GaN电子器件结构及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种GaN电子器件结构及其制备方法与应用。所述GaN电子器件结构包括外延结构和源、漏、栅电极，所述外延结构包括沟道层和势垒层，所述沟道层与势垒层之间形成有二维电子气，所述源电极与漏电极经所述二维电子气电连接；所述栅电极的栅足在沟道层上的正投影与所述势垒层在沟道层上的正投影的重合率在80％以上。本发明专利技术的GaN电子器件结构不存在栅

【技术实现步骤摘要】
GaN电子器件结构及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于半导体器件
，涉及一种电子器件，具体涉及一种GaN电子器件结构及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]新一代宽禁带半导体材料氮化镓(GaN)兼具高击穿电压(3.1MV/cm)、高电子迁移率 (～1500cm2/V
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s)等优点，且由于极化效应存在，GaN基异质结构(如AlGaN/GaN、 AlInGaN/GaN、AlN/GaN等)在无需故意掺杂情况下就能够形成高密度2DEG(Two
‑ꢀ
dimensional electron gas，二维电子气)，因此成为新一代电子器件
‑
横向型HEMT(High
‑ꢀ
electron
‑
mobility transistor，高电子迁移率晶体管)的理想选择。GaN HEMT具有高电流密度、高耐压、高频率等显著优势，其作为射频功率放大器(Power Amplifier，PA)已成功应用于基站等5G核心基础设施，正逐步替代传统硅基LDMOS(Lateral Double
‑
diffused Metal
‑ꢀ
Oxide
‑
Semiconductor，横向双扩散金属
‑
氧化物
‑
半导体)器件，并将持续在整个5G通信技术中扮演至关重要的角色。
[0003]在具有更广阔市场前景的消费电子领域，具有低成本优势的面向RF(Radio Frequency，射频)/MM Wave(Milimeter Wave，毫米波)应用的硅基GaN HEMT则同样具有吸引力。相比传统砷化镓(GaAs)HBT(Heterojunction Bipolar Transistor，异质结双极型晶体管)， GaN HEMT展现出更强的功率输出能力、更出色的散热性能，故在对功率提出更高需求的 5G通信业务中能凸显其内在优势，有望应用于手机射频前端模块中的发射端PA。然而，目前仍未出现真正意义上面向移动终端应用的GaN RF HEMT，其原因在于常规GaN HEMT于器件结构方面存在固有缺陷：沿沟道方向，器件栅
‑
源、栅
‑
漏之间均存在接入区域(AccessRegion)，从而引入较大占比串联电阻R
ac
，使得有效施加于栅电极下方沟道两侧的电压大幅减小，从物理根本上限制了器件输出电流的饱和行为，导致夹断饱和提前于速度饱和出现，无法降低器件V
knee
(Knee Voltage，膝点电压)，如图1所示。而由于移动智能终端较低的工作电压(一般为3～5V)，故GaN HEMT较大的V
knee
(一般为2～3V)严重限制了其低压应用，无法发挥出其高输出功率密度优势。另一方面，常规GaN HEMT结构不可避免存在栅
‑ꢀ
源之间的沟道电阻R
GS
，该电阻在高电场作用下，会产生与电子迁移率退化密切关联的非线性效应，恶化输出电流与线性度，严重制约器件在移动智能终端的PA应用。此外，目前的器件结构与工艺技术极难制备面向射频应用的GaN HEMT。
[0004]为解决上述问题，在半导体制程技术允许的条件下，尽可能缩短源漏间距是一种可行方案。该方案可以在小源漏电压情况下构筑源漏之间的高电场，从而使得速度饱和提前于夹断饱和出现，有效降低膝点电压。目前，有研究人员采用侧墙工艺技术，能够制备出源漏间距为130nm的GaN HEMT；还有研究人员采用常规光刻工艺与电子束曝光工艺制备短沟道 (＜500nm)GaN HEMT。但是，采用上述方案制备的器件均无法规避栅
‑
源、栅
‑
漏之间的接入区域，故器件在输出高电流时的线性度退化较为严重。
[0005]另一方面，常规方案制备面向射频(以及毫米波)应用的增强型GaN HEMT极为困
难，出于简化系统、缩小芯片面积的实际要求，PA的增强型工作模式对于移动智能终端的射频前端而言是必需的。目前在世界范围内仅有Intel利用势垒层慢速刻蚀技术，制备出增强型 GaN RF HEMT，然而该技术对刻蚀精度与可控性提出了极高的要求，实现难度较大。此外，还有研究人员提出了p
‑
NiO栅电极技术以开发增强型GaN RF HEMT，然则p型NiO生长存在一定困难，且热稳定性较差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种GaN电子器件结构及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
[0007]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0008]本专利技术的一个方面提供的一种GaN电子器件结构包括：
[0009]外延结构，包括沟道层和势垒层，所述沟道层与势垒层之间形成有二维电子气；以及
[0010]与所述外延结构配合的源电极、漏电极和栅电极，所述源电极与漏电极经所述二维电子气电连接；
[0011]其中，所述栅电极的栅足在沟道层上的正投影与所述势垒层在沟道层上的正投影的重合率在80％以上。
[0012]在一些实施方式中，所述栅电极包括沿远离势垒层的方向依次分布的栅足和栅帽，其中栅足且径向尺寸小于或等于栅帽的径向尺寸。
[0013]在一些实施方式中，所述外延结构还包括欧姆接触层，所述欧姆接触层与沟道载流子接触，所述源电极和漏电极均设置在欧姆接触层且与欧姆接触层形成欧姆接触。优选的，所述欧姆接触层与所述二维电子气形成欧姆接触。
[0014]本专利技术的另一个方面提供的一种GaN电子器件结构的制备方法包括：
[0015]制作外延结构的步骤，所述外延结构包括沟道层和势垒层，所述沟道层与势垒层之间形成有二维电子气，以及
[0016]制作与所述外延结构配合的源电极、漏电极及栅电极的步骤，所述源电极与漏电极经所述二维电子气电连接；
[0017]其中制作栅电极的步骤包括：设定所述栅电极的栅足尺寸满足如下条件，即：所述栅电极的栅足在沟道层上的正投影与所述势垒层在沟道层上的正投影的重合率在80％以上。也就是，所述栅足在沟道层上的正投影几乎覆盖所述势垒层在沟道层上的正投影。
[0018]在一些实施方式中，所述的制备方法具体包括：
[0019]在衬底上依次生长形成沟道层、势垒层；
[0020]在所述势垒层的栅电极区域上设置掩膜，所述掩膜的径向尺寸与所述栅足的径向尺寸一致；
[0021]刻蚀去除所述势垒层未被掩膜保护的区域，刻蚀深度为到达所述沟道层表面或进入所述沟道层；
[0022]至少在所述沟道层的源电极区域和漏电极区域上生长欧姆接触层，并使所述势垒层表面的高度在所述欧姆接触层表面的高度以下；
[0023]去除所述掩膜之后在所述势垒层上制作形成栅电极，以及，在所述欧姆接触层的
源电极区域、漏电极区域上分别制作所述源电极、漏电极，并使所述源电极和漏电极均与欧姆接触层形本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GaN电子器件结构，包括：外延结构，包括沟道层和势垒层，所述沟道层与势垒层之间形成有二维电子气；以及与所述外延结构配合的源电极、漏电极和栅电极，所述源电极与漏电极经所述二维电子气电连接；其特征在于：所述栅电极的栅足在沟道层上的正投影与所述势垒层在沟道层上的正投影的重合率在80％以上。2.根据权利要求1所述的GaN电子器件结构，其特征在于：所述栅足在沟道层上的正投影与所述势垒层在沟道层上的正投影重合；和/或，所述栅电极包括沿远离势垒层的方向依次分布的第一部分和第二部分，其中第一部分为栅足且径向尺寸小于或等于第二部分的径向尺寸。3.根据权利要求1或2所述的GaN电子器件结构，其特征在于：所述栅电极为T型栅；和/或，所述栅电极与势垒层被介质层电性隔离；和/或，所述沟道层与势垒层之间还设置有插入层。4.根据权利要求1所述的GaN电子器件结构，其特征在于：所述介质层与势垒层之间还分布有盖帽层。5.根据权利要求1所述的GaN电子器件结构，其特征在于：所述外延结构还包括欧姆接触层，所述欧姆接触层与沟道载流子接触，所述源电极和漏电极均设置在欧姆接触层且与欧姆接触层形成欧姆接触。6.根据权利要求5所述的GaN电子器件结构，其特征在于：所述欧姆接触层上在源电极区域和漏电极区域之间分布有凹槽，至少所述栅足的底部及所述势垒层均设置在所述凹槽内；和/或，所述欧姆接触层与所述二维电子气形成欧姆接触。7.根据权利要求6所述的GaN电子器件结构，其特征在于：所述凹槽的侧壁与所述沟道层表面成60～90
°
的夹角；和/或，所述栅电极的栅帽覆盖在所述凹槽上；和/或，所述栅电极与欧姆接触层被介质层电性隔离。8.根据权利要求1所述的GaN电子器件结构，其特征在于：所述外延结构的材质包括III
‑
V族化合物；和/或，所述GaN电子器件结构包括氮极性HEMT器件结构或者具有背势垒结构的HEMT器件结构；和/或，所述GaN电子器件结构还包括衬底，所述外延结构形成在衬底上。9.一种GaN电子器件结构的制备方法，包括：制作外延结构的步骤，所述外延结构包括沟道层和势垒层，所述沟道层与势垒层之间形成有二维电子气，以及制作与所述外延结构配合的源电极、漏电极及栅电极的步骤，所述源电极与漏电极经所述二维电子气电连接；其特征在于，其中制作栅电极的步骤包括：设定所述栅电极的栅足尺寸满足如下条件，即：所述栅电极的栅足在沟道层上的正投影与所述势垒层在沟道层上的正投影的重合率在80％以上。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：周宇，孙钱，李倩，张新堃，刘建勋，詹晓宁，钟耀宗，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：