CN101410985A - 高效率和/或高功率密度宽带隙晶体管 - Google Patents

高效率和/或高功率密度宽带隙晶体管 Download PDF

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Abstract

提供一种至少在4GHz的频率处操作时，具有功率密度大于40W/mm的场效应晶体管。可以在135V的漏极电压的条件下具有至少40W/mm的功率密度。还提供在10GHz操作时，在漏极偏压从28V到48V的情况下，具有大于60％的PAE且功率密度至少为5W/mm的晶体管。

Description

高效率和/或高功率密度宽带隙晶体管
技术领域
本发明涉及一种半导体器件以及，更具体地，涉及一种宽带隙晶体管。
背景技术
例如硅(Si)和砷化镓(GaAs)的材料已经在半导体器件中得到了广泛的应用。可是，这些很常见的半导体材料不能充分地适用于较高功率和/或高频率应用，因为它们相对小的带隙(例如，在室温下，Si为1.12eV以及GaAs为1.42)和/或它们相对小的击穿电压。
因此，对高功率、高温和/或高频率应用和器件的关注点开始转向宽带隙半导体材料，例如碳化硅(在室温下，阿尔法SiC为2.996eV)和III族氮化物(例如，在室温下，GaN为3.36eV)。与砷化镓和硅相比，这些材料典型地具有较高电场击穿强度和较高电子饱和速度。
特别适用于高功率和/或高频率应用的器件是高电子迁移率晶体管(HEMT)，在某些情况下，其还被称为调制掺杂场效应晶体管(MODFET)。这些器件可以在许多情况下提供操作优势，因为二维电子气(2DEG)形成在具有不同带隙能量的两种半导体材料的异质结处，在该处的较小带隙的材料具有较大的电子亲和力。2DEG是一种在非掺杂(“非故意掺杂”)、较小带隙材料中的积累层，且可以包含超过例如1013载流子/cm2的非常高的薄层电子浓度。另外，产生于较宽带隙半导体材料中的电子转变为2DEG，该2DEG由于降低了的离子化杂质散射而可以具有高电子迁移率。
这种高载流子浓度和高载流子迁移率的结合可以给予HEMT以非常大的跨导且可以提供优于诸如金属-半导体场效应晶体管(MESFET)的其他晶体管结构的强大性能，以用于高频应用。
由氮化镓/氮化铝镓(GaN/AlGaN)材料体系制造的高电子迁移率晶体管具有产生大量RF功率的能力，因为材料特性的组合包括上述高击穿场、宽带隙、高导带偏移和/或高饱和电子漂移速度。2DEG中的电子的主要部分是由AlGaN中的极化作用引起的。
已经论证了GaN/AlGaN体系中的HEMT。US专利5192987和5296395描述了AlGaN/GaN的HEMT结构及其制造方法。众所周知的并将其并入本文的Sheppard等人的US专利6316793描述了一种HEMT器件，该HEMT器件具有半绝缘碳化硅衬底、衬底上的氮化铝缓冲层、缓冲层上的绝缘氮化镓层、氮化镓层上的铝氮化镓阻挡层以及在铝氮化镓有源极结构上的钝化层。
自从在1993年，由Khan等在Appl.Phys.Lett.，vol.63，p.1214，1993所描述的，以及在1996年，由Wu等在IEEE Electron Device Lett.，vol.17，pp.455-457，1996年九月刊中对功率能力的证实，作为微波器件的宽带隙GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)已经有了长足的改进。许多研究组都已经提出了具有超过10W/mm的功率密度的器件，其改进超过了常规III-V器件的十倍。参见Tilak等的IEEE ElectronDevice Lett.，vol.22，pp.504-506，2001年11月；Wu等的IEDM Tech Dig.pp.378-380，2001年12月2-5日；以及Ando等的IEEE Electron Device Lett.，vol.24，pp.289-291，2003年5月。
Zhang等在具有GaN HEMT的高压开关应用中使用一种叠置栅极结构或场板。参见Zhang等，IEEE Electron Device Lett.，vol.21，pp.421-423，2000年九月。在这之后，Karmalkar等实现了用于场板结构的仿真，推算击穿电压增加了五倍。参见Karmalkar等，IEEE Trans.Electron Devices，vol.48，PP.1515-1521，2001年8月。然而，那时制造的器件具有低截止频率，且不适于微波操作。Ando等最近使用一种具有较小栅极尺寸的类似结构，并展示了在SiC衬底上使用1mm宽的器件，在2GHz情况下，性能达到10.3W的输出功率。参见Ando等，IEEE Electron DeviceLett.，vol.24，pp.289-291，2003年5月。Chini等实现了一种具有进一步减小栅极尺寸的场板设计的新改变，且从蓝宝石衬底上的150μm宽的器件在4GHz情况下，获得了12W/mm。参见Chini等，IEEE Electron Device Lett.，vol.25，No.5，pp.229-231，2004年5月。
在Saito等，Technical Digest of IEDM 2003，pp.587-590，Washington，D.C.，2003年12月8-10日中描述了包括了源极接触场板的GaN HEMT器件。在由Saito等描述的器件中，单一金属场板从源极延伸并覆盖栅极。但是，这种设置可能施加大的寄生电容。
发明内容
根据本发明的某些实施例的场效应晶体管包括III族氮化物沟道层，以及在III族氮化物沟道层上的栅极接触并且设置为在电压施加到栅极接触时，调制沟道层的导电率。栅极接触可以具有一长度，该长度设置为在超过1GHz频率的情况下，允许对沟道层导电率进行调制。源极接触和漏极接触在III族氮化物沟道层之上，绝缘层在栅极接触之上，且场板在绝缘层之上并电耦合到源极接触。场效应晶体管可以在至少为4GHz频率的情况下，在连续波或脉冲操作下，展现出大于40W/mm的功率密度。
场效应晶体管可以进一步包括在沟道层之上的III族氮化物势垒层。栅极接触可以在势垒层之上，且势垒层和沟道层可以在沟道层中靠近势垒层和沟道层之间的界面处共同引起二维电子气。
势垒层可以包括在沟道层之上的第一势垒子层和在第一势垒子层之上的第二势垒子层。第一势垒子层可以包括AlN且第二势垒子层可以包括AlxGa1-xN，其中0.15≤x≤0.45。
如果存在第一和第二势垒子层，则第一势垒子层可以具有等于约4nm的厚度，且第二势垒子层可以具有约10到约50nm的厚度。
沟道层可以包括第一沟道子层和在第一沟道子层之上的第二沟道子层。第一沟道子层可以包括GaN且可以具有至少约1×1017/cm3的Fe掺杂剂浓度。第二沟道子层可以包括GaN且可以在其中具有随着远离第一沟道子层而降低的Fe掺杂剂浓度。
场板可以是上部场板，且场效应晶体管可以进一步包括在势垒层之上的分隔层，且下部场板电连接到栅极并从栅极接触的漏极一侧朝着漏极接触延伸越过分隔层，达到一距离LFD1。上部场板可以至少从下部场板的漏极侧边缘朝着漏极接触延伸越过绝缘层，达到一距离LFD2。为了在1-6GHz范围内操作，LFD1+LFD2可以是约1-2.5μm。特别是，LFD1可以是约0.5μm且LFD2可以是约1.2μm。
下部场板还可以朝着源极接触延伸越过分隔层，达到从约0μm到约0.5μm的距离。分隔层可以包括SiN。
当漏极电压为135V时，可以提供至少40W/mm的功率密度。场效应晶体管可以具有大于50％的功率增加效率(PAE)。
本发明的某些实施例提供一种场效应晶体管，其在频率至少为4GHz的情况下，在连续波或脉冲操作下，具有大于40W/mm的功率密度。当漏极电压为135V时，可以提供至少40W/mm的功率密度，且场效应晶体管可以具有大于50％的PAE。
本发明的某些实施例提供一种场效应晶体管，其包括III族氮化物沟道层，以及在III族氮化物的沟道层上的栅极接触并且设置为在电压施加到栅极接触时，调制沟道层的导电率。栅极接触可以具有一长度，该长度设置为在超过1GHz频率的情况下，允许对沟道层导电率进行调制。源极接触和漏极接触在III族氮化物沟道层之上，绝缘层在栅极接触之上，且场板在绝缘层之上并电耦合到源极接触。场效应晶体管可以在至少为10GHz频率的情况下，在连续波或脉冲操作下，展现出大于5W/mm的功率密度和大于60％的功率增加效率。
场效应晶体管可以进一步包括在沟道层之上的III族氮化物势垒层。栅极接触可以在势垒层之上，且势垒层和沟道层可以在沟道层中靠近势垒层和沟道层之间的界面处共同引起二维电子气。
势垒层可以包括在沟道层之上的第一势垒子层和在第一势垒子层之上的第二势垒子层。第一势垒子层可以包括AlN且第二势垒子层可以包括AlxGa1-xN，其中0.15≤x≤0.45。
如果存在第一和第二势垒子层，则第一势垒子层可以具有等于约4nm的厚度，且第二势垒子层可以具有约10到约50nm的厚度。
沟道层可以包括第一沟道子层和在第一沟道子层之上的第二沟道子层。第一沟道子层可以包括GaN且可以具有至少约1×1017/cm3的Fe掺杂剂浓度。第二沟道子层可以包括GaN且可以在其中具有随着远离第一沟道子层而降低的Fe掺杂剂浓度。
场板可以是上部场板，且场效应晶体管可以进一步包括在势垒层之上的分隔层，且下部场板电连接到栅极并从栅极接触的漏极一侧边缘朝着漏极接触延伸越过分隔层，达到一距离LFD1。上部场板可以至少从下部场板的漏极极侧边缘朝着漏极接触延伸越过绝缘层，达到一距离LFD2。LFD1+LFD2可以是约0.3-1.0μm。特别是，LFD1可以是约0.25μm且LFD2可以是约0.3μm。
下部场板还可以朝着源极接触延伸越过分隔层，达到从约0μm到约0.5μm的距离。分隔层可以包括SiN。
当漏极电压为28V时，可以提供至少5W/mm的功率密度。
本发明的某些实施例提供一种场效应晶体管，其在频率至少为10GHz的情况下，在C级模式下的连续波或脉冲操作下，具有大于5W/mm的功率密度和大于60％功率增加效率。
当漏极电压至少为28V时，可以提供大于5W/mm的功率密度。
场效应晶体管可以在频率至少为10GHz的情况下，在C级模式下操作时，具有大于7W/mm的功率密度。当漏极电压至少为38V时，可以提供大于7W/mm的功率密度。
场效应晶体管可以在频率至少为10GHz的情况下，在C级模式下操作时，具有大于10W/mm的功率密度。当漏极电压至少为48V时，可以提供大于10W/mm的功率密度。
根据本发明的某些实施例，还可以提供具有不同组合和/或子组合的上述晶体管特性的晶体管。
附图说明
包括提供对本发明的进一步理解且并入和构成此应用的一部分的附图阐述本发明的某些实施例，附图中：
图1是根据本发明的某些实施例的具有单一场板结构的晶体管的截面图；
图2是根据本发明的某些实施例的具有双场板结构的晶体管的截面图；
图3是根据本发明的另外的实施例的具有双场板结构的晶体管的截面图；
图4是当偏压为135V时，在4GHz情况下，对于显示出40W/mm功率密度和60％功率增加效率(PAE)的246μm宽的器件的功率扫描图表。线性增益为18.5dB且关联大信号增益为16dB；以及
图5是在4GHz情况下，对于246μm宽的器件，在不同级别偏压的情况下，Pout、增益和PAE对比漏极-源极电压VDS所显示的结果的图表。
具体实施方式
以下，将参照附图更加全面地描述本发明，其中示出本发明的实施例。但是，本发明不能理解为限定于此处提出的实施例。相反地，提供这些实施例是为了使得本文公开得彻底和完整，以及向本领域技术人员全面地传达本发明的范围。在附图中，为了清楚，将层和区域的厚度放大。全文中，相同的附图标记代表相同的元件。对于这里使用的术语“和/或”包括一个或多个所列举项的任意和全部组合。
这里所使用的术语仅仅为了描述特定实施例，并不意味着对本发明的限制。如这里使用的单数形式“一个”和“该”意指也包括复数形式，除非本文另外明确地表明。将进一步理解的是术语“包括”和/或“包括了”用在本说明书中时，说明存在确定的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或增加一个或多个特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。
将可以理解的是，当例如一个层、区域或衬底的元件称作位于另一元件“上”或延伸在另一元件“上”时，其可以直接位于或直接延伸在其他元件上或也可存在中间的元件。相反，当一个元件称作“直接”位于另一元件“上”或“直接”延伸在另一元件“上”时，则不存在中间元件。还可以理解的时当一个元件称作“连接”或“耦合”到另一元件时，其可以直接连接或耦合到其他元件或可以存在中间元件。相反，当一个元件称作“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，则不存在中间元件。
将可以理解的是，虽然术语第一、第二等可以用在此处以描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分将不被这些术语所限制。这些术语仅仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分和另一区域、层或部分。因此，下文所探讨的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分而不偏离本发明的教导。
而且，相关性的术语，例如“下部”或“底部”和“上部”或“顶部”可以用于此处以描述如附图中所阐述的一个元件与另一元件的关系。将可以理解的是相关性术语意指包含器件除了在附图中所示的方向之外的不同方向。例如，如果将附图中的器件倒置，则描述为在其他元件侧“下部”的元件将定向为在其他元件侧的“上部”。因此，范例性的术语“下部”可以依照附图的特定方向而同时包括“下部”和“上部”的方向。同样地，如果将其中一个附图中的器件倒置，则描述为在其他元件“下面”或“之下”的元件将定向为在其他元件的“上面”。因此，范例性术语“下面”或“之下”可以同时包括上面和下面的方向。而且，术语“外部”可以用于代表离衬底最远的一个表面和/或层。
通过参考示意出本发明的理想实施例的截面图来在本文描述本发明的实施例。同样地，由此产生的附图形状的变化，例如制造技术和/或公差的变化都应认为是合理的。因此，本发明的实施例不应限定于在此处阐述的区域的特定形状，而是包括例如制造中的形状差异。例如，阐述为矩形的刻蚀区域将典型地具有锥形、圆形或曲线特征。因此，附图中阐述的区域实际上是示意性的，且它们的形状并不意味着阐述为器件的区域的精确形状和并不意味着限制本发明的范围。
除非另行定义，于此使用的所有术语(包括技术和科学术语)都具有本发明所属领域技术人员通常所理解的含义。将进一步理解的是，这些术语，例如那些在通常使用的字典中定义的术语，应当解释为具有符合在本说明书全文中的含义以及相关技术的含义，且不能解释为理想化的或非常刻板的含义，除非在本文中特别定义。
本领域技术人员还将认识到所提及的结构或特征设置为“临近”另一特征，可以具有覆盖临近特征或位于临近特征之下的部分。
本发明的实施例特别适用于在氮化物基器件中使用，例如III族氮化物基HEMT。如在本文中使用的术语“III族氮化物”代表那些形成于氮和周期表的III族元素之间的半导电化合物，通常是铝(Al)、镓(Ga)和/或铟(In)。该术语还代表三元和四元化合物，例如AlGaN和AlInGaN。正如本领域技术人员所公知的那样，III族元素可以与氮组合形成二元(例如GaN)、三元(例如AlGaN、AlInN)和四元(例如AlInGaN)化合物。这些化合物都具有一摩尔氮与总量为一摩尔的III族元素组合的化学式。因此，例如AlxGa1-xN，其中0≤x≤1的化学式通常用于描述它们。
虽然参照特定结构来描述本发明的实施例，但是其他结构和/或用于制造GaN基HEMT的技术也可以应用于本发明的某些实施例中。这些结构和/或技术可以包括那些描述在例如属于US专利6316793和2001年7月12日申报，2002年6月6日公开的名称为“在氮化镓基帽状物部分上具有栅极接触的铝氮化镓/氮化镓高电子迁移率晶体管及其制造方法”的US专利公开2002/0066908A1，Smorchkova等的US专利公开2002/0167023A1，公开于2002年11月14日，标题为“具有势垒/分隔层的III族氮化物基高电子迁移率晶体管(HEMT)”，于2003年7月11日申报，名称为“氮化物基晶体管及其使用非刻蚀接触凹陷的制造方法”的US专利申请序列第10/617843号，于2004年2月5日申报，名称为“具有电荷转移诱导能量势垒的氮化物异质结晶体管及其制造方法”的US专利申请序列第10/772882号，于2004年7月23日申报，名称为“具有盖层和凹陷栅极的氮化物基晶体管的制造方法”的US专利申请序列第10/897726号，于2004年5月20日申报，标题为“具有再生欧姆接触区域的氮化物基晶体管的制造方法以及具有再生欧姆接触区域的氮化物基晶体管”的US专利申请序列第10/849617号，于2004年5月20日申报，标题为“具有混合沟道层的半导体器件、电流孔晶体管及其制造方法”的US专利申请序列第10/849589号，于2002年7月23日申报且于2003年1月30日公开，名称为“绝缘栅极AlGaN/GaN HEMT”的US专利公开2003/0020092，以及于2004年11月23日申报，标题为“用于氮化物基晶体管的盖层和/或钝化层、晶体管结构及其制造方法”的US专利申请序列第10/996249号。将上述公开内容中描述的所有内容并入于此。
本发明的某些实施例提供一种宽带隙场效应晶体管，其具有在频率至少为4GHz的情况下，大于40W/mm的功率密度。而且，该晶体管可以在4GHz的情况下，提供至少60％的功率增加功效(PAE)和/或在10GHz的情况下，提供至少60％的功率增加功效(PAE)。在某些实施例中，在不超过3dB的压缩下，可以获得上述功率密度和/或PAE。
本发明的某些实施例提供一种宽带隙场效应晶体管，其具有双场板配置，其中第二场板连接到所述晶体管的源极接触。这种晶体管可以具有提高的功率能力和降低了的栅极-漏极反馈电容。
根据本发明的某些实施例的示例性器件图示于图1-3中。但是，本发明的实施例不应解释为局限于这里描述的特定示例性实施例，而是可以包括提供这里描述的晶体管特性的任何适当的结构。
参照图1，阐述具有单一场板结构的部分HEMT器件结构10。结构100包括其上形成了氮化物基器件的衬底12。在本发明的特定实施例中，衬底12可以是半绝缘碳化硅(SiC)衬底，其可以例如是4H多型碳化硅。其他的碳化硅可选多型包括3C、6H和15R多型。术语“半绝缘”在相对意义上使用。在本发明的特定实施例中，碳化硅块晶体在室温下具有等于或大于约1×105Ω-cm的电阻率。
可以提供AlN缓冲层14，其可以在碳化硅衬底和器件的其他结构之间提供适当的晶体结构过渡。缓冲层14可以具有从约100nm至约500nm的厚度。在特定实施例中，缓冲层14可以具有约200nm的厚度。
可以在衬底12和沟道层16之间可以提供如上所述的额外的缓冲层、过渡层和/或成核层。例如，也可提供应变平衡过渡层，其在如在2002年7月19日申报，2003年6月5日公开，标题为“应变平衡氮化物异质结晶体管及应变平衡氮化物异质结晶体管的制造方法”的US专利公开2003/0102482A1中描述的，或在2002年7月19日申报，2004年1月22日公开，标题为“应变补偿半导体结构及应变补偿半导体结构的制造方法”的美国专利公开2004/0012015A1中被描述，通过参考将上述公开内容并入于此，以在此全面阐述。
适合的SiC衬底由例如为本发明的受让人的Durham，N.C.的Cree公司制造，且制造方法被例如描述于US专利Nos.Re.34861；4946547；5200022和6218680，通过参考其全文将所述内容并入于此。相似地，用于外延生长III族氮化物的技术已经被描述于例如US专利5210051；5393993；5523589和5592501中，通过参考其全文也将所述内容并入于此。
虽然碳化硅可以用作衬底材料，但本发明的实施例可以利用任何适当的衬底，例如蓝宝石、氮化铝、氮化铝镓、氮化镓、硅、GaAs、LGO、ZnO、LAO、InP等。在某些实施例中，也可形成适合所用衬底类型的缓冲层。例如在使用蓝宝石衬底的实施例中，缓冲层可以参照US专利5686738中提供的方式来形成。
仍然参照图1，沟道层16被提供在缓冲层14之上。沟道层16可以经受压缩应力。而且，沟道层16、缓冲层14和/或成核和/或过渡层可以通过MOCVD或通过本领域技术人员公知的例如MBE或HVPE的其他技术被沉积。
在本发明的某些实施例中，沟道层16包括III族氮化物，且特别是包括GaN。沟道层16可以是未掺杂的(“非故意掺杂”)和/或用掺杂剂掺杂的，且可以生长到大于约20A的厚度。在本发明的特定实施例中，沟道层16是GaN且具有约1.6μm的厚度。
如图1所示，沟道层16可以包括形成在缓冲层14之上的第一沟道子层16A，以及形成在第一沟道子层16A之上的第二沟道子层16B。第一沟道子层16A可以具有约0.1-8.0μm的厚度。第一沟道子层16A可以被掺杂有至少约1×1017/cm3浓度的Fe，且特别是具有约1×1018/cm3浓度的Fe。
例如二茂铁的金属有机源气体可以用作源气体，以在使用化学气相沉积形成第一沟道子层16A时提供Fe掺杂剂。当完成第一沟道子层16A的生长之后，关闭Fe源气体时，一些残留的Fe可能混入到后续的生长层。即，即使Fe源气体关闭之后，一些Fe源材料仍然可能保留在生长系统中，这可能致使外延层中Fe的浓度在源关闭之后相对慢地降低。因此，第二沟道子层16B可以提供在第一沟道子层16A上。第二沟道子层16A可以具有约0.2-2.0μm的厚度，且可以是非故意掺杂的。然而，如上所提及的，第二沟道子层16B可以包括随着远离第一沟道子层16A而降低的Fe掺杂剂浓度。
在特定实施例中，第一沟道子层16A具有约0.8μm的厚度，且第二沟道子层16B具有约0.8μm的厚度。
势垒层18提供在沟道层16上。势垒层18可以具有大于沟道层16的带隙的带隙，且势垒层18也可具有比沟道层16小的电子亲和力。
势垒层18可以形成在沟道层16之上。在本发明某一实施例中，势垒层包括在沟道层16之上的第一势垒子层18A以及在第一势垒子层18A上的第二势垒子层18B。第一势垒子层18A可以包括AlN且可以具有达到约4nm的厚度。第二势垒子层18B可以包括AlxGa1-xN且可以具有约10-50nm的厚度。第二势垒子层18B可以具有约15％45％(即，0.15≤x≤0.45)的铝的摩尔分数。在特定实施例中，第一势垒子层18A可以是约0.8nm厚。第二势垒子层18B可以具有约25nm的厚度且可以具有约25％(即，x～0.25)的铝的摩尔分数。
根据本发明的某一实施例的势垒层的例子描述于Smorchkova等提出的，标题为“具有势垒/分隔层的III族氮化物基高电子迁移率晶体管(HEMT)”的US专利公开2002/0167023A1中，通过参考其公开内容将其并入本文，以在此处全面阐明。
在本发明的特定实施例中，势垒层18足够厚且具有足够高的Al成分，且掺杂从而通过极化效应在沟道层16和势垒层18的界面处引起明显势垒浓度。
栅极接触24提供在势垒层18上。源极接触和漏极接触20和22作为欧姆接触提供在势垒层18上和/或延伸通过势垒层18。处理(例如通过烧结)欧姆接触以具有穿过势垒层18到沟道层16的低电阻率连接。例如，通过电子束蒸发将源极接触和漏极接触20、22形成在势垒层18上，且可以在约880℃温度下进行退火。因此，如图1所示，在处理之后，欧姆接触20和22可以穿过势垒层18延伸到沟道层16。当栅极24被施加了与源极20相关的适当电平的偏压时，通过在沟道层16中靠近该沟道层16和势垒层18之间的界面处引起的2DEG沟道26，电流可以在源极接触和漏极接触20、22之间流动。
栅极24可以利用例如电子束蒸发来形成，且可以包括具有约50-500nm厚的镍层和约100-1000nm厚的金层的Ni/Au结构。在特定实施例中，栅极24可以包括约20nm厚的镍和约450nm厚的金。
栅极24可以具有约0.35-2.0μm(用于在20GHz到1GHz范围内操作)的栅极长度LG。特别是，用于在4GHz下操作，栅极24可以具有约0.55μm的栅极长度LG。用于在10GHz下操作，栅极24可以具有约0.5μm的栅极长度LG。栅极长度(LG)影响栅极下面的载流子的传输时间，其依次影响器件的操作频率。
非导电第一分隔层62提供在栅极24与源极接触以及漏极接触20、22之间的势垒层18之上。第一分隔层62可以包括具有约50-300nm厚度的SixNy(2≤x≤4，3≤y≤5)。在特定实施例中，第一分隔层62可以包括具有约200nm厚度的Si3N4层。
第一分隔层62可以在器件金属化之前形成，且在某些实施例中，可以使用与用于形成势垒层18相同的外延生长技术生长该第一分隔层62。第一分隔层62可以包括例如III族氮化物材料的外延材料，所述III族氮化物材料可以具有不同的III族元素，例如Al、Ga或In的合金，合适的分隔层材料是AlxGa1-xN(0≤x≤1)。可替换地，分隔层62可以包括SixNy、SiO2、Si、Ge、MgOx、MgNx、ZnO及其合金和/或层序列。参考SiN、SiON、SiOx、MgNx等代表化学计量组成和/或非化学计量组成材料。
第一分隔层62设置为在第一场板64和势垒层18之间提供绝缘，所以第一分隔层62仅需覆盖第一场板62之下的势垒层18。然而，为了简化制造过程，第一分隔层62可以形成在势垒层18的整个上表面上。
第一分隔层62可以接着被选择性刻蚀，以提供用于栅极24的开口。还可以刻蚀用于源极接触20和漏极接触22的开口。在金属化期间，可以形成栅极24以与势垒层18电连接。
第一场板64可以形成为集成到栅极24且可以在分隔层62上从栅极24的漏极侧边缘朝着漏极接触22延伸1到2.5μm范围内的距离LFD1，以用于在1-6GHz下操作。为了在10GHz下操作，第一场板64可以朝着漏极接触22延伸0.2-0.6μm范围内的距离LFD1。第一场板64可以从栅极24的源极侧边缘朝着源极接触20延伸0到0.5μm范围内的距离LFS。在特定实施例中，为了在1-6GHz范围下操作，第一场板64可以朝着漏极接触22延伸约1μm的距离LFD1并且朝着源极接触20延伸约0.3μm的距离LFS。为了在10GHz范围下操作，第一场板64可以朝着漏极接触22延伸0.25μm的距离LFD1。
第一场板64可以电连接到栅极24，例如，通过其与栅极24的集成结构。第一场板64可以从栅极24连续延伸或可以在与栅极24的连接中，在栅极接触24的源极或漏极侧或者同时在源极和漏极侧具有破裂/洞，只要有足够的导电路径可用于在栅极24和第一场板64之间有效地传播电流即可。
因为第一场板64可以形成为与栅极24集成，所以第一场板64可以利用例如电子束蒸发来形成，且可以包括具有约50-500nm厚的镍层和约100-1000nm厚的金层的Ni/Au结构。在特定实施例中，第一场板64可以包括约20nm厚的镍和约450nm厚的金。
源极和漏极欧姆接触可以由不同的材料制成，包括但不限于钛、铝、金或镍的合金。栅极24和第一场板64也可由不同材料制成，包括但不限于金、镍、铂、钛、铬、钛和钨的合金、或硅化铂。
具有场板的晶体管以及这种晶体管的制造方法例如描述于2005年3月11日申报，标题为“具有栅-源场板的宽带隙晶体管”的US专利申请序列第11/078265，2004年8月31日申报，且标题为“具有场板的宽带隙晶体管器件”的US专利申请序列第10/930160，2004年5月28日中报，且标题为“包括具有场板的宽带隙场效应晶体管的共发共基放大器结构”的US专利申请序列第10/856098，以及2004年9月9日申报，且标题为“单一或多栅极场板的制造”的国际申请PCT/US04/29324中，通过参考将上述公开内容并入本文以阐述其内容。
在横向于栅极长度的方向(即，进入和从图1中的页面出来的方向)延伸的栅极接触24的尺寸，在这里由栅极宽度WG代表。功率密度是标准化器件特性，其允许不同尺寸器件的交叉对比。功率密度定义为栅极宽度每毫米的功率输出瓦特，或W/mm。
参照图2，阐述具有双场板结构的晶体管结构200。第二晶体管结构200包括类似于图1中所示的第一晶体管结构100的元件和特征。例如，第二晶体管结构200包括顺序形成在衬底12上的缓冲层14、沟道层16和势垒层18。第二晶体管结构200的衬底12、缓冲层14、沟道层16和势垒层18可以参照上述第一晶体管结构100所述的方法而形成。
第二晶体管结构200包括在势垒层18上的第一分隔层62。然而，在第二晶体管结构中，第一分隔层62可以具有约50-200nm的厚度，且更具体的是可以具有约100nm的厚度。
第二晶体管200还包括具有集成的第一场板64的栅极24。栅极24和第一场板64可以如上述那样形成。然而，在第二晶体管结构200中，第一场板64可以朝着漏极接触22延伸约0.5μm的距离LFD1。
第二晶体管结构200包括双场板结构。具体的，第二非导电分隔层72可以形成在第一场板64和第一分隔层62之上。第二分隔层72可以包括SiN、SiO2、Si、Ge、MgOx、MgNx、ZnO、合金和/或其层序列。第二分隔层72可以通过溅射沉积、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)或其它工艺形成。第二分隔层72可以由与第一分隔层62相同的材料或材料层形成，且可以具有50到200nm范围内的总厚度。在特定实施例中，第二分隔层72可以包括Si3N4且可以具有约100nm的厚度。
第二场板74可以如图2所示那样覆盖栅极。可替换地，在栅极24的边缘24A和第二场板74的初始边缘之间可以有间隔。第二场板74从第一场板64的漏极侧边缘朝着漏极接触22延伸距离LFD2，该距离可以是在1.0-2.0μm的范围内，以便在1-6GHz情况下获得高功率密度(例如40W/mm)。为了在10GHz情况下操作，LFD2可以具有0.3-1.0μm的范围。在1-6GHz情况下操作的特定实施例中，第二场板74朝着漏极接触22延伸约1.2μm的距离LFD2，且第一和第二场板64、74的总长度LFD1+LFD2约为1-2.5μm。为了在10GHz下操作，第一和第二场板64，74的总长度LFD1+LFD2约为0.5-1.0μm。在特定实施例中，为了在10GHz下操作，LFD1＝0.25μm且LFD2＝0.3μm。
第二分隔层72在第一场板64和第二场板74之间提供电绝缘。因此，第二分隔层72可以至少足以覆盖第一场板64，以提供这种电绝缘。
第二场板74可以通过附图2中示意的连接80电连接到源极接触20。可替换地，第二场板74可以电连接到栅极24。可以使用多种不同的连接结构。例如，导电总线(未示出)可以用于将第二场板74连接到源极接触20或栅极24。多个总线可以用于将电流传输到第二场板74中，同时不会覆盖太多的有源区域，从而不会引入不期望的电容。
形成第二场板74之后，所述结构可以用介电钝化层(未示出)覆盖，例如氮化硅。可以形成氮化硅介电钝化层，例如在Wu等提出的，标题为“III族氮化物基FET以及具有降低的俘获效应的HEMT及其制造方法”的US专利6586761中描述的那样，通过参考将上述公开内容并入于此，以在这里全面阐述。
多个场板设置能够降低器件中的峰值电场，这可以致使增加击穿电压和降低俘获效应。当如上述设置时，包括源极连接的场板的多个场板的屏蔽效应能够降低晶体管器件的栅极-漏极的电容，这可以增强输入-输出绝缘。
场板可以改造栅极边缘的漏极侧上的电场分布并且可以降低其峰值。这不仅增加了器件击穿电压，而且还降低了高场俘获效应，因此增强了在高频情况下的电流-电压摆动。包括了栅极连接的场板的场板结构的折衷包括在低电压情况下附加的栅极-漏极电容，和在高电压情况下的栅极-漏极的耗尽长度的延长，这可以降低器件的增益。然而，本发明的某些实施例可以提供具有场板的宽带隙场效应晶体管，其具有所需的高增益。
第一分隔层62的厚度影响在第一场板64下的附加沟道耗尽的开始电压，同时场板长度(LFD1+LFD2)影响场再成形区域的尺寸。为了维持良好的频率性能，基础设计指导方针可以通过场板将附加电容限制为原始栅极电容的10-15％。第二场板74和漏极之间的间隔(LGD-LFD1-LFD2)可以设置为＞2μm，以避免过早击穿。栅极到源极的距离LGS可以是约1μm。
第二场板74可以通过电子束蒸发形成，且可以具有相似于第一场板64的组成。即，第二场板74可以包括具有约50-500nm厚的镍层和约100-1000nm厚的金层的Ni/Au结构。在特定实施例中，第二场板74可以包括约20nm的镍和约450nm的金。
图3中阐述第三晶体管结构300。与图2中所示的第二晶体管结构200一样，第三晶体管结构300具有双场板结构。然而，如图3中所阐述的，第三晶体管结构300具有没有形成为与栅极24集成的第一场板364。而是，第一分隔层362形成为覆盖势垒层18和栅极24，且第一场板364形成在第一分隔层362上。第二分隔层372覆盖第一分隔层362和第一场板364，且第二场板374形成在第二分隔层372上。第二场板可以同时朝着源极接触20和漏极接触22延伸(即，LFS2＞0且LFD2＞0)。
第一分隔层362和第二分隔层372可以由与前述第一分隔层62和第二分隔层72相似的材料形成，且第一场板372和第二场板374可以由与前述第二场板74相似的材料形成。
第一场板364和/或第二场板374可以电连接到源极接触20或连接到栅极接触24。
在某些情况下，相比于第三器件结构300，第二器件结构200可以具有提升了的稳定性和/或可靠性。
除了如这里描述的，用于制造示例性器件的外延结构和工艺步骤可以利用常规制造技术实施，例如在Wu等人的文章IEDM Tech Dig.，2001年12月2-5日，pp.378-380中描述的那些，通过参考将所述内容并入本文，以整体阐述。
器件实例
第一示例性器件具有单一场板结构，包括高纯半绝缘SiC衬底12。AlN缓冲层14形成在衬底12之上且具有约200nm的厚度。GaN第一沟道子层16A提供在缓冲层12之上，且具有约0.8μm的厚度。第一沟道子层16A被掺杂有浓度约为1×1018/cm3的Fe。具有约0.8μm的厚度的GaN第二沟道子层16B形成在第一沟道子层16A之上。第二沟道子层16B是非故意掺杂的，但是在其中具有残留的Fe掺杂剂浓度，该残留的Fe掺杂剂浓度随着远离第一沟道子层16A而降低。
第一势垒子层18A提供在第二沟道子层16B之上。第一势垒层由AlN形成并且具有约0.8nm的厚度。包括具有约25％的Al的AlGaN的第二势垒层18B提供在第一势垒子层18A之上并且具有约25nm的厚度。
由Si3N4形成的第一分隔层62提供在第二势垒子层18B之上并且具有约200nm的厚度。
源极接触和漏极接触20和22延伸通过第一和第二势垒层18A、18B，并且由Ti/Al/Ni/Au构成，Ti/Al/Ni/Au的厚度分别为约10nm/120nm/30nm/50nm，其总厚度约为220nm。栅极接触24也被提供在第二势垒子层18B之上，并且是具有总厚度约470nm(20nm的Ni/450nm的Au)的Ni/Au。第一场板64被提供在第一分隔层62之上，并且具有与栅极24相同的成分。而且，LG是0.55μm，LFS是0.3μm，和LFD1是1μm。
具有双场板结构的第二示例性器件具有与第一示例性器件基本相同的结构，不同之处在于在第二示例性器件中，LFD1是0.5μm，和第一分隔层62的厚度是约100nm。
第二示例性结构进一步包括在第一场板64和第一分隔层62之上的具有约100nm厚度的第二Si3N4分隔层72。第二场板74覆盖栅极且朝着漏极接触22延伸约1.2μm的距离LFD2，且第一和第二场板64、74的总长度约为1.7μm。第二场板74电连接到源极接触。
第二示例性结构具有246μm宽的栅极。
现在将描述本文中描述的示例性器件的性能。除非另外指出，参考图4和5在下文讨论的器件是具有上述第二示例性结构的器件。然而，本发明实施例不应解释为被限制到这些特定器件，而应包括能够提供这里描述的性能特性的其他器件。而且，虽然这里描述了多种操作原理，但是本发明的实施例不应理解为被限制到特定的操作原理。
测量在4GHz情况下，具有第二示例性器件结构的器件的连续波(CW)功率扫描，且结果显示在图4中。在室温下且在VDS＝135V的B级偏压下，在晶片上测量器件。如图4中所示，在24dBm的输入等级下，器件实现了超过40W/mm。在4GHz情况下的相关联的功率增加效率(PAE)是60％，线性增益是18.5dB(大信号增益16dB)。
在4GHz情况下，测量具有第二示例性器件结构的器件对于不同的偏压电平的性能，且结果阐述在图5中。在图5中，对比从28V到148V范围的漏极-源极电压标示了输出功率Pout、增益和PAE。
第二示例性器件结构的设置可以允许越过多个频率范围的更高增益。例如，在10GHz情况下(即，X-带频率)，用于所述设置的高增益也产生高效率、高功率操作。在10GHz情况下，测试与第二示例性器件相似的器件。10GHz的器件具有与第二示例性器件基本相同的结构，不同之处是LG为0.5μm、LFD1为0.25μm以及LFD2为0.3μm。
在10GHz情况下，在VDS＝28V(C级操作)下，器件显示出63％的PAE和5.3W/mm以及在VDS＝38V(C级操作)下，器件显示出64％的PAE和7.4W/mm，以及在VDS＝48V(C级操作)下，器件显示出62％的PAE和10.8W/mm。
因此，本发明的某些实施例可以在RF、微波和/或毫米波频率情况下，为宽带隙场效应晶体管提供改善的功率性能。由于较高的输入-输出隔离(即，降低了的栅极到漏极的电容CGD)，所以本发明的某些实施例可以提供高效率、高功率和/或高增益操作，和/或更稳定的操作。
虽然已经结合高频率(＞1GHz)操作描述了本发明的实施例，但是本发明的某些实施例可以通过用于在较低频率下的高电压应用的大尺寸实现。
在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型实施例，并且虽然引用了特定的术语，但是它们仅用于一般和描述性含义，且不作为限制的目的。

Claims (29)

1.一种场效应晶体管，包括：
III族氮化物沟道层；
在所述III族氮化物沟道层之上的栅极接触，该栅极接触被设置为当电压施加到所述栅极接触上时调制所述沟道层的导电率，所述栅极接触具有设置为在超过1GHz的频率的情况下允许对所述沟道层的所述导电率进行调制的长度；
在所述III族氮化物沟道层之上的源极接触和漏极接触；
在所述栅极接触之上的绝缘层；以及
在所述绝缘层之上的场板，其电耦合到所述源极接触，其中所述场效应晶体管在至少为4GHz频率的情况下，在连续波或脉冲操作下，显示出大于40W/mm的功率密度。
2.如权利要求1的场效应晶体管，进一步包括在所述沟道层之上的III族氮化物势垒层，其中所述栅极接触在所述势垒层之上，目所述势垒层和所述沟道层在所述沟道层中靠近所述势垒层和所述沟道层之间的界面处共同引起二维电子气。
3.如权利要求2的场效应晶体管，其中所述势垒层包括在所述沟道层之上的第一势垒子层以及在所述第一势垒子层之上的第二势垒子层，所述第一势垒子层包括AlN且所述第二势垒子层包括AlxGa1-xN，其中0.15≤x≤0.45。
4.如权利要求3的场效应晶体管，其中所述第一势垒子层具有约0到约4nm的厚度且所述第二势垒子层具有约10到约50nm的厚度。
5.如权利要求1的场效应晶体管，其中所述沟道层包括第一沟道子层和在所述第一沟道子层之上的第二沟道子层，所述第一沟道子层包括GaN且具有至少约1×1017/cm3的Fe掺杂剂浓度，所述第二沟道子层包括GaN且在其中具有随着远离所述第一沟道子层而降低的Fe掺杂剂浓度。
6.如权利要求1的场效应晶体管，其中所述场板包括上部场板，所述场效应晶体管进一步包括：
在所述势垒层之上的分隔层；以及
电连接到所述栅极的下部场板，该下部场板从所述栅极接触的漏极侧朝着所述漏极接触越过所述分隔层延伸一距离LFD1，其中所述上部场板从所述下部场板的漏极侧边缘朝着所述漏极接触延伸一距离LFD2，且其中LFD1+LFD2约为1.0-2.5μm。
7.如权利要求6的场效应晶体管，其中LFD1约为0.5μm且LFD2约为1.2μm。
8.如权利要求6的场效应晶体管，其中所述下部场板还朝着所述源极接触越过所述分隔层延伸约0μm到约0.5μm的距离。
9.如权利要求6的场效应晶体管，其中所述分隔层包括SiN。
10.如权利要求1的场效应晶体管，其中在135V的漏极电压下提供至少40W/mm的功率密度。
11.如权利要求1的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管具有大于50％的功率增加效率。
12.一种在至少为4GHz频率的情况下在连续波或脉冲操作下具有大于40W/mm的功率密度的场效应晶体管。
13.如权利要求12的场效应晶体管，其中在135V的漏极电压下提供至少为40W/mm的功率密度。
14.如权利要求12的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管具有大于50％的功率增加效率。
15.一种场效应晶体管，包括：
III族氮化物沟道层；
在所述III族氮化物沟道层之上的栅极接触，该栅极接触被设置为当电压施加到所述栅极接触上时，调制所述沟道层的导电率，所述栅极接触具有被设置为在超过1GHz的频率的情况下允许对所述沟道层的所述导电率进行调制的长度；
在所述III族氮化物沟道层之上的源极接触和漏极接触；
在所述栅极接触之上的绝缘层；以及
在所述绝缘层之上的场板，该场板电耦合到所述源极接触，其中所述场效应晶体管在至少为10GHz的频率的情况下，在连续波或脉冲操作下显示出大于5W/mm的功率密度和大于60％的功率增加效率。
16.如权利要求15的场效应晶体管，进一步包括在所述沟道层之上的III族氮化物势垒层，其中所述栅极接触在所述势垒层之上，且所述势垒层和所述沟道层在所述沟道层中靠近所述势垒层和所述沟道层之间的界面处共同引起二维电子气。
17.如权利要求16的场效应晶体管，其中所述势垒层包括在所述沟道层之上的第一势垒子层以及在所述第一势垒子层之上的第二势垒子层，所述第一势垒子层包括AlN且所述第二势垒子层包括AlxGa1-xN，其中0.15≤x≤0.45。
18.如权利要求17的场效应晶体管，其中所述第一势垒子层具有约0到约4nm的厚度且所述第二势垒子层具有约10到约50nm的厚度。
19.如权利要求15的场效应晶体管，其中所述沟道层包括第一沟道子层和在所述第一沟道子层之上的第二沟道子层，所述第一沟道子层包括GaN且具有至少约1×1017/cm3的Fe掺杂剂浓度，所述第二沟道子层包括GaN且在其中具有随着远离所述第一沟道子层而降低的Fe掺杂剂浓度。
20.如权利要求15的场效应晶体管，其中所述场板包括上部场板，所述场效应晶体管进一步包括：
在所述势垒层之上的分隔层；以及
电连接到所述栅极的下部场板，该下部场板从所述栅极接触的漏极侧边缘朝着所述漏极接触越过所述分隔层延伸一距离LFD1，其中所述上部场板从所述下部场板的漏极侧边缘朝着所述漏极接触延伸一距离LFD2，且其中LFD1+LFD2约为0.3-1.0μm。
21.如权利要求20的场效应晶体管，其中LFD1约为0.25μm且LFD2约为0.3μm。
22.如权利要求20的场效应晶体管，其中所述下部场板还朝着所述源极接触越过所述分隔层延伸约0μm到约0.5μm的距离。
23.如权利要求20的场效应晶体管，其中所述分隔层包括SiN。
24.一种在至少为10GHz的频率的情况下当在C级模式中时在连续波或脉冲操作下具有大于5W/mm的功率密度和大于60％的功率增加效率的场效应晶体管。
25.如权利要求24的场效应晶体管，其中在至少为28V的漏极电压下提供大于5W/mm的功率密度。
26.如权利要求24的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管在至少为10GHz频率的情况下当在C级模式中操作时具有大于7W/mm的功率密度。
27.如权利要求26的场效应晶体管，其中在至少为38V的漏极电压下提供大于7W/mm的功率密度。
28.如权利要求24的场效应晶体管，其中所述场效应晶体管在至少为10GHz频率的情况下当在C级模式中操作时具有大于10W/mm的功率密度。
29.如权利要求28的场效应晶体管，其中在至少为48V的漏极电压下提供大于10W/mm的功率密度。
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