CN216311791U - 一种GaN基HEMT器件结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种GaN基HEMT器件结构。所述器件结构包括：外延结构，其包括第一半导体层和设置在所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层与第二半导体层之间形成有载流子沟道；以及与所述外延结构配合的源极、漏极和栅极；其中，所述第二半导体层表面与源极对应的第一区域设置有第一散热金属垫，与漏极对应的第二区域设置有第二散热金属垫，所述源极与第一散热金属垫导热连接，所述漏极与第二散热金属垫导热连接。本实用新型中的GaN基HEMT器件结构散热性能好，沟道载流子迁移率高。

Description

一种GaN基HEMT器件结构

技术领域

本实用新型属于半导体制造技术领域，具体涉及一种GaN基HEMT器件结构。

背景技术

第三代半导体材料GaN及其合金AlGaN具有较大的自发极化和压电效应。当这两种材料形成异质结时，在AlGaN/GaN界面处会产生较高的极化电荷密度，导致在靠近界面处的GaN沟道中形成高密度的二维电子气(2DEG)，具有高迁移率和高饱和漂移速度。因而，基于AlGaN/GaN异质结制备的高电子迁移率晶体管(HEMT)有着优异的性能，被业界广泛关注

然而，现有的AlGaN/GaN HEMT器件在高功率的条件下工作时，其沟道温度也会相应地升高，从而使载流子的迁移率降低，导致器件的漏电流减小。通常的解决办法是在衬底外侧形成热沉或散热结构，但因散热结构距离沟道较远，散热性能会受到一定的阻碍。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种GaN基HEMT器件结构，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型实施例提供了一种GaN基HEMT器件结构，包括：

外延结构，其包括第一半导体层和设置在所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层与第二半导体层之间形成有载流子沟道；以及

与所述外延结构配合的源极、漏极和栅极；

其中，所述第二半导体层表面与源极对应的第一区域设置有第一散热金属垫，与漏极对应的第二区域设置有第二散热金属垫，所述源极与第一散热金属垫导热连接，所述漏极与第二散热金属垫导热连接。

进一步的，所述源极设置在第一散热金属垫上并与第一散热金属垫电性结合，所述漏极设置在第二散热金属垫上并与第二散热金属垫电性结合。

进一步的，所述第一散热金属垫的面积大于所述源极的面积，所述第二散热金属垫的面积大于所述漏极的面积。

更进一步的，所述第一散热金属垫和第二散热金属垫的厚度为10～20nm。

进一步的，所述第二半导体层表面对应于栅极的第三区域形成有凹槽结构，所述栅极与所述凹槽结构配合设置。

进一步的，所述凹槽结构的内壁与所述栅极之间还设置有栅介质层。

进一步的，所述第二半导体层表面还覆盖有保护层，所述保护层上开设有与源极、漏极及栅极对应的窗口，使所述源极、漏极及栅极从保护层中露出。

进一步的，所述器件结构还包括衬底，所述第一半导体层设置于所述衬底上。

进一步的，所述第一半导体层包括沟道层，所述第二半导体层包括势垒层，所述沟道层与衬底之间设置有成核层。

进一步的，所述衬底包括蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底中的任意一种。

与现有技术相比，本实用新型提供的一种GaN基HEMT器件结构具有散热性能好、沟道载流子迁移率高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种GaN基HEMT器件结构示意图；

图2a至图2k是本实用新型实施例提供的一种GaN基HEMT器件结构的制备流程示意图。

附图说明：10.GaN衬底；20.GaN成核层；30.GaN沟道层；40.Al_XGa_1-XN势垒层；50.栅介质层；601.第一散热金属垫；602.第二散热金属垫；70.保护层；80.光阻层

具体实施方式

鉴于现有技术的缺陷，本案实用新型人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案，下面将结合附图及具体实施例对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，一种GaN基HEMT器件结构，其包括GaN衬底10、形成于GaN衬底10上的外延结构以及与所述外延结构配合的栅极101、源极102和漏极103。

其中，所述外延结构包括GaN沟道层30和设置在GaN沟道层30上的Al_XGa_1-XN势垒层40(0.15≤x≤0.3)，GaN沟道层30与Al_XGa_1-XN势垒层40之间形成有载流子沟道。

具体的，GaN沟道层30设置在GaN衬底10上，且GaN沟道层30和GaN衬底10之间还设置有GaN成核层20。

具体的，Al_XGa_1-XN势垒层40表面与源极102对应的第一区域设置有第一散热金属垫601，与漏极103对应的第二区域设置有第二散热金属垫602，且源极102与第一散热金属垫601导热连接，漏极103与第二散热金属垫602导热连接。

具体的，源极102设置在第一散热金属垫601上并与第一散热金属垫601电性结合，漏极103设置在第二散热金属垫602上并与第二散热金属垫602电性结合，且第一散热金属垫601的面积大于源极102的面积，第二散热金属垫602的面积大于漏极103的面积。

更为具体的，第一散热金属垫601和第二散热金属垫602的厚度为10～20nm，材质可以选用高导电和高导热性能的金属，如Cu或Au。

具体的，Al_XGa_1-XN势垒层40表面与栅极101对应的第三区域形成有凹槽结构，栅极101与该凹槽结构配合设置，形成HEMT器件结构的凹槽栅，且凹槽结构的内壁与栅极101之间还设置有栅介质层50。

具体的，Al_XGa_1-XN势垒层40表面还覆盖有保护层70，且保护层70上开设有与源极102、漏极103及栅极101对应的窗口，使源极102、漏极103及栅极101从保护层70中露出。

在较为具体的实施方案中，请参阅图2a至图2k，本实施例中的GaN基HEMT器件结构的制备方法可以包括如下步骤：

1)将GaN衬底10放入反应腔室中，先在800～1000℃的温度下，通过氢气对该GaN衬底10进行表面处理，以去除其表面的氧化膜；

2)将反应腔室内的温度设定为600～800℃，压力设定为20～50torr，并在GaN衬底10上生长厚度为5～20nm的GaN成核层20，如图2a所示；

3)将反应腔室内的温度设定为1100～1200℃，压力设定为100～300torr，并在GaN成核层20上生长厚度为100～200nm的GaN沟道层30，如图2a所示；

4)将反应腔室内的温度设定为900～1100℃，压力设定为100～300torr，并在GaN沟道层30上生长厚度为20～50nm的Al_XGa_1-XN势垒层40(0.15≤x≤0.3)，如图2a所示；

5)在Al_XGa_1-XN势垒层40上涂覆光阻胶材料，固化之后形成光阻层80，如图2b所示；

6)通过第一掩膜版(未在图中示出)将光阻层80的第一区域进行曝光显影后去除，所述第一区域包括所述光阻层80与源极102和漏极103对应的区域，从而使与所述第一区域对应的Al_XGa_1-XN势垒层40的表面暴露出，如图2c所示；

7)以步骤6)中剩余的光阻层80为掩膜，在与所述第一区域对应的Al_XGa_1-XN势垒层40表面形成厚度为10～20nm的散热金属层，并由所述散热金属层形成第一散热金属垫601和第二散热金属垫602，如图2d所示，其中第一散热金属垫601和第二散热金属垫602的材料可以选用高导电和高散热性能的金属，如Cu或Au；

8)通过第二掩膜版(未在图中示出)将步骤6)中剩余的光阻层80的第二区域进行曝光显影后去除，所述第二区域包括所述光阻层80与栅极101对应的区域，从而使与所述第二区域对应的Al_XGa_1-XN势垒层40的表面暴露出，如图2e所示；

9)以步骤8)中剩余的光阻层80为掩膜，采用电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺以含氯的等离子体对与所述第二区域对应的Al_XGa_1-XN势垒层40表面进行刻蚀，从而在Al_XGa_{1- X}N势垒层40中形成凹槽结构，所述凹槽结构的深度为1～15nm，如图2f所示，其中形成所述含氯等离子体的气体可以包括氯气或三氯化硼；

10)继续以步骤8)中剩余的光阻层80为掩膜，在所述凹槽结构的内壁形成厚度为5～20埃的栅介质层50，如图2g所示，其中栅介质层50的材料可以选用氧化铪(HfO₂)或者氧化锆(ZrO₂)；

11)继续以步骤8)中剩余的光阻层80为掩膜，沉积栅极材料，形成栅极101，如图2h所示，其中栅极材料可以选用W、Co、Ni、Ru或Mo的任意一种或多种组合的合金；

12)去除步骤8)中剩余的光阻层80，并在暴露出的Al_XGa_1-XN势垒层40表面以及第一散热金属垫601和第二散热金属垫602上形成厚度为20～100nm的保护层70，如图2i所示，其中保护层70的材料可以选用氧化硅或者氮化硅，形成保护层70的方法可以采用化学气相沉积或物理气相沉积；

13)去除保护层70的局部区域形成开口，以暴露出第一散热金属垫601和第二散热金属垫602表面的局部区域，如图2j所示；

14)在暴露出的第一散热金属垫601和第二散热金属垫602表面沉积源、漏极材料，形成源极102和漏极103，如图2k所示，其中源、漏极材料为导电性良好的金属或非金属，可以选用Cu、Ti、Ni、碳纳米管和石墨烯中的一种或多种，至此完成如图1所示的GaN基HEMT器件的制备。

本实用新型实施例中提供的GaN基HEMT器件结构，通过在器件结构内部设置与源极102导电导热连接的第一散热金属垫601和与漏极103导电导热连接的第二散热金属垫602，能够将载流子沟道区域的热量有效地向外传导，且第一散热金属垫601、第二散热金属垫602的面积比源极102、漏极103的面积大，可增大散热的面积，散热金属垫在封装之后与其他的散热结构进行散热的热导效率增高，可大大提升器件的散热性能，降低沟道区域温度，进而提升器件载流子的迁移率。

此外，本案实用新型人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。

应当理解，本实用新型的技术方案不限于上述具体实施案例的限制，凡是在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种GaN基HEMT器件结构，包括：

外延结构，其包括第一半导体层和设置在所述第一半导体层上的第二半导体层，所述第一半导体层与第二半导体层之间形成有载流子沟道；以及

与所述外延结构配合的源极、漏极和栅极；

其特征在于：所述第二半导体层表面与源极对应的第一区域设置有第一散热金属垫，与漏极对应的第二区域设置有第二散热金属垫，所述源极与第一散热金属垫导热连接，所述漏极与第二散热金属垫导热连接。

2.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件结构，其特征在于：所述源极设置在第一散热金属垫上并与第一散热金属垫电性结合，所述漏极设置在第二散热金属垫上并与第二散热金属垫电性结合。

3.根据权利要求1或2所述的GaN基HEMT器件结构，其特征在于：所述第一散热金属垫的面积大于所述源极的面积，所述第二散热金属垫的面积大于所述漏极的面积。

4.根据权利要求1或2所述的GaN基HEMT器件结构，其特征在于：所述第一散热金属垫和第二散热金属垫的厚度为10～20nm。

5.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件结构，其特征在于：所述第二半导体层表面与栅极对应的第三区域形成有凹槽结构，所述栅极与所述凹槽结构配合设置。

6.根据权利要求5所述的GaN基HEMT器件结构，其特征在于：所述凹槽结构的内壁与所述栅极之间还设置有栅介质层。

7.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件结构，其特征在于：所述第二半导体层表面还覆盖有保护层，所述保护层上开设有与源极、漏极及栅极对应的窗口，使所述源极、漏极及栅极从保护层中露出。

8.根据权利要求1所述的GaN基HEMT器件结构，其特征在于：还包括衬底，所述第一半导体层设置于所述衬底上。

9.根据权利要求1或8所述的GaN基HEMT器件结构，其特征在于：所述第一半导体层包括沟道层，所述第二半导体层包括势垒层，所述沟道层与衬底之间设置有成核层。

10.根据权利要求8所述的GaN基HEMT器件结构，其特征在于：所述衬底包括蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底中的任意一种。

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