基于Fin结构的GaN高电子迁移率晶体管及其制备方法

本发明属于半导体，具体涉及一种基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、gan(氮化镓)作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿场强高、耐高温、耐辐照、电子迁移率大及饱和电子速度大等特点，使其制作gan基高电子迁移率晶体管(hemt)器件在卫星通讯、5g基站、军事雷达及新能源汽车等领域有着广泛的应用。对于gan基hemt器件而言，解决非线性问题是当下研究的重点。

2、近些年来，研究员们为解决gan基hemt器件的非线性问题，提出了许多有效的解决方案。图1所示为传统的鳍式三维栅结构，该结构可以使沟道三面都有栅极，这就加强了栅极对沟道的控制能力，一方面可以解决短沟道效应，另一方面可以减小器件的源电阻rs在大电流下的快速增加，从而改善器件的线性度。图2所示为传统的侧栅结构，其与鳍式三维栅器件不同在于只在器件沟道两侧有栅极控制，没有顶部的平面栅控制，从而消除了平面栅所带来的峰值电场，且两侧的侧栅对沟道的耗尽也是渐变的，类似于场效应晶体管的工作原理，从而改善器件的线性性能。

3、虽然传统的鳍式三维栅结构与侧栅结构可以改善器件的线性度，但是仅限于鳍片宽度较窄的情况下(通常小于400nm)，当鳍片宽度变大，对于鳍式三维栅器件而言，沟道两旁的侧栅就会失去意义，对于侧栅器件而言，鳍片宽度变大会导致器件关不断。所以在使用鳍式三维栅结构与侧栅结构去改善器件线性度的时候，就需要刻蚀一定数量的隔离槽，在隔离槽宽度不变的时，鳍片宽度越小，需要刻蚀的隔离槽数目就越多，这样一来虽然器件的线性度得到了改善，但是这也造成了器件最后输出电流的损失。此外，由于引入更多的隔离槽数目使得器件的刻蚀损伤也变大。

4、综上，如何在大的鳍片宽度(≥400nm)上改善器件线性度，同时，提高器件的输出电流并减小器件的刻蚀损伤是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明提供了一种基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管，包括：自下而上依次设置的衬底、gan缓冲层和势垒层；所述势垒层上方的一端设有源极，另一端设有漏极；所述源极和所述漏极之间的势垒层上面设有钝化层；其中，

3、所述钝化层中间设有栅脚槽，所述栅脚槽的两侧设有隔离槽；所述栅脚槽自所述钝化层的上表面向下延伸至所述势垒层中；所述隔离槽自所述钝化层的上表面向下延伸至所述缓冲层中；

4、所述栅脚槽和所述隔离槽内均设有栅，分别形成顶部平面栅和侧栅，从而形成鳍片式三维栅结构；

5、所述栅脚槽和所述隔离槽的长度相等；所述栅脚槽的宽度小于鳍片的宽度。

6、在本发明的一个实施例中，所述栅极为t型栅结构。

7、在本发明的一个实施例中，所述势垒层的厚度为20nm，所述栅脚槽延伸至所述势垒层中的深度为10nm。

8、在本发明的一个实施例中，所述势垒层的材料包括algan。

9、第二方面，本发明提供了一种基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管的制备方法，包括以下步骤：

10、提供一衬底，并在所述衬底上外延gan缓冲层和势垒层；

11、在所述势垒层两端制备源极和漏极；

12、在所述势垒层上的源极和漏极之间形成钝化层；

13、在所述钝化层中间刻蚀栅脚槽；所述栅脚槽自所述钝化层的上表面向下延伸至所述势垒层中；

14、在所述钝化层上栅脚槽的两侧刻蚀隔离槽；所述隔离槽自所述钝化层的上表面向下延伸至所述缓冲层中；

15、在所述栅脚槽和所述隔离槽内制备栅极，以形成包括顶部平面栅和侧栅的鳍片式三维栅结构，从而完成器件制备。

16、在本发明的一个实施例中，在所述栅脚槽和所述隔离槽内制备栅极，包括：

17、在样品表面光刻栅帽图形；

18、基于所述栅帽图形在所述栅脚槽和所述隔离槽内制备t型栅极。

19、本发明的有益效果：

20、1、本发明提供的基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管设计了鳍片式三维栅结构，并将处于顶部的平面栅极宽度小于鳍片的宽度；一方面，该结构利用顶部平面栅与侧栅对沟道控制能力的不同，将鳍片下方的沟道分为两种阈值电压不同的沟道，采用跨导补偿的方法去改善器件的线性度；另一方面，该结构可以辅助侧栅将沟道中间的2deg给耗尽，保证器件在改善线性度的同时可以被关断。采用本发明的鳍式三维栅结构在大的鳍片宽度(≥400nm)上去改善器件线性度的同时，可以提高有效沟道在总器件栅宽中的占比，从而提高器件最终输出电流；

21、2、本发明提供基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管设计的鳍片式三维栅结构，相比传统鳍式三维栅与侧栅器件，还可以减小引入的隔离槽数目，从而减小器件的刻蚀损伤。

22、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

技术特征：

1.一种基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管，其特征在于，包括：自下而上依次设置的衬底(1)、gan缓冲层(2)和势垒层(3)；所述势垒层(3)上方的一端设有源极(4)，另一端设有漏极(5)；所述源极(4)和所述漏极(5)之间的势垒层(3)上面设有钝化层(6)；其中，

2.根据权利要求1所述的基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述栅极(9)为t型栅结构。

3.根据权利要求1所述的基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述势垒层(3)的厚度为20nm，所述栅脚槽(7)延伸至所述势垒层(3)中的深度为10nm。

4.根据权利要求1所述的基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管，其特征在于，所述势垒层(3)的材料包括algan。

5.一种基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的基于fin结构的gan高电子迁移率晶体管的制备方法，其特征在于，在所述栅脚槽和所述隔离槽内制备栅极，包括：

技术总结
本发明公开了一种基于Fin结构的GaN高电子迁移率晶体管及其制备方法，该器件结构包括自下而上依次设置的衬底、GaN缓冲层和势垒层；势垒层上方的一端设有源极，另一端设有漏极；源极和漏极之间的势垒层上面设有钝化层；其中，钝化层中间设有栅脚槽，栅脚槽的两侧设有隔离槽；栅脚槽自钝化层的上表面向下延伸至势垒层中；隔离槽自钝化层的上表面向下延伸至缓冲层中；栅脚槽和隔离槽内均设有栅极，分别形成顶部平面栅和侧栅，从而形成鳍片式三维栅结构；栅脚槽和隔离槽的长度相等；栅脚槽的宽度小于鳍片的宽度。该结构在大鳍片宽度上可以实现线性度好、输出电流高以及栅极泄漏电流小的GaN高电子迁移率晶体管。

技术研发人员：张鹏,刘加志,宓珉翰,马晓华,赵文
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16