一种制造技术

本发明专利技术提供一种

【技术实现步骤摘要】
一种GaN基HEMT器件及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于半导体器件
，具体涉及一种GaN基HEMT器件及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氮化镓(GaN)高电子迁移率晶体管(HEMT)作为第三代半导体的典型器件，具有高击穿电压、高功率密度等特性，适于制作高频、大功率器件，可实现射频功放追求的高效率、超宽带、小体积的目标。但是，GaN毫米波HEMT器件在直流与射频工作条件下会出现输出功率损耗、栅极漏电增加等可靠性问题。GaN毫米波器件的栅长(L
g
)通常在100nm以下，随器件射频性能的提升，解决前述问题最直接的方式是缩小L
g
。由于栅极电阻与栅极横截面积成反比，为保证栅电阻不会因L
g
的缩小而增大，同时降低栅极寄生电容带来的不利影响，常用的策略是在源漏极间制作浮空T形栅。浮空T形栅的制造过程中，随L
g
的不断缩小，会出现两个重大问题：(1)栅足的机械稳定性变差，易坍塌，造成器件制造良率低；(2)更低偏压下，电场集中于栅足近漏端边缘，该处界面因此更容易发生隧穿或热电子发射，致使器件的击穿电压低，即高电场效应，同时易引起栅极漏电的增大。如图1所示，导致前述问题(2)中的主要原因跟栅足与外延层接触界面处的界面/边界电荷陷阱强相关(现有技术1《Trapping mechanisms in insulated
‑
gate GaN power devices:Understanding and characterization techniques》，DOI:org/10.1002/pssa.201600607)。界面处的高浓度缺陷还将耗尽沟道中的二维电子气(2DEG)，进而引起频散效应，造成输出漏电流和输出功率的下降，器件出现电流崩塌与阈值电压(V
th
)偏移，进一步限制了GaN毫米波器件的应用。
[0003]为了解决栅足稳定性的问题，现有技术2《Oxide interfacial charge engineering towards normally
‑
off AlN/GaN MOSHEMT》(DOI:org/10.1016/j.mssp.2016.06.008)中在T形栅制备过程中，一般在栅帽层下方沉积厚度与栅足高度一致的介电钝化层，用以支撑T形栅栅帽(如图2所示，图2中L为T形栅栅足宽度)，同时保证超短栅足不会在制造过程中倒塌。但因栅帽下面是整面的钝化材料(SiO2或Si
x
N
y
)，极大地增加了栅极寄生电容，造成器件频率特性的急剧恶化。
[0004]为了解决栅足近漏端边缘电场集中造成击穿电压低的问题，现有技术3《Passivation
‑
layer thickness and field
‑
plate optimization to obtain high breakdown voltage in AlGaN/GaN HEMTs with short gate
‑
to
‑
drain distance》(DOI:org/10.1016/j.microrel.2021.114153)中常采用场板技术，通过缓解原有的电场峰值并重新调整栅极和漏极之间沟道区的电场分布，降低原有电场峰值的同时，使栅极和漏极间沟道区的电场分布更为均匀，器件更耐高压，显著提高了器件的击穿电压。如图3所示，为调制栅足靠近漏极一端边缘的集中电场，在栅漏之间的栅帽层制作栅场板，该场板与栅极同电势，可调制场板下方沟道中的电场重新分布，分散栅足近漏端边缘的高电场，在同等器件尺寸下，该处的耐压能力提升，即器件的击穿电压相应变高。但是该方案中栅场板的引入使得栅帽的尺寸进一步增大，其机械重量也会随之进一步增大，若在超短栅足上构造具有大
尺寸场板结构的浮空T形栅，其机械稳定性只会更差，在工艺制造中更易坍塌，成品良率会更低。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种GaN基HEMT器件。该GaN基HEMT器件具有原位钝化层和单边支撑型场板T形栅，能够保证T形栅的机械稳定性、器件的可靠性和高耐压性。
[0006]具体地，为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种GaN基HEMT器件，自下而上依次包括衬底、过渡层、GaN外延层、势垒层和钝化层；所述势垒层两侧分别设置有源极和漏极；所述钝化层表面沉积有T形栅，所述T形栅位于所述源极和所述漏极之间；所述T形栅的一侧设置有单边支撑结构，所述单边支撑结构与所述钝化层为一体结构；所述T形栅和所述源极之间或所述T形栅和所述漏极之间设置有栅场板，所述栅场板与所述T形栅电气连接。
[0008]在优选的实施方案中，所述栅场板直接从所述T形栅的栅帽上延伸，延伸方向沿着栅极到漏极的方向或栅极到源极的方向。
[0009]在进一步优选的实施方案中，所述栅场板延伸后，其末端与所述漏极或所述源极的间隔距离不低于100nm。
[0010]在优选的实施方案中，所述单边支撑结构沿所述T形栅的宽度方向上整体分布，所述T形栅的宽度方向是指与所述源极到所述漏极的方向垂直且与所述钝化层的表面平行的方向。
[0011]在优选的实施方案中，所述钝化层为富氮型介电材料层。
[0012]在进一步优选的实施方案中，所述钝化层为氮化硅层。
[0013]在优选的实施方案中，所述钝化层的厚度≤10nm。
[0014]在优选的实施方案中，所述单边支撑结构沿所述源极到所述漏极的方向的厚度为10～500nm。
[0015]在优选的实施方案中，所述势垒层为Al
x
Ga
y
N
z
层，其中0＜y＜1，0＜z＜1，且x+y+z＝1。
[0016]在优选的实施方案中，所述过渡层为Ga
m
N1‑
m
层或Al
x
Ga
y
N
z
层，其中，0＜m＜1，0＜x＜1，0＜y＜1，0＜z＜1，且x+y+z＝1。
[0017]在优选的实施方案中，所述衬底为硅衬底或碳化硅衬底或GaN衬底。
[0018]本专利技术还提供所述GaN基HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：
[0019]S1、在衬底上依次沉积出过渡层、GaN外延层、势垒层和钝化层；在所述势垒层两侧分别制作源极和漏极；
[0020]S2、在所述钝化层表面旋涂第一光刻胶层，经DUV曝光、显影后打开用于制作单边支撑结构以及栅足区域的第一工艺窗口，得到支柱；通过ICP刻蚀将所述钝化层上除支柱以外的区域减薄，然后去除所述第一光刻胶层；
[0021]S3、在步骤S2得到的器件结构表面旋涂第二光刻胶层，经电子束曝光、显影后打开制作栅足的第二工艺窗口；经所述第二工艺窗口通过ICP刻蚀所述支柱，刻蚀停止于所述钝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GaN基HEMT器件，其特征在于，自下而上依次包括衬底、过渡层、GaN外延层、势垒层和钝化层；所述势垒层两侧分别设置有源极和漏极；所述钝化层表面沉积有T形栅，所述T形栅位于所述源极和所述漏极之间；所述T形栅的一侧设置有单边支撑结构，所述单边支撑结构与所述钝化层为一体结构；所述T形栅和所述源极之间或所述T形栅和所述漏极之间设置有栅场板，所述栅场板与所述T形栅电气连接。2.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件，其特征在于，所述栅场板直接从所述T形栅的栅帽上延伸，延伸方向沿着栅极到漏极的方向或栅极到源极的方向。3.根据权利要求2所述的GaN基HEMT器件，其特征在于，所述栅场板延伸后，其末端与所述漏极或所述源极的间隔距离不低于100nm。4.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件，其特征在于，所述单边支撑结构沿所述T形栅的宽度方向上整体分布，所述T形栅的宽度方向是指与所述源极到所述漏极的方向垂直且与所述钝化层的表面平行的方向。5.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件，其特征在于，所述钝化层为富氮型介电材料层；或/和所述衬底为硅衬底、碳化硅衬底、GaN衬底中一种。6.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件，其特征在于，所述钝化层的厚度≤10nm；或/和所述单边支撑结构沿所述源极到所述漏极的方向的厚度为10～500nm。7.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件，其特征在于，所述势垒层为Al
x
Ga
y
N
z
层；或/和所述过渡层为Ga
...

【专利技术属性】
技术研发人员：向诗力，柳俊，
申请(专利权)人：湖北九峰山实验室，
类型：发明
国别省市：