CN218414587U - 插指栅结构的hemt射频器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种插指栅结构的HEMT射频器件。所述插指栅结构的HEMT射频器件包括外延结构以及与外延结构配合的源极、漏极、栅极和场板结构，所述外延结构内形成有载流子沟道，所述外延结构与栅极对应的区域还设置有栅极凹槽，至少所述栅极的部分设置在所述栅极凹槽内，所述场板结构的第一端与源极电连接，第二端沿第一方向跨过栅极并延伸至栅极与漏极之间，所述栅极凹槽包括相互连通的第一凹槽和第二凹槽，所述栅极的部分设置在所述第一凹槽和第二凹槽内。本实用新型提供的插指栅结构的HEMT射频器件，在保持栅极凹槽大小不变的情况下，通过在第一凹槽的底部形成延伸的第二凹槽，通过增大栅极控制的接触面积来提高耐压性能，减少了崩压现象。

Description

插指栅结构的HEMT射频器件

技术领域

本实用新型特别涉及一种插指栅结构的HEMT射频器件，属于半导体技术领域。

背景技术

无线通信技术的发展对微波功率器件提出了更高的要求。相比于其他材料，GaN的禁带宽度大，电子饱和速度高，热传导性好，非常适合应用于高温、高频和大功率环境。

高电子迁移率晶体管(HEMT)是一种场效应晶体管，其是由两种带隙不同的材料形成异质结，为载流子提供沟道，形成的二维电子气具有很高的迁移率，可以得到较高的输出功率。

随着高频、高压的HEMT器件的使用，由于在高电流和高电压状态下操作，如何抑制栅极旁因高电压产生的强电场导致的崩压现象是众多研究单位研究的主题，例如，可以通过增大栅极控制的接触面积来提高耐压，减少崩压现象，目前较常使用的是通过栅极电场板增加栅极的面积，但栅极电场板是由金属和介质层交错形成，其中的金属主要是Au、Al或Ag，需要使用多次掩模工艺制作形成栅极电场板和介质层，工艺复杂，进而提高了制备成本。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种插指栅结构的HEMT射频器件，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型提供了一种插指栅结构的HEMT射频器件，包括外延结构以及与外延结构配合的源极、漏极、栅极和场板结构，所述外延结构内形成有载流子沟道，所述外延结构与栅极对应的区域还设置有栅极凹槽，至少所述栅极的部分设置在所述栅极凹槽内，所述场板结构的第一端与源极电连接，第二端沿第一方向跨过栅极并延伸至栅极与漏极之间；其中，所述栅极凹槽包括相互连通的第一凹槽和第二凹槽，至少所述栅极的部分设置在所述第一凹槽和第二凹槽内。

与现有技术相比，本实用新型的优点包括：

1)本实用新型提供的一种插指栅结构的HEMT射频器件，在保持栅极凹槽大小不变的情况下，通过在第一凹槽的底部形成延伸的第二凹槽，通过增大栅极控制的接触面积来提高耐压性能，减少了崩压现象；

2)本实用新型提供的一种插指栅结构的HEMT射频器件，场板结构内部具有空气桥，所述空气桥能够减少HEMT器件的寄生电容，并进一步减少HEMT器件的噪声，从而提高HEMT器件在高频下的响应速度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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申请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是本实用新型一典型实施案例中提供的一种插指栅结构的HEMT射频器件的剖面结构示意图；

图2是图1中结构A的局部放大结构示意图；

图3是图1中结构A处栅极凹槽的局部放大结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明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。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本实用新型提供了一种插指栅结构的HEMT射频器件，包括外延结构以及与外延结构配合的源极、漏极、栅极和场板结构，所述外延结构内形成有载流子沟道，所述外延结构与栅极对应的区域还设置有栅极凹槽，至少所述栅极的部分设置在所述栅极凹槽内，所述场板结构的第一端与源极电连接，第二端沿第一方向跨过栅极并延伸至栅极与漏极之间；其中，所述栅极凹槽包括相互连通的第一凹槽和第二凹槽，至少所述栅极的部分设置在所述第一凹槽和第二凹槽内。

在一具体实施方式中，所述栅极凹槽包括一第一凹槽和多个第二凹槽，至少所述栅极的部分设置在一第一凹槽和多个第二凹槽内，从而使所述栅极形成插指状结构。

在一具体实施方式中，所述栅极包括相互连接的一第一栅极和多个第二栅极，所述第一栅极对应设置在所述第一凹槽内，多个所述第二栅极分别对应设置在多个所述第二凹槽内，多个所述第二栅极与一所述第一栅极一体连接形成所述的插指状结构。

在一具体实施方式中，所述第一栅极和多个第二栅极是由相同的材料一体形成的。

在一具体实施方式中，所述栅极填满所述栅极凹槽内部。

在一具体实施方式中，所述第一栅极填满所述第一凹槽内部，所述第二栅极填满所述第二凹槽内部。

在一具体实施方式中，所述第二凹槽设置在所述第一凹槽的侧壁和/或底部，每一所述第二凹槽的第二槽口的面积小于所述第二槽口所在的第一凹槽的侧壁或底部的面积。

在一具体实施方式中，所述外延结构包括沿第二方向叠层设置的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层之间形成有载流子沟道，所述源极和漏极设置在所述第二半导体层上，所述栅极凹槽的全部设置在所述第二半导体层内，且在所述第二方向上，所述栅极凹槽的最大深度小于所述第二半导体层的厚度，其中，所述第二方向与第一方向交叉设置，所述第一方向为源极指向漏极的方向。

在一具体实施方式中，所述第一半导体层和第二半导体层的材质均包括III-V族化合物。

在一具体实施方式中，所述第二半导体层具有第一厚度，所述栅极凹槽的底部与第二半导体层靠近第一半导体层的表面之间具有第二厚度，所述第二厚度大于零而小于等于第一厚度的0.6倍。

在一具体实施方式中，所述第一厚度和第二厚度之比为1∶(0.2-0.4)。

在一具体实施方式中，在所述第二方向上，所述第一凹槽具有第一深度，设置在所述第一凹槽的底部的第二凹槽具有第二深度，所述第二深度小于等于第一深度。

在一具体实施方式中，所述第一深度和第二深度之比为(3-7)∶(1-3)。

在一具体实施方式中，所述栅极与栅极凹槽之间还经介质层电性隔离。

在一具体实施方式中，所述介质层设置在所述第一凹槽、第二凹槽的侧壁和底部。

在一具体实施方式中，所述介质层为单层介质层结构或双层介质层结构，所述单层介质层结构包括第一介质层或第二介质层，所述双层介质层结构包括叠层设置在栅极和栅极凹槽之间的第一介质层和第二介质层。

在一具体实施方式中，所述第一介质层和第二介质层均为氧化物介质层。

在一具体实施方式中，所述场板结构与栅极、外延结构之间还经钝化层电性隔离。

在一具体实施方式中，所述钝化层设置在所述第二半导体层和栅极上，且所述钝化层设置在源极和漏极之间。

在一具体实施方式中，所述钝化层的材质包括钝化硅和/或氧化硅。

在一具体实施方式中，所述场板结构的第二端设置在所述钝化层上。

在一具体实施方式中，所述场板结构与钝化层之间还形成有空气桥，所述空气桥对应设置在源极和漏极之间的区域。

在一具体实施方式中，所述空气桥沿第二方向设置在栅极的上方。

在一具体实施方式中，所述场板结构的横截面为镜像对称结构。

在一具体实施方式中，在第一方向上，所述场板结构的横截面以栅极的横截面的垂直平分线作为对称轴。

在一具体实施方式中，所述场板结构的横截面为矩形。

在一具体实施方式中，所述空气桥的横截面为矩形。

如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，需要说明的是，本实用新型实施例意在对该一种插指栅结构的HEMT射频器件的结构进行解释和说明，除非特别说明的之外，制作形成该一种插指栅结构的HEMT射频器件的结构的半导体沉积工艺、金属沉积工艺、图案化处理工艺以及刻蚀工艺等均可以是本领域技术人员已知的，在此不对具体的工艺条件参数以及实施该工艺的设备等进行限定。

实施例

请参阅图1和图2，一种插指栅结构的HEMT射频器件，包括外延结构以及与外延结构配合的源极400、漏极500、栅极600和场板结构700，所述外延结构内形成有载流子沟道，所述源极400和漏极500设置在所述外延结构上，并经所述载流子沟道电连接，所述外延结构与栅极600对应的区域还设置有栅极凹槽310，所述栅极凹槽310设置在所述源极400和漏极500之间，所述栅极600设置在所述栅极凹槽310内，所述场板结构700的第一端与源极400电连接，第二端沿第一方向跨过栅极600并延伸至栅极600与漏极500之间；其中，所述第一方向可以理解为插指栅结构的HEMT射频器件的横向方向，具体可以是源极400指向漏极500的方向，当插指栅结构的HEMT射频器件水平放置时，所述第一方向也可以理解为水平方向。

在本实施例中，所述栅极凹槽310包括相互连通的一第一凹槽311和多个第二凹槽312，多个第二凹槽312沿设定方向间隔设置，所述栅极600的一部分设置在第一凹槽311内，一部分设置在多个第二凹槽312内，从而使所述栅极600形成插指状结构；示例性的，所述设定方向可以是第一方向。

在本实施例中，多个所述第二凹槽312优选沿第一方向间隔设置在所述第一凹槽311的底部，每一所述第二凹槽312的第二槽口的面积小于所述第二槽口所在的第一凹槽311的底部的面积。

在本实施例中，所述栅极600包括相互连接的一第一栅极610和多个第二栅极620，所述第一栅极610对应设置在所述第一凹槽311内，多个所述第二栅极620分别对应设置在多个所述第二凹槽312内，多个所述第二栅极620与一所述第一栅极610一体连接形成所述的插指状结构。

在本实施例中，所述第一栅极610填满所述第一凹槽311内部，所述第二栅极620填满所述第二凹槽312内部，所述第一栅极610和第二栅极620可以是一体设置的，所述第一栅极610和第二栅极620可以是金属栅极，所述金属栅极可以是Ti/Al/Ni/Au等多层金属结构。

在本实施例中，所述外延结构包括沿第二方向叠层设置的第一半导体层200和第二半导体层300，所述第一半导体层200和第二半导体层300之间形成有所述的载流子沟道，所述源极400和漏极500设置在所述第二半导体层300上，所述栅极凹槽310的全部设置在所述第二半导体层300内，所述第一凹槽311的第一槽口设置在第二半导体层300的第一表面，且在所述第二方向上，所述栅极凹槽310的最大深度小于所述第二半导体层300的厚度，其中，所述第二方向与第一方向交叉设置，示例性的，所述第二方向可以是插指栅结构的HEMT射频器件的纵向方向或厚度方向，或者理解为外延结构的厚度方向，所述第二半导体层300的第一表面为背对第一半导体层200的一侧表面。

在本实施例中，所述第二半导体层300具有第一厚度，所述栅极凹槽310的底部与第二半导体层300靠近第一半导体层200的第二表面之间具有第二厚度，所述第二厚度大于零而小于等于第一厚度的0.6倍，和/或，所述第一厚度和第二厚度之比为1：(0.2-0.4)；在所述第二方向上，所述第一凹槽311具有第一深度，设置在所述第一凹槽311的底部的第二凹槽312具有第二深度，所述第二深度小于等于第一深度，和/或，所述第一深度和第二深度之比为(3-7)：(1-3)，其中，所述第二半导体层300的第二表面与第一表面背对设置。

在本实施例中，所述第二半导体层300的第一厚度可以是50-100nm，所述第一凹槽311的第一深度为30-70nm，所述第一凹槽311的第一槽口的宽度为200-500nm；所述第一凹槽311的底部距离第二半导体层300的第二表面之间余留的第二半导体层300的厚度为15-40nm，这样不仅能够确保载流子浓度的同时，还可以提升HEMT器件的阈值电压，在本实施例中，所述载流子沟道可以是二维电子气沟道。

在本实施例中，所述第二凹槽312的第二深度为10-30nm，所述第二凹槽312的深度不能过大，在前述外延结构的基础上，若第二凹槽312的深度超过30nm之后，后续形成栅极时，栅极距离下方的沟道层太近，会对载流子的传输造成不利的影响；而若第二凹槽312的深度小于10nm时，则不利于在第二凹槽内形成栅极和介质层。

在本实施例中，所述第一半导体层200和第二半导体层300的材质均包括III-V族化合物，示例性的，所述第一半导体层200可以是氮化镓沟道层，所述氮化镓沟道层可以采用气相外延等方式形成，所述氮化镓沟道层的厚度为0.8-2.5μm；所述第二半导体层300可以是AlGaN势垒层，其中Al的含量为10-20mol％，比如，AlGaN势垒层的Al的含量可以为Al_0.1Ga_0.9N或Al_0.2Ga_0.8N之间的某一个具体的含量，下面为了方便撰写，简写为AlGaN。

在本实施例中，所述第一半导体层200和第二半导体层300叠层设置形成AlGaN/GaN异质结，AlGaN/GaN异质结结构通过自发极化和压电极化产生高浓度的二维电子气(2DEG)，使得AlGaN/GaN功率器件具有电流密度大、导通电阻低、功率密度大等优点。

在本实施例中，所述第一半导体层200叠层设置在衬底100上，所述衬底100可以为硅衬底、蓝宝石衬底、碳化硅衬底或氮化镓衬底等，优选氮化镓衬底，选用氮化镓衬底并在氮化镓衬底上形成时，由于HEMT器件结构是氮化镓体系，所以同质外延形成的氮化镓晶体质量较好，缺陷较少，并且不会存在因晶格失配而产生的应力，无需形成额外的缓冲结构。

在本实施例中，所述栅极600与栅极凹槽310之间还经介质层800电性隔离，所述介质层800设置在所述第一凹槽311、第二凹槽312的侧壁和底部，所述介质层800优选为厚度均匀分布的介质层，示例性的，所述介质层800的厚度可以是5-10nm。

在本实施例中，所述介质层800为单层介质层结构或双层介质层结构，所述单层介质层结构包括第一介质层或第二介质层，所述双层介质层结构包括叠层设置在栅极600和栅极凹槽310之间的第一介质层和第二介质层，所述第一介质层和第二介质层均为氧化物介质层，示例性的，所述氧化物介质层的材质可以是氧化铝或者氧化铪等。

在本实施例中，所述场板结构700与栅极600、外延结构之间还经钝化层900电性隔离，所述钝化层900设置在所述第二半导体层300和栅极600上，且所述钝化层900设置在源极400和漏极500之间。

在本实施例中，所述钝化层900的材质包括钝化硅和/或氧化硅等，所述钝化层900的厚度为20-50nm；示例性的，所述钝化层900可以通过化学气相沉积或物理气相沉积等方式制作形成，所述钝化层900可以直接在源极400和漏极500之间的区域制作形成，或者，可以先在第二半导体层300上形成钝化层900，再对钝化层900进行图案化处理，暴露出源极400位置、漏极500位置，之后再在源极400位置、漏极500位置沉积形成金属层，并以所述金属层作为源极400和漏极500，所述源极400和漏极500的厚度可以为20-50nm。

在本实施例中，所述场板结构700的第二端沿源极400的表面延伸、横跨源极400与栅极600之间的区域、栅极600以及栅极600与漏极500之间的部分区域，所述场板结构700的第二端设置在所述钝化层900上，所述场板结构700与钝化层900之间还形成有空气桥710，所述空气桥710对应设置在源极400和漏极500之间的区域，具体的，所述空气桥710沿第二方向设置在栅极600的上方。

在本实施例中，所述场板结构700的横截面为镜像对称结构，在第一方向上，所述场板结构的横截面以栅极的横截面的垂直平分线作为对称轴，以抵消金属受热产生的水平弹力分量，维持较高稳定性；示例性的，所述场板结构700的横截面为矩形，所述空气桥710的横截面为矩形。

在本实施例中，所述场板结构700的第一端设置于源极400的表面，所述场板结构700的第一端的宽度等于源极400的宽度，所述场板结构700的第二端设置于栅极600与漏极500之间的钝化层900表面，所述场板结构700与钝化层900之间存在空气桥710，所述空气桥710的截面呈矩形，同时，对称的矩形结构可以避免采用拱形结构或其他同样具有高温稳定性的半环形结构，从而能够更好兼顾制备工艺适中性和器件的综合性能，制备工艺更为简单；同时，具有空气桥的场板结构能够减少场板结构的电容，减少高频下的器件延迟。

在本实施例中，所述场板结构700可以为导电性能良好且稳定性好的金属场板，例如Au场板等，所述场板结构700的厚度为30-100nm，场板结构700内部、位于钝化层900上方具有宽度为300-500nm，高度为10-20nm的空气桥710。

在本实施例中，所述空气桥的形成方式可以是：首先，通过旋涂、固化工艺在钝化层的表面形成光阻层，然后经过曝光、显影处理，保留与空气桥对应的光阻层，并对剩余的光阻层进行曝光处理，然后在剩余的光阻层上方形成场板结构，在所需要场板结构的区域形成场板结构，之后还会有暴露的光阻层露出，然后使用显影液对整个光阻层进行处理以去除光阻层，从而在场板结构与钝化层之间形成所述的空气桥。

需要说明的是，本实用新型实施例中的“第一”“第二”仅仅作为区别不同结构的说明，以及，本实用新型实施例中的宽度一般是指沿第一方向上的尺寸，深度和厚度一般是指沿第二方向上的尺寸。

本实用新型实施例提供的一种插指栅结构的HEMT射频器件，在保持栅极凹槽大小不变的情况下，通过在第一凹槽的底部形成延伸的第二凹槽，通过增大栅极控制的接触面积来提高耐压性能，减少了崩压现象，其与现有的通过多个控制栅板来增大面积不同，无需额外的过多的工艺步骤即可实现。

本实用新型实施例提供的一种插指栅结构的HEMT射频器件，场板结构内部具有空气桥，所述空气桥能够减少HEMT器件的寄生电容，并进一步减少HEMT器件的噪声，从而提高HEMT器件在高频下的响应速度。

应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (26)

1.一种插指栅结构的HEMT射频器件，包括：

外延结构，包括沟道层和设置在沟道层上的势垒层；

与外延结构配合的源极、漏极、栅极和场板结构；

其特征在于，所述HEMT射频器件还包括：

第一凹槽，开设在所述势垒层内，并位于所述势垒层的栅极区域；

多个第二凹槽，多个所述第二凹槽间隔分布在所述势垒层的栅极区域内，且所述第二凹槽的槽口设置在所述第一凹槽的槽底面上；

所述栅极的至少一部分设置在所述第一凹槽和第二凹槽内，且所述栅极与第一凹槽及第二凹槽的槽壁之间均设置有栅介质层。

2.根据权利要求1所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述栅极凹槽包括一第一凹槽和多个第二凹槽，至少所述栅极的部分设置在一第一凹槽和多个第二凹槽内，从而使所述栅极形成插指状结构。

3.根据权利要求2所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述栅极包括相互连接的一第一栅极和多个第二栅极，所述第一栅极对应设置在所述第一凹槽内，多个所述第二栅极分别对应设置在多个所述第二凹槽内，多个所述第二栅极与一所述第一栅极为一体连接形成所述的插指状结构。

4.根据权利要求3所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述栅极填满所述栅极凹槽内部。

5.根据权利要求4所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述第一栅极填满所述第一凹槽内部，所述第二栅极填满所述第二凹槽内部。

6.根据权利要求2或3所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述第二凹槽设置在所述第一凹槽的侧壁和/或底部，每一所述第二凹槽的第二槽口的面积小于所述第二槽口所在的第一凹槽的侧壁或底部的面积。

7.根据权利要求2或3所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述外延结构包括沿第二方向叠层设置的第一半导体层和第二半导体层，所述第一半导体层和第二半导体层之间形成有载流子沟道，所述源极和漏极设置在所述第二半导体层上，所述栅极凹槽的全部设置在所述第二半导体层内，且在所述第二方向上，所述栅极凹槽的最大深度小于所述第二半导体层的厚度，其中，所述第二方向与第一方向交叉设置，所述第一方向为源极指向漏极的方向。

8.根据权利要求7所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述第一半导体层和第二半导体层的材质均包括III-V族化合物。

9.根据权利要求7所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述第二半导体层具有第一厚度，所述栅极凹槽的底部与第二半导体层靠近第一半导体层的表面之间具有第二厚度，所述第二厚度大于零而小于等于第一厚度的0.6倍。

10.根据权利要求9所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述第一厚度和第二厚度之比为1：（0.2-0.4）。

11.根据权利要求9所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：在所述第二方向上，所述第一凹槽具有第一深度，设置在所述第一凹槽的底部的第二凹槽具有第二深度，所述第二深度小于等于第一深度。

12.根据权利要求11所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述第一深度和第二深度之比为（3-7）：（1-3）。

13.根据权利要求1所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述栅极与栅极凹槽之间还经介质层电性隔离。

14.根据权利要求13所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述介质层设置在所述第一凹槽、第二凹槽的侧壁和底部。

15.根据权利要求13所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述介质层为单层介质层结构或双层介质层结构，所述单层介质层结构包括第一介质层或第二介质层，所述双层介质层结构包括叠层设置在栅极和栅极凹槽之间的第一介质层和第二介质层。

16.根据权利要求15所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述第一介质层和第二介质层均为氧化物介质层。

17.根据权利要求7所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述场板结构与栅极、外延结构之间还经钝化层电性隔离。

18.根据权利要求17所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述钝化层设置在所述第二半导体层和栅极上，且所述钝化层设置在源极和漏极之间。

19.根据权利要求17所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述钝化层的材质包括钝化硅和/或氧化硅。

20.根据权利要求17所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述场板结构的第二端设置在所述钝化层上。

21.根据权利要求17所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述场板结构与钝化层之间还形成有空气桥，所述空气桥对应设置在源极和漏极之间的区域。

22.根据权利要求21所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述空气桥沿第二方向设置在栅极的上方。

23.根据权利要求21所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述场板结构的横截面为镜像对称结构。

24.根据权利要求23所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：在第一方向上，所述场板结构的横截面以栅极的横截面的垂直平分线作为对称轴。

25.根据权利要求24所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述场板结构的横截面为矩形。

26.根据权利要求21所述的插指栅结构的HEMT射频器件，其特征在于：所述空气桥的横截面为矩形。

Images