[实用新型]一种场效应晶体管

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种场效应晶体管。 

背景技术

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一般采用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一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。