[发明专利]一种复合钝化层栅场板GaN HEMT元胞结构及器件

说明书

本发明公开了一种复合钝化层栅场板GaN HEMT器件元胞结构，制作该器件的半导体材料为GaN外延片或单晶片，衬底可以是Si，SiC或者蓝宝石等，器件表面在栅和漏之间的钝化层为复合钝化层，如图1所示，在栅场板底下的钝化层淀积或生长的是Low‑K的介质，而栅场板之外的部分为High‑K介质层。其中，High‑K钝化层有助于提高器件的耐压和保持较低的表面漏电，而栅场板结构下的Low‑K介质层降低了器件场板引起的寄生电容，有助于提升器件的频率特性。

技术领域

本发明涉及一种新型复合钝化层栅场板GaN HEMT器件元胞结构，属于H01L 27/00类半导体器件技术领域。

背景技术

GaN HEMT器件具有的高频、高功率密度以及高工作温度的优点使其成为微波大功率器件以及电力电子器件发展的新方向。基于新型材料GaN研发的功率器件及其功率放大器被广泛地应用于军事、民用商业以及消费等领域，特别是对于即将在2020年实现商用的5G技术而言，GaN功放管必将占据重要地位。在军事领域，毫米波和微波功率放大器应用于雷达、通信以及智能武器系统之中，而在商业领域中，主要将功率放大器用于高速率的通信系统之中以及汽车防撞雷达等。AlGaN/GaN HEMT良好的高频高功率性能使其在微波功率放大器和高温数字电路领域颇具竞争力。AlGaN/GaN异质结由于较强的自发极化和压电极化，在AlGaN/GaN界面处存在高浓度的二维电子气。与Si基及GaAs基器件相比，AlGaN/GaNHEMT输出功率密度表现出了一个量级的提高。然而，由于表面电子陷阱的存在，未钝化的AlGaN/GaN HEMT器件常表现出严重的电流崩塌现象，输出性能大幅下降；同时由于表面漏电的存在，栅漏耐压的提升也受到制约。研究表明，通过对器件表面进行钝化可以有效抑制电流崩塌效应，而采用场板结构可以提高器件耐压。2004年U.K.Mishra团队报道了具有栅场板结构的AlGaN/GaNHEMT微波功率器件，研究者认为栅场板结构不仅能在硅器件中那样提升器件耐压能力，还能显著降低陷阱效应，其原理可参阅文献Y.F.Wu,A.Saxler,M.Moore,etal.30-W/mm GaN HEMTs by Field Plate Optimization[J].IEEE Electron DeviceLetters.但是，采用场板结构会引入寄生电容，严重影响器件的频率特性，制约器件在高频高压条件下工作的可靠性。采用低K值材料的钝化层可以减小场板寄生电容，但低K材料的耐压能力较差。这使得采用场板结构设计时对于钝化材料的选择在频率特性和耐压间构成了矛盾。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的缺点，提供一种优化的复合钝化层和场板结构设计，兼顾器件的频率特性和耐压能力。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种复合钝化层栅场板GaN HEMT器件元胞结构，制作该器件的半导体材料为GaN外延片或单晶片，衬底是Si，SiC或者蓝宝石，器件表面在栅和漏之间的钝化层为复合钝化层，在栅场板底下的钝化层为Low-K介质层，而栅场板之外的钝化层部分为High-K介质层。

进一步，所述源S和漏D欧姆接触金属为Ti/Al/Ni/Au合金或 Ti/Al/Ti/Au合金或Ti/Al/Mo/Au合金。

进一步，所述栅极及栅场板金属为Ni/Au合金或Pt/Au合金或 Pd/Au合金。

进一步，所述High-K介质层为单层或者多层复合结构。

进一步，所述High-K介质层的材料是SiO2、SiNx、Al2O3、AlN、 HfO2、MgO、Sc2O3、Ga2O3、AlHFOx、HFSiON等材料中的一种或任意几种。

进一步，所述High-K介质层的厚度在10nm～5000nm之间；通过等离子体增强化学气相沉积或原子层沉积或物理气相沉积或者磁控溅镀，在器件接触界面上沉积形成。

进一步，所述Low-kLow-K介质层为单层或者多层复合结构。