专利名称：栅边缘凹槽型源场板结构高电子迁移率晶体管的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高电子迁移率晶体管(High Electron MobilityTransistor, HEMT)，特别涉及一种在栅漏区栅极边缘形成沟槽的栅边缘凹槽型源场板结构的高电子迁移率晶体管，该高电子迁移率晶体管可作为微波、毫米波通讯系统以及雷达系统的基本器件，属于半导体器件领域。
技术背景在化合物半导体电子器件中，高电子迁移率晶体管(HEMT)是应用于高频大功率场合最主要的电子器件。这种电子器件依靠半导体异质结中具有量子效应的ニ维电子气(2DEG)形成导电沟道，2DEG的密度、迁移率和饱和速度等决定了该器件的电流处理能力。与第2代半导体材料神化镓(GaAs)相比，III族氮化物材料(GaN，AIN, InN)中第三代半导体材料氮化镓(GaN)在材料性质方面具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐照能力强等优势，因此GaN HEMT的高频、耐压、耐高温、耐恶劣环境的能力很强；而且III族氮化物材料(GaN，AIN, InN)具有很强的自发和压电极化效应，可显著提高HEMT材料结构中2DEG的密度。基于III族氮化物材料(GaN，AIN, InN)的HEMT，已被广泛应用于微波、毫米波通讯系统和雷达系统等领域，它自从诞生之日起便成为众多研究者的研究热点。1993年，Khan等人成功研制并报道了第一只AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管，參见[Highelectron mobility transistor based on a,Ga1^N heterojunction , AppliedPhysics Letters, Vol. 63, No. 9, pp. 1214-1215，1993],但是其性能指标还远不够理想。目前，已公开的GaN HEMT在Ka波段的输出功率密度可达10W/mm，參见[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 器件性能得到飞速提高的原因包括其材料质量的提高和器件エ艺的改进，特别是各种新器件结构的采用。由于HEMT工作时其势垒区耗尽层中的电场线分布不均匀，栅极靠近漏极ー侧的边缘往往聚集大部分的电场线，因此该处有ー个相当高的电场峰值。该处的高电场会使得栅极泄漏电流増大，导致其可靠性变差；另外该处的高电场容易导致器件发生雪崩击穿，从而使得该类器件的高击穿电压和高功率密度等优势得不到充分发挥。为此，有研究者采用栅场板结构对其进行了改进，參见[30-W/mm GaN HEMTs by field plate optimization,Electron Device Letters, vol. 25, pp. 117 - 119, 2004]。其基本原理是所述栅场板将部分原本收集在靠近漏极ー侧的栅极边缘的电场线收集到场板上，结果在靠近漏极ー侧的栅极边缘和靠近漏极ー侧的场板边缘分别出现ー个电场峰值，从而減少了靠近漏极ー侧栅极边缘收集的电场线，降低了该处的电场强度，进而减小了栅极泄漏电流；同时器件击穿电压也得到提高。引入栅场板的缺点是増大了栅漏反馈电容，使所述器件功率増益有所降低，为了补偿栅场板引入所导致的増益降低，有学者采用凹槽栅结构来增大器件的跨导，即在栅极下方势鱼层刻蚀凹槽，从而提高了器件的功率增益，參见[A 149W recessed-gateAlGaN/GaN FP-FET, Microwave Symposium Digest, 2004 IEEE MTT-S International,vol. 3，pp. 1351 - 1354，2004HEMTHEMT]。但是采用在栅极下方势垒层刻蚀形成凹槽这种结构，会显著降低器件电流密度，从而影响器件的功率性能。2004年，Y. F. Wu等人又报道了采用源场板的GaN HEMT，由于场板与源极相连，则场板到沟道电容变为漏源电容，使得由于场板引入的额外的栅漏电容得以消除，參见[High-gain microwave GaN HEMTs withsource-terminated field-plates, IEEE International Electron Devices MeetingTechnical Digest, pp. 1078 - 1079 , December 2004]。
发明内容本实用新型的目的正是基于现有技术中所存在的缺陷和不足，而提供一种制造エ艺简单、操作方便、且可靠性好和击穿电压高的栅边缘凹槽型源场板结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)。该高电子迁移率晶体管是通过在靠近漏极ー侧的栅极边缘势垒层中形成沟槽的栅边缘凹槽型结构的HEMT，该HEMT可降低靠近漏极ー侧的栅极边缘的电场强度，从而减小栅极泄漏电流，提高HEMT器件的击穿电压，同时，栅漏区栅极边缘凹槽不会降低器件 的饱和漏电流，从而保证器件的高输出功率密度；另外，栅漏区栅极边缘凹槽阻止了栅电极下的耗尽层向漏漂移区扩展，减小了栅漏电容，从而提高了器件的频率特性。为实现上述目的，本实用新型采用以下技术措施构成的技术方案来实现。本实用新型提供的一种栅边缘凹槽型源场板结构高电子迁移率晶体管，包括衬底层、缓冲层、势垒层、源电极、栅电极、漏电极、钝化层和源场板；按照本实用新型，还包括柵漏区的凹槽，所述栅漏区凹槽是在栅漏区沿栅极边缘、而在势垒层上刻蚀形成的沟槽，所述沟槽沿栅宽方向。上述技术方案中，所述栅漏区凹槽的ー个侧壁与漏电极ー侧的栅极边缘对齐，另一个侧壁位于栅电极与漏电极之间的势垒层中。上述技术方案中，所述栅漏区凹槽深度小于势垒层厚度。上述技术方案中，所述栅漏区凹槽中可以填充空气、或ニ氧化硅(Si02)、或氮化硅(SiN)、或三氧化ニ铝(A1203)、或 Η 2。上述技术方案中，所述栅漏区凹槽为方形结构。上述技术方案中，所述栅漏区凹槽为梯形结构。上述技术方案中，所述栅漏区凹槽为阶梯形结构。本实用新型与现有技术相比具有以下特点及有益的技术效果I、本实用新型的栅边缘凹槽型源场板结构HEMT，是在靠近漏极ー侧的栅极边缘势垒层中沿栅宽方向刻蚀形成沟槽来降低靠近漏极ー侧的栅极边缘的电场强度，从而减小了栅极泄漏电流，提高了该器件的击穿电压。2、本实用新型的栅边缘凹槽型源场板结构HEMT与传统HEMT结构相比，本实用新型所述栅漏区栅极边缘凹槽不会降低器件的饱和漏电流，从而可保证器件的高输出功率密度；另外，栅漏区栅极边缘凹槽阻止了栅电极下的耗尽层向漏漂移区扩展，减小了栅漏电容，从而提高了器件的频率特性。3、本实用新型的栅边缘凹槽型源场板结构的HEMT可以运用到高频、大功率电子领域。
图I是传统源场板的HEMT结构示意图；图2是本实用新型栅边缘凹槽型源场板的HEMT结构示意图；图中，I为衬底层,2为缓冲层,3为势鱼层,4为源极,5为栅极,6为漏极,7为钝化层，8为源场板，9为栅漏区栅极边缘凹槽。图3是图2中凹槽为方形结构示意图；图4是图2中凹槽为梯形结构示意图；图5是图2中凹槽为阶梯形结构示意图； 图6是对传统HEMT器件及本实用新型HEMT器件仿真所得的直流I_V特性的对比图；图7是对传统HEMT器件及本实用新型HEMT器件仿真所得的击穿特性曲线图；图8是对传统HEMT器件及本实用新型HEMT器件仿真所得的栅漏电容Cgd的对比图。
具体实施方式
以下结合附图并用具体实施例对本实用新型作进ー步详细说明，但并不意味着是对本实用新型所保护内容的任何限定。參照图2所示，本实用新型所述栅边缘凹槽型源场板结构HEMT，该HEMT是基于III- V族化合物半导体异质结结构，其结构包括衬底层I、缓冲层2、势垒层3、源极4、栅极5、漏极6、钝化层7、源场板8和栅漏区栅极边缘凹槽9 ;所述缓冲层2位于衬底层I之上，所述势垒层3位于缓冲层2之上，势垒层3上部的两端分别为源极4和漏极6，其中间为栅极5 ;所述钝化层7位于源极4、栅极5和漏极6之上，以及源极与栅极之间和栅极与漏极之间的势垒层之上；所述源场板8位于钝化层7之上，且与源极4连接；所述栅漏区凹槽9是在栅漏区沿栅极5边缘、而在势垒层3上刻蚀形成的沟槽，所述沟槽沿栅宽方向。所述HEMT器件的衬底层I可以为蓝宝石、或碳化硅、或硅；缓冲层2由若干层相同或不同的III- V族化合物半导体材料组成，其厚度为I 5um ;势垒层3由若干层相同或不同的III - V族化合物半导体材料组成，其厚度为10 40nm ;钝化层7可以为Si02、SiN、Al2O3^HfO2或其他绝缘介质材料，其厚度为O. 05、. 8um ;所述凹槽中可以填充与钝化层7相同或不同的绝缘介质材料。所述栅边缘凹槽型源场板结构HEMT通过在栅漏区沿栅极5边缘、在势垒层3上刻蚀出的凹槽9，減少了栅极5靠近漏极6 —侧的边缘所收集的电场线，降低了该处的电场强度，减小了栅极泄漏电流，从而显著提高了 HEMT器件的击穿电压；同时，栅漏区栅极边缘凹槽9不会降低器件的饱和漏电流，从而保证该器件的高输出功率密度；其次，栅漏区栅极边缘凹槽9阻止了栅电极下的耗尽层向漏漂移区扩展，减小了栅漏电容，从而提高了所述器件的频率特性。本实用新型的ー个具体实施例子，是采用图2所示的栅边缘凹槽型源场板结构的HEMT。其衬底层I为SiC，缓冲层2为厚度为I. 2um的GaN，势垒层3为厚度为25nm、铝组分为O. 3的Ala3Gaa7N,栅漏距离为2um，钝化层7为厚度为O. Ium的SiN，凹槽9为图3所示的方形结构，其中所填介质为Al2O3,凹槽深度d为15nm，凹槽宽度L为O. 9um。图6所示的是对具有上述所述參数的传统源场板HEMT结构和本实用新型HEMT结构进行ニ维数值分析得到的直流I-V曲线。经分析表明，本实用新型所提出的HEMT结构的饱和漏电流与传统源场板结构的饱和漏电流几乎一致。图7所示的是传统源场板结构HEMT和本实用新型的栅边缘凹槽型源场板结构HEMT的击穿特性曲线，从图中可以看出，传统源场板结构HEMT的击穿曲线中发生击穿，即漏极电流迅速增加时的漏源电压大约在162V，而本实用新型HEMT器件的击穿曲线中发生击穿时的漏源电压大约在274V，充分证明本实用新型栅边缘凹槽型源场板结构器件的击穿电压远大于传统源场板结构器件的击穿电压。图8所示的是ニ维数值分析得到的栅漏电容随频率变化的曲线，经分析表明，栅边缘凹槽型源场板结构HEMT的栅漏电容与传统源场板结构HEMT的栅漏电容相比明显降 低。本实用新型所述栅边缘凹槽型源场板结构HEMT的其他实施例子，可以根据实际需要改变栅漏区栅极边缘凹槽9的形状结构、深度和宽度，如图4或者图5中所示的栅漏区凹槽9结构；其中所述凹槽9深度需小于势垒层厚度。本实用新型所述栅边缘凹槽型源场板结构HEMT的其他实施例子，其所述缓冲层和势垒层可以选用其他III - V族化合物半导体材料，比如GaAs、AlN、InN、InAlN、InGaN。同样可达到前面所述的特点和技术效果。通过本实用新型所述实施例，以及图6、图7和图8所示，本实用新型所述栅边缘凹槽型源场板结构HEMT与传统源场板结构的HEMT相比，具有更优越的频率特性和更高的输出功率密度；可以运用到高频、大功率电子领域。
权利要求1.一种栅边缘凹槽型源场板结构高电子迁移率晶体管，包括衬底层(I)、缓冲层(2)、势垒层(3)、源极(4)、栅极(5)、漏极(6)、钝化层(7)和源场板(8);其特征在于还包括栅漏区的凹槽(9)，所述栅漏区凹槽(9)是在栅漏区沿栅极(5)边缘、而在势垒层(3)上刻蚀形成的沟槽，所述沟槽沿栅宽方向。
2.根据权利要求I所述的栅边缘凹槽型源场板结构高电子迁移率晶体管，其特征在于所述栅漏区凹槽(9)的一个侧壁与漏极一侧的栅极边缘对齐，另一个侧壁位于栅极与漏极之间的势垒层中。
3.根据权利要求I或2所述的栅边缘凹槽型源场板结构高电子迁移率晶体管，其特征在于所述栅漏区凹槽(9)深度小于势垒层厚度。
4.根据权利要求I或2所述的栅边缘凹槽型源场板结构高电子迁移率晶体管，其特征在于所述栅漏区凹槽(9)中填充空气、或二氧化硅(Si02)、或氮化硅(SiN)、或三氧化二铝(Al2O3)、或二氧化铪(HfO2)。
5.根据权利要求I或2所述的栅边缘凹槽型源场板结构高电子迁移率晶体管，其特征在于所述栅漏区凹槽(9)为方形结构。
6.根据权利要求I或2所述的栅边缘凹槽型源场板结构高电子迁移率晶体管，其特征在于所述栅漏区凹槽(9)为梯形结构。
7.根据权利要求I或2所述的栅边缘凹槽型源场板结构高电子迁移率晶体管，其特征在于所述栅漏区凹槽(9)为阶梯形结构。
专利摘要本实用新型公开了一种栅边缘凹槽型源场板结构高电子迁移率晶体管，属于半导体器件领域。所述高电子迁移率晶体管包括衬底层、缓冲层、势垒层、源极、栅极、漏极、钝化层和源场板；还包括栅漏区凹槽，所述栅漏区凹槽是在栅漏区沿栅极边缘、而在势垒层上刻蚀形成的沟槽；所述沟槽沿栅宽方向。本实用新型的栅边缘凹槽型源场板结构HEMT与传统源场板结构HEMT相比，减少了栅极靠近漏极一侧的边缘所收集的电场线，因此能降低栅极靠近漏极一侧的电场，从而可显著提高HEMT器件的击穿电压。
文档编号H01L29/778GK202616234SQ201220305880
公开日2012年12月19日 申请日期2012年6月28日 优先权日2012年6月28日
发明者徐跃杭, 付文丽, 延波, 国云川, 徐锐敏 申请人:电子科技大学