[实用新型]半导体器件

说明书

技术领域

本实用新型涉及III族氮化物半导体器件，具体来说，涉及基于宽禁带III族氮化物半导体的场效应晶体管在射频领域的应用，其有利于器件同时具有较高的击穿电压和较高的频率响应，特别适用于高频微波应用。

背景技术

第三代半导体氮化镓(GaN)的介质击穿电场远远高于第一代半导体硅(Si)或第二代半导体砷化镓(GaAs)，高达3MV/cm，使其电子器件能承受很高的电压。同时，氮化镓可以与其他镓类化合物半导体(III族氮化物半导体)形成异质结结构。由于III族氮化物半导体具有强烈的自发极化和压电极化效应，在异质结的界面附近，可以形成很高电子浓度的二维电子气(2DEG)沟道。这种异质结结构也有效的降低了电离杂质散射，因此沟道内的电子迁移率大大提升。在此异质结基础上制成的氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)能在高频率导通高电流，并具有很低的导通电阻。这些特性使氮化镓HEMT特别适用于制造高频的大功率射频器件和高耐压大电流的开关器件。

另外，氮化镓是宽禁带半导体，能工作在较高的温度。硅器件在大功率工作环境下往往需要额外的降温器件来确保其正常工作。氮化镓无须这样，或者对降温要求较低。因此氮化镓射频功率器件有利于节省空间和成本。

常规的氮化镓HEMT的器件结构为平面结构。其截面图如图1所示。底层是衬底(或基板)11，衬底11上沉积有成核层12，半导体层13和隔离层14。二维电子气沟道在半导体层13和隔离层14的界面附近形成。隔离层14上方沉积有钝化层15，可用于降低高频下的电流崩塌效应。源极16和漏极17与二维电子气相通，可以控制沟道内电子的流向。栅极18位于源极16和漏极17之间，用于控制沟道内电子的数目，进而控制电流的大小。

在AlGaN/GaN异质结HEMT中，材料表面存在高密度的电子陷阱。电子陷阱的反应速度慢，从而引起电流崩塌效应。为改善电流崩塌效应，氮化镓HEMT一般采用SiN等钝化材料(钝化层15)覆盖器件表面的钝化工艺(图1)。

为了抑制电流崩塌和提高器件击穿电压，氮化镓器件通常采用场板结构。氮化镓器件的栅极为T型栅或者Γ型栅。T型栅的栅帽(即，栅极的上部)20同时也是晶体管的场板，可以使栅极附近电场均匀分布，降低峰值电场。这种结构在降低电流崩塌效应的同时，也有效的提高了器件的击穿电压，因此被广泛应用于氮化镓射频电子器件。

图1所示的T型栅结构可以分为栅脚(即，栅极的下部)18和栅帽20两部分。栅脚18的长度是器件的实际栅长，决定器件的本征电流增益截止频率。栅帽20的长度通常被设计得较大，以便有效降低栅极电阻，提高器件的功率增益截止频率。但是这种结构不适应于特别高频的器件，如毫米波器件，其要求非常小的栅长(≤200nm)，以使本征电容非常小，而图1所示的常规场板结构引入的寄生电容过大，接近毫米波器件的本征电容，因此器件的截止频率由于引进该场板结构而大大降低。器件在高工作频率下(如毫米波段)功率增益很低，因此功率附加效率大大降低，同时器件工作电路的匹配难度大大加大。

一种常见的解决方案是采用空气隔离的T型栅结构(图2)。T型栅的栅帽20，不与表面钝化层15(例如，SiN)直接接触，栅帽20与钝化层15之间由空气隔离。由于空气的介电常数要远远小于常用的表面钝化层的介电常数，因此寄生电容大大降低，这种情况下器件的频率响应大大提高。实验上也证明了这种采用空气隔离T型栅的方式可以显著的增加器件的截止频率。

虽然这种由空气隔离的T型栅结构(图2)提高了器件的频率响应。但T型栅的栅帽(即，场板)与二维电子气沟道的距离过远，调节器件电场的能力大大降低。因此该种结构在抑制电流崩塌和增强器件击穿电压方面的作用大大降低。

另一种解决方案是采用Γ型的栅极结构(图3)。在T型栅结构(图1和2)中，靠近漏极的场板有利于降低栅漏之间的峰值电场，靠近源极的场板有利于抑制栅源之间的峰值电场。在实际应用中，器件栅漏之间的电场要远远大于栅源之间的电场。因此靠近漏极的场板更加有效和必要。同时，电流崩塌主要是栅漏之间的电子在高电场下陷入表面陷阱引起的。实验也证明对于电流崩塌效应起主要抑制作用的是靠近漏极的场板，而非靠近源极的场板。因此，可以在T型栅结构中去除靠近源极的场板，形成Γ型的栅极结构。这种结构既消除了靠近源极的场板引入的寄生电容，同时不会影响器件击穿电压和电流崩塌效应。