[发明专利]具有多金属栅极的晶体管

说明书

一种晶体管，该晶体管包括具有沿着晶体管的宽度分布的多个金属(M1‑M5)的栅极(130)。栅极中的金属中的每一个具有不同的功函数。当例如用作射频晶体管时，这种复合栅极提供更高的线性度。

技术领域

本发明总体上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)之类的材料已在半导体器件中得到广泛应用。然而，这些更为常见的半导体材料可能不太适合于更高功率和/或更高频率的应用，这是因为它们相对较小的带隙(例如，在室温下对于Si为1.12eV并且对于GaAs为1.42eV)和/或相对较小的击穿电压。鉴于Si和GaAs所呈现出的困难，对高功率、高温度和/或高频率应用和器件的兴趣已转向诸如碳化硅(在室温下对于α-SiC为2.996eV)和III族氮化物(例如，在室温下对于GaN为3.36eV)的宽带隙半导体材料。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。

针对高功率和/或高频率应用特别受关注的器件是高电子迁移率晶体管(HEMT)，在某些情况下，其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上的优势，这是因为在具有不同带隙能量并且其中较小的带隙材料具有较高的电子亲合势的两种半导体材料的异质结(heterojunction)处形成了二维电子气(2DEG)。2DEG是未掺杂的(“非故意掺杂的”)、较小的带隙材料中的累积层(accumulation layer)，并且可以包含非常高的薄层电子浓度，例如，超过10¹³cm^-2。另外，源自于较宽带隙半导体的电子转移到2DEG，由于减少了电离杂质的散射，因而允许高的电子迁移率。

这种高载流子浓度和高载流子迁移率的组合可以增加HEMT的跨导(transconductance)，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。

由于包括上述高击穿电场、其宽带隙、大导带偏移和/或高饱和电子漂移速度的材料特性的组合，以氮化镓/铝镓氮(GaN/AlGaN)材料系统制造的高电子迁移率晶体管具有产生大RF功率的潜力。

RF晶体管的性能指标之一是线性度(linearity)。具有高线性度的晶体管在被用于低噪声放大器(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(derivative superposition)的各种线性化技术在电路级解决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更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关于栅极电压的增加。跨导的逐渐增加会产生高线性度，而跨导的快速增加会导致低线性度。跨导的渐变性(graduality)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电导率的各种金属的特性导致相对较低的线性度。另外地或另选地，可以通过减小晶体管的栅极的宽度来增加线性度。但是，这样的减小也减小了载流子密度，而这是不期望发生的。

一些实施方式基于以下认识：可以利用将宽度恢复到目标载流子密度所期望的尺寸的不同金属来补偿栅极宽度的减小。这种复合多金属栅极结构中的每个金属具有减小的栅极宽度，并因此具有提高的线性度。另外，不同的金属具有不同的功函数，从而导致不同的控制漏极电流关于栅极电压的变化的电压阈值。因此，由不同金属引发的漏极电流会相互干扰(interfere)。因此，通过改变不同金属的板的类型和尺寸，可以使用这种干扰来提高晶体管的总线性度。实际上，我们的仿真表明，针对各种测试的布置和适合用作复合栅极的一部分的不同材料的选择，宽度减小和所述干扰会提高晶体管的线性度。