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CN111048581B - 一种类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管 - Google Patents

一种类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管。该金刚石场效应晶体管包括：衬底层、外延层、栅介质层、源电极、漏电极、栅电极、钝化层、源场板、空气层和支撑层，外延层位于衬底层之上，外延层上部两端分别设置源电极和漏电极，源电极和漏电极中间设置栅电极，栅电极与外延层之间设置栅介质层，栅介质层的两侧均设置钝化层，钝化层分别与源电极和漏电极接触，栅电极与源场板之间设置支撑层，空气层设置在钝化层和源场板之间。本发明能够减小栅源反馈电容和栅漏反馈电容，提高功率增益和工作频率，同时能提高击穿电压。

Description

一种类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管
技术领域
本发明涉及金刚石场效应晶体管领域，特别是涉及一种类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管。
背景技术
第三代半导体氮化镓(GaN)在材料性质方面具有禁带宽度大、临界击穿电场高、电子饱和速度高、抗辐照能力强等优势，因此氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的高频、耐压、耐高温、抗恶劣环境的能力很强。但其热导率与金刚石相比还是很低的，而且存在较严重的陷阱，所以在高功率密度输出时存在电流崩塌，严重制约了高功率密度的输出能力。金刚石由于其具有高击穿电压、高功率密度、高电子迁移率、高热导率，因此金刚石作为微波功率晶体管正成为人们研究的一大热点，被誉为“终极半导体”。与GaN HEMT相比，金刚石场效应晶体管的导电沟道在金刚石表面，因此在高输出功率的情况下更容易在靠近漏极一测的栅极边缘聚集大部分的电场线，存在一个相当大的电场峰值，该处的高电场会使得栅极泄漏电流变大，导致可靠性变差，另外该处的高电场容易导致器件发生雪崩击穿，从而使得该器件的高击穿电压和高功率密度等天然优势得不到发挥，使得其击穿电压的实际值大大低于理论值，参见[A High Frequency Hydrogen-Terminated Diamond MISFET withfT/fmax of70/80GHz,Electron Device Letters,vol.39,pp.1373-1376,2018]。并且金刚石器件由于在导电沟道、界面层和栅介质层中存在大量陷阱，在高电场下更容易激发陷阱使得载流子被陷阱俘获，导致输出电流和射频功率密度下降，参见[Heterointerfaceproperties of diamond MOS structures studied using capacitance-voltage andconductance-frequency measurements,Diamond and Related Materials,vol.91,pp.219-224,2019]和[Radiofrequency performance of hydrogenated diamond MOSFETswith alumina,Applied Physics Letters,vol.114,pp.063501-5]。目前金刚石场效应晶体管的最大输出功率密度过低，在1GHz下最高只有3.8W/mm，这严重制约了金刚石器件的发展，因此提高金刚石器件的击穿电压和功率密度是任重道远的，参见[3.8W/mm RF PowerDensity for ALD Al2O3-Based Two-Dimensional Hole Gas Diamond MOSFET Operatingat Saturation Velocity,Electron Device Letters,vol.40,pp.279-282,2019]。
因此有必要对基于金刚石场效应晶体管的源场板结构进行研究，传统源场板结构对器件提高击穿电压和可靠性的基本原理是：所述源场板将部分原本收集在靠近漏极一测的栅极边缘的电场线收集在场板边缘，结果在靠近漏极一侧的栅极边缘和靠近漏极一侧的场板边缘各出现一个电场峰值，从而减小了靠近漏极一侧栅极边缘收集的电场线，降低了该处的电场峰值，进而减小了栅极泄漏电流；同时使器件的击穿电压得到提高。然而传统的源场板结构会增加栅源和栅漏反馈电容，使得功率增益和工作频率降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，能够减小栅源反馈电容和减小栅漏反馈电容，提高功率增益和工作频率，同时提高击穿电压。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，包括：衬底层、外延层、栅介质层、源电极、漏电极、栅电极、钝化层、源场板和支撑层，所述外延层位于所述衬底层之上，所述外延层上部两端分别设置所述源电极和所述漏电极，所述源电极和所述漏电极中间设置所述栅电极，所述栅电极与所述外延层之间设置所述栅介质层，所述栅介质层的两侧均设置所述钝化层，所述钝化层分别与所述源电极和所述漏电极接触，所述栅电极与所述源场板之间设置所述支撑层，还包括：空气层，所述空气层设置在所述钝化层和所述源场板之间。
可选的，所述衬底层采用任意晶向的单晶或者多晶金刚石。
可选的，所述衬底层的厚度为1μm-2mm。
可选的，所述外延层采用与所述衬底层同晶向的单晶或者多晶金刚石。
可选的，所述外延层的厚度为50nm-1μm。
可选的，所述栅介质层采用氧化铝、氮化硅、氧化钼、氧化钒、氧化铪或其他绝缘介质材料。
可选的，所述栅介质层的厚度为3nm-500nm。
可选的，所述钝化层采用氧化铝、氮化硅、氧化钼、氧化钒、氧化铪或其他绝缘介质材料。
可选的，所述钝化层的厚度为5nm-1μm。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供一种类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，通过在钝化层与源场板之间设置空气层，能够减小栅源反馈电容，减小栅漏反馈电容，提高功率增益和工作频率，同时提高击穿电压。
附图说明
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为无场板结构的金刚石场效应晶体管示意图；
图2为传统源场板结构的金刚石场效应晶体管示意图；
图3为本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管示意图；
图4为无场板结构的金刚石场效应晶体管、本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管仿真所得的直流I-V特性对比图；
图5为无场板结构的金刚石场效应晶体管、本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管仿真所得的击穿特性曲线图；
图6为无场板结构的金刚石场效应晶体管、本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管仿真所得的沟道电场分布图；
图7为无场板结构的金刚石场效应晶体管、传统源场板结构的金刚石场效应晶体管、本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管仿真所得的栅源反馈电容对比图；
图8为无场板结构的金刚石场效应晶体管、本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管仿真所得的最高截止频率和最高振荡频率对比图；
符号说明：1为衬底层，2为外延层，3为栅介质层，4为源电极，5为漏电极，6为栅电极，7为钝化层，8为源场板，9为空气层，10为源场板在栅电极上的支撑层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所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做出创造性劳动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。
本发明的目的是提供一种类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，能够减小栅源反馈电容和减小栅漏反馈电容，提高功率增益和工作频率，同时提高击穿电压。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图3为本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管示意图。参照图3所示，一种类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，包括：衬底层1、外延层2、栅介质层3、源电极4、漏电极5、栅电极6、钝化层7、源场板8、空气层9和支撑层10，外延层2位于衬底层1之上，外延层2上部两端分别设置源电极4和漏电极5，源电极4和漏电极5中间设置栅电极6，栅电极6与外延层2之间设置栅介质层3，栅介质层3的两侧均设置钝化层7，钝化层7分别与源电极4和漏电极5接触，栅电极6与源场板8之间设置支撑层10，空气层9设置在钝化层7和源场板8之间。
衬底层1采用任意晶向的单晶或者多晶金刚石，衬底层1的厚度为1μm-2mm。外延层2采用与衬底层1同晶向的单晶或者多晶金刚石，外延层2的厚度为50nm-1μm。栅介质层3采用氧化铝、氮化硅、氧化钼、氧化钒、氧化铪或其他绝缘介质材料，栅介质层3的厚度为3nm-500nm。钝化层7采用氧化铝、氮化硅、氧化钼、氧化钒、氧化铪或其他绝缘介质材料，钝化层7的厚度为5nm-1μm。
本发明的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管通过在钝化层与源场板之间设置空气层，减小了栅源反馈电容，提高了工作频率。在靠近漏极一侧的栅极边缘的源场板与传统源场板结构不同，而是继续向钝化层延长一段距离，但不与栅漏区的表面钝化层直接接触，从而既提高了击穿电压又降低了栅漏反馈电容。本发明的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管可以运用到高频、高输出功率电子器件领域。
实施例：
采用图3所示的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管。其衬底层1为晶向的单晶金刚石，厚度为1.9μm；外延层2为晶向的单晶金刚石，厚度为100nm，栅源距离为0.2μm，栅漏距离为1μm，栅长为0.2μm，钝化层7、栅介质层3和源场板8在栅电极上的支撑层10都为氧化铝，但栅源区的钝化层7和栅漏区的钝化层7厚度不同，分别为10nm和20nm，栅介质层3和源场板在栅电极上的支撑层10厚度分别为10nm和320nm。栅漏区的源场板8底部与钝化层7距离为10nm，之间为空气层9。图1为无场板结构的金刚石场效应晶体管示意图，除了无场板、钝化层厚度为10nm以外，其余参数都一致；图2为传统源场板结构的金刚石场效应晶体管示意图，图2中除了钝化层与源场板之间的空气层被氧化铝介质所代替，其余结构尺寸参数都一致。
图4为无场板结构的金刚石场效应晶体管、本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管仿真所得的直流I-V特性对比图。其中，(a)为无场板结构的金刚石场效应晶体管进行二维数值仿真得到的直流I-V曲线，(b)为类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管进行二维数值仿真得到的直流I-V曲线。经分析表明，本发明所提出的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管在相同偏置条件下比无场板结构的金刚石场效应晶体管的电流密度要大，最大值为-244mA/mm，高于无场板结构的金刚石场效应晶体管的-134mA/mm。
图5为无场板结构的金刚石场效应晶体管、本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管仿真所得的击穿特性曲线图。其中，(a)为无场板结构的金刚石场效应晶体管进行二维数值仿真得到的击穿特性，(b)为类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管进行二维数值仿真得到的击穿特性。无场板结构的金刚石场效应晶体管的击穿电压为-72V，类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管的击穿电压为-100V。证明了本发明的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管的击穿电压高于无场板结构的金刚石场效应晶体管的击穿电压。
图6为无场板结构的金刚石场效应晶体管、本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管仿真所得的沟道电场分布图，由图6可知，所加的漏极电压刚好为无场板结构在击穿时的电压，其电场峰值为1.14×107V/cm，而类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管在相同漏极电压下的电场峰值只有6.6×106V/cm，且在场板边缘出现了一个小的电场峰值，可见源场板结构能大大降低靠近漏电极一侧的栅电极边缘峰值电场。
图7为无场板结构的金刚石场效应晶体管、传统源场板结构的金刚石场效应晶体管、本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管仿真所得的栅源反馈电容对比图。由图7可以看出类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管的反馈电容Cgs虽然比无场板结构的金刚石场效应晶体管要大，但比传统源场板结构的金刚石场效应晶体管要小得多，说明本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管能有效减小反馈电容Cgs。栅漏反馈电容Cgd与栅源反馈电容Cgs的效果一样，但省略了附图。
图8为无场板结构的金刚石场效应晶体管、本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管仿真所得的最高截止频率和最高振荡频率对比图。由图8可以看出无场板结构的金刚石场效应晶体管的截止频率fT＝4GHz左右，最高振荡频率fmax＝11GHz，都低于类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管的截止频率fT＝11GHz和最高振荡频率fmax＝14GHz。证明了本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管能工作在更高的频率。
类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管的其他实施例，可以根据实际需要改变源场板与钝化层之间的距离。
类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管的其他实施例，其钝化层、栅介质层和源场板在栅电极上的支撑层材料可以选用其他绝缘材料，如氮化硅、氧化钼、氧化钒、氧化铪等，同样可以达到前面所述的特点和技术效果。
类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管的其他实施例，其半导体材料可以选用硅、碳化硅等其他表面沟道的材料，同样可以达到前面所述的特点和技术效果。
通过所述实施例，本发明类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管与无场板结构的金刚石场效应晶体管相比提高了输出电流密度、击穿电压和工作频率；相比传统源场板结构的金刚石场效应晶体管，减小了反馈电容。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的装置及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，包括：衬底层、外延层、栅介质层、源电极、漏电极、栅电极、钝化层、源场板和支撑层，所述外延层位于所述衬底层之上，所述外延层上部两端分别设置所述源电极和所述漏电极，所述源电极和所述漏电极中间设置所述栅电极，所述栅电极与所述外延层之间设置所述栅介质层，所述栅介质层的两侧均设置所述钝化层，所述钝化层分别与所述源电极和所述漏电极接触，所述栅电极与所述源场板之间设置所述支撑层，其特征在于，还包括：空气层，所述空气层设置在所述钝化层和所述源场板之间；在靠近漏极一侧的栅极边缘的源场板与传统源场板结构不同，而是继续向钝化层延长一段距离，但不与栅漏区的表面钝化层直接接触；
栅源区的钝化层厚度为10nm，栅漏区的钝化层厚度为20nm。
2.根据权利要求1所述的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述衬底层采用任意晶向的单晶或者多晶金刚石。
3.根据权利要求1所述的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述衬底层的厚度为1μm-2mm。
4.根据权利要求1所述的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述外延层采用与所述衬底层同晶向的单晶或者多晶金刚石。
5.根据权利要求1所述的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述外延层的厚度为50nm-1μm。
6.根据权利要求1所述的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质层采用氧化铝、氮化硅、氧化钼、氧化钒、氧化铪或其他绝缘介质材料。
7.根据权利要求1所述的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述栅介质层的厚度为3nm-500nm。
8.根据权利要求1所述的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述钝化层采用氧化铝、氮化硅、氧化钼、氧化钒、氧化铪或其他绝缘介质材料。
9.根据权利要求1所述的类空气桥型源场板结构的金刚石场效应晶体管，其特征在于，所述钝化层的厚度为5nm-1μm。
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