本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT(High Electron Mobility Transistor，高電子遷移率晶體管)器件。

背景技術(shù)：

基于GaN材料的高電子遷移率晶體管(HEMT)，由于高電子飽和速度、高密度二維電子氣(2DEG)以及較高臨界擊穿電場，使得其在大電流、低功耗、高頻和高壓開關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

橫向GaN HEMT因高密度二維電子氣(2DEG)使其在高頻和低功耗應(yīng)用領(lǐng)域倍受青睞，其器件基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。但是橫向GaN HEMT存在以下缺點(diǎn)：1、截止?fàn)顟B(tài)下易在柵極靠近漏端一側(cè)形成電場峰值，導(dǎo)致器件提前擊穿，限制耐壓的提高；2、截止?fàn)顟B(tài)下存在緩沖層泄漏電流，過大的緩沖層泄漏電流會導(dǎo)致器件提前擊穿，限制了GaN HEMT在高壓方面的應(yīng)用；3、橫向GaN HEMT器件主要通過柵極與漏極之間的有源區(qū)來承受耐壓，因此高壓GaN HEMT需要較大的柵漏間距，造成器件占用過大的芯片面積，不利于小型化的發(fā)展趨勢。

為了克服橫向GaN HEMT器件以上缺點(diǎn)，業(yè)內(nèi)研究者展開了對縱向GaN HEMT結(jié)構(gòu)的研究。文獻(xiàn)(Masakazu KANECHIKA,et.al.A Vertical Insulated Gate AlGaN/GaN Heterojunction Field-Effect Transistor,Japanese Journal of Applied Physics,VOL.46,NO.21,pp.L503-L505,May 2007)提出縱向GaN HEMT結(jié)構(gòu)，如圖2所示，它有效地改善了上述橫向GaN HEMT所存在的問題。與橫向GaN HEMT相比，縱向GaN HEMT存在以下優(yōu)勢：1、器件主要通過柵極與漏極之間的縱向間距來承受耐壓，故可減小表面尺寸，節(jié)省芯片面積；2、P型阻擋層與N型半導(dǎo)體緩沖層之間形成的PN結(jié)可以有效阻擋從源極注入的電子，從而抑制器件緩沖層泄漏電流；3、由于器件表面的柵極和源極均為低電壓，器件柵極附近不會形成高場區(qū)域，因此可以從根本上避免橫向GaN HEMT由于柵極電場集中效應(yīng)而導(dǎo)致的提前擊穿。

對于常規(guī)縱向GaN HEMT而言，縱向器件無法完全利用2DEG來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，導(dǎo)通電流需要流經(jīng)緩沖層，這使得導(dǎo)通電阻遠(yuǎn)高于橫向器件；且隨著擊穿電壓的提高，需降低緩沖層摻雜濃度并增加其厚度，這使得導(dǎo)通電阻急劇增加，并制約了器件的正向電流能力，因此常規(guī)縱向GaN HEMT器件存在擊穿電壓與導(dǎo)通電阻這一矛盾關(guān)系。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的，就是針對上述問題，提出具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件，在達(dá)到提高器件擊穿電壓的同時(shí)降低器件的導(dǎo)通電阻，緩解或解決耐壓與導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：如圖3所示,一種具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件，包括從下至上依次層疊設(shè)置的漏電極1、襯底2、緩沖層3、阻擋層5、溝道層7和勢壘層8；所述勢壘層8的兩端具有源電極6，所述源電極6的下表面穿過勢壘層8和溝道層7與阻擋層5上表面接觸；兩個(gè)源電極6的中間具有絕緣柵極結(jié)構(gòu)；所述源電極6與絕緣柵極結(jié)構(gòu)之間的勢壘層8上表面具有介質(zhì)鈍化層9；所述源電極1和漏電極6均為歐姆接觸；其特征在于，在所述源電極6下方具有填充有高K介質(zhì)材料4的高K介質(zhì)槽，所述高K介質(zhì)材料4垂直向下延伸至緩沖層3中且高K介質(zhì)材料4頂部與源電極6接觸；所述高K介質(zhì)材料4的相對介電常數(shù)大于緩沖層3的相對介電常數(shù)；所述襯底2和溝道層7為N型摻雜，所述阻擋層5為P型摻雜，且阻擋層5與柵極兩側(cè)接觸；所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)沿垂直方向向下延伸，依次貫穿勢壘層8、溝道層7和阻擋層5并延伸入緩沖層3中；所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)由絕緣柵介質(zhì)10和被絕緣柵介質(zhì)10包圍柵電極11構(gòu)成。

進(jìn)一步的，所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾葟南轮辽现饾u增加。

進(jìn)一步的，所述絕緣柵介質(zhì)10垂直向下延伸部分的厚度從上至下逐漸增加。

進(jìn)一步的，所述高K介質(zhì)材料4從上到下由多種不同介電常數(shù)的高K介質(zhì)構(gòu)成，且從上至下介電常數(shù)依次增加。

進(jìn)一步的，其特征在于，所述高K介質(zhì)材料4底部與襯底2接觸。

進(jìn)一步的，所述絕緣柵介質(zhì)10采用的材料為Al₂O₃、HfO₂、SiO₂一種或幾種的組合。

進(jìn)一步的，所述溝道層7和勢壘層8形成異質(zhì)結(jié)。

本發(fā)明的有益效果為：

1、為充分利用GaN材料的高臨界擊穿電場特性，本發(fā)明在源電極下方引入高K介質(zhì)材料，阻斷狀態(tài)下，高K介質(zhì)對緩沖層輔助耗盡并調(diào)制縱向電場，器件可以實(shí)現(xiàn)高的關(guān)態(tài)擊穿電壓。

2、由于阻擋層及高K介質(zhì)對緩沖層進(jìn)行二維耗盡，緩沖層可以采用高摻雜的N區(qū)，從而使器件的導(dǎo)通電阻明顯降低。

3、通常由于極化產(chǎn)生的2DEG使得AlGaN/GaN材料體系是常開型溝道，本發(fā)明中采用P型摻雜的阻擋層與柵極接觸，阻擋層夾斷2DEG與緩沖層的縱向?qū)щ姕系溃瑥亩鴮?shí)現(xiàn)增強(qiáng)型，由絕緣柵電極上施加的電壓對導(dǎo)電溝道進(jìn)行控制。

附圖說明

圖1是常規(guī)橫向HEMT器件結(jié)構(gòu)。

圖2是常規(guī)縱向HEMT器件結(jié)構(gòu)。

圖3是本發(fā)明提出的具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件結(jié)構(gòu)。

圖4是本發(fā)明提出的絕緣柵極結(jié)構(gòu)橫向?qū)挾葟南轮辽现饾u增加的具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件結(jié)構(gòu)。

圖5是本發(fā)明提出的絕緣柵介質(zhì)厚度從上至下逐漸增加的具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件結(jié)構(gòu)。

圖6是本發(fā)明提出的由多種不同介電常數(shù)高K介質(zhì)材料構(gòu)成的高K介質(zhì)槽縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件結(jié)構(gòu)。

圖7是本發(fā)明提出的高K介質(zhì)材料底部與襯底接觸的高K介質(zhì)槽縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件結(jié)構(gòu)。

圖8是本發(fā)明提出的具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)縱向HEMT結(jié)構(gòu)的反向耐壓電場分布比較圖。

圖9是本發(fā)明提出的具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)縱向HEMT結(jié)構(gòu)的輸出曲線比較圖。

具體實(shí)施方式

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：

實(shí)施例1

圖3示出了一種具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件的全元胞結(jié)構(gòu)示意圖。本例器件包括：

一種具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件，包括從下至上依次層疊設(shè)置的漏電極1、襯底2、緩沖層3、阻擋層5、溝道層7和勢壘層8，源電極6穿過勢壘層8和溝道層7直達(dá)阻擋層5上表面；兩個(gè)源電極6中間設(shè)置絕緣柵極結(jié)構(gòu)；所述源電極6與絕緣柵極結(jié)構(gòu)之間的勢壘層8上表面具有介質(zhì)鈍化層9；所述源電極1和漏電極6為歐姆接觸。其特征在于，在所述源電極6下方是一個(gè)高K介質(zhì)槽，高K介質(zhì)材料4延伸至緩沖層3中且頂部與源電極6接觸；所述高K介質(zhì)材料4的相對介電常數(shù)大于半導(dǎo)體緩沖層3的相對介電常數(shù)；所述襯底2和溝道層7為N型摻雜，所述阻擋層5為P型摻雜，且阻擋層5與柵極兩側(cè)接觸；所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)沿垂直方向向下延伸，依次貫穿勢壘層8、溝道層7和阻擋層5并延伸入緩沖層3中；所述絕緣柵極結(jié)構(gòu)由絕緣柵介質(zhì)10和被絕緣柵介質(zhì)10包圍柵電極11構(gòu)成。

本發(fā)明提供的具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件緩解了傳統(tǒng)縱向GaN HEMT器件耐壓與導(dǎo)通電阻的矛盾關(guān)系。反向阻斷狀態(tài)下，高K介質(zhì)對緩沖層輔助耗盡并調(diào)制縱向電場，提升器件關(guān)態(tài)擊穿電壓；同時(shí)，由于高K介質(zhì)槽的引入，緩沖層被阻擋層及高K介質(zhì)槽二維耗盡而提高其摻雜濃度，顯著降低器件的導(dǎo)通電阻，從而保證了器件具有很好的正向電流驅(qū)動(dòng)能力。

實(shí)施例2

與實(shí)施例1相比，本例器件的絕緣柵極結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾葟南轮辽现饾u增加，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖4所示。絕緣柵極結(jié)構(gòu)的橫向?qū)挾葟南轮辽现饾u增加，可以有效緩解曲率效應(yīng)，避免電場集中導(dǎo)致器件提前擊穿，提升器件擊穿電壓。

實(shí)施例3

與實(shí)施例1相比，本例器件的絕緣柵介質(zhì)10垂直向下延伸部分的厚度從上至下逐漸增加，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖5所示。絕緣柵介質(zhì)厚度從上至下逐漸增加可以有效地減小柵電容，提高器件的動(dòng)態(tài)性能，但柵的積累效果會受到削弱。

實(shí)施例4

與實(shí)施例1相比，本例器件的高K介質(zhì)材料4從上到下由兩種及以上不同介電常數(shù)的高K介質(zhì)構(gòu)成，且從上至下介電常數(shù)增加，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖6所示。采用多種高K介質(zhì)材料且介電常數(shù)從上至下增加，可以更加有效的對緩沖層進(jìn)行輔助耗盡調(diào)制縱向電場，從而進(jìn)一步的提升器件擊穿電壓。

實(shí)施例5

與實(shí)施例1相比，本例器件的高K介質(zhì)材料4底部與襯底2接觸，其他結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，如圖7所示。高K介質(zhì)貫穿整個(gè)緩沖層，可以更加有效的對整個(gè)緩沖層進(jìn)行輔助耗盡，調(diào)制體內(nèi)縱向電場提升器件關(guān)態(tài)擊穿電壓。

本發(fā)明的上述幾種實(shí)施例所描述的具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件，可以采用GaN、AlN、AlGaN、InGaN、InAlN中的一種或幾種的組合作為襯底2、緩沖層3、阻擋層5、溝道層7和勢壘層8的材料；對于鈍化層9，業(yè)界常用的材料為SiN_x，也可采用Al₂O₃，AlN等介質(zhì)材料，絕緣柵介質(zhì)10可采用與鈍化層相同的材料；源電極6、漏電極1一般采用金屬合金，常用的有Ti/Al/Ni/Au或Mo/Al/Mo/Au等；柵電極11一般采用功函數(shù)較大的金屬合金，例如Ni/Au或Ti/Au等。

圖8、圖9分別是本發(fā)明提出的具有高K介質(zhì)槽的縱向增強(qiáng)型MIS HEMT器件結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)縱向MIS HEMT結(jié)構(gòu)的反向耐壓時(shí)電場分布比較圖和輸出曲線比較圖。采用Sentaurus TCAD軟件進(jìn)行仿真，兩種結(jié)構(gòu)在器件縱向尺寸均為11.2μm，橫向尺寸均為4μm，緩沖層厚度均為10μm，高K介質(zhì)材料相對介電常數(shù)為60的條件下，本發(fā)明所提出的結(jié)構(gòu)的擊穿電壓從傳統(tǒng)縱向MIS HEMT的1283V提高到1993V，擊穿電壓提高55％；本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通電阻從傳統(tǒng)縱向MIS HEMT的1.22mΩ·cm²降低至0.61mΩ·cm²，導(dǎo)通電阻降低50％。