高度缩放的线性GaN HEMT结构制造技术

一种晶体管包括衬底、耦合到衬底的沟道层、耦合到沟道层的源极、耦合到沟道层的漏极、以及在源极与漏极之间耦合到沟道层的栅极。栅极在靠近沟道层之处具有小于50纳米的长度尺寸，并且沟道层包括至少第一GaN层和在第一GaN层上的第一缓变AlGaN层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高度缩放的线性GaNHEMT结构【相关申请的交叉引用】本申请涉及并要求2018年2月14日提交的美国临时专利申请编号62/630688的优先权，该申请通过引用并入本文，如同完全阐述一样。本申请还要求2018年12月12日同时提交的美国专利申请编号16/217714的优先权，该申请通过引用并入本文，如同完全阐述一样。【关于联邦资金的声明】本专利技术是在美国政府合同N00014-14-C-0140下进行的。美国政府在本专利技术中具有特定权利。
本公开涉及GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。
技术介绍
通常，根据输出三阶截取点OIP3/PDC的线性度品质因数(LFOM)来定义晶体管线性度。大多数现有半导体技术限于10dB的LFOM。例外包括：如通过引用并入本文的以下参考文献1所述的，LFOM为～50dB的掺杂沟道GaAsMESFET；如通过引用并入本文的以下参考文献2所述的，负载匹配之后LFOM为128dB的缓变沟道GaAsMESFET；以及如通过引用并入本文的以下参考文献3所述的，LFOM为41dB的双(即，前侧和后侧)脉冲掺杂InPHEMT。这些LFOM的改进是由于具有分布掺杂分布的晶体管结构而产生，导致gm和Cgs的非线性度减小。可惜的是，这些GaAsMESFET具有劣化的沟道迁移率、跨导以及噪声系数，所有这些都限制了它们在低噪声和高线性度接收器应用中的实际使用。双脉冲掺杂InPHEMT可以在毫米波(mmW)频率下提供高fT/fmax和低噪声，但是它们的LFOM由于它们的低击穿电压而在-20dBm功率电平之上迅速劣化。这种劣化限制了它们在具有高峰均功率比(例如，对于宽带码分多址(WCDMA)为10.6，对于正交频分复用(OFDM)和带内干扰为～12)的接收器应用中的使用。由于跨导和基极-集电极电容的非线性，报告的最高的HBT器件中LFOM对于GaAsHBT为～11dB，如通过引用并入本文的以下参考文献4所述。这些HBT器件通常也具有比HEMT器件更高的噪声系数。如通过引用并入本文的以下参考文献5所述的常规GaNHEMT、如通过引用并入本文的以下参考文献6所述的GaNFINFET以及如通过引用并入本文的以下参考文献7所述的碳纳米管FET的报道LFOM小于10dB。近来，已经报道了具有缓变(graded)AlGaN沟道的GaNFET在栅极电压上显示出有前景的线性化gm，但没有报道测量的线性度数据，并且报道的器件跨导低，93mS/mm或～159mS/mm，如以下通过引用并入本文的参考文献8和9所述。这些器件还具有低迁移率(524cm2/Vs)。最重要的是，由于沟道温度上升，在～0.5Ids附近获得现有技术半导体技术的最佳LFOM，而在～0.2Ids偏置点附近获得最佳噪声系数。因此，现有技术晶体管的器件线性度对噪声系数不可避免地受到折衷。通过引用并入本文的以下参考文献10中描述了复合沟道GaNHEMT，并且该HEMT已经显示出双沟道GaN异质结构改善了接入电阻。然而，作者描述了去除沟道区内的顶部沟道，同时保持源极和漏极欧姆区中的双沟道，这使得该器件的有源沟道区有效地成为信号沟道GaNHEMT的有源沟道区。【参考文献】此通过引用将以下参考文献并入本文，如同完全阐述一样。1.S.L.G.Chu,J.Huang,W.Struble,G.Jackson,N.Pan,M.J.Schindler以及Y.Tajima,"AhighlylinearMESFET",IEEEMTT-SDigest,1991年.2.P.K.Ikalainen,L.C.Witkowski以及K.R.Varian,"Lownoise,lowDCpowerlinearFET",MicrowaveConference,1992年.3.K.Y.Hur,K.T.Hetzler,R.A.McTaggart,D.W.Vye,P.J.Lemonias以及W.E.Hoke,"UltralineardoublepulsedopedAlInAs/GaInAs/InPHEMTs",ElectronicsLetters,第32卷,第1516页,1996年.4.M.Iwamoto,P.M.Asbeck,T.S.Low,C.P.Hutchinson,J.B.Scott,A.Cognata,X.Qin,L.H.Camnitz以及D.C.D'Avanzo,"LinearitycharacteristicsofGaAsHBTsandtheinfluenceofcollectordesign",IEEETrans.MicrowaveTheoryandTechniques,第48卷,第2377页,2000年.5.J.Moon,M.Micovic,A.Kurdoghlian,R.Janke,P.Hashimoto,W.-S,Wong以及L.McCray,"LinearityoflowmicrowavenoiseAlGaN/GaNHEMTs",ElectronicsLetters,第38卷,第1358页,2002年.6.K.Zhang,Y.Kong,G.Zhu,J.Zhou,X.Yu,C.Kong,Z.Li以及T.Chen,"High-linearityAlGaN/GaNFinFETsformicrowavepowerapplications",IEEEElectronDeviceLetters,第38卷,第615页,2017年.7.Y.Cao,G.J.Brady,H.Gui,C.Rutherglen,M.S.Arnold以及C.Zhou,"Radiofrequencytransistorsusingalignedsemiconductingcarbonnanotubeswithcurrent-gaincutofffrequencyandmaximumoscillationfrequencysimultaneouslygreaterthan70GHz",ACSNano,第10卷,第6782页,2016年.8.S.Rajan等人,AppliedPhysicsLetters,第84卷,第1591页,2004年.9.P.Park等人,AppliedPhysicsLetters,第100卷,第063507页,2012年.10.T.Palacios等人,IEEETrans.ElectronDevices,第53卷,第562页,2006年.11.J.S.Moon等人,IEEEElectronDev.Lett.,37,272-275(2016年).12.J.-S.Moon等人,2016IEEETopicalConferenceonPowerAmplifiersforWirelessandRadioApplications(PAWR),5-7(2016年).需要一种具有带有减小的频谱失真的高线性度品质因数(LFOM)的改进的GaNHEMT，这对于满足无线通信中苛刻的频谱效率要本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种晶体管，该晶体管包括：/n衬底；/n沟道层，该沟道层耦合到所述衬底；/n源极，该源极耦合到所述沟道层；/n漏极，该漏极耦合到所述沟道层；以及/n栅极，该栅极在所述源极与所述漏极之间耦合到所述沟道层；/n其中，所述栅极在靠近所述沟道层之处具有小于50纳米的栅极长度尺寸；并且/n其中，所述沟道层包括：/n至少第一GaN层；和/n在所述第一GaN层上的第一缓变AlGaN层。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180214 US 62/630,6881.一种晶体管，该晶体管包括：
衬底；
沟道层，该沟道层耦合到所述衬底；
源极，该源极耦合到所述沟道层；
漏极，该漏极耦合到所述沟道层；以及
栅极，该栅极在所述源极与所述漏极之间耦合到所述沟道层；
其中，所述栅极在靠近所述沟道层之处具有小于50纳米的栅极长度尺寸；并且
其中，所述沟道层包括：
至少第一GaN层；和
在所述第一GaN层上的第一缓变AlGaN层。


2.根据权利要求1所述的晶体管，其中，所述沟道层还包括复合沟道，该复合沟道包括：
所述至少第一GaN层；
在所述第一GaN层上的所述第一缓变AlGaN层；
在所述第一缓变AlGaN层上的Siδ掺杂层；
在所述Siδ掺杂层上的第二GaN层；以及
在所述第二GaN层上的第二缓变AlGaN层。


3.根据权利要求2所述的晶体管，其中，所述Siδ掺杂层包括：
AlN层；和
所述AlN层上的AlGaN层。


4.根据权利要求1所述的晶体管，还包括：
在所述沟道层上的AlGaN势垒层。


5.根据权利要求1所述的晶体管，还包括：
在所述衬底与所述沟道层之间的背势垒层。


6.根据权利要求1所述的晶体管，
其中，所述第一缓变AlGaN层包括AlxGA1-xN；
其中，x在所述第一缓变AlGaN层的厚度上从0变化到0.1，或在所述第一缓变AlGaN层的厚度上从0变化到0.3；并且
其中，所述第一缓变AlGaN层的厚度为6纳米或小于6纳米。


7.一种晶体管，该晶体管包括：
衬底；
沟道层，该沟道层耦合到所述衬底；
源极，该源极耦合到所述沟道层；
漏极，该漏极耦合到所述沟道层；
第一栅极，该第一栅极在所述源极与所述漏极之间耦合到所述沟道层；以及
第二栅极，该第二栅极在所述第一栅极与所述漏极之间耦合到所述沟道层；
其中，所述第一栅极在靠近所述沟道层之处具有小于50纳米的栅极长度尺寸；并且
其中，所述沟道层包括：
至少第一GaN层；和
在所述第一GaN层上的第一缓变AlGaN层。


8.根据权利要求7所述的晶体管，其中，所述沟道层还包括复合沟道，该复合沟道包括：
所述至少第一GaN层；
在所述第一GaN层上的所述第一缓变AlGaN层；
在所述第一缓变AlGaN层上的Siδ掺杂层；
在所述Siδ掺杂层上的第二GaN层；以及
在所述第二GaN层上的第二缓变AlGaN层。


9.根据权利要求8所述的晶体管，其中，所述Siδ掺杂层包括：
AlN层；和
所述AlN层上的AlGaN层。


10.根据权利要求7所述的晶体管，还包括：
在所述沟道层上的AlGaN势垒层。


11.根据权利要求7所述的晶体管，还包括：
在所述衬底与所述沟道层之间的背势垒层。


12.根据权利要求7所述的晶体管，
其中，所述第一缓变AlGaN层包括AlxGA1-xN；
其中，x在所述第一缓变AlGaN层的厚度上从0变化到0.1，或在所述第一缓变AlGaN层的厚度上从0变化到0.3；并且
其中，所述第一缓变AlGaN层的厚度为6纳米或小于6纳米。


13.根据权利要求7所述的晶体管，
其中，所述第一栅极是射频(RF)栅极；并且
其中，所述第二栅极是用于减小Rds和Cgd非线性度的直流(DC)栅极。

【专利技术属性】
技术研发人员：文贞顺，安德里亚·科林，J·C·王，亚当·J·威廉姆斯，
申请(专利权)人：HRL实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US