[发明专利]具有改良栅极的高电子迁移率晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及到一个用来作功率切换和微波放大的高电子迁移率晶体管，更明确些，它牵涉到一个高电子迁移率晶体管的栅极以增进该晶体管的操作性能。

背景技术

为了电子切换和放大大约千兆赫兹（1GHz）以下低频率的电信号，电路中大多使用了在硅基底或衬底上作的金属-氧化物-半导体-场效晶体管（MOSFET）或双极晶体管（BJT）。当频率高过1 千兆赫兹而进入微波和毫米波时，上述硅基的器件一般不适用于切换或放大这些电信号，因而不适于在微波和毫米波范围的应用。这是因为硅半导体中的电荷迁移率（电子迁移率）较低，在制成器件前为1000cm²/V-sec但在制成器件后则低过此数值，其击穿电场也较低，大概等于0.3X10⁶ V/cm。由于较低的电荷迁移率，硅基的晶体管，器件或电路无法在过高的频率下工作。由于较低的击穿电场，硅基的晶体管也无法在高电压或高功率状况下操作，晶体管的小尺寸使得它很容易发生击穿。除了切换功率，这些器件还要用来转换高电压交流电（AC）到直流电（DC），或是转换直流电（DC）到交流电（AC）。在这些高功率的转换应用中，器件必须设计成可以承受高达几千伏的电压。为了达到较好的切换和放大效率，一个晶体管在两个输出端之间的寄生串联电阻必须要低，这种要求也需要所用的半导体具有高的电荷迁移率。因为串联电阻随着电荷迁移率的增加而减少。另外还有一个对晶体管的重要要求，即是在整个的使用寿命周期中，器件或电路必须要有好的稳定性和可靠性。器件或电路的使用寿命要求一般长达10⁶-10⁷个小时。最后晶体管及其电路必须可以用工业上的成熟的半导体技术和设备来生产或制造。综上所述，为了得到高效率和高速的功率切换和放大，使用的半导体必须有高的电荷迁移率，大的击穿电场，优良的热稳定性和容易用工业半导体技术来制造。

近年来，一种III-氮化物的新型半导体材料正被研发，其中III代表周期表第三族中的元素：铝、镓和铟。这种新型半导体的例子有：氮化铝、氮化镓、氮化铟和它们的融合物，氮化镓铝、氮化镓铟和氮化铟铝。此外，大部分这些III-氮化物的能隙比硅和砷化镓都要大，尤其是氮化镓、氮化镓铝和氮化铝，由于能量松弛时间的不同和大的能隙，使用III-氮化物和它们的融合物制作的电子器件的击穿电场远大过硅基的器件。例如：氮化镓铝的击穿电场为3.0X10⁶V/cm，大约是硅或砷化镓的10倍。因此，同样尺寸的器件使用III-氮化物制作时，将可以承受10倍大的电压。

还要指出，这些III-氮化物中的电荷迁移率比硅要高。此外值得指出的是，对这些III-氮化物制造的器件，能进行稳定操作的临界结温度要比砷化镓和硅都高。作个比较，硅器件的临界结温度是250℃，砷化镓器件是400℃，而III-氮化物器件的临界结温度则高达600℃。考虑到高的击穿电场、大的电荷迁移率和高的稳定临界结操作温度，很显然，使用III-氮化物制作的器件和电路更适合於高功率的切换和高频率毫米波电路的应用。这些III-氮化物的器件可以取代部分目前以砷化镓技术来达成的高频率高功率电路应用。

然而，因为III-氮化物材料和蓝宝石或碳化硅基底或衬底之间的不同，它们之间的热膨胀系数和晶格常数并不匹配，这些热膨胀系数和晶格常数的不同会让III-氮化物薄膜在冷却或加热时导致应力和应变。这些应力和应变在外延III-氮化物层中能导致微裂缝或缺陷，并影响这些III-氮化物层的电子特性，这些微裂缝或缺陷有时很小而无法用简单的低倍光显微镜观察到。