一种含高介电系数介质块的HEMT器件的制作方法

本发明属于半导体技术领域，涉及一种高电子迁移率晶体管(hemt)，具体涉及一种含高介电系数介质块的hemt器件。

背景技术：

在射频、功率集成电路领域，器件的频率、耐压、导通电阻等特性是决定电路特性的重要性能指标，目前随着功率集成电路的集成度不断提高，功率集成电路对电路及器件的各项特性的要求也越来越高。在射频功率器件中，由于hemt(高电子迁移率晶体管)器件相比其它功率器件，具有超高速、低功耗、低噪声的特点(尤其在低温下)，极大的满足了超高速计算机及信号处理、卫星通信等用途上的特殊需求，故而hemt器件受到广泛的重视。

射频、功率集成电路的迅速发展也越来越需要能够满足更高频率、更大耐压特性的功率器件。作为新一代微波及毫米波器件，hemt器件无论是在频率、增益还是在效率方面都表现出无与伦比的优势。经过10年多的发展，hemt已经具备了优异的微波、毫米波特性，已成为2—100ghz的卫星通信、射电天文、电子战略等领域中的微波毫米波低噪声放大器的主要器件。对于传统的hemt器件而言，其器件的立体结构示意图如图1所示，从衬底往上依次为缓冲层和势垒层，缓冲层和势垒层形成二维电子气或二维空穴气。其中栅极位于势垒层上方与势垒层形成一个肖特基接触，源极和漏极与异质结4中的二维电子气或二维空穴气形成欧姆接触。hemt通过栅极下面的肖特基势垒来控制异质结中的二维电子气或二维空穴气的浓度实现控制电流的。由于二维电子气或二维空穴气与处在势垒层中的杂质中心在空间上是分离的，则不受电离杂质散射的影响，故其迁移率很高。然而，在器件工作状态下，由于栅极与漏极之间的电场分布集中，容易在该区域生成电场峰，从而导致击穿电场降低，限制了hemt器件的最大输出功率。

技术实现要素：

针对上述传统hemt存在的击穿电压低的不足之处，本发明提出了一种含高介电系数介质块的hemt器件，可以有效提高hemt器件的击穿电压，从而使本发明提出的hemt器件能够满足更高工作电压和输出功率的应用。

本发明的技术方案为：

一种含高介电系数介质块的hemt器件，包括衬底1、缓冲层2、势垒层3、栅极4、源极5和漏极6，所述衬底1上依次设置缓冲层2和势垒层3，所述势垒层3与缓冲层2接触的界面处形成二维导电沟道9；

所述源极5和漏极6分别设置在所述hemt器件两侧且均与所述二维导电沟道9形成欧姆接触；

所述源极5与漏极6之间设置所述栅极4，且所述栅极4位于所述势垒层3上与所述势垒层3形成肖特基接触；

所述势垒层3上位于栅极4与漏极6之间的区域设置有多个高介电系数介质块7，所述多个高介电系数介质块7分别与所述栅极4连接并沿栅漏方向延伸，所述栅极4与所述多个高介电系数介质块7形成梳指状结构，所述高介电系数介质块7与所述漏极6不直接接触，所述高介电系数介质块7的介电系数大于所述势垒层3的介电系数。

具体的，所述多个高介电系数介质块7之间填充绝缘介质8。

具体的，所述高介电系数介质块7与所述栅极4通过介质层连接。

具体的，所述绝缘介质8向所述漏极6方向延伸，在所述高介电系数介质块7与漏极6之间的区域部分或全部填充绝缘介质8。

本发明的工作原理为：

由于电场线总是倾向于从介电常数较高的材料中穿过，而高介电系数介质块7的介电常数大于势垒层3的介电常数，因此在hemt器件上施加较高漏压时，会有大量电场线从势垒层3进入高介电系数介质块7，势垒层3和高介电系数介质块7的界面处会由界面电场诱生大量的界面负电荷，这些界面负电荷会对二维导电沟道9中的沟道二维电子气有耗尽作用；又由于界面负电荷面密度会随着漏压的升高而增大，使得其下方的二维电子气逐步耗尽形成耗尽区，这个新形成的耗尽区就可以作为耐压区起到提高击穿电压的作用。

本发明的有益效果为：本发明提出的hemt器件具有高击穿电压的特点，能够满足高工作电压和输出功率的应用；同时具有导通电阻小和引入附加电容小的特点；本发明的漏极电压对漏极附近电场分布影响小。

附图说明

图1为传统的hemt器件的立体结构示意图。

图2为本发明提出的一种含高介电系数介质块的hemt器件中多个高介电系数介质块7均匀分布且沿着栅漏方向延伸的实现结构示意图。

图3为本发明提出的一种含高介电系数介质块的hemt器件中多个高介电系数介质块7之间填充绝缘介质8的实现结构示意图。

图4为本发明提出的一种含高介电系数介质块的hemt器件中绝缘介质8向漏极6方向延伸且不与漏极6接触的实现结构示意图。

图5为本发明提出的一种含高介电系数介质块的hemt器件中绝缘介质8向漏极6方向延伸且与漏极6接触的实现结构示意图。

图6为本发明提出的一种含高介电系数介质块的hemt器件中多个高介电系数介质块7下方形成耗尽区的立体结构示意图。

图7为本发明提出的一种含高介电系数介质块的hemt器件中多个高介电系数介质块7下方的耗尽区横向扩展最终连成一片的立体结构示意图。

图8为实施例中在衬底1上方形成gan缓冲层10的剖视图。

图9为实施例中在gan缓冲层10上方形成algan势垒层11的剖视图。

图10为实施例中制作与gan缓冲层10形成欧姆接触的源极5和漏极6的剖视图。

图11为实施例中在algan势垒层11上方形成栅极4的剖视图。

图12为实施例中在algan势垒层11上方栅极4与漏极6之间区域覆盖高介电系数介质的立体结构示意图。

图13为实施例中刻蚀高介电系数介质形成多个高介电系数介质块7的立体结构示意图。

附图标记：1-衬底，2-缓冲层，3-势垒层，4-栅极，5-源极，6-漏极，7-高介电系数介质块，8-绝缘介质，9-二维导电沟道，10-gan缓冲层，11-algan势垒层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例详细描述本发明的技术方案。

本发明提出的一种含高介电系数介质块的hemt器件，包括衬底1、缓冲层2、势垒层3、栅极4、源极5和漏极6，衬底1上依次设置缓冲层2和势垒层3，势垒层3与缓冲层2接触的界面处形成二维导电沟道9；源极5和漏极6分别设置在hemt器件两侧且均与二维导电沟道9形成欧姆接触；源极5与漏极6之间设置栅极4，且栅极4位于势垒层3上与势垒层3形成肖特基接触；势垒层3上位于栅极4与漏极6之间的区域设置有多个高介电系数介质块7，每个高介电系数介质块7的一端连接栅极4，另一端沿栅漏方向延伸，多个高介电系数介质块7与栅极4构成梳指状结构，如图2所示，其中高介电系数介质块7与栅极4的连接方式包括直接连接，或者通过一层薄介质层间接连接。

高介电系数介质块7的介电系数需要大于势垒层3的介电系数，使得势垒层3中的电场线能够进入高介电系数介质块7中。又由于多个高介电系数介质块7与栅极4构成梳指状结构使得高介电系数介质块7没有全部覆盖势垒层3上方栅极4与漏极6之间的全部区域，使得没有被覆盖的区域不受到高介电系数介质块7的影响，从而减小导通电阻，并减小了引入的附加电容。

一些实施例中，可以在多个高介电系数介质块7之间可以填充绝缘介质8，如图3所示，绝缘介质8可以与栅极4直接连接或通过一层薄介质层连接；绝缘介质8可以向漏极6方向延伸，如图4和图5所示；高介电系数介质块7与漏极6不直接连接，高介电系数介质块7与漏极6之间可以如图2所示不设置任何介质或如图4所示将延伸的绝缘介质8不接触漏极6，也可以如图5所示将绝缘介质8延伸至与漏极6连接使得高介电系数介质块7与漏极6之间通过绝缘介质8间接连接；由于高介电系数介质块7不与漏极6直接接触，可以降低漏极6对漏极6附近区域电场分布的影响。

下面结合图6和图7详细说明本发明的工作过程。

对于传统的hemt器件，当漏极施加高电压时，由于栅漏之间的漂移区难于完全耗尽，造成电压主要降落在栅极边缘附近，这就会形成很大的电场峰，使得器件击穿。

本发明提出的一种含高介电系数介质块的hemt器件由于在栅极4和漏极6之间设置了高介电系数介质块7，且高介电系数介质块7的介电系数大于势垒层3的介电系数，由于电场线总是倾向于从介电常数较高的材料中穿过，因此在本发明提出的hemt器件的漏极施加较高漏压时，会有大量电场线从势垒层3进入高介电系数介质块7，在势垒层3和高介电系数介质块7这两层材料的界面处会由界面电场诱生大量的界面负电荷，这层负电荷会对沟道二维电子气有耗尽作用。

又由于界面负电荷面密度会随着漏压的升高而增大，这使得高介电系数介质块7下方的二维电子气逐步耗尽形成耗尽层，如图6所示。当漏压足够高时，各个高介电系数介质块7下方的耗尽区会横向扩展，使得各个高介电系数介质块7之间的区域的下方的二维电子气也被耗尽，这样各个高介电系数介质块7下方的耗尽区会连成一片，形成一个近似为矩形的大片耗尽区，如图7所示。这个新形成的耗尽区可以起到耐压区的作用，由于高介电系数介质块7与栅极3直接或间接的连接，使得原本集中降落在栅极边缘的电压得到极大的扩展，使栅漏之间的漂移区电场峰得到有效抑制，从而提高器件的击穿电压，使器件的耐压能力得以大幅提升。

如图8至图13所示给出了一种制造本发明的hemt器件的制造方法，本实施例以没有填充绝缘介质8的gan基hemt器件为例，结合附图详细描述本实施例中gan基hemt器件的制造过程，包括如下步骤：

步骤1、在衬底1上生长gan缓冲层10，如图8所示。

步骤2、在gan缓冲层10生长algan势垒层11，gan缓冲层10与algan势垒层11界面处形成二维导电沟道9，二维导电沟道9中存在二维电子气，如图9所示。

步骤3、进行台面刻蚀制作器件有源区，然后在台面表面制备源极5和漏极6，并且使得源极5和漏极6分别与gan缓冲层10和algan势垒层11界面处的二维导电沟道9形成欧姆接触，如图10所示。

步骤4、在algan势垒层11上方制作栅极4，如图11所示。

步骤5、在algan势垒层11上方栅极4与漏极6之间区域覆盖高介电系数介质块7到适合的厚度，如图12所示。

步骤6、图形化刻蚀高介电系数介质块7至algan势垒层11表面，使得在algan势垒层11上方形成多个均匀分布且沿着栅漏方向延伸的高介电系数介质块7，高介电系数介质块7与漏极6不直接连接，后续工艺与现有hemt制作工艺一致，最终得到本实施例的gan基hemt器件，如图13所示。

本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。