一种场效应晶体管制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种场效应晶体管。
技术介绍
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 —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—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τ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。附图3用有限元的方法对附图2所示结构进行了模拟，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，Si02，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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 ；所述半导体层和所述隔离层的材料为4III族氮化物半导体材料，其中III价原子包括铟、铝或镓。所述半导体层和隔离层的材料为InxAlyGazNmz(0彡x，y，ζ彡1)。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点本专利技术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为图2所示器件电容的模拟结构对于IOOnm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% ；图4为本专利技术一种场效应晶体管结构的截面图；图5为图4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。 具体实施例方式下面结合附图对本专利技术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、本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：范爱民，
申请(专利权)人：范爱民，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]