[发明专利]具有厚度沿晶体管宽度变化的半导体层的高电子迁移率晶体管

说明书

一种高电子迁移率晶体管(HEMT)包括半导体结构，该半导体结构包括形成异质结的覆盖层(101)和沟道层(102)，使得在覆盖层和沟道层的界面处形成二维电子气。HEMT还包括一组电极，该组电极包括沉积在覆盖层上的源极(110)、漏极(120)和栅极(130)。栅极沿着HEMT的长度布置在源极和漏极之间。覆盖层的至少在栅极下方的厚度沿着HEMT的宽度变化。

技术领域

本发明总体涉及用于高频应用的诸如高电子迁移率晶体管的半导体器件。

背景技术

诸如硅(Si)和砷化镓(GaAs)之类的材料已经广泛应用于半导体器件中。然而,更熟悉的，这些半导体材料无法很好地适于更高功率和/或高频应用，这是因为它们的带隙相对小(例如，室温下Si为1.12eV并且GaAs为1.42eV)和/或击穿电压相对小。鉴于Si和GaAs带来的困难，对高功率、高温和/或高频应用和器件的兴趣已转向宽带隙半导体材料，诸如碳化硅(室温下αSiC为2.996eV)和III族氮化物(例如，室温下GaN为3.36eV)。与砷化镓和硅相比，这些材料通常具有更高的电场击穿强度和更高的电子饱和速度。

对高功率和/或高频应用特别感兴趣的器件是高电子迁移率晶体管(HEMT)，在一些情况下，它也被称为调制掺杂场效应晶体管(MODFET)。这些器件在许多情况下可以提供操作优势，这是因为在具有不同带隙能量的两种半导体材料的异质结处形成了二维电子气(2DEG)，并且带隙越小的材料具有越高的电子亲和力。2DEG是未掺杂(“非故意掺杂”)的、带隙更小的材料中的累积层，并且可以包含非常高的薄层电子浓度(例如超过10¹³cm^-2)。另外，起源于较宽带隙半导体的电子转移到2DEG，从而由于减少了电离杂质散射而使得电子迁移率高。

高载流子浓度和高载流子迁移率的这种结合可以增加HEMT的跨导，并且可以针对高频应用提供优于金属半导体场效应晶体管(MESFET)的强大性能优势。

在氮化镓/氮化铝镓(GaN/AlGaN)材料系统中制造的高电子迁移率晶体管由于包括上述高击穿场、宽带隙、大导带偏移和/或高饱和电子漂移速度的材料特性的组合而具有产生大量RF功率的潜力。

RF晶体管的性能指标之一是线性度。具有高线性度的晶体管在使用低噪声放大器(LNA)或功率放大器(PA)时消耗更低的功率。当前，通过采用诸如导数叠加之类的各种线性化技术，在电路级解决了功率放大器中的线性度问题，然而，使用这些技术很昂贵。因此，需要设计一种具有高线性度和高功率密度的晶体管。

发明内容

技术问题

一些实施方式基于以下认识：晶体管的线性度取决于跨导相对于栅极电压的增加。跨导的逐渐增加产生高线性度，而跨导的快速增加导致低线性度。跨导的渐进性由形成晶体管的材料的结构和特性决定，并且难以控制。

例如，可以使用不同的材料来形成晶体管的栅极，但是适合于调制载流子沟道的导电率的金属的特性导致相对低的线性度。附加地或另选地，可以通过减小晶体管的栅极的宽度来增加线性度。然而，这样的减小也降低了载流子密度，这是不希望的。

一些实施方式基于以下认识：诸如二维电子气(2-DEG)密度之类的载流子沟道的密度取决于高电子迁移率晶体管(HEMT)的覆盖层的厚度。如本文中所使用的，覆盖层是与另一半导体层(在本文中称为沟道层)组合形成异质结的顶层。因此，通过改变覆盖层的厚度，2-DEG的密度还可以沿着器件的宽度改变。

具体地，HEMT的阈值电压是覆盖层的厚度和2-DEG密度的函数。因此，覆盖层的厚度变化导致阈值电压变化。例如，覆盖层的阶梯状轮廓创建具有多个虚设沟道的HEMT，每个虚设沟道在源极和漏极之间具有不同的阈值电压。

技术方案