本發(fā)明涉及高電子遷移率場效應晶體管(即HEMT)。

本發(fā)明更具體地涉及用于制造HEMT的堆疊，所述HEMT用作低噪聲或功率放大器、開關(guān)或覆蓋典型地包括在1MHz和100GHz之間的頻率范圍的振蕩器。

背景技術(shù)：

圖1示意性地示出常規(guī)的基本HEMT晶體管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在Oxz平面的截面圖，晶體管制造在襯底11上。常規(guī)而言，使用絕緣或半導體襯底11，例如包括硅(Si)、碳化硅(SiC)、或藍寶石(Al₂O₃)，在該襯底上沿著z軸形成至少兩個半導體層的堆疊，所述層在Oxy平面內(nèi)延伸。

第一層12(表示緩沖層)具有寬的帶隙(這是所謂的寬帶隙半導體材料)并且例如包括二元的氮的化合物材料(如GaN)或基于三元的III-氮化合物的材料(表示為III-N)，如AlGaN或更精確地說，Al_xGa_1-xN。

第二層(表示阻擋層13)具有比緩沖層12更寬的帶隙。該層包括基于四元、三元或二元基于Al、Ga、In或B的III-氮化合物(表示為III-N)的材料。

例如，對于GaN緩沖層，阻擋層包括Al_xGa_1-xN或In_1-xAl_xN,或In_1-xAl_xN/AlN或Al_xGa_1-x/AlN序列。

根據(jù)它們的鋁含量x，Al_xGa_1-xN和In_1-xAl_xN的帶隙寬度分別從3.4eV(GaN)變化至6.2eV(AlN)和從0.7eV(InN)變化至6.2eV(AlN)。

阻擋層13的厚度通常包括在5nm和40nm之間，并且緩沖層12的厚度通常包括在0.2μm和3μm之間。

額外的層可以存在于器件的表面上，或者在緩沖層和阻擋層之間。

緩沖層12和阻擋層13通常通過MOCVD或MBE外延制備。通過舉例可以提及GaN基緩沖層和基于AlGaN或InAlN的阻擋層，更具體地說，基于Al_xGa_1-xN或In_zAl_1-zN的阻擋層，其中x通常包括在15％和35％之間，而z通常包括在15％和25％之間。

在緩沖層和阻擋層之間的結(jié)形成也在Oxy平面內(nèi)延伸的異質(zhì)結(jié)15。坐標系Oxyz的原點O特別地放置在該平面中。

HEMT晶體管通常包括在阻擋層13的上側(cè)14上沉積的源極S、漏極D和柵極G。

柵極G沉積在源極S和漏極D之間并能夠控制晶體管。在源極S和漏極D之間的電導由柵極G的靜電作用進行調(diào)制，柵極G通常為Schottky接觸或MIS(金屬/絕緣體/半導體)堆疊，而在柵極和源極之間施加的電壓V_GS控制晶體管。

二維電子氣9(表示為2DEG)位于異質(zhì)結(jié)15的附近。這些電子在Oxy平面內(nèi)移動并且具有通常高于1000cm²/Vs的高電子移動率μe。在正常晶體管操作中，這些電子由于被局限在Oxy平面內(nèi)形成在異質(zhì)結(jié)15的附近的勢阱中而不能在z方向上流動。因此局限在被稱為晶體管溝道中的電子氣9能夠在漏極和源極之間輸送電流I_DS。常規(guī)地，在源極S和漏極D之間施加電勢差V_DS，源極S通常接地，而電流I_DS的值取決于在柵極G和源極S之間施加的電壓V_GS。

晶體管效果基于由控制電極G的靜電作用對在接觸S和D之間的電導gm的調(diào)制。在該電導中的變化正比于溝道中自由載流子的數(shù)量，且因此正比于源極和漏極之間的電流。正是該晶體管的放大效應使得施加至柵極的弱信號能夠轉(zhuǎn)變?yōu)樵诼O處獲得的強信號。

圖2顯示了在異質(zhì)結(jié)附近的電荷分布。III-N族材料是高度電負性的。當使該族的兩種不同化合物相互接觸時，或者正(σ+)(圖2)或者負(σ-)的固定電荷出現(xiàn)在界面處。該固定電荷吸引移動電荷(當其如圖2所示的為正電荷時吸引電子，或當其為負電荷時吸引空穴)。當在漏極和源極之間施加電壓時，正是這些移動電荷em形成電流。

在常規(guī)生長條件下，GaN為摻雜有施主類型雜質(zhì)(n-型雜質(zhì))(通常為氮空位)的半導體。當施加至晶體管漏極的電壓變得過高時(通常高于10V)并且當柵極的長度Lg變得過小時(通常小于0.25μm)時，這種類型的缺陷不能在溝道中獲得對電子的局限。于是電子流過緩沖層，這導致晶體管的電導gm的降低。

在溝道中電子的這種較差局限對傳遞函數(shù)Log(I_DS)＝f(V_GS)具有的作用為降低斜率gm＝ΔI_DS/ΔV_GS，如在圖3中所示。這種降低表示由柵極對電流的更低效的調(diào)制。

當曲線31Log(I_DS)＝f(V_GS)在高的恒定V_DS(例如20V)和對于較小柵極長度(例如小于0.25μm)具有陡坡時(如在圖3中所示)，獲得良好的晶體管操作。代表高跨導g_m的這種陡坡反映了晶體管在操作點30處具有通過足夠的功率增益來調(diào)制高電流的能力。在這種情況下，晶體管的“夾斷”被認為是良好的。曲線32描述了展現(xiàn)出較差“夾斷”的晶體管。能夠通過被稱作亞閾值擺幅(subthreshold slope)的量而量化該值。其值小于150mV/十進位(décade)的電流是所尋求的。

為了對期望的操作電壓獲得具有低于150mV/十進位的亞閾值擺幅的晶體管操作，有必要補償初始的n-型摻雜。

第一解決方案是通過引入受主類型雜質(zhì)來對(GaN和Al_xGa_1-xN)緩沖層進行p型摻雜，例如通過更改外延生長條件或在生長過程中加入受主類型雜質(zhì)。對引入緩沖層的雜質(zhì)密度進行優(yōu)化以獲得期望的晶體管行為。

相容的雜質(zhì)主要為碳和鐵，但是也可以是鎂、鈹、鋅或任何已知在GaN中為受主中心的雜質(zhì)。

通常地，對于50V(V_DS)最大操作電壓和0.15μm長度的柵極，相對于n-型雜質(zhì)過量的數(shù)10¹⁶cm^-3至數(shù)10¹⁷cm^-3的p-型雜質(zhì)能夠獲得小于150mV/十進位的亞閾值擺幅。

然而，這些雜質(zhì)構(gòu)成深能級中心。表述“深能級中心”指的是這樣的雜質(zhì)，其能級比導帶的最小值高2至3倍的熱激活能(＝3/2k_b*T)(對于n-型雜質(zhì)而言)，或者比價帶最大值高2至3倍的熱激活能(＝3/2k_b*T)(對p-型雜質(zhì)而言)。在室溫條件下，熱激活能為大約40meV。如果中心比這些極值中的一個高100meV，那么該中心將被認為是深能級的，這是摻雜有受主類型雜質(zhì)的GaN的情況。

當晶體管加偏壓時，這些中心帶負電，而由于它們是深能級的，因此在操作頻率高于1MHz時不放電。這會具有使導電溝道中出現(xiàn)的移動電荷減少的作用，因此減小了電流并增加了溝道電阻(résistance d’accès)。于是，除了產(chǎn)生分散(dispersion)，這種方法的主要缺點是降低了晶體管的效率和能夠發(fā)出的功率。這種性能退化的嚴重程度隨著晶體管操作電壓V_DS(通常高于20V)的增加而增加。

在圖4中所示的這種移動電荷的量的減少稱為“電流崩塌”。在該示例中晶體管的GaN緩沖層均勻地進行p-型摻雜至5.10¹⁷原子/cm³的值。

曲線40示出了在測量特性之前未加偏壓的晶體管(在V_GS＝0V下制造)的電流/電壓特性。

曲線41示出了在測量特性之前施加電壓＝V_GS＝-6V和V_DS＝40V的形式的壓力之后晶體管(在V_GS＝0V下制造)的電流/電壓特性。

可以看出I_DS隨著V_DS變化的曲線41相對于初始曲線40發(fā)生變化。電流/電壓特性變差，在該示例中，在5V的電壓V_DS處電流I_DS具有60％的相對變化(并且因此可獲得的功率具有60％的相對變化)。

第二解決方案是制備具有GaN溝道的復合緩沖層，例如在圖5中所示的GaN/Al_xGa_1-xN緩沖層。在這種情況下，在GaN/Al_xGa_1-xN界面50處出現(xiàn)的負壓電電荷產(chǎn)生能夠在溝道中局限電子的勢壘。對于在20V和40V之間的最大操作電壓和長度小于0.25μm的柵極，Al_xGa_1-xN層必須含有少量百分比的鋁(通常3％至10％)以獲得良好的對電子的局限。

然而，對于良好局限電子所需的鋁含量，Al_xGa_1-xN的熱導率為GaN的熱導率的3分之一和5分之一之間。因此使用該解決方案，晶體管的熱阻顯著變差(2至3倍)，能夠發(fā)出的功率降低至3分之2至3分之1(取決于目標應用)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個目的為，通過提供對HEMT晶體管進行優(yōu)化的堆疊并允許由該堆疊制造的HEMT晶體管展現(xiàn)出良好的電流/電壓特性(包括當晶體管必須在高頻率(小柵極尺寸)或高漏極電壓V_DS下操作時，反映為在溝道中良好的對電子的局限和低電流分散)，從而減輕上述缺陷。

更具體地，本發(fā)明的主題為用于高電子遷移率場效應晶體管的沿著z軸的堆疊，其包括：

-緩沖層，其包括包含二元或三元或四元的氮的化合物并具有第一帶隙的第一半導體材料，

-阻擋層，其包括包含二元或三元或四元的氮的化合物并具有第二帶隙的第二半導體材料，

-所述第二帶隙比第一帶隙更寬，

-異質(zhì)結(jié)，其在所述緩沖層和所述阻擋層之間，以及

-二維電子氣，其位于垂直于z軸的xy平面內(nèi)并在異質(zhì)結(jié)附近，

其特征在于：

-所述緩沖層包括包含每單位體積的密度高于或等于10¹⁷cm^-3的固定負電荷的區(qū)域，所述區(qū)域具有小于或等于200nm的厚度，固定負電荷的每單位體積的密度乘以所述區(qū)域的厚度的乘積包括在10¹²cm^-2和3.10¹³cm^-2之間。

優(yōu)選地，所述區(qū)域包括引入至所述緩沖層中以產(chǎn)生固定負電荷的受主類型雜質(zhì)。

優(yōu)選地，受主類型雜質(zhì)為碳、鐵或鎂。

優(yōu)選地，在熱動力學平衡下固定負電荷的每單位體積的密度大致上等于引入緩沖層的所述區(qū)域Vf的受主類型雜質(zhì)的每單位體積的密度。

優(yōu)選地，固定負電荷的每單位體積的密度高于或等于10¹⁸cm^-3，所述區(qū)域的厚度小于或等于40nm，固定負電荷的每單位體積的密度乘以所述區(qū)域的厚度的乘積小于或等于4.10¹²cm^-2，并且這些電荷位于距異質(zhì)結(jié)小于或等于40nm的距離處。

優(yōu)選地，第一半導體材料包括GaN。

優(yōu)選地，第二半導體材料包括AlN、AlGaN、InAlN、InGaAlN或BGaAlN。

根據(jù)一個變體，固定負電荷的每單位體積的密度具有沿著z軸的高帽形分布。

根據(jù)另一變體，固定負電荷的每單位體積的密度具有沿著z軸的梯形分布，所述梯形分布具有第一升高的斜坡，然后恒定值，然后第二下降的斜坡。

根據(jù)另一變體，固定負電荷的每單位體積的密度具有沿著z軸的鐘形分布。

根據(jù)一個實施方案，緩沖層為復合緩沖層并且包括基于GaN材料的第一緩沖層和基于AlGaN材料的第二緩沖層，所述區(qū)域Vf被包含在第一緩沖層中。

根據(jù)另一方面，本發(fā)明的主題為由根據(jù)本發(fā)明的堆疊所制造的高電子遷移率場效應晶體管。

根據(jù)一個實施方案，晶體管具有柵極長度Lg，并且從所述區(qū)域到異質(zhì)結(jié)的距離小于或等于柵極長度Lg。

優(yōu)選地，固定負電荷的每單位體積的密度乘以所述區(qū)域的厚度的乘積遵循以下關(guān)系：

[Fv].t＝(1±0.3)×10¹³×V_DSMAX/Lg

其中：

Lg為晶體管的柵極長度，以nm計

V_DSMAX為在晶體管的源極和漏極之間施加的最大電壓，以伏特計，以及

[Fv].t以cm^-2表示。

附圖說明

本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點將通過閱讀以下給出的詳細描述并參照附圖而變得顯而易見，其通過非限制性示例給出，并且其中：

-上文討論的圖1示意性地示出常規(guī)HEMT晶體管的結(jié)構(gòu)的橫截面；

-上文討論的圖2示出常規(guī)HEMT晶體管的異質(zhì)結(jié)附近的電荷分布；

-上文討論的圖3示意性地示出具有良好的“夾斷”和較差的“夾斷”的HEMT晶體管的電流/電壓特性。

-上文討論的圖4示意性地示出顯示了電流分散的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的HEMT晶體管的行為；

-上文討論的圖5示意性地示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的包括復合緩沖層的晶體管的堆疊；

-圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的堆疊或場效應晶體管(HEMT)堆疊；

-圖7更具體地描述了根據(jù)本發(fā)明的堆疊中的電荷結(jié)構(gòu)；

-圖8示出了固定負電荷的每單位體積的密度的各種分布形狀；

-圖9示意性地示出對于區(qū)域Vf和異質(zhì)結(jié)之間的距離d的三個值，引入的雜質(zhì)的分布和帶電雜質(zhì)的分布之間的差別；

-圖10示出了對于區(qū)域Vf和異質(zhì)結(jié)之間的距離d的三個值，使用根據(jù)本發(fā)明的堆疊制造的HEMT晶體管的Log[I_DS]＝f(Vgs)特性；

-圖11示出了對于區(qū)域Vf和異質(zhì)結(jié)之間的距離d的三個值的電流分散；

-圖12示意性地示出對于區(qū)域Vf的厚度t的三個值，引入的雜質(zhì)的分布和帶電雜質(zhì)的分布之間的差別；

-圖13示出了包括復合緩沖層的根據(jù)本發(fā)明的堆疊的一個變體。

具體實施方式

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的高電子遷移率場效應晶體管(HEMT)的堆疊10。

根據(jù)本發(fā)明的堆疊10在一般用于這種類型組件的類型的襯底11上形成。

堆疊10在垂直于z軸的xy平面內(nèi)包括多個層。按照慣例，該堆疊被稱為“沿著z軸”堆疊。

堆疊10包括緩沖層12，所述緩沖層12包括包含二元或三元的氮的化合物并具有第一帶隙的第一半導體材料。第一半導體材料為常規(guī)上稱為“寬帶隙”半導體材料的半導體材料。

優(yōu)選地，第一半導體材料包括GaN。作為變體，第一半導體材料包括AlGaN，更確切地說，Al_xGa_1-xN，其中x通常包括在1％和35％之間。緩沖層沉積在襯底11上。該層足夠厚以確保在與阻擋層界面處的材料具有良好的晶體品質(zhì)，在所述界面處形成導電溝道。

堆疊還包括阻擋層13，所述阻擋層13包括包含二元或三元或四元的氮的化合物并具有第二帶隙的第二半導體材料。

根據(jù)一個變體，阻擋層包括AlN。

根據(jù)第二變體，阻擋層優(yōu)選包括AlGaN或InAlN，并且更具體地說，Al_xGa_1-xN或In_yAl_1-yN，其中x通常包括在15％和35％之間，y通常包括在15％和25％之間。

根據(jù)第三變體，阻擋層包括BAlGaN或InGaAlN。

根據(jù)HEMT晶體管堆疊的常規(guī)結(jié)構(gòu)，第二帶隙比第一帶隙更寬。

根據(jù)HEMT晶體管堆疊的常規(guī)結(jié)構(gòu)，堆疊包括在緩沖層12和阻擋層13之間的異質(zhì)結(jié)15，以及位于垂直于z軸的xy平面內(nèi)的在異質(zhì)結(jié)15附近的二維電子氣9。

優(yōu)選地，緩沖層12和阻擋層13的材料為常規(guī)用于制造基于鎵(Ga)的HEMT晶體管的半導體。

在緩沖層和襯底之間或者在緩沖層和阻擋層之間可以插入中間層，但是出于簡明的目的不在本文進行描述。

根據(jù)本發(fā)明的堆疊的緩沖層12具有特別地結(jié)構(gòu)，所述特別的結(jié)構(gòu)優(yōu)化為提升由根據(jù)本發(fā)明的堆疊10通過根據(jù)HEMT晶體管的現(xiàn)有技術(shù)沉積柵極、源極和漏極結(jié)構(gòu)所制造的HEMT晶體管的性能。

根據(jù)本發(fā)明的堆疊的緩沖層12包括包含固定負電荷的區(qū)域Vf，所述區(qū)域Vf位于緩沖層中的特定位置。表述“固定負電荷”應理解為意指非移動電荷(在本文的背景下移動電荷意指電子或空穴)，術(shù)語移動應按照半導體物理領(lǐng)域中常規(guī)意義理解。區(qū)域Vf在xy平面內(nèi)延伸，位于距異質(zhì)結(jié)距離d處并具有厚度t。

圖7更具體地描述了在根據(jù)本發(fā)明的堆疊中的電荷分布和性質(zhì)。電荷的固定性質(zhì)由包圍電荷的矩形表示，而移動性質(zhì)由橢圓形表示。

如上所述，由于壓電效應，每單位面積σ+密度的固定正電荷71存在于異質(zhì)結(jié)附近，而同樣位于異質(zhì)結(jié)臨近處的移動負電荷em形成二維電子氣，所述二維電子氣是HEMT晶體管操作的基礎(chǔ)。溝道中電子em的每單位面積的密度通常為大約0.5至3×10¹³cm^-2。

根據(jù)本發(fā)明的堆疊的區(qū)域Vf包括固定負電荷70。

這些固定負電荷具有每單位體積的密度[Fv]，通常以cm^-3表示。

在許多實驗和模擬之后，本發(fā)明人已經(jīng)確定確保使用在如上所述的堆疊上制造的HEMT晶體管獲得良好操作(特別是良好的“夾斷”和低電流分散(滯后效應(Lag)))的區(qū)域Vf的參數(shù)[Fv]和t的范圍。該良好操作也意味著與根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的堆疊所相關(guān)的缺陷(例如發(fā)射功率的降低、效率的降低、線性的降低等)得到減輕或甚至消除。

本發(fā)明的總體構(gòu)思是在緩沖層12中引入一定量的固定負電荷，所述固定負電荷的量剛好足以在期望的操作頻率和電壓下獲得良好的傳輸特性。針對2D電子氣而控制電荷的量及其位置使得：

-在沒有產(chǎn)生導致線性降低(分散效應)和可用功率和效率降低的不期望的俘獲效應的情況下獲得對溝道中的電子的良好局限，

-緩沖層的熱導率沒有降低(其例如由GaN制備)。

影響由根據(jù)本發(fā)明的堆疊10制造的HEMT晶體管的操作的物理量涉及參數(shù)[Fv]和t。

第一物理量為由于區(qū)域Vf的存在而產(chǎn)生的電場E。

在異質(zhì)結(jié)15和區(qū)域Vf之間產(chǎn)生的沿著z軸Ez的電場E遵循以下關(guān)系：

divEz＝q.[Fs]/ε_0.ε_r

其中：q為電子的電荷，ε₀為真空的介電常數(shù)，ε_r為緩沖層的相對介電常數(shù)，而[Fs]為溝道中可移動電荷em“看到”的每單位面積的負電荷密度(以cm^-2表示)。

[Fs]≈[Fv].t.

由負電荷的區(qū)域Vf產(chǎn)生的電場Ez的存在具有將電子局限在溝道中的作用，因此能夠獲得“良好夾斷”。

因此，為了使該電場Ez足以局限電子，本發(fā)明人已經(jīng)論證量[Fv]和t必須包括在以下范圍內(nèi)：

[Fv]≥10¹⁷cm^-3

t≤200nm

10¹²cm^-2≤[Fv].t≤3.10¹³cm^-2。

參數(shù)[Fv].t表示負電荷的劑量，其必須是最佳的并位于界面15的附近。

本發(fā)明的一個優(yōu)點是引入的負電荷的位置和劑量允許能夠引入剛好足以確保對電子的局限的電荷的量(該量另外取決于如下描述的操作電壓和柵極長度)，而同時相對于其中對整個緩沖層“摻雜”受主類型雜質(zhì)的方案而限制了功率的損失。

所請求保護的范圍也必須得到滿足以確保的低的電流分散，如下所述。

沿著Z軸的每單位體積的固定負電荷的密度分布可以為任何形狀，該形狀對于起作用的物理效應來說不具有一階影響。

圖7示出了恒定值Fv0的高帽形狀的分布。

對于在現(xiàn)有技術(shù)中被稱為“補償”緩沖層的緩沖層來說，最小值Nr對應于固定負電荷在緩沖層12中的剩余密度。在這種情況下，相對于施主類型雜質(zhì)的濃度，緩沖層以其整體包含有過量的受主類型雜質(zhì)濃度，所述過量的受主類型雜質(zhì)濃度高于10¹⁵cm^-3并對應于剩余密度Nr。

圖8(圖8a至8d)示出了根據(jù)本發(fā)明的每單位體積的密度[Fv]分布的各種形狀。

圖8a示出了具有升高的第一斜坡81然后恒定值Fv0然后下降的第二斜坡82的梯形分布。圖8b示出了具有升高的第一斜坡、恒定值和陡峭的第二斜坡的分布。圖8c示出了具有陡峭的第一斜坡、恒定值和下降的第二斜坡的分布。圖8d示出了鐘形分布。

根據(jù)本發(fā)明的堆疊10可以具有滿足上述條件的任何其它類型的分布，所述分布對應于包含在厚度t中的每單位體積的電荷密度。對于給定的分布，厚度t可以在最大值和剩余值之間的半最大值處進行估算。距異質(zhì)結(jié)15的距離d可以關(guān)于點83進行評估，所述點83對應于在異質(zhì)結(jié)15的一側(cè)的半最大值處的點。

優(yōu)選地，位于緩沖層12中的固定負電荷70從引入緩沖層12中的受主類型雜質(zhì)A獲得。這些受主類型原子優(yōu)選為碳或鐵、或鎂或鈹或任何已知在GaN或AlGaN中為受主中心的類型的雜質(zhì)。

這些雜質(zhì)例如通過改變緩沖層12的外延生長條件或通過在緩沖層12的生長過程中有意引入這些雜質(zhì)而被引入。

由于形成深能級中心，這些雜質(zhì)A不執(zhí)行該術(shù)語的常規(guī)意義中的摻雜功能。

這些受主雜質(zhì)與在位于異質(zhì)結(jié)15附近的電荷平面σ+內(nèi)形成的固定正電荷71發(fā)生相互靜電作用，并且它們的電離程度取決于它們距該異質(zhì)結(jié)15的距離d和它們在制備該緩沖層的材料的帶隙中的位置。

影響由根據(jù)本發(fā)明堆疊制造的HEMT晶體管的操作的第二物理量為如下限定并在圖9中示出的參數(shù)Δ。

(以cm^-2計)

其中：

[A]為引入緩沖層12中的受主類型雜質(zhì)A(也稱為缺陷)的每單位體積的密度。因此[A]＝[Fv]；以及

[A^-]為由靜電相互作用而被稱為“帶電”或“電離”的雜質(zhì)的每單位體積的密度(隨深能級中心對電子的捕獲的缺陷的電離)，每個“帶電”的雜質(zhì)對應于由靜電作用而“設(shè)定”的固定負電荷。

我們現(xiàn)在將解釋量Δ的物理意義，以及由此來指明術(shù)語“設(shè)定”和“未設(shè)定”的意義。

受主中心具有兩個可能的狀態(tài)：其或者由電子占據(jù)然后帶負電荷，或者是空的并在這種情況下是中性的。中心的占據(jù)的程度(即由電子占據(jù)的中心的數(shù)量并且由此與中心相關(guān)的負電荷的量)取決于操作條件(頻率、溫度和電壓)。因此，功率水平取決于操作條件。

由于這些雜質(zhì)在晶體管的操作溫度(通常25℃至250℃)下為深能級中心，因此這些中心達到其平衡狀態(tài)所需的時間長于晶體管的特征操作時間(一般操作頻率為大約1GHz至100GHz，這對應于大約每1ns至10ps而周期性改變的電壓)。

因此，這些中心不會立即響應于所施加的信號。由此，由這些雜質(zhì)所承載的負電荷并且因此功率和電流水平取決于時間和所施加的各個電壓。因此，觀察到的信號獨立于在時間t施加的信號而隨著時間變化，這使得線性下降。

然而，如果這些雜質(zhì)足夠接近于界面，那么通過靜電相互作用，無論施加至晶體管的電壓如何，這些雜質(zhì)中的一些(最接近于界面的那些)將帶電。于是它們的狀態(tài)將不再取決于晶體管的操作條件。于是將獲得更加線性的晶體管操作以及減輕了的分散效應。量Δ量化這些分散效應-其代表了狀態(tài)取決于操作條件的固定負電荷的數(shù)量。

因此，在本文的背景下，術(shù)語“設(shè)定”意指受主中心的狀態(tài)不取決于操作條件，術(shù)語“未設(shè)定”意指受主中心的狀態(tài)取決于操作條件。

量Δ通過將由引入緩沖層中以改進夾斷(并由此改進晶體管的增益)的雜質(zhì)(在此為負雜質(zhì))的數(shù)量減去狀態(tài)由壓電電荷的存在而“設(shè)定”的雜質(zhì)的數(shù)量而限定。因此Δ表示剩余的未設(shè)定的雜質(zhì)，其電荷的狀態(tài)取決于操作條件(溫度、頻率、電壓)而變化。換句話說，Δ表示未捕獲電子(即，其為“未設(shè)定”)并且狀態(tài)將取決于操作條件的每單位面積的雜質(zhì)的數(shù)量。因此這些中心將潛在地能夠捕獲電子，捕獲電子的受主中心的量取決于操作條件。

在圖9中的分布91(實線)對應于初始分布[A]，分布92(虛線)對應于分布[A^-]。

在這兩種分布之間的差對應于圖9中的陰影區(qū)域Δ。

對三個距異質(zhì)結(jié)15的距離d的值進行模擬以計算分布[A^-]，其中d1＝25nm、d2＝75nm、d3＝140nm，并且使用如下假設(shè)：

引入緩沖層中的受主類型的雜質(zhì)具有每單位體積的密度[A]＝10¹⁸cm^-3，且形成具有高帽形狀的分布以及厚度為t＝40nm的區(qū)域Vf，并且受主類型的雜質(zhì)在形成緩沖層的材料的帶隙中的能級E_T為E_T＝E_V+0.9eV。

此外，在該示例中，在堆疊上制造的晶體管的柵極長度Lg為150nm，這對應于所謂的“短”柵極。各種目標應用需要通常小于4μm的柵極尺寸。本發(fā)明人已經(jīng)論證晶體管的性能取決于區(qū)域Vf距異質(zhì)結(jié)的距離d，這種依賴性取決于柵極Lg的尺寸。

當HEMT晶體管受到偏壓(在本情形中V_GS＝-3V且V_DS＝40V)，最初不帶電的雜質(zhì)(Δ)將帶電。在返回至V_GS＝-3V且V_DS＝40V的過程中，由于這些雜質(zhì)是深能級中心，所以它們在晶體管的操作頻率下保持帶電。因此，負電荷不由靜電效應所設(shè)定的雜質(zhì)具有通過電壓的施加而改變的狀態(tài)。該改變引起電流的變化并由此引起可獲得的功率的變化(根據(jù)對晶體管施加偏壓的電壓增大或減小而減小或增大)。

在圖9中可以看出，隨著區(qū)域Vf至異質(zhì)結(jié)(其位于原點O處)的距離的增加，未設(shè)定的電荷的數(shù)量(并由此電流的分散)增加。

還可以看出，對于給定的距離d，這些電荷出現(xiàn)在異質(zhì)結(jié)15的相對側(cè)。具體地，在異質(zhì)結(jié)的那側(cè)，雜質(zhì)更接近于固定的正電荷，因此與每單位面積密度σ+的靜電相互作用更強并使得電荷的狀態(tài)可以是設(shè)定的。

在圖9給出的示例中(施加至晶體管漏極的最大電壓為40V)，該物理模擬指示：

Δ1≈0.1.10¹²cm^-2

Δ2≈1.9.10¹²cm^-2

Δ3≈2.7.10¹²cm^-2

圖10示出了對于I_{DS_QP}＝100mA/mm(在該示例中V_{GS_MAX}＝-6V)而V_{DS_QP}＝20V(V_{DS_MAX}＝2×V_{DS_QP}＝40V)的靜點(QP)以及對于以前述三個距離制造的區(qū)域Vf的，利用如上所述的根據(jù)本發(fā)明的堆疊所制造的HEMT晶體管的Log[I_DS]＝f(V_GS)特性?？梢钥闯鰧τ赿1＝25nm的特性是非常好的，對于d2＝75nm稍差，對于d3＝140nm較差。

圖11示出了對于上述三種情況的如上所說明的電流分散?？梢钥闯鲈摲稚㈦S著d的增大而增大。

因此，對于通常小于200nm的“短”柵極的長度Lg，在區(qū)域Vf位于距異質(zhì)結(jié)15的距離d<100nm的情況下獲得良好的晶體管操作。

如果距離d太大，未設(shè)定的捕獲電荷變得太多，并且觀察到類似于本發(fā)明人對于整體進行均勻的p型摻雜的緩沖層所觀察到效應的效應(差的夾斷和電流分散)。太大的距離d也減小了局限電子的電場Ez。

圖12示出了參數(shù)Δ根據(jù)具有高帽形分布并且包含具有每單位體積密度[A]＝10¹⁸cm^-3的受主類型雜質(zhì)的區(qū)域Vf的厚度t的變化，所述受主類型雜質(zhì)在制備緩沖層的材料的帶隙中的能級E_T＝E_V+0.9eV。

t的值增加的越多(從38nm至90nm)，Δ的值增加的越多。晶體管保持良好操作的最大厚度t值也取決于引入的雜質(zhì)的密度[A]和距異質(zhì)結(jié)的距離d。

根據(jù)圖9至圖12示出的上述考慮將清楚的是，為了使在根據(jù)本發(fā)明的堆疊上制造的晶體管獲得盡可能最線性的操作，并且為了減小晶體管功率和效率的損失，應該尋求使參數(shù)Δ最小化。

接近0的Δ值對應于下述情況：其中固定負電荷的每單位面積的密度大體上等于引入至緩沖層12的區(qū)域Vf中的受主類型雜質(zhì)的每單位面積的密度的情況。

最佳條件對應于這樣的Δ的值，使得：

Δ≤10¹²cm^-2

為了實現(xiàn)這一點，必須在距界面15足夠小的距離d處設(shè)置足夠高的每單位體積的濃度[Fv]的雜質(zhì)(從而對于給定的乘積[Fv].t使該層的厚度t盡可能小)以確保所有引入的雜質(zhì)具有處于設(shè)定狀態(tài)的電荷(所有摻雜劑電離并且在所有預期的操作條件下保持)。在這種情況下，跨導gm和電流隨時間的分散減小，這在其中信號線性的方面很重要的應用中是有利的。

該條件例如對于具有下述參數(shù)的根據(jù)本發(fā)明的用于HEMT晶體管的堆疊而得到滿足：

[Fv]≥10¹⁸cm^-3

t≤40nm.

[Fv].t≤4.10¹²cm^-2

并且d≤40nm.

對于第一近似，該優(yōu)選條件與由堆疊制造的晶體管的柵極Lg的長度無關(guān)。

根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及由根據(jù)本發(fā)明的堆疊所制造的高電子遷移率場效應晶體管。

此外，在許多實驗和模擬之后，本發(fā)明人已經(jīng)確定了取決于期望的應用的對于根據(jù)本發(fā)明HEMT晶體管(即由根據(jù)本發(fā)明的堆疊制造的)的尺寸所要滿足的優(yōu)選條件。

在晶體管的操作期間，引入至緩沖層以改善“夾斷”的一些雜質(zhì)帶負電。這些固定電荷對應于從中性狀態(tài)(沒有捕獲的電子)改變至負電荷狀態(tài)(通過深能級中心捕獲電子)的雜質(zhì)。捕獲電子的雜質(zhì)的量取決于操作條件(溫度、頻率、電壓)和這些雜質(zhì)的分布特性(d，t和[Fv])。

本發(fā)明人已經(jīng)論證優(yōu)選地當距離d小于或等于根據(jù)本發(fā)明的晶體管的柵極Lg的長度d≤Lg時，獲得良好的晶體管操作。

通過模擬，可以建立給出在堆疊中將形成的固定電荷的每單位面積的密度(以cm²計)隨柵極長度Lg和施加至漏極的最大電壓V_DSMax變化的半經(jīng)驗關(guān)系。這種關(guān)系已經(jīng)通過對于在高達3×10¹³/cm²的溝道中的電子密度，對于包括在50nm和4μm之間的柵極長度Lg以及高達幾kV的電壓V_DSMax(對于最長的柵極)進行模擬而進行了驗證，并且為：

[Fv].t＝[Fs_opt]＝(1±0.3)×10¹³×V_DSMAX/Lg(關(guān)系n°1)

其中[Fs_opt]以cm^-2計，Lg以nm計，而V_DSMAX以V計

例如，對于40V的最大操作電壓V_DSMAX和150nm的柵極長度，需要實現(xiàn)：

[Fs_opt]＝(1±0.3)×10¹³×40V/150nm，

即約(2.7±0.8)×10¹²固定電荷/cm²。

在以下的三個示例中，考慮Δ≈0的情況，即Δ<10¹²/cm²(從信號分散的角度來看的最有利的情況)。此外，分別地，t＝40nm，[Fv]＝10¹⁸cm^-3，即[A]＝[Fv].t＝4×10¹²cm²。

關(guān)系1可以根據(jù)要優(yōu)化的參數(shù)(柵極長度或最大操作電壓)而以兩種等效形式表示：

如果參數(shù)是電壓：

V_MAX＝Lg×([Fv]*t)/((1±0.3)×10¹³)(關(guān)系n°2)

如果參數(shù)是柵極長度，則：

Lg＝V_MAX×((1±0.3)×10¹³)/([Fv]*t)(關(guān)系n°3)

-在30GHz的衛(wèi)星通信應用：

在這些應用中，柵極長度包括在50nm和150nm之間。使用關(guān)系n°2并得到以下結(jié)果：

-對于柵極長度Lg＝50nm：V_MAX≈15V至28V

-對于柵極長度Lg＝150nm：V_MAX≈45V至85V

-包絡線跟蹤類型(Envelope-tracking type)通信應用：

在這種情況下，期望獲得能夠在60V下操作的盡可能最短的柵極(最短切換時間)。使用關(guān)系n°3，并且獲得以下結(jié)果：

Lg＝V_MAX×(1±0.3)×10¹³/([Fv]*t)＝60×(1±0.3)×10¹³/(4×10¹²)

≈100nm至200nm。

-汽車電源切換應用：

在這種情況下，期望晶體管能夠承受650V至1300V的電壓。因此，柵極長度必須為約：

-對于650V:

Lg＝V_MAX×(1±0.3)×10¹³/([Fv]*d)＝650×(1±0.3)×10¹³/(4×10¹²)

≈1μm至2μm。

-對于1300V:

Lg＝V_MAX×(1±0.3)×10¹³/([Fv]*d)＝1300×(1±0.3)×10¹³/(4×10¹²)

≈2μm至4μm。

根據(jù)本發(fā)明的堆疊與使用包括基于GaN材料的第一緩沖層和基于AlGaN材料的第二緩沖層的復合緩沖層12是相容的。

在GaN和AlGaN之間的界面的附圖標記為50(參見圖5)。根據(jù)本發(fā)明的區(qū)域Vf的存在允許降低AlGaN材料中鋁的百分比，例如低于5％，這具有減少第二緩沖層的熱阻增加的優(yōu)點。

根據(jù)圖13所示的一個優(yōu)選變體，區(qū)域Vf被包含在第一緩沖層中。

根據(jù)另一變體，區(qū)域Vf被包括在第二緩沖層中。

根據(jù)另一變體，區(qū)域Vf包括界面50。