CN110600443B - 一种异构集成hemt器件结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种异构集成HEMT器件结构，该结构包含：一硅基半导体；一在硅基半导体上沉积的SiO2介质层；一在SiO2介质层上的腐蚀停止层；一在腐蚀停止层上生长的缓冲层；一在缓冲层上生长的沟道层；一在沟道层上的势垒层；一在势垒层上形成的高掺杂盖帽层，盖帽层的中间部位具有栅槽；一在势垒层上、盖帽层栅槽内形成的栅电极；在栅槽两侧、盖帽层上形成的源电极和漏电极；在腐蚀停止层上形成的接地电极；在SiO2介质层下方、硅半导体内形成的散热凹槽；在接地电极下方形成的背孔。本发明可以大幅度提高HEMT器件的散热效率，使HEMT器件更加高效的工作。其次，本发明可以提高背孔和散热凹槽的制备良率，使得异构集成HEMT器件制备技术更加高效。
Description
技术领域
本发明属于微电子领域，具体涉及一种异构集成HEMT器件结构。
背景技术
基于硅基CMOS技术的现代集成电路随着CMOS器件的特征尺寸的不断缩小，在集成度、功耗和器件特性方面不断进步。另一方面，化合物半导体器件与集成电路在超高速电路、微波电路、太赫兹电路、光电集成电路等领域获得长足发展。由于硅基半导体CMOS芯片与化合物半导体芯片很难在同一晶圆厂生产，无法实现工艺兼容，但是如果将两者有机结合进而突破集成电路设计领域存在的器件选型有限，各种不同材料器件不能混合集成的难题，必将实现集成电路设计、性能的大幅度提升。
HEMT(High Electron Mobility Transistor)，高电子迁移率晶体管，是一种异质结场效应晶体管，又称为调制掺杂场效应晶体管(MODFET)、二维电子气场效应晶体管(2-DEGFET)、选择掺杂异质结晶体管(SDHT)等。这种器件及其集成电路都能够工作于超高频(毫米波)、超高速领域，原因就在于它是利用具有很高迁移率的所谓二维电子气来工作的。
HEMT的基本结构就是一个调制掺杂异质结。高迁移率的二维电子气(2-DEG)存在于调制掺杂的异质结中，这种2-DEG不仅迁移率很高，而且在极低温度下也不“冻结”，则HEMT有很好的低温性能,可用于低温研究工作(如分数量子Hall效应)中。
HEMT是电压控制器件，栅极电压Vg可控制异质结势阱的深度，则可控制势阱中2-DEG的面密度，从而控制着器件的工作电流。对于GaAs体系的HEMT，通常其中的n-AlxGa1-xAs控制层应该是耗尽的(厚度一般为数百nm,掺杂浓度为107～108/cm3)。若n-AlxGa1-xAs层厚度较大、掺杂浓度又高，则在Vg＝0时就存在有2-DEG,为耗尽型器件，反之则为增强型器件(Vg＝0时Schottky耗尽层即延伸到i-GaAs层内部)；但该层如果厚度过大、掺杂浓度过高,则工作时就不能耗尽,而且还将出现与S-D并联的漏电电阻。总之，对于HEMT，主要是要控制好宽禁带半导体层——控制层的掺杂浓度和厚度，特别是厚度。
在考虑HEMT中的2-DEG面密度Ns时，通常只需要考虑异质结势阱中的两个二维子能带(i＝0和1)即可。2-DEG面电荷密度Ns将受到栅极电压Vg的控制。
现有中国发明专利CN109534278A公开了两种声学滤波器与高电子迁移率晶体管的异构集成结构及其制备方法，如图1所示，其中包括：201-衬底，202-AlN成核层，203-GaN缓冲层，204-AlGaN势垒层，205-栅极(G)金属，206-源极(S)金属，207-漏极(D)金属，208-SiO2牺牲层，209-金属底电极，210-压电薄膜，211-金属顶电极，212-底电极引出金属，213-BAW滤波器厚金，214-HEMT厚金，215-集成电路版，216-集成电路版引脚，217-金球(或锡球)。
然而，硅基材料上的HEMT器件面临一个重要问题，即散热困难。通过背孔和器件结构优化是实现化合物半导体器件散热问题的重要途径，必然可以提升异构集成HEMT器件的性能。
发明内容
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的目的在于提出一种异构集成HEMT器件结构，主要通过SiO2层、腐蚀停止层等结构的设置，实现背孔、散热凹槽的优化集成；同时散热凹槽、通孔都可以有效的传导沟道内产生的热量，实现HEMT器件的高效工作。
本发明提供一种异构集成HEMT器件结构，所述结构包括：
一硅基半导体；
一在所述硅基半导体上沉积的SiO2介质层；
一在所述SiO2介质层上的腐蚀停止层；
一在所述腐蚀停止层上生长的缓冲层；
一在所述缓冲层上生长的沟道层；
一在所述沟道层上的势垒层；
一在所述势垒层上形成的盖帽层，所述盖帽层的中间部位具有栅槽；
一在所述势垒层上、所述盖帽层的栅槽内形成的栅电极；
在所述栅槽两侧、盖帽层上形成的源电极和漏电极；
在所述腐蚀停止层上形成的接地电极；
在所述接地电极下方形成的背孔；
在所述SiO2介质层下方、硅半导体内形成的散热凹槽。
进一步地，所述SiO2介质层的厚度范围是30-300纳米。
进一步地，所述腐蚀停止层选自以下材料的一种或多种：InP、InGaP、InAlAs，厚度范围是30-50纳米。
进一步地，所述缓冲层选自以下材料的一种或多种：InGaP、InAlAs、AlGaAs，厚度范围是20-400纳米。
进一步地，所述沟道层选自以下材料的一种或多种：InGaAs、InAs、GaAs，厚度范围是20-100纳米。
进一步地，所述势垒层选自以下材料的一种或多种：InGaP、InAlAs、AlGaAs，厚度范围是100-400纳米。
进一步地，所述盖帽层选自以下材料的一种或多种：InGaAs、GaAs、InAs，厚度范围是50-500纳米，N型掺杂，掺杂浓度大于5×1018cm-3。
进一步地，所述接地电极的厚度大于2微米。
进一步地，所述接地电极下方的背孔是圆形的，直径大于20微米。
进一步地，所述散热凹槽形状是方形的，散热凹槽的边缘在源电极和漏电极的金属边缘内2微米。
本发明的优点在于：通过本方发明的实施，可以得到如下的益处：首先，本发明采用散热凹槽和背孔两种结构散热，可以大幅度提高HEMT器件的散热效率，使HEMT器件更加高效的工作。其次，本发明的SiO2介质层和腐蚀停止层的结构设置可以提高背孔和散热凹槽的制备良率，只要优化腐蚀和刻蚀条件，使得异构集成HEMT器件制备技术更加高效。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1示出了现有技术中异构集成HEMT器件结构示意图。
附图2示出了根据本发明实施方式的一种异构集成HEMT器件结构示意图。
附图3示出了根据本发明实施方式的散热凹槽宽度示意图。
附图标记：101：硅衬底；102：SiO2介质层；103：腐蚀停止层；104：缓冲层；105：沟道层；106：势垒层；107：盖帽层；108：栅电极；109：漏电极；110：源电极；111：接地电极；11A：背孔；11B：散热凹槽。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本实施例提供一种异构集成HEMT器件结构，如图2所示，该结构包含：
一硅基半导体(101)上沉积SiO2介质层(102)；
一在SiO2介质层(102)上的腐蚀停止层(103)；
一在腐蚀停止层(103)上生长的缓冲层(104)；
一在缓冲层(104)上生长的沟道层(105)；
一在沟道层(105)上的势垒层(106)；
一在势垒层(106)上形成的高掺杂盖帽层(107)，盖帽层的中间部位具有栅槽；
一在势垒层(106)上、盖帽层(107)栅槽内形成的栅电极(108)；
在栅槽两侧、盖帽层(107)上形成的漏电极(109)和源电极(110)；
在腐蚀停止层(103)上形成的接地电极(111)；
在接地电极(111)下方形成的背孔(10A)；
在SiO2介质层(102)下方、硅基半导体(101)内形成的散热凹槽(10B)。
上述的一种异构集成HEMT器件结构，SiO2介质层(102)的厚度范围是30-300纳米。
上述的一种异构集成HEMT器件结构，腐蚀停止层(103)可以是InP、InGaP、InAlAs等，厚度范围是30-50纳米。
上述的一种异构集成HEMT器件结构，缓冲层(104)可以是InGaP、InAlAs、AlGaAs等，厚度范围是20-400纳米。
上述的一种异构集成HEMT器件结构，沟道层(105)可以是InGaAs、InAs、GaAs等，厚度范围是20-100纳米。
上述的一种异构集成HEMT器件结构，势垒层(106)可以是InGaP、InAlAs、AlGaAs等，厚度范围是100-400纳米。
上述的一种异构集成HEMT器件结构，盖帽层(107)可以是InGaAs、GaAs、InAs等，厚度范围是50-500纳米，N型掺杂，掺杂浓度大于5×1018cm-3。
上述的一种异构集成HEMT器件结构，接地电极(111)制作在腐蚀停止层(103)上，厚度大于2微米。
上述的一种异构集成HEMT器件结构，接地电极下方的背孔(10A)是圆形的，直径大于20微米。
上述的一种异构集成HEMT器件结构，栅槽下方、硅基半导体上形成的散热凹槽(10B)的形状是方形的，大小与HEMT器件大小匹配，从水平方向上的宽度来看，散热凹槽的边缘在源电极和漏电极的金属边缘内2微米，如图3所示，即距离C、D小于2微米。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种异构集成HEMT器件结构，其特征在于，所述结构包括：
一硅基半导体；
一在所述硅基半导体上沉积的SiO2介质层；
一在所述SiO2介质层上的腐蚀停止层；
一在所述腐蚀停止层上生长的缓冲层；
一在所述缓冲层上生长的沟道层；
一在所述沟道层上的势垒层；
一在所述势垒层上形成的盖帽层，所述盖帽层的中间部位具有栅槽；
一在所述势垒层上、所述盖帽层的栅槽内形成的栅电极；
在所述栅槽两侧、盖帽层上形成的源电极和漏电极；
在所述腐蚀停止层上形成的接地电极；
在所述接地电极下方形成的背孔；
在所述SiO2介质层下方、硅半导体内形成的散热凹槽。
2.根据权利要求1所述的一种异构集成HEMT器件结构，其特征在于，所述SiO2介质层的厚度范围是30-300纳米。
3.根据权利要求1所述的一种异构集成HEMT器件结构，其特征在于，所述腐蚀停止层选自以下材料的一种或多种：InP、InGaP、InAlAs，厚度范围是30-50纳米。
4.根据权利要求1所述的一种异构集成HEMT器件结构，其特征在于，所述缓冲层选自以下材料的一种或多种：InGaP、InAlAs、AlGaAs，厚度范围是20-400纳米。
5.根据权利要求1所述的一种异构集成HEMT器件结构，其特征在于，所述沟道层选自以下材料的一种或多种：InGaAs、InAs、GaAs，厚度范围是20-100纳米。
6.根据权利要求1所述的一种异构集成HEMT器件结构，其特征在于，所述势垒层选自以下材料的一种或多种：InGaP、InAlAs、AlGaAs，厚度范围是100-400纳米。
7.根据权利要求1所述的一种异构集成HEMT器件结构，其特征在于，所述盖帽层选自以下材料的一种或多种：InGaAs、GaAs、InAs，厚度范围是50-500纳米，N型掺杂，掺杂浓度大于5×1018cm-3。
8.根据权利要求1所述的一种异构集成HEMT器件结构，其特征在于，所述接地电极的厚度大于2微米。
9.根据权利要求1所述的一种异构集成HEMT器件结构，其特征在于，所述接地电极下方的背孔是圆形的，直径大于20微米。
10.根据权利要求1所述的一种异构集成HEMT器件结构，其特征在于，所述散热凹槽是方形的，散热凹槽的边缘在源电极和漏电极的金属边缘内2微米。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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