一種高電子遷移率晶體管的制作方法
【專利摘要】本發明屬于半導體器件領域，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進行優化設計，其技術方案為：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有高熱導率材料層，高熱導率材料層與勢壘層接觸。本發明通過高熱導率材料層將柵極附近有源區的熱能傳導到器件的表面，從而有效降低器件有源區的溫度，實現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
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體器件領域，特別涉及一種高電子遷移率晶體管。
【背景技術】
[0002]高電子遷移率晶體管器件(化合物半導體器件)，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域應用，是射頻和微波應用中最具應用潛力的半導體器件之一。而現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良的性能得到廣泛的關注和研究。
[0003]目前，鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質結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，其結構的剖面示意圖如圖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。當器件工作于一定的偏執條件下時，由于器件耗散功率及其導熱性能較差的襯底，在導電溝道上會積累大量的熱量，熱量得不到及時移除，必然會引起自熱效應。輕微的自熱效應會導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，從而導致器件的射頻、微波性能的嚴重退化；嚴重的自熱效應還會導致器件的功能失效，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進行優化設計成為了我們研究的重點。
【發明內容】
[0004]本發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，提供了一種高電子遷移率晶體管。本發明在柵極與鈍化層之間添加一種高熱導率材料，形成高熱導率材料層，通過該高熱導率材料層將柵極附近有源區的熱能傳導到器件的表面，從而有效降低器件有源區的溫度，實現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]本發明采用的技術方案為: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有高熱導率材料層，高熱導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，勢壘層為鋁鎵氮勢壘層；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勢壘層上，其中鈍化層為氮化硅材料。
[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率材料的多重薄層；一般要求材料的熱導率K值大于100 [ff/ (m.K)]，所采用材料的熱導率越高，越有助于克服高電子遷移率晶體管的自熱效應。所述的高熱導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]本發明提供的高電子遷移率晶體管，高熱導率材料層與有源層(勢壘層)直接接觸，通過熱傳導作用，將柵極附近的熱能傳導到器件的表面；由于該高熱導率材料具有非常高的導熱系數，可以將柵極附近的熱點(溫度的最高值點)變得相對平緩，同時大幅度的將柵極附近的溫度降低；并且有源區的熱能有很大一部分直接經由高熱導率材料層導出，襯底以及成核層和溝道層的溫度都會明顯的降低，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)異質結高電子遷移率晶體管的剖面結構示意圖。
[0010]圖2是鋁鎵氮/氮化鎵異質結高電子遷移率晶體管的有源區的溫度分布示意圖，其中y (um)表示以源極為零點，到漏極之間的距離。
[0011]圖3是鋁鎵氮/氮化鎵異質結高電子遷移率晶體管的剖面溫度分布示意圖。
[0012]圖4是本發明實施例1高電子遷移率晶體管的剖面結構示意圖。
[0013]圖5是本發明實施例1高電子遷移率晶體管的有源區的溫度分布示意圖，其中y(um)表示以源極為零點，到漏極之間的距離。
[0014]圖6是本發明實施例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是本發明其他實施方式高電子遷移率晶體管剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例，詳細描述本發明的技術方案。
[0017]實施例1
[0018]本實施例高電子遷移率晶體管的結構示意圖如圖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納米的鋁鎵氮勢壘層；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勢壘層上，其中鈍化層為氮化硅材料；柵極兩側與氮化硅鈍化層之間設置高熱導率材料層為金剛石，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行模擬仿真，其中襯底底面溫度設置為常溫300K，四個側面全部設置為絕緣條件，頂部設置為開邊界，開邊界的初始溫度為300K，即當上表面溫度高于300K時，可以與外界進行換熱。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定熱源在柵極下面的有源區。在相同參數條件下，傳統鋁鎵氮/氮化鎵(AlGaN/GaN)異質結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溫度變化趨勢比較平緩，如圖5、圖6所示。同時，仿真結果表明，當器件的溝道的最高溫度達到386K的時候，傳統鋁鎵氮/氮化鎵異質結高電子遷移率晶體管功耗為0.5W，而本發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明顯改善。由此可以看出，本發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，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定性。
[0020]其他實施方式中，由于高電子遷移率晶體管的熱點(器件溝道的最高溫度點)處于柵極偏漏極一側，所以高熱導率材料層可僅設置于柵極偏漏極一側，如圖7所示。另外，高熱導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有高熱導率材料層，高熱導率材料層與勢壘層接觸。
2.按權利要求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率材料的多重薄層。
4.按權利要求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 優先權日:2013年9月9日
【發明者】周偉, 吳杰, 劉紹斌 申請人:電子科技大學