氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极制造技术

本发明专利技术涉及一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极，包括依次连接的氮化镓层、势垒层、势垒金属层、栅帽金属层，以及设于所述势垒金属层和所述栅帽金属层之间的应力缓冲层；所述应力缓冲层包括缓冲金属层，所述缓冲金属层的热膨胀系数与所述势垒层以及势垒金属层的热膨胀系数相差在预设范围内。本发明专利技术充分考虑热失配对GaN基HEMT的影响，在GaN基HEMT栅电极势垒金属层和栅帽金属层间插入应力缓冲层，应力缓冲层在选材时应注重其热学特性参数，使应力缓冲层能够承受热失配导致的张应力，从而大幅度降低势垒层和势垒金属层中的张应力，避免因热失配产生的裂纹，提升GaN基HEMT器件的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高电子迀移率晶体管器件领域，特别是涉及一种氮化镓基高电子迀移率晶体管的栅电极。
技术介绍
以氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体材料，是继以硅(Si)为代表的第一代半导体材料和以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体材料之后，在近十年迅速发展起来的新型半导体材料。GaN材料具有宽带隙、大电子漂移速度、高热导率、耐高电压、耐高温、抗腐蚀、耐辐照等突出优点，特别适合制作高频、高效率、耐高温、耐高电压的大功率微波器件，基于GaN的AlGaN/GaN高电子迀移率晶体管(HEMT)具有输出功率密度大、耐高温、耐辐照等特点，能满足下一代电子装备对微波功率器件更大功率、更高频率、更小体积和更恶劣条件(更高温度)下工作的要求，可广泛应用于微波毫米波频段尖端电子装备，且在民用通信基站等领域也有广泛的应用，越来越受到高度重视。GaN器件是目前全球半导体研究的前沿和热点，是各国竞相占领的战略技术制高点。尽管GaN基HEMT器件日趋成熟，但随着各领域的广泛应用，对器件可靠性提出了更高的要求。HEMT器件的肖特基接触结构示意图如图1所示，势皇层和与势皇层直接接触的肖特基接触金属层(以下简称势皇金属层)中的张应力导致的势皇层裂纹是器件出现永久性退化的主要失效机理之一，降低势皇层和与势皇金属层中的张应力是提升器件可靠性的关键。其中张应力来源包括=AlGaN势皇层与GaN沟道层晶格失配导致的内应力，逆压电效应导致在峰值电场处出现的张应力，以及栅帽金属材料与势皇层金属以及AlGaN势皇层热失配导致的张应力等。GaN基HEMT器件基本几何结构和工艺结构如图2所示，AlGaN/GaN异质结是目前最为广泛使用也是最为成熟的材料外延结构，由于晶格失配，AlGaN势皇层中存在张应力，应力的存在是形成沟道二维电子气的关键，但晶格失配也是导致器件势皇层裂纹的一个重要原因；采用晶格匹配的AlInN材料作为势皇层是降低势皇层应力的一个方法，但AlInN材料生长困难，均匀性较差，降低了二维电子气的迀移率，同时也增加了制造低接触电阻的欧姆接触的难度，因此，目前GaN基HEMT器件产品仍以AlGaN作为势皇层。GaN基材料体系存在的极化效应是在AlGaN/GaN异质结界面处形成沟道二维电子气的关键，也是构建AlGaN/GaN器件的关键；但极化效应也是一把双刃剑，逆压电效应导致的张应力是导致器件退化的重要机理之一，具体来说，当器件的漏极加上较高的漏极电压时，势必在栅靠漏边沿形成高的峰值电场，由于逆压电效应，栅靠漏边沿的峰值电场处的势皇中将产生较大的张应力，从而导致势皇层出现裂纹等结构损伤，最终导致器件输出特性的显著退化。通常，场板技术被用来降低峰值电场的大小，当栅帽金属层宽度大于栅脚尺寸时，可以形成栅极场板，降低栅脚处的峰值电场。制作栅场板和栅帽层的材料优选为金(Au)，因为具备低阻、良好的化学稳定性以及工艺成熟等优点，但由于Au材料(Au的热膨胀系数为14.2x10 6/K)和GaN材料(GaN材料的a轴热膨胀系数为5.59x10 6/K)以及势皇金属层(例如势皇金属钨的热膨胀系数为4.5x10 6/K)的热膨胀系数存在较大的差异，当器件高温工作时，势必在势皇层和势皇金属层产生张应力，这个张应力是栅金属下方出现裂纹等结构损伤的重要原因。如图3所示，高温工作产生张应力后栅金属与半导体层热失配导致栅下方势皇层出现微裂纹。另外，如图4所示，金属扩散至裂纹中，导致裂纹进一步扩展；当裂纹扩展至沟道的二维电子气处时，导致沟道开路，输出电流下降；当金属继续往下扩散，与二维电子气短路时，栅上电流急剧增加，导致器件出现灾难性烧毁。图5所示，扩散至裂纹中的金属是栅帽金属Au，这与Au的扩散系数较大有关，Au的扩散也是导致裂纹进一步扩展的重要原因。综上所述，现有的GaN基HEMT虽然具有输出功率密度大、耐高温、耐辐照等优点，但其可靠性存在不足，不能满足微波毫米波频段尖端电子装备或民用通信基站等领域的要求。
技术实现思路
基于此，为解决上述问题，本专利技术提供一种氮化镓基高电子迀移率晶体管的栅电极结构，在势皇金属层和栅帽金属间增加应力缓冲层，降低势皇层和势皇金属层的张应力，避免出现裂纹，提升器件的可靠性，满足各领域的使用需求。为实现上述目的，本专利技术实施例中采用如下技术方案:一种氮化镓基高电子迀移率晶体管的栅电极，包括依次连接的氮化镓层、势皇层、势皇金属层、栅帽金属层，以及设于所述势皇金属层和所述栅帽金属层之间的应力缓冲层；所述应力缓冲层包括缓冲金属层，所述缓冲金属层的热膨胀系数与所述势皇层以及势皇金属层的热膨胀系数相差在预设范围内。本专利技术充分考虑了热失配对GaN基HEMT的影响，在栅电极势皇金属层和栅帽金属层间插入应力缓冲层，该应力缓冲层中的金属缓冲层的热膨胀系数与势皇层以及势皇金属层相接近，使应力缓冲层能够承受热失配导致的张应力，从而大幅度降低势皇层和势皇金属层中的张应力，避免因热失配产生的裂纹，提升GaN基HEMT器件的可靠性。【附图说明】 图1为HEMT器件的肖特基接触结构示意图；图2为GaN基HEMT器件基本几何结构和工艺结构示意图；图3为传统GaN基HEMT器件高温工作产生应力后栅金属与半导体热失配导致栅下方势皇层出现微裂纹的示意图；图4为传统GaN基HEMT器件高温工作产生应力后栅金属与半导体热失配导致栅下方势皇层出现裂纹的另一示意图；图5为传统GaN基HEMT器件势皇层裂纹处的EDAX能谱分析；图6为本专利技术实施例中GaN基HEMT栅电极的几何结构示意图；图7为传统的GaN基HEMT栅电极金属结构在300°C时应力的分布状态图；图8为本专利技术实施例中在Ti层和栅帽金属层Au之间插入40nm的Mo层后栅电极金属结构在300°C时应力的分布状态图；图9为本专利技术实施例中进一步在栅帽金属层与应力缓冲层之间插入一层Ti层后的栅电极金属结构在300°C时应力的分布状态图；图10为本专利技术实施例中加入具备周期性复合结构的应力缓冲层的栅电极金属结构在300 °C时应力的分布状态图。【具体实施方式】 下面结合较佳实施例对本专利技术的内容作进一步说明。如图6所示，本实施例提供一种氮化镓基高电子迀移率晶体管的栅电极，包括依次连接的氮化镓层、势皇层、势皇金属层、栅帽金属层，以及设于势皇金属层和栅帽金属层之间的应力缓冲层；应力缓冲层包括缓冲金属层，缓冲金属层的热膨胀系数与势皇层以及势皇金属层的热膨胀系数相差在预设范围内。在本实施例中，GaN基HEMT的栅电极的势皇金属层与栅帽金属层之间插入应力缓冲层，即GaN基HEMT的栅电极从势皇层(势皇层为AlGaN)上表面依次为势皇金属层、应力缓冲层、栅帽金属层，势皇金属层与半导体形成肖特基接触，通过施加不同的栅压来调制沟道中的电子浓度，从而实现对沟道导通能力的控制。势皇金属层的选取原则主要考虑金属的功函数、化学稳定性以及制造工艺的难度，例如，势皇金属层可采用钨(W)、钨氮(WN)、镍(Ni)、铂(Pt)、钼(Mo)等金属。而栅帽金属层则可选用Au，因为Au具备低阻的特点，而且其化学稳定性良好，目前工艺也较为成熟等，是制作栅帽金属层的优选材料当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的栅电极，其特征在于，包括依次连接的氮化镓层、势垒层、势垒金属层、栅帽金属层，以及设于所述势垒金属层和所述栅帽金属层之间的应力缓冲层；所述应力缓冲层包括缓冲金属层，所述缓冲金属层的热膨胀系数与所述势垒层以及势垒金属层的热膨胀系数相差在预设范围内。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾畅，黄云，王远声，廖雪阳，李汝冠，来萍，苏伟，陈义强，恩云飞，
申请(专利权)人：工业和信息化部电子第五研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44