一种氮化镓HEMT器件及制作方法和应用与流程

本发明属于半导体的，具体涉及一种氮化镓hemt器件及制作方法和应用。

背景技术：

1、随着在无线通信领域对频率和功率的不断增加，氮化镓(gan)材料在射频器件领域起到的作用日益重要。其高电子迁移率、高功率密度、高工作温度等优势，使他成为射频和微波应用中的主要材料之一。在第五代移动通信技术(5g)这一全球范围内的新一轮通信技术迭代的背景下，需要提高原有4g网络的速度、容量、可靠性和效率，支持不同应用场景的多种连接方式，实现超高速、可靠、低延迟、大容量和广覆盖的无线通信。

2、传统gan射频器件为横向平面器件，通过在势垒层与沟道层之间的量子阱形成二维电子气(2deg)，实现载流子的高速传输、射频信号放大。这一水平分布的沟道形状，容易使得器件在高功率的工作状况中，栅极靠近漏测一端，及栅极和漏极之间的区域有高电场分布，减弱器件的耐压能力，降低器件的动态性能及长时间工作的可靠性。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的不足，提供一种氮化镓hemt器件及制作方法和应用。

2、为了实现以上目的，本发明的技术方案为：

3、一种氮化镓hemt器件，包括衬底、外延层、源极、漏极和栅极，所述源极、漏极和栅极设于所述外延层上；所述外延层设于衬底上，按序包括gan沟道层和势垒层，其中栅极下方的势垒层具有曲面结构，并与沟道层形成曲面型沟道。

4、可选的，所述势垒层为n型掺杂的algan、aln、ingan、inalgan或scaln。

5、可选的，所述n型掺杂的掺杂浓度为1e12～5e13 cm-3。

6、可选的，所述势垒层的厚度为2～30nm。

7、可选的，所述沟道层的厚度为3～300nm。

8、可选的，所述外延层还包括设置于所述衬底与沟道层之间的缓冲层；所述缓冲层为铁元素掺杂的gan层，掺杂浓度为1e17～1e19 cm-3。

9、可选的，所述沟道层表面具有曲面凹槽，所述势垒层设于所述沟道层上并相应形成曲面型沟道。

10、可选的，所述缓冲层表面具有曲面凹槽，所述沟道层和势垒层按序设于所述缓冲层上并相应形成曲面型沟道。

11、可选的，所述外延层包括所述沟道层和势垒层相间堆叠的多沟道结构，其中至少最顶层的势垒层/沟道层形成所述曲面型沟道。

12、可选的，所述曲面结构为向背离所述栅极的方向凹陷的弧形曲面，弧形的曲率为1e-7～1e-5m-1，深度为1nm～30nm。栅极下方的曲面结构为完全曲面，栅下沟道电子浓度低，阈值电压更正，适用于增强型器件。

13、可选的，所述栅极下方的外延层表面具有曲面凹槽，所述曲面凹槽与所述外延层表面的平面平滑过渡，所述栅极覆盖所述曲面凹槽。

14、可选的，所述曲面结构包括两段向背离所述栅极的方向凹陷的弧形曲面，以及连接两段弧形曲面的底部平面。栅极下方的曲面结构具有底部的平面区段，栅下沟道电子浓度高，阈值电压更负，适用于耗尽型器件。

15、一种氮化镓hemt器件的制作方法，包括以下步骤：

16、1)于衬底上形成外延层，所述外延层按序包括gan沟道层和n型掺杂的势垒层，其中栅控区域的势垒层形成曲面结构，并与沟道层形成曲面型沟道；

17、2)于外延层上形成源极、漏极和栅极，其中栅极位于栅控区域上。

18、可选的，所述外延层还包括设于衬底和沟道层之间的缓冲层，在所述外延层的形成过程中，以所述缓冲层作为图形层，蚀刻所述图形层表面，形成曲面凹槽；然后于图形化的缓冲层上进行至少一组沟道层和势垒层的外延生长工艺。

19、可选的，所述外延层包括一组或叠设的多组沟道层和势垒层；在所述外延层的形成过程中，以任一沟道层作为图形层，蚀刻所述图形层表面形成曲面凹槽；然后通于图形化的沟道层上进行至少包括一势垒层的后续外延生长工艺。

20、可选的，于所述图形层表面形成光刻胶层，通过纳米压印技术于光刻胶层表面形成曲面凹槽图形，采用蚀刻工艺将图形转移至所述图形层，然后去除所述光刻胶层，以于所述图形层表面形成所述曲面凹槽。

21、可选的，所述蚀刻工艺采用湿法蚀刻工艺或干法蚀刻+湿法蚀刻工艺。

22、一种射频模组，包括上述的氮化镓hemt器件。

23、本发明的有益效果为：

24、在栅控区域具有曲面型沟道，使栅极靠近漏极一侧附近的电场峰值分布更均匀，而非以尖峰形式出现在栅极漏侧，能够耐受更大漏极电压，产生更高的功率密度及效率，提高gan器件的耐压能力、动态及可靠性表现。

技术特征：

1.一种氮化镓hemt器件，其特征在于：包括衬底、外延层、源极、漏极和栅极，所述源极、漏极和栅极设于所述外延层上；所述外延层设于所述衬底上，按序包括gan沟道层和势垒层，其中栅极下方的势垒层具有曲面结构，并与沟道层形成曲面型沟道。

2.根据权利要求1所述的氮化镓hemt器件，其特征在于：所述势垒层为n型掺杂的algan、aln、ingan、inalgan或scaln。

3.根据权利要求1或2所述的氮化镓hemt器件，其特征在于：所述n型掺杂的掺杂浓度为1e12～5e13 cm-3。

4.根据权利要求1所述的氮化镓hemt器件，其特征在于：所述势垒层的厚度为2～30nm。

5.根据权利要求1所述的氮化镓hemt器件，其特征在于：所述沟道层的厚度为3～300nm。

6.根据权利要求1所述的氮化镓hemt器件，其特征在于：所述沟道层表面具有曲面凹槽，所述势垒层设于所述沟道层上并相应形成曲面型沟道。

7.根据权利要求1所述的氮化镓hemt器件，其特征在于：所述外延层还包括设置于所述衬底与沟道层之间的缓冲层；所述缓冲层为铁元素掺杂的gan层，掺杂浓度为1e17～1e19cm-3。

8.根据权利要求7所述的氮化镓hemt器件，其特征在于：所述缓冲层表面具有曲面凹槽，所述沟道层和势垒层按序设于所述缓冲层上并相应形成曲面型沟道。

9.根据权利要求1所述的氮化镓hemt器件，其特征在于：所述外延层包括所述沟道层和势垒层相间堆叠的多沟道结构，其中至少最顶层的势垒层/沟道层形成所述曲面型沟道。

10.根据权利要求1所述的氮化镓hemt器件，其特征在于：所述曲面结构为向背离所述栅极的方向凹陷的弧形曲面，弧形的曲率为1e-7～1e-5m-1，深度为1nm～30nm。

11.根据权利要求1所述的氮化镓hemt器件，其特征在于：所述栅极下方的外延层表面具有曲面凹槽，所述曲面凹槽与所述外延层表面的平面平滑过渡，所述栅极覆盖所述曲面凹槽。

12.根据权利要求1所述的氮化镓hemt器件，其特征在于：所述曲面结构包括两段向背离所述栅极的方向凹陷的弧形曲面，以及连接两段弧形曲面的底部平面。

13.一种氮化镓hemt器件的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

14.根据权利要求13所述的氮化镓hemt器件的制作方法，其特征在于：所述外延层还包括设于衬底和沟道层之间的缓冲层，在所述外延层的形成过程中，以所述缓冲层作为图形层，蚀刻所述图形层表面，形成曲面凹槽；然后于图形化的缓冲层上进行至少一组沟道层和势垒层的外延生长工艺。

15.根据权利要求13所述的氮化镓hemt器件的制作方法，其特征在于，所述外延层包括一组或叠设的多组沟道层和势垒层；在所述外延层的形成过程中，以任一沟道层作为图形层，蚀刻所述图形层表面形成曲面凹槽；然后通于图形化的沟道层上进行至少包括一势垒层的后续外延生长工艺。

16.根据权利要求14或15所述的氮化镓hemt器件的制作方法，其特征在于：于所述图形层表面形成光刻胶层，通过纳米压印技术于光刻胶层表面形成曲面凹槽图形，采用蚀刻工艺将图形转移至所述图形层，然后去除所述光刻胶层，以于所述图形层表面形成所述曲面凹槽。

17.一种射频模组，其特征在于：包括权利要求1～12任一项所述的氮化镓hemt器件。

技术总结
本发明公开了一种氮化镓HEMT器件及制作方法和应用，其HEMT结构包括衬底、外延层、源极、漏极和栅极，所述源极、漏极和栅极设于所述外延层上；所述外延层设于所述衬底上，按序包括GaN沟道层和势垒层，其中栅极下方的势垒层具有曲面结构，并与沟道层形成曲面型沟道。在栅控区域具有曲面型沟道，使栅极靠近漏极一侧附近的电场峰值分布更均匀，而非以尖峰形式出现在栅极漏侧，能够耐受更大漏极电压，产生更高的功率密度及效率，提高GaN器件的耐压能力、动态及可靠性表现。

技术研发人员：宋文杰,刘波亭,刘胜厚,钟杰斌
受保护的技术使用者：厦门市三安集成电路有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17