CN201820759U - 一种场效应晶体管 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种场效应晶体管，该晶体管表面设有第一介质层和第二介质层，所述第二介质层设置于所述第一介质层上，所述第一介质层和所述第二介质层的材料的介电常数不同，所述第二介质层的材料为低介电常数的材料。本实用新型一种场效应晶体管在第一介质层上设置低介电常数的第二介质层，第一层介质层为了钝化材料表面态和缺陷，第二层介质层为了降低强场下的空气电离效应，低介电常数的第二介质层可以大大降低器件的寄生电容，提高器件的截止频率。第一介质层和第二介质层也可以辅助形成场板结构，场板结构有利于进一步减低电场，减低电流崩塌效应。

Description

一种场效应晶体管 

技术领域

本实用新型涉及一种场效应晶体管。 

背景技术

第三代半导体氮化镓(GaN)的介质击穿电场远远高于第一代半导体硅(Si)或第二代半导体砷化镓(GaAs)，高达3MV/cm，使其电子器件能承受很高的电压。同时，氮化镓可以与其他镓类化合物半导体(III族氮化物半导体)形成异质结结构。由于III族氮化物半导体具有强烈的自发极化和压电极化效应，在异质结的界面附近，可以形成很高电子浓度的二维电子气(2DEG)沟道。这种异质结结构也有效的降低了电离杂质散射，因此沟道内的电子迁移率大大提升。在此异质结基础上制成的氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)能在高频率导通高电流，并具有很低的导通电阻。这些特性使氮化镓HEMT特别适用于制造高频的大功率射频器件和高耐压大电流的开关器件。 

由于二维电子气沟道内的电子有很高的迁移率，所以氮化镓HEMT相对于硅器件而言，开关速率大大提高。同时高浓度的二维电子气也使得氮化镓HEMT具有较高的电流密度，适用于大电流功率器件的需要。另外，氮化镓是宽禁带半导体，能工作在较高的温度。硅器件在大功率工作环境下往往需要额外的降温器件来确保其正常工作，而氮化镓无须这样，或者对降温要求较低。因此氮化镓功率器件有利于节省空间和成本。 

常规的氮化镓HEMT的器件结构的截面图如图1所示。底层是基片1，基片1上沉积有成核层2、缓冲层3和隔离层4。二维电子气沟道在缓冲层和隔离层的界面附近形成。源极5和漏极6与二维电子气相通，可以控制沟道内电子的流向。栅极7位于源极和漏极之间，用于控制沟道内电子的数目，进而控制电流的大小。 

在晶体管中，通常在栅极与漏极之间承受较高的电压，导致栅极与漏极之间靠近栅极的区域存在强电场，此处的强电场造成氮化镓器件的电流崩塌效应。电流崩塌效应表现为：在高频下电流密度远小于器件稳态时的电流密 度。出现电流崩塌效应使器件性能退化，降低输出功率密度，功率增益效率等，严重制约了器件的高频高压大功率应用。对于氮化镓射频功率器件而言，因为其经常要工作在超高频和高电压环境下，电流崩塌效应控制的要求更加严格。 

引起电流崩塌的物理机制有两种。第一，材料表面缺陷引起的电流崩塌效应。在AlGaN/GaN异质结HEMT中，材料表面存在高密度的表面态或电子陷阱，在强电场作用下，栅极的电子通过隧穿，漂移电导(hopping conduction)等物理机制进入到材料表面栅极与漏极之间区域的电子陷阱中。电子陷阱的反应速度慢，从而引起电流崩塌效应。请参阅图2所示，为应对材料表面电子陷阱引起的电流崩塌效应，氮化镓HEMT一般采用SiN介质等材料(介质层8)覆盖器件表面的钝化工艺。钝化介质层(如SiN或者GaN)可以通过改善材料表面态并阻止电子在表面聚集，来降低或消除电流崩塌效应。 

第二，空气电离引起的电流崩塌效应。在晶体管中，在栅极与漏极之间靠近栅极的区域存在强电场。在强电场作用下，该区域空气电离，由于材料表面的电势为正，空气电离后的负离子被表面电势吸引，聚集在器件的表面。这些负离子，类似于一个虚栅，增强对虚栅下沟道内二维电子气的耗尽。在高频情况下，当栅极电压由夹断电压升为正压时，栅极下的沟道迅速开启，但是源极与漏极间的负离子来不及撤走，虚栅电势的变化速度远小于栅极电势变化速度。因此虚栅下的二维电子气还是处于耗尽态，沟道无法开启，高频下电流密度远小于器件稳态时的电流密度，出现电流崩塌效应。请参阅图2所示，为了应对空气电离引起的电流崩塌效应，氮化镓HEM一般采用厚的钝化介质层(如SiN)。采用厚的SiN钝化介质层，对于器件暴露在空气中的区域，其电场大大降低。因此空气电离的效应也大大降低。 

但是，传统的厚SiN钝化介质层的结构，会降低对于器件的频率响应(请参阅图2所示)，不利于超高频氮化镓器件的设计。 

对于高频氮化镓器件而言，器件的栅长很小，因此器件的本征电容很小。寄生电容对于器件截止频率的影响很大。常见的高频氮化镓器件采用T型栅设计，采用SiN或者GaN作为表面钝化层，栅帽与氮化镓之间由空气隔离。 但是常用的SiN和GaN表面钝化层介电常数大，引入的寄生电容大。表1为用有限元的方法对附图2所示结构进行了模拟，对于100nm栅长的器件而言，采用SiN作为介质层，相比于采用低介电常数(ε＝3)的介质，其寄生电容要增加约58％，其总电容要增加约19％；如果表面钝化层采用低介电常数的介质层，寄生电容能够大大降低，这对于小栅长的器件尤为关键。但是，SiO2，SiON等多种介质层都被研究和尝试过，相对于SiN和GaN而言，不能有效钝化材料表面，不能有效降低由氮化镓表面态引起的。 

表1图2所示器件电容模拟结果 

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种场效应晶体管，其既能改善电流崩塌效应，又能减小寄生电容，提高截止频率。 

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案： 

一种场效应晶体管，其表面设有第一介质层和第二介质层，所述第二介质层设置于所述第一介质层上。 

所述第一介质层和所述第二介质层的材料的介电常数不同，所述第二介质层的材料为低介电常数的材料。 

所述第二介质层的材料为介电常数ε＜4的材料。 

所述场效应晶体管由下至上依次包括基片、半导体层、隔离层、第一介质层和第二介质层，该场效应晶体管还包括源极、漏极和栅极，所述源极和漏极设置于所述隔离层上且电性连接所述半导体层，所述栅极设置于所述隔离层上，所述栅极位于所述源极和漏极之间。 

所述栅极为T型栅极。 

所述T型栅极的栅帽接触所述第二介质层。 

所述第一介质层为钝化所述场效应晶体管表面态或表面电子陷阱的钝化介质层；所述第二介质层为用于降低器件与空气接触区域的电场、降低空气电离引起的电流崩塌效应的介质层。 

所述第一介质层的材料为GaN、AlN或SiN，所述第二基质层的材料为SiO₂或BCB。 

所述半导体层的材料为氮化物半导体材料，所述隔离层的材料为与所述半导体层的材料形成异质结的半导体材料。 

所述基片的材料为蓝宝石、SiC、GaN或Si；所述半导体层和隔离层的材料为In_xAl_yGa_zN_1-x-y-z，其中0≤x，y，z≤1。 

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：本实用新型一种场效应晶体管通过在第一介质层上设置低介电常数的第二介质层，第一介质层和第二介质层可以辅助形成场板结构，场板结构有利于进一步减低电场，减低电流崩塌效应，低介电常数的第二介质层也可以大大降低器件的寄生电容，提高器件的截止频率。 

附图说明

图1为常规氮化镓HEMT器件结构的截面图； 

图2为常规高频氮化镓HEMT器件结构的截面图，器件材料表面形成一层钝化介质层； 

图3为本实用新型一种场效应晶体管结构的截面图； 

图4为图3所示晶体管结构的另一种变化，T型栅帽直接位于钝化介质层上。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型优选的实施例进行详细的说明。 

请参阅图4所示，基片1的材质可以是蓝宝石(Sapphire)、SiC、GaN、Si或者本领域的技术人员公知的任何其他适合生长氮化镓材料，基片1的沉积方法包括CVD、VPE、MOCVD、LPCVD、PECVD、脉冲激光沉积(PLD)、原子层外延、MBE、溅射、蒸发等。 

基片1上是可选的成核层2，用于在其上生长半导体层，本实用新型也可 以不形成成核层2，而直接在基片1上形成半导体层。 

成核层2上是半导体层3，其可以是基于氮化物的任何半导体材料，例如III族氮化物半导体材料，其中III价原子包括铟、铝、镓或铟、铝、镓以任意比例的组合。具体地，半导体层3可以包括氮化镓(GaN)以及其他镓类化合物半导体材料，例如AlGaN、InGaN等，也可以是镓类化合物半导体材料与其他半导体材料的叠层。镓类半导体材料的极性可以是Ga-极性，也可以是N-极性、非极性或者半极性。 

半导体层3上是隔离层4，其是能够与下面的半导体层3形成异质结的任何半导体材料，包括镓类化合物半导体材料或III族氮化物半导体材料，例如In_xAl_yGa_zN_1-x-y-z(0≤x，y，z≤1)。也就是说，本实用新型对于半导体层3和隔离层4没有任何限制，只要二者之间能够形成异质结即可。由于在半导体层3和隔离层4之间形成半导体异质结，在异质结界面上的极化电荷引入了高浓度的二维电子气(2DEG)。同时由于电离杂质散射被大大降低，电子具有很高的电子迁移率。 

隔离层4上即是第一介质层8。该第一介质层8可以是在生长或工艺过程中沉积的晶体材料，如GaN或AlN等；也可以是在生长或工艺过程中沉积的非晶体材料，例如SiN等。该第一介质层8目的即是钝化器件表面，降低或消除氮化镓HEMT的电流崩塌效应，并且保护器件表面免受外界影响等。 

第一介质层8之上是一层或多层第二介质层9。该第二介质层9可以是在生长或工艺过程中沉积的晶体材料；也可以是在生长或工艺过程中沉积的非晶体材料。该介质层选用低介电常数的材料(ε＜4)，例如SiO₂或BCB等，第二介质层9是为了降低栅漏之间靠近栅端，器件与空气接触处区域10的电场，降低或阻止该区域10的空气电离，降低空气电离效应引起的电流崩塌效应。同时第二介质层采用低介电常数的材料，可以降低器件的寄生电容，提高器件的截止频率。器件表面被第一介质层8和第二介质层9覆盖后，可以防止受到外界环境的影响或损伤，如防氧化、防潮、防辐射、绝缘、防损伤等。 

第一介质层8和第二介质层9可由多种方式形成，如MOCVD，PECVD， ALD，MBE及热生长等，但不局限于此法。应该理解，这里描述形成介质层的方法只是进行举例，本实用新型可以通过本领域的技术人员公知的任何方法形成介质层。 

第一介质层8和第二介质层9可由多种材料构成，如GaN，Si_XN_Y，Si_XO_Y，Al₂O₃，BCB等，但不局限于所列举材料。 

第一介质层8和第二介质层9的结构可以是单层或是多层，也可以是多种材料重复堆叠形成。 

第一介质层8和第二介质层9的厚度本实用新型不做限制，根据不同的目的及应用可以变化。半导体器件的源极5和漏极6与半导体层3中的2DEG形成电连接。在本实施例中，源极5和漏极6与半导体层3中的2DEG形成电连接的方式可以采用但不局限于以下方式形成：a.高温退火；b.离子注入；c.重掺杂。在进行高温退火的情况下，源极5和漏极6的电极金属穿过隔离层4与半导体层3接触，从而与半导体层3中形成的2DEG电连接。在进行离子注入和重掺杂的情况下，源极5和漏极6由与半导体层3中形成的2DEG电连接的离子注入部分或重掺杂部分和其上的电极构成。应该理解，这里描述形成源极5和漏极6的方法只是进行举例，本实用新型可以通过本领域的技术人员公知的任何方法形成源极5和漏极6。 

半导体器件的栅极7在位于源极5和漏极6之间的区域。栅极7可以是单层金属栅极，也可以双层或多层栅极结构，例如下层是绝缘介质(例如SiO₂)，上层是栅极金属，栅极金属也可以是多层金属。应该理解，这里描述形成栅极的方法只是进行举例，本实用新型可以通过本领域的技术人员公知的任何方法形成栅极。本实用新型中栅极优选为T型栅极。T型栅极可以降低器件的栅极电阻，提高器件的频率响应。 

在高压器件中会使用场板结构，第一介质层8和第二介质层9可以辅助形成场板结构。请参阅图5所示，示出了本实用新型的一种变形，它在图4的基础上，T型栅的栅帽与介质层之间形成场板结构。场板结构使栅极近漏端区域电场均匀分布，提高器件击穿电压。在图5结构中，采用低介电常数第二介质层9来取代SiN层，也可以大大降低器件的寄生电容，提高器件的截 止频率。 

该氮化镓场效应晶体管亦可采用源场板、浮栅等结构增强其性能。 

应该理解，本实用新型是从器件结构设计的角度来改善半导体器件的电流崩塌效应，提高器件截止频率作用的，因此上述描述的耗尽型的氮化镓HEMT只是一个例子，本实用新型并不限于此。本实用新型既适用于工作在高电压大电流环境下的氮化镓HEMT，也可以适用于其他形式的晶体管，如金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)，金属绝缘层半导体场效应晶体管(MISFET)，双异质结场效应晶体管(DHFET)，结型场效应晶体管(JFET)，金属半导体场效应晶体管(MESFET)，金属绝缘层半导体异质结场效应晶体管(MISHFET)或者其他场效应晶体管。并且，这些器件可以是增强型的，也可以是耗尽型的。 

以上虽然通过一些示例性的实施例对本实用新型的半导体器件以及用于制造半导体器件的方法进行了详细的描述，但是以上这些实施例并不是穷举的，本领域技术人员可以在本实用新型的精神和范围内实现各种变化和修改。因此，本实用新型并不限于这些实施例，本实用新型的范围仅以所附权利要求书为准。 

Claims (10)

1.一种场效应晶体管，其特征在于：该晶体管表面设有第一介质层(8)和第二介质层(9)，所述第二介质层(9)设置于所述第一介质层(8)上。

2.如权利要求1所述场效应晶体管，其特征在于：所述第一介质层(8)和所述第二介质层(9)的材料的介电常数不同，所述第二介质层(9)的材料为低介电常数的材料。

3.如权利要求1所述场效应晶体管，其特征在于：所述第二介质层(9)的材料为介电常数ε＜4的材料。

4.如权利要求1至3中任一项所述场效应晶体管，其特征在于：所述场效应晶体管由下至上依次包括基片(1)、半导体层(3)、隔离层(4)、第一介质层(8)和第二介质层(9)，该场效应晶体管还包括源极(5)、漏极(6)和栅极(7)，所述源极(5)和漏极(6)设置于所述隔离层(4)上且电性连接所述半导体层(3)，所述栅极(3)设置于所述隔离层(4)上，所述栅极(7)位于所述源极(5)和漏极(6)之间。

5.如权利要求4所述场效应晶体管，其特征在于：所述栅极(7)为T型栅极。

6.如权利要求5所述场效应晶体管，其特征在于：所述T型栅极的栅帽接触所述第二介质层(9)。

7.如权利要求4所述场效应晶体管，其特征在于：所述第一介质层为钝化所述场效应晶体管表面态或表面电子陷阱的钝化介质层；所述第二介质层为用于降低器件与空气接触区域的电场、降低空气电离引起的电流崩塌效应的介质层。

8.如权利要求1、2、3、5、6或7所述场效应晶体管，其特征在于：所述第一介质层(8)的材料为GaN、AlN或SiN，所述第二基质层(9)的材料为SiO₂或BCB。

9.如权利要求4所述场效应晶体管件，其特征在于：所述半导体层(3)的材料为氮化物半导体材料，所述隔离层(4)的材料为与所述半导体层(3)的材料形成异质结的半导体材料。

10.如权利要求4所述场效应晶体管，其特征在于：所述基片(1)的材料为蓝宝石、SiC、GaN或Si；所述半导体层(3)和隔离层(4)的材料为 In_xAl_yGa_zN_1-x-y-z，其中0≤x，y，z≤1。 

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