[发明专利]源场板异质结场效应晶体管及其制作方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子领域，涉及半导体器件，可用于微波功率放大器、无线雷达、单片集成电路等领域。

背景技术

GaN材料作为第三代半导体材料，由于其大的禁带宽度、高的临界击穿场强、高的载流子迁移率以及饱和速度，在高频、高温、高压以及大功率领域显示出极大的优越性。自从1993年，Khan等人报道成功的研制出了第一支AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管，经过材料质量、器件工艺以及器件结构的不断改进，其性能不断取得突破。但是AlGaN/GaN微波功率器件中仍有很多问题没有解决，其中关键的两个问题是存在栅漏电大以及电流崩塌现象，导致器件击穿电压低，输出功率以及功率附加效率PAE受到极大的限制。并且大的漏电带来附加的噪声、损耗，将直接影响到器件的长期可靠性。研究发现这两种现象都与栅靠漏端处的电场有关。在高电子迁移率晶体管工作时，势垒层中的电场线分布并不均匀，栅极靠近漏极一侧的边缘往往收集大部分的电场线，因此此处的电场相当高。此处的的高电场会使得栅极漏电增大，容易触发器件的雪崩或者遂穿击穿，导致了GaN材料高击穿电压和大功率等优势不复存在。并且加大栅电子注入到AlGaN表面，导致了严重的电流崩塌，大大的限制了器件的功率特性。

为了提高AlGaN/GaN HEMTs的击穿电压以及降低电流崩塌对器件的影响，各种各样的场板结构被提出，并且进行了不断的改进，如图1所示为传统的Γ栅AlGaN/GaN HEMTs。其基本原理是：利用场板电极对载流子的耗尽作用，增加耗尽区宽度，增加耗尽区可以承受的电压，从而提高器件的源漏击穿电压，参见Enhancement of breakdown voltage in AlGaN/GaN high electron mobility transistors using a field palte，IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.48,No.8，pp.1515-1521，August，2001。同时场板屏蔽部分来自于漏端的电场线，缓和了栅偏漏端的电场的过度集中，使得栅边缘以及场板下的电场分布更加均匀，从而降低了由于高场导致的栅电子的遂穿以及对AlGaN表面的电子注入，降低了电流崩塌效应。为了进一步调制电场分布，提高击穿电压，一些研究者开始考虑采用双场板甚至多层场板的结构，Γ请参见High breakdown voltage AlGaN/GaN HEMTs achieved by multiple field plates，IEEE Electron Device Letters,Vol.25，No.4，pp.161-163,April 2004。但是场板的引入会增加栅漏间的反馈电容，导致了器件增益的下降。为了解决增益下降的问题，部分人采用了第二层场板结构，且将第二层场板与源极相连，形成源场板结构。在这种结构中，场板和沟道间的电容是漏-源电容，而漏源电容对功率增益特性没有影响，一定程度上提高了器件的增益，参见High-gain microwave GaN HEMTs with source-terminated field-plates,IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest,pp.1078-1079,December 2004。此外，在2005年，Yuji Ando等人报道了采用栅场板和源场板双层场板的结构，有效的减小了器件的栅漏反馈电容，获得了非常高的击穿电压，输出功率以及线性增益，参见Novel AlGaN/GaN dual-field-plate FET with high gain，increased linearity and stability，IEEE International Electrion Devices Meeting Technical Digest，pp.576-579,December 2005。但是，由于源场板与栅场板的距离比较远，即使采用源场板结构，仍然不能完全地屏蔽栅漏电容，获得最佳的功率增益特性。同时，采用多层场板结构的异质结场效应晶体管的制作工艺变得更加复杂，增加一层场板都需要额外的光刻、金属蒸发、介质材料的沉积、清洗等工艺步骤，大大的增加了工艺的复杂度。且每一步工艺都有一定的成品率，随着工艺步骤的增加，使得最后得到的器件的成品率以及均匀性降低。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有场板技术的不足，充分利用第一层场板，提供一种工艺简单、成品率高的源场板异质结场效应晶体管及其制造方法，以提高器件的击穿电压和射频功率增益。