离度。但是在实际应用中发现，当堆叠到一定数量时隔离度不再上升，只能从隔离10dB提升到隔离20dB左右。而且由于堆叠，会造成开关耗电增加，效率下降。因此实际工程应用中在串联或并联方向上，堆叠10个以内的晶体管。

随着5G、Wifi6、CV2X、NBIoT等新型通信技术的发展，对芯片开关的隔离度要求越来越高，当前的芯片开关技术存在如下不足，急需解决：

(1)基于pHEMT结构晶体管的单个微波开关，原理是栅极势垒控制源极与漏极间电流通断，先天存在隔离度低的问题。

(2)通过串联或并联堆叠多个pHEMT结构晶体管开关，可以提高整体隔离度，代价是功耗增加和效率降低，且隔离度提升有限。

(3)新型通信系统需要更高隔离度的芯片开关，且保持低功耗、可芯片集成等优点。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的全部或部分问题，提供一种垂直pHEMT晶体管结构，以提高晶体管隔离度。还提供了一种具备高隔离度、低功耗、可高度集成的基于垂直pHEMT晶体管的开关芯片。

本发明采用的技术方案如下：

一种垂直pHEMT晶体管结构，包括：

围绕金属化通孔四周，由内层向外层依次排布缓冲层、沟道层、第一隔离层和势垒层，所述金属化通孔、缓冲层、沟道层、第一隔离层和势垒层均为柱状结构，金属化通孔轴向同衬底法线方向，于所述势垒层侧壁分别设置源极、栅极、漏极。

进一步的，所述源极、栅极、漏极呈水平或垂直排布。

进一步的，所述源极、栅极、漏极呈垂直排布，所述源极、栅极、漏极分别包围所述势垒层侧壁的部分或一周。所谓的“部分”和“一周”，为相对于侧壁截面周长而言，而非相对于侧壁的面积而言。

进一步的，至少所述栅极包围所述势垒层侧壁的一周。

进一步的，所述缓冲层为未掺杂GaAs/AlGaAs超晶格缓冲层，所述沟道层为未掺杂InGaAs沟道层，所述隔离层为未掺杂AlGaAs隔离层，所述势垒层为N型AlGaAs势垒层，所述源极和漏极均由N型重掺杂GaAs接触层形成。

进一步的，所述柱状结构为圆柱或矩形柱。

一种基于垂直pHEMT晶体管的开关芯片，由若干层垂直pHEMT晶体管垂直堆叠而成，每相邻两层垂直pHEMT晶体管均包括上层晶体管和下层晶体管，所述上层晶体管和下层晶体管之间设置有第二隔离层，垂直贯穿所述第二隔离层设置有金属化过孔；所述上层晶体管和下层晶体管分别采用上述的垂直pHEMT晶体管结构。

进一步的，所述上层晶体管和下层晶体管的源极、栅极、漏极均采用垂直排布，所述上层晶体管和下层晶体管之间，一者的源极与另一者的漏极通过所述第二隔离层上的金属化过孔连接。

进一步的，所述上层晶体管和下层晶体管的源极、栅极、漏极均采用水平排布，所述上层晶体管和下层晶体管之间，相对应的电极通过所述第二隔离层上相应的金属化过孔连接。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的垂直pHEMT微波晶体管结构及开关芯片，具备相当高的隔离度，当栅极环绕柱状晶体管侧壁时，对势垒控制能力最强，微波开关打开和关断的隔离度最高。相比传统水平排列的平面结构pHEMT微波开关，本发明提出的新型柱状结构晶体管的隔离度可以提高3dB以上。

2、本发明设计的柱状结构晶体管的中心是金属化通孔，直接接地，具有良好的散热特性，以此构成的微波开关芯片具有更高的功率容量。相比传统水平排列的平面结构pHEMT微波开关，本发明设计的晶体管的功率容量可以从5W提高到10W以上。

3、本发明的晶体管采用垂直堆叠模式，更多开关串并联时，水平方向面积并不增加，只是垂直方向高度增加，芯片和模块的集成性更好。相比传统水平排列的平面结构pHEMT微波开关，本发明提出的新型柱状结构晶体管的面积可以从1mm²降低到0.1mm²。

4、由于本发明的开关芯片具备小型化和高集成度的特点，使得开关之间互联距离更短，可以提高芯片和模块的宽带特性好、降低功耗并提高效率，尤其是本发明设计的新型柱状结构晶体管采用了金属化通孔TSV，更进一步减小了开关单元间互联距离。相比传统水平排列的平面结构pHEMT微波开关，本发明提出的新型柱状结构晶体管的宽带特性可以覆盖到28GHz以上的毫米波频段，功耗可以从1W降低到0.5W，效率可以从30％提高到40％。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是现有GaAs pHEMT衬底结构。

图2是现有功率晶体管版图。

图3是现有基于pHEMT结构晶体管的多管堆叠单刀双掷开关芯片结构图。

图4是源极栅极漏极水平排布的垂直结构pHEMT晶体管结构图。

图5是源极栅极漏极水平排布的水平结构pHEMT晶体管结构图。

图6是pHEMT晶体管串联堆叠结构图。

图7是pHEMT晶体管并联堆叠结构图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

一种垂直pHEMT晶体管结构，该晶体管结构包括：

围绕金属化通孔四周，由内层向外层依次排布缓冲层、沟道层、第一隔离层和势垒层，金属化通孔轴向同衬底法线方向；于势垒层侧壁(显然为外侧)设置源极、栅极、漏极，源极、漏极为势垒层侧壁设置的接触层，这样，二维电子气环绕金属化通孔轴向分布，栅极则可对势垒层进行良好的控制，提升对源极和漏极间电流通断的控制能力，提高了隔离度。金属化通孔沿衬底法线方向成柱状结构，相应的，金属化通孔外围各层(缓冲层、沟道层、第一隔离层和势垒层均为柱状结构)结构也成柱状结构，该柱状结构可为圆柱或矩形柱。源极、栅极、漏极可以沿势垒层侧壁水平排布或垂直排布。对于垂直排布的情况，源极、栅极、漏极可以为局部排布于势垒层侧壁，也可以环绕势垒层侧壁一圈。如图4所示为源极、栅极、漏极水平排布的晶体管结构，对应的二维电子气电流在柱状侧壁上水平从源极流动到漏极，如图5所示为源极、栅极、漏极垂直排布的晶体管结构(局部排布)，对应的二维电子气电流在柱状侧壁上垂直从源极流动到漏极。在栅极垂直排布的情形，栅极环绕柱状侧壁的一周，对势垒控制能力最强，开关打开和关断的隔离度最高。

垂直pHEMT微波晶体管结构沿衬底法线方向排成阵列，则可形成柱状垂直pHEMT晶体管。

实施例二

本实施例公开了一种垂直pHEMT微波晶体管结构，该晶体管结构包括：

围绕金属化通孔四周，由内层向外层依次排布未掺杂GaAs/AlGaAs超晶格缓冲层、未掺杂InGaAs沟道层、未掺杂AlGaAs隔离层和N型AlGaAs势垒层，金属化通孔轴向同衬底法线方向；于N型AlGaAs势垒层侧壁设置源极、栅极、漏极，源极、漏极为于N型AlGaAs势垒层侧壁设置的N型重掺杂GaAs接触层，这样，二维电子气环绕金属化通孔轴向分布。金属化通孔沿衬底法线方向成柱状结构，相应的，金属化通孔外围各层结构也成柱状结构，该柱状结构可为圆柱或矩形柱。源极、栅极、漏极可以沿N型AlGaAs势垒层侧壁水平排布，也可垂直排布。对于垂直排布的情况，源极、栅极、漏极可以为局部排布于N型AlGaAs势垒层侧壁，也可以环绕N型AlGaAs势垒层侧壁一圈。如图4所示为源极、栅极、漏极水平排布的晶体管结构，对应的二维电子气电流在柱状侧壁上水平从源极流动到漏极，如图5所示为垂直排布的晶体管结构(局部排布)，对应的二维电子气电流在柱状侧壁上垂直从源极流动到漏极。

实施例三

本实施例公开了一种pHEMT晶体管垂直堆叠结构，其由若干上述实施例中的垂直pHEMT微波晶体管结构在衬底上垂直堆叠而成，每相邻两层垂直pHEMT微波晶体管均包括上层晶体管和下层晶体管，上层晶体管和下层晶体管垂直堆叠(即沿衬底法线方向堆叠)，上层晶体管和下层晶体管之间设置有第二隔离层，垂直贯穿第二隔离层设置有用于导电导热的金属化过孔。上层晶体管和下层晶体管的结构分别采用上述pHEMT微波晶体管结构，需要说明的是，虽然均采用上述实施例的垂直pHEMT微波晶体管结构，但上层晶体管和下层晶体管的结构可相同，也可不同，即上、下层晶体管可以分别对应不同实施方式的垂直pHEMT微波晶体管结构。垂直堆叠包括两种情况，串联堆叠和并联堆叠。串联堆叠如图6所示，即上层晶体管与下层晶体管之间的漏极和源极连接。并联堆叠如图7所示，即上层晶体管与下层晶体管之间的源极和源极连接、漏极和漏极连接。

如图6所示为两层垂直pHEMT微波晶体管结构堆叠而成的结构，在GaAs衬底上，生长有下层晶体管和上层晶体管，上、下层晶体管之间设置有第二隔离层，该第二隔离层上贯穿设置有金属化过孔。上层晶体管和下层晶体管的结构均为：围绕金属化通孔，由内层向外层依次排布未掺杂GaAs/AlGaAs超晶格缓冲层、未掺杂InGaAs沟道层、未掺杂AlGaAs隔离层和N型AlGaAs势垒层，金属化通孔轴向同衬底法线方向；于N型AlGaAs势垒层侧壁设置源极、栅极、漏极，源极、栅极、漏极沿AlGaAs势垒层侧壁依次垂直排布(即水平排列)，上层晶体管的漏极与下层晶体管的源极通过隔离层上的金属化过孔连接，从而实现串联堆叠。具体实施中，各电极之间的连接需要通过金丝/铜丝进行连接，其属于本领域的公知常识，在此不进行详细讲解，本发明主要是介绍柱状晶体管结构及相应的垂直堆叠结构。

如图7所示为两层垂直pHEMT微波晶体管结构堆叠而成的结构，在GaAs衬底上，生长有下层晶体管和上层晶体管，上、下层晶体管之间设置有第二隔离层，该第二隔离层上贯穿设置有金属化过孔。上层晶体管和下层晶体管的结构均为：围绕金属化通孔，由内层向外层依次排布未掺杂GaAs/AlGaAs超晶格缓冲层、未掺杂InGaAs沟道层、未掺杂AlGaAs隔离层和N型AlGaAs势垒层，金属化通孔轴向同衬底法线方向；于N型AlGaAs势垒层侧壁设置源极、栅极、漏极，源极、栅极、漏极沿AlGaAs势垒层侧壁依次水平排布(即垂直排列)，上层晶体管的漏极与下层晶体管的漏极、上层晶体管的栅极与下层晶体管的栅极、上层晶体管的源极与下层晶体管的源极之间，分别通过隔离层上对应的金属化过孔连接，从而实现并联堆叠。

本实施例仅为垂直堆叠的举例，在实际应用中，对于不同的晶体管，各层(缓冲层、沟道层、隔离层和势垒层)所选用的材料会有不同，但结构上是相同的。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。