CN215403077U - 一种氮化物hemt器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氮化物HEMT器件，包含从下至上依次层叠设置的衬底、缓冲层、沟道层、势垒层，所述沟道层与势垒层构成异质结；还包括相对设置在势垒层上方有源区处的源极和漏极，以及栅极，所述栅极包括设置于有源区处的源极与漏极之间栅极区域处的梳齿栅极结构；所述梳齿栅极结构包含梳柄部和至少两个或两个以上的梳齿部，所述梳齿部与梳柄部相连，梳齿部间隔设置；所述梳柄部设置于势垒层上并与源极或漏极平行；沿着栅宽方向若干相邻梳齿部之间的间距逐渐变宽或逐渐变窄分布；所述梳齿部贯穿势垒层并深入沟道层中，该氮化物HEMT器件可以实现在不同栅极区域具有不同的关断电压，从而提高器件线性度。

Description

一种氮化物HEMT器件

技术领域

本实用新型涉及半导体射频器件领域，特别涉及一种氮化物HEMT器件。

背景技术

5G通信技术是最新一代蜂窝移动通信技术，是4G(LTE-A、WiMax)、3G(UMTS、LTE)和2G(GSM)系统后的延伸。5G通信技术将广泛用于智慧家庭、远程医疗、远程教育、工业制造和物联网领域，具体包括千兆级移动宽带数据接入、3D视频、高清视频、云服务、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)、工业制造自动化、紧急救援、自动驾驶、现代物流等典型业务应用。其中，高清视频、AR、VR、远程医疗、工业制造自动化、现代物流管理等主要发生在建筑物室内场景。

GaN材料的研究与应用是目前全球半导体研究的前沿和热点，是研制微电子器件、光电子器件的新型半导体材料，并与SIC、金刚石等半导体材料一起，被誉为是继第一代Ge、Si 半导体材料、第二代GaAs、InP化合物半导体材料之后的第三代半导体材料。氮化镓(GaN)具有宽禁带宽度，高击穿电场，高热导率，高电子饱和速率以及更高的抗辐射能力等优点，在高温、高频和微波大功率半导体器件中有着十分广阔的应用前景。低欧姆接触电阻对于输出功率，高效率，高频和噪声性能起到至关重要的作用。近年来，GaN凭借高频下更高的功率输出和更小的占位面积，被射频行业大量应用。

GaN射频器件在应用中，GaN HEMT器件为横向平面器件，如附图1所示，GaN HEMT器件的跨导(gm)随栅电压(Vgs)变化曲线，随着栅极输入电压增加，跨导gm下降，对应增益降低；跨导gm是指输出端电流的变化值与输入端电压的变化值之间的比值其PA的非线性导致显著的带边泄漏、输出功率过早饱和、信号失真等，影响系统的特性及增加了系统设计的复杂度。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术问题，本实用新型的技术方案如下：一种氮化物 HEMT器件，包含从下至上依次层叠设置的衬底(1)、缓冲层(2)、沟道层(3)、势垒层(4)，所述沟道层(3)与势垒层(4)构成异质结；还包括相对设置在势垒层(4)上方有源区处(100) 的源极(5)和漏极(6)，以及栅极(7)，所述栅极(7)包括设置于有源区处(100)的源极(5)与漏极(6)之间栅极区域处的梳齿栅极结构；所述梳齿栅极结构包含梳柄部(71)和至少两个或两个以上的梳齿部(72)，所述梳齿部(72)与梳柄部(71)相连，梳齿部(72) 间隔设置；所述梳柄部(71)设置于势垒层(4)上并与源极(5)或漏极(6)平行；沿着栅宽方向若干相邻梳齿部之间的间距逐渐变宽或逐渐变窄分布；所述梳齿部(72)贯穿势垒层 (4)并深入沟道层(3)中。

进一步的，所述梳齿部(72)的横向截面在栅长方向的尺寸小于栅极区域在栅长方向的尺寸，所述梳齿部(72)的横向截面在栅宽方向(y)的尺寸的取值范围为20nm～1000nm。

进一步的，所述梳齿部(72)的横向截面包含圆形、椭圆形、跑道型、多边形中的任意一种。

进一步的，所述势垒层(4)的厚度取值范围为3nm-50nm，所述沟道层(3)的厚度取值范围为5nm-1000nm。

进一步的，所述氮化物HEMT器件为氮化镓基HEMT器件。

进一步的，所述栅极(7)沿着栅长方向对称设置，梳齿部(72)沿着栅长方向对称设置。

进一步的，沿着栅长方向的剖视图看，相邻梳齿部中间的梳柄部的横截面为T型状。

进一步的，相邻梳齿部中间的梳柄部处的栅极包括栅帽和第一栅足，该第一栅足的底部位于势垒层(4)的表面上。

进一步的，所述梳齿部(72)深入沟道层的深度范围为1nm～200nm。

进一步的，沿着栅长方向的剖视图看，梳齿部(72)的横截面为T型状，该处栅极包括栅帽和第二栅足，该第二栅足的底部位于沟道层(3)中。

与现有技术相比，本实用新型的氮化物HEMT器件具备如下有益效果：

本实施例的HEMT射频器件的通过半导体制造工艺，实现同一器件的栅极区域下方形成相同凹槽深度，沿着栅宽方向相邻凹槽的间距逐渐变宽分布，形成设置于有源区处的源极与漏极之间的梳齿栅极结构；所述梳齿栅极结构包含梳柄部和至少两个或两个以上的梳齿部，梳齿部间隔设置，相邻梳齿部沿着栅宽方向相邻梳齿部之间的间距逐渐变宽分布，第i梳齿部至第i+1梳齿部之间为一区域的栅极，第j梳齿部至第j+1梳齿部之间为另一区域的栅极 (其中i≠j)，形成了不同区域栅极具有不同关断电压，从而实现跨导gm呈现平整形貌，提高HEMT射频器件的线性度，控制关断电压，提高器件线性度。

附图说明

图1为现有GaN HEMT器件的跨导随栅电压变化曲线图；

图2为本实用新型的实施例一中氮化物HEMT器件的示意图一；

图3为本实用新型的实施例一中氮化物HEMT器件的示意图一的B1方向的剖面示意图；

图4为本实用新型的实施例一中氮化物HEMT器件的示意图一的A1方向的剖面示意图；

图5为本实用新型的实施例一中氮化物HEMT器件的示意图一的A2方向的剖面示意图；

图6为本实用新型的实施例二中氮化物HEMT器件的示意图；

图7为本实用新型的实施例二中氮化物HEMT器件的示意图一的A3处的剖面示意图；

图8为本实用新型的实施例二中氮化物HEMT器件的示意图一的A4处的剖面示意图；

图9为本实用新型的实施例二中氮化物HEMT器件的示意图一的B2处的剖面示意图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

参考附图2-3，本实用新型的氮化物HEMT器件，包含从下至上依次层叠设置的衬底1、缓冲层2、沟道层3、势垒层4，所述沟道层与势垒层构成异质结；还包括相对设置在势垒层上方有源区处的源极5和漏极6，以及栅极7，所述栅极包括设置于有源区处100的源极5与漏极6之间栅极区域处的梳齿栅极结构；所述梳齿栅极结构包含梳柄部71和至少两个或两个以上的梳齿部72，梳齿部间隔设置，所述梳齿部与梳柄部相连；所述梳柄部71设置于势垒层上并与源极或漏极平行，所述梳齿部贯穿势垒层并深入沟道层中；若干梳齿部72沿着栅宽方向相邻梳齿部之间的间距逐渐变宽分布；如附图3，B1方向的剖面示意图，所述若干梳齿部72沿着栅长方向对称设置。所述梳齿部72的截面界面为矩形(如附图2位于的栅极7的虚线72)，所述梳齿部72的横向截面在栅长方向的尺寸x小于栅极区域在栅长方向的尺寸 x0，即x＜x0，x/x0的取值范围0.6-0.9。需要说明的是，本实用新型所述梳齿部72的截面界面为矩形，为优选实施例，可以为包含圆形、椭圆形、矩形、方形、跑道型、多边形等形状。所述梳齿部深入沟道层的深度范围为1nm-200nm。

本实用新型的氮化物HEMT器件中，沟道层和势垒层之间能够形成异质结沟道，使得两者的接触界面处能够形成二维电子气。示例地，沟道层可以为氮化镓材料而势垒层为铝镓氮材料。当然，在本实用新型实施例中，构成异质结结构的沟道层和势垒层还可以分别为氮化镓材料和铟镓氮材料等，此处对于沟道层和势垒层的具体材料不做限制，只要能够构成异质结结构即可。所述势垒层可以为AlGaN、氮化铝、铝铟氮化物、铝镓氮化物、铟镓氮化物或铝铟镓氮化物等，势垒层厚度取值范围为3nm～50nm。

其中，图4为沿着A1方向的剖面示意图，该处栅极的剖面示意图为T型，该处栅极的栅足插入至沟道层中，即所述梳齿部72沿着栅长方向的栅极金属层横截面为T型结构，所述梳齿部72处的栅极金属层包括栅帽和第二栅足，该处第二栅足底部位于沟道层中，栅帽边沿与势垒层之间设置有介质层。

其中，图5为沿着A2方向的剖面示意图，该处栅极的剖面示意图为T型，该处的栅足底部位于势垒层的表面上。即相邻梳齿部之间处的沿着栅长方向的栅极金属层横截面为T型结构，包括栅帽和第一栅足，该处第一栅足底部设置于势垒层上表面上，栅帽边沿与势垒层之间设置有介质层。

所述衬底为衬底1可以为硅(Si)、碳化硅(SiC)、蓝宝石(Saphhire)，缓冲层2为GaN层，所述沟道层为GaN层,所述沟道层的厚度取值范围5nm～1000nm。

所述势垒层为AlGaN层，势垒层厚度3nm～50nm；

在一具体实施实施例中，所述衬底1为硅，厚度为100μm；缓冲层2为GaN层；所述沟道层3为GaN层，厚度为50nm；所述势垒层4为AlGaN层，势垒层30nm；所述缓冲层包含GaN材料，所述衬底和氮化物沟道层之间设有氮化物成核层(未图示)和氮化物缓冲层。

需要说明的是，在以上实施例中，源极5和漏极6可以部分深入到势垒层中，也可以源极5和漏极6可以设置在势垒层上。在具体实施实施例中，所述衬底1为蓝宝石厚度为60 μm；缓冲层2为GaN层；所述沟道层3为GaN层，厚度为50nm；所述势垒层4为AlGaN 层。

相应的，本实用新型也列举了某一实施例的GaN HEMT射频器件的制作方法，具体包括如下步骤：

1)在蓝宝石衬底1上，利用金属有机化学气相沉积工艺生长GaN缓冲层2；

2)在GaN缓冲层2上，生长GaN沟道层3，厚度为20nm；

3)GaN沟道层3上，生长AlGaN势垒层4，厚度20nm

4)在AlGaN势垒层(4)上，采用PECVD沉积工艺在300℃下沉积厚度为100nm的Si₃N₄介质薄膜介质层8；

5)通过光刻工艺在源、漏区域形成刻蚀所需的窗口，采用反应离子刻蚀工艺去除源、漏极区域的Si₃N₄薄膜介质层8，形成源、漏极区域窗口

6)采用电子束蒸发工艺，在源、漏极区域窗口上蒸发欧姆接触金属(例如Ti/Al/Ni/Au或 Ti/Al/Mo/Au)，并高温退火形成源极(5)和漏极(6)；

7)采用光刻蚀刻工艺在有源区的栅极区域处的势垒层处形成若干相邻凹槽，每个凹槽的深度都是相同；所述凹槽贯穿势垒层深入到沟道层中，有源区处的若干相邻凹槽，所述凹槽深入沟道层的深度h0范围为1nm-200nm；如附图2所示，设置4个凹槽，第一凹槽与第二凹槽距离为s1，第二凹槽与第三凹槽距离为s2，第三凹槽与第四凹槽距离为s3，s1＜s2＜s3。

8)通过光刻工艺在得到栅极区域窗口，在栅极区域窗口上蒸发肖特基接触金属Ni和Au，形成栅极7，位于有源区处100的源极5与漏极6之间的梳齿栅极结构包含若干梳齿部72沿着栅宽方向相邻梳齿部之间的间距逐渐变宽分布，所述若干梳齿部72沿着栅长方向对称设置。所述梳齿部72的截面界面为矩形，所述梳齿部72的横向截面在栅长方向的尺寸小于栅极区域在栅长方向的尺寸，即x＜x0。

所述梳齿部的横向截面在栅宽方向的尺寸y的取值范围为20nm～1000nm，如图3的图标y所示。

本实施例的HEMT射频器件的通过半导体制造工艺，实现同一器件的栅极区域下方形成相同凹槽深度，沿着栅宽方向相邻凹槽的间距逐渐变宽分布，形成设置于有源区处100的源极5与漏极6之间的梳齿栅极结构；所述梳齿栅极结构包含梳柄部71和至少两个或两个以上的梳齿部72，梳齿部间隔设置，相邻梳齿部沿着栅宽方向相邻梳齿部之间的间距逐渐变宽分布，第i梳齿部至第i+1梳齿部之间为一区域的栅极，第j梳齿部至第j+1梳齿部之间为另一区域的栅极(其中i≠j)，形成了不同区域栅极具有不同关断电压，从而实现跨导gm呈现平整形貌，提高GaN HEMT射频器件的线性度，控制关断电压，提高器件线性度。

实施例二

与实施例一相同，本实施例的氮化物HEMT器件，如附图6-8所示，包含从下至上依次层叠设置的衬底、缓冲层、沟道层、势垒层，所述沟道层与势垒层构成异质结；还包括相对设置在势垒层上方有源区处的源极5和漏极6，以及栅极，所述栅极包括设置于有源区处100的源极5与漏极6之间栅极区域处的梳齿栅极结构；所述梳齿栅极结构包含梳柄部71和至少两个或两个以上的梳齿部72，梳齿部间隔设置；所述梳柄部71设置于势垒层上并与源极或漏极平行，所述梳齿部72贯穿势垒层深入沟道层中。沟道层厚度取值范围5nm～1000nm所述梳齿部72深入沟道层的深度h0范围为深度范围为1nm～200nm；若干梳齿部72沿着栅宽方向相邻梳齿部之间的间距逐渐窄分布，所述梳齿部与梳柄部相连；如附图3，B1方向的剖面示意图，所述若干梳齿部72沿着栅长方向对称设置。所述梳齿部72的截面界面为矩形(如附图2位于的栅极7的虚线72)，所述梳齿部72的横向截面在栅长方向的尺寸x小于栅极区域在栅长方向的尺寸x0，即x＜x0，x/x0的取值范围0.6-0.9。需要说明的是，本实用新型所述梳齿部72的截面界面为矩形，为优选实施例，可以为方形、正方形、矩形、圆形、椭圆、跑道型、多边形中的任意一种。

在有源区的栅极区域处的势垒层上形成若干相邻凹槽，每个凹槽的深度都是相同，该凹槽深度为h，h＝h4+h0，所述凹槽深入沟道层的深度h0范围为1nm-200nm，如附图9所示，为沿着B2方向的剖面示意图所示，设置5个凹槽，第一凹槽与第二凹槽距离为s1，第二凹槽与第三凹槽距离为s2，第三凹槽与第四凹槽距离为s3，第四凹槽与第五凹槽距离为s4，s1＞s2＞s3＞s4。

图7为沿着A3方向的剖面示意图，该处栅极的剖面示意图为T型，该处栅极的栅足底部位于势垒层的表面上。即相邻梳齿部之间处的沿着栅长方向的栅极金属层横截面为T型结构，包括栅帽和第一栅足，该处第一栅足底部设置于势垒层上表面上，栅帽边沿与势垒层之间设置有介质层。

图8沿着A4方向的剖面示意图，该处栅极的剖面示意图为T型，该处栅极的第二栅足插入至沟道层中，即第二栅足的底部位于第三凹槽中，即所述梳齿部72沿着栅长方向的栅极金属层横截面为T型结构，所述梳齿部72的栅极金属层包括栅帽和第二栅足，该处第二栅足底部位于势垒层中，栅帽边沿与势垒层之间设置有介质层。

本实施例的HEMT射频器件的通过半导体制造工艺，实现同一器件的栅极区域下方形成相同凹槽深度，沿着栅宽方向相邻凹槽的间距逐渐变窄分布，形成设置于有源区处100的源极5与漏极6之间的梳齿栅极结构；所述梳齿栅极结构包含梳柄部71和至少两个或两个以上的梳齿部72，梳齿部间隔设置，相邻梳齿部沿着栅宽方向相邻梳齿部之间的间距逐渐变窄分布，第i梳齿部至第i+1梳齿部之间为一区域的栅极，第j梳齿部至第j+1梳齿部之间为另一区域的栅极(其中i≠j)，形成了不同区域栅极具有不同关断电压，从而实现跨导gm呈现平整形貌，提高GaN HEMT射频器件的线性度，控制关断电压，提高器件线性度。

本实用新型的HEMT射频器件为通过使用半导体制造工艺，实现同一器件的栅极区域下方形成相同凹槽深度，凹槽深度高于二维电子气层进入器件沟道层，从维度上增强栅极对沟道的控制；同时沿着栅宽方向相邻凹槽的间距逐渐变宽或逐渐变窄分布，形成设置于有源区处100的源极5与漏极6之间的梳齿栅极结构；所述梳齿栅极结构包含梳柄部71和至少两个或两个以上的梳齿部72，梳齿部间隔设置，相邻梳齿部沿着栅宽方向相邻梳齿部之间的间距逐渐变宽或逐渐变窄分布，随着间距宽度逐渐变宽或变窄，器件的关断电压逐渐变小或变大，形成沿着栅宽方向不同区域栅极下方沟道增加开启，从而实现跨导gm呈现平整的形貌，提高HEMT射频器件的线性度。

上述实施例仅用来进一步说明本实用新型氮化物HEMT器件，但本实用新型并不局限于实施例，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本实用新型技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种氮化物HEMT器件，其特征在于，

包含从下至上依次层叠设置的衬底(1)、缓冲层(2)、沟道层(3)、势垒层(4)，所述沟道层(3)与势垒层(4)构成异质结；还包括相对设置在势垒层(4)上方有源区处(100)的源极(5)和漏极(6)，以及栅极(7)，

所述栅极(7)包括设置于有源区处(100)的源极(5)与漏极(6)之间栅极区域处的梳齿栅极结构；

所述梳齿栅极结构包含梳柄部(71)和至少两个或两个以上的梳齿部(72)，所述梳齿部(72)与梳柄部(71)相连，梳齿部(72)间隔设置；

所述梳柄部(71)设置于势垒层(4)上并与源极(5)或漏极(6)平行；

沿着栅宽方向若干相邻梳齿部之间的间距逐渐变宽或逐渐变窄分布；

所述梳齿部(72)贯穿势垒层(4)并深入沟道层(3)中。

2.根据权利要求1所述的氮化物HEMT器件，其特征在于，

所述梳齿部(72)的横向截面在栅长方向的尺寸小于栅极区域在栅长方向的尺寸，所述梳齿部(72)的横向截面在栅宽方向的尺寸(y)的取值范围为20nm～1000nm。

3.根据权利要求1所述的氮化物HEMT器件，其特征在于，

所述梳齿部(72)的横向截面包含圆形、椭圆形、跑道型、多边形中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的氮化物HEMT器件，其特征在于，

所述势垒层(4)的厚度取值范围为3nm-50nm，所述沟道层(3)的厚度取值范围为5nm-1000nm。

5.根据权利要求1所述的氮化物HEMT器件，其特征在于，

所述氮化物HEMT器件为氮化镓基HEMT器件。

6.根据权利要求1所述的氮化物HEMT器件，其特征在于，

所述栅极(7)沿着栅长方向对称设置，梳齿部(72)沿着栅长方向对称设置。

7.根据权利要求1所述的氮化物HEMT器件，其特征在于，

沿着栅长方向的剖视图看，相邻梳齿部中间的梳柄部的横截面为T型状。

8.根据权利要求1所述的氮化物HEMT器件，其特征在于，

相邻梳齿部中间的梳柄部处的栅极包括栅帽和第一栅足，该第一栅足的底部位于势垒层(4)的表面上。

9.根据权利要求1所述的氮化物HEMT器件，其特征在于，

所述梳齿部(72)深入沟道层的深度范围为1nm～200nm。

10.根据权利要求8所述的氮化物HEMT器件，其特征在于，

沿着栅长方向的剖视图看，梳齿部(72)的横截面为T型状，该处栅极包括栅帽和第二栅足，该第二栅足的底部位于沟道层(3)中。

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