[发明专利]一种具有复合钝化层结构的场效应晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种具有复合钝化层结构的场效应晶体管。

背景技术

氮化镓(GaN)基异质结场效应晶体管具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、导热性能好、抗辐射和良好的化学稳定性等优异特性，同时氮化镓(GaN)材料可以与铝镓氮(AlGaN)等材料形成具有高浓度和高迁移率的二维电子气异质结沟道，因此特别适用于高压、大功率和高温应用，是电力电子应用最具潜力的晶体管之一。

在本发明提出以前，为了使栅极与漏极之间电场分布更加均匀，抑制缓冲层泄漏电流，提高器件击穿电压，通常使用以下方法：

(1)使用表面场板技术。如图1所示，场板结构110可以有效耗尽其下的沟道二维电子气，扩展栅极与漏极之间的二维电子耗尽区域，使栅漏之间的电场分布更加均匀，从而提高击穿电压。但场板结构110的引入使得器件寄生电容增加，导致器件截止频率的下降。

(2)钝化层采用高-K(高相对介电系数)介质。如图2所示，高-K介质(Numerical Analysis of Breakdown Voltage Enhancement in AlGaN/GaN HEMTs With a High-K Passivation Layer,IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES,VOL.61,NO.3,2014)具有较高介电常数的绝缘材料可以使电场变的更加平坦，而具有较低介电常数的绝缘材料可以是电场变得更加陡峭。在相同漏压下，当使用较高介电常数的材料做钝化层208、209，沟道电场峰值会降低，电场沿沟道的分布变得均匀，从而使得器件具有较高的击穿电压；但是该结构对器件耐压能力的提升比较有限，难以满足高耐压领域的应用。除此以外，某些高-K介质的能带结构的禁带宽度很低，导致栅极和漏极之间通过钝化层的泄漏电流比较大，使得器件发生提前击穿。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有复合钝化层的场效应晶体管。所述复合钝化层是由高-K介质和低-K介质在横向上交替排列而形成的，由于高-K和低-K介质的介电常数相差较大，故在两介质界面处存在电场强度的突变，该电场强度的突变在其附近的二维电子气沟道中引入一个电场峰值，拉低了栅边缘的电场强度，使沟道电场的分布变得更加均匀，从而提高了器件的耐压能力。

本发明采用如下技术方案：一种具有复合钝化层的场效应晶体管，其结构如图1所示，从下至上依次主要由衬底307、氮化镓(GaN)缓冲层306、氮化镓(GaN)沟道层305，铝镓氮(AlGaN)势垒层304组成，在势垒层上形成有源极301、漏极302和栅极303，源极301和漏极302均与势垒层304成欧姆接触，栅极303与势垒层304形成肖特基接触；在器件表面，具体而言，在栅极303与漏极302之间的势垒层304的上表面、以及在栅极303与源极302之间的势垒层304的上表面覆盖有一层钝化层308、309；位于栅极303与漏极302之间的钝化层309由具有较高介电常数的介质(高-K介质)309和一个以上具有较低介电常数的介质层(低-K介质)310、311、312在横向上复合而成，从结构上看，可以看作一个以上的低-K介质层嵌入到高-K钝化层309中；

对于所述的钝化层309中的一个以上的低-K介质层310、311、312，每个低-K介质区域在水平方向上的宽度小于栅极303与漏极302之间的距离，且所用低-K介质区域在水平方向上的宽度总和也小于栅漏之间的距离，每个低-K介质区域在垂直方向上的厚度均小于或等于钝化层309在垂直方向上的高度。

所述的高-K钝化层308、309应选择具有较高介电系数的材料，其相对介电系数范围为10至1000，可供选择的材料具体为HfO₂、La₂O₃等具有较高相对介电系数的绝缘材料。所述的低-K介质层310、311、312所用材料的相对介电系数应均低于高-K介质309所选材料的相对介电系数，在满足以上的条件下，低-K介质层310可以从以下材料中进行选择：SiO₂、HfO₂、Al₂O₃、Si₃N₄及La₂O₃等绝缘材料。

本发明的有益效果是：