阅读说明：本技术 一种具有部分下沉沟道的4H-SiC金属半导体场效应晶体管 (4H-SiC metal semiconductor field effect transistor with partial sinking channel ) 是由 贾护军 董梦宇 王笑伟 朱顺威 杨银堂 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及场效应晶体管技术领域,公开了一种具有部分下沉沟道的4H-SiC金属半导体场效应晶体管,自下而上包括4H-SiC半绝缘衬底、P型缓冲层和N型沟道层,所述N型沟道层的上方分别为源极帽层和漏极帽层,所述源极帽层和漏极帽层表面分别是源电极和漏电极,所述N型沟道层上方靠近源极的一侧形成栅电极,栅极与源极之间是轻掺杂区域,所述轻掺杂区域下方是部分下沉沟道的重掺杂区域,高栅下方与漏极之间为绝缘区域。本发明场效应晶体管具有高的击穿电压的同时还能保持高饱和电流与跨导,实现了较高的PAE。(The invention relates to the technical field of field effect transistors, and discloses a 4H-SiC metal semiconductor field effect transistor with a partial sinking channel, which comprises a 4H-SiC semi-insulating substrate, a P-type buffer layer and an N-type channel layer from bottom to top, wherein a source electrode cap layer and a drain electrode cap layer are respectively arranged above the N-type channel layer, the surfaces of the source electrode cap layer and the drain electrode cap layer are respectively a source electrode and a drain electrode, a gate electrode is formed on one side, close to the source electrode, above the N-type channel layer, a lightly doped region is arranged between the gate electrode and the source electrode, a heavily doped region of the partial sinking channel is arranged below the lightly doped region, and an insulating region is arranged between the lower part of the high gate electrode and the drain electrode. The field effect transistor has high breakdown voltage, can keep high saturation current and transconductance and realizes higher PAE.)

一种具有部分下沉沟道的4H-SiC金属半导体场效应晶体管

技术领域

本发明涉及场效应晶体管技术领域，具体涉及一种具有部分下沉沟道的4H-SiC金属半导体场效应晶体管。

背景技术

SiC功率器件的出现大大提升了半导体器件的性能，这对电力电子行业的发展意义重大。与Si器件相比，SiC功率器件可以有效实现电力电子系统的高效率、小型化和轻量化。据了解，SiC功率器件的能量损耗只有Si器件的一半，发热量只有Si器件的一半，且有更高的电流密度。在相同功率等级下，SiC功率模块的体积显著小于Si功率模块。SiC在微波功率器件，尤其是金属半导体场效应晶体管(MESFET)的应用中占有主要地位。SiCMESFET非常适合在雷达发射机中使用；使用它可显著提高雷达发射机的输出功率和功率密度，提高工作频率和工作频带宽度，提高雷达发射机的环境温度适应性，提高抗辐射能力。

传统的4H-SiCMESFET的结构为双凹栅结构，如图1所示，从下到上依次是：4H-SiC半绝缘衬底、P型缓冲层、N型沟道层和N+帽层，通过对传统结构沟道形状以及栅极形状改变能够使器件性能得到提升。例如，CN105118867A公开了一种具有部分下沉沟道的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，N型沟道层上方且靠近源级帽层一侧形成栅电极，靠近源级帽层侧的部分栅电极向下凹陷，形成凹栅结构，栅电极与漏极帽层之间形成凹陷栅漏漂移区，P缓冲层上端面靠近漏极帽层处与凹栅漏侧之间形成凹陷栅漏缓冲层，凹陷栅漏漂移区的凹陷深度与凹陷栅漏缓冲层的凹陷深度相同，该方案具有漏极输出电流大、击穿电压高、频率特性优良的优点。

然而现有改进对器件性能的提升有限，许多改善结构在提升器件跨导的同时降低了器件击穿电压，提高器件击穿电压的同时又降低了器件饱和电流，提高器件饱和电流的同时又降低器件的频率特性，即提升器件某一方面性能的时候往往伴随着某一方面性能的降低。这种矛盾关系严重影响了器件性能的提升。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种具有部分下沉沟道的4H-SiC金属半导体场效应晶体管。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有部分下沉沟道的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，自下而上包括4H-SiC半绝缘衬底、P型缓冲层和N型沟道层，所述N型沟道层的上方分别为源极帽层和漏极帽层，所述源极帽层和漏极帽层表面分别是源电极和漏电极，所述N型沟道层上方靠近源极的一侧形成栅电极，栅极与源极之间是轻掺杂区域，所述轻掺杂区域下方是部分下沉沟道的重掺杂区域，高栅下方与漏极之间为绝缘区域。

优选的，所述轻掺杂区域高度为0.15μm，宽度为0.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3。

优选的，所述重掺杂区域的高度为0.2μm，宽度为0.5μm，掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3。

优选的，所述绝缘区域高度为0.05μm，宽度为1.5μm。

优选的，所述栅电极，其栅源间距为0.5μm，栅漏间距为1.0μm，栅长为0.7μm。

优选的，所述绝缘区域采用的是材料为氮化硅(Si₃N₄)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明场效应晶体管具有非常高的击穿电压的同时还能保持高饱和电流与跨导，实现了较高的PAE。具体地：

(1)本发明场效应晶体管，由于绝缘区域的存在，沟道内电场的分布得到了改善，使得电场集边效应得到减弱，对栅极右侧起到了保护作用，因此击穿电压得到了显著提高；

(2)本发明场效应晶体管，由于绝缘区域使得部分沟道变窄，引入了部分沟道下沉的重掺杂区域，在下沉区域进行重掺杂有效的减小了由于沟道内重掺杂区域过大所带来的栅源电容变大的现象，该重掺杂区域的存在大大提高了器件的饱和电流，饱和电流的提高带来了器件跨导的提升，并且可以使器件获得更大的功率附加效率；

(3)本发明场效应晶体管，部分沟道下沉的重掺杂区域与栅源之间轻掺杂区域的存在，使得器件跨导提高的同时又抑制了栅源电容的增加，使得器件的PAE显著提高同时还可以保持良好的频率特性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为传统的4H-SiCMESFET的双凹栅结构；

图2为本发明具有部分下沉沟道的4H-SiC金属半导体场效应晶体管结构示意图；

图中附图标记：1为4H-SiC半绝缘衬底，2为P型缓冲层，3为N型沟道层，4为源极帽层，5为漏极帽层，6为源电极，7为漏电极，8为栅电极，9为轻掺杂区域，10部分沟道下沉的重掺杂区域，11为绝缘区域。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图2所示，一种具有部分下沉沟道的4H-SiC金属半导体场效应晶体管，其结构自下而上包括4H-SiC半绝缘衬底1，宽度为0.5μm，掺杂浓度为1.4×10¹⁵cm^-3的P型缓冲层2，宽度为0.25μm，掺杂浓度为3×10¹⁷cm^-3的N型沟道层3，N型沟道层3的上方分别为源极帽层4和漏极帽层5，源极帽层4和漏极帽层5表面分别是源电极6和漏电极7，N型沟道层3上方靠近源极的一侧形成栅电极8，其中栅源间距为0.5μm，栅漏间距为1.0μm，栅长为0.7μm，栅极与源极之间是轻掺杂区域9，轻掺杂区域下方是部分下沉沟道的重掺杂区域10，高栅下方与漏极之间是一块氮化硅(Si₃N₄)材料的的绝缘区域11。

本实施例中，所述的轻掺杂区域9的高度为0.15μm，宽度为0.5μm，掺杂浓度为1×10¹⁷cm^-3；所述的部分下沉沟道的重掺杂区域10的高度为0.2μm，宽度为0.5μm，掺杂浓度为1×10²⁰cm^-3；所述的绝缘区域11的高度为0.05μm，宽度为1.5μm。

在同一仿真环境和同一仿真条件下(V_gs＝0V，V_ds＝40V)，对实施例1具有部分下沉沟道的4H-SiC金属半导体场效应晶体管、传统的双凹栅结构(L_GS＝0.5μm，L＝0.7μm，L_ds＝1.0μm，L0＝0.35μm，H1＝0.3μm，H2＝0.25μm，H3＝0.20μm)和CN105118867A公开的具有部分下沉沟道的4H-SiC金属半导体场效应晶体管的仿真结果如下表所示：

	双凹栅结构	CN105118867A	实施例1
				饱和电流	449.5mA/mm	525.6mA/mm	603.6mA/mm
击穿电压	110.8V	130.6V	162.2V
				跨导	61.1mS/mm	59.7mS/mm	66.5mS/mm

由上表数据可以看到，CN105118867A在双凹栅结构的基础上，将栅极至漏极之间的沟道整体下沉，一定程度上提高了器件的饱和电流以及击穿电压，但是对器件跨导带来一些不利影响，使器件跨导有些许降低；本发明结构进一步提高了器件的饱和电流和击穿电压，并且消除了对跨导的不利影响，使得器件跨导有所提高，以便获得更高的功率附加效率。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。