场效应晶体管
阅读说明：本技术 场效应晶体管 (Field effect transistor ) 是由 渡边伸介 于 2018-10-03 设计创作，主要内容包括：本发明的场效应晶体管在半导体基板(1、2)的表面形成有栅极电极(3)、源极电极(4)以及漏极电极(5)。绝缘膜(6)在栅极电极(3)与漏极电极(5)之间的区域覆盖半导体基板(1、2)的表面。源极场板(7)形成于绝缘膜(6)之上,未与漏极电极(5)连接。二极管(8)的阴极与源极场板(7)连接,阳极为恒定电位。(A field effect transistor is provided with a gate electrode (3), a source electrode (4), and a drain electrode (5) formed on the surfaces of semiconductor substrates (1, 2). The insulating film (6) covers the surfaces of the semiconductor substrates (1, 2) in the region between the gate electrode (3) and the drain electrode (5). The source field plate (7) is formed on the insulating film (6) and is not connected to the drain electrode (5). The cathode of the diode (8) is connected to the source field plate (7), and the anode is at a constant potential.)
技术领域
本发明涉及场效应晶体管。
背景技术
作为半导体基板的材料，可使用硅、碳化硅、砷化镓、氮化镓、磷化铟等。存在使用了其中的氮化镓基板的场效应晶体管。在本申请中，对在栅极电压为零伏时流动漏极-源极间电流的常导通的高电子迁移率晶体管进行记述。
氮化镓与硅或砷化镓相比较，具有大的带隙和饱和电子速度、高的绝缘击穿电场强度。由于这些特征，所以期望使用了氮化镓的高电子迁移率晶体管能够产生大功率的输出信号，并且能够成为高效率且高增益的高频器件。
但是，若为了进行大功率操作，而对漏极电极施加数十伏的高电压，对栅极电极施加接近零伏的电压，则在栅极电极附近的半导体基板内产生强的电场。通过该强的电场产生的热电子能够被存在于半导体表面附近或半导体内部的陷阱(trap)捕获。这样，发生负电荷的蓄积，产生晶体管的特性变动。若对栅极电极过量输入大功率的高频信号，则漏极电压瞬间超过100伏，发生上述负电荷的蓄积而二维电子气体的浓度减少。其结果，可知能够产生最大漏极电流的减少或偏置点处的漏极电流的变化。
为了抑制这样的特性变动，可使用源极场板。该源极场板被连接到源极电极或接地焊盘。若使具有接地即零伏的电位的源极场板接近栅极-漏极间的半导体表面，则栅极电极附近的电位的变化变小而能够缓和电场。因此，能够实现晶体管的暂时的特性变动的抑制、过渡响应特性的改善以及耐压的提高。
图15是表示在对栅极输入了高频信号时产生的漏极电流和漏极电压的时间变化的负荷线的图。状态A是瞬间输入正栅极电压，而瞬间成为大的漏极电流Id和低的漏极电压Vd的状态。状态B是瞬间成为微弱的漏极电流Id和高的漏极电压Vd的状态。因状态B的高的漏极电压Vd而在栅极电极附近产生强的电场，特性变动。与此相对，公开有一种经由电阻或分压电路连接了漏极电极和源极场板的装置(例如，参照专利文献1)。由此，期望在漏极电压Vd成为高的正电压时对源极场板也施加正电压，而抑制特性变动。
专利文献1：国际公开第2013/027722号
然而，通过电阻将通常为零伏的源极场板和瞬间成为数百伏的电压的漏极电极相连，可能产生电阻的损伤。另外，通过创建从漏极电极朝向栅极电极附近的源极场板的高频信号的路径，而创建大功率的高频信号的环路路径。由于高频信号的环路的形成不仅使高电子迁移率晶体管的特性劣化，而且由于振荡可能导致晶体管整体损伤。因此，存在无法确保可靠性的问题。
发明人在各种状况下对高电子迁移率晶体管过量输入高频信号，并研究了晶体管的特性变动。对漏极施加各种负荷，而改变负荷线的形状，并研究了晶体管的特性变动的大小。其结果，发现不仅是状态B，在状态A也会发生特性变动。在对漏极施加高的偏置电压的近年来的使用了氮化镓的高电子迁移率晶体管中，即使在状态A下，也在栅极电极附近产生高电场。若载流子处于高电场下，则发生碰撞电离(impact ionization)，产生成为特性变动的原因的空穴。在大量的载流子通过栅极正下方的状态A下，认为产生了大量的空穴。并且，在栅极电压瞬间成为正的状态A下，也产生从栅极电极向半导体基板的空穴的注入。
另外，发明人发现若存在具有一定尺寸以上的尺寸的源极场板，则晶体管的特性变动反而增加。认为这是由于上述空穴在源极场板正下方的绝缘膜内或半导体内蓄积。因此，期望在状态B下，将源极场板的电位设为零伏来进行电场缓和，在状态A下对源极场板施加正电压来抑制空穴的蓄积。然而，在以往的装置中，由于源极场板的电位与漏极电压连动，因此其举动与理想的电位变化相反。因此，存在无法抑制特性变动的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而完成的，其目在于得到一种能够确保可靠性，并抑制特性变动的场效应晶体管。
本发明所涉及的场效应晶体管的特征在于，具备：半导体基板；栅极电极、源极电极以及漏极电极，形成于所述半导体基板的表面；绝缘膜，在所述栅极电极与所述漏极电极之间的区域覆盖所述半导体基板的表面；源极场板，形成于所述绝缘膜之上，未与所述漏极电极连接；以及二极管，阴极与所述源极场板连接，且阳极为恒定电位，所述栅极电极与所述源极场板的最短距离在1μm以下。
在本发明中，由于栅极电极与源极场板的最短距离在1μm以下，因此源极场板的电位追随栅极电压。而且，设置有阴极与源极场板连接、且阳极为恒定电位的二极管。因此，源极场板的电位的举动变得理想，因此能够抑制特性变动。另外，由于源极场板未与漏极电极连接，因此不创建大功率的高频信号的环路路径。因此，不产生由高电子迁移率晶体管的特性劣化以及振荡引起的晶体管的损伤，因此能够确保可靠性。
附图说明
图1是表示实施方式1所涉及的场效应晶体管的剖视图。
图2是表示实施方式1所涉及的场效应晶体管的等效电路图。
图3是表示将源极场板接地后的状态的等效电路图。
图4是表示将源极场板接地后的情况下的栅极电压的时间变化的图。
图5是表示将源极场板接地后的情况下的源极场板的电位的时间变化的图。
图6是表示源极场板浮动的状态的等效电路图。
图7是表示源极场板浮动的情况下的栅极电压的时间变化的图。
图8是表示源极场板浮动的情况下的源极场板的电位的时间变化的图。
图9是表示实施方式1所涉及的场效应晶体管的栅极电压Vg的时间变化的图。
图10是表示实施方式1所涉及的场效应晶体管的源极场板的电位的时间变化的图。
图11是表示栅极电极与源极场板的最短距离为2μm的情况下的栅极电压的时间变化的图。
图12是表示栅极电极与源极场板的最短距离为2μm的情况下的源极场板的电位的时间变化的图。
图13是表示实施方式2所涉及的场效应晶体管的剖视图。
图14是表示实施方式3所涉及的场效应晶体管的剖视图。
图15是表示在对栅极输入了高频信号时所产生的漏极电流与漏极电压的时间变化的负荷线的图。
具体实施方式
参照附图对实施方式所涉及的场效应晶体管进行说明。对相同的或相应的构成要素标注相同的附图标记，有时省略反复说明。
实施方式1
图1是表示实施方式1所涉及的场效应晶体管的剖视图。图2是表示实施方式1所涉及的场效应晶体管的等效电路图。该场效应晶体管是对高频信号进行放大的常导通的高电子迁移率晶体管。
在GaN基板1之上形成有AlGaN层2。在AlGaN层2的表面形成有金属制的栅极电极3、源极电极4以及漏极电极5。绝缘膜6覆盖栅极电极3和AlGaN层2的表面。因此，绝缘膜6在栅极电极3与漏极电极5之间的区域中覆盖AlGaN层2的表面。
在绝缘膜6之上形成有金属制的源极场板7。源极场板7未与漏极电极5连接。二极管8的阴极与源极场板7连接。二极管8的阳极为接地电位，例如与源极电极4、或具有接地电位的接地焊盘连接。
通过由GaN与AlGaN的晶格失配引起的压电极化，而在GaN基板1内部的靠近AlGaN层2的区域产生二维电子气体。该二维电子气体成为漏极电极5与源极电极4之间的电流。二维电子气体因对栅极电极3施加的电压而变化，能够进行漏极-源极间电流的导通截止的切换。若对栅极电极3、漏极电极5、源极电极4施加适当的偏置电压并对栅极电极3输入高频信号，则在漏极电极5产生大功率的高频信号而得到放大作用。
考虑对栅极电极3输入大功率的高频信号，漏极电压和漏极电流如图15那样变化时的情况。在漏极电流小的状态B下，栅极电压为负。源极场板7追随栅极电压而欲变为负。然而，由于对二极管8施加顺方向电压，所以二极管8成为短路状态。因此，源极场板7的电位强制性地成为接地电位即零伏。
另一方面，在输入信号的功率足够大的状态A下，栅极电压变动至正。此时，源极场板7的电位也追随栅极电压而变为正。相当于对二极管8施加反方向电压，二极管8成为释放状态。因此，源极场板7成为浮动状态。在该情况下，源极场板7的电位与接地电位没有关系，追随栅极电压而变为正。
因此，在本实施方式中，自动实现理想的状态，即在状态B下，源极场板7的电位为零伏，在状态A下，源极场板7的电位成为正电位。因此，在漏极电压高时具有零伏的电位的源极场板7缓和栅极电极3附近的电场。在栅极电压高以及漏极电流大时，通过对源极场板7施加的正电位来抑制空穴的蓄积。这样，消除引起高电子迁移率晶体管的特性变化的多个机制。
使用通过实际测定而研究的高电子迁移率晶体管与二极管8的特性、以及源极场板7与栅极电极3之间的电容值，模拟了栅极电压Vg以及源极场板7的电位Vsfp的时间变化。对栅极电极3输入的高频信号的频率为2.7吉赫。输入的高频信号的功率从负10dBm到正25dBm，以1dBm的步长变化。
图3是表示将源极场板接地后的状态的等效电路图。图4是表示将源极场板接地后的情况下的栅极电压的时间变化的图。图中所记载的多个线是表示分别将输入功率以1dBm的步长变化的情况。栅极电压Vg变高的瞬间是在晶体管中流动大的漏极电流的状态A。变为低栅极电压的瞬间是漏极电流变为微小的状态B。
图5是表示将源极场板接地后的情况下的源极场板的电位的时间变化的图。若源极场板7接地，则无论栅极电压Vg如何，源极场板7的电位Vsfp都为零伏。
图6是表示源极场板处于浮动的状态的等效电路图。图7是表示源极场板浮动的情况下的栅极电压的时间变化的图。图8是表示源极场板浮动的情况下的源极场板的电位的时间变化的图。若源极场板7足够接近栅极电极3而两者间的电容值大，则源极场板7的电位Vsfp追随栅极电压Vg。其结果，振幅虽然未必一致，但栅极电压Vg的时间波形与源极场板的电位Vsfp的时间波形成为相同形状。
图9是表示实施方式1所涉及的场效应晶体管的栅极电压Vg的时间变化的图。图10是表示实施方式1所涉及的场效应晶体管的源极场板的电位的时间变化的图。模拟结果成为理想的举动，即，源极场板7的电位Vsfp在状态A下变为正电压，在状态B下变为零伏。
但是，需要使源极场板7足够靠近栅极电极3，以便源极场板7的电位Vsfp追随栅极电压Vg。具体而言，将栅极电极3与源极场板7的最短距离设为1μm以下。
在上述模拟中，使用了栅极电极3与源极场板7之间的电容值为3pF的高电子迁移率晶体管。另一方面，若假定栅极电极3与源极场板7的重叠面积为1560μm2，介电常数7的SiN作为绝缘膜6，则在栅极电极3与源极场板7的最短距离为2μm的情况下，电容值为0.05pF。图11是表示栅极电极与源极场板的最短距离为2μm的情况下的栅极电压的时间变化的图。图12是表示栅极电极与源极场板的最短距离为2μm的情况下的源极场板的电位的时间变化的图。因此，可知若最短距离大于1μm，则栅极电压Vg的变化不反映在源极场板7的电位Vsfp中。
如以上说明那样，在本实施方式中，由于栅极电极3与源极场板7的最短距离为1μm以下，因此源极场板7的电位Vsfp追随栅极电压Vg。而且，设置有阴极与源极场板7连接、且阳极为恒定电位的二极管8。因此，源极场板7的电位Vsfp的举动变得理想，因此能够抑制特性变动。另外，由于源极场板7未与漏极电极5连接，因此不创建大功率的高频信号的环路路径。因此，不产生由高电子迁移率晶体管的特性劣化以及振荡引起的晶体管的损伤，因此能够确保可靠性。
另外，二极管8是肖特基二极管或PN二极管。有意降低击穿电压的齐纳二极管难以与大功率用晶体管并用，因此不使用齐纳二极管作为二极管8。
实施方式2
图13是表示实施方式2所涉及的场效应晶体管的剖视图。在实施方式1中，二极管8的释放状态与短路状态的切换由二极管8的特性即二极管8的上升电压来决定。根据所准备的二极管8，可能存在其上升电压不适合高电子迁移率晶体管的情况。因此，在本实施方式中，将二极管8的阳极与施加了直流电压的DC焊盘9连接，而不是接地。
若对二极管8的阳极施加直流电压，则二极管8成为短路状态的时间改变，源极场板7的电位成为零伏的时间变化。即通过改变对DC焊盘9施加的电压，从而能够将图10所示的源极场板7的电位的时间波形向更合适的波形调整。在需要更长时间降低源极场板7的电位的情况下，通过对DC焊盘9施加正电压，从而容易对二极管8施加顺方向电压。相反，在需要更长时间使源极场板7的电位变为正的情况下，通过对DC焊盘9施加负电压，从而容易对二极管8施加相反方向电压。由此，能够更可靠地抑制特性变动。
实施方式3
图14是表示实施方式3所涉及的场效应晶体管的剖视图。二极管8的阳极和阴极分别与匹配电路10、11连接。匹配电路10、11由电容器、电感器、电阻以及信号线路等构成。
二极管8的阴极以及阳极中的电位的时间波形因设置于周边的电容器或电感器等而变化。因此，通过调整与二极管8连接的匹配电路10、11，能够任意调整对二极管8施加的电压以及源极场板7的电位的时间波形。
附图标记说明
1、2...半导体基板；3...栅极电极；4...源极电极；5...漏极电极；6...绝缘膜；7...源极场板；8...二极管；9...DC焊盘；10、11...匹配电路。
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