[發明專利]具有厚度沿晶體管寬度變化的半導體層的高電子遷移率晶體管

在審

• 申請號: 201880053612.3
• 申請日: 2018-04-02
• 公開（公告）號: CN111213244A
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發明（設計）人: 張坤好;N·喬杜里
• 申請（專利權）人: 三菱電機株式會社
• 主分類號: H01L29/778
• 分類號: H01L29/778;H01L29/10;H01L29/423;H01L29/20
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 劉久亮;黃綸偉

一種高電子遷移率晶體管(HEMT)包括半導體結構，該半導體結構包括形成異質結的覆蓋層(101)和溝道層(102)，使得在覆蓋層和溝道層的界面處形成二維電子氣。HEMT還包括一組電極，該組電極包括沉積在覆蓋層上的源極(110)、漏極(120)和柵極(130)。柵極沿著HEMT的長度布置在源極和漏極之間。覆蓋層的至少在柵極下方的厚度沿著HEMT的寬度變化。

技術領域

本發明總體涉及用于高頻應用的諸如高電子遷移率晶體管的半導體器件。

背景技術

諸如硅(Si)和砷化鎵(GaAs)之類的材料已經廣泛應用于半導體器件中。然而,更熟悉的，這些半導體材料無法很好地適于更高功率和/或高頻應用，這是因為它們的帶隙相對小(例如，室溫下Si為1.12eV并且GaAs為1.42eV)和/或擊穿電壓相對小。鑒于Si和GaAs帶來的困難，對高功率、高溫和/或高頻應用和器件的興趣已轉向寬帶隙半導體材料，諸如碳化硅(室溫下αSiC為2.996eV)和III族氮化物(例如，室溫下GaN為3.36eV)。與砷化鎵和硅相比，這些材料通常具有更高的電場擊穿強度和更高的電子飽和速度。

對高功率和/或高頻應用特別感興趣的器件是高電子遷移率晶體管(HEMT)，在一些情況下，它也被稱為調制摻雜場效應晶體管(MODFET)。這些器件在許多情況下可以提供操作優勢，這是因為在具有不同帶隙能量的兩種半導體材料的異質結處形成了二維電子氣(2DEG)，并且帶隙越小的材料具有越高的電子親和力。2DEG是未摻雜(“非故意摻雜”)的、帶隙更小的材料中的累積層，并且可以包含非常高的薄層電子濃度(例如超過10¹³cm^-2)。另外，起源于較寬帶隙半導體的電子轉移到2DEG，從而由于減少了電離雜質散射而使得電子遷移率高。

高載流子濃度和高載流子遷移率的這種結合可以增加HEMT的跨導，并且可以針對高頻應用提供優于金屬半導體場效應晶體管(MESFET)的強大性能優勢。

在氮化鎵/氮化鋁鎵(GaN/AlGaN)材料系統中制造的高電子遷移率晶體管由于包括上述高擊穿場、寬帶隙、大導帶偏移和/或高飽和電子漂移速度的材料特性的組合而具有產生大量RF功率的潛力。

RF晶體管的性能指標之一是線性度。具有高線性度的晶體管在使用低噪聲放大器(LNA)或功率放大器(PA)時消耗更低的功率。當前，通過采用諸如導數疊加之類的各種線性化技術，在電路級解決了功率放大器中的線性度問題，然而，使用這些技術很昂貴。因此，需要設計一種具有高線性度和高功率密度的晶體管。

發明內容

技術問題

一些實施方式基于以下認識：晶體管的線性度取決于跨導相對于柵極電壓的增加。跨導的逐漸增加產生高線性度，而跨導的快速增加導致低線性度。跨導的漸進性由形成晶體管的材料的結構和特性決定，并且難以控制。

例如，可以使用不同的材料來形成晶體管的柵極，但是適合于調制載流子溝道的導電率的金屬的特性導致相對低的線性度。附加地或另選地，可以通過減小晶體管的柵極的寬度來增加線性度。然而，這樣的減小也降低了載流子密度，這是不希望的。

一些實施方式基于以下認識：諸如二維電子氣(2-DEG)密度之類的載流子溝道的密度取決于高電子遷移率晶體管(HEMT)的覆蓋層的厚度。如本文中所使用的，覆蓋層是與另一半導體層(在本文中稱為溝道層)組合形成異質結的頂層。因此，通過改變覆蓋層的厚度，2-DEG的密度還可以沿著器件的寬度改變。

具體地，HEMT的閾值電壓是覆蓋層的厚度和2-DEG密度的函數。因此，覆蓋層的厚度變化導致閾值電壓變化。例如，覆蓋層的階梯狀輪廓創建具有多個虛設溝道的HEMT，每個虛設溝道在源極和漏極之間具有不同的閾值電壓。

技術方案