[发明专利]一种具有新型栅结构的栅控半导体器件

说明书

技术领域

本发明涉及半导体高频功率器件和高压器件，特别涉及栅控半导体器件的高频功率领域。

背景技术

肖特基栅的栅控能力较强，器件频率特性较好，但是其栅漏电和击穿特性较差，广泛应用于微波领域；介质栅的栅漏电较小，击穿特性较好，但是其栅控能力差，频率特性较差，广泛应用于高压领域。

肖特基栅通过势垒层直接控制沟道，对沟道的控制能力强，跨导较大，从而频率特性较好，肖特基栅III族氮化物高电子迁移率晶体管（HEMT）结构如图1所示。从文献：M.A.Khan, J.N.Kuznia, D.T.Olson, et al., Microwave performance of a 0.25mm gate AlGaN/GaN heterostructure field effect transistor, Appl.Phs.Lett., 1994,65(9):1121-1123 提出0.25mm栅长，截止频率（fT）和最大振荡频率（fmax）分别为11GHz和35GHz的AlGaN/GaN HEMT开始，各学者不断缩小器件尺寸等优化寄生参量来提高AlGaN/GaN HEMT频率。追求频率指标的器件结构都是应用肖特基栅控制沟道，文献：K.Shinohara, D.Regan, A.Brown, et al., Self-Aligned-Gate GaN-HEMTs with Heavily-Doped n+-GaN Ohmic Contacts to 2DEG, IEDM., 2012: 617-620 已将GaN基HEMT f_T和f_max分别提高到了342 GHz和518GHz。

但是肖特基栅的栅泄露电流较大，击穿特性差；引入介质栅是降低泄露电流的有效方法之一，介质栅HEMT结构如图2所示。文献： 1.8 kV AlGaN/GaN HEMTs with High-k/Oxide/SiN MIS Structure（Yagi S, Shimizu M, Okumura H, et al, 2007 19th International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC's (ISPSD '07), 261-264）分别以HfO₂/SiO₂/SiN和ZrO₂/SiO₂/SiN作为绝缘栅介质，将栅漏间距28mm的HMET击穿电压提高到了1.8kV和1.7kV。

但是，绝缘栅介质增加了栅到沟道的距离，跨导会降低，从而影响器件的频率特性。

发明内容

为了缓解半导体器件击穿电压和频率的矛盾关系，本发明提供了一种具有新型栅结构的栅控半导体器件，采用沿栅宽方向肖特基栅和介质栅交替出现的新型栅结构，利用介质栅降低泄露电流，同时利用肖特基栅提高栅控能力，从而提高了器件的整体性能。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种具有新型栅结构的栅控半导体器件，自下而上包括衬底、中间层和栅结构，所述栅控半导体器件的栅结构沿栅宽方向由介质栅和肖特基栅交替连接组成；所述介质栅的数目n1和肖特基栅的数目n2均为大于等于1的整数。

所述介质栅的宽度d1范围为：1nm≤d1≤10mm。

所述为肖特基栅的宽度d2范围为：1nm≤d2≤10mm。

所述肖特基栅为平面栅或者凹槽栅，所述介质栅为平面栅或者凹槽栅。

各介质栅的栅介质的厚度h相等，且h大于0nm且小于等于1mm。

所述介质栅和肖特基栅所用金属为相同金属。

所述栅控半导体器件为Si栅控器件、III族氮化物栅控器件、GaAs栅控器件、金刚石栅控器件、石墨烯栅控器件、Ge栅控器件或InP栅控器件。

采用上述技术方案取得的技术进步为：本发明很好的解决了半导体器件击穿电压和工作频率间的矛盾，在阻断状态下，利用介质栅减小栅泄露电流，提高器件的击穿电压；在工作状态下，利用肖特基栅增加栅控能力，提高器件工作频率；这样器件的击穿电压和工作频率同时被提高了，也就提高了器件的整体性能；本发明的制作工艺与常规介质栅工艺相同，只需改变刻蚀栅介质的光刻版，不增加工艺步骤和成本。

附图说明

图1为肖特基栅III族氮化物HEMT的结构示意图；

图2为介质栅III族氮化物HEMT的结构示意图；

图3为本发明实施例1的结构示意图；