一种HEMT器件制造技术

本发明专利技术属于半导体器件技术领域，涉及一种HEMT器件。与常规器件不同的是，本发明专利技术中自嵌位结构为在栅极的漏极一侧与AlGaN势垒层形成的凹槽型肖特基接触金属，并与源极之间进行电气连接。在器件工作时，是由肖特基接触金属部分和AlGaN势垒层共同形成的自嵌位结构来承受器件阻断电压，令栅下沟道处电势不随漏极电压的增加而改变，从而使栅极能够进一步减小、输出频率能进一步提高且输出功率进一步增强。与此同时，本发明专利技术所公布的制备工艺完全兼容传统工艺，不仅能应用于一般电路中，还有较强的频率性能，从而为GaN器件应用于毫米波电路领域奠定了坚实基础。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体器件
，涉及一种HEMT器件。
技术介绍
氮化镓(GaN)是第三代宽禁带半导体的代表，正受到人们的广泛关注，其优越的性能主要表现在：具有高电子迁移率、高的二维电子气(2DEG)浓度，另外，氮化镓(GaN)材料化学性质稳定、耐高温、抗腐蚀，在高频、大功率、抗辐射应用领域具有先天优势。基于AlGaN/GaN异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)(或异质结场效应晶体管HFET，调制掺杂场效应晶体管MODFET，以下统称为HEMT器件)在半导体领域已经取得广泛应用。该类器件具有反向阻断电压高、正向导通电阻低、工作频率高等特性，因此可以满足系统对半导体器件更大功率、更高频率、更小体积工作的要求。然而目前，随着通讯技术的大力发展，研究者面临的问题逐渐转移到如何让HEMT器件既能实现增强型功能又能有更高的截止频率以及输出更高的功率密度等等问题上。众所周知，GaN基毫米波功率器件的各性能指标之间存在相互矛盾，为了提高器件的截止频率，可以减小栅长；而栅长过短，会导致短沟道效应的增强进而减弱器件耐压能力；另一提高器件截止频率的技术途径就是采用凹栅结构，而采用凹栅往往又导致栅极漏电流的增加与漏极饱和电流的减小，从而影响器件的输出功率密度。其中，令栅长减小以提高器件截止频率但同时降低了器件耐压能力这个矛盾，是研究者需要着力解决的重要问题之一。例如，文献W.S.“Recessed-gatestructureapproachtowardnormallyoffhigh-VoltageAlGaN/GaNHEMTforpowerelectronicsapplications,”ElectronDevices,IEEETransactionson,2006,53(2):356-362.报道了采用凹槽栅结构实现准增强型高压AlGaN/GaNHEMT。文献NodaM,SasakiY,PopoviciD,etal.“A20GHzMOD-madeBSTthinfilmtunablephaseshifterforphaseadjustmentofdigital360-degreePHEMTphaseshifter,”MicrowaveSymposiumDigest,2005IEEEMTT-SInternational.IEEE,2005.报道了一种应用HEMT制作的微波电路。文献KhanMA,ParkHC.“Designofnormally-offGaN-basedT-gatewithDrain-Field-Plate(TGDFP)HEMTforpowerandRFapplications,”IeiceElectronicsExpress,2014,11.报道了一种可应用于射频功率输出的HEMT器件。虽然近些年GaN功率器件击穿电压与导通电阻的矛盾不断被新产生的技术调和，但在市场的推动下，如何设计既具有增强型功能并能应用于毫米波功率输出场合的HEMT依旧需要深入研究。
技术实现思路
本专利技术所要解决的，就是针对以上GaN基毫米波功率器件主要性能指标(栅长、频率特性、耐压能力)存在的固有矛盾，提出具有自嵌位的GaN基凹栅MIS-HEMT器件结构。本专利技术的技术方案是：一种HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2、AlGaN层3和钝化层4；所述GaN层2和AlGaN层3形成异质结；所述钝化层4上层的一端具有金属源电极7，另一端具有金属漏电极8，其中金属源电极7与AlGaN层3形成欧姆接触，金属漏电极8与AlGaN层3形成肖特基接触；所述钝化层4上层还具有凹槽绝缘栅结构，所述凹槽绝缘栅结构由贯穿钝化层4延伸至AlGaN层3上层的凹槽、位于凹槽底部和侧面的绝缘栅介质5和位于绝缘栅介质5上的金属栅电极6构成，所述绝缘栅介质5还沿钝化层4上表面向两侧延伸至与金属源电极7和金属漏电极8接触；其特征在于，在凹槽绝缘栅结构与金属漏电极8之间的钝化层4和AlGaN层3中，具有金属电极9，所述金属电极9与金属源电极7之间电气连接，所述金属电极9用于在器件截止状态时嵌位二维电子气处的电势，使器件能够承受高电压。进一步的，栅极长度为0.1um。本方案提出了一种最优的栅极长度，为了提高器件的高频性能，本专利技术的栅极长度可以做到很短。上述技术方案中：所述绝缘栅介质的材料为SiO2、Si3N4、AlN、Al2O3、MgO、HfO2或Sc2O3；刻蚀GaN异质结中凹槽采用的工艺为干法刻蚀或湿法刻蚀；凹槽栅内壁绝缘栅介质5采用ALD或PEVCD或LPCVD工艺淀积；AlGaN层3表面的SiN钝化层4采用ALD或PEVCD工艺淀积，表面钝化层可以使用SiN、HfO2等材料叠层；位于栅极的漏极一侧在AlGaN层表面形成的肖特基接触的金属电极9形成的自嵌位结构，其可以由金(Au)、镍(Ni)等功函数高于5eV的金属或合金构成。本专利技术的有益效果为，克服了短沟道效应，并且提高了器件耐压性能，适合使用在要求输出较高频率或较大功率的场合；能在一定程度上缓和降低栅长增强频率特性的同时降低器件耐压能力的固有矛盾；本专利技术的器件与传统AlGaN/GaNHEMT器件工艺兼容。附图说明图1为本专利技术的HEMT器件结构示意图；图2为一般凹槽栅增强型HEMT器件结构示意图；图3为一般凹槽栅增强型HEMT器件结构示意图(无绝缘栅介质)；图4为一般耗尽型HEMT器件结构示意图；图5为一般F离子注入增强型HEMT器件结构示意图；图6为本专利技术的HEMT器件沟道截止时栅极附近电子分布图；图7为本专利技术的HEMT器件沟道开启时栅极附近电子分布图；图8为本专利技术的HEMT器件转移特性仿真结果曲线；图9为本专利技术的HEMT器件输出特性仿真结果曲线；图10为本专利技术的HEMT器件耐压特性仿真结果曲线；图11为本专利技术的HEMT器件击穿时在异质结界面附近的电场强度分布；图12为本专利技术的HEMT器件频率仿真结果；图13-图17为本专利技术的HEMT器件工艺流程图：图13为制备衬底和势垒层形成异质结；图14为制作欧姆接触金属电极和制作凹槽自嵌位肖特基接触金属电极；图15为生长钝化层并刻蚀凹槽；图16为生长栅介质；图17为制作栅金属电极并连接源极的两部分。具体实施方式下面结合附图，详细描述本专利技术的技术方案：如图1所示，本专利技术的一种HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底1、GaN层2、AlGaN层3和钝化层4；所述GaN层2和AlGaN层3形成异质结；所述AlGaN层(3)上层的一端具有金属源电极(7)，另一端具有金属漏电极(8)，其中金属源电极(7)和金属漏电极(8)与AlGaN层(3)形成欧姆接触；所述钝化层4上层还具有凹槽绝缘栅结构，所述凹槽绝缘栅结构由贯穿钝化层4延伸至AlGaN层3上层的凹槽、位于凹槽底部和侧面的绝缘栅介质5和位于绝缘栅介质5上的金属栅电极6构成，所述绝缘栅介质5还沿钝化层4上表面向两侧延伸至与金属源电极7和金属漏电极8接触；其特征在于，在凹槽绝缘栅结构与金属漏电极8之间的钝化层4和AlGaN层3中，具有金属电极9，所述金属电极9与金属源电极7之间电气连接，所述金属电极9用于在器件截止状态时嵌位二维电子气处的电势，使器件能够承受高电压。本专利技术的工作原理是：深凹槽栅结构减本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底(1)、GaN层(2)、AlGaN层(3)和钝化层(4)；所述GaN层(2)和AlGaN层(3)形成异质结；所述AlGaN层(3)上层的一端具有金属源电极(7)，另一端具有金属漏电极(8)，其中金属源电极(7)和金属漏电极(8)与AlGaN层(3)形成欧姆接触；所述钝化层(4)上层还具有凹槽绝缘栅结构，所述凹槽绝缘栅结构由贯穿钝化层(4)延伸至AlGaN层(3)上层的凹槽、位于凹槽底部和侧面的绝缘栅介质(5)和位于绝缘栅介质(5)上的金属栅电极(6)构成，所述绝缘栅介质(5)还沿钝化层(4)上表面向两侧延伸至与金属源电极(7)和金属漏电极(8)接触；其特征在于，在凹槽绝缘栅结构与金属漏电极(8)之间的钝化层(4)和AlGaN层(3)中，具有金属电极(9)，所述金属电极(9)与金属源电极(7)之间电气连接，所述金属电极(9)用于在器件截止状态时嵌位二维电子气处的电势，使器件能够承受高电压。

【技术特征摘要】
1.一种HEMT器件，包括从下至上依次层叠设置的衬底(1)、GaN层(2)、AlGaN层(3)和钝化层(4)；所述GaN层(2)和AlGaN层(3)形成异质结；所述AlGaN层(3)上层的一端具有金属源电极(7)，另一端具有金属漏电极(8)，其中金属源电极(7)和金属漏电极(8)与AlGaN层(3)形成欧姆接触；所述钝化层(4)上层还具有凹槽绝缘栅结构，所述凹槽绝缘栅结构由贯穿钝化层(4)延伸至AlGaN层(3)上层的凹槽、位于凹槽底部和侧面的绝缘栅介质(5)和位于绝缘栅介质(5)上的金属栅电极(6)构成，所述绝缘...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈万军，王泽恒，信亚杰，施宜军，胡官昊，周琦，张波，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51