CN104916706A - 一种具有宽沟道深凹陷的金属半导体场效应管 - Google Patents
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Abstract
本发明属于场效应晶体管技术领域，特别是公开了一种具有宽沟道深凹陷的金属半导体场效应管；旨在提供能够提高输出电流和击穿电压，改善频率特性的一种具有宽沟道深凹陷的金属半导体场效应管；采用的技术方案为：自上而下设置有4H-SiC半绝缘衬底、P型缓冲层、N型沟道层，N型沟道层的两侧分别设置有源极帽层和漏极帽层，N型沟道层中部且靠近源极帽层的一侧设置有栅电极，栅电极在N型沟道两侧形成左侧沟道凹陷区和右侧沟道凹陷区，左侧沟道凹陷区和右侧沟道凹陷区的深度为0.15-0.25μm，左侧沟道的宽度为0.5μm，右侧沟道的宽度为1μm，沟道表面和栅电极之间形成高栅区域。
Description
技术领域：
本发明属于场效应晶体管技术领域，特别是涉及一种具有宽沟道深凹陷的金属半导体场效应管。
背景技术：
SiC材料具有宽带隙、高击穿电场、高的饱和电子迁移速度、高热导率等突出的材料和电学特性，使其在高频高功率器件应用中，尤其是高温、高压、航天、卫星等严苛环境下的高频高功率器件应用中具有很大的潜力。在SiC同质异形体中，六角密堆积的纤锌矿结构的4H-SiC的电子迁移率是6H-SiC的近三倍，因此4H-SiC材料在高频高功率器件，尤其是金属半导体场效应晶体管(MESFET)应用中占有主要地位。
目前，大多数文献致力于双凹陷4H-SiC MESFET结构的研究及在此结构的基础上进行改进。该结构从下至上由4H-SiC半绝缘衬底、P型缓冲层、N型沟道层和N+帽层堆叠而成，以该堆叠层为基础，刻蚀N+帽层后形成凹陷的N型沟道层，栅的源侧一半长度向N型沟道层内凹陷形成凹栅结构，凹陷的N型沟道层可通过反应离子刻蚀RIE技术完成。
虽然上述双凹陷结构4H-SiC MESFET的击穿电压因栅的源侧一半长度向N型沟道层内凹陷而增加，但饱和漏电流却没有得到实质性提升。并且在实际情况下，反应离子刻蚀RIE的过程会在器件漂移区表面形成晶格损伤，导致N型沟道层中载流子有效迁移率下降，进而降低漏极电流，在电流输出特性上表现为饱和电流的退化。
发明内容：
本发明克服现有技术存在的不足，解决了现有技术存在的问题，旨在提供一种具有宽沟道深凹陷且能够提高输出电流和击穿电压，改善频率特性的一种具有宽沟道深凹陷的金属半导体场效应管。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种具有宽沟道深凹陷的金属半导体场效应管，自上而下设置有4H-SiC半绝缘衬底、P型缓冲层、N型沟道层，N型沟道层的两侧分别设置有源极帽层和漏极帽层，所述源极帽层和漏极帽层的表面分别设置有源电极和漏电极，N型沟道层中部且靠近源极帽层的一侧设置有栅电极，栅电极在N型沟道层两侧形成左侧沟道凹陷区和右侧沟道凹陷区，所述左侧沟道凹陷区和右侧沟道凹陷区的深度为0.15-0.25μm，左侧沟道的宽度为0.5μm，右侧沟道的宽度为1μm，所述沟道表面和栅电极之间形成高栅区域。
优选的是，所述N型沟道层的沟道深度为0.4-0.5μm，N型沟道层的左侧沟道凹陷区和右侧沟道凹陷区的深度为0.15-0.25μm。
优选的是，所述左侧沟道凹陷区的宽度为0.5μm，右侧沟道凹陷区的宽度为1μm。
优选的是，所述高栅区域的宽度为0.35μm，高度为0.15μm-0.25μm。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
第一，漏极电流提高。4H-SiC MESFE器件最大输出功率密度正比于漏极饱和电流、击穿电压以及膝点电压。通过引入高栅区域，使高栅下方沟道厚度增大，耗尽区在沟道减少，流过源漏区的沟道总电荷会增加，并且栅下的沟道厚度对漏极电流有着重要的影响，所以该器件的饱和漏电流得到大幅度提高。
第二，击穿电压提高。MESFET器件的击穿发生在高栅的漏侧边缘，而通过引入高栅区域，使低栅的漏侧边缘电场强度急速增加，甚至超过高栅的漏侧边缘，成为新的电压击穿点，其调整了沟道表面的电场分布，使击穿电压提高。
第三，频率特性改善。通过引入高栅区域，阻止耗尽区向源区/漏区扩展，使栅下的耗尽区变小，从而使栅源、栅漏电容减少。减小的栅源电容改善了MESFET器件的频率特性。
附图说明：
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：1为4H-SiC半绝缘衬底，2为P型缓冲层，3为N型沟道层，4为源极帽层，5为漏极帽层，6为源电极，7为漏电极，8为左侧沟道凹陷区，9为右侧沟道凹陷区，10为高栅区域，11为栅电极。
具体实施方式：
如图1所示，一种具有宽沟道深凹陷的金属半导体场效应管，自上而下设置有4H-SiC半绝缘衬底1、P型缓冲层2、N型沟道层3，N型沟道层3的两侧分别设置有源极帽层4和漏极帽层5，所述源极帽层4和漏极帽层5的表面分别设置有源电极6和漏电极7，N型沟道层3中部且靠近源极帽层4的一侧设置有栅电极11，栅电极11在N型沟道层3两侧形成左侧沟道凹陷区8和右侧沟道凹陷区9，所述左侧沟道凹陷区8和右侧沟道凹陷区9的深度为0.15-0.25μm，左侧沟道凹陷区8的宽度为0.5μm，右侧沟道凹陷区9的宽度为1μm，所述沟道表面和栅电极11之间形成高栅区域10。
优选的是，所述N型沟道层的沟道深度为0.4-0.5μm，N型沟道层的左侧沟道凹陷区和右侧沟道凹陷区的深度为0.15-0.25μm。
优选的是，所述左侧沟道凹陷区的宽度为0.5μm，右侧沟道凹陷区的宽度为1μm。
优选的是，所述高栅区域10的宽度为0.35μm，高度为0.15μm-0.25μm。
本发明通过引入高栅区域10，使高栅下方沟道厚度增大，耗尽区在沟道减少，流过源漏区的沟道总电荷会增加，并且栅下的沟道厚度对漏极电流有着重要的影响，所以该器件的饱和漏电流得到大幅度提高。而通过引入高栅区域10，使低栅的漏侧边缘电场强度急速增加，甚至超过高栅的漏侧边缘，成为新的电压击穿点，其调整了沟道表面的电场分布，使击穿电压提高。另外通过引入高栅区域10，阻止耗尽区向源区/漏区扩展，使栅下的耗尽区变小，从而使栅源、栅漏电容减少。减小的栅源电容改善了MESFET器件的频率特性。
上面实施方案对本发明的结构作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方案，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种具有宽沟道深凹陷的金属半导体场效应管，自上而下设置有4H-SiC半绝缘衬底(1)、P型缓冲层(2)、N型沟道层(3)，N型沟道层(3)的两侧分别设置有源极帽层(4)和漏极帽层(5)，所述源极帽层(4)和漏极帽层(5)的表面分别设置有源电极(6)和漏电极(7)，N型沟道层(3)中部且靠近源极帽层(4)的一侧设置有栅电极(11)，其特征在于：栅电极(11)在N型沟道层(3)两侧形成左侧沟道凹陷区(8)和右侧沟道凹陷区(9)，所述沟道表面和栅电极(11)之间形成高栅区域(10)。
2.根据权利要求1所述的一种具有宽沟道深凹陷的金属半导体场效应管，其特征在于：所述N型沟道层(3)的沟道的深度为0.4-0.5μm，N型沟道层(3)的左侧沟道凹陷区(8)和右侧沟道凹陷区(9)的深度为0.15-0.25μm。
3.根据权利要求2所述的一种具有宽沟道深凹陷的金属半导体场效应管，其特征在于：所述左侧沟道凹陷区(8)的宽度为0.5μm，右侧沟道凹陷区(9)的宽度为1μm。
4.根据权利要求3所述的一种具有宽沟道深凹陷的金属半导体场效应管，其特征在于：所述高栅区域(10)的宽度为0.35μm，高度为0.15μm-0.25μm。
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