[发明专利]金属-半导体场效应晶体管及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子器件领域，特别涉及一种场效应晶体管，可用于 高频大功率集成电路的制作。

背景技术

在最近几年中，随着电子电路在高频例如射频、S-波段和X-波段工 作的应用，对于大于20瓦的大功率处理能力的电子电路的需要变得更 加普遍。为此需要较大功率负载的晶体管。目前，已用于大功率负载的 晶体管主要有双极型晶体管、功率金属-氧化物-半导体场效应晶体管 MOSFETs以及结型场效应晶体管JFETs。但是以上这些器件在更高的 工作频率下的功率处理能力仍然受到了一定的限制。

近几年来，已经开发了应用于高频方面的金属-半导体场效应晶体管 MESFETs。该MESFETs器件因为只有多数载流子承载电流，所以相比 于双极型晶体管的设计可以优选MESFET结构用于高频应用。该 MESFETs器件又因为降低的栅极电容允许栅极输入具有更快的开关时 间，所以相比于MOSFET及JFET的设计可以优选MESFET设计。而 且，MESFET器件的肖特基栅极结构使其能制作出更加满足高频应用需 要的晶体管。

应用于高频领域的晶体管除了结构类型之外，更主要地是形成晶体 管的半导体材料的特性同样影响其工作参数，即晶体管工作时的电子迁 移率、饱和电子漂移速度、电击穿电场和热导率。

电子迁移率，是指单位电场下电子的平均漂移速度。在过去，因为 当施加电场时较小的电场就会出现更大的电流，进而会出现更快的响应 时间，所以应当优选具有高电子迁移率的半导体材料。

饱和电子漂移速度，是指电子在半导体材料中可以获得的最大速 度。因为较高的速度会转变为从源极到漏极的较短的时间，所以应当优 选具有较高的饱和电子漂移速度的材料用于高频应用。

电击穿电场，是指肖特基结的击穿以及通过器件的栅极的电流突然 增加时的电场强度。因为对于给定的材料尺寸通常可以承受较大的电 场，所以应当优选高的电击穿电场材料用于大功率、高频晶体管。

热导率，是指半导体材料分散热的能力。在典型的操作中，大功率 和高频晶体管通常比小信号晶体管产生更大量的热。当半导体材料的温 度增加时，随着漏电流增加，载流子迁移率会降低，并导致场效应晶体 管整体性能的下降。因此，如果从半导体散热，材料将保持较低的温度 并能够承载较大的电流。所以应当优选高的热导率材料用于大功率、高 频晶体管。

过去，由于III-V族化合物的高电子迁移率，已经制造出了n型III-V 族化合物例如砷化镓(GaAs)的最高频率的MESFETs。虽然以这些材 料制作的器件提高了工作频率并适当地提高了功率处理能力，但是由于 这些材料的击穿电压和热导率较低，限制了它们在大功率器件中的应 用。

碳化硅(SiC)以其优良的物理特性和电特性一直被人们所熟知， 其理论上允许制造电子器件。SiC材料由于具有4×10⁶V/cm的高击穿 电场、2.0×10⁷cm/sec的高饱和电子漂移速度和4.9W/cm-°K的高热导率 的特点，因而适合于高频、大功率的应用。但是，又由于SiC器件制作 工艺的困难，限制了其在大功率和高频的广泛应用。

随着器件制作工艺的发展，已经在硅(Si)衬底上制造了具有碳化 硅沟道层的MESFETs。但是由于Si衬底的应用通常限制了器件的散热 能力。因此，在Si衬底上生长SiC通常会因为温度过高而导致外延层中 产生缺陷，从而引起器件工作时较大的漏电流。

近几年来，随着SiC器件制作工艺的改进和发展，已经制造了在SiC 衬底上生长的SiC外延层的MESFETs。由于在SiC衬底上生长的外延 层改善了晶体质量，所以这些器件显示出了优于Si衬底器件的热特性， 并且进一步提高了MESFETs的击穿电压、输出功率及工作频率。

但是，目前已有的MESFET器件结构由于其表面存在着严重的陷阱 效应，因而在MESFET器件施加漏电压偏置下，电子从栅极隧穿至表面 电荷耗尽区时，被表面陷阱所俘获，进而在表面附近产生寄生栅，并形 成耗尽层。这个耗尽层将导致有效沟道厚度的减少、电子迁移率的下降 以及漏电流的降低。随着栅漏电压差的增大，表面陷阱效应的影响变得 更加明显，这将会严重影响MESFET的微波功率输出特性。

发明内容