高电子迁移率晶体管的制作方法
【专利说明】高电子迁移率晶体管
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]根据35U.S.C.§119，本申请要求享有2013年12月27日提交的美国临时申请序列号61/921，140的优先权，该美国临时申请的全部内容以引用的方式纳入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及高电子迀移率晶体管，具体而言，涉及高电子迀移率晶体管的场板和其他部件的设计。
【背景技术】
[0004]高电子迀移率晶体管(HEMT)——也被称为异质结场效应晶体管(HFET)——是包括一个充当晶体管沟道的异质结的场效应晶体管。在HEMT中，由栅极调节异质结沟道中“二维电子气”的导电性。
[0005]尽管二十世纪七十年代后期发明了HEMT并且HEMT在一些应用(例如，毫米波切换)中取得了商业成功，但是一些HEMT(例如，用于功率电子设备的基于氮化镓的HEMT)的商业开发比期望的要慢。
[0006]场板是通常是导电元件，其通常被用于更改半导体器件中的电场的轮廓。通常，场板被设计以减小半导体器件中的电场的峰值，因此改善了包括场板的器件的击穿电压和寿命O
[0007]在HEMT(例如基于氮化镓的HEMT)中，人们认为场板还减小了通常被称为“直流到射频分散”或“漏极电流崩塌”的寄生效应。在相对较高频率(例如，无线电频率)的运行期间，受此寄生效应影响的器件达到的漏极电流水平比在直流(dc)运行期间达到的漏极电流水平低。寄生效应被认为是由于界面状态的相对慢的响应时间引起的。
[0008]已经进行了对HEMT中的场板的长度的实验研究。例如，研究人员已经描述，在一些HEMT器件中，在连接栅极的场板朝向漏极延伸一定距离之后击穿电压接近一个最大值(即，“饱和”)。连接了栅极的场板进一步朝向漏极延伸超过饱和长度时击穿电压有很小的改善或没有改善。因为栅极的输入电容随着连接了栅极的场板接近漏极而增大，已经介绍，一旦达到饱和长度，就限制了连接栅极的场板朝向漏极的延伸。
【发明内容】
[0009]描述了包括场板的高电子迀移率晶体管。在第一实施方式中，HEMT包括:第一半导体材料和第二半导体材料，所述第一半导体材料和所述第二半导体材料被设置以形成一个异质结，在所述异质结处出现二维电子气(two-dimens1nal electron gas);—个源极电极，一个漏极电极和一个栅极电极，所述栅极电极被设置以调节在所述源极电极和所述漏极电极之间所述异质结中的导电性(conduct1n)，所述栅极具有一个漏极侧边缘;一个连接栅极的场板，其被设置在所述栅极电极的漏极侧边缘之上(above)并且朝向漏极横向延伸；以及第二场板，其被设置在所述连接栅极的场板的漏极侧边缘之上并且朝向漏极横向延伸。
[0010]在第二实施方式中，HEMT包括:第一半导体材料和第二半导体材料，所述第一半导体材料和所述第二半导体材料被设置以形成一个异质结，在所述异质结处出现二维电子气;一个源极电极，一个漏极电极和一个栅极电极，所述栅极电极被设置以调节在所述源极电极和所述漏极电极之间所述异质结中的导电性，栅极具有一个漏极侧边缘;一个连接栅极的场板，其被设置在所述栅极电极的漏极侧边缘之上并且朝向漏极横向延伸；以及一个第二场板，其被设置在所述连接栅极的场板的漏极侧边缘之上并且朝向漏极横向延伸。在断开状态中:所述异质结中的第一电场从所述连接栅极的场板的漏极侧边缘朝向漏极延伸;所述异质结中的第二电场从所述第二场板的漏极侧边缘朝向源极延伸;且仅在源极和漏极之间的电势差超过当所述异质结在所述第二场板的漏极侧边缘附近的部分中的电荷载流子被耗尽时源极和漏极之间的电势差时，所述第一电场首次与所述第二电场重叠。
[0011 ]在第三实施方式中，半导体设备包括:一个衬底;第一有源层，其被设置在所述衬底上方(over);第二有源层，其被设置在所述第一有源层上，使得一个横向导电沟道出现在所述第一有源层和所述第二有源层之间；一个源极电极和一个漏极电极;第一钝化层，其被设置在所述第二有源层上方;一个栅极电极，其被设置在所述第一钝化层上方;第二钝化层，其被设置在所述栅极电极上方;一个栅极场板，其延伸超出所述栅极电极的最靠近所述漏极电极的边缘一个第一距离;第三钝化层，其被设置在所述第一金属图案上方；以及第二场板，其被电连接到所述源极电极和所述栅极电极中的一个并且延伸超出所述栅极场板的最靠近所述漏极电极的边缘一个第二距离。所述第二场板的边缘与所述漏极电极的邻近所述第二场板的第一延伸(extens1n)间隔一个第三距离。所述第一距离被选择为使得对于第一漏极偏置大于在较低阈值之上的可用栅极摆幅的绝对值，当所述横向导电沟道的在所述栅极电极下方的部分被夹断(pinch off)时，栅极边缘场增量(gate edge fieldincrement)被截止(cut off)。
[0012]第一实施方式、第二实施方式和第三实施方式中的每个均可以包括下面的特征中的一个或多个。
[0013]在断开状态中并且在源极和漏极之间的电势差超过栅极摆幅的绝对值时，所述异质结在所述连接栅极的场板的漏极侧边缘附近的部分中的电荷载流子被耗尽，电荷载流子的耗尽有效地使在所述栅极电极的漏极侧边缘附近所述异质结中的横向电场饱和。在源极和漏极之间的电势差介于所述栅极摆幅的绝对值的2-5倍之间时，电荷载流子可以被耗尽。例如，在源极和漏极之间的电势差介于所述栅极摆幅(gate swing amplitude)的绝对值的
3-4倍之间时，电荷载流子被耗尽。
[0014]在断开状态中并且在源极和漏极之间的电势差超过当所述异质结在所述连接栅极的场板的漏极侧边缘附近的部分中的电荷载流子被耗尽时的电势差时，所述异质结在所述第二场板的漏极侧边缘附近的部分中的电荷载流子可以被耗尽，电荷载流子的耗尽有效地使在所述连接栅极的场板的漏极侧边缘附近所述异质结中的横向电场饱和。例如，所述异质结在所述第二场板的漏极侧边缘附近的部分中的电荷载流子被耗尽时的电势差介于所述异质结在所述连接栅极的场板的漏极侧边缘附近的部分中的电荷载流子被耗尽时的电势差的三倍至五倍之间。例如，在断开状态中:所述异质结中的第一电场从所述连接栅极的场板的漏极侧边缘朝向漏极延伸;所述异质结中的第二电场从所述第二场板的漏极侧边缘朝向源极延伸;且仅在源极和漏极之间的电势差超过当所述异质结在所述第二场板的漏极侧边缘附近的部分中的电荷载流子被耗尽时源极和漏极之间的电势差时，所述第一电场首次与所述第二电场重叠。
[0015]HEMT或者半导体器件可以包括第三场板，所述第三场板被设置在所述第二场板的漏极侧边缘之上并且朝向漏极横向延伸。在断开状态中并且在源极和漏极之间的电势差超过当所述异质结在所述第二场板的漏极侧边缘附近的部分中的电荷载流子被耗尽时源极和漏极之间的电势差时，由于所述异质结和所述第三场板之间的竖向定向的电压差，所述异质结的在漏极附近的部分被耗尽。所述第三场板可以是连接源极的场板。
[0016]在HEMT或者半导体器件中，在断开状态中:所述异质结中的第一电场可以从所述连接栅极的场板的漏极侧边缘朝向漏极延伸;所述异质结中的第二电场从所述第二场板的漏极侧边缘朝向源极延伸;且仅在源极和漏极之间的电势差超过当所述异质结在所述第二场板的漏极侧边缘附近的部分中的电荷载流子被耗尽时源极和漏极之间的电势差时，所述第一电场可以首次与所述第二电场重叠。仅在源极和漏极之间的电势差处于源极和漏极之间的电势差超过当所述异质结在所述第二场板的漏极侧边缘附近的部分中的电荷载流子被耗尽时源极和漏极之间的电势差时，所述第一电场可以首次与所述第二电场重叠(overlap)。
[0017]HEMT或者半导体器件可以在所述第一半导体材料和所述第二半导体材料之上包括一个或多个绝缘材料层并且一个载流子面密度可以在所述异质结处出现。在以规定的运行参数长期运行之后达到一个稳定状态以后，所述绝缘材料层中每单位面积的电荷缺陷的数目小于所述载流子面密度。例如，所述绝缘材料层中每单位面积的电荷缺陷的数目可以小于所述载流子面密度的10%。
[0018]HEMT或者半导体器件可以包括GaN和AlGaN13HEMT或者半导体器件可以包括一个氮化铝硅层以将所述栅极电极与所述第二半导体材料层隔离。
[0019]在HEMT或半导体器件中，在断开状态中并且在源极和漏极之间的电势差超过当所述异质结在所述第二场板的漏极侧边缘附近的部分中的电荷载流子被耗尽时源极和漏极之间的电势差时，由于所述异质结和所述第三场板之间的竖向定向的压差，所述异质结在漏极附近的部分被耗尽。
[0020]在HEMT或半导体器件中，在断开状态中，一个源极电极和一个漏极电极可以被设置在所述第二有源层上方。栅极场板可以由设置在所述第二钝化层上的第一金属图案限定，所述第一金属图案在整个所述栅极电极的上方横向延伸。所述第二场板可以是由设置在所述第三钝化层上的第二金属图案限定的源极场板。第二金属图案可以被电连接至所述源极电极并且在整个所述第一金属图案的上方横向延伸并且进一步延伸超出所述第一金属图案的最靠近所述漏极电极的边缘所述第二距离。所述第二金属图案的一个边缘可以与所述漏极电极的邻近所述第二金属图案的所述第一延伸间隔所述第三距离。
[0021]HEMT或者半导体器件可以包括第四钝化层，其被设置在所述第二金属图案上方；一个屏蔽包裹物，其由设置在所述第四钝化层上的第三金属图案限定。所述第三金属图案可以被电连接至所述源极电极，并且所述第三金属图案在所述横向导电沟道的大部分上方横向延伸使得所述第三金属图案具有一个距离所述漏极电极的邻近所述第三金属图案的第二延伸一个第三距离的边缘。所述第三金属图案和所述漏极电极的第二延伸之间的边缘到边缘距离可以介于2微米到6微米之间。所述第四钝化层的厚度可以介于0.5微米到2微米之间。所述第一漏极偏置可以是在阈值之上的可用栅极摆幅的绝对值的约2-5倍。对于大于由所述栅极场板提供的栅极边缘场(gate edge field)的截止偏置(cut-off bias)的第二漏极偏置，当所述横向导电沟道的在所述栅极电极下方的部分被夹断时，所述第二距离足以为所述栅极场板的边缘场提供截止。例如，所述第二漏极偏置可以是所述第一漏极偏置的约2.5-10倍。所述第二距离可以至少足够长，以使得在所述第二金属图案下方的横向耗尽延伸(lateral deplet1n extens1n)不应在所述横向导电沟道在所述第二金属图案的最靠近所述漏极边缘的边缘下方被竖向地夹断之前达到所述第二图案的边缘。所述第一距离可以介于1.5微米到3.5微米之间。所述第二距离可以介于2.5微米到7.5微米之间，所述第三距离介于2微米到6微米之间。所述栅极电极和所述漏极电极之间的边缘到边缘距离可以介于8微米到26微米之间。所述第三钝化层的厚度可以介于0.35微米到0.75微米之间。
【附图说明】
[0022]图1是一个横向沟道HEMT的横截面视图的示意性表示。
[0023]图2是一个横向沟道HEMT的横截面视图的示意性表示。
[0024]图3是一个横向沟道HEMT的横截面视图的示意性表示。
[0025]图4A和图4B是分别示意性地表示在处于断开状态的HEMT的一些实施方式的源极和漏极之间异质结处的电压和电场的图表。
[0026]图5A和图5B是分别示意性地表示在处于接通状态的HEMT的一些实施方式的源极和漏极之间异质结处的电压和电场的图表。
[0027]图6A和图6B是分别示意性地表示对于固定的源极和栅极电势但是多个不同的分立的漏极电势，在处于断开状态的HEMT的一些实施方式的源极和漏极之间异质结处的电压和电场的图表。
[0028]图7是示意性地表示对于固定的源极和栅极电势但是多个不同的分立的漏极电势，在处于断开状态的HEMT的一些实施方式的源极和漏极之间异质结处的电场的图表。
[0029]图8是示意性地表示对于固定的源极和栅极电势但是多个不同的分立的漏极