[发明专利]栅边缘凹槽型源场板结构高电子迁移率晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种高电子迁移率晶体管（High Electron Mobility Transistor, HEMT），特别涉及一种在栅漏区栅极边缘形成沟槽的栅边缘凹槽型源场板结构的高电子迁移率晶体管，该高电子迁移率晶体管可作为微波、毫米波通讯系统以及雷达系统的基本器件，属于半导体器件领域。

背景技术

在化合物半导体电子器件中，高电子迁移率晶体管(HEMT)是应用于高频大功率场合最主要的电子器件。这种电子器件依靠半导体异质结中具有量子效应的二维电子气(2DEG)形成导电沟道，2DEG的密度、迁移率和饱和速度等决定了该器件的电流处理能力。与第2代半导体材料砷化镓（GaAs）相比，Ⅲ族氮化物材料(GaN，AlN，InN)中第三代半导体材料氮化镓（GaN）在材料性质方面具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、热导率高、抗辐照能力强等优势，因此GaN HEMT的高频、耐压、耐高温、耐恶劣环境的能力很强；而且Ⅲ族氮化物材料(GaN，AlN，InN)具有很强的自发和压电极化效应，可显著提高HEMT材料结构中2DEG的密度。

基于Ⅲ族氮化物材料(GaN，AlN，InN)的HEMT，已被广泛应用于微波、毫米波通讯系统和雷达系统等领域，它自从诞生之日起便成为众多研究者的研究热点。1993年，Khan等人成功研制并报道了第一只AlGaN/GaN 异质结高电子迁移率晶体管，参见[High electron mobility transistor based on a GaN-Al_xGa_1-xN heterojunction , Applied Physics Letters, Vol.63, No.9, pp.1214-1215,1993]，但是其性能指标还远不够理想。目前，已公开的GaN HEMT在Ka波段的输出功率密度可达10W/mm，参见[55% PAE and High Power Ka-Band GaN HEMTs with Linearized Transconductance via GaN Source Contact Ledge, Electron Device Letters, vol. 29, pp. 834 - 837, 2008]。GaN HEMT器件性能得到飞速提高的原因包括其材料质量的提高和器件工艺的改进，特别是各种新器件结构的采用。

由于HEMT工作时其势垒区耗尽层中的电场线分布不均匀，栅极靠近漏极一侧的边缘往往聚集大部分的电场线，因此该处有一个相当高的电场峰值。该处的高电场会使得栅极泄漏电流增大，导致其可靠性变差；另外该处的高电场容易导致器件发生雪崩击穿，从而使得该类器件的高击穿电压和高功率密度等优势得不到充分发挥。为此，有研究者采用栅场板结构对其进行了改进，参见[30-W/mm GaN HEMTs by field plate optimization, Electron Device Letters, vol. 25, pp. 117 - 119, 2004]。其基本原理是：所述栅场板将部分原本收集在靠近漏极一侧的栅极边缘的电场线收集到场板上，结果在靠近漏极一侧的栅极边缘和靠近漏极一侧的场板边缘分别出现一个电场峰值，从而减少了靠近漏极一侧栅极边缘收集的电场线，降低了该处的电场强度，进而减小了栅极泄漏电流；同时器件击穿电压也得到提高。引入栅场板的缺点是增大了栅漏反馈电容，使所述器件功率增益有所降低，为了补偿栅场板引入所导致的增益降低，有学者采用凹槽栅结构来增大器件的跨导，即在栅极下方势垒层刻蚀凹槽，从而提高了器件的功率增益，参见[A 149W recessed-gate AlGaN/GaN FP-FET, Microwave Symposium Digest, 2004 IEEE MTT-S International ,vol. 3, pp. 1351 - 1354,2004HEMTHEMT]。但是采用在栅极下方势垒层刻蚀形成凹槽这种结构，会显著降低器件电流密度，从而影响器件的功率性能。2004年，Y. F. Wu等人又报道了采用源场板的GaN HEMT，由于场板与源极相连，则场板到沟道电容变为漏源电容，使得由于场板引入的额外的栅漏电容得以消除，参见[High-gain microwave GaN HEMTs with source-terminated field-plates, IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 1078 - 1079 , December 2004]。