CN101894863A - 场效应晶体管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种场效应晶体管。根据本发明的场效应晶体管包括：硅衬底，该硅衬底具有不大于0.02Ω·cm的电阻率；沟道层，该沟道层被形成在硅衬底上并且具有至少5μm的厚度；阻挡层，该阻挡层被形成在沟道层上并且给沟道层提供电子；二维电子气层，通过沟道层和阻挡层之间的异质结形成该二维电子气层；源电极和漏电极，该源电极和漏电极均与阻挡层形成欧姆接触；以及栅电极，该栅电极被形成在源电极和漏电极之间，并且与阻挡层形成肖特基势垒结。

Description

场效应晶体管
通过引用并入
本申请基于并且要求2009年5月21日提交的日本专利申请No.2009-123188的优先权，其内容在此通过引用整体并入。
技术领域
本发明涉及一种场效应晶体管，并且特别地，涉及用于在等于或者高于微波带的射频区域中使用的场效应晶体管。
背景技术
用于实现大容量和高速传输的下一代移动通信系统(即，LTE：长期演进)的主要器件之一是被用于移动通信基站的功率放大器的晶体管。要求此种晶体管拥有用于减少器件的功率消耗和尺寸的高效率特性。
此种晶体管的一种类型是其中使用诸如GaN的氮化物半导体的场效应晶体管(FET)。是宽带隙半导体的GaN展示出高饱和的电子速度和电介质击穿电压。此外，由于AlGaN/GaN异质结结构能够实现高的电子面密度，所以期待GaN用作用于实现高压和高输出操作的射频晶体管的材料。能够实现高压操作的采用GaN的场效应晶体管能够减少阻抗变换电路损失，并且高效率地进行操作。
最近，已经付诸于实践作为用于移动通信基站的场效应晶体管的是具有异质结结构的场效应晶体管，其中GaN基材料被布置在具有高热导率的SiC衬底上。半绝缘SiC衬底当前是极其的昂贵并且因此不能够满足减少成本的需要。因此，为了实现成本和性能之间的好的平衡，目前也在研究使用高电阻率硅衬底的GaN基场效应晶体管。
图8示出在美国专利申请公开No.2007/0272957中公布的场效应晶体管。图8中所示的场效应晶体管包括高电阻率硅衬底120，其电阻率等于大于100Ω·cm；AlGaN层122；GaN层112a；Al0.26Ga0.74N层112b；GaN层112c；源电极114；漏电极116；栅电极118，该栅电极118被提供在源电极114和漏电极116之间；SiN膜128；源极场板129，该源极场板129被形成在SiN膜128上；以及保护膜124。根据美国专利申请公开No.2007/0272957中公布的场效应晶体管能够通过使用高电阻率硅衬底减少与衬底有关的RF损失，并且还能够通过省掉昂贵的半绝缘SiC衬底减少制造成本。
发明内容
图5A示出场效应晶体管。图5A中所示的场效应晶体管包括硅衬底1、沟道层2、二维电子气(2DEG)层3、阻挡层4、源电极5、漏电极6、栅电极7、源极场板10、以及保护膜8。在图5A中所示的场效应晶体管中，由于在漏极和源极之间出现电阻Rdp和电容Cdp导致出现损失，如图5B中所示。图5C示出由于漏源极寄生电阻导致的损失与图5A中所示的场效应晶体管的衬底的电阻率之间的关系。如图5C中所示，Cdp的值越大，场效应晶体管的损失就越大。还能够看出当硅衬底的电阻率Rdp在0.1至100(Ω·cm)的范围内时损失较大。根据美国专利申请公开No.2007/0272957的场效应晶体管采用高电阻率硅衬底(即，具有大的Rdp值的衬底)并且，因此，场效应晶体管能够减少其损失。
图6示出硅衬底的温度和电阻率之间的关系。如图6中所示，对于高电阻率硅衬底(例如，其掺杂浓度是1014cm-3的Si)，随着硅衬底的温度增加其电阻率(ρ)很大地变化。尤其地，当硅衬底的温度超过200℃时电阻率快速地减少。
因此，当使用高电阻率硅衬底构造场效应晶体管时，以在美国专利申请公开No.2007/0272957中公开的场效应晶体管中能够看到的方式，超过200℃的硅衬底的温度快速地减少硅衬底的电阻率。在这样的情况下，如图5C中所示，硅衬底的电阻率Rdp在0.1至100(Ω·cm)的范围内，导致由于漏源极寄生电阻引起的损失增加并且大大减少场效应晶体管的效率。因此，现在已经发现，以在根据美国专利申请公开No.2007/0272957的场效应晶体管中能够看到的方式采用高电阻率硅衬底，不能够获得能够在宽的温度范围内高效率地进行操作的场效应晶体管。
本发明的第一示例性方面是场效应晶体管，该场效应晶体管包括：硅衬底，该硅衬底具有不大于0.02Ω·cm的电阻率；沟道层，该沟道层被形成在硅衬底上并且具有至少5μm的厚度；阻挡层，该阻挡层被形成在沟道层上并且给沟道层提供电子；二维电子气层，由沟道层和阻挡层之间的异质结形成该二维电子气层；源电极和漏电极，该源电极和漏电极均与阻挡层形成欧姆接触；以及栅电极，该栅电极被形成在源电极和漏电极之间，并且与阻挡层形成肖特基势垒结。
本发明的第二示例性方面是场效应晶体管，该场效应晶体管包括：硅衬底，该硅衬底具有不大于0.02Ω·cm的电阻率；沟道层，该沟道层被形成在硅衬底上并且具有至少5μm的厚度；阻挡层，该阻挡层被形成在沟道层上并且给沟道层提供电子；二维电子气层，由沟道层和阻挡层之间的异质结形成该二维电子气层；帽层，该帽层被形成在阻挡层上；源电极和漏电极，该源电极和漏电极均与帽层形成欧姆接触；以及栅电极，该栅电极被形成在源电极和漏电极之间，并且与帽层形成肖特基势垒结。
根据本发明的场效应晶体管采用其电阻率等于或者小于0.02Ω·cm的硅衬底。因此，即使硅衬底的温度超过200℃时，硅衬底的电阻率没有快速地减少。因此，本发明能够提供场效应晶体管，该场效应晶体管能够在宽的温度范围内高效率地进行操作。此外，由于根据本发明的场效应晶体管将沟道层的厚度定义为等于或者大于5μm，所以能够减少在漏极和源极之间出现的电容值Cdp。因此，能够提高场效应晶体管的效率。
根据本发明，能够提供能够在宽的温度范围内高效率地进行操作的场效应晶体管。
附图说明
结合附图，根据某些示例性实施例的以下描述，以上和其它示例性方面、优点和特征将更加明显，其中：
图1是根据第一示例性实施例的场效应晶体管的横截面图；
图2是根据第二示例性实施例的场效应晶体管的横截面图；
图3是根据第二示例性实施例的场效应晶体管的输出密度和漏极效率之间的关系；
图4是根据第二示例性实施例的场效应晶体管的漏极效率和沟道温度(Tch)之间的关系；
图5A是根据第二示例性实施例的场效应晶体管的横截面图；
图5B是根据第二示例性实施例的场效应晶体管的等效电路；
图5C是根据第二示例性实施例的场效应晶体管的RF损失和电阻率Rdp之间的关系；
图6是硅衬底的温度和电阻率之间的关系；
图7是使用根据本发明的场效应晶体管构造的微波功率放大器；以及
图8是在美国专利申请公开No.2007/0272957中公布的场效应晶体管。
具体实施方式
[第一示例性实施例]
在下文中，参考附图，解释本发明的示例性实施例。
图1是根据本示例性实施例的场效应晶体管的横截面图。如图1中所示，根据本示例性实施例的场效应晶体管包括硅衬底1；沟道层2，该沟道层2被形成在硅衬底1上并且具有等于或者大于5μm的厚度；阻挡层4，该阻挡层4被形成在沟道层2上并且给沟道层2提供电子；二维电子气(2DEG)层3，通过沟道层2和阻挡层4之间的异质结形成该二维电子气(2DEG)层3；源电极5和漏电极6，该源电极5和漏电极6均与阻挡层4的形成欧姆接触；以及栅电极7，该栅电极7被形成在源电极5和漏电极6之间并且与阻挡层4形成肖特基势垒结。
硅衬底1是其电阻率等于或者大于0.001Ω···cm并且等于或者小于0.02Ω·cm的衬底。例如，可以使用i-GaN作为形成在硅衬底1上的沟道层2。注意，沟道层2不必须仅包括i-GaN，并且可以包括i-Al(Ga)N、i-In(Ga)N等等，以成为多层结构。例如，沟道层2的厚度应等于或者大于5μm并且等于或者小于10μm。注意，如果能够控制在器件制造工艺中作为问题出现的晶圆翘曲，那么厚度的上限能够被提高。另外，沟道层2的厚度应是能够减少场效应晶体管的漏极和源极之间出现的寄生电容Cdp(参见图5A)的值。例如，可以使用i-AlxGa1-xN(x＝0.1至0.3)作为形成在沟道层2上的阻挡层4。例如，阻挡层4的厚度可以是15至35nm。阻挡层4给沟道层2提供电子。通过沟道层2与阻挡层4之间的异质结，二维电子气(2DEG)层3被形成在沟道层2和阻挡层4之间的界面处。沟道层2和阻挡层4外延生长在硅衬底1上。
在阻挡层4上，形成均与阻挡层4形成欧姆接触的源电极5和漏电极6。电子经由二维电子气层3从源电极5流到漏电极6。例如，通过Ti/Al、Ti/Pt/Au等等能够形成源电极5和漏电极6。在位于阻挡层4上的源电极5和漏电极6之间，形成与阻挡层4形成肖特基势垒结的栅电极7。例如，能够使用NiAu形成栅电极7。
注意，在前述说明中提及的用于构造根据本示例性实施例的场效应晶体管的材料和厚度值仅仅是示例性材料和值，并且可以适当地对它们进行更改只要能够构造异质结场效应晶体管(HJFET)。
根据本示例性实施例的场效应晶体管采用其电阻率等于或者小于0.02Ω·cm的硅衬底。因此，即使当硅衬底的温度超过200℃时，硅衬底的电阻率没有快速地减少。因此，本发明能够提供能够在宽的温度范围内高效率地进行操作的场效应晶体管。此外，由于根据本示例性实施例的场效应晶体管将沟道层的厚度限定为等于或者大于5μm，所以能够减少在漏极和源极之间出现的电容值Cdp，从而能够提高场效应晶体管的效率。
[第二示例性实施例]
接下来，解释根据第二示例性实施例的场效应晶体管。
图2是用于描述根据第二示例性实施例的场效应晶体管的图。如图2中所示，根据本示例性实施例的场效应晶体管包括硅衬底1；沟道层2，该沟道层2被形成在硅衬底1上；阻挡层4，该阻挡层4被形成在沟道层2上并且给沟道层2提供电子；二维电子气(2DEG)层3，通过沟道层2和阻挡层4之间的异质结形成该二维电子气(2DEG)层3；帽层9，该帽层9被形成在阻挡层4上；源电极5和漏电极6，该源电极5和漏电极6均与帽层9形成欧姆接触；栅电极7，栅电极7被形成在源电极5和漏电极6之间并且具有与帽层9形成肖特基势垒结的栅极场板电极11；保护膜8；以及源极场板电极10，该源极场板电极10被形成在保护膜8上。
硅衬底1是其电阻率等于或者大于0.001Ω·cm并且等于或者小于0.02Ω·cm的衬底。例如，作为被形成在硅衬底1上的沟道层2，可以使用i-GaN。注意，沟道层2没有必要仅包括i-GaN，并且它可以包括i-Al(Ga)N、i-In(Ga)N等等，以成为多层结构。例如，沟道层2的厚度应等于或者大于5μm并且等于或者小于10μm。注意，只要能够控制作为器件制造工艺中的问题出现的晶片翘曲，能够提高厚度的上限。另外，沟道层2的厚度应是能够减少在场效应晶体管的漏极和源极之间出现的寄生电容Cdp(参见图5A)的值。例如，作为被形成在沟道层2上的阻挡层4，可以使用i-AlxGa1-xN(x＝0.1至0.3)。例如，阻挡层4的厚度可以是15至35nm。阻挡层4给沟道层2提供电子。通过沟道层2和阻挡层4之间的异质结，二维电子气层(2DEG)3被形成在沟道层2和阻挡层4之间的界面处。例如，作为被形成在阻挡层4上的帽层9，可以使用i-GaN。在硅衬底1上外延地生长沟道层2、阻挡层4、以及帽层9。
在帽层9上，形成均与帽层9形成欧姆接触的源电极5和漏电极6。电子经由二维电子气层3从源电极5流到漏电极6。例如，能够通过Ti/Al，Ti/Pt/Au等形成源电极5和漏电极6。
在位于帽层9上的源电极5和漏电极6之间，形成与帽层9形成肖特基势垒结的栅电极7。在栅电极7处，形成朝着漏电极6延伸的栅极场板电极11。栅极场板电极11被形成在保护膜8上以与栅电极7成为一体。例如，能够使用NiAu形成栅电极7。通过提供栅极场板电极11，能够抑制在栅极的漏极侧的周围的位置处在耗尽层的外围部分出现的电场集中。
在源电极5和漏电极6之间的保护膜8上的部分的一部分处，源极场板电极10被形成为覆盖朝向漏电极6的栅电极7的该部分。通过提供源极场板电极10，能够抑制在栅极的漏极侧的周围的位置处的耗尽层的外围部分出现的电场集中。例如，作为保护膜8，能够使用SiN。
注意，前述说明中提及的用于构造根据本示例性实施例的场效应晶体管的材料和厚度值仅仅是示例性材料和值，并且可以适当地对它们进行更改，只要能够构造异质结场效应晶体管(HJFET)。
图3示出根据本示例性实施例的场效应晶体管的输出密度和漏极效率之间的关系。被评估的场效应晶体管均具有0.8mm的栅极宽度(指长度400μm×2个)，它的偏置电压为漏极电压＝50V并且漏极电流＝8mA，并且它的频率是2GHz(对于图4中所示的情况也是一样)。在图3中，(根据本示例性实施例的发明)样品A是场效应晶体管，其采用低电阻率的硅衬底(即，其电阻率等于或者小于0.02Ω·cm的衬底)作为它的衬底，并且具有沟道层2，其具有5μm的厚度并且通过GaN形成。样品B(比较示例)是场效应晶体管，其采用低电阻率硅衬底(即，其电阻率等于或者小于0.02Ω·cm的衬底)作为它的衬底，并且具有沟道层2，其具有3μm的厚度并且通过GaN形成。样品C(比较示例)是采用高电阻率硅衬底的传统的场效应晶体管。
如图3中所示，采用低电阻率硅衬底的样品A能够实现等效于是传统的场效应晶体管的样品C的输出密度和漏极效率。比较均采用低电阻率衬底的采样A和采用B，能够看出，在漏极效率和输出密度方面，其中是沟道层的GaN的厚度是5μm的样品A优于其中GaN的厚度是3μm的样品B。
图4示出场效应晶体管的漏极效率和沟道温度(Tch)之间的关系。在这里，沟道温度对应于硅衬底温度。在图4中，样品A(根据本示例性实施例的发明)是场效应晶体管，其采用低电阻率硅衬底(即，其电阻率等于或者小于0.02Ω·cm的衬底)作为它的衬底，并且具有沟道层2，其具有5μm的厚度的并且通过GaN形成。样品C(比较示例)是采用高电阻率硅衬底的传统的场效应晶体管。
如图4中所示，对于采用高电阻率硅衬底的样品C，随着沟道温度增加漏极效率快速地减少。具体地，虽然在100℃左右漏极效率大约是64％，在270℃左右下降到30％，示出漏极效率中的快速减少。相反地，对于采用低电阻率硅衬底的样品A，即使当沟道温度上升时漏极效率仅减少了大约10％。因此，通过根据本示例性实施例的场效应晶体管(样品A)，显著地提高高温度下的漏极效率。
即，如图6中所示，对于其中硅的电阻率高的衬底，高温度下的硅的电阻率变化大，并且对于其中硅的电阻率低的衬底，电阻率变化低。因此，根据本示例性实施例的场效应晶体管采用具有等于或者小于0.02Ω·cm的极低的电阻率的低电阻率硅衬底，从而能够减少衬底的电阻率的变化对场效应晶体管的特性的影响。
在根据本示例性实施例的场效应晶体管中，如图5中所示，由于衬底1的电阻Rdp与沟道层2的寄生电容Cdp之间的耦合出现RF损失。换言之，如图5B中所示，由于在漏极和源极之间存在电阻Rdp和电容Cdp导致出现损失。图5C示出电阻率Rdp和RF损失之间的关系。如图5C中所示，寄生电容Cdp的值越小，RF损失越小。因此，根据本示例性实施例的场效应晶体管将沟道层2的厚度限定为等于或者大于5μm，从而减少寄生电容Cdp的值。这使得能够减少场效应晶体管的RF损失。
如在前述中已经描述，根据本示例性实施例的场效应晶体管采用低电阻率硅衬底作为它的衬底并且，此外，将沟道层2的厚度定义为等于或者大于5μm，从而能够抑制高温下场效应晶体管的漏极效率的减少，同时保持漏极效率基本等于传统的场效应晶体管。特别地，当在等于或者高于微波带的射频区域中使用根据本示例性实施例的场效应晶体管时更加显著地展示出此效果。
[第三示例性实施例]
接下来，解释根据第三示例性实施例的微波功率放大器。
图7示出使用根据本发明的场效应晶体管构造的微波功率放大器。根据本示例性实施例的微波功率放大器20包括输入匹配电路23，其一端被连接至输入端22并且其另一端被连接至场效应晶体管21的栅极端；输出匹配电路24，其一端被连接至输出端25并且其另一端被连接至场效应晶体管21的漏极端；以及场效应晶体管21，其源极端被接地。根据本示例性实施例的微波功率放大器20的封装具有散热板(散热片)。通过接地散热板，能够耗散在场效应晶体管21生成的热。注意，还能够采用包括输入匹配电路23和输出匹配电路24中的至少一个的结构。
本领域的技术人员能够根据需要组合第一至第三示例性实施例。
虽然已经按照若干示例性实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解本发明可以在权利要求的精神和范围内进行各种修改的实践，并且本发明并不限于上述的示例。
此外，权利要求的范围不受到上述的示例性实施例的限制。
此外，应当注意的是，申请人意在涵盖所有权利要求要素的等同形式，即使在后期的审查过程中对权利要求进行过修改亦是如此。

Claims (9)

1.一种场效应晶体管，包括：
硅衬底，所述硅衬底具有不大于0.02Ω·cm的电阻率；
沟道层，所述沟道层被形成在所述硅衬底上并且具有至少5μm的厚度；
阻挡层，所述阻挡层被形成在所述沟道层上并且给所述沟道层提供电子；
二维电子气层，由所述沟道层和所述阻挡层之间的异质结形成所述二维电子气层；
源电极和漏电极，所述源电极和漏电极每个均与所述阻挡层形成欧姆接触；以及
栅电极，所述栅电极被形成在所述源电极和漏电极之间，并且与所述阻挡层形成肖特基势垒结。
2.一种场效应晶体管，包括：
硅衬底，所述硅衬底具有不大于0.02Ω·cm的电阻率；
沟道层，所述沟道层被形成在所述硅衬底上并且具有至少5μm的厚度；
阻挡层，所述阻挡层被形成在所述沟道层上并且给所述沟道层提供电子；
二维电子气层，由所述沟道层和所述阻挡层之间的异质结形成所述二维电子气层；
帽层，所述帽层被形成在所述阻挡层上；
源电极和漏电极，所述源电极和漏电极每个均与所述帽层形成欧姆接触；以及
栅电极，所述栅电极被形成在所述源电极和漏电极之间，并且与所述帽层形成肖特基势垒结。
3.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中所述硅衬底的电阻率为至少0.001Ω·cm并且不大于0.02Ω·cm。
4.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中所述沟道层的厚度为至少5μm并且不大于10μm。
5.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中所述栅电极具有栅极场板电极，所述栅极场板电极在朝着所述漏电极的方向上从所述栅电极延伸。
6.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中源极场板电极被形成在所述源电极和所述漏电极之间的区域的一部分上。
7.根据权利要求6所述的场效应晶体管，其中所述源极场板电极形成在朝向所述漏电极的区域处，并且保护膜被插入在所述源极场板电极和所述栅电极之间。
8.根据权利要求1所述的场效应晶体管，其中由i-GaN形成所述沟道层，并且通过i-AlxGa1-xN形成所述阻挡层，其中x＝0.1至0.3。
9.一种微波功率放大器，包括：
根据权利要求1所述的场效应晶体管，所述场效应晶体管具有接地的源极端；
输入匹配电路，所述输入匹配电路被连接至所述场效应晶体管的栅极端；
输出匹配电路，所述输出匹配电路被连接至所述场效应晶体管的漏极端；以及
封装，所述封装容纳所述场效应晶体管、所述输入匹配电路以及所述输出匹配电路，并且具有接地的散热板。
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