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CN1748320A - 场效应晶体管 - Google Patents

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CN1748320A
CN1748320A CN200380109769.7A CN200380109769A CN1748320A CN 1748320 A CN1748320 A CN 1748320A CN 200380109769 A CN200380109769 A CN 200380109769A CN 1748320 A CN1748320 A CN 1748320A
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Abstract

在栅极电极(2)中形成以帽舌形状伸出于漏极侧上的场电极部分(5)上。在场电极部分(5)下面形成包含SiN膜(21)和SiO2膜(22)的多层膜。形成SiN膜(21)使其覆盖AlGaN电子供给层(13)的表面。

Description

场效应晶体管
发明领域
本发明涉及一种其中使用了第III族氮化物半导体的场效应晶体管。
相关技术描述
包括GaN在内的第III族氮化物半导体具有大带隙，高介电击穿电场和高电子饱和漂移速度。而且，由于可以通过异质结来利用二维载气，预期以第III族氮化物半导体作为材料来获得用于高温操作、高速转换操作、大功率操作等的优异的电子元件。
在其中使用第III族氮化物半导体的晶体管中，在衬底表面产生大量负电荷，这些负电荷极大地影响了晶体管的性能。下面将描述这方面。
当在未掺杂的GaN上生长AlGaN时，通过自发极化和压电极化的共同作用在异质界面中产生正的固定电荷。在这一点上，在AlGaN表面产生负的极化电荷。极化电荷密度随AlGaN组成而变化。在AlGaN/GaN异质结构中产生约1×1013/cm2的非常大的表面电子密度(sheet electrondensity)，该现象在例如非专利参考文献1中有详细解释。当在异质结构中形成欧姆电极以在电极之间施加电场时，电流是基于约1×1013/cm2的高电子密度电荷输送而通过的。因此，不同于通过由杂质掺杂产生的载流子而驱动的GaAs半导体FET，第III族氮化物半导体元件是通过由自发极化和压电极化的共同作用产生的高密度载流子而工作的。
在通过上述机理工作的第III族氮化物半导体晶体管中，已知尽管在大量电荷通过压电极化等产生在沟道层中的同时，在AlGaN等的半导体层表面产生负电荷(非专利参考文献2)。负电荷直接作用于漏极电流，从而强烈影响元件性能。具体而言，当在表面中产生大量负电荷时，交流电操作过程中的最大漏极电流与直流电操作相比变差。该现象是其中使用了第III族氮化物半导体的元件所独有的，而在GaAs半导体元件中该现象不明显。这是因为在AlGaAs/GaAs异质结中产生非常少量的极化电荷。
为了解决上述问题，常规方法是形成由SiN制成的表面保护膜。但是，在其中没有提供SiN的结构中，由于施加高电压时得不到足够的电流，所以难以获得使用GaN半导体材料的优点。考虑到这种情况，通常认为在第III族氮化物半导体FET领域中必需在表面上提供SiN膜，而且这也成为了技术常识。下面将描述常规晶体管的一个实例。
图21是采用常规技术的异质结场效应晶体管(以下称作HJFET)的剖面结构图。例如，这种常规的HJFET在非专利参考文献3中有报道。在常规的HJFET中，AlN缓冲层111、GaN沟道层112和AlGaN电子供给层113被依次层压在蓝宝石衬底109上。在该多层膜上形成源极电极101和漏极电极103，并且这些电极是和AlGaN电子供给层113欧姆接触的。在源极电极101和漏极电极103之间形成栅极电极102，且栅极电极102和AlGaN电子供给层113以肖特基接触方式接触。在最上层形成SiN膜121作为表面保护膜。
在第III族氮化物半导体FET的具体应用中，要考虑在提高击穿电压的同时维持增益。在GaAs半导体领域中，已知有一种在栅极电极的漏极侧上提供一个帽舌型场电极(field plate)的方法，作为提高击穿电压的方法。这种技术由本发明人描述于专利参考文献1中。依照专利参考文献1，通过提供场电极，在栅极电极的漏极侧末端部分中电场强度(concentration)得以缓解，从而改善了元件性能。
非专利参考文献3描述了HJFET，其中提供具有场电极的结构和提供SiN作为保护膜的GaN-FET结构组合在一起。
非专利参考文献3中描述了这样的结构，其中在栅极电极的漏极电极侧提供帽舌型场电极，并且在场电极下面安排有SiN膜。图22显示的是非专利参考文献3中所述HJFET的示意性结构。HJFET形成在SiC衬底110上。在SiC衬底110上形成包含半导体层的缓冲层111。在缓冲层111上形成GaN沟道层112。在沟道层上形成AlGaN电子供给层113。源极电极101和漏极电极103位于电子供给层上，其中保证其欧姆接触。其中确保了肖特基接触的栅极电极102位于源极电极101和漏极电极103之间。栅极电极102有一个以帽舌形状伸出于漏极侧上的场电极部分105上。用SiN膜121覆盖AlGaN电子供给层113的表面，并且在场电极部分105的紧接下面安排SiN膜121。依照非专利参考文献3，通过采用上述结构而提高了击穿电压。
非专利参考文献1：U.K.Mishra，P.Parikh和Y.-F.Wu，“AlGaN/GaNHEMTs-An overview of device operation and applications，”Proc.IEEE，2002年90卷第6期，1022-1031页。
非专利参考文献2：Y.Ando，International Electron Device MeetingDigest(IEDM01-381至384)，2001。
非专利参考文献3：Li等，Electronics Letters，2001年37卷，196-197页。
专利参考文献1：日本专利申请公开2000-100831。
发明概述
但是，在采用非专利参考文献3中所述的结构的情况下，作为本发明人研究的结果，发现产生了不是通常已知的新问题。
在用第III族氮化物半导体形成晶体管的情况下，从充分利用第III族氮化物半导体材料性质考虑，如下性质是相互兼容的。
(i)减少坍缩(collapse)，
(ii)提高栅极击穿电压，
(iii)通过抑制紧接场电极下面的绝缘膜质量的老化变质，改善可靠性，和
(iv)通过降低电容改善高频增益。
此处，术语坍缩是指负电荷通过表面俘获响应积聚在表面上，并且当以大信号操作HJFET时最大漏极电流受到抑制的现象。当坍缩变得显著时，大信号操作中，漏极电流被抑制，导致饱和输出下降。
在采用非专利参考文献3中所述结构的情况下，被利用作为用于消除表面电荷影响的膜的SiN占据了位于场电极紧接下面的区域，这造成了(i)～(iv)的相容变得困难。下面将继续描述这方面。
如上所述，在AlGaN/GaN HJFET等中，通常采用在半导体层最上层形成SiN保护膜的结构，以抑制漏极电流的减小。但是，当提供SiN膜时，在改善坍缩的同时栅极击穿电压下降。即，在坍缩量和栅极击穿电压之间有一个权衡，并且其控制变得非常困难。图23显示的是当HJFET具有其中不提供场电极的图21结构时，表面保护膜SiN的厚度、坍缩量和栅极击穿电压之间关系的评估结果。
当在其中明显产生坍缩的元件表面上形成SiN膜时，可以减小坍缩量。参照图23，当SiN膜不存在时(膜厚度为0nm)，坍缩量不低于坍缩产生的电流变化的60％。当将SiN膜厚度设置在100nm时，可以将坍缩量抑制到不超过坍缩产生的电流变化的10％。因此，为了充分抑制坍缩，必需将SiN膜的厚度设置为某一程度。但是，当增加SiN膜厚度，消除了表面负电荷并且栅极和漏极之间的电场强度变得显著，导致栅极击穿电压下降。即，坍缩和栅极击穿电压之间有一个权衡关系。
此外，当充分增加SiN膜厚度以充分降低坍缩时，由于紧接场电极下面的绝缘膜的膜质量的老化变质而可靠性下降。即，坍缩和可靠性之间也有权衡关系。
因此，在使用其中SiN作为保护膜的GaN HJFETs中存在多种权衡关系，这些权衡关系的每一种平衡都是由SiN膜厚度的差异决定的。这些权衡关系是GaN元件所独有的现象。
在使用SiO2膜取代SiN膜作为保护膜的情况下，坍缩和栅极击穿电压之间的关系如图38所示。尽管如使用SiN膜那样，没有膜厚度依赖性，但是却难以维持坍缩和栅极击穿电压之间的相容性。
在其中提供非专利参考文献3中所述场电极的结构中，还有这样一种权衡关系。即，当采用非专利参考文献3中所述的结构时，在(i)～(iv)中，获得一定的坍缩改善效果。另一方面，由于减小了栅极击穿电压，难以有效改善坍缩和栅极击穿电压之间权衡关系的平衡。
此外，还难以消除坍缩或者增益和可靠性之间的权衡关系。为了充分减少坍缩同时抑制增益下降，必须将紧接场电极下面的SiN膜厚度增加到一定程度。但是，此时，由于紧接场电极下面的绝缘膜的膜质量的老化变质而可靠性显著下降。
如上所述，即使在其中使用SiN膜作为保护膜的GaN HJFET中提供场电极，也难以有效解决第III族氮化物半导体元件所独有的权衡关系问题。
在将SiN膜安排在紧接场电极下面的区域的情况下，例如非专利参考文献3中所述的晶体管，在某些情况下，在施加高电场时SiN膜的膜质量变差。当将SiN膜沉积在第III族氮化物半导体层上时，由于SiN膜的材料特性，在SiN膜中产生大的内应力。这种内应力造成在施加电场中明显产生膜质量的老化变质。在极端情况下，在场电极下面的区域产生泄漏极。
考虑到上述情况，本发明的一个目的是提供一种晶体管，该晶体管在坍缩和栅极击穿电压之间有优异的平衡关系。本发明的另一个目的是提供一种除了坍缩和栅极击穿电压之间平衡性能之外，还有优异的可靠性和高频性质的晶体管。
在AlGaN表面产生的负的极化电荷极大地影响着依赖于沉积在AlGaN上的保护膜(钝化膜)电性质的FET特性。通常，当在表面上存在大量负的固定电荷时，尽管获得了大的栅极击穿电压，但是交流电操作过程中的最大漏极电流与直流电操作相比趋于下降。另一方面，当表面中负电荷数量小时，尽管栅极击穿电压小，在交流电操作过程中最大漏极电流的下降也小。FET的操作通常受到权衡关系的控制。在AlGaN/GaN异质结构中，由于在表面中产生了约1×1013/cm2的负电荷，权衡关系显得非常显著地依赖于表面钝化的质量。击穿电压值经常由于表面钝化状态的差异而变得至少有一个数量级的增大或者减小。这样大的变化在GaAs FETs中没有出现。换言之，GaN FETs是对表面状态非常敏感的器件。为了稳定高产率地获得GaN FETs电性质方面的高性能，必须尽最大可能地关注表面钝化膜的控制。
从上述观点出发，本发明人进行了研究并且发现通过如下方法可以有效地改善权衡关系的性能平衡：形成包含场电极的栅极电极结构以及紧接场电极下面的特殊层结构，以发挥栅极电极结构和特殊层结构的协同作用。而且，在特殊层结构中形成紧接场电极下面的区域时，本发明人发现场电极具有不是通常已知的功能，即有效抑制由表面波动造成的性能变化。基于这些新发现完成了本发明。
下面将描述本发明的构造。
依照本发明，提供一种场效应晶体管，该场效应晶体管包含包括异质结的第III族氮化物半导体层结构，形成在半导体层结构上同时彼此分开的源极电极和漏极电极，安排在所述源极电极和漏极电极之间的栅极电极，以及形成在所述第III族氮化物半导体层上的绝缘膜，其中栅极电极有一个形成在绝缘膜上的场电极部分，该场电极部分以帽舌形状伸出于漏极电极侧上，并且绝缘膜是包括第一绝缘膜和第二绝缘膜的多层膜，所述第一绝缘膜是由包含硅和氮作为构成元素的化合物制成的，第二绝缘膜的介电常数小于第一绝缘膜。
本发明具有如下结构，其中提供场电极部分的同时，在场电极部分和半导体层结构表面之间形成具有上述构造的多层膜，从而产生显著改善坍缩和栅极击穿电压之间平衡关系的协同作用。而且，即使表面状态由于制造过程中的变化而有所波动，也可以稳定地获得良好的性能。
本发明中，在提供第一绝缘膜以降低表面负电荷影响的同时，提供第二绝缘膜以减小紧接场电极部分下面的电容。即，在通过第一绝缘膜的作用来降低表面负电荷的影响的同时，通过介电常数小于第一绝缘膜的第二绝缘膜来减小紧接场电极部分下面的电场。结果，在场电极部分下面的区域中，可以有效抑制绝缘膜质量的老化变质和电容的增加，而且可以获得具有优异的可靠性和高频增益的晶体管。
在第一绝缘膜中，可以将第二绝缘膜层压在第一绝缘膜上。因此，显著改善坍缩。本发明中，第一绝缘膜的厚度不超过150nm，优选第一绝缘膜的厚度不超过100nm。因此，可以保证减小场电极部分下面的电容，并且可以改善高频增益。本发明中，可以在形成第一绝缘膜的同时使其和半导体层结构表面接触。因此更显著地改善坍缩。
本发明中，还可以使第二绝缘膜的介电常数不超过3.5。因此，可以减小场电极部分下面的电容并且改善增益。本发明中，还可以将由包含第一绝缘膜和第二绝缘膜的多层膜形成的绝缘膜和栅极电极分开，并且可以在绝缘膜和栅极电极之间提供第二绝缘膜。此外，还可以将提供在绝缘膜和栅极电极之间的第二绝缘膜安置在场电极部分下面，并且可以将由包含第一绝缘膜和第二绝缘膜的多层膜形成的绝缘膜安置在场电极部分的漏极电极侧末端部分和漏极电极之间。
在具有上述结构的晶体管中，在第二绝缘膜上还可以包含第三绝缘膜，该第三绝缘膜由包含硅和氮作为构成元素的化合物制成。通过用包含硅和氮作为构成元素的化合物形成绝缘膜的最上层，获得了在制造元件过程中稳定地形成光刻胶(resist)的优势。结果，在以上述方式制造改善了性能的晶体管时可以提高产率。
此外，依照本发明，提供一种场效应晶体管，该场效应晶体管包含包括异质结的第III族氮化物半导体层结构，形成在半导体层结构上同时彼此分开的源极电极和漏极电极，安排在所述源极电极和漏极电极之间的栅极电极，以及形成在第III族氮化物半导体层上的绝缘膜，其中栅极电极有一个形成在绝缘膜上的场电极部分，该场电极部分以帽舌形状伸出于漏极电极侧上，并且绝缘膜是由包含硅、氮和氧作为构成元素的化合物制成的。
本发明具有如下结构，其中在提供场电极部分的同时，在场电极部分和半导体层结构表面之间形成具有上述构造的绝缘膜。绝缘膜的材料除了硅和氮外还包括氧作为构成元素，从而和SiN相比在膜中显著地降低了内应力。因此，在获得相对良好的坍缩和栅极击穿电压的同时，可以有效抑制位于紧接在场电极部分下面的区域中的绝缘膜质量的下降。因为其介电常数小于SiN的介电常数，所以可以降低场电极部分下面区域中产生的电容。因此，依照本发明，可以获得具有优异可靠性和高频增益的晶体管。
此外，依照本发明，提供一种场效应晶体管，该场效应晶体管包含包括异质结的第III族氮化物半导体层结构，形成在半导体层结构上同时彼此分开的源极电极和漏极电极，安排在所述源极电极和漏极电极之间的栅极电极，以及形成在第III族氮化物半导体层上的绝缘膜，其中栅极电极有一个形成在绝缘膜上的场电极部分，该场电极部分以帽舌形状伸出于漏极电极侧上，并且绝缘膜的介电常数不超过3.5。
本发明具有如下结构，其中在提供场电极部分的同时，在场电极部分和半导体层结构表面之间形成具有上述构造的低介电常数膜。低介电常数膜形成在紧接场电极部分下面的区域中，这样可以避免将高电压施加到位于该区域扎的绝缘膜上。因此，可以有效抑制紧接场电极部分下面的绝缘膜质量的老化变质，从而显著改善元件的可靠性。而且，可以利用低介电常数膜来减小由场电极部分、半导体层结构和它们之间的绝缘膜形成的电容，从而还可以改善高频增益。结果，依照本发明，可以获得具有特别优异的栅极击穿电压以及可靠性和高频增益之间性能平衡的晶体管。在介电常数不超过3.5的绝缘膜中，可以用单层膜也可以用多层膜形成绝缘膜，前提条件是介电常数的平均值不超过3.5。
此外，依照本发明，提供一种场效应晶体管，该场效应晶体管包含包括异质结的第III族氮化物半导体层结构，形成在半导体层结构上同时彼此分开的源极电极和漏极电极，安排在所述源极电极和漏极电极之间的栅极电极，以及形成在第III族氮化物半导体层上的绝缘膜，其中栅极电极有一个形成在绝缘膜上的场电极部分，该场电极部分以帽舌形状伸出于漏极电极侧上，并且绝缘膜的栅极电极侧是由介电常数不超过4的绝缘材料制成的，绝缘膜的漏极电极侧是由包含硅和氮作为构成元素的绝缘材料制成的。
依照本发明，在紧接场电极部分的下面提供介电常数相对较低的绝缘膜，从而可以减小由场电极部分、半导体层结构和它们之间的绝缘膜形成的电容。结果，可以获得具有优异的栅极击穿电压以及可靠性和高频增益之间性能平衡的晶体管。包含硅、氮和氧作为构成元素的化合物，例如SiN，形成在栅极电极和漏极电极之间没有形成场电极部分的区域中，从而可以减小由表面负电荷造成的性能下降。在介电常数不超过4的绝缘膜中，既可以用单层膜也可以用多层膜来形成绝缘膜，前提条件是介电常数的平均值不超过4。本发明中，绝缘膜的漏极电极侧还可以由包含硅、氮和氧作为构成元素的绝缘材料例如SiON制成。因此，可以进一步改善栅极击穿电压以及可靠性和高频增益之间的性能平衡。
此外，依照本发明，提供一种场效应晶体管，该场效应晶体管包含包括异质结的第III族氮化物半导体层结构，形成在半导体层结构上同时彼此分开的源极电极和漏极电极，安排在所述源极电极和漏极电极之间的栅极电极，以及形成在第III族氮化物半导体层上的绝缘膜，其中栅极电极有一个形成在绝缘膜上的场电极部分，该场电极部分以帽舌形状伸出于漏极电极侧上，并且在由场电极部分、第III族氮化物半导体层和夹在它们中间的绝缘膜形成的电容的介电常数方面，漏极电极侧低于栅极电极侧。
依照本发明，在场电极部分下面的区域中的电场驰豫度变成阶梯式的，从而可以进一步有效地改善栅极击穿电压。
本发明中，可以存在如下情况：绝缘膜的一部分是包含第一绝缘膜和第二绝缘膜的多层膜，第一绝缘膜由包含硅和氮作为构成元素的化合物制成，第二绝缘膜的介电常数低于第一绝缘膜，并且栅极电极侧是由第一绝缘膜的单层膜形成的，漏极电极侧是由场电极部分和半导体层结构之间的绝缘膜中包含第一绝缘膜和第二绝缘膜的多层膜形成的。因此，可以获得具有优异的制造稳定性并且栅极击穿电压得到显著改善的晶体管。
因此，已经描述了依照本发明的晶体管的结构。此外，在其结构中，还可以组合如下结构。
半导体层结构可以包含由InxGa1-xN(0≤x≤1)制成的沟道层和由AlyGa1-yN(0＜y≤1)制成的电子供给层。沟道层和电子供给层的层压次序是任意确定的。在半导体层结构中，如果合适，可以提供中间层和盖层(caplayer)。
还可以形成这样一种结构，其中将接触层分别安排在源极电极和半导体层结构表面之间，以及漏极电极和半导体层结构表面之间。包含这种接触层的结构被称作宽槽结构(wide recess structure)。在采用这种宽槽结构的情况下，通过场电极部分和紧接场电极部分下面的绝缘膜结构之间的协同作用，在栅极电极的漏极电极侧末端部分中可以进一步有效地分散和缓解电场强度。在宽槽结构中，还可以形成多级槽。在这种情况下，场电极部分可以延伸到接触层的上部。因此，在漏极电极侧可以缓解电场强度。在场电极部分延伸的情况下，由于场电极部分和漏极电极的重叠，电场强度在漏极电极末端部分成为问题。但是，接触层的存在减轻了该问题。当用未掺杂的AlGaN层，即没有进行有意掺杂的AlGaN层，来形成接触层时，在漏极电极末端部分可以显著减小电场强度。
此外，半导体层结构还可以具有将由InxGa1-xN(0≤x≤1)制成的沟道层、由AlyGa1-yN(0＜y≤1)制成的电子供给层和由GaN制成的盖层依次层压的结构。因此，可以增加有效肖特基高度，以获得更高的栅极击穿电压。即，依照本发明的实施例，通过场电极部分、紧接场电极部分下面的多层膜和GaN盖层之间的协同作用，可以获得更优异的栅极击穿电压。
还可以使栅极电极和漏极电极之间的距离比栅极电极和源极电极之间的距离更长。这也称作偏置结构(off-set structure)，该结构有效地分散和缓解了栅极电极的漏极电极侧末端部分的电场强度。而且，在生产中，还有容易形成场电极部分的优势。
如上所述，在本发明的场效应晶体管中，可以同时获得坍缩的抑制和更高的栅极击穿电压。因此，在用高电压的大信号操作过程中可以极大地改善输出性质。
附图简述
上述和其他目的、特征和优势将从如下优选的实施方案及其附图而变得更加明显。
图1是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图2是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图3是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图4是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图5是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图6是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图7是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图8是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图9是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图10是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图11是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图12是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图13是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图14是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图15是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图16是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图17是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图18是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图19是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图20是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图21是显示GaN FET结构的一个视图；
图22是显示GaN FET结构的一个视图；
图23是用于解释栅极击穿电压和坍缩之间权衡关系的图；
图24是显示依照实施例的晶体管的一个性能评估结果的图；
图25是显示依照实施例的晶体管的一个性能评估结果的图；
图26是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图27是显示依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图28是显示依照实施例的晶体管制造方法的一个视图；
图29是显示依照实施例的晶体管制造方法的一个视图；
图30是显示依照实施例的晶体管制造方法的一个视图；
图31是显示依照实施例的晶体管制造方法的一个视图；
图32是显示依照实施例的晶体管制造方法的一个视图；
图33是显示依照实施例的晶体管制造方法的一个视图；
图34是显示依照实施例的晶体管制造方法的一个视图；
图35是用于解释可以沉积的SiON膜厚度的图；
图36是用于解释栅极击穿电压和坍缩之间权衡关系的图；
图37是解释依照实施例的晶体管结构的一个视图；
图38是用于解释当使用二氧化硅层时栅极击穿电压和坍缩之间关系的图；和
图39是解释依照实施例的晶体管结构的一个视图。
发明详述
下面将通过实施例来描述本发明的实施方案。在如下实施例中，使用c-平面SiC作为第III族氮化物半导体层的生长衬底。
(实施例1)
图1显示的是实施例1中HJFET的剖面结构。HJFET形成在由例如SiC的材料制成的衬底10上。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12(在图1中简称“GaN沟道12”，以下在下面的附图中称作“GaN沟道12”)。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13。在电子供给层上形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3。在源极电极1和漏极电极3之间提供确保了肖特基接触的栅极电极2。栅极电极2有一个以帽舌形状伸出于漏极侧上的场电极部分5上。用SiN膜21覆盖电子供给层13的表面，并且SiN膜21上再提供SiO2膜22。SiN膜21和SiO2膜22是紧接场电极部分5的下面提供的。
参照图28～30，下面将对依照实施例1的HJFET制造方法进行描述。首先，在由SiC制成的衬底10上生长半导体，采用的方法例如分子束外延(MBE)生长法。类似地，从衬底侧依次层压由未掺杂的AlN制成的缓冲层11(膜厚度为20nm)、由未掺杂的GaN制成的沟道层12(膜厚度2μm)和由未掺杂的Al0.2Ga0.8N制成的AlGaN电子供给层13(膜厚度为25nm)，获得半导体层结构(图28A)。
通过蚀刻部分外延层结构直至暴露GaN沟道层12，形成元件间分离台面(未显示)。然后，通过蒸发金属例如Ti/Al，而在AlGaN电子供给层13上形成源极电极1和漏极电极3，并且通过在650℃下进行退火来确保欧姆接触(图28B)。然后，通过等离子体CVD法等形成SiN膜21(膜厚度为50nm)，通过常压CVD法等方法在SiN膜21上再形成SiO2膜22(膜厚度为150nm)(图29C)。通过蚀刻部分SiN膜21和SiO2膜22提供一个开口，其中暴露出AlGaN电子供给层13(图29D)。使用光刻胶30将由Ni/Au等制成的栅极金属31蒸发到暴露的AlGaN电子供给层13上，形成具有场电极部分5的肖特基接触栅极电极2(图30E和30F)。从而制造出图1所示的HJFET。
实施例1中，当将高反向电压施加到栅极和漏极之间时，施加在栅极电极的漏极侧末端电场通过场电极部分的作用而缓解，从而提高了栅极击穿电压。而且，在大信号操作过程中，表面电势被场电极部分所调节，因而可以抑制由表面俘获响应造成的坍缩的产生。即，坍缩和栅极击穿电压之间的平衡得到了显著改善。此外，即使表面状态由于在制造过程中的变化等而波动，也可以稳定地获得良好的性能。
当和只由SiN形成紧接场电极下面区域的常规结构相比，可以减小施加到位于紧接场电极部分下面的区域中的绝缘膜的电场。SiO2的介电常数小于SiN的介电常数，而且几乎不发生SiO2膜质量的老化变质。因此，在该区域中可以有效抑制绝缘膜的膜质量的老化变质和电容的增加，因而获得具有优异的可靠性和高频增益的晶体管。
图24是显示HJFET中SiO2膜厚度和增益之间关系的图。当和图25中所示的具有常规结构的HJFET相比，图24中所示的HJFET中增益得到了极大的改善。
图36是将依照实施例1的晶体管和常规的晶体管在栅极击穿电压和坍缩之间性能平衡上相互比较的图。如下的曲线1～曲线3的原型器件是彼此类似的，只是栅极电极的形状和保护膜的结构不同。
曲线1
场电极：有
保护膜：SiN膜和SiO2膜的层压结构
对其中改变了依照实施例1的晶体管和保护膜结构的多种器件进行评估。
曲线2
场电极：没有
保护膜：SiN膜
对其中改变了保护膜结构的多种器件进行评估。
曲线3
场电极：有
保护膜：SiN膜
对其中改变了保护膜结构的多种器件进行评估。
从曲线2和曲线3的比较发现：只有当在SiN保护膜上简单地提供场电极时，栅极击穿电压和坍缩之间的权衡关系才依然存在。另一方面，在和曲线1相应的依照实施例1的晶体管中，发现栅极接触电压和坍缩之间的权衡关系被消除了，并且发挥了良好的性能平衡。
在实施例1中，优选延伸到漏极侧的场电极的尺寸不小于0.3μm。更优选场电极的尺寸不小于0.5μm。优选场电极的末端位于其中场电极末端不和漏极电极重叠的位置上。随着场电极尺寸的增加，坍缩抑制作用也增加。但是，当漏极电极侧的场电极末端超过栅极电极和漏极电极之间距离的70％时，栅极击穿电压趋于减小，因为栅极击穿电压是由场电极和漏极电极之间的电场强度决定的。因此，优选形成的场电极尺寸不超过栅极电极和漏极电极之间距离的70％。
在实施例1中，形成SiO2膜作为表面保护膜的上层。从增益改善和可靠性改善考虑，更优选使用介电常数不超过4的低介电常数膜。可以列举SiOC(有时称作SiOCH)、BCB(苯并环丁烯)、FSG(氟硅酸盐玻璃：SiOF)、HSQ(氢-硅倍半噁烷(Silsesquioxane))、MSQ(甲基-硅倍半噁烷)、有机聚合物以及其中这些被形成为多孔的材料作为低介电常数材料的实例。
实施例2
图2显示的是实施例2中HJFET的剖面结构。HJFET形成在由例如SiC的材料制成的衬底10上。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13。在电子供给层上形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3。在源极电极1和漏极电极3之间提供确保了肖特基接触的栅极电极2。栅极电极2有一个以帽舌形状伸出于漏极侧上的场电极部分5上。用SiON膜23覆盖电子供给层13的表面，并且SiON膜23是紧接场电极部分5的下面提供的。
依照实施例2的HJFET是用如下方法形成的：首先，在由SiC制成的衬底10上生长半导体，采用的方法例如分子束外延生长法。类似地，从衬底侧依次层压由未掺杂的AlN制成的缓冲层11(膜厚度为20nm)、由未掺杂的GaN制成的沟道层12(膜厚度2μm)和由未掺杂的Al0.2Ga0.8N制成的AlGaN电子供给层13(膜厚度为25nm)，获得半导体层。
然后，通过蚀刻部分外延层结构直至暴露GaN沟道层12，形成元件间分离台面。然后，通过蒸发例如Ti/Al的金属，在AlGaN电子供给层13上形成源极电极1和漏极电极3，并且通过在650℃下进行退火来确保欧姆接触。然后，通过等离子体CVD法等形成SiON膜23(膜厚度为150nm)。将由Ni/Au等制成的金属蒸发到通过蚀刻部分SiON膜23而暴露出的AlGaN电子供给层13上，形成具有场电极部分5的肖特基接触栅极电极2。从而制造出图3所示的HJFET。
在实施例2的晶体管中，使用SiON膜作为表面保护膜。当和SiN膜比较时，SiON膜在膜内产生的内应力要小一些。图35显示的是当采用等离子体CVD法沉积SiON膜和SiN膜时，对可以在不产生裂缝情况下生长的膜厚度的研究结果。在这种情况下，改变SiON中氧含量比率以研究相应的可生长的膜厚度。结果发现可生长的膜厚度随着氧含量比率的增加而增加。即，当和在场电极下面形成SiN膜的情况相比时，在实施例2中，可以形成更厚的绝缘膜，而且通过减小场电极下面的电容可以改善高频增益。如从图35可见，由于在不包含氧的SiN中可以在不产生裂缝情况下生长的膜厚度为约150nm，优选绝缘膜中的SiN膜厚度在场电极部分下面不超过150nm。
此处，从坍缩和高频增益考虑，在场电极下面形成厚度不小于200nm的SiON膜是适宜的。当使用SiON膜时，由于和200nm的可生长膜厚度相对应的氧含量比率是5％(以摩尔计)，优选氧含量比率不低于5％。另一方面，当氧含量比率变得太大时，不能充分地获得坍缩改善效果。依照本发明人的研究，从坍缩改善考虑，优选氧的比例不超过50％。在转化成折射系数的情况下，优选折射系数范围为1.6～2.0。
在实施例2中，优选场电极的尺寸不小于0.3μm。更优选场电极的尺寸不小于0.5μm。优选场电极的末端位于其中场电极末端不重叠漏极电极的位置上。更优选形成的场电极尺寸不超过栅极电极和漏极电极之间距离的70％。
实施例3
下面参照图3来描述本发明的实施例3。
图3显示的是实施例3中HJFET的剖面结构。HJFET形成在由例如SiC的材料制成的衬底10上。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13。在电子供给层上形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3。在源极电极1和漏极电极3之间提供确保了肖特基接触的栅极电极2。栅极电极2有一个以帽舌形状伸出于漏极侧上的场电极部分5上。用SiOC膜24覆盖电子供给层13的表面，并且SiOC膜24是紧接场电极部分5的下面提供的。
依照实施例3的HJFET是用如下方法形成的：首先，在由SiC制成的衬底10上生长半导体，采用的方法例如分子束外延生长法。类似地，从衬底侧依次层压由未掺杂的AlN制成的缓冲层11(膜厚度为20nm)、由未掺杂的GaN制成的沟道层12(膜厚度2μm)和由未掺杂的Al0.2Ga0.8N制成的AlGaN电子供给层13(膜厚度为25nm)，获得半导体层结构。
然后，通过蚀刻部分外延层结构直至暴露GaN沟道层12，形成元件间分离台面。然后，通过蒸发例如Ti/Al的金属，在AlGaN电子供给层13上形成源极电极1和漏极电极3，并且通过在650℃下进行退火来确保欧姆接触。然后，通过等离子体CVD法形成SiOC膜24(膜厚度为200nm)。将由Ni/Au等制成的金属蒸发到通过蚀刻部分SiON膜24而暴露出的AlGaN电子供给层13上，形成具有场电极部分5的肖特基接触栅极电极2。从而制造出图3所示的HJFET。
在实施例3中，使用SiOC膜作为表面保护膜。当和SiN膜比较时，SiOC膜具有较小的应力，而且即使增加膜厚度，SiOC膜也不影响AlGaN层的压电极化。因此通过场电极控制表面电荷从而抑制坍缩，但是，SiOC膜没有坍缩抑制作用。在实施例3中，优选场电极的尺寸不小于0.3μm。更优选场电极的尺寸不小于0.5μm。优选场电极的末端位于其中场电极末端不重叠漏极电极的位置上。更优选形成的场电极尺寸不超过栅极电极和漏极电极之间距离的70％。
在实施例3中，使用介电常数约2.5的SiOC膜作为表面保护膜。另外，还可以使用其他低介电常数膜(介电常数不超过3.5)作为表面保护膜。在这种情况下，优选使用产生更小应力(内应力)的膜。可以引用SiOC(有时称作SiOCH)、BCB(苯并环丁烯)、FSG(氟硅酸盐玻璃：SiOF)、HSQ(氢-硅倍半噁烷)、MSQ(甲基-硅倍半噁烷)、有机聚合物以及其中这些被形成为多孔的材料作为低介电常数材料的实例。此外，当还可以使用矾土等作为表面保护膜。而且，当使用膜厚度不超过临界膜厚度的AlN作为表面保护膜时，除了场电极效果外，还获得提高元件表面散热的效果。在将这些膜组合的多层膜结构中，也获得相同的效果。
实施例4
实施例4具有这样一种保护膜结构，其中在接近栅极电极处形成单层结构，而在远离栅极电极的区域中形成双层结构。由于栅极电极下面的半导体层结构和上述实施例类似，不再描述其半导体层结构。
在图4A中，形成栅极电极2和SiN膜21同时使它们彼此分开。在场电极部分下面形成第一区域和第二区域。第一区域由单层SiO2膜22形成。第二区域位于漏极侧，通过将SiO2膜22层压在SiN膜21上而形成。场电极部分5实现的电场驰豫度依赖于这些区域，并且在栅极电极2的漏极侧末端部分可以进一步有效地缓解电场强度。
图4B中，形成栅极电极2和SiN膜21同时使它们彼此进一步分开，使场电极部分5和SiN膜21相互不重叠。因此，在紧接场电极部分5下面形成单层的SiO2膜22，而在栅极电极2和漏极电极3之间的区域中除场电极部分5形成区域外的区域中，形成SiN膜21和SiO2膜22的多层结构。实施例4的晶体管具有特别优异的高频性质的结构，而且通过使用SiO2，实现了电容的减小，从而显著改善了场电极部分5下面的增益。另一方面，在场电极部分5形成区域以外的区域中，通过形成包含SiN膜21的膜，抑制了由表面俘获响应造成的坍缩产生。
下面将参照图31～34描述依照实施例4的HJFET的制造方法。首先，在由SiC制成的衬底10上生长半导体，采用的方法例如分子束外延(MBE)生长法。类似地，从衬底侧依次层压由未掺杂的AlN制成的缓冲层11(膜厚度为20nm)、由未掺杂的GaN制成的沟道层12(膜厚度2μm)和由未掺杂的Al0.2Ga0.8N制成的AlGaN电子供给层13(膜厚度为25nm)，获得半导体层结构(图31A)。
然后，通过蚀刻部分外延层结构直至暴露GaN沟道层12，形成元件间分离台面(未显示)。然后，通过蒸发金属例如Ti/Al，在AlGaN电子供给层13上形成源极电极1和漏极电极3，并且通过在650℃下进行退火来确保欧姆接触(图31B)。然后，通过等离子体CVD法等形成SiN膜21(膜厚度为50nm)(图32C)。然后，通过蚀刻部分SiN膜21，提供其中暴露出AlGaN电子供给层13的开口(图32D)。通过常压CVD法等在衬底上形成SiO2膜22以将上述开口包埋(图33E)。然后，通过蚀刻部分SiO2膜22，提供其中暴露出AlGaN电子供给层13的开口(图33F)。然后，使用光刻胶30，将由Ni/Au等制成的栅极金属31蒸发到暴露的AlGaN电子供给层13上，形成具有场电极部分5的肖特基接触栅极电极2(图34G和34H)。从而制造出图1所示的HJFET。
采用上面的程序可以稳定地制造图4所示的晶体管。
实施例5
实施例5中，保护膜是分步形成的，在接近栅极电极处形成单层结构，而在远离栅极电极的区域中形成双层结构。由于栅极电极下面的半导体层结构和上述实施例类似，不再描述其半导体层结构。
图5显示的是依照实施例5的晶体管结构。在场电极部分下面形成第一区域和第二区域。第一区域由单层SiN膜21形成。第二区域位于漏极侧，通过将SiO2膜22层压在SiN膜21上而形成。通过场电极部分5实现的电场驰豫度依赖于这些区域，并且在栅极电极2的漏极侧末端部分可以更有效地缓解电场强度。特别是在这种情况下，在场电极部分5下面的绝缘膜的介电常数方面，漏极电极3侧低于栅极电极2侧。因此，在栅极电极漏极侧可以有效地缓解电场强度。
实施例6
实施例6是采用宽槽结构的HJFET的一个实例。下面将参照图6描述实施例6。
HJFET是在由SiC等制成的衬底10上形成的。在GaN接触层14上分别形成源极电极1和漏极电极3。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13。GaN接触层14位于AlGaN电子供给层13上。分别形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3，同时使它们和接触层14接触。通过除去源极电极1和漏极电极3之间的部分接触层14，提供确保了肖特基接触的栅极电极2。栅极电极2有一个以帽舌形状伸出于漏极侧上同时和暴露的AlGaN电子供给层13接触的场电极部分5。用SiN膜21覆盖电子供给层13的表面，并且在SiN膜21上再提供SiO2膜22。SiN膜21和SiO2膜22是紧接场电极部分5的下面提供的。
实施例6具有将接触层加入到实施例1上的结构。除了实施例1中所述的效果外，还可以减小接触电阻。
由于通过采用宽槽结构改变了栅极电极2漏极侧末端部分中的电场分布，通过和场电极部分5功能的结合，获得了更加优异的电场驰豫效果。
在实施例6中，优选场电极的尺寸不小于0.3μm。更优选场电极的尺寸不小于0.5μm。优选场电极的末端位于其中场电极末端不和接触层重叠的位置上。更优选形成的场电极尺寸不超过栅极电极和漏极电极之间距离的70％。
实施例7
实施例7是采用宽槽结构的HJFET的一个实例。下面将参照图7描述实施例7。
HJFET是在由SiC等制成的衬底10上形成的。在GaN接触层14上分别形成源极电极1和漏极电极3。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13。GaN接触层14位于AlGaN电子供给层13上。分别形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3，同时使它们和接触层14接触。通过除去源极电极1和漏极电极3之间的部分接触层14，提供确保了肖特基接触的栅极电极2。栅极电极2有一个和暴露的AlGaN电子供给层13接触的场电极部分5。用SiON膜23覆盖元件表面。SiON膜23是紧接场电极部分5的下面提供的。
实施例7具有将接触层加入到实施例2上的结构。除了实施例2中所述的效果外，还可以减小接触电阻。
由于通过采用宽槽结构改变了栅极电极2漏极侧末端部分中的电场分布，通过和场电极部分5功能的结合，获得了更加优异的电场驰豫效果。
在实施例7的SiON膜中，优选折射系数范围为1.6～2.0。
在实施例7中，优选场电极的尺寸不小于0.3μm。更优选场电极的尺寸不小于0.5μm。优选场电极的末端位于其中场电极末端不和接触层重叠的位置上。更优选形成的场电极尺寸不超过栅极电极和漏极电极之间距离的70％。
实施例8
图8显示的是依照实施例8的HJFET的剖面结构。HJFET是在由SiC等制成的衬底10上形成的。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13。GaN接触层14位于AlGaN电子供给层13上。分别形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3，同时使它们和接触层14接触。通过除去源极电极1和漏极电极3之间的部分接触层14，提供确保了肖特基接触的栅极电极2。栅极电极2有一个和暴露的AlGaN电子供给层13接触的场电极部分5。用SiOC膜24覆盖元件表面。SiOC膜24是紧接场电极部分5的下面提供的。
实施例8具有将接触层加入到实施例3上的结构。除了实施例3中所述的效果外，还可以减小接触电阻。
由于通过采用宽槽结构改变了栅极电极2漏极侧末端部分中的电场分布，通过和场电极部分5功能的结合，获得了更加优异的电场驰豫效果。
在实施例8中，优选场电极的尺寸不小于0.3μm。更优选场电极的尺寸不小于0.5μm。优选场电极的末端位于其中场电极末端不和接触层重叠的位置上。更优选形成的场电极尺寸不超过栅极电极和漏极电极之间距离的70％。
实施例9
图9显示的是依照实施例9的HJFET的剖面结构。实施例9具有其中将接触层加入到实施例4上的结构。因为半导体层结构和实施例4类似，省略了其描述。依照实施例9，除了实施例4中所述的效果外，还可以减小接触电阻。由于通过采用宽槽结构改变了栅极电极2漏极侧末端部分中的电场分布，通过和场电极部分5功能的结合，获得了更加优异的电场驰豫效果。
实施例10
图10显示的是依照实施例10的HJFET的剖面结构。实施例10具有将接触层加到实施例5上的结构。因为半导体层结构和实施例5类似，省略了其描述。依照实施例10，和实施例5相比，可以减小接触电阻。由于通过采用宽槽结构改变了栅极电极2漏极侧末端部分中的电场分布，通过和场电极部分5功能的结合，获得了更加优异的电场驰豫效果。
实施例11
图11显示的是依照实施例11的HJFET的剖面结构。HJFET是在由SiC等制成的衬底10上形成的。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13，并且在AlGaN电子供给层13上形成GaN盖层15。在GaN盖层上形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3。在源极电极1和漏极电极3之间提供确保了肖特基接触的栅极电极2，并且栅极电极2具有场电极部分5。用SiN膜21覆盖GaN盖层15的表面，并且在SiN膜21上再提供SiO2膜22。SiN膜21和SiO2膜22是紧接场电极部分5的下面提供的。
实施例11具有将GaN盖层加入到实施例1中半导体最上层部分上的结构，并且实施例11可以通过增加有效肖特基高度来获得更高的栅极击穿电压。即，依照实施例11，通过场电极部分、紧接场电极部分下面的多层膜和GaN盖层的协同作用，获得了优异的栅极击穿电压。
在实施例11中，优选场电极的尺寸不小于0.3μm。更优选场电极的尺寸不小于0.5μm。优选场电极的末端位于其中场电极末端不和漏极电极重叠的位置上。更优选形成的场电极尺寸不超过栅极电极和漏极电极之间距离的70％。
实施例12
图12显示的是依照实施例12的HJFET的剖面结构。HJFET是在由SiC等制成的衬底10上形成的。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13，并且在AlGaN电子供给层13上形成GaN盖层15。在GaN盖层上形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3。在源极电极1和漏极电极3之间提供确保了肖特基接触的栅极电极2，并且栅极电极2具有场电极部分5。用SiON膜23覆盖GaN盖层15的表面，并且SiON膜23是紧接场电极部分5的下面提供的。
实施例12具有将GaN盖层加入到实施例2中半导体最上层部分上的结构，并且实施例12可以通过增加有效肖特基高度来获得更高的栅极击穿电压。即，依照实施例12，通过场电极部分、紧接场电极部分下面的多层膜和GaN盖层的协同作用，获得了优异的栅极击穿电压。
在实施例12的SiON膜中，优选折射系数范围为1.6～2.0。
在实施例12中，优选场电极的尺寸不小于0.3μm。更优选场电极的尺寸不小于0.5μm。优选场电极的末端位于其中场电极末端不和漏极电极重叠的位置上。更优选形成的场电极尺寸不超过栅极电极和漏极电极之间距离的70％。
实施例13
图13显示的是依照实施例13的HJFET的剖面结构。HJFET是在由SiC等制成的衬底10上形成的。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13，并且在AlGaN电子供给层13上形成GaN盖层15。在GaN盖层上形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3。在源极电极1和漏极电极3之间提供确保了肖特基接触的栅极电极2，并且栅极电极2具有场电极部分5。用SiOC膜24覆盖GaN盖层15的表面，并且SiOC膜24是紧接场电极部分5的下面提供的。
实施例13具有将GaN盖层加入到实施例3中半导体最上层部分上的结构，并且实施例13可以通过增加有效肖特基高度来获得更高的栅极击穿电压。即，依照实施例13，通过场电极部分、紧接场电极部分下面的多层膜和GaN盖层的协同作用，获得了优异的栅极击穿电压。
在实施例13中，优选场电极的尺寸不小于0.3μm。更优选场电极的尺寸不小于0.5μm。优选场电极的末端位于其中场电极末端不和漏极电极重叠的位置上。更优选形成的场电极尺寸不超过栅极电极和漏极电极之间距离的70％。
实施例14
图14显示的是依照实施例4的HJFET的剖面结构。因为半导体层结构类似于实施例14，省略其描述。实施例14具有将GaN盖层加入到实施例4中半导体最上层部分上的结构，并且实施例14可以通过增加有效肖特基高度来获得更高的栅极击穿电压。即，依照实施例14，通过场电极部分、紧接场电极部分下面的多层膜和GaN盖层的协同作用，获得了优异的栅极击穿电压。
实施例15
图15显示的是依照实施例15的HJFET的剖面结构。因为半导体层结构类似于实施例5，省略其描述。实施例15具有将GaN盖层加主到实施例5中半导体最上层部分上的结构，并且实施例15可以通过增加有效肖特基高度来获得更高的栅极击穿电压。即，依照实施例15，通过场电极部分、紧接场电极部分下面的多层膜和GaN盖层的协同作用，获得了优异的栅极击穿电压。
实施例16
图16显示的是依照实施例16的HJFET的剖面结构。实施例16具有这样一种结构，其中实施例6中的接触层是由未掺杂的AlGaN制成的，并且场电极和接触层重叠。
图16显示的是依照实施例16的HJFET的剖面结构。HJFET是在由SiC等制成的衬底10上形成的。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13。在AlGaN电子供给层13上形成未掺杂的AlGaN层16。分别形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3，同时使它们和未掺杂的AlGaN层16接触。通过除去源极电极1和漏极电极3之间的部分未掺杂的AlGaN层16，提供确保了肖特基接触的栅极电极2。栅极电极2具有场电极部分5，同时和暴露的AlGaN电子供给层13接触。用SiN膜21覆盖元件表面，并且在SiN膜21上再提供SiO2膜22。SiN膜21和SiO2膜22是紧接场电极部分5的下面提供的，而且场电极部分5和未掺杂的AlGaN层16重叠。
在实施例16中，由于接触层是由未掺杂的AlGaN层形成的，电场强度在场电极和接触层之间得到了缓解。因此，即使场电极和接触层重叠，栅极击穿电压并不降低，从而可以用AlGaN电子供给层表面上的场电极来控制表面电荷。结果产生了坍缩被进一步抑制的效果。
在实施例16中，由于使用未掺杂的AlGaN层16作为接触层，还获得了在漏极电极附近可以抑制电场强度的效果。在场电极部分5向漏极侧延伸的情况下，在栅极电极2附近电场强度得到缓解。但是，漏极电极附近电场强度的问题变得明显起来。依照实施例16的结构，将未掺杂的AlGaN层16安置在漏极电极3和电子供给层13之间，从而漏极电极3附近的电场强度可以得到有效的缓解。
实施例17
实施例17具有这样一种结构，其中实施例7中的接触层是由未掺杂的AlGaN制成的，并且场电极和接触层重叠。
图17显示的是依照实施例17的HJFET的剖面结构。HJFET是在由SiC等制成的衬底10上形成的。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13。在AlGaN电子供给层13上形成未掺杂的AlGaN层16。分别形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3，同时使它们和未掺杂的AlGaN层16接触。通过除去源极电极1和漏极电极3之间的部分未掺杂的AlGaN层16，提供确保了肖特基接触的栅极电极2。栅极电极2具有场电极部分5，同时和暴露的AlGaN电子供给层13接触。用SiON膜23覆盖元件表面，SiON膜23是紧接场电极部分5的下面提供的，并且场电极部分5和未掺杂的AlGaN层16重叠。
在实施例17中，由于接触层是由未掺杂的AlGaN层形成的，电场强度在场电极和接触层之间得到了缓解。因此，即使场电极和接触层重叠，栅极击穿电压并不降低，从而可以用AlGaN电子供给层表面上的场电极来控制表面电荷。结果产生了坍缩被进一步抑制的效果。
在实施例17中，由于使用未掺杂的AlGaN层16作为接触层，还获得了在漏极电极附近可以抑制电场强度的效果。在场电极部分5向漏极侧延伸的情况下，在栅极电极2附近电场强度得到缓解。但是，漏极电极附近电场强度的问题变得明显起来。依照实施例17的结构，将未掺杂的AlGaN层16安置在漏极电极3和电子供给层13之间，从而漏极电极3附近的电场强度可以得到有效的缓解。
实施例18～实施例20
实施例18～20具有如下结构，其中实施例8～10中的接触层是由未掺杂的AlGaN制成的，并且场电极和接触层重叠(图18～20)。
在实施例18～20中，由于接触层是由未掺杂的AlGaN层形成的，电场强度在场电极和接触层之间得到了缓解。因此，即使场电极和接触层重叠，栅极击穿电压并不降低，从而可以用AlGaN电子供给层表面上的场电极来控制表面电荷。结果产生了坍缩被进一步抑制的效果。
在实施例18～20中，由于使用未掺杂的AlGaN层16作为接触层，还获得了在漏极电极附近可以抑制电场强度的效果。在场电极部分5向漏极侧延伸的情况下，在栅极电极2附近电场强度得到缓解。但是，漏极电极附近电场强度的问题变得明显起来。依照实施例18～20的结构，将未掺杂的AlGaN层16安置在漏极电极3和电子供给层13之间，从而漏极电极3附近的电场强度可以得到有效的缓解。
在实施例18～20中，未掺杂的AlGaN层16和AlGaN电子供给层13中的铝含量是任意确定的。当未掺杂的AlGaN层16和AlGaN电子供给层13具有相同的铝含量时，由于未掺杂的AlGaN层16和AlGaN电子供给层13是由相同材料制成的，获得低阻抗。当未掺杂的AlGaN层16的铝含量比位于未掺杂的AlGaN层16下方的AlGaN电子供给层13高时，通过压电效应，在未掺杂的AlGaN层16和AlGaN电子供给层13之间的中间层中产生载流子，从而可以实现低阻抗。
实施例21和实施例22
图26和27显示的是依照实施例21和22的晶体管。实施例21和22具有所谓的栅极槽(gate recess)结构，其中实施例1和2中的栅极电极2下部的一部分被包埋在AlGaN电子供给层13中。因此，通过和场电极部分作用的结合，获得了优异的栅极击穿电压。
实施例23
图37显示的是依照实施例23的HJFET的剖面结构。HJFET是在由SiC等制成的衬底10上形成的。在衬底10上形成包含半导体层的缓冲层11。在缓冲层11上形成GaN沟道层12。在GaN沟道层12上形成AlGaN电子供给层13。在电子供给层上形成确保了欧姆接触的源极电极1和漏极电极3。在源极电极1和漏极电极3之间提供确保了肖特基接触的栅极电极2。栅极电极2具有以帽舌形状伸出于漏极侧上的场电极部分5上。
在实施例23中，由于紧接场电极部分下面的区域是由SiO2膜22形成的，可以减小该区域中的电容，可以改善增益，而且还提高了可靠性。此外，由于在AlGaN电子供给层13表面上，在形成了SiO2膜22的区域以外的区域中形成了SiN膜21，可以将坍缩改善到一定水平。
在实施例23中，还可以提供SiON膜来代替SiN膜21。因此，可以进一步改善可靠性和增益。
实施例24
图39依照实施例24的HJFET的剖面结构。在实施例24中，形成在AlGaN电子供给层13上的绝缘膜具有三层结构，其中顺序层压有SiN膜21、SiO2膜22和SiN膜21。栅极电极下面的半导体层结构类似于上述实施例。绝缘膜的最上层不是由SiO2膜22、而是由SiN膜23形成的。因此，在元件制造过程中容易稳定地形成光刻胶，并且提高产率。
因此，本发明已经基于实施例进行了描述。实施例仅是举例说明性的，本领域的技术人员应该理解：可以对各个构成元件和各个过程的组合进行各种更改，这样的更改也在本发明的范围之内。
例如，在上述实施例中，使用SiC作为衬底材料。但是，也可以采用使用其他种类的材料例如蓝宝石的衬底以及第III族半导体衬底例如GaN和AlGaN，作为衬底材料。
栅极下面的半导体层结构不限于所说明的那些，而是可以采用各种方式。例如，可以形成如下结构：不仅在GaN沟道层12的上部，而且在GaN沟道层12的下部，提供AlGaN电子供给层13。
低介电常数膜不限于实施例中所列举的那些，而是可以使用各种材料作为低介电常数膜。此外，上述实施例所示的图1～21中，在源极电极和栅极电极之间以及漏极电极和栅极电极之间的全部区域上都提供绝缘膜。但是，为了获得本发明的效果，在漏极电极和栅极电极之间的预定区域中提供绝缘膜就已经足够了，而且也不总是需要在源极电极和栅极电极之间提供绝缘膜。而且，在提供在漏极电极和栅极电极之间的绝缘膜中，不总是需要在源极电极和栅极电极之间的全部区域上提供绝缘膜。例如，可以只在场电极部分的下部提供绝缘膜。

Claims (18)

1、一种场效应晶体管，该场效应晶体管包含包括异质结的第III族氮化物半导体层结构，形成在半导体层结构上同时彼此分开的源极电极和漏极电极，安排在所述源极电极和漏极电极之间的栅极电极，以及形成在所述第III族氮化物半导体层上的绝缘膜，
其中，栅极电极有一个形成在绝缘膜上的场电极部分，该场电极部分以帽舌形状伸出于漏极电极侧上，并且绝缘膜是包括第一绝缘膜和第二绝缘膜的多层膜，所述第一绝缘膜是由包含硅和氮作为构成元素的化合物制成的，第二绝缘膜的介电常数小于第一绝缘膜的介电常数。
2、依照权利要求1的场效应晶体管，其中，将第二绝缘膜层压在第一绝缘膜上。
3、依照权利要求1或者2的场效应晶体管，其中，第一绝缘膜的厚度不超过150nm。
4、依照权利要求1～3任何一项的场效应晶体管，其中，第二绝缘膜的介电常数不超过3.5。
5、依照权利要求1～4任何一项的场效应晶体管，其中，形成包含多层膜的绝缘膜，同时使该膜和栅极电极分开，多层膜含有第一绝缘膜和第二绝缘膜，并且在绝缘膜和栅极电极之间提供第二绝缘膜。
6、依照权利要求5的场效应晶体管，其中，在绝缘膜和栅极电极之间提供的第二绝缘膜位于场电极部分下面，且
由多层膜形成的包含第一绝缘膜和第二绝缘膜的绝缘膜位于场电极部分的漏极侧末端部分和漏极电极之间。
7、依照权利要求1～6任何一项的场效应晶体管，该晶体管在第二绝缘膜上还包含第三绝缘膜，该第三绝缘膜由包含硅和氮作为构成元素的化合物制成。
8、一种场效应晶体管，该场效应晶体管包含包括异质结的第III族氮化物半导体层结构，形成在半导体层结构上同时彼此分开的源极电极和漏极电极，安排在所述源极电极和漏极电极之间的栅极电极，以及形成在第III族氮化物半导体层上的绝缘膜，
其中，栅极电极有一个形成在绝缘膜上的场电极部分，该场电极部分以帽舌形状伸出于漏极电极侧上，并且绝缘膜是由包含硅、氮和氧作为构成元素的化合物制成的。
9、一种场效应晶体管，该场效应晶体管包含包括异质结的第III族氮化物半导体层结构，形成在半导体层结构上同时彼此分开的源极电极和漏极电极，安排在所述源极电极和漏极电极之间的栅极电极，以及形成在第III族氮化物半导体层上的绝缘膜，
其中，栅极电极有一个形成在绝缘膜上的场电极部分，该场电极部分以帽舌形状伸出于漏极电极侧上，并且绝缘膜的介电常数不超过3.5。
10、一种场效应晶体管，该场效应晶体管包含包括异质结的第III族氮化物半导体层结构，形成在半导体层结构上同时彼此分开的源极电极和漏极电极，安排在所述源极电极和漏极电极之间的栅极电极，以及形成在第III族氮化物半导体层上的绝缘膜，
其中栅极电极有一个形成在绝缘膜上的场电极部分，该场电极部分以帽舌形状伸出于漏极电极侧上，并且绝缘膜的栅极电极侧是由介电常数不超过4的绝缘材料制成的，绝缘膜的漏极电极侧是由包含硅和氮作为构成元素的绝缘材料制成的。
11、依照权利要求10的场效应晶体管，其中，绝缘膜的漏极电极侧由包含硅、氮和氧作为构成元素的绝缘材料制成的。
12、一种场效应晶体管，该场效应晶体管包含包括异质结的第III族氮化物半导体层结构，形成在半导体层结构上同时彼此分开的源极电极和漏极电极，安排在所述源极电极和漏极电极之间的栅极电极，以及形成在第III族氮化物半导体层上的绝缘膜，
其中，栅极电极有一个形成在绝缘膜上的场电极部分，该场电极部分以帽舌形状伸出于漏极电极侧上，并且在由场电极部分、第III族氮化物半导体层和夹在它们中间的绝缘膜形成的电容的介电常数方面，漏极电极侧低于栅极电极侧。
13、依照权利要求12的场效应晶体管，其中，绝缘膜的一部分是包含第一绝缘膜和第二绝缘膜的多层膜，第一绝缘膜由包含硅和氮作为构成元素的化合物制成，第二绝缘膜的介电常数低于第一绝缘膜，并且栅极电极侧是由第一绝缘膜的单层膜形成的，漏极电极侧是由场电极部分和半导体层结构之间的绝缘膜中包含第一绝缘膜和第二绝缘膜的多层膜形成的。
14、依照权利要求1～13任何一项的场效应晶体管，其中，半导体层结构包括由InxGa1-xN(0≤x≤1)制成的沟道层和由AlyGa1-yN(0＜y≤1)制成的电子供给层。
15、依照权利要求1～14任何一项的场效应晶体管，其中，将接触层分别安排在源极电极和半导体层结构的表面之间以及漏极电极和半导体层结构的表面之间。
16、依照权利要求15的场效应晶体管，其中，接触层是由未掺杂的AlGaN层形成的。
17、依照权利要求16的场效应晶体管，其中场电极部分延伸到接触层的上部。
18、依照权利要求1～17任何一项的场效应晶体管，其中半导体层结构具有将由InxGa1-xN(0≤x≤1)制成的沟道层、由AlyGa1-yN(0＜y≤1)制成的电子供给层和由GaN制成的盖层依次层压的结构。
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