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      一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件的制作方法

      文檔序號(hào):9632664閱讀:401來(lái)源:國(guó)知局
      一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件的制作方法
      【專(zhuān)利說(shuō)明】-種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件 【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001] 本發(fā)明設(shè)及一種半導(dǎo)體器件,特別設(shè)及一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器 件。 【【背景技術(shù)】】
      [0002] GaN基材料作為第S代半導(dǎo)體材料,由于其突出的材料特性,已成為現(xiàn)代國(guó)際上研 究的熱點(diǎn)。GaN材料特有的異質(zhì)結(jié)極化效應(yīng)W及GaN材料的高電子飽和速度,使得GaN基 HEMT器件成為良好的微波功率器件。而隨著無(wú)線通信市場(chǎng)的快速發(fā)展W及傳統(tǒng)軍事應(yīng)用的 持續(xù)發(fā)展,微波器件在人類(lèi)生活及工作的許多方面扮演著重要的角色。
      [0003] GaN基HEMT器件的常規(guī)結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括襯底1'、襯底r上自下而上依次為 GaN緩沖層3'和勢(shì)壘層5',在所述勢(shì)壘層5'上為源漏電極7'和柵電極9',源漏電極為兩 個(gè)分別在柵電極的兩側(cè),所述勢(shì)壘層為AlGaN或其他化合物材料,在源漏電極和柵電極之 間的勢(shì)壘層上還有純化層。所述GaN緩沖層和勢(shì)壘層形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),在該異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)上, 由于壓電極化和自發(fā)極化效應(yīng),會(huì)在勢(shì)壘層和緩沖層的交接處,較靠近緩沖層的位置,形成 一層帶負(fù)電的二維電子氣,由于能帶的關(guān)系,二維電子氣具有一定限域性。因此,當(dāng)源漏電 極存在電壓差時(shí),電子就會(huì)在該二維平面上根據(jù)電勢(shì)方向移動(dòng),形成電流。同時(shí),通過(guò)柵電 極施加一定負(fù)電壓,能夠耗盡電子,獲得器件的開(kāi)關(guān)控制。
      [0004] 應(yīng)用于微波功率放大器的GaN基肥MT器件,柵電極結(jié)構(gòu)通常為T(mén)型,如圖2所示, 與勢(shì)壘層接觸的柵長(zhǎng)較小,W保證具有較高的微波截止頻率片(或稱(chēng)電流截止頻率),同時(shí) 柵沿電流傳導(dǎo)方向的截面積較大,W保證具有較小的柵極分布寄生電阻,從而提高最大振 蕩頻率(或稱(chēng)增益截止頻率)。而相較于f T更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,更能夠決定器件 的實(shí)際最高工作頻率。因此T型柵結(jié)構(gòu)能獲得均衡的片和f MM值,獲得更好的器件的整體 工作性能。
      [0007] 其中,氏為本征溝道電阻,R g為源極寄生電阻,Rg為柵極分布寄生電阻,Rds為漏極 輸出電阻,Cgd為柵極-漏極本征電容,g m為跨導(dǎo),C g為柵極本征電容。
      [0008] 為了進(jìn)一步改善HEMT器件的性能,有人提出了一種新的HEMT結(jié)構(gòu),如圖3所示。 通過(guò)引入娃基CMOS中的Fin-FET概念,構(gòu)建GaN基的Fin-HEMT器件。由于加入了 Fin結(jié) 構(gòu),并且在Fin的兩側(cè)有柵電極覆蓋,能夠得到更好的柵控效果。經(jīng)過(guò)測(cè)試,采用Fin結(jié)構(gòu) 的HEMT器件,飽和輸出電流提高了=倍,跨導(dǎo)提高了四倍,亞闊值特性得到顯著改善,獲得 了更大的電流開(kāi)關(guān)比,可W說(shuō)各項(xiàng)參數(shù)均有大幅提高。因此,F(xiàn)in-HEMT器件具有非常廣闊 的應(yīng)用前景。
      [0009] 由于Fin-HEMT器件已證明了其飽和電流、跨導(dǎo)等關(guān)鍵特性大幅提高,因此如果將 其應(yīng)用于微波領(lǐng)域,必然會(huì)使器件的微波和功率性能有大幅的提升,體現(xiàn)在幾個(gè)主要指標(biāo) 就是兩個(gè)頻率指標(biāo)片Jmax和輸出功率,輸出功率如下式(4):
      W11] 其中,Idss即為漏極飽和電流,F(xiàn)in結(jié)構(gòu)會(huì)減低膝點(diǎn)電壓V k。。。,同時(shí)不影響VeK,因此 輸出功率化Ut增加了。同時(shí),F(xiàn)in肥MT結(jié)構(gòu)也能提高跨導(dǎo)gm,根據(jù)(1)(2)式,必然會(huì)提高 片、fwAXo
      [0012] 但是,運(yùn)種Fin-HEMT器件,器件柵寬只是等于Fin上表面的寬度XFin個(gè)數(shù),因 此器件柵寬方向的實(shí)際柵金屬長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于器件柵寬,設(shè)Fin深度為t,F(xiàn)in間隙為W,F(xiàn)in上 表面寬度為Wg,個(gè)數(shù)為n,則對(duì)于同樣器件柵寬、同樣?xùn)沤饘俳孛娣e的常規(guī)HEMT器件來(lái)說(shuō), Fin-HEMT器件的實(shí)際柵金屬長(zhǎng)度對(duì)于的器件柵寬的比例r為:
      [0014] 相當(dāng)于將Fin-HEMT器件的柵極分布寄生電阻增大了 r倍,降低了器件的微波特 性,見(jiàn)式(1)。因此,目前的Fin-HEMT器件,如果應(yīng)用于微波功率放大器中,最主要的問(wèn)題就 是柵極分布寄生電阻Rg過(guò)大帶來(lái)的器件性能下降。
      [0015] 鑒于W上技術(shù)問(wèn)題,實(shí)有必要提供一種新的HEMT器件結(jié)構(gòu),應(yīng)用于微波功率放大 器中,不增加?xùn)艠O分布寄生電阻Rg的情況下,提高HEMT器件的性能。 【
      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0016] 本發(fā)明提供了一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-肥MT器件,采用T-gate結(jié)構(gòu)同時(shí) 結(jié)合Fin結(jié)構(gòu),W提高器件柵控能力,降低器件的柵極分布寄生電阻,提高HEMT器件的最大 振蕩頻率fm。、,進(jìn)而提高器件的整體微波功率特性。 陽(yáng)017] 本發(fā)明采用W下技術(shù)方案:
      [0018] 一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件,在HEMT器件的異質(zhì)結(jié)平面材料上通 過(guò)光刻形成有平行且間隔設(shè)置的多個(gè)Fin,在該Fin上設(shè)置有T型結(jié)構(gòu)的柵。
      [0019] 上述柵包括柵頭和柵腳,所述柵腳的上表面為平面,下表面為梳齒形狀,梳齒中的 每個(gè)齒剛好填充在相鄰Fin之間的空隙。
      [0020] 上述柵包括柵頭和柵腳,所述柵腳的最大高度大于Fin結(jié)構(gòu)的高度。
      [0021] 上述柵包括柵頭和柵腳,所述柵腳的上表面高于Fin結(jié)構(gòu)的上表面。
      [0022] 所述柵頭為平板狀結(jié)構(gòu),柵頭的下表面接觸柵腳的上表面。
      [0023] 所述柵設(shè)置在Fin結(jié)構(gòu)的中屯、位置或者偏置放置。
      [0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明至少具有W下有益效果:在Fin-HEMT器件中加入本發(fā)明 提出的T型柵結(jié)構(gòu),能夠有效提高沿電流傳導(dǎo)方向的柵截面積,同時(shí)柵腳的梳齒結(jié)構(gòu)有效 降低了Fin-HEMT器件的實(shí)際柵金屬長(zhǎng)度,縮短了電流在T型柵金屬的傳導(dǎo)距離,有效減小 柵極分布寄生電阻,提高器件的微波性能。 【【附圖說(shuō)明】】 陽(yáng)02引圖1是GaN肥MT器件的常規(guī)結(jié)構(gòu)示意圖。
      [00%] 圖2為應(yīng)用于微波功率放大器的GaN基HEMT器件,其中,柵電極結(jié)構(gòu)為T(mén)型。
      [0027] 圖3是一種引入娃基CMOS中的Fin-FET概念的HEMT結(jié)構(gòu)。
      [0028] 圖4是本發(fā)明提出的基于GaN-HEMT器件結(jié)構(gòu)圖。
      [0029] 圖5是本發(fā)明提出的基于GaN-HEMT器件俯視圖。
      [0030] 圖6是圖5中C方向的示意圖。
      [0031] 圖7是圖5中D方向的示意圖。
      [0032] 圖8是本發(fā)明器件的加工工藝流程圖(從俯視圖的角度)。
      [0033] 圖9是本發(fā)明器件的加工工藝流程圖(圖6中A方向的剖視圖)。
      [0034] 圖10是本發(fā)明器件的加工工藝流程圖(圖6中B方向的剖視圖)。 【【具體實(shí)施方式】】
      [0035] 請(qǐng)參閱圖4至圖6所示,本發(fā)明的一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件,采用 T型柵結(jié)構(gòu)結(jié)合Fin器件結(jié)構(gòu),具體包括襯底1、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)3、形成在異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)上的Fin 結(jié)構(gòu)5、柵頭73和柵腳71,其中,F(xiàn)in結(jié)構(gòu)5包括多個(gè)平行且間隔設(shè)置的Fin,柵腳71為梳 齒結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)上表面為平面,與柵頭的下表面接觸,柵腳下表面為梳齒形狀,梳齒中的每 個(gè)齒剛好填充在相鄰Fin之間的空隙,所述柵腳71的高度大于Fin結(jié)構(gòu)的高度,因此,柵腳 的上表面高于Fin結(jié)構(gòu)5的上表面;所述柵頭為平板狀結(jié)構(gòu),且柵頭的下表面接觸柵腳的上 表面。柵頭和柵腳共同構(gòu)成T型結(jié)構(gòu)的柵,柵設(shè)置在Fin結(jié)構(gòu)的中屯、位置或者偏置放置。
      [0036] 設(shè)定Fin結(jié)構(gòu)延伸的方向?yàn)閄方向,柵頭的延伸方向?yàn)閅方向(該方向?yàn)闁艠O電 流傳導(dǎo)方向),與X方向和Y方向均垂直的方向?yàn)閆方向,則X方向?yàn)閷挾确较?,Y方向?yàn)殚L(zhǎng) 度方向,Z方向?yàn)楦叨确较?。柵頭7的寬度大于柵腳5的寬度。從X方向的截面看,柵頭和 柵腳形成T型結(jié)構(gòu)的柵電極。
      [0037] 本發(fā)明的工藝步驟如下:
      [0038] 步驟(1):在GaN異質(zhì)結(jié)平面材料上,采用電子束光刻工藝形成Fin結(jié)構(gòu);
      [0039] 步驟(2):在步驟(1)得到的器件表面涂覆第一光刻膠,具體地說(shuō),在GaN異質(zhì)結(jié) 平面材料上涂覆第一光刻膠,使第一光刻膠填滿相鄰Fin之間的間隙直至第一光刻膠完全 覆蓋Fin結(jié)構(gòu)的上表面;
      [0040] 步驟(3):在第一光刻膠的上表面涂覆第二光刻膠,保證第二光刻膠完全覆蓋第 一光刻膠;
      [0041] 步驟(4):在第二光刻膠的表面進(jìn)行二次曝光,其中,第一次曝光的曝光劑量保證 第一光刻膠和第二光刻膠同時(shí)發(fā)生反應(yīng),第二次曝光的曝光劑量保證僅上層的第二光刻膠 發(fā)生反應(yīng)而第一光刻膠不發(fā)生反應(yīng),且第一次曝光的曝光窗口區(qū)域包含于第一次曝光的曝 光窗口區(qū)域之內(nèi); W42] 步驟巧):在步驟(4)形成的器件表面沉積金屬,在步驟(4)形成的窗口區(qū)域內(nèi)沉 積形成T型結(jié)構(gòu)的柵金屬;沉積金屬采用電子束蒸發(fā)工藝;
      [0043] 步驟化):采用剝離工藝將第一光刻膠、第二光刻膠,W及第二光刻膠表面多余的 金屬剝離掉,獲得T型結(jié)構(gòu)的柵金屬。
      [0044] 本發(fā)明結(jié)構(gòu),首先在Fin-HEMT器件中加入了 T型柵結(jié)構(gòu),能夠有效提高沿柵電流 傳導(dǎo)方向的柵金屬截面積,同時(shí)由于柵極電流主要在T型柵金屬的上層傳導(dǎo),柵腳的梳齒 結(jié)構(gòu)有效的降低了 Fin-HEMT器件的實(shí)際柵金屬長(zhǎng)度,縮短了電流在T型柵金屬內(nèi)的傳導(dǎo)距 離,有效減小柵極分布寄生電阻,提高器件的微波性能。
      【主權(quán)項(xiàng)】
      1. 一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件,其特征在于:在HEMT器件的異質(zhì)結(jié)平 面材料上通過(guò)光刻并刻蝕形成有平行且間隔設(shè)置的多個(gè)Fin,在該Fin上設(shè)置有T型結(jié)構(gòu)并 為梳齒狀的柵。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件,其特征在于:上 述柵包括柵頭和柵腳,所述柵腳的上表面為平面,下表面為梳齒形狀,梳齒中的每個(gè)齒剛好 填充在相鄰Fin之間的空隙。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件,其特征在 于:上述柵包括柵頭和柵腳,所述柵腳的最大高度大于Fin結(jié)構(gòu)的高度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件,其特征在 于:上述柵包括柵頭和柵腳,所述柵腳的上表面高于Fin結(jié)構(gòu)的上表面。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件,其特征在于:所 述柵頭為平板狀結(jié)構(gòu),柵頭的下表面接觸柵腳的上表面。6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件, 其特征在于:所述柵設(shè)置在Fin結(jié)構(gòu)的中心位置或者偏置放置。
      【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種基于GaN異質(zhì)結(jié)材料的Fin-HEMT器件,器件包括襯底、異質(zhì)結(jié)材料、Fin結(jié)構(gòu),以及柵金屬,所述異質(zhì)結(jié)材料設(shè)置在襯底上表面,F(xiàn)in結(jié)構(gòu)包括多個(gè)平行且間隔設(shè)置的Fin,柵金屬設(shè)置在Fin結(jié)構(gòu)上表面且采用T型結(jié)構(gòu)。本發(fā)明在Fin-HEMT器件中加入了T型柵結(jié)構(gòu),能夠有效提高沿柵電流傳導(dǎo)方向的柵金屬截面積,同時(shí)由于電流主要在T型柵金屬的上層傳導(dǎo),有效的降低了Fin-HEMT器件的實(shí)際柵金屬長(zhǎng)度,有效減小柵極分布寄生電阻,提高器件的微波性能。
      【IPC分類(lèi)】H01L29/423, H01L29/205, H01L21/335, H01L29/778, H01L21/28
      【公開(kāi)號(hào)】CN105390540
      【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510688708
      【發(fā)明人】張鵬, 宓珉翰, 何云龍, 張濛, 馬曉華, 郝躍
      【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)
      【公開(kāi)日】2016年3月9日
      【申請(qǐng)日】2015年10月21日
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