CN100568529C

CN100568529C - 三维槽栅金属半导体场效应晶体管

Info

Publication number: CN100568529C
Application number: CNB2007100487328A
Authority: CN
Inventors: 张波; 张金平; 邓小川; 陈壮梁; 叶毅; 罗小蓉; 李肇基
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: CN101022127A

Abstract

本发明提出一种三维槽栅金属半导体场效应晶体管结构，即在源漏区之间有源层中开出一个或多个沟槽，栅电极连续地覆盖于沟槽中。沟槽形状可根据实际需要改变，可以是方形、V形、梯形以及阶梯形等结构。与传统MESFET结构相比，三维槽栅MESFET结构由于栅凹槽的存在，使其在相同器件表面积的情况下大大地增加了栅宽，因此增大了器件的饱和电流和击穿电压，从而显著提高了器件的功率密度。

Description

三维槽栅金属半导体场效应晶体管

技术领域

本发明涉及一种金属半导体场效应晶体管(Metal-Semiconductor-Field-Effect-Transistor，MESFET)，并特别涉及高频、大功率器件领域的类器件。

背景技术

近年来，随着微电子技术的迅猛发展，以及航空航天、电子对抗和雷达通讯等相关领域的迫切需求，发展新型高频、大功率半导体器件越来越多的受到人们关注。双极性晶体管(Bipolar-Junction-Transistor，BJT)和功率金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)已经被广泛应用在高功率用途上。但是BJT是少子器件，限制了其高频应用范围；MOSFET与MESFET相比，其栅极电容较大，并且制造工艺复杂。而制造工艺简单的MESFET由于其肖特基(Schottky)栅极结构，使其能更好地应用在高频领域。

高频MESFETs主要采用III-V族化合物半导体材料，如砷化镓(GaAs)，但其相对较低的临界击穿电场和热导率限制了它们在大功率领域的应用。SiC材料与Si、GaAs等材料相比，具有高的禁带宽度、高的饱和电子漂移速度、高的临界击穿电场以及高的热导率，使其成为在高频、高温和大功率应用场合下极为理想的半导体材料。基于SiC半导体材料的MESFETs，由于结构及制造工艺相对简单，成为目前国内外研究的热点之一。

为了提高SiC MESFETs的输出功率密度，需要提高器件的饱和电流和击穿电压。学者们提出了一系列的MESFETs结构：凹栅(gate recess)结构；埋栅(buried gate)结构；双凹(double recessed)结构等。其中性能最好的双凹结构与常规结构相比，输出功率密度增加了37.5％，如文献C.L.Zhu，Rusli，et al.“Improvedperformance of SiC MESFETs using double-recessed structure”.Microelectronic Engineering 83(2006)PP：92-95中所述。

为了获得大的沟道电流，对于传统的MESFETs结构需要增加器件沟道掺杂浓度与沟道厚度的乘积。然而，沟道掺杂浓度或沟道厚度的增加会降低击穿电压，同时沟道厚度的增加使短沟道效应增加。为了克服传统的MESFETs结构的缺点，本发明提出三维槽栅MESFETs结构。通过在栅宽方向上形成槽栅结构，就在不增大器件表面积的情况下增加了有效栅宽，并且随着沟槽的增多和加厚，栅宽也随之增加。当前的集成电路工艺技术能比较容易在衬底上刻蚀出光滑、垂直的沟槽，因此本发明提出的三维槽栅结构的MESFET比较容易实现。

发明内容

本发明旨在针对上述技术现状提供一种应用于高频、大功率器件领域的三维槽栅金属半导体场效应晶体管，本发明在传统MESFET结构基础上(如图1)，通过在栅宽方向上形成槽栅结构，在不增大器件表面积的情况下，随着沟槽增多和加厚，增加了有效沟道厚度，从而显著提高器件饱和电流和击穿电压。

为实现本发明目的，采用的技术方案如下：

应用于高频、大功率器件的三维槽栅金属半导体场效应晶体管，包括衬底层、有源层、帽层、源电极、漏电极和栅极，其特征在于：有源层延栅宽方向开设有一个或者多个沟槽，栅极沿栅宽方向生长并覆盖于沟槽沿栅宽方向的沟槽壁表面之上，所述多个沟槽沿栅宽方向的宽度协调对准。

本发明三维槽栅金属半导体场效应晶体管，其衬底层为SiC或Si、GaAs GaN等其他材料。

所述沟槽为垂直形、V形、梯形、阶梯形等结构，覆盖于沟槽壁的栅电极与沟槽形状匹配。

本发明的有益效果表现在：

三维槽栅金属半导体场效应晶体管是在Z方向挖凹槽来形成槽栅，通过增加有效沟道厚度，从而显著提高器件饱和电流和击穿电压。

由图11和图12可知，与传统结构相比，三维槽栅结构具有更大饱和电流和更高击穿电压，因而具有更高输出功率密度。

附图说明

图1是传统MESFET结构的三维示意图。

其中，18为衬底层；17为缓冲层；16为有源层；14和15为帽层；12是源电极；13是漏电极；11为栅电极，有源层上无沟槽。

图2是三维槽栅MESFET结构的三维示意图。

其中，11为栅电极，21为在有源层开出的3个沟槽。栅电极11沿Z方向覆盖于沟槽中和边壁处。

图1、图2中X、Y、Z方向的标识适用于本专利其后所有图文表述。

图3忽略对源漏等其他区域的描述，重点展示覆盖3个或多个沟槽的栅极示意图。

图4为对任一沟槽的俯视图。“任一”意为此图的沟槽可为图2描述的沟槽21任意一个。

其中，16为有源层，11为栅电极，方向标识如图。1A、2B为沿标识的剖面方向。

图5a为任一沟槽沿X方向的剖面图(即图4所示沿1A方向的剖视图)。

其中，16为有源层，11为栅电极。

图5b为图4所示沿2B方向的剖面图。

图6为任一沟槽的侧视图。此图假设沟槽为21。D表示沟槽的深度，W表示沟槽的宽度，L表示沟槽的长度。方向标识如图所示。

图7为方形沟槽剖面图，如图2，沟槽21为垂直结构。

图8为V形沟槽剖面图。16为有源层，21为V形沟槽

图9为梯形沟槽剖面图。16为有源层，21为梯形沟槽。

图10为阶梯沟槽剖面图。16为有源层，21为阶梯沟槽，11为覆盖于阶梯沟槽21的栅电极。

图11和图12对比了两种结构(即三维槽栅结构与传统MESFET结构)的直流I-V特性和击穿特性。在图11中，空心符号表示三维槽栅结构，实心符号表示常规结构。在图12中，▲代表三维槽栅结构的饱和电流，●代表传统结构的漏极电流；△代表三维槽栅结构的栅极电流，○代表传统结构的栅极电流。

具体实施方式

三维槽栅MESFET结构，图2为本发明所提出结构的三维图。它包括：SiC衬底层18；p(或者n)型缓冲层17；n(或者p)型有源层16；n(或者p)型帽层14和15；以及源电极12和漏电极13。与传统MESFET结构相比，其特征是，在有源层上沿Z方向16开出3个(或多个)沟槽21，栅极11沿Z方向覆盖于沟槽中。

三维槽栅MESFET结构，图4和图5为单个沟槽结构示意图，其特征是栅极11与沟槽侧壁和沟槽底形成良好且连续的接触。

三维槽栅MESFET结构(图3)与传统MESFET相比，器件栅宽增加n×2D＝6D(图6)n为沟槽个数。图3中提供平行延伸的一个或者多个沟槽，以及各沟槽栅极沿Z方向的宽度协调对准。

三维槽栅MESFET结构(图5b)，在有源层16每增加一个沟槽，栅宽可以增加2D(图6)。另外，对于每个沟槽的长度L，宽度W和深度D以及沟槽个数，可以根据设计需要而改变。同时，沟槽之间可以等间距，也可以不等间距。

三维槽栅MESFET结构，如图8、图9、图10所示，其沟槽也可以不同于上述方形结构(垂直结构剖面如图4和图7)。分别地，如图7，沟槽21为侧壁竖直的沟槽，覆盖于垂直沟槽21的栅电极呈“凹”状；如图8，沟槽24为V形沟槽，覆盖于V形沟槽21的栅电极也呈V形；如图9，沟槽21为梯形沟槽，覆盖于梯形沟槽21的栅电极也呈梯形；如图10，沟槽21为阶梯形沟槽，覆盖于阶梯沟槽21的栅电极也呈阶梯形，其中16为有源层，41为阶梯栅电极。

上述之沟槽21分别代表V形、梯形、阶梯形结构沟槽，其位置可开于图2、图3所示之不同沟槽处。所开多个沟槽可以为相同结构，也可以为不同结构组合。三维槽栅MESFET结构，半导体材料为SiC，也可以根据实际需要采用硅(Si)，砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)等其他材料。

三维槽栅MESFET结构，其栅电极11为金属钛，也可以根据实际需要采用镍、铂等其他材料。

三维槽栅MESFET是在Z方向挖凹槽来形成槽栅，通过增加有效栅宽，从而显著提高了器件的饱和电流和击穿电压。由图11和图12可知，与传统结构相比，三维槽栅结构具有更大的饱和电流和更高的击穿电压，因而具有更大的理论输出功率。

为实现本发明目的，所述沟槽还可以有多种变形，比如可以为波浪形、圆弧形等变异形状。总之，只要能使栅极的栅宽增长的所有凹槽结构均在本发明保护范围之内。

Claims

1、应用于高频、大功率器件的三维槽栅金属半导体场效应晶体管，包括衬底层、有源层、帽层、源电极、漏电极和栅极，其特征在于：有源层延栅宽方向开设有一个或者多个沟槽，栅极沿栅宽方向生长并覆盖于沟槽沿栅宽方向的沟槽壁表面之上，所述多个沟槽沿栅宽方向的宽度协调对准。

2、根据权利要求1所述的应用于高频、大功率器件的三维槽栅金属半导体场效应晶体管，其特征在于：覆盖于沟槽壁的栅电极与沟槽形状匹配。

3、根据权利要求1或2所述的应用于高频、大功率器件的三维槽栅金属半导体场效应晶体管，其特征在于：所述沟槽为垂直形结构。

4、根据权利要求1或2所述的应用于高频、大功率器件的三维槽栅金属半导体场效应晶体管，其特征在于：所述沟槽为V形结构。

5、根据权利要求1或2所述的应用于高频、大功率器件的三维槽栅金属半导体场效应晶体管，其特征在于：所述沟槽为梯形结构。

6、根据权利要求1或2所述的应用于高频、大功率器件的三维槽栅金属半导体场效应晶体管，其特征在于：所述沟槽为阶梯形结构。

7、根据权利要求1或2所述的应用于高频、大功率器件的三维槽栅金属半导体场效应晶体管，其特征在于：衬底层材料为SiC、Si、GaAs或GaN。