高效率和/或高功率密度宽带隙晶体管制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种半导，件以及，更具体地，涉及一种宽带隙晶体管。
技术介绍
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1^才料不能充分i:鹏用于较高功率和/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 ^t才料，例如碳化硅(在室温下，阿尔法SiC为2.996eV)禾口I顶夷氮化物(例如， 在室温下，GaN为3.36eV)。与砷化f莉卩硅相比，这些材料典型地具有较高电场 击穿^^和较高电^ft包和皿。特别适用于高功率和/或高频率应用的器件是高电，移率晶体管(HEMT)， 在某些瞎况下，其还被称为调制掺杂场交娘晶体管(MODFET)。这些器件可以在 许多瞎况下撒共操作优势，因为二维电子气(2DEG)形/^具有不同带隙肖疆的 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^狄的电子亲和力。 2DEG是一种在非掺杂("非故意掺杂')、较小带隙浙料中的积累层，且可以包含 鹏例如10'3载流子/0112顿瞎高的薄层电子浓度。另外，产生于较宽带隙半导 ^t才料中的电子转变为2DEG，该2DEG由于陶氐了的离子化杂质翻寸而可以具 有高电^ii移率。这种高载流子浓度和高载流预移率的结合可以*舒HEMT以非常大的跨 导且可以掛共优于诸如金属-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J^用。由氮化像氮化铝镓(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战高击穿场、宽带隙、 高导带偏移禾口/或高饱和电子漂移3IM。 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M化镓层、氮化镓层 上的铝氮化镓阻挡层以及在铝氮化^W源极结构上的钝化层。自从在1993年，由Khan雜Appl. Phys. Lett,vol.63,p.1214,1993所描述的， 以及在19%年，由Wu IEEE Electron Device Lett.,vol.l7,pp.455457,1996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^m移率晶体管 (HEMT)己经有了长足的改进。许多研究组都已经提出了具有皿10W/mm的功 率密度的器件，其^Mil了常规II-V器件的十倍。参见Tilak等的正EE Electron Device Lett.,vol.22,pp.504-506，2001年11月；Wu等的正DM Tech Dig.pp.378—380， 2001年12月2—5日；以及Ando等的正EEElectronDeviceLett.,vol.24,pp.289-291， 2003年5月。Zhang等在具有GaN HEMT的高压开，用中^ffl—种4S栅极结构^^ 板。参见Zhang等，IEEE Electron Device Lett,vo1.21,pp.421423， 2000年九月。在 iit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，正EETrans.ElectronDevices, vol.48^PP.1515-1521 ， 2001年8月。 然而，那时制造的器件具剤氏mii:频率，且不适于微1^喿作。Ando等最近j顿一 种具有较小栅极尺寸的對以结构，并展示了在S!C衬底上1顿lmm宽的器件，在 2GHz情况下，性育鹏ij 10.3W的输出功率。参见Ando等，IEEE Electron Device Lett.,vol.24,pp.289—291 ， 2003年5月。Chira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150,宽的器件在4GHz情况下， 获得了12W/mm。参见Chini等，正EE Electron Device Lett.，vol.25,No.5， pp.229— 231， 2004年5月。在Saito等，Technical Digest of正DM 2003 ， pp.587-590，WashingtonJ).C.,2003 年12月8—10日中描述了包括了源极J劍虫场板的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^M栅极。但是，这种设置可肖鹏力口 大的寄生电容。
技术实现思路
根据本专利技术的某些实施例的场^iS晶体管包括I顶夷氮化物沟道层，以及祖II族氮化物沟道层上的栅极撤虫并且體为在电压施加到栅极撤虫时，调娜勾道层的导电率。栅极撤虫可以具有^:度，该长度设置为!E^llGHz频率的情况下， 允许对沟道层导电率进衍雕ij。源极撤虫和漏极撤虫祖顶矣氮化物沟道层^h， 绝缘层在栅极接触之上，且场板在绝缘层;ti并电率給至鹏极撤虫。场交M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n嫉氮化物势垒层。栅极撤虫 可以在势垒层之上，且势雖禾购道层可以在沟道层中TO^垒层和沟道层之间 的界面处共同弓胞二维电^。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A1N且第二势垒子层可以包括AU^—XN，其 中0.15^0.45。如果存在第一和第二势垒子层，贝ij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a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lxl017/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離离第一沟道子层而斷氐的Fe掺杂 剂浓度。场板可以^Jl部场板，且场效应晶体管可以进一步包括在势垒层t上的分隔 层，且下部场板电连接至卿极并从栅极撤虫的漏极一侧朝着漏极撤虫延伸舰分 隔层，iilU—距离Lroi。上部场板可以至少从下部场板的漏极侧,朝着漏极接 触延伸M1^色缘层，超lj一距离L孤。为了在l一6GHz范围内操作，Lroi+Lro2 可以是约l-2.5Mm。特别是，LFTO可以是约0.5Mm且Lm2可以是约1.2Mm。下部场板还可以朝着源极擲虫延伸 1分隔层，超lj从约Omhi到约0.5阿 的距离。分隔层可以包括SiN。当漏极电压为135V时，可以^^共至少40W/mm的功率密度。场交她晶体管 可以具有大于50%的功寧曾加效率(PAE)。本专利技术的某些实施例提供一种场效应晶体管，皿频率至少为4GHz的情况 下，在^^卖波^E，作下，具有大于40W/mm的功率密度。当漏极电压为13本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴毅锋，P帕里克，U米什拉，M穆尔，
申请(专利权)人：克里公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]