[發明專利]具有改良柵極的高電子遷移率晶體管

有效

• 申請號: 201310577768.0
• 申請日: 2013-11-18
• 公開（公告）號: CN103618003B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: 石以瑄;邱樹農;邱星星;石宇琦;吳杰欣
• 申請（專利權）人: 石以瑄;邱樹農;邱星星;石宇琦
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/47
• 代理公司: 蘇州市新蘇專利事務所有限公司32221
• 代理人: 徐鳴

技術領域

本發明涉及到一個用來作功率切換和微波放大的高電子遷移率晶體管，更明確些，它牽涉到一個高電子遷移率晶體管的柵極以增進該晶體管的操作性能。

背景技術

為了電子切換和放大大約千兆赫茲（1GHz）以下低頻率的電信號，電路中大多使用了在硅基底或襯底上作的金屬-氧化物-半導體-場效晶體管（MOSFET）或雙極晶體管（BJT）。當頻率高過1?千兆赫茲而進入微波和毫米波時，上述硅基的器件一般不適用于切換或放大這些電信號，因而不適于在微波和毫米波范圍的應用。這是因為硅半導體中的電荷遷移率（電子遷移率）較低，在制成器件前為1000cm²/V-sec但在制成器件后則低過此數值，其擊穿電場也較低，大概等于0.3X10^6?V/cm。由于較低的電荷遷移率，硅基的晶體管，器件或電路無法在過高的頻率下工作。由于較低的擊穿電場，硅基的晶體管也無法在高電壓或高功率狀況下操作，晶體管的小尺寸使得它很容易發生擊穿。除了切換功率，這些器件還要用來轉換高電壓交流電（AC）到直流電（DC），或是轉換直流電（DC）到交流電（AC）。在這些高功率的轉換應用中，器件必須設計成可以承受高達幾千伏的電壓。為了達到較好的切換和放大效率，一個晶體管在兩個輸出端之間的寄生串聯電阻必須要低，這種要求也需要所用的半導體具有高的電荷遷移率。因為串聯電阻隨著電荷遷移率的增加而減少。另外還有一個對晶體管的重要要求，即是在整個的使用壽命周期中，器件或電路必須要有好的穩定性和可靠性。器件或電路的使用壽命要求一般長達10⁶-10⁷個小時。最后晶體管及其電路必須可以用工業上的成熟的半導體技術和設備來生產或制造。綜上所述，為了得到高效率和高速的功率切換和放大，使用的半導體必須有高的電荷遷移率，大的擊穿電場，優良的熱穩定性和容易用工業半導體技術來制造。

近年來，一種III-氮化物的新型半導體材料正被研發，其中III代表周期表第三族中的元素：鋁、鎵和銦。這種新型半導體的例子有：氮化鋁、氮化鎵、氮化銦和它們的融合物，氮化鎵鋁、氮化鎵銦和氮化銦鋁。此外，大部分這些III-氮化物的能隙比硅和砷化鎵都要大，尤其是氮化鎵、氮化鎵鋁和氮化鋁，由于能量松弛時間的不同和大的能隙，使用III-氮化物和它們的融合物制作的電子器件的擊穿電場遠大過硅基的器件。例如：氮化鎵鋁的擊穿電場為3.0X10⁶V/cm，大約是硅或砷化鎵的10倍。因此，同樣尺寸的器件使用III-氮化物制作時，將可以承受10倍大的電壓。

還要指出，這些III-氮化物中的電荷遷移率比硅要高。此外值得指出的是，對這些III-氮化物制造的器件，能進行穩定操作的臨界結溫度要比砷化鎵和硅都高。作個比較，硅器件的臨界結溫度是250℃，砷化鎵器件是400℃，而III-氮化物器件的臨界結溫度則高達600℃?？紤]到高的擊穿電場、大的電荷遷移率和高的穩定臨界結操作溫度，很顯然，使用III-氮化物制作的器件和電路更適合於高功率的切換和高頻率毫米波電路的應用。這些III-氮化物的器件可以取代部分目前以砷化鎵技術來達成的高頻率高功率電路應用。

然而，因為III-氮化物材料和藍寶石或碳化硅基底或襯底之間的不同，它們之間的熱膨脹系數和晶格常數并不匹配，這些熱膨脹系數和晶格常數的不同會讓III-氮化物薄膜在冷卻或加熱時導致應力和應變。這些應力和應變在外延III-氮化物層中能導致微裂縫或缺陷，并影響這些III-氮化物層的電子特性，這些微裂縫或缺陷有時很小而無法用簡單的低倍光顯微鏡觀察到。