[發明專利]場效應晶體管

無效

• 申請號: 200680047375.7
• 申請日: 2006-12-12
• 公開（公告）號: CN101331599A
• 公開（公告）日: 2008-12-24
• 發明（設計）人: 松永高治;大田一樹;岡本康宏;中山達峰;分島彰男;安藤裕二;宮本廣信;井上隆;村瀨康裕
• 申請（專利權）人: 日本電氣株式會社
• 主分類號: H01L21/338
• 分類號: H01L21/338;H01L29/06;H01L29/778;H01L29/812
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 陸錦華;黃啟行

技術領域

本發明涉及使用第III族氮化物半導體的場效應晶體管。

背景技術

近年來，具有AlGaN(上層)/GaN(下層(襯底側))結構的電子器件已被更廣闊地開發。由于AlGaN/GaN結構的寬帶隙特性，它具有高擊穿電壓特性，并且被認為尤其可用于在較高電壓下操作的高頻/高輸出器件和反相器電源。

在專利文獻1中描述了一種公知的、具有AlGaN/GaN結構的傳統異質結晶體管。圖2是示意性截面圖，其示出了該文獻所述的晶體管的基本配置。

通過下述過程來制造圖2所示的晶體管。

首先，在高電阻率SiC襯底24之上，通過MOCVD工序順序沉積用作溝道層的未摻雜GaN(i-GaN)溝道層25和包含n型AlGaN的AlGaN電子施主層26。然后，通過CVD工序沉積SiN膜27。此后，通過具體在稍后將形成柵電極22、漏電極23及源電極21的區域中移除SiN膜27來形成開口，然后形成電極。以這種方式，獲得了圖2所示的基本結構。在該結構中，柵電極22被形成在AlGaN電子施主層26上，并與之相接觸。

圖3是示出了在圖2所示晶體管的柵電極22正下方的區域的能帶圖(band?chart)。

如圖3所示，在柵電極22正下方，在AlGaN電子施主層26和未摻雜GaN溝道層25之間出現了較大壓電極化，其歸因于其間的晶格不匹配。結果，在AlGaN電子施主層26和未摻雜GaN溝道層25之間的界面處，在AlGaN電子施主層26中產生了正極化電荷，并在未摻雜GaN溝道層25中感應出負二維電子氣。在AlGaN電子施主層26的表面側，即，在其柵電極側的界面處，在AlGaN電子施主層26中感應出負電荷，該負電荷與由壓電和自發極化產生的正電荷相平衡。

AlGaN電子施主層26的Al含量的增加導致了更多通過極化的電荷的產生，并增加了表面載流子濃度，從而晶體管被設定為大電流類型。例如，二維電子氣的表面載流子濃度大約為GaAs基半導體的表面載流子濃度的10倍。此外，由于其寬帶隙特性，報道了遠超出GaAs基半導體功率密度的功率密度。

在這里引入了表層SiN膜27來減少外部影響并穩定操作。SiN膜27緊密影響在AlGaN電子施主層26的表層部分附近的深能級和極化電荷。

如果SiN膜27的厚度較大，則能夠補償極化電荷和施主能級。因此，在AlGaN電子施主層26和SiN膜27之間的界面將表現為無能級的理想界面(排除了任何影響)。相反，當未提供SiN膜27時，或當SiN膜27僅僅具有較小厚度時，則僅僅將極化電荷和施主能級補償到不充分的程度，留下表層能級未被補償。因此，晶體管特性可以根據SiN膜27的厚度而大大改變。

當未提供SiN膜27時，或當SiN膜27僅僅具有較小厚度時，可能產生被已知是電流崩塌的特定問題。崩塌意味著，當晶體管在大信號下操作時，晶體管由于表面能級的響應導致從負電荷被釋放和捕獲的狀態轉變到保持捕獲的狀態，并因此抑制最大漏電流。如果崩塌變得顯著，則在大信號操作下的漏電流可被抑制，并由此能夠降低飽和輸出。崩塌有時可產生I-V特性的滯后，并可能使操作失穩。

圖4是示出了對不提供SiN膜27的配置實際測量的IV特性的圖示。如圖4所示，在沒有提供SiN膜的情況下，可在IV特性中看到大滯后。

如在上文中所描述的，可能需要在一定程度上或更多地加厚SiN膜27，以充分減少崩塌。然而，加厚的SiN膜27可消除(cancel)表面負電荷，電流可更加集中在柵極和漏極之間的區域中，從而可降低柵極的擊穿電壓。簡而言之，在崩塌和柵極擊穿電壓之間存在折衷。

在本說明書上下文中的柵極擊穿電壓意味著這樣的電壓：在該電壓處，當在柵極和漏極之間施加反向電壓時，柵極泄漏電流開始在柵極-漏極反向方向上流動。

順便提一下，在專利文獻2中描述了一種公知的改進晶體管的IV特性的技術。專利文獻2描述了使用n型Al_0.25Ga_0.75N層作為載流子施主層并使用i-GaN層作為載流子流動層的HEMT(高電子遷移率晶體管)。該文獻示出了具有GaN層的結構，并且該GaN層被包括在載流子施主層的上部中作為表面層，該GaN層具有與載流子流動層相同的導電類型，即n型GaN層。

圖5是截面圖，其示出了該文獻所述的晶體管的基本配置。