基于双栅结构的半导体高电子迁移率晶体管的制作方法

本发明涉及半导体器件，尤其涉及一种基于双栅结构的半导体高电子迁移率晶体管。

背景技术：

相对于传统的gaas、inphemt/phemt器件，ganhemt具有更高的击穿电压和电流密度，在射频应用中具有更高的功率密度和功率附加效率，因其功率、效率的显著优势，ganhemt在雷达收发阵列、电子战、通信等多个领域迅速地取代传统器件。然而，在ganhemt技术的应用中，其相对脆弱的栅肖特基结常常成为限制其性能的短板，如栅泄漏电流大、有限的栅压摆幅以及结退化等。采用绝缘栅(mis/mos)代替肖特基栅可以实现对ganhemt栅电流的压制、增大栅压摆幅，从而实现性能更优异的微波功率器件——ganmoshemt。然而在ganmoshemt的研究实践中，严重的电压-电流迟滞特性阻碍了ganmoshemt微波功率器件的实用性和工程化，其迟滞特性的本质是绝缘栅介质与半导体界面态充放电导致的器件栅延迟，其严重的栅延迟可以导致器件电流密度20％以上的迟滞量和数秒至数十秒的迟滞时间。针对ganmoshemt界面态和电压电流迟滞问题，虽然研究者尝试了界面物理化学处理、新型绝缘栅介质、复合绝缘栅介质、采用低失配衬底提高外延质量等多种技术手段，但效果不佳，低迟滞、零迟滞的ganmoshemt未见报道。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种能够减少或者消除ganmoshemt的电压电流迟滞现象的基于双栅结构的gan高电子迁移率晶体管

技术方案：一种基于双栅结构的半导体高电子迁移率晶体管，包括衬底、设于衬底上方的沟道层以及设于沟道层上方的势垒层，所述衬底和沟道层之间，还包括缓冲层和成核层；在所述势垒层的上方两端分别设有源极和漏极，所述源极和漏极之间为绝缘栅介质，所述绝缘栅介质的上方设有远栅极，所述绝缘栅介质和势垒层之间设有近栅极；所述源极和远栅极之间、远栅极和漏极之间，均设有器件钝化介质。所述远栅极的近漏端超过近栅极的长度。

所述半导体高电子迁移率晶体管采用gan、gaas或者inp。

所述衬底选用sic、si或者蓝宝石；所述势垒层采用本征algan或inaln；所述绝缘栅介质根据介质介电强度和介电常数的要求采用hfo2、al2o3或si3n4；所述绝缘栅介质的淀积方式包括化学气相淀积、磁控溅射、原子层淀积；所述远栅极采用au或cu。所述近栅极采用ni和au两层金属；所述器件钝化介质为si3n4或者有机聚合物；优选的，所述有机聚合物为聚对二甲苯或者bcb。

工作原理：本发明的双栅结构功率放大器件，采用特性良好的肖特基界面取代传统结构中高界面态密度的栅介质半导体界面，达到减少或消除器件ganmoshemt迟滞特性的效果，并采用绝缘栅介质隔离近栅极和远栅极的双栅结构抑制栅极电流。

有益效果：和现有技术相比，本发明具有如下显著优势：1、在特定应用情形下(微秒脉宽的脉冲工作的微波功率放大应用)，在抑制栅电流的同时能够显著减少甚至消除ganmoshemt的电压电流迟滞现象；2、器件结构紧凑，便于集成；3、成本低，便于推广应用；4、能够广泛应用于通信、导航、识别、测控、广播电视、遥感遥测、射电天文、预警探测、精密跟踪、电子对抗、火控制导等领域。

附图说明

图1为双栅结构ganmoshmet器件的截面结构示意图；

图2为ganmoshemt传统结构；

图3为双栅结构的栅结等效电路。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示为本发明的基于双栅结构的ganmoshmet器件的截面结构示意图；包括衬底101，沟道层102和势垒层103，衬底101可以是sic、si或者蓝宝石，沟道层102采用本征gan或ingan，衬底101与沟道层102之间的成核层、缓冲层未在图中示出；势垒层103采用本征algan或inaln。

在势垒层103上方的两端分别设有源极104和漏极109；源极104和漏极109之间为绝缘栅介质105，可根据对介质介电强度和介电常数的要求选择hfo2、al2o3、si3n4等不同的绝缘栅介质，绝缘栅介质的淀积方式包括化学气相淀积、磁控溅射、原子层淀积等，绝缘栅介质的厚度根据器件对栅泄露电流、跨导的指标要求确定；绝缘栅介质105的上方设有远栅极106，远栅极金属可采用高电导率的au、cu等，输入信号通过远栅极106注入(输入)器件；绝缘栅介质105和势垒层103之间设有近栅极107，远栅极106的近漏端超过近栅极107的长度，否则导致器件在工作时近栅极电压被漏极电压锁定；由于近栅极形成的肖特基势垒高度越小越好，近栅极107优选采用与ganhemt相同的栅金属，如ni/au，即采用ni和au两层金属；源极104和远栅极106之间、远栅极106和漏极109之间，均设有器件钝化介质108，器件钝化介质可以为si3n4，或者采用如聚对二甲苯或者bcb等有机聚合物。

本发明中，远栅极106和近栅极107的典型长度是0.1-1微米；栅源间距典型值是0.5-2微米；栅漏间距典型值是1-4微米。

图2所示为ganmoshemt传统结构，其中201为势垒层，202为绝缘栅介质，203为栅极；相对于ganmoshemt传统结构，本发明的ganmoshmet用特性良好的肖特基界面，即势垒层103和近栅极107界面取代高界面态密度的栅介质半导体界面(201和202界面)；但新结构引入了一种新的迟滞机制：双栅结构的栅结等效电路如图3所示，其中301为信号输入端(远栅极)；302为远栅极-绝缘栅介质-近栅极组成的绝缘栅电容；303为绝缘栅介质中隧穿电流的等效电阻，因隧穿电流通常极小，303可近似开路；304为近栅极-势垒层-沟道层组成的本征电容；305为势垒层场发射电流等效电阻；306为远栅极-栅介质-势垒层-沟道层组成的mos电容，它的上极板对应于近漏端远栅极超出近栅极的部分；307为远栅极超出近栅极区域中绝缘栅介质、势垒层隧穿电流等效电阻，可近似开路；新的迟滞产生于304、305组成的rc结构，基于器件物理模型，304、305组成的rc对应的充放电时间常数的估计值为1ms，此充放电时间常数较微波信号的时间周期高5个数量级以上，较ganmoshemt传统结构的迟滞时间小2-3个数量级以上，因此，对于微秒脉宽的脉冲工作的微波功率放大应用，双栅结构能够大大减少或消除ganmoshemt的电压电流迟滞，且引入的新迟滞机制不会对器件的微波功率放大产生不利影响。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种基于双栅结构的半导体高电子迁移率晶体管，包括衬底、设于衬底上方的沟道层以及设于沟道层上方的势垒层，在所述势垒层上方两端分别设有源极和漏极；所述源极和漏极之间为绝缘栅介质，所述绝缘栅介质的上方设有远栅极，所述绝缘栅介质和势垒层之间设有近栅极；所述源极和远栅极之间、远栅极和漏极之间，均设有器件钝化介质；本发明具有如下显著优势：能够显著减少甚至消除GaN MOSHEMT的电压电流迟滞现象；器件结构紧凑，便于集成；成本低，便于推广应用；能够广泛应用于通信、导航、识别、测控、广播电视、遥感遥测、射电天文、预警探测、精密跟踪、电子对抗、火控制导等领域。

技术研发人员：韩克锋
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第五十五研究所
技术研发日：2017.09.29
技术公布日：2018.04.06