JP2009509343A - N極窒化アルミニウムガリウム/窒化ガリウムエンハンスメントモード電界効果トランジスタ - Google Patents
N極窒化アルミニウムガリウム/窒化ガリウムエンハンスメントモード電界効果トランジスタ Download PDFInfo
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Abstract
Description
本出願は、米国特許法第119条(e)の下で、以下の、同時係属出願であり、同一人に譲受された米国出願の利益を主張する。上記出願とは、Siddharth Rajan、Chang Soo Suh、James S.SpeckおよびUmesh K.Mishraによる2005年9月16日に出願された米国仮出願第60/717,996号(名称「N−POLAR ALUMINUM GALLIUM NITRIDE/GALLIUM NITRIDE ENHANCEMENT−MODE FIELD EFFECT TRANSISTOR」、代理人整理番号30794.148−US−P1(2006−107−1))であり、該出願は本明細書において参考として援用される。
本発明は、AFOSRによって与えられたGrant No.F49620−03−1−0235およびDRAPA CNIDによって与えられたGrant No.H94003−04−2−0403の下で政府支援によってなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
(1.発明の分野)
本発明は、高電子移動度トランジスタ(HEMT)などのN極窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)/窒化ガリウム(GaN)エンハンスメントモード電界効果トランジスタ(FET)に関する。
III族窒化物ベースの高電子移動度トランジスタ(HEMT)は、SiおよびSiCの物質限界を越える高い降伏電圧(VBD)および低いオン抵抗(RON)を生じる可能性があるため、電力切り替え用途に対する大きな関心を引き付けている。
本発明は、高電子移動度トランジスタ(HEMT)などの新規のエンハンスメントモード電界効果トランジスタ(FET)を開示し、N極表面を有し、分極界を使用してN極方向におけるゲート下の電子群を減少させ、向上した分散抑制および減少したゲート漏れを有する。
ここで図面を参照するが、ここで類似参照番号は、全体にわたって対応する部分を表す。
図1は、本発明の好ましい実施形態によるN極表面を備える新規のエンハンスメントモードHEMTトランジスタ構造を開示する、断面概略図である。このトランジスタは、ゲート、ソース(S)およびドレイン(D)を含み、ここでトランジスタは、AlGaN(1)/GaN(1)/AlGaN(2)/GaN(2)(最上層から最下層へと番号が付けられる)というゲート下のエピ層構造を有する。AlGaN(1)層は、この層内の分極界がゼロゲートバイアス下でAlGaN(2)/GaN(1)界面にいて2DEGを激減させるように、十分な厚さに成長する。アクセスおよび接触領域下では、エピ層は、AlGaN(3)/GaN(3)/AlGaN(2)/GaN(2)というように構築される、付加的な層AlGaN(3)/GaN(3)(図示せず)を含み得る。この場合、付加的なAlGaN(3)層およびGaN(3)層は、AlGaN(2)層とGaN(3)層との間の界面における電荷シート(点線で表示)を可能にするために十分薄く作られ、結果として低いオン抵抗ならびに低いソースおよびドレインオーム接触抵抗をもたらす。ゲートがゼロバイアス下でチャネルを激減させるので、導電性活性領域は正ゲートバイアスにおいて伝導を可能にする一方で、このデバイスは種々の用途に対するノーマルオフ、またはエンハンスメントモードFETとして使用され得る。N極方向におけるゲート下の電子群を減少させるために分極界を使用するという発想は、このデバイスの背後にある基本原理である。
上記のように、GaN技術に基づくエンハンスメントモード、またはノーマルオフ型デバイスは、種々の用途に対し関心を引く。Ga極、つまり
上記のように、GaNデバイスは、高周波用途に対し有望であることが分かっている。不動態化されていないGaN HEMTは、高速切り替え下で分散的であることが証明されているため、分散を抑制し、よってマイクロ波周波数においてデバイス性能を最適化するようこれらのデバイスを設計することが重要である。
GaNデバイスは、高電圧高周波用途に対し有望であることが分かっているため、ゲート漏れを軽減し、よってデバイスの降伏電圧を増加させる構造を備えるデバイスを有することが重要である。ゲート漏れの軽減はまた、これらのデバイスの信頼性を増加させる。
図8はまた、ゲート漏れの軽減およびゲートのターンオンの改善のためにゲートの下方に挿入され得る絶縁体も図示する。この実施形態では、絶縁体は、SixOY、SixNY、AlxOY、および/または任意の他の絶縁体の任意の組み合わせとすることができる。典型的に、絶縁体は、0.1Åから5000Åの範囲の厚さを有する。
p型ドーピングは、対向N極構造において完全に回避され得るが、p型キャッピングはまた、ゲート漏れの軽減およびゲートのターンオン電圧の増加のためにN極デバイスに組み合わされ得る。Ga極方向では、局所化された領域反転により高いp型ドーピング濃度を達成することが困難である。しかし、N極方向では、領域反転の発生なく、高いp型ドーピング濃度が達成され得る。
Ga極デバイスと比べて、N極デバイス内の2DEGはより良く閉じ込められる。N極デバイス内のより良い電荷の閉じ込めは、閾値電圧のドレインバイアスへの依存を軽減するべきである。
N極デバイスでは、最上面のAlGaN障壁は、より高いゲートのターンオンおよびより高い相互コンダクタンスに対して容易に変更され得る。Ga極デバイスでは、キャップ層のAl組成を増加させるステップは、キャップ層の厚さを減少させるステップを必要とするが、この減少は、閾値電圧の不均一性を増加させる。しかし、N極デバイスでは、最上面のAlGaN障壁のAl組成は、閾値電圧の不均一という問題なしに(ショットキー障壁の高さを増加させるAlNにまで)増加され得る。障壁のAl組成が増加するにつれて、障壁の厚さを減少させながら同じ閾値電圧を維持することが可能である。従って、より高い相互コンダクタンスが達成され得る。さらに、順方向バイアス下では、N極デバイスの有効な障壁の高さは、Ga極デバイスよりも大幅に高い。これらの2つの特徴の結果として、N極デバイスは、Ga極デバイスよりも大幅に高いゲートのターンオンを有する。
電力切り替え用途に対して、(+1Vより上の)高閾値電圧は、ゲート信号雑音排除性に必要である。方法1および方法2を使用して高閾値電圧を達成するために、ゲート下のAlGaN障壁の厚さは非常に薄くなくてはならない。しかし、AlGaN障壁が薄くなるにつれて、ゲートのターンオン電圧は急速に減少する。従って、閾値電圧が増加するにつれてゲート下のますます厚い絶縁体が必要であるが、これは相互コンダクタンスの減少をもたらす。高閾値電圧は、方法3を介して達成され得るが、p−GaN/AlGaN界面トラップ関連分散は欠点のまま残る。N極方向のEモードデバイスは、AlGaN障壁を薄くするステップを必要としないので、デバイスは、ゲートのターンオン電圧を犠牲にせずに高閾値電圧(+2Vさえも)を提供するよう設計され得る。
材料は、SiC、サファイア、Si、およびZnO、リチウムガラートおよびアルミン酸塩などの酸化物などの、1組の様々な基板上に成長され得る。
ここで、本発明の好ましい実施形態の説明を締めくくる。本発明の1つ以上の実施形態の先述の説明は、例示および説明の目的で提示されている。網羅的であること、または本発明を開示される正確な形態に制限することは意図されない。多くの改良および変更が上記の教示を踏まえて可能である。本発明の範囲はこの詳細な説明によってではなく、むしろそれに添付される特許請求の範囲によって制限されることが意図される。
Claims (36)
- N極表面を有する窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層および窒化ガリウム(GaN)層から構成されるエンハンスメントモード高電子移動度トランジスタ(HEMT)デバイスであって、該デバイスは、
(a)GaN(2)層上に成長するAlGaN(2)層上に成長する、GaN(1)層上に成長するAlGaN(1)層を備えるデバイスのためのゲート下のエピ層構造
を備え、
(b)該ゲート下の該AlGaN(1)層は、該AlGaN(1)層内の分極界が、ゼロゲートバイアス下で該AlGaN(2)層とGaN(1)層との間の界面において電子ガスを激減させるために十分な厚さに成長する、デバイス。 - 前記AlGaN(1)層の厚さは0.1nmと10μmとの間であり、該AlGaN(1)層とGaN(1)層との間の界面において正電荷蓄積およびトラップ関連分散を防ぐために十分である、請求項1に記載のデバイス。
- 前記分極界は、前記N極方向における前記ゲート下の電子群を減少させるために使用される、請求項1に記載のデバイス。
- 前記デバイスのアクセス領域および接触領域下のAlGaN層およびGaN層は、前記AlGaN(2)層とGaN(2)層との間の界面における電荷シートを可能にするために十分な薄さに生成され、結果として低いオン抵抗ならびに低ソースおよびドレインオーム接触抵抗をもたらす、請求項1に記載のデバイス。
- 前記ゲートがゼロバイアス下でチャネルを激減させ、一方で導電性活性領域は正ゲートバイアスにおいて伝導を可能にするため、前記デバイスは、ノーマルオフ型またはエンハンスメントモード電界効果トランジスタを備える、請求項1に記載のデバイス。
- N極表面を有する窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)および窒化ガリウム(GaN)層から構成されるエンハンスメントモード高電子移動度トランジスタ(HEMT)構造を製造する方法であって、該方法は、
GaN(2)バッファ層、該GaN(2)バッファ層上に成長するAlGaN(2)層、該AlGaN(2)層上に成長するGaN(1)層、および該GaN(1)層上に成長するAlGaN(1)層から構成されるエピ層スタックを形成するステップを含み、
該AlGaN(1)層は構造の最上部上のゲート障壁層であり、該構造の底面上の該AlGaN(2)層とGaN(1)層との界面において誘起される2次元電子ガス(2DEG)の一部を激減させるために十分な厚さに成長し、
該構造のドレインおよびアクセス領域において、該ゲートに順方向バイアスがかけられると該ゲート下の該2DEGが誘起され、一方で該アクセス領域内の電荷が常に存在するように、該AlGaN(1)層の少なくとも一部分がエッチングされ、これらの領域内に高電子密度をもたらす、方法。 - 前記AlGaN(1)層の厚さは0.1nmと10μmとの間であり、該AlGaN(1)層とGaN(1)層との間の界面において正電荷蓄積およびトラップ関連分散を防ぐために十分である、請求項6に記載の方法。
- 前記GaN(2)バッファ層は、任意の組成のAlInGaNに代替される、請求項6に記載の方法。
- 前記AlGaN(2)層は、任意の組成のAlInGaNに代替される、請求項6に記載の方法。
- 前記AlGaN(2)層とGaN(2)層との間の界面はAlGaInNの組成的に変化する層に代替され、組成グレードが0.01nm〜10μmの距離で実施される、請求項6に記載の方法。
- 前記AlGaN(2)層とGaN(2)層との間の界面は、該界面において正孔およびトラップ電荷が誘起されないようにn型ドーパントでドーピングされる、請求項6に記載の方法。
- 前記AlGaN(2)層とGaN(2)層との間の界面は、AlGaInNの組成的に変化する層に代替され、組成グレードが0.01nm〜10μmの距離で実施され、該層は、該界面において正孔およびトラップ電荷が誘起されないようにn型ドーパントでドーピングされる、請求項6に記載の方法。
- 前記GaN(1)層は任意の組成のAlGaInNに代替される、請求項6に記載の方法。
- 前記AlGaN(1)層は任意の組成のAlInGaNに代替される、請求項6に記載の方法。
- 前記GaN(1)層とAlGaN(2)層との間の界面はAlInGaNの組成的に変化する層に代替され、組成グレードが0.01nm〜10μmの距離で実施される、請求項6に記載の方法。
- 前記GaN(1)層とAlGaN(1)層との間の界面はAlInGaNの組成的に変化する層に代替され、組成グレードが0.01nm〜10μmの距離で実施される、請求項6に記載の方法。
- 前記GaN(1)とAlGaN(1)層との間の界面はAlInGaNの組成的に変化する層に代替され、組成グレードが0.01nm〜10μmの距離で実施され、該層は、前記界面において正孔およびトラップ電荷が誘起されないようにn型ドーパントでドーピングされる、請求項6に記載の方法。
- n型ドーパントは、前記GaN(1)層に組み込まれて可動電子電荷を誘起する、請求項6に記載の方法。
- プラズマ処理、注入、および堆積を伴う表面変更は、前記デバイスのアクセス領域内で実施され、可動電子電荷を誘起する、請求項6に記載の方法。
- 0.1nmと10μmとの間の厚さを有する絶縁体は、前記AlGaN(1)層の上、かつゲートの下に加えられて、ゲート漏れを軽減し、ゲートのターンオン電圧を増加させる、請求項6に記載の方法。
- 窒化アルミニウムガリウム(AlGaN)層、窒化ガリウム(GaN)層および窒化アルミニウム(AlN)層から構成される、低ゲート漏れN面トランジスタデバイスであって、
GaN(2)バッファ層、該GaN(2)バッファ層上に成長するAlGaN(2)層、該AlGaN(2)層上に成長するGaN(1)層、および該GaN(1)層上に成長するAlGaN(1)層またはAlNキャップを備えるエピ層構造
を備え、該AlGaN(1)層またはAlNキャップは、該AlGaN(1)層とGaN(1)層との間の界面における電子チャネルが激減せず、該AlGaN(1)層とGaN(1)層との間の界面における正トラップ電荷または孔蓄積がもたらされないように設計される、デバイス。 - 前記GaN(2)バッファ層は任意の組成のAlInGaNに代替される、請求項21に記載のデバイス。
- 前記AlGaN(2)層は任意の組成のAlInGaNに代替される、請求項21に記載のデバイス。
- 前記AlGaN(2)層とGaN(2)層との間の界面はAlInGaNの組成的に変化する層に代替され、組成グレードが0.01nm〜10μmの距離で実施される、請求項21に記載のデバイス。
- 前記AlGaN(2)層とGaN(2)層との間の界面は、前記界面において正孔およびトラップ電荷が誘起されないようにn型ドーパントでドーピングされる、請求項21に記載のデバイス。
- 前記AlGaN(2)とGaN(2)層との間の界面はAlInGaNの組成的に変化する層に代替され、組成グレードが0.01nm〜10μmの距離で実施され、該層は、該界面において正孔およびトラップ電荷が誘起されないようにn型ドーパントでドーピングされる、請求項21に記載のデバイス。
- 前記GaN(1)層は任意の組成のAlGaInNに代替される、請求項21に記載のデバイス。
- 前記AlGaN(1)層は任意の組成のAlInGaNに代替される、請求項21に記載のデバイス。
- 前記AlGaN(2)層とGaN(1)層との間の界面はAlInGaNの組成的に変化する層に代替され、組成グレードが0.01nm〜10μmの距離で実施される、請求項21に記載のデバイス。
- 前記AlGaN(1)層とGaN(1)層との間の界面はAlInGaNの組成的に変化する層に代替され、組成グレードが0.01nm〜10μmの距離で実施される、請求項21に記載のデバイス。
- 前記AlGaN(1)層とGaN(1)層との間の界面はAlInGaNの組成的に変化する層に代替され、組成グレードが0.01nm〜10μmの距離で実施され、該層は、前記界面において正孔およびトラップ電荷が誘起されないようにn型ドーパントでドーピングされる、請求項21に記載のデバイス。
- 前記n型ドーパントは、前記GaN(1)層に組み込まれて可動電子電荷を誘起する、請求項21に記載のデバイス。
- プラズマ処理、注入、および堆積を伴う表面変更は、前記デバイスのアクセス領域内で実施されて可動電子電荷を誘起する、請求項21に記載のデバイス。
- 0.1nm〜10μmの厚さを有する絶縁体は、前記AlGaN(1)層の上方かつ前記デバイスのゲートの下方に加えられて、ゲート漏れを軽減し、ゲートのターンオン電圧を増加させる、請求項21に記載のデバイス。
- 前記AlGaN(2)層は、ゲートからの電子トンネルに対する有効な障壁を増加させるために役立つ逆分極界を含む、請求項21に記載のデバイス。
- 前記AlGaN(1)層はグレーディングされたまたは一定の組成を有する、請求項21に記載のデバイス。
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