一種高電子遷移率晶體管的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別涉及一種高電子遷移率晶體管。針對氮化鎵基高電子遷移率晶體管的自熱效應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其技術(shù)方案為：一種高電子遷移率晶體管，包括襯底、襯底以上依次生長的成核層、溝道層、勢壘層，以及勢壘層上的源極、柵極、漏極、源極與柵極之間及柵極與漏極之間的鈍化層；其特征在于，柵極與鈍化層之間還設(shè)有高熱導(dǎo)率材料層，高熱導(dǎo)率材料層與勢壘層接觸。本發(fā)明通過高熱導(dǎo)率材料層將柵極附近有源區(qū)的熱能傳導(dǎo)到器件的表面，從而有效降低器件有源區(qū)的溫度，實(shí)現(xiàn)器件溝道溫度的降低，改善器件的電氣特性，使得器件可以在更高溫度、更高功率下正常工作，提高器件的可靠性。
【專利說明】一種高電子遷移率晶體管
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，特別涉及一種高電子遷移率晶體管。
【背景技術(shù)】
[0002]高電子遷移率晶體管器件(化合物半導(dǎo)體器件)，由于其高電子飽和速度、高擊穿電壓、高電子遷移率，使其適用于高溫、高頻、抗輻射以及高功率等各領(lǐng)域應(yīng)用，是射頻和微波應(yīng)用中最具應(yīng)用潛力的半導(dǎo)體器件之一。而現(xiàn)有高電子遷移率晶體管器件中，氮化鎵基高電子遷移率晶體管因其優(yōu)良的性能得到廣泛的關(guān)注和研究。
[0003]目前，鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管(HEMT)作為常用氮化鎵基高電子遷移率晶體管，其結(jié)構(gòu)的剖面示意圖如圖1所示，包括襯底1、襯底上依次生長的成核層2、溝道層3、勢壘層4，勢壘層上分別為源極5、柵極6、漏極7，以及源極與柵極、柵極與漏極之間的鈍化層8、9，其中源極和漏極與勢壘層形成歐姆接觸，柵極與勢壘層形成肖特基接觸。當(dāng)器件工作于一定的偏執(zhí)條件下時(shí)，由于器件耗散功率及其導(dǎo)熱性能較差的襯底，在導(dǎo)電溝道上會(huì)積累大量的熱量，熱量得不到及時(shí)移除，必然會(huì)引起自熱效應(yīng)。輕微的自熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電流輸出能力和附加功率效率降低，以及輸出端跨到的降低，從而導(dǎo)致器件的射頻、微波性能的嚴(yán)重退化；嚴(yán)重的自熱效應(yīng)還會(huì)導(dǎo)致器件的功能失效，縮短器件的使用壽命甚至燒毀器件。因此，針對氮化鎵基高電子遷移率晶體管的自熱效應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)成為了我們研究的重點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服目前高電子遷移率晶體管的自熱效應(yīng)，提供了一種高電子遷移率晶體管。本發(fā)明在柵極與鈍化層之間添加一種高熱導(dǎo)率材料，形成高熱導(dǎo)率材料層，通過該高熱導(dǎo)率材料層將柵極附近有源區(qū)的熱能傳導(dǎo)到器件的表面，從而有效降低器件有源區(qū)的溫度，實(shí)現(xiàn)器件溝道溫度的降低，改善器件的電氣特性，使得器件可以在更高溫度、更高功率下正常工作，提高器件的可靠性。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種高電子遷移率晶體管，包括襯底、襯底以上依次生長的成核層、溝道層、勢壘層，以及勢壘層上的源極、柵極、漏極、源極與柵極之間及柵極與漏極之間的鈍化層；其特征在于，柵極與鈍化層之間還設(shè)有高熱導(dǎo)率材料層，高熱導(dǎo)率材料層與勢壘層接觸。
[0006]具體所述襯底采用碳化硅材料，成核層為氮化鋁層，溝道層為氮化鎵層，勢壘層為鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?；源極、柵極、漏極、源極與柵極及柵極與漏極之間的鈍化層分別位于鋁鎵氮?jiǎng)輭緦由希渲锈g化層為氮化硅材料。
[0007]綜上，所述源極和漏極與勢壘層形成歐姆接觸，柵極與勢壘層形成肖特基接觸。所述的高熱導(dǎo)率材料層是金剛石晶體、氮化鋁、氧化鈹、正立方氮化硼或是上述多種高熱導(dǎo)率材料的多重薄層；一般要求材料的熱導(dǎo)率K值大于100 [ff/ (m.K)]，所采用材料的熱導(dǎo)率越高，越有助于克服高電子遷移率晶體管的自熱效應(yīng)。所述的高熱導(dǎo)率材料層與鈍化層接觸面可以是垂直面、斜面或階梯狀表面。
[0008]本發(fā)明提供的高電子遷移率晶體管，高熱導(dǎo)率材料層與有源層(勢壘層)直接接觸，通過熱傳導(dǎo)作用，將柵極附近的熱能傳導(dǎo)到器件的表面；由于該高熱導(dǎo)率材料具有非常高的導(dǎo)熱系數(shù)，可以將柵極附近的熱點(diǎn)(溫度的最高值點(diǎn))變得相對平緩，同時(shí)大幅度的將柵極附近的溫度降低；并且有源區(qū)的熱能有很大一部分直接經(jīng)由高熱導(dǎo)率材料層導(dǎo)出，襯底以及成核層和溝道層的溫度都會(huì)明顯的降低，從而確保了該器件可以在更高的溫度以及更大的功率條件下正常運(yùn)行，在一定程度上確保了器件的可靠性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的有源區(qū)的溫度分布示意圖，其中y (um)表示以源極為零點(diǎn)，到漏極之間的距離。
[0011]圖3是鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管的剖面溫度分布示意圖。
[0012]圖4是本發(fā)明實(shí)施例1高電子遷移率晶體管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖5是本發(fā)明實(shí)施例1高電子遷移率晶體管的有源區(qū)的溫度分布示意圖，其中y(um)表示以源極為零點(diǎn)，到漏極之間的距離。
[0014]圖6是本發(fā)明實(shí)施例1高電子遷移率晶體管的剖面溫度分布示意圖。
[0015]圖7、圖8是本發(fā)明其他實(shí)施方式高電子遷移率晶體管剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0017]實(shí)施例1
[0018]本實(shí)施例高電子遷移率晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，襯底采用碳化硅材料，厚度為70微米；襯底上外延生長厚度為10微米氮化鋁層，作為成核層；氮化鋁層層上外延生長厚度2微米的氮化鎵層，作為溝道層；然后在氮化鎵層上外延生長厚度為25納米的鋁鎵氮?jiǎng)輭緦?；源極、柵極、漏極、源極與柵極及柵極與漏極之間的鈍化層分別位于鋁鎵氮?jiǎng)輭緦由?，其中鈍化層為氮化硅材料；柵極兩側(cè)與氮化硅鈍化層之間設(shè)置高熱導(dǎo)率材料層為金剛石，厚度為0.4微米。
[0019]使用有限元軟件對該高電子遷移率晶體管進(jìn)行模擬仿真，其中襯底底面溫度設(shè)置為常溫300K，四個(gè)側(cè)面全部設(shè)置為絕緣條件，頂部設(shè)置為開邊界，開邊界的初始溫度為300K，即當(dāng)上表面溫度高于300K時(shí)，可以與外界進(jìn)行換熱。由于氮化鎵高電子遷移率晶體管的功耗主要分布于柵極附近，則在模擬仿真過程中設(shè)定熱源在柵極下面的有源區(qū)。在相同參數(shù)條件下，傳統(tǒng)鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管在功耗為0.5W的條件下，最高溝道溫度為386K，相比于襯底下表面的溫度，最大溝道溫度升高了86K，如圖2、圖3所示；而本發(fā)明高電子遷移率晶體管在相同的功耗條件下，最高溝道溫度為365K，并且在最高溫度兩側(cè)溫度變化趨勢比較平緩，如圖5、圖6所示。同時(shí)，仿真結(jié)果表明，當(dāng)器件的溝道的最高溫度達(dá)到386K的時(shí)候，傳統(tǒng)鋁鎵氮/氮化鎵異質(zhì)結(jié)高電子遷移率晶體管功耗為0.5W，而本發(fā)明提供的高電子遷移率晶體管的功耗為0.65W，表明器件的自熱效應(yīng)明顯改善。由此可以看出，本發(fā)明提供的高電子遷移率晶體管有效降低了柵極附近的溝道溫度，改善了高電子遷移率晶體管的自熱效應(yīng)，從而提高了高電子遷移率晶體管在高溫、大功率條件下工作穩(wěn)定性。
[0020]其他實(shí)施方式中，由于高電子遷移率晶體管的熱點(diǎn)(器件溝道的最高溫度點(diǎn))處于柵極偏漏極一側(cè)，所以高熱導(dǎo)率材料層可僅設(shè)置于柵極偏漏極一側(cè)，如圖7所示。另外，高熱導(dǎo)率材料層與鈍化層接觸面可以是垂直面、斜面或階梯狀表面，如圖7、圖8所示。
【權(quán)利要求】
1.一種高電子遷移率晶體管，包括襯底、襯底以上依次生長的成核層、溝道層、勢壘層，以及勢壘層上的源極、柵極、漏極、源極與柵極之間及柵極與漏極之間的鈍化層；其特征在于，柵極與鈍化層之間還設(shè)有高熱導(dǎo)率材料層，高熱導(dǎo)率材料層與勢壘層接觸。
2.按權(quán)利要求1所述一種高電子遷移率晶體管，其特征在于所述襯底采用碳化硅材料，成核層為氮化鋁材料，溝道層為氮化鎵材料，勢壘層為鋁鎵氮材料；源極、柵極、漏極、源極與柵極之間及柵極與漏極之間的鈍化層分別位于勢壘層上，其中鈍化層為氮化硅材料。
3.按權(quán)利要求1所述一種高電子遷移率晶體管，其特征在于所述的高熱導(dǎo)率材料層是金剛石晶體、氮化鋁、氧化鈹、正立方氮化硼或是上述多種高熱導(dǎo)率材料的多重薄層。
4.按權(quán)利要求1所述一種高電子遷移率晶體管，其特征在于所述源極和漏極與勢壘層形成歐姆接觸，柵極與勢壘層形成肖特基接觸。
5.按權(quán)利要求1所述一種高電子遷移率晶體管，其特征在于所述的高熱導(dǎo)率材料層與鈍化層接觸面可以是垂直面、斜面或階梯狀表面。
【文檔編號】H01L29/778GK103474460SQ201310405027
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月9日
【發(fā)明者】周偉, 吳杰, 劉紹斌 申請人:電子科技大學(xué)