專利名稱：一種具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，具體涉及 應(yīng)用在微波、大功率場合下的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Semiconductor-Field-Eff ect-Transistor, MESFET)。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及航空航天、電子對抗和雷達(dá)通訊等相關(guān) 領(lǐng)域的迫切需求，發(fā)展新型高頻、高功率半導(dǎo)體器件受到人們越來越多的關(guān)注。雙極性晶體 管(Bipolar-Junction-Transistor，BJT)和功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor,M0SFET)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在高功率用途 上。BJT是少子器件，其功率處理能力在較高工作頻率下會受到限制。MOSFET與MESFET相 比，其柵極電容較大，影響了其頻率特性，并且MOSFET的制造工藝復(fù)雜。而制造工藝簡單的 MESFET由于其柵極采用肖特基(Schottky)結(jié)構(gòu)，使其能更好地應(yīng)用在高頻微波領(lǐng)域。由于碳化硅材料的優(yōu)良特性，在商用和軍事通信領(lǐng)域，使得基于碳化硅材料 的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管成為在大功率、高頻和高溫應(yīng)用下的一個很好的選擇，如 文 獻(xiàn) T.Paul Chow 'High-voltage SiC and GaN power devices', Microelectronic Engineering, 2006, Vol. 83，No. 1，pp. 112-122.禾口文獻(xiàn) M. Rosker ‘Wide Bandgap and MMICsMlI-Vs Review, 2005, Vol. 18，No. 4，pp. 24-25.所述。MESFET 器件的性能和可靠性 與器件的關(guān)態(tài)擊穿電壓和寄生電容等關(guān)鍵參數(shù)密切相關(guān)，而這些關(guān)鍵參數(shù)又強(qiáng)烈依賴于緩 沖層的結(jié)構(gòu)與濃度。因此，器件緩沖層的設(shè)計在提高器件性能方面具有重要作用。在進(jìn)行 緩沖層設(shè)計時需要考慮一個原則緩沖層要保證必需的溝道與襯底隔離，同時不能引入太 大的寄生電容和漏極泄漏電流，以免降低器件的高頻性能。雖然很多文獻(xiàn)中已經(jīng)報道了大 量的SiC MESFET結(jié)構(gòu)和各種優(yōu)化方案，但是對SiC MESFET緩沖層結(jié)構(gòu)的研究還比較少。目前SiC MESFET普遍采用SiC半絕緣襯底、緩沖層、有源層和帽層四層外延結(jié) 構(gòu)。常規(guī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在整個有源層15上刻蝕凹槽，形成凹陷溝道，稱作凹溝(channel recess)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的SiC MESFET器件直流特性和頻率特性有待進(jìn)一步提高，以適應(yīng)微 波頻段、大功率場合下應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET器件。該器件通過刻蝕外延緩 沖層，使緩沖層呈現(xiàn)階梯狀，進(jìn)而使得在緩沖層上外延生長的有源層具有變化的溝道厚度。 柵源和柵漏之間的階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)不僅改善了器件飽和漏電流，而且提高了器件高頻性 能。在階梯緩沖層MESFET結(jié)構(gòu)中，一方面，柵電極兩側(cè)下方較薄的緩沖層(對應(yīng)于柵電極 兩側(cè)下方較厚的有源層)降低了器件的寄生串聯(lián)電阻，從而增大器件的輸出功率密度；另 一方面，柵電極下方較厚的緩沖層(對應(yīng)于柵電極下方較薄的有源層)保證了足夠的器件 柵長和溝道厚度之比，從而避免了短溝道效應(yīng)和漏極勢壘降低效應(yīng)。同時，階梯狀緩沖層結(jié)
3構(gòu)調(diào)制了柵極邊緣側(cè)的溝道內(nèi)部電場分布，并增加了 gm/Cgs比值，能夠顯著提高器件的高頻 小信號特性。本發(fā)明技術(shù)方案如下—種具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，如圖2至圖7所示，包括 半絕緣襯底17、緩沖層16、有源層15、源電極下的高摻雜歐姆接觸區(qū)14A、漏電極下的高摻 雜歐姆接觸區(qū)14B，以及源電極11、漏電極12和柵電極13。所述緩沖層16呈階梯狀，其中 緩沖層16厚度最大的部分出現(xiàn)在柵電極13正下方，而柵電極13兩側(cè)下方的緩沖層厚度較 ?。慌c所述階梯狀緩沖層16相對應(yīng)地，所述有源層15呈倒階梯狀，其中有源層15厚度最小 的部分出現(xiàn)在柵電極13正下方，而柵電極13兩側(cè)下方的有源層15厚度較大。本發(fā)明提供的具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET，其中除電極之外的半導(dǎo)體層材料 可采用碳化硅(SiC)、硅(Si)或者氮化鎵(GaN)等；而電極材料可以是金屬鈦、金屬鎳或鈦 銀合金。階梯狀緩沖層能夠調(diào)制溝道內(nèi)部的電場分布和增加gm/Cgs的比值，從而提高 MESFET器件的頻率特性。反映MESFET器件頻率特性的主要參數(shù)是截止頻率fT和最大振蕩
頻率，由下面的方程給出 _。]根據(jù)fT和fmax的計算式可以看出，gm/Cgs的比值的增大可以提高fT和fmax。本發(fā) 明所公開的具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET正是利用這一原理來提高截止頻率fT和fmax 的。階梯狀緩沖層，可有效減小器件有源區(qū)的寄生串聯(lián)電阻，從而增大MESFET器件的 飽和漏電流。對A類放大器而言，理論上的最大輸出功率密度為Praax = H 其中Isat是飽和漏電流，Vb是擊穿電壓，Vknee是膝電壓。由二維數(shù)值分析可知，階 梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET飽和漏電流大于常規(guī)結(jié)構(gòu)，因此由上式可知，其輸出功率密度將 增大。綜上，本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在本發(fā)明所提出的階梯緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET，具有良好的直流特性，頻率特性和輸 出功率密度，適用于微波、大功率領(lǐng)域。階梯狀的緩沖層(對應(yīng)于倒階梯狀的有源層)，可有 效減小器件的寄生串聯(lián)電阻，從而提高M(jìn)ESFET器件的飽和漏電流，保證了高的輸出功率密 度。同時階梯狀緩沖層(對應(yīng)于倒階梯狀的有源層)還能夠調(diào)制柵極邊緣處的溝道內(nèi)部電 場分布，從而增加gm/Cgs的比值，顯著改善MESFET器件的高頻小信號特性。


圖1是具有緩沖層的MESFET器件的常規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖。其中11為源電極，12為漏電極，13為柵電極，14A為源電極下的高摻雜歐姆接觸 區(qū)，14B為漏電極下的高摻雜歐姆接觸區(qū)，15為有源層，16為緩沖層，17為半絕緣襯底。圖2至圖6是本發(fā)明提供的具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2至圖6給出了本發(fā)明提供的具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET的不同實(shí)現(xiàn)方式，其中區(qū)別 在于緩沖層16的形狀有所不同。圖7和圖8是本發(fā)明所述具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET與常規(guī)結(jié)構(gòu)的 MESFET(圖1所示結(jié)構(gòu))的直流I-V特性和頻率特性的對比。其中，實(shí)心符號的曲線表示 本發(fā)明所述具有階梯緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET器件的特性，空心符號的曲線表示常規(guī)結(jié)構(gòu)的 MESFET器件的特性。
具體實(shí)施例方式一種具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，如圖2至圖7所示，包括 半絕緣襯底17、緩沖層16、有源層15、源電極下的高摻雜歐姆接觸區(qū)14A、漏電極下的高摻 雜歐姆接觸區(qū)14B，以及源電極11、漏電極12和柵電極13。所述緩沖層16呈階梯狀，其中 緩沖層16厚度最大的部分出現(xiàn)在柵電極13正下方，而柵電極13兩側(cè)下方的緩沖層厚度較 小；與所述階梯狀緩沖層16相對應(yīng)地，所述有源層15呈倒階梯狀，其中有源層15厚度最小 的部分出現(xiàn)在柵電極13正下方，而柵電極13兩側(cè)下方的有源層15厚度較大。本發(fā)明的其它實(shí)施例子，可以根據(jù)實(shí)際需要改變緩沖層的濃度、厚度以及不同厚 度區(qū)域的寬度來實(shí)現(xiàn)。圖2至圖6給出了本發(fā)明提供的具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET 的不同實(shí)現(xiàn)方式，其中區(qū)別在于緩沖層16的形狀有所不同。如圖2所示，其中所述緩沖層16在柵源一側(cè)具有兩個階梯，在柵漏一側(cè)具有一個 階梯。如圖3所示，其中所述緩沖層16在柵源一側(cè)具有一個階梯，在柵漏一側(cè)具有兩個 階梯。如圖4所示，其中所述緩沖層16在柵源一側(cè)具有兩個階梯，在柵漏一側(cè)也具有兩 個階梯。如圖6所示，其中所述緩沖層16在柵源一側(cè)具有一個階梯，在柵漏一側(cè)也具有一 個階梯。如圖2、3、4和6所示，其中所述緩沖層16最厚的部分的橫向尺寸等于柵電極13 的橫向尺寸；對應(yīng)地，所述有源層15最薄的部分的橫向尺寸等于柵電極13的橫向尺寸。如 圖5所示，其中所述緩沖層16最厚的部分的橫向尺寸小于柵電極13的橫向尺寸；對應(yīng)地， 所述有源層15最薄的部分的橫向尺寸小于柵電極13的橫向尺寸。本發(fā)明的一個具體實(shí)施例子，是采用圖2所示的階梯緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET。有源 層為n(p)型，緩沖層為p(n)型，半導(dǎo)體材料為SiC，柵電極金屬為鎳。圖7所示是對具有上述參數(shù)的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維數(shù)值分析得到的直流I-V曲線， 其中實(shí)心符號曲線表示的是本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)，空心符號曲線表示的是常規(guī)結(jié)構(gòu)(如圖 1所示)?？梢钥闯霰景l(fā)明所提出結(jié)構(gòu)的飽和漏電流明顯大于常規(guī)結(jié)構(gòu)。圖8所示是高頻小信號特性曲線，其中實(shí)心符號曲線表示的是本發(fā)明所提出的結(jié) 構(gòu)，空心符號曲線表示的是常規(guī)結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。可以看出本發(fā)明所提出結(jié)構(gòu)的截止頻 率和最高振蕩頻率均高于常規(guī)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明所提出的階梯緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET，具有良好的直流特性，頻率特性和輸 出功率密度，適用于微波、大功率領(lǐng)域。階梯狀的緩沖層(對應(yīng)于倒階梯狀的有源層)，可有效減小器件的寄生串聯(lián)電阻，從而提高M(jìn)ESFET器件的飽和漏電流，保證了高的輸出功率密 度。同時階梯狀緩沖層(對應(yīng)于倒階梯狀的有源層)還能夠調(diào)制柵極邊緣處的溝道內(nèi)部電 場分布，從而增加gm/Cgs的比值，顯著改善MESFET器件的高頻小信號特性。
權(quán)利要求
一種具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，包括半絕緣襯底(17)、緩沖層(16)、有源層(15)、源電極下的高摻雜歐姆接觸區(qū)(14A)、漏電極下的高摻雜歐姆接觸區(qū)(14B)，以及源電極(11)、漏電極(12)和柵電極(13)；其特征在于，所述緩沖層(16)呈階梯狀，其中緩沖層(16)厚度最大的部分出現(xiàn)在柵電極(13)正下方，而柵電極(13)兩側(cè)下方的緩沖層厚度較??；與所述階梯狀緩沖層(16)相對應(yīng)地，所述有源層(15)呈倒階梯狀，其中有源層(15)厚度最小的部分出現(xiàn)在柵電極(13)正下方，而柵電極(13)兩側(cè)下方的有源層(15)厚度較大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其特征 在于，除電極之外的半導(dǎo)體層材料采用碳化硅、硅或者氮化鎵；而電極材料是金屬鈦、金屬 鎳或鈦鎳合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其 特征在于，所述緩沖層(16)在柵源一側(cè)具有兩個階梯，在柵漏一側(cè)具有一個階梯。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其 特征在于，所述緩沖層(16)在柵源一側(cè)具有一個階梯，在柵漏一側(cè)具有兩個階梯。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其 特征在于，所述緩沖層(16)在柵源一側(cè)具有兩個階梯，在柵漏一側(cè)也具有兩個階梯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其 特征在于，所述緩沖層(16)在柵源一側(cè)具有一個階梯，在柵漏一側(cè)也具有一個階梯。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任一具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其 特征在于，所述緩沖層(16)最厚的部分的橫向尺寸等于柵電極(13)的橫向尺寸；對應(yīng)地， 所述有源層(15)最薄的部分的橫向尺寸等于柵電極(13)的橫向尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任一具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，其 特征在于，所述緩沖層(16)最厚的部分的橫向尺寸小于柵電極(13)的橫向尺寸；對應(yīng)地， 所述有源層(15)最薄的部分的橫向尺寸小于柵電極(13)的橫向尺寸。
全文摘要
一種具有階梯狀緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET，屬于功率半導(dǎo)體器件技術(shù)領(lǐng)域。該器件通過刻蝕外延緩沖層，使緩沖層呈現(xiàn)階梯狀，進(jìn)而使得在緩沖層上外延生長的有源層具有變化的溝道厚度。所述緩沖層厚度最大的部分出現(xiàn)在柵電極正下方，而柵電極兩側(cè)下方的緩沖層厚度較小；所述有源層呈倒階梯狀，其中厚度最小的部分出現(xiàn)在柵電極正下方，而柵電極兩側(cè)下方的有源層厚度較大。本發(fā)明所提出的階梯緩沖層結(jié)構(gòu)的MESFET，具有良好的直流特性，頻率特性和輸出功率密度，適用于微波、大功率領(lǐng)域。
文檔編號H01L29/06GK101964363SQ201010246860
公開日2011年2月2日 申請日期2010年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者張波, 王易, 鄧小川 申請人:電子科技大學(xué)