CN117438458B - 一种氮化镓器件结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种氮化镓器件结构，包括氮化镓基片、源极区、栅极区以及漏极区，其中栅极区包含与所述氮化镓基片的一部分接触的栅极金属，该栅极金属通过电流传输结构与第一栅极金属电连接，该第一栅极金属与栅极金属在垂直方向上不重叠，所述第一栅极金属的方块电阻值R1低于所述栅极金属的方块电阻值R2。本发明在栅极金属与第一栅极金属之间通过电流传输结构进行电连接，电流可以通过电流传输结构均匀的导入到栅极金属的长度方向上多个位置，由于第一栅极金属电阻值较小的缘故，栅极金属的长度方向上多个位置的电位比较均匀，电位下降比较平均，从而提高整个栅极金属上的电位均匀性。

Description

一种氮化镓器件结构
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，具体涉及GaN高电子迁移率晶体管（highelectron mobility transistor；HEMT）的半导体器件，具体是适用于高频信号，用于改善器件的开关速度及信号损失。
背景技术
随着微电子技术的不断发展，以氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料具有更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和较高的电子饱和漂移速度等优点，因而成为微波/毫米波系统领域应用的理想材料。同时，由于氮化镓材料的临界电场强度是硅材料的11倍，氮化镓异质结结构的二维电子气的迁移率也比硅材料的迁移率高两倍左右，而氮化镓材料的Baliga优值要比硅材料高1400倍左右，因此氮化镓在电力电子器件领域也有非常大的潜力。
目前，氮化镓功率器件逐渐应用于高频大功率的电子系统中。更高的系统频率可以使逆变器线圈、电容小型化，从而可以显著降低系统整体的体积与成本，氮化镓高频特性带来优势的同时，也对器件的开关特性提出了更高的挑战。如图1和2所示，现有GaN晶体管结构中栅极电流是由栅极金属的前端41A流入，然后流过栅极金属41到达栅极金属的后端41B，由于栅极金属存在电阻，从栅极金属的前端41A到后端41B的电位会逐渐下降，导致栅极电极的电位均匀性不高，因此整个栅极电极下方的沟道开启时间会不同，越靠近栅极电极前端下方的沟道先开启，这样导致整个器件的开关速度会变慢。若在低频信号（输入信号）的时候是影响不大，若处于高频信号时，由于器件开启的延迟跟不上信号变化的速度，就会导致信号损失。
发明内容
本发明提供一种提高栅极金属电位均匀性的氮化镓器件结构，从而改善器件的开关速度及信号损失。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种氮化镓器件结构，包括：
氮化镓基片；
源极区，其形成于所述氮化镓基片中且包含与所述氮化镓基片的一部分接触的源极欧姆金属，该源极欧姆金属上形成有至少一层源极互连金属层；
漏极区，其形成于所述氮化镓基片中且包含与所述氮化镓基片的一部分接触的漏极欧姆金属，该漏极欧姆金属上形成有至少一层漏极互连金属层;其中源极互连金属层与漏极互连金属层的层数相同；以及
栅极区，其形成于所述氮化镓基片中用于分离所述源极区与漏极区，且包含与所述氮化镓基片的一部分接触的栅极金属，该栅极金属通过电流传输结构与第一栅极金属电连接，该第一栅极金属与栅极金属在垂直方向上不重叠，所述第一栅极金属的方块电阻值R1低于所述栅极金属的方块电阻值R2。
优选的，所述电流传输结构的一端与栅极金属电连接，电流传输结构的另一端与所述第一栅极金属之间通过垂直互连结构电连接。
优选的，所述电流传输结构的一端与栅极金属的栅极场板电连接，电流传输结构的另一端与第一栅极金属之间通过垂直互连结构电连接。
进一步地，所述电流传输结构包括多个平行布置的电流传输带，该多个电流传输带沿栅极金属(41)长度方向依次均匀布置。
进一步地，所述第一栅极金属的方块电阻值R1、栅极金属的方块电阻值R2，存在如下关系式：
。
由以上技术方案可知，本发明在栅极金属与第一栅极金属之间通过电流传输结构进行电连接，电流可以通过电流传输结构均匀的导入到栅极金属的长度方向上多个位置，由于第一栅极金属电阻值较小的缘故，栅极金属的长度方向上多个位置的电位比较均匀，电位下降比较平均，从而提高整个栅极金属上的电位均匀性。
附图说明
图1为现有技术氮化镓晶体管的俯视图；
图2为图1沿A-A的纵向剖视图；
图3 为本发明其中一个实施例的氮化镓晶体管的俯视图；
图4为图3沿A-A的纵向剖视图；
图5为本发明另一个实施例的氮化镓晶体管的俯视图；
图6为图5沿A-A的纵向剖视图；
图7为本发明电流流向示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。
本发明提供一种氮化镓器件结构，其包括氮化镓基片50，以及形成在氮化镓基片中或上的源极区20、漏极区30和栅极区40，其中栅极区40设置于源极区20与漏极区30之间，用于漏极区30与源极区20分离，源极区、漏极区和栅极区之间填充介质层。
氮化镓基片50包括衬底以及形成在衬底上的多层功能结构，该多层功能结构根据需要设置，可以但不限定于包括依次叠置的衬底、成核层、缓冲层、第一GaN层、第二GaN层和AlGaN势垒层。 还可以是包括依次叠置的成核层、缓冲层、第一插入层、第一GaN层、第二插入层、第二GaN层和AlGaN势垒层，其中成核层与衬底相连，其中衬底可以是蓝宝石、硅或氮化镓。
本发明，源极区20包括与氮化镓基片50的一部分接触的源极欧姆金属21，该源极欧姆金属21上形成有至少一层源极互连金属层。漏极区30包括与氮化镓基片50的一部分接触的漏极欧姆金属31，该漏极欧姆金属31上形成有至少一层漏极互连金属层。源极互连金属层和漏极互连金属层可以是一层金属、两层金属或者三层金属，且源极互连金属层与漏极互连金属层的层数相同。
如图2、4和6所示，源极区20包括与氮化镓基片50的一部分接触的源极欧姆金属21，该源极欧姆金属21上形成有第一源极金属22，第一源极金属22上还叠置形成有第二源极金属23，第一源极金属22和第二源极金属23构成了两层结构的源极互连金属层，其中第二源极金属23为顶层源极金属。漏极区30包括与氮化镓基片50的一部分接触的漏极欧姆金属31，该漏极欧姆金属上形成有第一漏极金属32，第一漏极金属32上还叠置形成有第二漏极金属33，第一漏极金属32和第二漏极金属33构成了两层结构的漏极互连金属层，其中第二漏极金属33为顶层漏极金属。
栅极区40包括与氮化镓基片的一部分接触的栅极堆叠结构，该栅极堆叠结构为耗尽型GaN-HEMT、凹槽栅增强型GaN-HEMT、离子注入增强型GaN-HEMT和p-GaN增强型GaN-HEMT中的任一种。
本发明其中一个实施例，栅极金属采用第一栅极金属43，栅极金属通过电流传输结构42与第一栅极金属43电连接，如图4所示。本发明另一个实施例，栅极金属采用第一栅极金属43和第二栅极金属45的两层结构，其中栅极金属通过电流传输结构42与第一栅极金属43电连接。
电流传输结构42的一端可以与栅极金属41直接电连接，也可以与栅极金属41的栅极场板电连接，电流传输结构42的另一端与第一栅极金属43之间通过垂直互连结构44电连接。第一栅极金属43和第二栅极金属45的两层结构之间也是采用垂直互连结构连接。垂直互连结构44优选为柱状结构。
由于第一栅极金属43的方块电阻值R1低于栅极金属41的方块电阻值R2，所以在进行电流导入时，第一栅极金属43的电位变化比栅极金属41的电位变化小，所以第一栅极金属43通过电流传输结构42导入栅极金属41的电流对于的电位损失较小，在导入栅极金属41时的电位能够基本保持一致，解决了电位均匀性的问题。
若只有第一栅极金属43时，电流导入位置为第一栅极金属43的任一端，电流先从第一栅极金属43的一端流入然后再通过垂直互连结构传输到电流传输结构42上，然后再传输到栅极金属41上；若第一栅极金属43和第二栅极金属45的两层结构时，电流导入位置为第二栅极金属45的任一端，电流依次在第二栅极金属45、第一栅极金属43和电流传输结构42上依次输送后，通过电流传输结构42传输到栅极金属41上。
本发明通过设置电流传输结构42来连接第一栅极金属43与栅极金属41，使得第一栅极金属43与栅极金属41在垂直方向上不重叠，来规避交连情况。
本发明中电流传输结构42与栅极金属长度方向的接触区域的分布是决定均匀性好坏的关键。由于晶圆厂金属线条宽度有个最小值设定，所以电流传输结构的数量是受限制的。本发明电流传输结构42数量可以是一个，只要这个电流传输结构具有足够大的接触区域就能实现电位的均匀性。电流传输结构42还可以为沿栅极金属41长度方向依次均匀布置的多个电流传输结构。电流传输结构42的形状优选为矩形结构，也可以采用其他形状如梯形，但等效面积与矩形是一致的。
第一栅极金属43的方块电阻值R1、栅极金属41的方块电阻值R2存在如下关系式：。
图7示出了采用四个矩形结构的电流传输结构42，下面结合图7具体实施例来说明本发明的工作原理：
在氮化镓器件结构由关闭到导通的过程中，当只采用第一栅极金属43时，电流从第一栅极金属的前端43A流入，沿着长度方向流过第一栅极金属43到达第一栅极金属的后端43B，由于第一栅极金属的电阻值较小，从第一栅极金属的前端43A到后端43B的电位下降较少，对应的图7中的点1、点2、点3和点4的电位基本相等，在第一栅极金属43上电流传导的过程中，电流会顺着一侧的电流传输结构42进入到栅极金属41的不同位置（点5、点6、点7和点8），由于电流传输结构42的方块电阻值与栅极金属41相同且长度远远小于栅极金属41的长度，因此电位在传输结构上的下降可以忽略，所以点5、点6、点7和点8的电位分别与点1、点2、点3和点4的电位相对应，使得在栅极金属41不同位置的初始电位基本相等，然后在向前后传导电流。这样的结构设置，使得栅极金属的电位均匀性非常高，整个栅极金属下方的沟道开启时间基本相同，这样导致整个器件的开关速度会得到提升，从而避免信号损失。
当采用第一栅极金属43和第二栅极金属45时，电流可以从第二栅极金属45先导入，通过垂直互连结构导入到第一栅极金属43上，然后再通过电流传输结构42进入到栅极金属41的不同位置。
以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种氮化镓器件结构，其特征在于，包括：
氮化镓基片(50)；
源极区(20)，其形成于所述氮化镓基片(50)中且包含与所述氮化镓基片的一部分接触的源极欧姆金属(21)，该源极欧姆金属上形成有至少一层源极互连金属层；
漏极区(30)，其形成于所述氮化镓基片中且包含与所述氮化镓基片的一部分接触的漏极欧姆金属(31)，该漏极欧姆金属上形成有至少一层漏极互连金属层;其中源极互连金属层与漏极互连金属层的层数相同；以及
栅极区(40)，其形成于所述氮化镓基片中用于分离所述源极区与漏极区，且包含与所述氮化镓基片的一部分接触的栅极金属(41)，该栅极金属通过电流传输结构(42)与第一栅极金属(43)电连接，该第一栅极金属与栅极金属在垂直方向上不重叠，所述第一栅极金属的方块电阻值R1低于所述栅极金属的方块电阻值R2；
所述电流传输结构(42)包括多个平行布置的电流传输带，该多个电流传输带沿栅极金属(41)长度方向依次均匀布置。
2.根据权利要求1所述的氮化镓器件结构，其特征在于，所述电流传输结构(42)的一端与栅极金属(41)电连接，电流传输结构(42)的另一端与所述第一栅极金属(43)之间通过垂直互连结构(44)电连接。
3.根据权利要求1所述的氮化镓器件结构，其特征在于，所述电流传输结构(42)的一端与栅极金属(41)的栅极场板电连接，电流传输结构(42)的另一端与第一栅极金属(43)之间通过垂直互连结构(44)电连接。
4.根据权利要求2或3所述的氮化镓器件结构，其特征在于，所述垂直互连结构(44)为柱状结构。
5.根据权利要求1所述的氮化镓器件结构，其特征在于，所述第一栅极金属(43)的方块电阻值R1、栅极金属(41)的方块电阻值R2，存在如下关系式：
。
6.根据权利要求1-3或5任一项所述的氮化镓器件结构，其特征在于，所述第一栅极金属(43)上还形成有第二栅极金属(45)。
7.根据权利要求1所述的氮化镓器件结构，其特征在于，所述源极互连金属层为单层，其包括形成在源极欧姆金属上的第一源极金属(22)，所述漏极互连金属层为单层，其包括形成在漏极欧姆金属上的第一漏极金属(32)。
8.根据权利要求7所述的氮化镓器件结构，其特征在于，所述第一源极金属(22)上还叠置形成有第二源极金属(23)，所述第一漏极金属(32)上还叠置形成有第二漏极金属(33)。
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