專利名稱：柵邊緣凹槽型源場板結構高電子遷移率晶體管的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高電子遷移率晶體管(High Electron MobilityTransistor, HEMT)，特別涉及一種在柵漏區(qū)柵極邊緣形成溝槽的柵邊緣凹槽型源場板結構的高電子遷移率晶體管，該高電子遷移率晶體管可作為微波、毫米波通訊系統(tǒng)以及雷達系統(tǒng)的基本器件，屬于半導體器件領域。
技術背景在化合物半導體電子器件中，高電子遷移率晶體管(HEMT)是應用于高頻大功率場合最主要的電子器件。這種電子器件依靠半導體異質(zhì)結中具有量子效應的ニ維電子氣(2DEG)形成導電溝道，2DEG的密度、遷移率和飽和速度等決定了該器件的電流處理能力。與第2代半導體材料神化鎵(GaAs)相比，III族氮化物材料(GaN，AIN, InN)中第三代半導體材料氮化鎵(GaN)在材料性質(zhì)方面具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽和速度高、熱導率高、抗輻照能力強等優(yōu)勢，因此GaN HEMT的高頻、耐壓、耐高溫、耐惡劣環(huán)境的能力很強；而且III族氮化物材料(GaN，AIN, InN)具有很強的自發(fā)和壓電極化效應，可顯著提高HEMT材料結構中2DEG的密度?；贗II族氮化物材料(GaN，AIN, InN)的HEMT，已被廣泛應用于微波、毫米波通訊系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)等領域，它自從誕生之日起便成為眾多研究者的研究熱點。1993年，Khan等人成功研制并報道了第一只AlGaN/GaN異質(zhì)結高電子遷移率晶體管，參見[Highelectron mobility transistor based on a,Ga1^N heterojunction , AppliedPhysics Letters, Vol. 63, No. 9, pp. 1214-1215，1993],但是其性能指標還遠不夠理想。目前，已公開的GaN HEMT在Ka波段的輸出功率密度可達10W/mm，參見[55% PAE and HighPower Ka-Band GaN HEMTs with Linearized Transconductance via baN Source しontactLedge, Electron Device Letters, vol. 29, pp. 834 - 837, 2008]。GaN HEMT 器件性能得到飛速提高的原因包括其材料質(zhì)量的提高和器件エ藝的改進，特別是各種新器件結構的采用。由于HEMT工作時其勢壘區(qū)耗盡層中的電場線分布不均勻，柵極靠近漏極ー側的邊緣往往聚集大部分的電場線，因此該處有ー個相當高的電場峰值。該處的高電場會使得柵極泄漏電流増大，導致其可靠性變差；另外該處的高電場容易導致器件發(fā)生雪崩擊穿，從而使得該類器件的高擊穿電壓和高功率密度等優(yōu)勢得不到充分發(fā)揮。為此，有研究者采用柵場板結構對其進行了改進，參見[30-W/mm GaN HEMTs by field plate optimization,Electron Device Letters, vol. 25, pp. 117 - 119, 2004]。其基本原理是所述柵場板將部分原本收集在靠近漏極ー側的柵極邊緣的電場線收集到場板上，結果在靠近漏極ー側的柵極邊緣和靠近漏極ー側的場板邊緣分別出現(xiàn)ー個電場峰值，從而減少了靠近漏極ー側柵極邊緣收集的電場線，降低了該處的電場強度，進而減小了柵極泄漏電流；同時器件擊穿電壓也得到提高。引入柵場板的缺點是増大了柵漏反饋電容，使所述器件功率増益有所降低，為了補償柵場板引入所導致的増益降低，有學者采用凹槽柵結構來增大器件的跨導，即在柵極下方勢魚層刻蝕凹槽，從而提高了器件的功率增益，參見[A 149W recessed-gateAlGaN/GaN FP-FET, Microwave Symposium Digest, 2004 IEEE MTT-S International,vol. 3，pp. 1351 - 1354，2004HEMTHEMT]。但是采用在柵極下方勢壘層刻蝕形成凹槽這種結構，會顯著降低器件電流密度，從而影響器件的功率性能。2004年，Y. F. Wu等人又報道了采用源場板的GaN HEMT，由于場板與源極相連，則場板到溝道電容變?yōu)槁┰措娙荩沟糜捎趫霭逡氲念~外的柵漏電容得以消除，參見[High-gain microwave GaN HEMTs withsource-terminated field-plates, IEEE International Electron Devices MeetingTechnical Digest, pp. 1078 - 1079 , December 2004]。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的正是基于現(xiàn)有技術中所存在的缺陷和不足，而提供一種制造エ藝簡單、操作方便、且可靠性好和擊穿電壓高的柵邊緣凹槽型源場板結構的高電子遷移率晶體管(HEMT)。該高電子遷移率晶體管是通過在靠近漏極ー側的柵極邊緣勢壘層中形成溝槽的柵邊緣凹槽型結構的HEMT，該HEMT可降低靠近漏極ー側的柵極邊緣的電場強度，從而減小柵極泄漏電流，提高HEMT器件的擊穿電壓，同時，柵漏區(qū)柵極邊緣凹槽不會降低器件 的飽和漏電流，從而保證器件的高輸出功率密度；另外，柵漏區(qū)柵極邊緣凹槽阻止了柵電極下的耗盡層向漏漂移區(qū)擴展，減小了柵漏電容，從而提高了器件的頻率特性。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術措施構成的技術方案來實現(xiàn)。本實用新型提供的一種柵邊緣凹槽型源場板結構高電子遷移率晶體管，包括襯底層、緩沖層、勢壘層、源電極、柵電極、漏電極、鈍化層和源場板；按照本實用新型，還包括柵漏區(qū)的凹槽，所述柵漏區(qū)凹槽是在柵漏區(qū)沿柵極邊緣、而在勢壘層上刻蝕形成的溝槽，所述溝槽沿柵寬方向。上述技術方案中，所述柵漏區(qū)凹槽的ー個側壁與漏電極ー側的柵極邊緣對齊，另一個側壁位于柵電極與漏電極之間的勢壘層中。上述技術方案中，所述柵漏區(qū)凹槽深度小于勢壘層厚度。上述技術方案中，所述柵漏區(qū)凹槽中可以填充空氣、或ニ氧化硅(Si02)、或氮化硅(SiN)、或三氧化ニ鋁(A1203)、或 Η 2。上述技術方案中，所述柵漏區(qū)凹槽為方形結構。上述技術方案中，所述柵漏區(qū)凹槽為梯形結構。上述技術方案中，所述柵漏區(qū)凹槽為階梯形結構。本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有以下特點及有益的技術效果I、本實用新型的柵邊緣凹槽型源場板結構HEMT，是在靠近漏極ー側的柵極邊緣勢壘層中沿柵寬方向刻蝕形成溝槽來降低靠近漏極ー側的柵極邊緣的電場強度，從而減小了柵極泄漏電流，提高了該器件的擊穿電壓。2、本實用新型的柵邊緣凹槽型源場板結構HEMT與傳統(tǒng)HEMT結構相比，本實用新型所述柵漏區(qū)柵極邊緣凹槽不會降低器件的飽和漏電流，從而可保證器件的高輸出功率密度；另外，柵漏區(qū)柵極邊緣凹槽阻止了柵電極下的耗盡層向漏漂移區(qū)擴展，減小了柵漏電容，從而提高了器件的頻率特性。3、本實用新型的柵邊緣凹槽型源場板結構的HEMT可以運用到高頻、大功率電子領域。

圖I是傳統(tǒng)源場板的HEMT結構示意圖；圖2是本實用新型柵邊緣凹槽型源場板的HEMT結構示意圖；圖中，I為襯底層,2為緩沖層,3為勢魚層,4為源極,5為柵極,6為漏極,7為鈍化層，8為源場板，9為柵漏區(qū)柵極邊緣凹槽。圖3是圖2中凹槽為方形結構示意圖；圖4是圖2中凹槽為梯形結構示意圖；圖5是圖2中凹槽為階梯形結構示意圖； 圖6是對傳統(tǒng)HEMT器件及本實用新型HEMT器件仿真所得的直流I_V特性的對比圖；圖7是對傳統(tǒng)HEMT器件及本實用新型HEMT器件仿真所得的擊穿特性曲線圖；圖8是對傳統(tǒng)HEMT器件及本實用新型HEMT器件仿真所得的柵漏電容Cgd的對比圖。
具體實施方式
以下結合附圖并用具體實施例對本實用新型作進ー步詳細說明，但并不意味著是對本實用新型所保護內(nèi)容的任何限定。參照圖2所示，本實用新型所述柵邊緣凹槽型源場板結構HEMT，該HEMT是基于III- V族化合物半導體異質(zhì)結結構，其結構包括襯底層I、緩沖層2、勢壘層3、源極4、柵極5、漏極6、鈍化層7、源場板8和柵漏區(qū)柵極邊緣凹槽9 ;所述緩沖層2位于襯底層I之上，所述勢壘層3位于緩沖層2之上，勢壘層3上部的兩端分別為源極4和漏極6，其中間為柵極5 ;所述鈍化層7位于源極4、柵極5和漏極6之上，以及源極與柵極之間和柵極與漏極之間的勢壘層之上；所述源場板8位于鈍化層7之上，且與源極4連接；所述柵漏區(qū)凹槽9是在柵漏區(qū)沿柵極5邊緣、而在勢壘層3上刻蝕形成的溝槽，所述溝槽沿柵寬方向。所述HEMT器件的襯底層I可以為藍寶石、或碳化硅、或硅；緩沖層2由若干層相同或不同的III- V族化合物半導體材料組成，其厚度為I 5um ;勢壘層3由若干層相同或不同的III - V族化合物半導體材料組成，其厚度為10 40nm ;鈍化層7可以為Si02、SiN、Al2O3^HfO2或其他絕緣介質(zhì)材料，其厚度為O. 05、. 8um ;所述凹槽中可以填充與鈍化層7相同或不同的絕緣介質(zhì)材料。所述柵邊緣凹槽型源場板結構HEMT通過在柵漏區(qū)沿柵極5邊緣、在勢壘層3上刻蝕出的凹槽9，減少了柵極5靠近漏極6 —側的邊緣所收集的電場線，降低了該處的電場強度，減小了柵極泄漏電流，從而顯著提高了 HEMT器件的擊穿電壓；同時，柵漏區(qū)柵極邊緣凹槽9不會降低器件的飽和漏電流，從而保證該器件的高輸出功率密度；其次，柵漏區(qū)柵極邊緣凹槽9阻止了柵電極下的耗盡層向漏漂移區(qū)擴展，減小了柵漏電容，從而提高了所述器件的頻率特性。本實用新型的ー個具體實施例子，是采用圖2所示的柵邊緣凹槽型源場板結構的HEMT。其襯底層I為SiC，緩沖層2為厚度為I. 2um的GaN，勢壘層3為厚度為25nm、鋁組分為O. 3的Ala3Gaa7N,柵漏距離為2um，鈍化層7為厚度為O. Ium的SiN，凹槽9為圖3所示的方形結構，其中所填介質(zhì)為Al2O3,凹槽深度d為15nm，凹槽寬度L為O. 9um。圖6所示的是對具有上述所述參數(shù)的傳統(tǒng)源場板HEMT結構和本實用新型HEMT結構進行ニ維數(shù)值分析得到的直流I-V曲線。經(jīng)分析表明，本實用新型所提出的HEMT結構的飽和漏電流與傳統(tǒng)源場板結構的飽和漏電流幾乎一致。圖7所示的是傳統(tǒng)源場板結構HEMT和本實用新型的柵邊緣凹槽型源場板結構HEMT的擊穿特性曲線，從圖中可以看出，傳統(tǒng)源場板結構HEMT的擊穿曲線中發(fā)生擊穿，即漏極電流迅速增加時的漏源電壓大約在162V，而本實用新型HEMT器件的擊穿曲線中發(fā)生擊穿時的漏源電壓大約在274V，充分證明本實用新型柵邊緣凹槽型源場板結構器件的擊穿電壓遠大于傳統(tǒng)源場板結構器件的擊穿電壓。圖8所示的是ニ維數(shù)值分析得到的柵漏電容隨頻率變化的曲線，經(jīng)分析表明，柵邊緣凹槽型源場板結構HEMT的柵漏電容與傳統(tǒng)源場板結構HEMT的柵漏電容相比明顯降 低。本實用新型所述柵邊緣凹槽型源場板結構HEMT的其他實施例子，可以根據(jù)實際需要改變柵漏區(qū)柵極邊緣凹槽9的形狀結構、深度和寬度，如圖4或者圖5中所示的柵漏區(qū)凹槽9結構；其中所述凹槽9深度需小于勢壘層厚度。本實用新型所述柵邊緣凹槽型源場板結構HEMT的其他實施例子，其所述緩沖層和勢壘層可以選用其他III - V族化合物半導體材料，比如GaAs、AlN、InN、InAlN、InGaN。同樣可達到前面所述的特點和技術效果。通過本實用新型所述實施例，以及圖6、圖7和圖8所示，本實用新型所述柵邊緣凹槽型源場板結構HEMT與傳統(tǒng)源場板結構的HEMT相比，具有更優(yōu)越的頻率特性和更高的輸出功率密度；可以運用到高頻、大功率電子領域。
權利要求1.一種柵邊緣凹槽型源場板結構高電子遷移率晶體管，包括襯底層(I)、緩沖層(2)、勢壘層(3)、源極(4)、柵極(5)、漏極(6)、鈍化層(7)和源場板(8);其特征在于還包括柵漏區(qū)的凹槽(9)，所述柵漏區(qū)凹槽(9)是在柵漏區(qū)沿柵極(5)邊緣、而在勢壘層(3)上刻蝕形成的溝槽，所述溝槽沿柵寬方向。
2.根據(jù)權利要求I所述的柵邊緣凹槽型源場板結構高電子遷移率晶體管，其特征在于所述柵漏區(qū)凹槽(9)的一個側壁與漏極一側的柵極邊緣對齊，另一個側壁位于柵極與漏極之間的勢壘層中。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的柵邊緣凹槽型源場板結構高電子遷移率晶體管，其特征在于所述柵漏區(qū)凹槽(9)深度小于勢壘層厚度。
4.根據(jù)權利要求I或2所述的柵邊緣凹槽型源場板結構高電子遷移率晶體管，其特征在于所述柵漏區(qū)凹槽(9)中填充空氣、或二氧化硅(Si02)、或氮化硅(SiN)、或三氧化二鋁(Al2O3)、或二氧化鉿(HfO2)。
5.根據(jù)權利要求I或2所述的柵邊緣凹槽型源場板結構高電子遷移率晶體管，其特征在于所述柵漏區(qū)凹槽(9)為方形結構。
6.根據(jù)權利要求I或2所述的柵邊緣凹槽型源場板結構高電子遷移率晶體管，其特征在于所述柵漏區(qū)凹槽(9)為梯形結構。
7.根據(jù)權利要求I或2所述的柵邊緣凹槽型源場板結構高電子遷移率晶體管，其特征在于所述柵漏區(qū)凹槽(9)為階梯形結構。
專利摘要本實用新型公開了一種柵邊緣凹槽型源場板結構高電子遷移率晶體管，屬于半導體器件領域。所述高電子遷移率晶體管包括襯底層、緩沖層、勢壘層、源極、柵極、漏極、鈍化層和源場板；還包括柵漏區(qū)凹槽，所述柵漏區(qū)凹槽是在柵漏區(qū)沿柵極邊緣、而在勢壘層上刻蝕形成的溝槽；所述溝槽沿柵寬方向。本實用新型的柵邊緣凹槽型源場板結構HEMT與傳統(tǒng)源場板結構HEMT相比，減少了柵極靠近漏極一側的邊緣所收集的電場線，因此能降低柵極靠近漏極一側的電場，從而可顯著提高HEMT器件的擊穿電壓。
文檔編號H01L29/778GK202616234SQ201220305880
公開日2012年12月19日 申請日期2012年6月28日 優(yōu)先權日2012年6月28日
發(fā)明者徐躍杭, 付文麗, 延波, 國云川, 徐銳敏 申請人:電子科技大學