[发明专利]阶梯型凹槽栅高电子迁移率晶体管

说明书

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件。具体地说是一种阶梯型凹槽栅高电子迁移率晶体管HEMT，可用作高温高频高可靠大功率器件。

技术背景

功率半导体器件已广泛应用于开关电源、汽车电子、工业控制、无线电通讯等众多功率领域。作为宽禁带半导体材料的典型代表，GaN基材料具有禁带宽度大、电子饱和漂移速度高、击穿场强高和导热性能好等特点，可用于制作高温、高频及大功率电子器件。

随着对GaN基HEMT的深入研究，人们发现在高电子迁移率晶体管工作时，其势垒层耗尽区中的电场线分布不均匀，栅极靠近漏极一侧的边缘会收集大部分来自势垒层耗尽区中的电场线，所以该处电场非常高。此处的高电场会使得栅极泄露电流增大，容易导致击穿，使器件实际击穿电压偏小，从而导致这类器件高击穿电压和大功率的优势不能得到发挥。

目前，提高高电子迁移率晶体管的击穿电压的常用措施是采用场板结构，该结构是通过改变靠近栅极边缘耗尽层边界的弯曲程度，增大耗尽区面积，改变耗尽层中电场线分布，来提高击穿电压的一种器件结构。

常用场板大致分为以下几种：

1.均匀场板。均匀场板常制作在钝化层上，场板下方钝化层厚度均匀，常见的有栅极向漏极扩展形成的非对称Gamma栅结构，和场板覆盖部分栅极、通过金属线与栅极或源极相连的结构。此结构可通过调整场板长度、钝化层厚度等参数使得击穿电压达到最大。J.Li和S.J.Cai等人报道了采用非对称Gamma栅结构，场板长度为0.7μm时，击穿电压大于110V，参考文献LI J，CAI S J，PAN G Z，et al.High breakdown voltage GaN HFET with field plate.Electronics Letters，2001，37(3)：196-197。但是这种均匀场板是单层的，在增加器件势垒层耗尽区的面积方面能力有限，所以该结构在提高器件击穿电压方面能力有限。

2.双场板。此种结构中含有源终端场板和漏终端场板两种场板，源终端场板离漏极很近，势垒层空间电荷区与漏极相连。漏终端场板的引入可以减小漏极边缘峰值电场，从而提高击穿电压。Wataru等人报道了采用此种场板结构，栅漏间距为10μm时击穿电压可达600V，参考文献SAITO W，KURAGUCHI M，TAKADA Y，et al.Design optimization of high breakdown voltage AlGaN/GaN power HEMT on an insulating substrate for RONAVB trade off characteristics[J]IEEE Transactions on Electron Devices，2005，52(1)：106-111。但是采用双场板结构的高电子迁移率晶体管相比采用单个均匀场板的高电子迁移率晶体管只是增加了一个场板，所增加的场板只能在一定限度内增加器件势垒层耗尽区的面积，所以双场板结构提高高电子迁移率晶体管击穿电压的能力仍然有限。

3.台阶场板和多层场板。主要是通过刻蚀工艺形成台阶状钝化层，在钝化层上淀积金属层。采用台阶场板和多层场板可以增加电场峰值的数量，优化参数使各个电场峰值大小相近，则击穿电压随电场峰值数目的增多而增大。S.Karmalkar等人报道了采用单层台阶场板用于功率开关的GaN基HEMT，击穿电压高达1000V，参考文献KARMALKAR S，MISHRA U K.Very high voltage AlGaN/GaN high electron mobility transistors using a field plate deposited on a stepped insulator[J].Solid State Electronics，2001，45：1645-1652。但是采用台阶场板和多层场板结构的高电子迁移率晶体管的制作工艺比较复杂，每增加一层场板都需要多加光刻和淀积金属、淀积介质材料、剥离、清洗等工艺步骤，而且要使各层场板下面所淀积的绝缘介质材料具有合适的厚度，必须进行多次工艺调试，大大增加了器件制造的难度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺陷，提出一种制造工艺简单的阶梯型凹槽栅高电子迁移率晶体管，以提高器件击穿电压，实现高输出功率。