CN215418188U

CN215418188U - 一种氮化镓基高电子迁移率晶体管

Info

Publication number: CN215418188U
Application number: CN202120881827.3U
Authority: CN
Inventors: 林志东; 刘胜厚; 孙希国
Original assignee: Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Xiamen Sanan Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2021-04-27
Filing date: 2021-04-27
Publication date: 2022-01-04
Anticipated expiration: 2031-04-27

Abstract

本实用新型公开了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，晶体管包含衬底、缓冲层、沟道层、势垒层，还包括相对设置在势垒层上方有源区处的源极和漏极，设置在有源区处的源极和漏极之间栅极区域处势垒层表面的P型氮化物栅层，在P型氮化物栅层上设置栅极；于有源区处的源极与漏极之间栅极区域处的势垒层表面的P型氮化物栅层为沿着栅宽方向M个P型掺杂区的掺杂浓度依次递增或依次递减。采用本实用新型晶体管，形成M个P型掺杂区的掺杂浓度依次递增或依次递减，形成具有不同关断电压的区域栅极，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，提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的线性度，控制关断电压，提高氮化镓基高电子迁移率晶体管线性度。

Description

一种氮化镓基高电子迁移率晶体管

技术领域

本实用新型涉及半导体器件领域，特别涉及氮化镓基高电子迁移率晶体管。

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射频器件为横向平面器件，如附图1所示，GaNHEMT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露、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，提供一种氮化镓基高电子迁移率晶体管。

为了实现以上目的，本实用新型的一具体实施例中，提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管本实用新型提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管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，设置在有源区处的源极和漏极之间栅极区域处势垒层表面的P 型氮化物栅层，在所述P型氮化物栅层上设置栅极；于有源区处的源极与漏极之间栅极区域处的势垒层表面的P型氮化物栅层为沿着栅宽方向由M个P型掺杂区排列构成，M个P型掺杂区中包含至少三个或三个以上不同的P型掺杂浓度；所述栅极设置在M个P型掺杂区上；沿着栅宽方向M个P型掺杂区的掺杂浓度依次递增或依次递减，M为大于等于3的正整数。

进一步的，M个P型掺杂区沿着栅宽方向均匀排列。

所述P型掺杂区的形状为矩形。进一步的，作为本实用新型的优选，为了使得晶体管器件性能更为稳定，所述P型掺杂区形状相同。

进一步的，所述P型氮化物栅层的厚度范围为3nm-50nm；P型氮化物栅层的P型掺杂浓度范围为1×10¹⁰cm-3～1×10¹⁵cm-3；相邻P型掺杂区的掺杂浓度差范围1×10¹⁰cm-3。

进一步的，P型掺杂区的掺杂的杂质含Mg、Zn或Fe中的任意一种。

进一步的，有源区处的P型氮化物栅层的栅长方向的尺寸大于等于有源区处的栅极的栅长方向的尺寸。

进一步的，栅极为T型栅结构。

进一步的，所述P型氮化物栅层的材料为p-GaN、p-AlGaN、p-InGaN、p-InAlGaN的任一一种。

进一步的，所述势垒层为AlGaN、AlN、InAlGaN、InAlN中的任一一种。

采用本实用新型晶体管及其制作方法，形成M个P型掺杂区M个P型掺杂区中包含至少三个或三个以上不同的P型掺杂浓度；所述栅极设置在M个P型掺杂区上；沿着栅宽方向 M个P型掺杂区的掺杂浓度依次递增或依次递减，M为大于等于3的正整数，形成M个P 型掺杂区的掺杂浓度依次递增或依次递减，形成具有不同关断电压的区域栅极，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，提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的线性度，控制关断电压，提高氮化镓基高电子迁移率晶体管线性度。

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为本实用新型的一实施例中氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图一；

图3为本实用新型的一实施例中氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图一A方向的剖面示意图；

图4为本实用新型的一实施例中氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图一B方向的剖面示意图；

图5为本实用新型的另一实施例中氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图一的A方向的剖面示意图；

图6为本实用新型的另一实施例中氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图一的B方向的剖面示意图。

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。

参考附图2-4，本实用新型的氮化镓基高电子迁移率晶体管的示意图，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；还包括相对设置在势垒层上方有源区处的源极5、漏极6、栅极7，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，设置在有源区处的源极和漏极之间栅极区域处势垒层表面的P 型氮化物栅层9，在所述P型氮化物栅层上设置栅极7；于有源区处的源极与漏极之间栅极区域处的势垒层表面的P型氮化物栅层为沿着栅宽方向由M个P型掺杂区排列构成，M个P 型掺杂区中包含至少三个或三个以上不同的P型掺杂浓度；所述栅极设置在M个P型掺杂区上；沿着栅宽方向M个P型掺杂区的掺杂浓度依次递减，M为大于等于3的正整数。如附图 3，在本实用新型实施例，P型氮化物栅层包含5个不同的P型掺杂区沿着栅宽方向排列，分别为第一P型掺杂区91(其P型掺杂浓度为δ1)、第二P型掺杂区92(其P型掺杂浓度为δ2)、第三P型掺杂区93(其P型掺杂浓度为δ3)、第四P型掺杂区94(其P型掺杂浓度为δ4)、第五P型掺杂区95(其P型掺杂浓度为δ5)；其中，δ1＞δ2＞δ3＞δ4＞δ5。

进一步的，所述势垒层为AlGaN、AlN、InAlGaN、InAlN中的任一一种；

进一步的，所述P型氮化物栅层的材料为p-GaN、p-AlGaN、p-InGaN、p-InAlGaN的任一一种；在本实用新型实施例中，缓冲层2为GaN，沟道层3为GaN，势垒层4为AlGaN，所述P型氮化物栅层的厚度范围为3nm-50nm；P型氮化物栅层的P型掺杂浓度范围为 1×10¹⁰cm-3～1×10¹⁵cm-3；相邻P型掺杂区的掺杂浓度差范围1×10¹⁰cm-3；P型掺杂区的掺杂的杂质含Mg、Zn或Fe中的任意一种。

进一步的，有源区处的P型氮化物栅层的栅长方向的尺寸大于等于有源区处的栅极的栅长方向的尺寸。进一步的，栅极为T型栅结构。

本实用新型的氮化镓基高电子迁移率晶体管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；还包括相对设置在势垒层上方有源区处的源极5、漏极6、栅极 7，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，设置在有源区处的源极和漏极之间栅极区域处势垒层表面的P型氮化物栅层9，在所述P 型氮化物栅层上设置栅极7；于有源区处的源极与漏极之间栅极区域处的势垒层表面的P型氮化物栅层为沿着栅宽方向由M个P型掺杂区排列构成，M个P型掺杂区中包含至少三个或三个以上不同的P型掺杂浓度；所述栅极设置在M个P型掺杂区上；沿着栅宽方向M个P型掺杂区的掺杂浓度依次递减M为大于等于3的正整数。如附图4，在本实用新型实施例， P型氮化物栅层包含5个不同的P型掺杂区沿着栅宽方向排列，分别为第一P型掺杂区91 (其P型掺杂浓度为δ1)、第二P型掺杂区92(其P型掺杂浓度为δ2)、第三P型掺杂区93 (其P型掺杂浓度为δ3)、第四P型掺杂区94(其P型掺杂浓度为δ4)、第五P型掺杂区95 (其P型掺杂浓度为δ5)；其中，δ1＞δ2＞δ3＞δ4＞δ5。

进一步的，进一步的，为了使得栅极对P型掺杂区进行有效地调控形成不同的开启电压的栅极区域，若干个P型掺杂区沿着栅宽方向均匀排列，所述P型掺杂区的形状为矩形；有源区处的P型氮化物栅层的栅长方向的尺寸大于等于有源区处的栅极的栅长方向的尺寸。

需要说明的是，栅极金属层横截面为T型结构，包括栅帽和栅足，所述栅足设置于P型氮化物栅层上，栅帽边沿与P型氮化物栅层之间设置有介质层。

本实用新型具体实施例还提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法。

提供了一种氮化镓基高电子迁移率晶体管的制作方法，包括如下：

步骤一，在半导体衬底上依次形成缓冲层、沟道层、势垒层、GaN层；

步骤二，刻蚀GaN层，保留栅极区域的GaN层，在势垒层上方的源极区域和漏极区域相应形成源极窗口、漏极窗口；在源极窗口、漏极窗口上形成欧姆接触金属，并高温退火形成源极和漏极；

步骤三，通过若干次光刻、离子注入工艺依次在有源区处的源极与漏极之间栅极区域的 GaN层形成沿着栅宽方向排列的M个P型掺杂区，M个P型掺杂区包含M种不同的P型掺杂浓度构成P型氮化物栅层；沿着栅宽方向M个P型掺杂区的掺杂浓度依次递减；M为大于等于3的正整数；

具体而言，

通过第一次光刻工艺形成第一P型掺杂区窗口，对所述第一P型掺杂区窗口进行第一次离子注入形成第一P型掺杂浓度的第一P型掺杂区；

通过第二次光刻工艺形成第二P型掺杂区窗口，对所述第二P型掺杂区窗口进行第二次离子注入形成第二种P型掺杂浓度的第二P型掺杂区；

通过第三次光刻工艺形成第三P型掺杂区窗口，对所述第三P型掺杂区窗口进行第三次离子注入形成第三P型掺杂浓度的第一P型掺杂区；依次类推……。

例如，有源区处的源极与漏极之间栅极区域的势垒层上方形成M个P型掺杂区，其中第一至第M次离子注入的剂量不同，注入的能量相同，从而形成不同P型掺杂浓度的P型掺杂区沿着栅宽方向的P型掺杂浓度依次递减。

步骤四，通过光刻工艺在M个P型掺杂区上得到栅极窗口，在栅极窗口上形成肖特基接触金属，形成栅极。

若干次离子注入的注入剂量不相同，注入能量相同；离子注入的注入离子包含镁离子、锌离子或铁离子中的任意一种，注入能量范围为0.1KeV～100KeV，注入剂量范围为1×10¹⁰cm- 2～1×10¹⁵cm-2；若干次光刻、离子注入工艺的次数范围为大于等于2且小于等于N。

上述方法中，通过若干次光刻、离子注入工艺依次在有源区处的源极与漏极之间栅极区域的GaN层的形成沿着栅宽方向M个P型掺杂区，M个P型掺杂区包含M种不同的P型掺杂浓度构成P型氮化物栅层；沿着栅宽方向M个P型掺杂区的掺杂浓度依次递减，通过不同的P型掺杂浓度，形成不同的栅极区域，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，提高氮化镓基高电子迁移率晶体管的线性度，控制关断电压，提高氮化镓基高电子迁移率晶体管线性度。

为了进一步说明本实用新型方法，以获得P型氮化物栅层包含5个不同的P型掺杂区沿着栅宽方向排列为例进一步说明，5个不同的P型掺杂区分别为第一P型掺杂区91(其P型掺杂浓度为δ1)、第二P型掺杂区92(其P型掺杂浓度为δ2)、第三P型掺杂区93(其P型掺杂浓度为δ3)、第四P型掺杂区94(其P型掺杂浓度为δ4)、第五P型掺杂区95(其P型掺杂浓度为δ5)；5个P型掺杂区沿着栅宽方向M个P型掺杂区的掺杂浓度依次递减，其中，δ1＞δ2＞δ3＞δ4＞δ5。

通过五次光刻、离子注入工艺依次在有源区处的源极与漏极之间栅极区域的GaN层形成沿着栅宽方向排列的5个P型掺杂区，具体而言，

通过第一次光刻工艺在有源区处的源极与漏极之间栅极区域的GaN层形成沿着栅宽方向排列的第一掺杂区域91’的窗口；并通过离子注入工艺在第一掺杂区域91’进行离子注入，形成第一P型掺杂区91，其P型掺杂浓度为δ1，该离子注入工艺的注入能量为E1，注入剂量为2.5×10¹³cm-2；

通过第二次光刻工艺在有源区处的源极与漏极之间栅极区域的GaN层形成沿着栅宽方向排列的第二掺杂区域92’的窗口；并通过离子注入工艺在第二掺杂区域92’进行离子注入，形成第二P型掺杂区92，其P型掺杂浓度为δ2，该离子注入工艺的注入能量为E2，注入剂量为2.5×10¹³cm-2；

通过第三次光刻工艺在有源区处的源极与漏极之间栅极区域的GaN层形成沿着栅宽方向排列的第三掺杂区域93’的窗口；并通过离子注入工艺在第三掺杂区域93’进行离子注入，形成第三P型掺杂区93，其P型掺杂浓度为δ3，该离子注入工艺的注入能量为E3，注入剂量为2.5×10¹³cm-2；

通过第四次光刻工艺在有源区处的源极与漏极之间栅极区域的GaN层形成沿着栅宽方向排列的第四掺杂区域94’的窗口；并通过离子注入工艺在第四掺杂区域94’进行离子注入，形成第四P型掺杂区94，其P型掺杂浓度为δ4，该离子注入工艺的注入能量为E4，注入剂量为2.5×10¹³cm-2；

通过第五次光刻工艺在有源区处的源极与漏极之间栅极区域的GaN层形成沿着栅宽方向排列的第五掺杂区域95’的窗口；并通过离子注入工艺在第五掺杂区域95’进行离子注入，形成第五P型掺杂区95，其P型掺杂浓度为δ5，该离子注入工艺的注入能量为E5，注入剂量为2.5×10¹³cm-2。

其中，第一至第五注入剂量范围为2.5×10¹³cm-2，第一至第五注入能量范围为0.1KeV～100KeV；其中，E1＞E2＞E3＞E4＞E5。

需要说明的是，第一至第五P型掺杂区的制作顺序不限于本实用新型实施例所列举，可以自由选择先制作某个P型掺杂区。

需要说明的是，在以若干实施例中，需要说明的是，栅极金属层横截面为T型结构，包括栅帽和栅足，所述栅足设置于P型氮化物栅层上，栅帽边沿与P型氮化物栅层之间设置有介质层。

源极和漏极可以部分深入到势垒层中，也可以源极和漏极可以设置在势垒层上。

实施例二

与上述实施例一不同之处在于，上述实施例中，P型氮化物栅层为沿着栅宽方向M个P 型掺杂区的掺杂浓度依次递减，而沿着栅宽方向M个P型掺杂区的掺杂浓度依次递增，即分别为第一P型掺杂区91(其P型掺杂浓度为δ1)、第二P型掺杂区92(其P型掺杂浓度为δ2)、第三P型掺杂区93(其P型掺杂浓度为δ3)、第四P型掺杂区94(其P型掺杂浓度为δ4)、第五P型掺杂区95(其P型掺杂浓度为δ5)；其中，δ1＜δ2＜δ3＜δ4＜δ5，如附图5和附图6所示。其他结构与实施例一相似，在此不再赘述。

上述若干实施例仅用来进一步说明本实用新型氮化镓基高电子迁移率晶体管，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

1.一种氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，

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，

设置在有源区处的源极和漏极之间栅极区域处势垒层表面的P型氮化物栅层，在所述P型氮化物栅层上设置栅极；

于有源区处的源极与漏极之间栅极区域处的势垒层表面的P型氮化物栅层为沿着栅宽方向由M个P型掺杂区排列构成，M个P型掺杂区中包含至少三个或三个以上不同的P型掺杂浓度；所述栅极设置在M个P型掺杂区上；沿着栅宽方向M个P型掺杂区的掺杂浓度依次递增或依次递减，M为大于等于3的正整数。

2.根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，

有源区处的P型氮化物栅层的栅长方向的尺寸大于等于有源区处的栅极的栅长方向的尺寸。

3.根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，

所述P型氮化物栅层的厚度范围为3nm-50nm。

4.根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，

所述栅极为T型栅结构。

5.根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，

所述势垒层为AlGaN、AlN、InAlGaN、InAlN中的任一一种。

6.根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，

M个P型掺杂区沿着栅宽方向均匀排列。

7.根据权利要求6所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，

所述P型掺杂区的形状为矩形。

8.根据权利要求7所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，

所述P型掺杂区形状相同。

9.根据权利要求1所述的氮化镓基高电子迁移率晶体管，其特征在于，

所述P型氮化物栅层的材料为p-GaN、p-AlGaN、p-InGaN、p-InAlGaN的任一一种。