一種具有復(fù)合柵介質(zhì)層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有復(fù)合柵介質(zhì)層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，從下至上依次主要有襯底、氮化鎵緩沖層、氮化鎵溝道層、鋁鎵氮勢壘層以及復(fù)合柵介質(zhì)層，在勢壘層上形成與其成歐姆接觸的源極、漏極以及成肖特基接觸的柵極，復(fù)合柵介質(zhì)層由高低不同介電常數(shù)的柵介質(zhì)層組成，由此在溝道層的柵介質(zhì)層界面形成電場峰值，在電場峰值處存在電子漂移速度的峰值，使電子在溝道整體的漂移速度增加，同時(shí)低介電常數(shù)柵介質(zhì)層使柵電容減小，使器件的頻率特性提升。
【專利說明】一種具有復(fù)合柵介質(zhì)層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，具體涉及一種具有復(fù)合柵介質(zhì)層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié) 場效應(yīng)晶體管。

【背景技術(shù)】
[0002] 氮化鎵（GaN)基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場高、電子飽 和速度高、導(dǎo)熱性能好、抗輻射和良好的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，同時(shí)氮化鎵（GaN)材料可 以與鋁鎵氮（AlGaN)等材料形成具有高濃度和高遷移率的二維電子氣異質(zhì)結(jié)溝道，因此特 別適用于高壓、大功率和高溫應(yīng)用，是電力電子應(yīng)用最具潛力的晶體管之一。
[0003] 圖1為基于現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)GaN MIS-HFET結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括：襯底101，氮化 鎵（GaN)緩沖層102,氮化鎵（GaN)溝道層103,鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層104以及柵介質(zhì)層 105,鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層104上設(shè)置有源極106和漏極107,柵介質(zhì)層105上設(shè)置有柵極 108,其中源極105和漏極106均與鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層104形成歐姆接觸，柵極108與 柵介質(zhì)層105形成肖特基接觸。
[0004] 在微波應(yīng)用領(lǐng)域，對于現(xiàn)有技術(shù)的傳統(tǒng)GaN MIS-HFET，為了得到較大的直流跨導(dǎo)， 常選用高介電常數(shù)柵介質(zhì)，而高介電常數(shù)柵介質(zhì)又會引入大的柵電容&，反而對器件的電 流增益截止頻率造 fT成負(fù)面影響。為了提高電流增益截止頻率fT，最常用的辦法是縮短器 件的柵長?？s短柵長對工藝要求較高，同時(shí)，隨著柵長的縮短將會產(chǎn)生嚴(yán)重的短溝道效應(yīng)， 導(dǎo)致器件的亞閾值電流增大、輸出電流不飽和，最大直流跨導(dǎo)下降、閾值電壓漂移和頻率柵 長乘積下降等現(xiàn)象["Short-Channel Effect Limitations on High-Frequency Operation of AlGaN/GaN HEMTs for T-Gate Devices，'，IEEE Trans. Electron Devices, vol. 54, no. 10，pp. 2589-2597,0ct. 2007.]，反而對器件的電學(xué)性能造成了不利影響。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可提高器件頻率特性的具有復(fù)合柵介質(zhì) 層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種具有復(fù)合柵介質(zhì)層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶 體管，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，由下至上依次主要有襯底101，氮化鎵（GaN)緩沖層102,氮化鎵 (GaN)溝道層103以及鋁鎵氮（AlGaN)勢壘層104,在所述鋁鎵氮勢壘層104上表面的兩端 分別設(shè)有源極106、漏極107,所述源極106和漏極107均與所述鋁鎵氮勢壘層104成歐姆 接觸，其特征在于，在所述源極106與漏極107之間、并于鋁鎵氮勢壘層104上表面還設(shè)有 復(fù)合柵介質(zhì)層，在所述復(fù)合柵介質(zhì)層上表面形成與所述復(fù)合柵介質(zhì)層成肖特基接觸的柵極 108,所述復(fù)合柵介質(zhì)層由介電常數(shù)不同的高介電常數(shù)柵介質(zhì)層201與低介電常數(shù)柵介質(zhì) 層202橫向連接而成，所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層201所用材料的介電常數(shù)大于所述低介電 常數(shù)柵介質(zhì)層202所用材料的介電常數(shù)，所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層201與所述源極106鄰 接，所述低介電常數(shù)介質(zhì)層202與所述漏極107鄰接。
[0007] 所述的高介電常數(shù)柵介質(zhì)層201與低介電常數(shù)柵介質(zhì)層202的上表面均與所述柵 極108的下表面直接接觸。
[0008] 進(jìn)一步的，所述的高介電常數(shù)介質(zhì)層201與低介電常數(shù)介質(zhì)層202的交界面可與 所述柵極108的對稱面重合。
[0009] 所述的高介電常數(shù)柵介質(zhì)層201由Si02、Si3N 4、A1203、Hf02和Ti02組成的物質(zhì)中 選擇的一種物質(zhì)制成。
[0010] 所述的低介電常數(shù)柵介質(zhì)層202由Si02、Si3N 4、A1203、Hf02和Ti02組成的物質(zhì)中 選擇的一種物質(zhì)制成。
[0011] 所述的高介電常數(shù)柵介質(zhì)層201與低介電常數(shù)柵介質(zhì)層202的厚度相等均為Td， 且滿足 lnm < Td < 0· 5 μ m。
[0012] 本發(fā)明的有益效果是：
[0013] 本發(fā)明在GaN HEMT中生長由不同介電常數(shù)的兩層絕緣介質(zhì)橫向組成的復(fù)合柵介 質(zhì)層，使得柵下溝道在不同柵介質(zhì)層界面產(chǎn)生電場峰值，在電場峰值處存在電子漂移速度 的峰值，使電子在溝道整體的漂移速度增加，同時(shí)低介電常數(shù)柵介質(zhì)層使柵電容減小，使器 件的頻率特性提升；而不同柵介質(zhì)層界面產(chǎn)生的電場峰值使柵極漏邊沿的電場峰值減小， 能減小柵極漏邊沿電場集聚導(dǎo)致的熱電子效應(yīng)、電流崩塌效應(yīng)的影響。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)工藝簡 單，根據(jù)應(yīng)用需要，能在不犧牲器件的可靠性情況下提升器件的頻率特性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1是已有技術(shù)中常規(guī)GaN MIS-HFET的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015] 圖2是本發(fā)明提供的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的GaN MIS-HFET結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的GaN MIS-HFET與常規(guī)GaN MIS-HFET在柵極下方的橫向電場分布對比。
[0017] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的GaN MIS-HFET與常規(guī)GaN MIS-HFET在柵極下方的電子漂移速度對比。
[0018] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的GaN MIS-HFET與常規(guī)GaN MIS-HFET的轉(zhuǎn)移特性以及跨導(dǎo)-電壓特性對比。
[0019] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的GaN MIS-HFET與常規(guī)GaN MIS-HFET的電容-電壓特性對比。
[0020] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的GaN MIS-HFET與常規(guī)GaN MIS-HFET的頻率特性對比。
[0021] 圖中標(biāo)記對應(yīng)的零部件名稱為：
[0022] 101-襯底，102-氮化鎵（GaN)緩沖層，103-氮化鎵（GaN)溝道層，104-鋁鎵氮 (AlGaN)勢壘層，105-柵介質(zhì)層，106-源極，107漏極，108-柵極，201-高介電常數(shù)介質(zhì)層， 202-低介電常數(shù)介質(zhì)層。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì)說明。
[0024] 實(shí)施例
[0025] 最易于說明本發(fā)明提升頻率特性的意圖和優(yōu)點(diǎn)的例子是本發(fā)明提供的圖2所示 結(jié)構(gòu)的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的GaN MIS-HFET與常規(guī)結(jié)構(gòu)GaN MIS-HFET(圖1)的性能對比； 上述兩個(gè)器件的具體實(shí)例的結(jié)構(gòu)參數(shù)由表1給出。
[0026] 表1微波器件仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種具有復(fù)合柵介質(zhì)層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其結(jié)構(gòu)由下至上依次主要 有襯底（101)，氮化鎵緩沖層（102)，氮化鎵溝道層（103)以及鋁鎵氮勢壘層（104)，在所述 鋁鎵氮勢壘層（104)上表面的兩端分別設(shè)有源極（106)、漏極（107)，所述源極（106)和漏 極（107)均與所述鋁鎵氮勢壘層（104)成歐姆接觸，其特征在于，在所述源極（106)與漏極 (107) 之間、并于鋁鎵氮勢壘層（104)上表面還設(shè)有復(fù)合柵介質(zhì)層，在所述復(fù)合柵介質(zhì)層上 表面形成與所述復(fù)合柵介質(zhì)層成肖特基接觸的柵極（108)，所述復(fù)合柵介質(zhì)層由介電常數(shù) 不同的高介電常數(shù)柵介質(zhì)層（201)與低介電常數(shù)柵介質(zhì)層（202)橫向連接組成，所述高介 電常數(shù)柵介質(zhì)層（201)所用材料的介電常數(shù)大于所述低介電常數(shù)柵介質(zhì)層（202)所用材料 的介電常數(shù)，所述高介電常數(shù)柵介質(zhì)層（201)的另一側(cè)與所述源極（106)鄰接，所述低介電 常數(shù)介質(zhì)層（202)的另一側(cè)與所述漏極（107)鄰接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征 在于，所述的高介電常數(shù)柵介質(zhì)層（201)與低介電常數(shù)柵介質(zhì)層（202)的上表面均與所述 柵極（108)的下表面直接接觸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特 征在于，所述的高介電常數(shù)介質(zhì)層（201)與低介電常數(shù)介質(zhì)層（202)的交界面與所述柵極 (108) 的對稱面重合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征 在于，所述的高介電常數(shù)柵介質(zhì)層（201)由310 2、5"隊(duì)31203、!1?)2和1102組成的物質(zhì)中選 擇的一種物質(zhì)制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征 在于，所述的低介電常數(shù)柵介質(zhì)層（202)由510 2、5"隊(duì)31203、!1?)2和1102組成的物質(zhì)中選 擇的一種物質(zhì)制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有復(fù)合柵介質(zhì)層的氮化鎵基異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管，其特征 在于，所述的高介電常數(shù)柵介質(zhì)層（201)與低介電常數(shù)柵介質(zhì)層（202)的厚度相等均為T d， 且滿足 lnm < Td < 0· 5 μ m。
【文檔編號】H01L29/78GK104299999SQ201410534795
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月11日
【發(fā)明者】杜江鋒, 潘沛霖, 王康, 劉 東, 于奇 申請人:電子科技大學(xué)