JP2008539587A - ２元のｉｉｉ族窒化物をベースとする高電子移動度トランジスタおよびその製造方法 - Google Patents

２元のｉｉｉ族窒化物をベースとする高電子移動度トランジスタおよびその製造方法 Download PDF

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Abstract

２元のＩＩＩ族窒化物高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）と２元のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴを作製する方法が提供される。いくつかの実施例では２元のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴは第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層と、第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層と、およびチャネル層上の第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層を含む。いくつかの実施例では２元のＩＩＩ族窒化物 ＨＥＭＴは第１のＡｌＮバリヤ層と、ＧａＮチャネル層と、および第２のＡｌＮバリヤ層とを含む。

Description

本発明は半導体デバイスに関し、より詳細には窒化物ベースの活性層を取り込んでいるトランジスタに関する。
シリコン（Ｓｉ）および 砒化ガリウム（ＧａＡｓ）のような材料は低出力および（Ｓｉの場合には）低周波数応用において半導体デバイスの広い応用分野をもっている。しかしながら高出力およびまたは高周波応用に対しては、これらの馴染み深い半導体材料は必ずしも適してはいない。その理由は、これらの材料のバンドギャップが比較的小さく（たとえば室温においてＳｉは１．１２ｅＶであり、ＧａＡｓは１．４２ｅＶである。）、および／または破壊電圧が比較的小さいためである。
ＳｉとＧａＡｓにおける困難性に照らして、高出力、高温および／または高周波応用とそのデバイスにおける興味は、炭化珪素（アルファＳｉＣに対して室温において２．９９６ｅＶ）およびＩＩＩ族窒化物（室温において、たとえばＧａＮは３．３６ｅＶ）のような広いバンドギャップ半導体材料に向かってきた。これらの材料は通常、砒化ガリウムとシリコンに比べて大きな破壊電界強度と大きな電子の飽和速度を有する。
高出力および／または高周波応用に対して特に興味のあるデバイスは高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である。これは或る場合には変調ドープ電界効果トランジスタ（ＭＯＤＦＥＴ）としても知られている。異なるバンドギャップエネルギーを有する２つの半導体材料のヘテロ接合において二次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成され、そこではバンドギャップの小さい材料がより大きな電子親和力を有するので、このデバイスはいろいろな状況の下で動作上の利点を提供するものである。２ＤＥＧ層は（故意にはドープしていない）アンドープの、バンドギャップの小さい方の材料中の電子蓄積層であり、たとえば１０13キャリア／ｃｍ2を超えるような大きな電子の面密度を含むことができる。さらに加えて、バンドギャップの広いほうの半導体中で発生する電子が２ＤＥＧ層に移動し、イオン化不純物散乱が低減するために高い電子移動度を有することになる。
高いキャリア密度と高いキャリア移動度のこの組み合わせはＨＥＭＴに非常に大きなトランスコンダクタンスを与えることになり、高周波応用にとって金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）に比べて強力な特性上の利点を提供することになる。
窒化ガリウム／窒化アルミニウム・ガリウム（ＧａＮ／ＡｌＧａＮ） 材料系を用いて作製される高電子移動度トランジスタは、上記の高い破壊電界と、広いバンドギャップと、大きなと伝導帯バンド・オフセット、および／または高い電子の飽和ドリフト速度を含む材料特性の組み合わせのために、大きなＲＦパワーを発生する能力を持っている。２ＤＥＧにおける電子の大部分はＡｌＧａＮにおける分極に原因するものである。
米国特許第５１９２９８７号明細書 米国特許第５２９６３９５号明細書 米国特許第６３１６７９３号明細書 米国特許出願公開第２００２／００６６９０８Ａ１号明細書 米国特許第６８４９８８２号明細書 米国特許出願公開第１０／６１７８４３号明細書 米国特許出願公開第１０／７７２８８２号明細書 米国特許出願公開第１０／８９７７２６号明細書 米国特許出願公開第１０／８４９、６１７号明細書 米国特許出願公開第１０／８４９、５８９号明細書 米国特許出願公開第２００３／００２００９２号明細書 米国特許出願公開第１０／９９６、２４９号明細書 米国特許出願公開第１１／００５、１０７号明細書 米国特許出願公開第１１／００５、４２３号明細書 米国特許第６、５８４、３３３号明細書
ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系におけるＨＥＭＴはすでに実証されている。特許文献１、２はＡｌＧａＮ/ＧａＮのＨＥＭＴの構造と製造方法を記している。シェパード（Ｓｈｅｐｐａｒｄ）らの特許文献３は本発明の譲受人に譲渡された特許であるが、半絶縁性炭化珪素基板と、基板上の窒化アルミニウムバッファー層と、バッファ層上の半絶縁窒化ガリウム層と、窒化ガリウム層上の窒化アルミニウム・ガリウムバリヤ層と、および窒化アルミニウム・ガリウム活性構造上のパッシベーション層とを有するＨＥＭＴデバイスについて記述している。
本発明のいくつかの実施例は、第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層と、第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層と、該チャネル層上の第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層とを含む高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）および該ＨＥＭＴを作製する方法を提供する。いくつかの実施例では、該第１のバリヤ層は２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層に隣接して、ドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域を備える。該ドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域とチャネル層との間にアンドープ２元のＩＩＩ族窒化物層を配置してもよい。
本発明の更なる実施例では、該第２のバリヤ層は、２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層に隣接して、第１のドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域を備える。アンドープの２元のＩＩＩ族窒化物層を第２のバリヤ層の該第１のドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域とチャネル層との間に配置してもよい。
本発明のいくつかの実施例では、該第１のバリヤ層はＡｌＮ層を、該チャネル層はＧａＮ層を、該第２のバリヤ層はＡｌＮ層を含んで構成される。第１のバリヤ層は約１ｎｍから約１ｍｍの範囲の厚さをもち、チャネル層は約０．３ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さをもち、第２のバリヤ層は約０．５ｎｍから約５０ｎｍの範囲の厚さをもつ。
本発明の別の実施例では、第１のドープしたＡｌＮ層が該第１のＡｌＮ バリヤ層とＧａＮチャネル層の間に配置される。該第１のドープしたＡｌＮ層はＳｉ、Ｇｅおよび／またはＳｎドープしたＡｌＮ層を含んだ構成とされる。該第１のドープしたＡｌＮ層は約０．２ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さを持つ。該第１のドープしたＡｌＮ層は約１ｘ１０17ｃｍ-3から約１ｘ１０21ｃｍ-3の範囲のドーパント濃度をもつ。第１のアンドープＡｌＮ層が該第１のドープしたＡｌＮ層とＧａＮチャネル層との間に配置されてもよい。該第１のアンドープＡｌＮ層は約０．３ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さをもつ。
更なる実施例では、第２のドープしたＡｌＮ層が該第２のＡｌＮバリヤ層とＧａＮチャネル層の間に配置される。該第２のドープしたＡｌＮ層はＳｉ、Ｇｅおよび／またはＳｎドープしたＡｌＮ層を含んで構成される。該第２のドープしたＡｌＮ層は約０．２ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さを持つ。該第２のドープしたＡｌＮ層は約１ｘ１０17ｃｍ-3から約１ｘ１０21ｃｍ-3の範囲のドーパント濃度をもつ。第２のアンドープＡｌＮ層が該第２のドープしたＡｌＮ層とＧａＮチャネル層との間に配置されてもよい。該第２のアンドープＡｌＮ層は約０．３ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さをもつ。
本発明のなお更なる実施例では、ＧａＮチャネル層とは反対側の第２のＡｌＮバリヤ層上にＧａＮ層が設けられる。ＧａＮチャネル層とは反対側の第２のＡｌＮバリヤ層上のＧａＮ層は約０．３ｎｍから約１００ｎｍの範囲の厚さをもち、いくつかの実施例では約１０ｎｍ未満の厚さをもつ。
本発明のいくつかの実施例では、第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層はＡｌＮを含んで構成され、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層はＩｎＮを含んで構成され、チャネル層上の該第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層はＡｌＮを含んで構成されている。本発明の他の実施例では、第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層はＧａＮを含んで構成され、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層はＩｎＮを含んで構成され、チャネル層上の該第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層はＧａＮを含んで構成されている。本発明のなお更なる実施例では、第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層はＧａＮを含んで構成され、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層はＩｎＮを含んで構成され、チャネル層上の該第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層はＡｌＮを含んで構成されている。本発明の別の実施例では、第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層はＡｌＮを含んで構成され、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層はＩｎＮを含んで構成され、チャネル層上の該第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層はＧａＮを含んで構成されている。
本発明のいくつかの実施例ではＨＥＭＴはＨＥＭＴの活性領域に三元あるいは四元のＩＩＩ族窒化物層を含まない。
本発明の実施例を示している添付の図面を参照して、本発明を以下により完全に記述する。しかしながら、本発明はここに開示される実施例だけに限定しようとするものではない。むしろこれらの実施例は、この開示が完璧で完全なものとなり、本発明の技術範囲を当業者に完全に伝達するように提供されている。図においては層や領域の厚さは明確にするために誇張して示されている。図においては全体を通して、同様の数字は同様の要素を指している。ここで用いられているように、「および／または」という言葉は、関連してリストアップされているものを1つ以上含む組み合わせのいずれかまたは全てを含むものである。
ここで用いられる用語は、特定の実施例だけを記述するための目的であって、本発明を限定しようとするものではない。ここで用いられるように、単数形の冠詞は、文脈から明瞭にそうでないということが示される場合を除いて、複数形の冠詞をも含むように意図されている。「備える」および／または「備えている」という用語は、この明細書にて用いられるときは、言及された特徴物、整数、工程、操作、要素、および／または部品が存在することを規定していて、他の特徴物、整数、工程、操作、要素、部品、および／またはそれらのグループの1つ以上が存在したり、付け加わることを排除するものではない。
或る層、領域、或いは基板などの要素が他の要素の「上にある」、「上に伸びている」といわれた場合には、それが他の要素の直接的に上にある、或いは上に伸びていることもあるし、或いは介在する要素が存在してもよいと理解されよう。対照的に、或る要素が他の要素の「直接上にある」、あるいは「直接上に伸びている」といわれた場合には、介在する要素は存在しない。また、或る要素が他の要素に「接続している」あるいは「結合している」といわれる場合は、他の要素に直接的に接続していたり結合していたりしてもよいし、介在する要素が存在していてもよいものと理解されよう。これに対して、或る要素が他の要素に「直接接続している」或いは「直接結合している」といわれる場合には、介在する要素は存在しない。明細書を通して同様の数値は同様の要素を指している。
「第１の」、「第２の」などの用語はここでは色々な要素、部品、領域、層および／または区画を記述するために用いられているが、これらの要素、部品、領域、層および／または区画はこれらの用語によって制限されるべきではないと理解されたい。これらの用語は１つの要素、部品、領域、層または区画を他の領域、層、あるいは区画と区別するために用いられているに過ぎない。このように、本発明の教えるところを逸脱すること無しに、以下に議論する第１の要素、部品、領域、層または区画は第２の要素、部品、領域、層または区画と呼ぶことも出来るであろう。
さらに、「より下に」あるいは「底に」および「より上に」あるいは「最上部に」などという相対関係を表す用語は、図に示されたような１つの要素の他の要素に対する関係を記述するためにここでは用いられる。相対的な関係を表す用語は、図に示された方位に加えて、デバイスの異なる方位に広げることも意図されているものと理解されよう。たとえば、図の中のデバイスがさかさまになった場合には、他の要素の「下側に」にあると記述された要素は、このときは、他の要素の「上側に」向くであろう。それゆえに、例としてあげた用語「下側に」は図の特定の方位に依存して「下側に」と「上側に」の両方の方位に拡大するものとする。同様に、１つの図の中のデバイスがさかさまになった場合は、他の要素「の下に」あるいは「の下方に」として記述された要素は、そのときは、他の要素「の上方に」向くであろう。それゆえに、例としてあげた「の下に」あるいは「の下方に」という用語は「の上方に」と「の下方に」の両方の方位に拡大するものとする。
本発明の実施例は本発明の理想化された実施例の概略的な図面である断面図を参照してここに記述される。それゆえに、たとえば製造技術および／または公差の結果として図示の形からの変形が起こることが予想される。このように本発明の実施例はここに図示したような領域の特定の形に制限されているものと考えるべきではなく、たとえば製造過程の結果としての変形を含むべきものである。たとえば長方形として示されるエッチング領域は、通常はテーパーを持った、丸まった、あるいは曲がった特徴を持っているであろう。このように図示した領域は本来、概略的であり、その形はデバイスの領域の正確な形を示そうとしているのではなく、本発明の技術範囲を制限しようとするものでもない。
そうでないと規定された場合を除いては、（技術用語及び科学用語を含んで）ここで用いる全ての用語は本発明が属する技術分野の通常の技術を持つ者が共通して理解するようなものと同じ意味を持つものである。さらに、一般に用いられている辞書に定義されているような用語は、関連技術文献における文脈と矛盾のない意味を持つものと解釈されるべきであり、ここで明確に規定されていない場合は、理想化された、或いは過度に公式的な意味で解釈されるべきではない、ということは理解されよう。
他の特徴物に隣接して配置された構造または特徴物と呼ぶものは、隣接する特徴物にオーバーラップして、あるいはその下に位置する部分を持つものと当業者は理解するであろう。
本発明の実施例はＩＩＩ族窒化物ベースのデバイスとして２元の窒化物ベースのＨＥＭＴを提供する。本発明のいくつかの実施例による２元のＩＩＩ族窒化物 デバイスは、デバイスの活性領域のすべての層が２元のＩＩＩ族窒化物であるために、合金散乱は低減され、あるいは最小となる。ここで用いられている「ＩＩＩ族窒化物」という用語は窒素と周期律表のＩＩＩ族元素ガリウム（Ｇａ）、アルミニウム（Ａｌ）および／またはインジウム（Ｉｎ）で形成される半導体化合物を指している。この分野の人にはよく知られているように、ＩＩＩ族元素は窒素と結合して（たとえばＧａＮのような）２元、（たとえばＩｎＧａＮのような）三元、および（（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎのような）４元化合物を形成する。これらの化合物はすべて１モルの窒素が合計１モルのＩＩＩ族元素と結合しているという実験的な化学式を持つ。従ってこれらを記述するためにＩｎxＧａ1-xＮ（０＜ｘ＜１）のような化学式がよく用いられる。
さらに、ここで用いられるように、「２元のＩＩＩ族窒化物」は窒素とＩＩＩ族元素の１つとを指していて、ＩＩＩ族窒化物ベースのデバイスの活性層に故意に取り込まれた他のＩＩＩ族元素は存在しないことを示している。本発明のいくつかの実施例では、２元のＩＩＩ族窒化物という化合物は第２のＩＩＩ族元素を約１％までは含んでも合金散乱は顕著には生じない。たとえば、ＡｌＮやＧａＮの成長の触媒として用いられる場合にはインジウムは少量ならば存在してもよい。したがって、この技術開示に関する分野の当業者が理解するであろうように、「２元のＩＩＩ族窒化物層あるいは領域」という場合は理想とはずれた化合物を含んでいることがある。たとえば、たとえ、作製中の汚染によって意図せずに取り込まれるなどによって第３のＩＩＩ族元素が活性層に存在していても、デバイスの活性層は２元であるという。デバイスの活性層は２ＤＥＧが形成されるデバイスの層と、２ＤＥＧが形成される層とデバイスのソース、ドレインおよび／またはゲート電極および／またはコンタクト層（すなわち、電極が直接上に形成される層）の間に設置される層とを指している。シリコンのようなドーパントが２ＤＥＧを形成する層内に導入されるが、それでもなお２元のＩＩＩ族窒化物構造と呼んでよい。本発明のいくつかの実施例では、ＩＩＩ族窒化物ではない材料、あるいは三元あるいは四元化合物が２ＤＥＧを形成する層と基板との間の層に、および／または基板に存在する場合もある。たとえば、基板はサファイヤあるいはＳｉCであり、あるいは組成傾斜層にＡｌＧａＮを含むこともある。
図１は本発明のいくつかの実施例によるＨＥＭＴ構造を示す。図１に見られるように、ＧａＮであるような２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層１４が第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層１２上に備わっている。第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層１６はチャネル層１４上に備わっている。第１のバリヤ層１２と第２のバリヤ層１６は、たとえばＡｌＮであり、アンドープであってもよく、またはチャネル層１４に隣接している部分においてドープされた領域を含んでいてもよい。さらに第１のバリヤ層１２と、チャネル層１４と、および第２のバリヤ層１６はＭＯＣＶＤ、または当業者には既知のＭＢＥまたはＨＶＰＥのような、その他の技術を用いて成膜および／または成長される。ＡｌＮ基板、ＡｌＮ層、ＧａＮ層およびその他の２元のＩＩＩ族窒化物層を作製する技術は当業者にはよく知られており、ここでさらに記述する必要はない。
本発明の特にこの実施例では、第１のバリヤ層１２はＡｌＮ基板のような基板として設けられている。代替法としては、図１のような構造が或る基板上に形成されてもよい。たとえば、第１のバリヤ層１２はＡｌＮ基板上のＡｌＮバッファ層によって与えられてもよい。ＡｌＮバッファ層はＡｌＮ基板よりも高純度および／または高品質のＡｌＮを提供する。更に、ＡｌＮ基板を用いると第１のバリヤ層１２と基板の間の界面における熱障壁を除去するものであり、ＡｌＮ基板上にホモエピタキシャルに成長したＡｌＮはヘテロエピタキシャルに成長したＡｌＮに比べて転位密度が低い。第１のバリヤ層１２として用いるための適当なＡｌＮ基板は、あるいは第１のバリヤ層１２のとしてＡｌＮバッファ層が上に備えられるところの適当なＡｌＮ基板は、たとえばＣｒｙｓｔａｌ ＩＳ社（ニューヨーク州ウォーターフリート）から入手できる。
ＡｌＮが基板材料として用いられていて、第１のバリヤ層１２が基板によって与えられているが、本発明の実施例はサファイヤ、炭化珪素、窒化アルミニウム・ガリウム、窒化ガリウム、シリコン、ＧａＡｓ、ＬＧＯ、ＺｎＯ、ＬＡＯ、ＩｎＰなどのような適当な、いかなる基板を用いてもよい。いくつかの実施例では、適当なバッファ層を形成してもよい。たとえば、炭化珪素あるいはサファイヤのような基板上に２元のＩＩＩ族窒化物層を成長するために、核形成層および／またはエピタキシャル横方向オーバーグロス（ＥＬＯ）成長を用いてもよい。更には、実質的に格子緩和した層を設けるために、ＩＩＩ族窒化物層の転位密度および／または格子歪を制御する目的で成長条件を制御してもよい。
第１のバリヤ層１２はアンドープであるか、あるいは故意にドープしたのではないＡｌＮのような２元のＩＩＩ族窒化物である。いくつかの実施例では、第１のバリヤ層１２は厚い半絶縁性または絶縁性の層を含んでいて、チャネル層１４に隣接してアンドープ、または故意にではなくドープした、および／またはドープされた領域を備えている。たとえば、本発明のいくつかの実施例では、第１のバリヤ層１２は約１ｎｍから約１ｍｍの範囲にある厚さをもつＡｌＮである。本発明のいくつかの実施例では第１のバリヤ層１２は約１μｍの厚さである。
本発明のいくつかの実施例では、チャネル層１４はＧａＮあるいはＩｎＮのような２元のＩＩＩ族窒化物からなっている。ただし、チャネル層と第２のバリヤ層との界面においてチャネル層１４の伝導帯バンドエッジのエネルギーが第２のバリヤ層１６の伝導帯バンドエッジのエネルギーよりも低いという条件が満足されるようになっている。特に、チャネル層１４は第２のバリヤ層１６のバンドギャップよりも小さなバンドギャップを持っていて、チャネル層１４は第２のバリヤ層１６よりも大きな電子親和力も持っている。チャネル層１４はアンドープであるか、故意にはドープしてはいなく、約３Åから１００Åの厚さに成長される。例えば、いくつかの実施例では、チャネル層１４は約４ｎｍ未満の厚さを持つ。第１のバリヤ層１２との接合面で２次元正孔ガスが形成されることがないように、また、チャネル層１４がコヒーレントな歪を受けるように、チャネル層１４は十分に薄くなければならない。
本発明の特にこの実施例では、チャネル層１４と第２のバリヤ層１６との界面で大きなキャリア密度を誘起するために第２のバリヤ層１６は十分な厚さを持ち、および／または十分にドープされている。これまでの議論ように、第２のバリヤ層１６はＡｌＮのような２元のＩＩＩ族窒化物であり、チャネル層１４よりも大きなバンドギャップを持ち、チャネル層１４よりも小さな電子親和力を持つ。第２のバリヤ層１６は、例えば、約０．５ｎｍから約５０ｎｍの範囲の厚さをもつが、内部にクラックやあるいは重大な欠陥の形成が起こるような厚さではない。第２のバリヤ層１６はコンタクト用の掘り込みを用いる場合には５０ｎｍよりも厚くてもよい。本発明の或る実施例では、第２のバリヤ層１６はアンドープであるか故意にはドープされてはいない。
ソースおよびドレインのオーミック電極２０と２２が第２のバリヤ層１６上に設けられ、ゲート電極２４がソースとドレイン電極２０と２２の間に配置される。適当なオーミック電極材料は例えばＴｉ、Ａｌ、Ｎｉ、および／またはＡｕを含んでいる。非常に高い熱処理温度を用いるか、あるいは薄い第２のバリヤ層１６を用いて良好なオーミック電極を実現する。さらに、（たとえば、Ｓｉの）イオン注入と熱処理、および／またはコンタクト掘り込みなどもオーミック電極の特性改善のために用いられる。適当なゲート材料はキャップ層の組成に依存するが、しかし、或る実施例では、窒化物ベースの半導体材料とショットキー接合を作ることができるようなＮｉ、Ｐｔ、ＮｉＳｉｘ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｗおよび／またはＷＳｉＮのような従来の材料が用いられる。
本発明の実施例は２元のＩＩＩ族窒化物の第１のバリヤ層、２元のＩＩＩ族窒化物のチャネル層および２元のＩＩＩ族窒化物の第２のバリヤ層を参照構造として上に記述してきた。本発明のいくつかの実施例では、トランジスタはＧａＮのチャネル層を持つ。例えば、図２ＡにはＧａＮチャネル層がＡｌＮ層の間に備わっていて、ＡｌＮ/ＧａＮ/ＡｌＮ構造を提供している。本発明の他の実施例では、ＩｎＮのチャネル層が備わっている。このように、例えば、ＡｌＮ/ＩｎＮ/ＡｌＮ、ＧａＮ/ＩｎＮ/ＧａＮ、ＧａＮ/ＩｎＮ/ＡｌＮあるいはＡｌＮ/ＩｎＮ/ＧａＮのような構造が備わっていて、これらは本発明のいくつかの実施例の技術範囲内である。ＡｌＮ/ＩｎＮ/ＧａＮの構造はもし各層の厚さが適当に選ばれていれば歪均衡型となりえるものであり、ＡｌＮ/ＧａＮ構造と同程度に大きな２ＤＥＧを有している。
図２Ａは本発明の更なる実施例によるＨＥＭＴの概略図である。図２Ａに見られるように、ドープされた層１３０が第１のＡｌＮバリヤ層１１２上に備わっている。ＧａＮチャネル層１１４がドープされた層１３０上に備わっている。いくつかの実施例ではドープされた層１３０は、ＧａＮチャネル層１１４とＡｌＮバリヤ層１１２との界面に、例えばＳｉ、Ｇｅおよび／またはＳｎがドープされたＡｌＮ層、ドープされたＧａＮ層および／またはデルタ‐ドープされた層として備わっている。ドープされた層１３０、例えばデルタ‐ドープされた層は約１×１０12ｃｍ-2から約１×１０14ｃｍ-2の範囲のシート電荷密度を備えている。第２のＡｌＮバリヤ層１１６がＧａＮチャネル層１１４上に備わっている。第１のＡｌＮバリヤ層１１２は前には第１のバリヤ層１２と呼ばれて記されたものと同様に備わっている。ＧａＮ層１１４は前にはチャネル層１４と呼ばれて記されたものと同様に備わっている。第２のＡｌＮバリヤ層１１６は前には第２のバリヤ層１６と呼ばれて記されたものと同様に備わっている。ソースとドレインのオーミック電極２０と２２は第２のバリヤ層１１６上に備わっている。ゲート電極２４は上記したものと同様にソースおよびドレイン電極２０と２２の間に配置されている。さらに、第１のＡｌＮバリヤ層１１２が（基板あるいは厚いエピタキシャル層内と同様に）実質的に格子緩和している場合には、ＧａＮチャネル層１１４がＡｌＮに対してコヒーレントな歪を受ける状態になり、これにより第２のＡｌＮバリヤ層１１６は厚くすることができる。これは実質的に格子緩和しているＧａＮ上に成長したＡｌＮと対比すべきであり、その場合にはＡｌＮの厚さは制限される。
本発明のいくつかの実施例では、ドープされた層１３０はＳｉ、Ｇｅ、および／またはＳｎでドープされていて、約１×１０17ｃｍ-3から約１×１０21ｃｍ-3の範囲のドーパント濃度をもっている。チャネル層１１４より下側でのドーピングは、ＧａＮチャネル層１１４に置けるバンドの曲がりがエネルギーを持ち上げているためにＡｌ極性デバイスにとっては有利である。特に、（例えばドープされたＧａＮ層あるいはドープされたＡｌＮ層のような）ドープされた層１３０は備わっているが、すべての、あるいは実質的にすべての電子がＧａＮチャネルへ移行するのに十分な程度にドーパント濃度は少量でよく、ドープされた層１３０は十分に薄くてよい（例えば、意図せずに作られたｎ型層はドープされた領域に形成されていないとする。）が、所望の量の電荷量がチャネルに存在する程度には十分に厚くまた十分にドープされるべきである。本発明の特にこの実施例ではドープされた層１３０は約０．３ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さである。
選択肢として、（不図示の）ＧａＮ層が第２のＡｌＮバリヤ層１１６上に備えられてもよい。ＧａＮ層は表面に対する障壁を増大させ、あるいは表面状態を改質するものである。表面に対するエネルギー障壁を下げるために、および２ＤＥＧ密度への影響を低減し、或は最小にするために、および２次元正孔ガスが形成されるのを低減し、或は防ぐために、ＧａＮ層はドープされていてもよいしＧａＮ/ＡｌＮ界面でデルタドープされていてもよい。第２のＡｌＮバリヤ層１１６が十分に厚くチャネル内の電子がＡｌＮバリヤ層１１６を超えて染み出すことがない限りは、選択肢として（Ａｌ、Ｉｎ、Ｇａ）Ｎの層、または組成傾斜層を、代わりに第２のＡｌＮバリヤ層１１６上に備えてもよい。
図２Ｂはドープされた層１３０とＧａＮチャネル層１１４との間に配置されているアンドープＡｌＮ層１４０を含んでいる本発明の更なる実施例を示す。本発明のいくつかの実施例では、アンドープＡｌＮ層１４０は約０．３ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さをもっている。アンドープＡｌＮ層１４０はイオン化不純物散乱を低減し、および／または最小にするために、チャネル層１１４からドープされた層１３０を隔てている。
本発明の実施例はチャネル層１１４の片側にドープされた、および／またはアンドープの層を含んでいるように図２Ａと２Ｂには示されているが、ドープされた、および／またはアンドープの層はチャネル層１１４の他方の側、あるいは両側に含まれていてもよい。そのような層は図２Ａと２Ｂを参照して上記されているのと同様に備えられる。
（不図示の）パッシベーション層もまた図１、２Ａおよび２Ｂの構造上に備えてもよい。本発明の或る実施例では、パッシベーション層はシリコン窒化物、ニ酸化シリコン、ＯＮＯ構造、および／またはオキシナイトライド膜であってよい。更に、パッシベーション層は一様な、および／または不均一な組成の単層あるいは複数の層であってよい。しかしながら、そのようなパッシベーション層は、デバイスの最も外側の層にあるＡｌＮの強靭さを考えると不必要であるかも知れない。
表面側に第２のバリヤ層としてＡｌＮを用いている本発明の実施例は化学的に強靭な表面を持っていて、第１のバリヤ層が基板や厚いエピタキシャル層と同様に実質的に格子緩和している場合には第２のバリヤ層も実質的に格子緩和している。このようにＧａＮチャネル層がコヒーレントに成長している限りは、ＡｌＮの第２のバリヤ層は比較的厚く成長できる。２つのＡｌＮ層に挟まれているＧａＮ層は高い電界をもち、Ａｌの有極性の材料を仮定すると第１のＡｌＮバリヤ層に入る電子にとって大きな障壁となる。ＡｌＮ基板は通常はＧａＮよりも大きな熱伝導率を持ち、低い転位密度を持つ。ＡｌＮバッファ層はＧａＮバッファとは実質的に異なるトラップ準位をもち、その結果、信頼性が改善されることが期待される。
図３Ａから３Ｈは本発明のいくつかの実施例によるトランジスタのシミュレーション・モデルからのキャリア密度とバンド図のグラフである。図３Ａから３Ｈにおいて反映されたシミュレーションでは、２元のＩＩＩ族窒化物は理想化されていて、ドーパント以外の不純物は存在しないものとしてモデル化されている。このシミュレーションは正確性を求めるものではなく、蓋然的傾向を示し、設計が異なることによる特性の違いを推定するために提供するものである。従ってこれらの図面はモデル化されたデバイス構造の可能な特性を大雑把に推定するものとして提供されているが、基本となる仮定とモデルの正確さと同程度には正確である。従って、実際のデバイスの特性は図３Ａから３Ｈに示したものとは異なるかもしれない。
図３Ａは、ＡｌＮ基板と、基板とチャネル層との間に配置されていてドーパント濃度が１×１０20ｃｍ-3でＳｉがドープされた１ｎｍの厚さのＡｌＮ層と、２０ｎｍ厚さのＧａＮチャネル層と、および１ｎｍ厚さのＡｌＮ層とで構成された２元のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴに対するモデル化されたバンド図および電子濃度を示す。図３Ｂは、ＡｌＮ基板と、基板とチャネル層との間に配置されていて、ドーパント濃度が１×１０20ｃｍ-3でＳｉがドープされた１ｎｍの厚さのＡｌＮ層と、２ｎｍの厚さのＧａＮチャネル層と、１０ｎｍの厚さのＡｌＮ層と、および１ｎｍの厚さのＧａＮ層とで構成された２元のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴに対するモデル化されたバンド図および電子濃度を示す。
図３Ｃは、ＡｌＮ基板と、基板とチャネル層との間に配置されていて、ドーパント濃度が１×１０20ｃｍ-3でＳｉがドープされた１ｎｍの厚さのＡｌＮ層と、２ｎｍの厚さのＧａＮチャネル層と、チャネル層上の１０ｎｍの厚さのＡｌＮ層とで構成された２元のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴに対するモデル化されたバンド図および電子濃度を示す。図３Ｃに示したように、図３Ｃの構成は図３Ａと図３Ｂの構成のどちらかよりも高いピーク電子濃度を持つと予想される。図３Ｂと図３ＣはＧａＮキャップ層付き構造とＧａＮキャップ層付きでない構造間の差異を示している。ＧａＮキャップがあると障壁は大きくなり２ＤＥＧ濃度は低くなるように見える。
図３Ｄは、ＡｌＮ基板と、基板とチャネル層との間に配置されていて、ドーパント濃度が３×１０19ｃｍ-3でＳｉがドープされた５ｎｍの厚さのＡｌＮ層と、２ｎｍの厚さのＧａＮチャネル層と、チャネル層上の１０ｎｍの厚さのＡｌＮ層とで構成された２元のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴに対するモデル化されたバンド図および電子濃度を示す。図３Ｄに示したように、図３Ｄの構成は図３Ａと図３Ｂの構成のどちらかよりも高いピーク電子濃度を持ち、それは図３Ｃの構造に対して予想されるピーク電子濃度よりは同じか少しだけ高いと予想され、底部のＡｌＮにおけるバンドの曲がりは図３Ｃの構造よりは大きいと予想される。
図３Ｅは、ＡｌＮ基板と、基板とチャネル層との間に配置されていて、ドーパント濃度が３×１０16ｃｍ-3でＳｉがドープされた５ｎｍの厚さのＡｌＮ層と、２ｎｍの厚さのＧａＮチャネル層と、チャネル層上の１０ｎｍの厚さのＡｌＮ層とで構成された２元のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴに対するモデル化されたバンド図および電子濃度を示す。図３Ｅに示したように、図３Ｅの構成は図３Ｄの構成よりも低いピーク電子濃度を持ち、底部のＡｌＮにおけるバンドの曲りはより少ないと予想される。
図３Ｆは、ＡｌＮ基板と、基板とチャネル層との間に配置されていて、ドーパント濃度が３×１０19ｃｍ-3でＳｉがドープされた５ｎｍの厚さのＡｌＮ層および２ｎｍの厚さのアンドープＡｌＮ層と、２ｎｍの厚さのＧａＮチャネル層と、チャネル層上の１０ｎｍの厚さのＡｌＮ層とで構成された２元のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴに対するモデル化されたバンド図および電子濃度を示す。図３Ｆに示したように、図３Ｆの構成は図３Ｄの構成とほぼ同じピーク電子濃度を持ち、底部のＡｌＮにおけるバンドの曲りはより大きいと予想される。
図３Ｇは、ＡｌＮ基板と、基板とチャネル層との間に配置されていてドーパント濃度が１×１０20ｃｍ-3でＳｉがドープされた１ｎｍの厚さのＡｌＮ層と、２ｎｍの厚さのＧａＮチャネル層と、チャネル層上の１ｎｍの厚さのＡｌＮ層とで構成された２元のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴに対するモデル化されたバンド図および電子濃度を示す。図３Ｇの構成は図３Ａの構成と同様であるが、ＧａＮ層がより薄いためにバンドの曲がりが少ないことだけが異なる。ＧａＮが薄いと第１のＡｌＮバリヤとＧａＮチャネルとの界面で２次元正孔ガスの形成が起こりそうにない。厚いＧａＮ層ほど大きな２ＤＥＧが予想されるが、厚いＧａＮ層ほど２次元正孔ガスも予想される。
図３Ｈは、ＡｌＮ基板と、基板とチャネル層との間に配置されていて、ドーパント濃度が１×１０20ｃｍ-3でＳｉがドープされた１ｎｍの厚さのＡｌＮ層と、２ｎｍの厚さのＧａＮチャネル層と、チャネル層上の５ｎｍの厚さのＡｌＮ層とで構成された２元のＩＩＩ族窒化物ＨＥＭＴに対するモデル化されたバンド図および電子濃度を示す。図３Ｇに見られるように、図３Ｇの構成は厚いＡｌＮバリヤ層を持つ図３Ｈの構成よりはピーク電子濃度がやや低くなると予想される。図３Ｈの構成と比較すると、図３Ｃの構成はこのモデルにおけるＡｌＮの厚さが増大したので２ＤＥＧの濃度は少し増大する。
下の表１は図３Ａから図３Ｈにおいてシミュレーションした構造の諸特性をまとめたものである。一般に、ＡｌＮ最上層が厚いほど、ドーピング面密度が高いほど、およびＧａＮキャップがないとＧａＮチャネル層における電子濃度は高くなると予想される。
Figure 2008539587
本発明の実施例はここでは特定のＨＥＭＴ構造を参照して記述してきたが、本発明はそのような構造に限定されると解釈するべきではない。例えば、本発明の教えるところから利益を受けながら、ＨＥＭＴデバイスに更なる層を追加してもよい。いくつかの実施例では、ＳｉＮあるいはＯＮＯ構造のような絶縁層が、ＭＩＳＨＥＭＴを作ったり、および／または表面をパッシベーションするために成膜される。更なる層は組成傾斜遷移層を単層または多層で含んでもよい。
掘り込みゲート、あるいはＴ字型ゲート構造、再成長コンタクト領域などのような他の構造もまた備えてもよい。従って本発明のいくつかの実施例は、例えば以下の文献に記されているような構造を持つ２元のＩＩＩ族窒化物の実施例を提供するものである。
特許文献３および特許文献４、２００１年７月１２日出願、２００２年６月６日公開、発明の名称「窒化ガリウムベースのキャップ素片上にゲート電極を有する窒化アルミニウム・ガリウム／窒化ガリウム高電子移動度トランジスタとその製作方法（ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ/ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＨＩＧＨ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＭＯＢＩＬＩＴＹ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＨＡＶＩＮＧ Ａ ＧＡＴＥ ＣＯＮＴＡＣＴ ＯＮ Ａ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＣＡＰ ＳＥＧＭＥＮＴ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ ＳＡＭＥ）」、特許文献５、スモルチコバ（Ｓｍｏｒｃｈｋｏｖａ）らによる発明の名称 「バリヤ層／スペーサ層つきＩＩＩ族窒化物ベースの高電子移動度トランジスタ （ＨＥＭＴ）（ＧＲＯＵＰ−ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＨＩＧＨ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＭＯＢＩＬＩＴＹ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ (ＨＥＭＴ) ＷＩＴＨ ＢＡＲＲＩＥＲ／ＳＰＡＣＥＲ ＬＡＹＥＲ）」、特許文献６、２００３年７月１１日出願、発明の名称「非エッチングのコンタクト掘り込み法を用いた窒化物ベースのトランジスタとその製作方法（ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ ＴＨＥＲＥＯＦ ＵＳＩＮＧ ＮＯＮ−ＥＴＣＨＥＤ ＣＯＮＴＡＣＴ ＲＥＣＥＳＳＥＳ）」、特許文献７、２００４年２月５日出願、発明の名称「電荷遷移が誘起するエネルギー・バリヤを有する窒化物ヘテロ接合トランジスタとその製作方法（ＮＩＴＲＩＤＥ ＨＥＴＥＲＯＪＵＮＣＴＩＯＮ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＨＡＶＩＮＧ ＣＨＡＲＧＥ−ＴＲＡＮＳＦＥＲ ＩＮＤＵＣＥＤ ＥＮＥＲＧＹ ＢＡＲＲＩＥＲＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ ＴＨＥ ＳＡＭＥ）」、特許文献８、２００４年７月２３日出願、発明の名称「キャップ層と掘り込みゲートを有する窒化物ベースのトランジスタの製作方法（ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＷＩＴＨ Ａ ＣＡＰ ＬＡＹＥＲ ＡＮＤ Ａ ＲＥＣＥＳＳＥＤ ＧＡＴＥ）」、特許文献９、 ２００４年５月２０日出願、発明の名称「再成長オーミック・コンタクト領域を持つ窒化物ベースのトランジスタの製作方法と再成長オーミック・コンタクト領域を持つ窒化物ベースのトランジスタ（ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＨＡＶＩＮＧ ＲＥＧＲＯＷＮ ＯＨＭＩＣ ＣＯＮＴＡＣＴ ＲＥＧＩＯＮＳ ＡＮＤ ＮＩＴＲＩＤＥ−ＢＡＳＥＤ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＨＡＶＩＮＧ ＲＥＧＲＯＷＮ ＯＨＭＩＣ ＣＯＮＴＡＣＴ ＲＥＧＩＯＮＳ）」、特許文献１０、２００４年５月２０日出願、発明の名称「ハイブリッド・チャネル層を有する半導体デバイス、電流アパーチャー・トランジスタとその製作方法（ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲ ＤＥＶＩＣＥＳ ＨＡＶＩＮＧ Ａ ＨＹＢＲＩＤ ＣＨＡＮＮＥＬ ＬＡＹＥＲ、 ＣＵＲＲＥＮＴ ＡＰＥＲＴＵＲＥ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ ＳＡＭＥ）」、特許文献１１、２００２年７月２３日出願、２００３年１月３０日公開、発明の名称「絶縁ゲートＡＬＧＡＮ／ＧＡＮ ＨＥＭＴ（ＩＮＳＵＬＡＴＩＮＧ ＧＡＴＥ ＡＬＧＡＮ／ＧＡＮ ＨＥＭＴ）」、特許文献１２、 ２００４年１１月２３日出願、発明の名称「窒化物ベースのトランジスタのためのキャップ層および／またはパッシベーション層、トランジスタ構造、およびその製作方法（ＣＡＰ ＬＡＹＥＲＳ ＡＮＤ／ＯＲ ＰＡＳＳＩＶＡＴＩＯＮ ＬＡＹＥＲＳ ＦＯＲ ＮＩＴＲＩＤＥ− ＢＡＳＥＤ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ、 ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲ ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ ＳＡＭＥ）」、米国特許出願第ｘｘ／ｘｘｘ、ｘｘｘ号（代理人識別番号５３０８−５１６）、２００５年３月１５日出願、発明の名称「高温逆バイアス・テスト条件に耐えることができるＩＩＩ族窒化物電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）（ＧＲＯＵＰ III−ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＥＬＤ ＥＦＦＥＣＴ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ （ＦＥＴｓ） ＣＡＰＡＢＬＥ ＯＦ ＷＩＴＨＳＴＡＮＤＩＮＧ ＨＩＧＨ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＲＥＶＥＲＳＥ ＢＩＡＳ ＴＥＳＴ ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＳ）」、特許文献１３、 ２００４年１２月６日出願、発明の名称「高い出力密度および／または直線性を持つトランジスタ（ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＤＥＮＳＩＴＹ ＡＮＤ／ＯＲ ＬＩＮＥＡＲＩＴＹ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ）」、および特許文献１４、 ２００４年１２月６日出願、発明の名称「ミリ波周波数帯で数ワットの出力電力を有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）（ＦＩＥＬＤ ＥＦＦＥＣＴ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ （ＦＥＴｓ） ＨＡＶＩＮＧ ＭＵＬＴＩ−ＷＡＴＴ ＯＵＴＰＵＴ ＰＯＷＥＲ ＡＴ ＭＩＬＬＩＭＥＴＥＲ−ＷＡＶＥ ＦＲＥＱＵＥＮＣＩＥＳ）」、これらに開示された内容はここにすべて記述されているかのように、ここに取り込まれているものとする。
本発明の実施例は例えば以下の文献に記されているようなＨＥＭＴ構造を用いても利用できる。
ユ−（Ｙｕ）ら、「圧電電界によるＩＩＩ−Ｖ族窒化物のショットキー障壁の設計（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ ｂａｒｒｉｅｒ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｉｎ ＩＩＩ−Ｖ ｎｉｔｒｉｄｅｓ ｖｉａ ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔ）」、 アプライド・フィジックス・レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ）、 Ｖｏｌ．７３、 Ｎｏ．１３、１９９８、 あるいは、特許文献１５、 ２００１年７月１２日出願、発明の名称「窒化ガリウムベースのキャップ素片上にゲート電極を有するアルミニウム窒化ガリウム／窒化ガリウム 高電子移動度トランジスタとその製作方法（ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ／ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＨＩＧＨ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＭＯＢＩＬＩＴＹ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ ＨＡＶＩＮＧ Ａ ＧＡＴＥ ＣＯＮＴＡＣＴ ＯＮ Ａ ＧＡＬＬＩＵＭ ＮＩＴＲＩＤＥ ＢＡＳＥＤ ＣＡＰ ＳＥＧＭＥＮＴ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＯＦ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ ＳＡＭＥ） 」、これらに開示された内容は参照することによって、ここにすべて開示されているかのように、ここに取り込まれているものとする。
図と記述において本発明の典型的な実施例が開示されてきた。固有の用語が用いられてきたが、これらは一般的な記述目的のためだけに用いられていて、制限をしようとするものではない。本発明の技術範囲は以下の請求項において開示されるものである。
は本発明のいくつかの実施例による２元のＩＩＩ族窒化物ベースのＨＥＭＴの断面である。 本発明のいくつかの実施例による２元のＧａＮベースのＨＥＭＴの断面である。 本発明のいくつかの実施例による２元のＧａＮベースのＨＥＭＴの断面である。 本発明のいくつかの実施例によるトランジスタのシミュレーション・モデルによるキャリア密度およびバンド図を表す図である。 本発明のいくつかの実施例によるトランジスタのシミュレーション・モデルによるキャリア密度およびバンド図を表す図である。 本発明のいくつかの実施例によるトランジスタのシミュレーション・モデルによるキャリア密度およびバンド図を表す図である。 本発明のいくつかの実施例によるトランジスタのシミュレーション・モデルによるキャリア密度およびバンド図を表す図である。 本発明のいくつかの実施例によるトランジスタのシミュレーション・モデルによるキャリア密度およびバンド図を表す図である。 本発明のいくつかの実施例によるトランジスタのシミュレーション・モデルによるキャリア密度およびバンド図を表す図である。 本発明のいくつかの実施例によるトランジスタのシミュレーション・モデルによるキャリア密度およびバンド図を表す図である。 本発明のいくつかの実施例によるトランジスタのシミュレーション・モデルによるキャリア密度およびバンド図を表す図である。

Claims (71)

  1. 第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層と、
    該第１のバリヤ層の上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層と、
    該チャネル層上の第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層と、
    を備えた高電子移動度トランジスタ （ＨＥＭＴ）。
  2. 該第１のバリヤ層は２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層に隣接して、ドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  3. 該ドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域とチャネル層との間に配置される、アンドープ２元のＩＩＩ族窒化物層を更に備えたことを特徴とする、請求項２に記載のＨＥＭＴ。
  4. 該第２のバリヤ層が２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層に隣接して、第１のドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域を備えたことを特徴とする、請求項２に記載のＨＥＭＴ。
  5. 該第１のドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域とチャネル層との間に配置される、アンドープ２元のＩＩＩ族窒化物層を更に備えたことを特徴とする、請求項４に記載のＨＥＭＴ。
  6. 該第２のバリヤ層は２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層に隣接して、第１のドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  7. 該第１のドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域とチャネル層との間に配置される、アンドープ２元のＩＩＩ族窒化物層を更に備えたことを特徴とする、請求項６に記載のＨＥＭＴ。
  8. 該第１のバリヤ層がＡｌＮ層を含み、チャネル層がＧａＮ層を含み、該第２のバリヤ層がＡｌＮ層を含んで構成されることを特徴とする、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  9. 該第１のバリヤ層は約１ｎｍから約１ｍｍの範囲の厚さをもち、チャネル層は約０．３ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さをもち、該第２のバリヤ層は約０．５ｎｍから約５０ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項８に記載のＨＥＭＴ。
  10. 該第１のＡｌＮバリヤ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、第１のドープしたＡｌＮ層を更に備えたことを特徴とする、請求項８に記載のＨＥＭＴ。
  11. 該第１のドープしたＡｌＮ層はＳｉドープしたＡｌＮ層を含んで構成されることを特徴とする、請求項１０に記載のＨＥＭＴ。
  12. 該第１のドープしたＡｌＮ層は約０．２ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項１０に記載のＨＥＭＴ。
  13. 該第１のドープしたＡｌＮ層は約１ｘ１０17ｃｍ-3から約１ｘ１０21ｃｍ-3の範囲のドーパント濃度をもつことを特徴とする、請求項１０に記載のＨＥＭＴ。
  14. 該第１のドープしたＡｌＮ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、第１のアンドープＡｌＮ層を更に備えたことを特徴とする、請求項１０に記載のＨＥＭＴ。
  15. 該第１のアンドープＡｌＮ層は約０．３ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項１４に記載のＨＥＭＴ。
  16. 該第２のＡｌＮバリヤ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、第２のドープしたＡｌＮ層を更に備えたことを特徴とする、請求項１０に記載のＨＥＭＴ。
  17. 該第２のドープしたＡｌＮ層はＳｉドープしたＡｌＮ層を含んで構成されることを特徴とする、請求項１６に記載のＨＥＭＴ。
  18. 該第２のドープしたＡｌＮ層は約０．２ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項１６に記載のＨＥＭＴ。
  19. 該第２のドープしたＡｌＮ層は約１ｘ１０17ｃｍ-3から約１ｘ１０21ｃｍ-3の範囲のドーパント濃度をもつことを特徴とする、請求項１６に記載のＨＥＭＴ。
  20. 該第２のドープしたＡｌＮ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、第２のアンドープＡｌＮ層を更に備えたことを特徴とする、請求項１６に記載のＨＥＭＴ。
  21. 該第２のアンドープＡｌＮ層は約０．３ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項２０に記載のＨＥＭＴ。
  22. 該第２のＡｌＮバリヤ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、ドープしたＡｌＮ層を更に備えたことを特徴とする、請求項８に記載のＨＥＭＴ。
  23. 該ドープしたＡｌＮ層はＳｉドープしたＡｌＮ層を含んで構成されることを特徴とする、請求項２２に記載のＨＥＭＴ。
  24. 該ドープしたＡｌＮ層は約０．２ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項２２に記載のＨＥＭＴ。
  25. 該ドープしたＡｌＮ層は約１ｘ１０17ｃｍ-3から約１ｘ１０21ｃｍ-3の範囲のドーパント濃度をもつことを特徴とする、請求項２２に記載のＨＥＭＴ。
  26. 該ドープしたＡｌＮ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、アンドープＡｌＮ層を更に備えたことを特徴とする、請求項２２に記載のＨＥＭＴ。
  27. 該アンドープＡｌＮ層は約０．３ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項２６に記載のＨＥＭＴ。
  28. ＧａＮチャネル層の反対側の該第２のＡｌＮバリヤ層上にＧａＮ層を更に備えたことを特徴とする、請求項８に記載のＨＥＭＴ。
  29. ＧａＮチャネル層の反対側の該第２のＡｌＮバリヤ層上のＧａＮ層は約０．３ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項２８に記載のＨＥＭＴ。
  30. 該第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＡｌＮを含み、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層がＩｎＮを含み、該チャネル層上の第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＡｌＮを含んで構成されることを特徴とする、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  31. 該第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＧａＮを含み、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層がＩｎＮを含み、該チャネル層上の第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＧａＮを含んで構成されることを特徴とする、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  32. 該第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＧａＮを含み、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層がＩｎＮを含み、該チャネル層上の第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＡｌＮを含んで構成されることを特徴とする、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  33. 該第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＡｌＮを含み、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層がＩｎＮを含み、該チャネル層上の第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＧａＮを含んで構成されることを特徴とする、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  34. ＨＥＭＴがＨＥＭＴの活性領域に三元または四元のＩＩＩ族窒化物層を含まないことを特徴とする、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
  35. 第１の２元にＩＩＩ族窒化物バリヤ層を形成するステップと、
    該第１のバリヤ層の上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層を形成するス
    テップと、
    該チャネル層上に第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層を形成するステ
    ップと、
    を備えた高電子移動度トランジスタ （ＨＥＭＴ）を作製する方法。
  36. 該第１のバリヤ層は２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層に隣接して、ドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域を備えたことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
  37. 該ドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域とチャネル層との間に配置される、アンドープ２元のＩＩＩ族窒化物層を形成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項３６に記載の方法。
  38. 該第２のバリヤ層が２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層に隣接して、第１のドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域を備えたことを特徴とする、請求項３６に記載の方法。
  39. 該第１のドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域とチャネル層との間に配置される、アンドープ２元のＩＩＩ族窒化物層を形成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項３８に記載の方法。
  40. 該第２のバリヤ層は２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層に隣接して、第１のドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域を備えたことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
  41. 該第１のドープされた２元のＩＩＩ族窒化物領域とチャネル層との間に配置される、アンドープ２元のＩＩＩ族窒化物層を形成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
  42. 該第１のバリヤ層がＡｌＮ層を含み、チャネル層がＧａＮ層を含み、該第２のバリヤ層がＡｌＮ層を含んで構成されることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
  43. 該第１のバリヤ層は約１ｎｍから約１ｍｍの範囲の厚さをもち、チャネル層は約０．３ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さをもち、該第２のバリヤ層は約０．５ｎｍから約５０ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項４２に記載の方法。
  44. 該第１のＡｌＮバリヤ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、第１のドープしたＡｌＮ層を形成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項４２に記載の方法。
  45. 該第１のドープしたＡｌＮ層はＳｉドープしたＡｌＮ層を含んで構成されることを特徴とする、請求項４４に記載の方法。
  46. 該第１のドープしたＡｌＮ層は約０．２ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項４４に記載の方法。
  47. 該第１のドープしたＡｌＮ層は約１ｘ１０17ｃｍ-3から約１ｘ１０21ｃｍ-3の範囲のドーパント濃度をもつことを特徴とする、請求項４４に記載の方法。
  48. 該第１のドープしたＡｌＮ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、第１のアンドープＡｌＮ層を形成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項４４に記載の方法。
  49. 該第１のアンドープＡｌＮ層は約０．３ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項４８に記載の方法。
  50. 該第２のＡｌＮバリヤ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、第２のドープしたＡｌＮ層を形成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項４４に記載の方法。
  51. 該第２のドープしたＡｌＮ層はＳｉドープしたＡｌＮ層を含んで構成されることを特徴とする、請求項５０に記載の方法。
  52. 該第２のドープしたＡｌＮ層は約０．２ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項５０に記載の方法。
  53. 該第２のドープしたＡｌＮ層は約１ｘ１０17ｃｍ-3から約１ｘ１０21ｃｍ-3の範囲のドーパント濃度をもつことを特徴とする、請求項５０に記載の方法。
  54. 該第２のドープしたＡｌＮ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、第２のアンドープＡｌＮ層を形成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項５０に記載の方法。
  55. 該第２のアンドープＡｌＮ層は約０．３ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項５４に記載の方法ＨＥＭＴ。
  56. 該第２のＡｌＮバリヤ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、ドープしたＡｌＮ層を形成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項４２に記載の方法。
  57. 該ドープしたＡｌＮ層はＳｉドープしたＡｌＮ層を含んで構成されることを特徴とする、請求項５６に記載の方法。
  58. 該ドープしたＡｌＮ層は約０．２ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項５６に記載の方法。
  59. 該ドープしたＡｌＮ層は約１ｘ１０17ｃｍ-3から約１ｘ１０21ｃｍ-3の範囲のドーパント濃度をもつことを特徴とする、請求項５６に記載の方法。
  60. 該ドープしたＡｌＮ層とＧａＮチャネル層との間に配置される、アンドープＡｌＮ層を形成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項５６に記載の方法。
  61. 該アンドープＡｌＮ層は約０．３ｎｍから約５ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項６０に記載の方法。
  62. ＧａＮチャネル層の反対側の該第２のＡｌＮバリヤ層上にＧａＮ層を形成するステップを更に備えたことを特徴とする、請求項４２に記載の方法。
  63. ＧａＮチャネル層の反対側の該第２のＡｌＮバリヤ層上のＧａＮ層は約０．３ｎｍから約１０ｎｍの範囲の厚さをもつことを特徴とする、請求項６２に記載の方法。
  64. 該第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＡｌＮを含み、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層がＩｎＮを含み、該チャネル層上の第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＡｌＮを含んで構成されることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
  65. 該第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＧａＮを含み、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層がＩｎＮを含み、該チャネル層上の第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＧａＮを含んで構成されることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
  66. 該第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＧａＮを含み、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層がＩｎＮを含み、該チャネル層上の第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＡｌＮを含んで構成されることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
  67. 該第１の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＡｌＮを含み、該第１のバリヤ層上の２元のＩＩＩ族窒化物チャネル層がＩｎＮを含み、該チャネル層上の第２の２元のＩＩＩ族窒化物バリヤ層がＧａＮを含んで構成されることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
  68. ＨＥＭＴがＨＥＭＴの活性領域に三元または四元のＩＩＩ族窒化物層を含まないことを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
  69. ＧａＮチャネル層の反対側の第２のＡｌＮバリヤ層上のＧａＮ層はＧａＮ層と第２のＡｌＮ層の界面でドーピング、すなわちデルタドーピングされることを特徴とする、請求項２８に記載のＨＥＭＴ。
  70. ＧａＮ、ＩｎＮおよびＡｌＮ層は歪が均衡していることを特徴とする、請求項３２に記載のＨＥＭＴ。
  71. ＡｌＮ層上にＧａＮキャップ層を備えていることを特徴とする、請求項７０に記載のＨＥＭＴ。
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