一种场效应晶体管.pdf

1、10申请公布号CN104183635A43申请公布日20141203CN104183635A21申请号201310203111822申请日20130528H01L29/772200601H01L29/7820060171申请人北京天元广建科技研发有限责任公司地址102200北京市昌平区邓庄西新汇园天元广建楼72发明人文正林书勋孟迪吴文刚郝一龙74专利代理机构北京中博世达专利商标代理有限公司11274代理人申健54发明名称一种场效应晶体管57摘要本发明公开了一种场效应晶体管，涉及半导体器件技术领域，为了能够使器件同时具备高击穿电压和高饱和输出电流而发明。该场效应晶体管，包括衬底，形成于所述衬底上

2、方的沟道层，形成于所述沟道层上方的势垒层，形成于所述势垒层上方的源极、漏极、栅极，所述源极和所述漏极分别位于所述栅极的两侧，以及形成于所述栅极和所述漏极之间的至少一个欧姆接触金属条。本发明主要应用在使用三五族化合物半导体的场效应晶体管。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图2页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图2页10申请公布号CN104183635ACN104183635A1/1页21一种场效应晶体管，其特征在于，包括衬底；沟道层，形成于所述衬底的上方；势垒层，形成于所述沟道层的上方；源极、漏极、栅极，形成于所述势垒层的上方，所述源极和所述漏极分

3、别位于所述栅极的两侧；至少一个欧姆接触金属条，形成于所述栅极和所述漏极之间。2根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，所述欧姆接触金属条的两侧与所述沟道层中的二维电子气直接接触，所述二维电子气形成于所述沟道层中靠近其与所述势垒层接触部分的上侧边缘处。3根据权利要求1所述的场效应晶体管，其特征在于，所述场效应晶体管包括两个以上且相互平行的所述欧姆金属条。4根据权利要求13任一项所述的场效应晶体管，其特征在于，还包括至少一层栅绝缘层，形成于所述栅极和所述势垒层之间。5根据权利要求4所述的场效应晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层覆盖所述栅极和所述漏极之间的全部区域或部分区域。6根据权利要求4所述

4、的场效应晶体管，其特征在于，所述场效应晶体管包括两层以上所述栅绝缘层。7根据权利要求4所述的场效应晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层的介电常数大于9。8根据权利要求7所述的场效应晶体管，其特征在于，所述栅绝缘层的材料为TIO2。权利要求书CN104183635A1/5页3一种场效应晶体管技术领域0001本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种使用三五族化合物半导体的场效应晶体管。背景技术0002本领域内公知的，三五族化合物半导体具有禁带宽度大、高击穿电场、高饱和输出电流、高电子迁移速率等优点，以其作为材料而获得的场效应晶体管FIELDEFFECTTRANSISTOR，FET被广泛应用在通信基站

5、、航空航天、汽车电子化、以及军用的雷达、电子对抗、军用卫星通讯等系统中。其中，这种三五族化合物场效应晶体管的高击穿电压、高饱和输出电流是影响上述各系统性能提高以及降低产业化成本的重要因素。0003目前，高击穿电压和高饱和输出电流都会受到三五族化合物场效应晶体管结构中栅极到漏极之间的距离限制，例如对于氮化镓GAN，属于一种三五族化合物基高电子迁移率晶体管HIGHELECTRONMOBILITYTRANSISTORS，HEMT器件，其所能达到的最大饱和输出电流与器件的最大饱和漏电流有直接关系，而最大饱和漏电流与器件结构中的源极和漏极之间的距离有关，如图1所示其中纵坐标表示器件的饱和漏电流，2M、4

6、M、6M30M表示源漏极之间的距离，饱和漏电流随源极和漏极之间的距离增大而减小，这是因为电子在沟道中的运动过程是电子不断从电场获得能量而被不断加速运动的过程，当电子在沟道运动中所获得的能量达到一定值时，一部分电子会变成热电子并被散射到更高的能级，热电子在高能级中具有较大的有效质量和较低的迁移率，从而使器件结构所能达到的最大饱和漏电流降低。0004对于该HEMT器件所能达到的最大击穿电压，其大小可以由峰值电场该峰值电场产生在栅极下方且靠近漏极的边缘处的大小来直接决定，而栅极与漏极之间的距离可以决定该峰值电场的大小，越长的栅漏距离越能够削弱该峰值电场，击穿电压越大，不难看出，高的击穿电压需要更长的

7、栅漏距离，但长的栅漏距离又会使最大饱和漏电流减少，因此使器件同时具备高击穿电压和高饱和输出电流具有很重要的研究意义。发明内容0005本发明的实施例提供了一种场效应晶体管，能够使器件同时具备高击穿电压和高饱和输出电流。0006为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案0007本发明实施例提供了一种场效应晶体管，包括0008衬底；0009沟道层，形成于所述衬底的上方；0010势垒层，形成于所述沟道层的上方；0011源极、漏极、栅极，形成于所述势垒层的上方，所述源极和所述漏极分别位于所述栅极的两侧；说明书CN104183635A2/5页40012至少一个欧姆接触金属条，形成于所述栅极和所述漏极之

8、间。0013优选地，所述欧姆接触金属条的两侧与所述沟道层中的二维电子气直接接触，所述二维电子气形成于所述沟道层中靠近其与所述势垒层接触部分的上侧边缘处。0014优选地，所述场效应晶体管包括两个以上且相互平行的所述欧姆金属条。0015进一步地，所述场效应晶体管还包括0016至少一层栅绝缘层，形成于所述栅极和所述势垒层之间。0017优选地，所述栅绝缘层覆盖所述栅极和所述漏极之间的全部区域或部分区域。0018可选地，所述场效应晶体管包括两层以上所述栅绝缘层。0019优选地，所述栅绝缘层的介电常数大于9。0020优选地，所述栅绝缘层的材料为TIO2。0021本发明实施例提供的场效应晶体管，包括衬底，形

9、成于所述衬底上方的沟道层，形成于所述沟道层上方的势垒层，形成于所述势垒层上方的源极、漏极、栅极，所述源极和所述漏极分别位于所述栅极的两侧，以及形成于所述栅极和所述漏极之间的至少一个欧姆接触金属条，这样可以看出，相比具有同一结构且具有相同高击穿电压的器件，本发明可以器件结构中的栅、漏极之间的距离划分为至少两段距离，这样沟道内电子运动的路径长度便缩短为每一段的距离，由于短的电子流动路径可以有效地降低电子在运动过程中获得足够能量而变成热电子的几率，因此可以使器件获得更高的饱和输出电流；同时，还由于源、漏极之间的距离没有发生变化，因此在可以保证器件获得高饱和输出电流的同时还可以保证具有高的击穿电压。附

10、图说明0022为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。0023图1为氮化镓基高电子迁移率晶体结构中饱和漏电流与源漏距离的关系示意图；0024图2为本发明实施例提供的GAN基HEMT器件的结构示意图；0025图3图5为本发明实施例提供的具有栅绝缘层的GAN基HEMT器件的结构示意图。0026附图标记00271衬底，2沟道层，3势垒层，4栅极，5源极，6漏极，7欧姆接触金属条，8二维电

11、子气，9栅绝缘层具体实施方式0028根据背景技术的部分内容所述，我们可以知道，短的栅漏距离虽然可以提高器件的最大饱和输出电流，但是会降低器件的最大击穿电压；反之，虽然能够提高器件的最大击穿电压，但是会降低器件的最大饱和输出电流，这样导致器件不能同时具备高的饱和输出电流和高的击穿电压，为此，本发明提供了一种场效应晶体管，包括衬底1，形成于所述衬底1上方的沟道层2，形成于所述沟道层2上方的势垒层3，形成于所述势垒层3上方的源极5、漏极6、栅极4，所述源极5和所述漏极6分别位于所述栅极4的两侧，以及形成于所述说明书CN104183635A3/5页5栅极4和所述漏极6之间的至少一个欧姆接触金属条7，可

12、以看出，相比具有同一结构且具有相同高击穿电压的器件，本发明可以器件结构中的栅、漏极之间的距离划分为至少两段距离，这样沟道内电子运动的路径长度便缩短为每一段的距离，由于短的电子流动路径可以有效地降低电子在运动过程中获得足够能量而变成热电子的几率，因此可以使器件获得更高的饱和输出电流；同时，还由于源、漏极之间的距离没有发生变化，因此在可以保证器件获得高饱和输出电流的同时还可以保证具有高的击穿电压。0029为了本领域内的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图25，以及能够实现同时具备高饱和输出电流和高击穿电压的氮化镓基高电子迁移率晶体管以下均简称为GAN基HEMT进行清楚、完整地描

13、述，可以理解的是，本发明还可以适用于除GAN基HEMT之外的其它三五族化合物场效应晶体管。0030很显然，下面描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。0031而且，在本发明实施例提供的附图中，所示的器件结构的剖面图会不按照般比例作局部放大法，且所述示意图也仅是示例性说明，其在此不应限制本发明保护的范围。另外，在实际制作中应包含长度、宽度以及深度的三维空间尺寸。0032图2为本发明实施例提供的GAN基HEMT的结构示意图，参照图2，该GAN基HEMT包括衬底1，形

14、成于所述衬底1上方的沟道层2也可以称为GAN沟道层2，形成于所述沟道层上方的势垒层3也可以称为ALGAN势垒层3，形成于所述势垒层3上方的源极5、漏极6、栅极4，所述源极5和所述漏极6分别位于所述栅极4的两侧，以及形成于所述栅极4和所述漏极6之间的至少一个欧姆接触金属条7，其中GAN沟道层2、ALGAN势垒层3构成衬底1上的异质结结构，源极5、漏极6以及欧姆接触金属条7分别与ALGAN势垒层3形成欧姆接触结构，栅极4与ALGAN势垒层3形成肖特基接触结构。0033其中，衬底1可以选用蓝宝石AL2O3、SI或SIC等其它热导率较高的晶体材料，源极5、漏极6、欧姆接触金属条7可以选用TI/AL/N

15、IPT、MO、TI、IR等/AU等欧姆接触金属，栅极4可以选用NI/AU、PT/AU、PT/TI/AU、NI/PT/AU等肖特基接触金属。0034相比具有同一结构且具有相同高击穿电压的器件，当栅、漏极之间设置一个欧姆接触金属条7时未图示，沟道内的电子运动路径为栅极4到欧姆接触金属条7的距离和欧姆接触金属条7到漏极6的距离，相当于对这两段短距离的电子运动路径进行了串联，由于这两段的距离均小于栅、漏极之间的距离，这样相对较短的电子流动路径便可以有效地降低电子在运动过程中获得足够能量而变成热电子的几率，因此可以使器件获得较高的饱和输出电流；同时，还由于源、漏极之间的距离没有发生变化，因此在可以保证器

16、件获得高饱和输出电流的同时还可以保证具有高的击穿电压。0035当栅、漏极之间设置两个以上且相互平行的欧姆接触金属条7时，如图2所示，沟道内的电子运动路径为栅极4到第一个欧姆接触金属条7的距离、多个相邻欧姆接触金属条7之间的距离、以及最后一个欧姆金属条7到漏极6的距离，同样也是相当于对这多段的短距离电子运动路径进行了串联，由于每一段的距离均小于栅、漏极之间的距离，而且相比于设置一个欧姆接触金属条7，两个以上的欧姆接触金属条7可以进一步缩短电子运动路径，这样更短的电子流动路径可以更有效地降低电子在运动过程中获得足够能量而变成热说明书CN104183635A4/5页6电子的几率，因此可以使器件获得更

17、高的饱和输出电流；同时，还由于源、漏极之间的距离没有发生变化，因此在可以保证器件获得高饱和输出电流的同时还可以保证具有高的击穿电压。0036所述欧姆接触金属条的长度7平行于沟道方向的长度要足够窄例如20NM1000NM，这样有利于在有限的栅、漏极之间的距离布置更多的欧姆接触金属条7，进而可以更加有利于减少沟道中电子的运动路径，最大化器件的最大饱和漏电流。0037通过上述内容，本发明可以以栅、漏极之间设置两个以上且相互平行的欧姆接触金属条作为一种优选的实施方案。需要说明的是，两个以上相互平行的欧姆接触金属条可以是均匀分布，也可以不是均匀分布，且分布情况视情况而定，因此本发明对此不进行具体限定。0

18、038从上述可以知道，欧姆接触金属条7与ALGAN势垒层3接触形成欧姆接触结构，其中，对于同一器件结构，欧姆接触电阻率越低，电阻越低，器件所能达到的最大饱和漏电流越大，为使器件具有较低的欧姆接触电阻率，可以使欧姆接触金属条7与半导体材料之间形成良好的欧姆接触，以及缩短GAN沟道层3中二维电子气8与欧姆接触金属条之间的距离，即图2所示的欧姆接触金属条7的两侧直接接触二维电子气8并能够与二维电子气8电学连通。当然，提高器件的最大饱和漏电流不仅仅局限于上述两种方式，例如还可以选用接触电阻率较低的欧姆接触金属、在制作半导体材料时提高沟道层的掺杂浓度、增大势垒层的宽度等，还可以是任意两种或更多种方式的结

19、合，以器件达到更大的最大饱和漏电流。0039另外，需要说明的是，在本发明实施例中，相对于同一结构的器件，即使增大了栅、漏极之间的距离，当有多个欧姆接触金属条7设置在栅、漏极之间时，其沟道层2中电子运动的有效路径还可以仍然小于原结构器件中的栅漏距离，因此器件的最大饱和漏电流仍然会提高，而且由于栅漏距离的增大，使得器件的最大击穿电压也同时提高，进一步更好地说明本发明提供的场效应晶体管可以同时具备高的饱和输出电流和高的击穿电压。0040为了能够进一步增大器件的最大击穿电压，本发明实施例还提供了另外一种结构的GAN基HEMT，如图3、图4及图5所示，与上述GAN基HEMT结构的区别在于，图中所示的GA

20、N基HEMT还包括在至少一层栅绝缘层9，该至少一层栅绝缘层9形成于所述栅极4和所述ALGAN势垒层3之间，其中，栅极4、栅绝缘层9和ALGAN势垒层3形成MOSMETALOXIDESEMICONDUCTOR，金属氧化物半导体结构。0041当器件结构中栅极4和漏极6之间的距离不变时，栅绝缘层7能够对栅极4边缘处所产生的强电场进行重新分布，削弱了该边缘处的峰值电场，进而可以增大器件的最大击穿电压，且当该栅绝缘层7越厚时，还可以进一步增大器件的最大击穿电压。0042对于能够增大器件的最大击穿电压而言，采用具有高介电常数的栅绝缘层会具有更好的效果。0043上述栅绝缘层或高介电常数的绝缘层不仅能够提高器

21、件的最大击穿电压，还可以提高器件的最大饱和输出电流，具体地，在器件保持栅控能力能够反应栅控能力较为直接的指标为跨导GM不变的情况下，由于跨导GM与单位栅电容COXCOX/T，表示栅介质层的介电常数，T表示栅介质层的厚度相关，因此栅绝缘层7的介电常数越高，其厚度也会同比例增大，这样进一步减少栅泄漏电流，进而提高器件的最大饱和漏电流。0044其中，栅绝缘层7的介电常数和厚度并不是无限增大，通常以实际应用情况为准说明书CN104183635A5/5页7来确定合理的介电常数和厚度。0045可以理解的是，栅绝缘层7的高介电常数相对而言，本发明实施例中栅绝缘层7选用的相对介电常数大于9，例如AL2O3、Z

22、RO2、HFO2，而为了使器件能够增强前文中所提到有益效果，相对介电常数还可以大于30，例如TIO2，其相对介电常数通常大于80，在某种情况下，甚至可以达到130以上。在本发明实施例中可以采用以栅绝缘材质为TIO2一种优选的方案。0046本发明实施例可以设置一层栅绝缘层7来达到增大器件的最大的击穿电压和最大的饱和输出电流，当绝缘介质的厚度比较厚或很厚时，也可以通过设置两层以上的栅绝缘层7来实现该目的。0047在增加了栅绝缘层7之后，栅绝缘层7在栅极和漏极之间的覆盖范围可以决定栅漏之间的电容大小，而栅漏电容的大小会对器件的高频特性产生影响，因此可根据器件的应用频率，通过调节栅介质的覆盖范围来调节器件的截止频率，例如图5所示的栅绝缘层7覆盖栅极4和漏极6之间的全部区域或图3或图4所示的覆盖栅极4和漏极6之间部分区域。但是具体覆盖范围也可以视情况而设定，本发明在此也不作具体限定。0048以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。说明书CN104183635A1/2页8图1图2说明书附图CN104183635A2/2页9图3图4图5说明书附图CN104183635A