高電子遷移率晶體管的制作方法
【專利說明】高電子遷移率晶體管
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]根據35U.S.C.§119，本申請要求享有2013年12月27日提交的美國臨時申請序列號61/921，140的優先權，該美國臨時申請的全部內容以引用的方式納入本文。
技術領域
[0003]本發明涉及高電子迀移率晶體管，具體而言，涉及高電子迀移率晶體管的場板和其他部件的設計。
【背景技術】
[0004]高電子迀移率晶體管(HEMT)——也被稱為異質結場效應晶體管(HFET)——是包括一個充當晶體管溝道的異質結的場效應晶體管。在HEMT中，由柵極調節異質結溝道中“二維電子氣”的導電性。
[0005]盡管二十世紀七十年代后期發明了HEMT并且HEMT在一些應用(例如，毫米波切換)中取得了商業成功，但是一些HEMT(例如，用于功率電子設備的基于氮化鎵的HEMT)的商業開發比期望的要慢。
[0006]場板是通常是導電元件，其通常被用于更改半導體器件中的電場的輪廓。通常，場板被設計以減小半導體器件中的電場的峰值，因此改善了包括場板的器件的擊穿電壓和壽命O
[0007]在HEMT(例如基于氮化鎵的HEMT)中，人們認為場板還減小了通常被稱為“直流到射頻分散”或“漏極電流崩塌”的寄生效應。在相對較高頻率(例如，無線電頻率)的運行期間，受此寄生效應影響的器件達到的漏極電流水平比在直流(dc)運行期間達到的漏極電流水平低。寄生效應被認為是由于界面狀態的相對慢的響應時間引起的。
[0008]已經進行了對HEMT中的場板的長度的實驗研究。例如，研究人員已經描述，在一些HEMT器件中，在連接柵極的場板朝向漏極延伸一定距離之后擊穿電壓接近一個最大值(即，“飽和”)。連接了柵極的場板進一步朝向漏極延伸超過飽和長度時擊穿電壓有很小的改善或沒有改善。因為柵極的輸入電容隨著連接了柵極的場板接近漏極而增大，已經介紹，一旦達到飽和長度，就限制了連接柵極的場板朝向漏極的延伸。
【發明內容】
[0009]描述了包括場板的高電子迀移率晶體管。在第一實施方式中，HEMT包括:第一半導體材料和第二半導體材料，所述第一半導體材料和所述第二半導體材料被設置以形成一個異質結，在所述異質結處出現二維電子氣(two-dimens1nal electron gas);—個源極電極，一個漏極電極和一個柵極電極，所述柵極電極被設置以調節在所述源極電極和所述漏極電極之間所述異質結中的導電性(conduct1n)，所述柵極具有一個漏極側邊緣;一個連接柵極的場板，其被設置在所述柵極電極的漏極側邊緣之上(above)并且朝向漏極橫向延伸；以及第二場板，其被設置在所述連接柵極的場板的漏極側邊緣之上并且朝向漏極橫向延伸。
[0010]在第二實施方式中，HEMT包括:第一半導體材料和第二半導體材料，所述第一半導體材料和所述第二半導體材料被設置以形成一個異質結，在所述異質結處出現二維電子氣;一個源極電極，一個漏極電極和一個柵極電極，所述柵極電極被設置以調節在所述源極電極和所述漏極電極之間所述異質結中的導電性，柵極具有一個漏極側邊緣;一個連接柵極的場板，其被設置在所述柵極電極的漏極側邊緣之上并且朝向漏極橫向延伸；以及一個第二場板，其被設置在所述連接柵極的場板的漏極側邊緣之上并且朝向漏極橫向延伸。在斷開狀態中:所述異質結中的第一電場從所述連接柵極的場板的漏極側邊緣朝向漏極延伸;所述異質結中的第二電場從所述第二場板的漏極側邊緣朝向源極延伸;且僅在源極和漏極之間的電勢差超過當所述異質結在所述第二場板的漏極側邊緣附近的部分中的電荷載流子被耗盡時源極和漏極之間的電勢差時，所述第一電場首次與所述第二電場重疊。
[0011 ]在第三實施方式中，半導體設備包括:一個襯底;第一有源層，其被設置在所述襯底上方(over);第二有源層，其被設置在所述第一有源層上，使得一個橫向導電溝道出現在所述第一有源層和所述第二有源層之間；一個源極電極和一個漏極電極;第一鈍化層，其被設置在所述第二有源層上方;一個柵極電極，其被設置在所述第一鈍化層上方;第二鈍化層，其被設置在所述柵極電極上方;一個柵極場板，其延伸超出所述柵極電極的最靠近所述漏極電極的邊緣一個第一距離;第三鈍化層，其被設置在所述第一金屬圖案上方；以及第二場板，其被電連接到所述源極電極和所述柵極電極中的一個并且延伸超出所述柵極場板的最靠近所述漏極電極的邊緣一個第二距離。所述第二場板的邊緣與所述漏極電極的鄰近所述第二場板的第一延伸(extens1n)間隔一個第三距離。所述第一距離被選擇為使得對于第一漏極偏置大于在較低閾值之上的可用柵極擺幅的絕對值，當所述橫向導電溝道的在所述柵極電極下方的部分被夾斷(pinch off)時，柵極邊緣場增量(gate edge fieldincrement)被截止(cut off)。
[0012]第一實施方式、第二實施方式和第三實施方式中的每個均可以包括下面的特征中的一個或多個。
[0013]在斷開狀態中并且在源極和漏極之間的電勢差超過柵極擺幅的絕對值時，所述異質結在所述連接柵極的場板的漏極側邊緣附近的部分中的電荷載流子被耗盡，電荷載流子的耗盡有效地使在所述柵極電極的漏極側邊緣附近所述異質結中的橫向電場飽和。在源極和漏極之間的電勢差介于所述柵極擺幅的絕對值的2-5倍之間時，電荷載流子可以被耗盡。例如，在源極和漏極之間的電勢差介于所述柵極擺幅(gate swing amplitude)的絕對值的
3-4倍之間時，電荷載流子被耗盡。
[0014]在斷開狀態中并且在源極和漏極之間的電勢差超過當所述異質結在所述連接柵極的場板的漏極側邊緣附近的部分中的電荷載流子被耗盡時的電勢差時，所述異質結在所述第二場板的漏極側邊緣附近的部分中的電荷載流子可以被耗盡，電荷載流子的耗盡有效地使在所述連接柵極的場板的漏極側邊緣附近所述異質結中的橫向電場飽和。例如，所述異質結在所述第二場板的漏極側邊緣附近的部分中的電荷載流子被耗盡時的電勢差介于所述異質結在所述連接柵極的場板的漏極側邊緣附近的部分中的電荷載流子被耗盡時的電勢差的三倍至五倍之間。例如，在斷開狀態中:所述異質結中的第一電場從所述連接柵極的場板的漏極側邊緣朝向漏極延伸;所述異質結中的第二電場從所述第二場板的漏極側邊緣朝向源極延伸;且僅在源極和漏極之間的電勢差超過當所述異質結在所述第二場板的漏極側邊緣附近的部分中的電荷載流子被耗盡時源極和漏極之間的電勢差時，所述第一電場首次與所述第二電場重疊。
[0015]HEMT或者半導體器件可以包括第三場板，所述第三場板被設置在所述第二場板的漏極側邊緣之上并且朝向漏極橫向延伸。在斷開狀態中并且在源極和漏極之間的電勢差超過當所述異質結在所述第二場板的漏極側邊緣附近的部分中的電荷載流子被耗盡時源極和漏極之間的電勢差時，由于所述異質結和所述第三場板之間的豎向定向的電壓差，所述異質結的在漏極附近的部分被耗盡。所述第三場板可以是連接源極的場板。
[0016]在HEMT或者半導體器件中，在斷開狀態中:所述異質結中的第一電場可以從所述連接柵極的場板的漏極側邊緣朝向漏極延伸;所述異質結中的第二電場從所述第二場板的漏極側邊緣朝向源極延伸;且僅在源極和漏極之間的電勢差超過當所述異質結在所述第二場板的漏極側邊緣附近的部分中的電荷載流子被耗盡時源極和漏極之間的電勢差時，所述第一電場可以首次與所述第二電場重疊。僅在源極和漏極之間的電勢差處于源極和漏極之間的電勢差超過當所述異質結在所述第二場板的漏極側邊緣附近的部分中的電荷載流子被耗盡時源極和漏極之間的電勢差時，所述第一電場可以首次與所述第二電場重疊(overlap)。
[0017]HEMT或者半導體器件可以在所述第一半導體材料和所述第二半導體材料之上包括一個或多個絕緣材料層并且一個載流子面密度可以在所述異質結處出現。在以規定的運行參數長期運行之后達到一個穩定狀態以后，所述絕緣材料層中每單位面積的電荷缺陷的數目小于所述載流子面密度。例如，所述絕緣材料層中每單位面積的電荷缺陷的數目可以小于所述載流子面密度的10%。
[0018]HEMT或者半導體器件可以包括GaN和AlGaN13HEMT或者半導體器件可以包括一個氮化鋁硅層以將所述柵極電極與所述第二半導體材料層隔離。
[0019]在HEMT或半導體器件中，在斷開狀態中并且在源極和漏極之間的電勢差超過當所述異質結在所述第二場板的漏極側邊緣附近的部分中的電荷載流子被耗盡時源極和漏極之間的電勢差時，由于所述異質結和所述第三場板之間的豎向定向的壓差，所述異質結在漏極附近的部分被耗盡。
[0020]在HEMT或半導體器件中，在斷開狀態中，一個源極電極和一個漏極電極可以被設置在所述第二有源層上方。柵極場板可以由設置在所述第二鈍化層上的第一金屬圖案限定，所述第一金屬圖案在整個所述柵極電極的上方橫向延伸。所述第二場板可以是由設置在所述第三鈍化層上的第二金屬圖案限定的源極場板。第二金屬圖案可以被電連接至所述源極電極并且在整個所述第一金屬圖案的上方橫向延伸并且進一步延伸超出所述第一金屬圖案的最靠近所述漏極電極的邊緣所述第二距離。所述第二金屬圖案的一個邊緣可以與所述漏極電極的鄰近所述第二金屬圖案的所述第一延伸間隔所述第三距離。
[0021]HEMT或者半導體器件可以包括第四鈍化層，其被設置在所述第二金屬圖案上方；一個屏蔽包裹物，其由設置在所述第四鈍化層上的第三金屬圖案限定。所述第三金屬圖案可以被電連接至所述源極電極，并且所述第三金屬圖案在所述橫向導電溝道的大部分上方橫向延伸使得所述第三金屬圖案具有一個距離所述漏極電極的鄰近所述第三金屬圖案的第二延伸一個第三距離的邊緣。所述第三金屬圖案和所述漏極電極的第二延伸之間的邊緣到邊緣距離可以介于2微米到6微米之間。所述第四鈍化層的厚度可以介于0.5微米到2微米之間。所述第一漏極偏置可以是在閾值之上的可用柵極擺幅的絕對值的約2-5倍。對于大于由所述柵極場板提供的柵極邊緣場(gate edge field)的截止偏置(cut-off bias)的第二漏極偏置，當所述橫向導電溝道的在所述柵極電極下方的部分被夾斷時，所述第二距離足以為所述柵極場板的邊緣場提供截止。例如，所述第二漏極偏置可以是所述第一漏極偏置的約2.5-10倍。所述第二距離可以至少足夠長，以使得在所述第二金屬圖案下方的橫向耗盡延伸(lateral deplet1n extens1n)不應在所述橫向導電溝道在所述第二金屬圖案的最靠近所述漏極邊緣的邊緣下方被豎向地夾斷之前達到所述第二圖案的邊緣。所述第一距離可以介于1.5微米到3.5微米之間。所述第二距離可以介于2.5微米到7.5微米之間，所述第三距離介于2微米到6微米之間。所述柵極電極和所述漏極電極之間的邊緣到邊緣距離可以介于8微米到26微米之間。所述第三鈍化層的厚度可以介于0.35微米到0.75微米之間。
【附圖說明】
[0022]圖1是一個橫向溝道HEMT的橫截面視圖的示意性表示。
[0023]圖2是一個橫向溝道HEMT的橫截面視圖的示意性表示。
[0024]圖3是一個橫向溝道HEMT的橫截面視圖的示意性表示。
[0025]圖4A和圖4B是分別示意性地表示在處于斷開狀態的HEMT的一些實施方式的源極和漏極之間異質結處的電壓和電場的圖表。
[0026]圖5A和圖5B是分別示意性地表示在處于接通狀態的HEMT的一些實施方式的源極和漏極之間異質結處的電壓和電場的圖表。
[0027]圖6A和圖6B是分別示意性地表示對于固定的源極和柵極電勢但是多個不同的分立的漏極電勢，在處于斷開狀態的HEMT的一些實施方式的源極和漏極之間異質結處的電壓和電場的圖表。
[0028]圖7是示意性地表示對于固定的源極和柵極電勢但是多個不同的分立的漏極電勢，在處于斷開狀態的HEMT的一些實施方式的源極和漏極之間異質結處的電場的圖表。
[0029]圖8是示意性地表示對于固定的源極和柵極電勢但是多個不同的分立的漏極