JP2009514267A - フィールドプレート延長部分を備えたｆｅｔを使用するスイッチモード電力増幅器及び電界効果トランジスタ - Google Patents

フィールドプレート延長部分を備えたｆｅｔを使用するスイッチモード電力増幅器及び電界効果トランジスタ Download PDF

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Abstract

スイッチモード電力増幅器及びスイッチモード電力増幅器で使用するのに特に適した電界効果トランジスタが開示される。トランジスタは、ソース端子とドレイン端子とを有し、ゲート端子がそれらの端子の間の誘電体材料の上に位置付けされている化合物高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であることが好ましい。フィールドプレートは、少なくとも２つの層の誘電体材料上でゲート端子からドレインの方に延びている。誘電体層は、好ましくは、シリコン酸化物及びシリコン窒化物を含んでいる。シリコン酸化物の第３の層が設けられ、シリコン窒化物の層がシリコン酸化物の層の間に位置付けされてもよい。ゲート端子の凹部をエッチングする際に、エッチング選択性が使用される。

Description

本発明は、スイッチモード電力増幅器及びそれを利用した電界効果トランジスタに関し、より詳細には、フィールドプレート延長部分を備えたＦＥＴを使用するスイッチモード電力増幅器及びそれを利用した電界効果トランジスタに関する。
スイッチモード電力増幅器は、高周波信号の高効率電力増幅を必要とする用途用に大きな関心を集めている。そのようなデバイスの用途の例には、無線通信システム、衛星通信システム、及び高度先進レーダシステム用の電力増幅器がある。特に、高電力、高周波電力増幅器は、３Ｇ及び４ＧＰＣＳシステム、ＷｉＦｉ、ＷｉＭａｘ及びディジタルビデオ放送システムのようなディジタル通信システムに必要とされている。高出力電力を必要とする用途では、電力増幅器が、システムで消費される全電力の大きな部分を占めている。したがって、通信システムの電力増幅器回路の効率を最大限にすることが望ましい。
以前に、入力信号の信号レベルに依存してオン状態かオフ状態かのいずれかで動作するように構成された能動デバイススイッチトランジスタを含む単一段スイッチモード増幅器回路が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このスイッチトランジスタは、負荷インピーダンスに狭帯域幅の出力信号を供給するようにスイッチトランジスタからの信号出力をフィルタ処理する負荷回路網に接続された出力を有している。負荷回路網によって阻止されたエネルギーは、スイッチトランジスタがオフ状態にある間に出力信号を励振し続けるスイッチコンデンサに蓄えられる。スイッチトランジスタのドレイン電圧は、電源電流の瞬時変化を防止するドレイン誘導子を通して供給される。いくつかの実施形態では、増幅器はＥ級モードで動作する。
いくつかの実施形態では、スイッチモード増幅器回路は、入力整合段、能動段及び出力整合段を備えている。能動段は、スイッチコンデンサと並列になった能動デバイススイッチトランジスタを備えている。スイッチトランジスタは、負荷回路網及び負荷インピーダンスに接続された出力を有する。負荷インピーダンスの両端間の電圧を備えるデバイスの出力は、出力整合段に供給され、この出力整合段は、能動段の出力インピーダンスを回路の所望の出力インピーダンスに変換する。他の実施形態では、複数の能動トランジスタ段及び整合回路網が、追加の増幅利得を与えるように使用されることがある（例えば、２段増幅器など）。
スイッチトランジスタは、１．０ＧＨｚを超える周波数で動作しながら高いドレイン電圧及び／又は大きな電流レベルを維持することができるワイドバンドギャップＭＥＳＦＥＴトランジスタを備えることができる。いくつかの実施形態では、スイッチトランジスタは、窒化ガリウム（ＧａＮ）をベースにした高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を備えている。いくつかの実施形態では、スイッチトランジスタは、約３．６ｍｍの全ゲート周囲を有するＧａＮベースのＨＥＭＴを備えている。いくつかの実施形態では、スイッチトランジスタは、ＧａＮＨＥＭＴを備えている。他の実施形態では、スイッチトランジスタは、ＳｉＣＭＥＳＦＥＴ、ＳｉＣＬＤＭＯＳ、ＳｉＣバイポーラトランジスタ、又はＧａＮＭＯＳＦＥＴデバイスなどの異なるワイドバンドギャップ高周波トランジスタを備えている。
増幅器の電界効果トランジスタのスイッチモード動作は、高圧縮（ｈｉｇｈ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）の下でのマイクロ波周波数でのロバストな動作を必要とする。実際には、スイッチモード動作に必要とされるような高入力励振の下でゲートからソースに流れる非常に大きな順方向電流のために、これは、実現するのが困難である。
同時出願米国特許出願第１１／１３２，６１９号明細書 米国特許第６，３１６，７９３号明細書 米国特許第６，５８６，７８１号明細書 米国特許第６，５４８，３３３号明細書 米国特許第５，１９２，９８７号明細書 米国特許第５，２９６，３９５号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１６７０２３号明細書 米国特許出願公開第２００３／００２００９２号明細書
本発明は、高圧縮下での、よりロバストな動作のスイッチモード電力増幅器に使用されてもよい電界効果トランジスタに向けられる。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、フィールドプレート延長部分を備えたＦＥＴを使用するスイッチモード電力増幅器及びそれを利用した電界効果トランジスタを提供することにある。
より詳細には、本発明の電界効果トランジスタは、高入力励振の下でゲートからソースへの順方向伝導を制限し、かつ高電圧高温動作中にゲート漏れを阻止するゲート誘電体を含む高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）である。
さらに、追加のゲートキャパシタンスに対する影響を最小限にして最大電界を実現するように、ゲートフィールドプレート延長部分が設けられてもよい。２以上の誘電体層は、フィールドプレートの下に使用されて、ゲートキャパシタンスに及ぼす影響を最小限にするようにより厚い誘電体を実現することができる。
本発明の特徴に従って、２つの異なる絶縁体の間のエッチング選択性が、ゲート電極を製作する際に使用されてもよい。
本発明及び本発明の目的及び特徴は、図面と共に解釈されるとき、次の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲からいっそう容易に明らかになるだろう。
図１は、本発明に係るスイッチモード電力増幅器の一実施形態を説明するための回路図である。図１を参照すると、本発明の実施形態に係る単一段スイッチモード電力増幅器１０が示されている。このスイッチモード電力増幅器１０は、オン／オフスイッチとして機能するワイドバンドギャップトランジスタを含む金属・絶縁体半導体トランジスタ１２を備えている。いくつかの実施形態では、ゲートを半導体本体から隔てる絶縁体を使用することで、高ストレス励振の下でのゲートからソースへの順方向伝導が制限される。トランジスタ１２は、ＧａＮＨＥＭＴを備えている。また、このトランジスタ１２は、代わりに、ＳｉＣＭＥＳＦＥＴ、ＧａＮＭＥＳＦＥＴ、ＳｉＣＬＤＭＯＳ、ＳｉＣバイポーラトランジスタ又はＧａＮＭＯＳＨＦＥＴデバイスなどの異なるワイドバンドギャップ高周波トランジスタを備えてもよい。
入力電圧信号ｖｉは、トランジスタ１２のゲートに供給され、このゲートは、トランジスタ１２の状態を制御する。入力電圧信号ｖｉは、トランジスタ１２のピンチオフ電圧近くにバイアスされている。トランジスタ１２のドレインは、出力ノードＳに結合され、トランジスタ１２のソースは接地に結合されている。供給電圧ＶＤＤは、誘導子ＬＤＳを介して出力ノードＳに結合されている。出力ノードＳの電圧は、誘導子Ｌ０及びコンデンサＣ０を含む直列共振回路１４に供給される。いくつかの用途では、直列共振回路１４は、増幅器回路１０の所望の出力周波数ｆ０に中心のある狭い周波数範囲を通過させるように同調をとられた帯域通過回路であってもよい。レーダ用途のような他の用途では、直列共振回路１４は、もっと広い周波数範囲を通過させるように同調をとられることがある。出力周波数で、トランジスタ出力は、Ｒ＋ｊＸに等しい負荷を与えられ、ここで、Ｘは出力から見た共振回路のリアクタンスである。
トランジスタ１２がオン状態（すなわち、トランジスタが飽和している）であるとき、デバイスは、接地への短絡として作用し、ノードＳの電圧をゼロに引っ張る。そのとき、誘導子ＬＤＳを流れる電流は直線的に増加する。トランジスタ１２がオフになったとき、ＬＤＳを流れる電流は、ドレインソースキャパシタンスＣＤＳに向けられ、ノードＳの電圧を最大値になるまで上昇させ、この最大値の点で、ノードＳの電圧は、ドレインソースキャパシタンスＣＤＳが電流を逆に負荷に供給し始めるときに減少し始める。トランジスタ１２が再びオンになる前に、定常状態で、ノードＳの電圧がほぼゼロに戻るように、直列共振回路１４は同調をとられる。
理想的には、直列共振回路１４は、ノードＳの電圧の基本周波数だけを通過させる。入力電圧Ｖｉは、増幅された出力信号に存在する変調周波数又は位相情報を伝えることができる。
図２は、本発明に係るスイッチモード電力増幅器を示す機能ブロック図である。図２に示されるように、増幅器回路２０は、入力１０Ａ及び出力１０Ｂを有するＥ級増幅器１０を含んでもよい。入力整合回路網２２が、入力１０Ａに結合され、出力整合回路網２４が、Ｅ級増幅器１０の出力１０Ｂに結合される。入力整合回路網２２は、入力信号ｖｉによって見られるインピーダンスをＥ級増幅器１０の入力インピーダンスに整合し、一方で、出力整合回路網２４は、Ｅ級増幅器１０の出力インピーダンスを所望の出力インピーダンス、例えば、５０オームに変換する。
図３は、本発明の一実施形態に係るスイッチモード電力増幅器に有用な高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を示す断面図で、図４は、本発明の他の実施形態に係るスイッチモード電力増幅器に有用なＨＥＭＴを示す断面図である。
図３において、トランジスタは、以前に、例えば、特許文献１に記載された構造と同様であってもよい構造を含む。例えば、基板３０は炭化珪素であってもよく、バッファ又は核形成層３２は、ＡｌＧａＮ又はＧａＮであってもよく、チャネル層３４は、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ又はＡｌＧａＮであってもよく、さらに障壁層３６は、ＩＩＩ族窒化物であってもよい。例えば、特許文献１に述べられているように、基板３０の上のバッファ層３２は、基板３０とデバイスの残り部分との間の適切な結晶遷移を実現する。バッファ層３２は、ＩｎＡｌＧａＮの１つ又は複数の層を含むことがある。特定の実施形態では、バッファ層３２は、ＧａＮ、ＡｌＮ又はＡｌＧａＮを含むことがある。炭化珪素は、ＩＩＩ族窒化物デバイスの非常に一般的な基板材料であるサファイア（Ａｌ２Ｏ３）よりもＩＩＩ族窒化物に遥かに近い結晶格子整合を有している。より近い格子整合は、一般にサファイア基板上で使用可能なものに比べて、より高品質のＩＩＩ族窒化物膜をもたらすことができる。また、炭化珪素は非常に高い熱伝導率を有するので、炭化珪素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの全出力電力は、サファイア上に形成された同じデバイスの場合のように、一般に基板の熱放散によって制限されない。また、半絶縁性炭化珪素基板を利用できることで、デバイス分離及び寄生キャパシタンス減少が可能になることがある。例えば、特許文献２、３、４、５、６、７及び８に、例示のＨＥＭＴ構造が示されており、これらの各々は、あたかも完全に本明細書で述べられたかのように参照して組み込まれる。
半絶縁性炭化珪素は、好ましい基板材料であるが、本発明の実施形態は、サファイア、窒化アルミニウム、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及び同様なものなどのどんな適切な基板でも利用することができる。さらに、基板は、導電性、半絶縁性、又は高抵抗であってもよい。ＭＭＩＣを含む実施形態では、半絶縁性又は高抵抗基板を使用することが望ましい。いくつかの実施形態では、適切なバッファ層も形成されることがある。
障壁層３６上に、第１の誘電体層３８が設けられ、誘電体層３８上に第２の誘電体層４０が設けられている。ソースコンタクト４２及びドレインコンタクト４４のために、コンタクト穴が、層３８、４０を通してエッチングされる。誘電体４０だけをエッチングするのに好ましいエッチング剤が使用されてもよく、その結果、ゲートコンタクト４６がゲート誘電体３８に形成される。例えば、誘電体３８は、シリコン酸化物であってもよく、誘電体４０は、シリコン窒化物であってもよい。代わりに、２つの誘電体層は、２つの層を形成するプロセスで異なる時間に堆積又は形成された同じ材料であってもよい。また、他の知られた障壁層材料が使用されてもよい。
本発明の特徴に従って、ゲートコンタクト４６は、フィールドプレート延長部分を形成する４６’に示されているように、ドレインの方に向かって誘電体層４０上に延長されてもよい。より厚い誘電体上でのドレインの方へのゲート端子のフィールドプレート延長部分は、ゲートキャパシタンスの増加に対して最小限の影響を及ぼす状態で、最大電界を実現するように設計されてもよい。他の用途でのフィールドプレートの使用は知られている。
図４は、本発明に係る電界効果トランジスタの他の実施形態を示す断面図である。ここで、基板３０及び層３２乃至３６は、図３と同じであってもよい。しかし、この実施形態では、第３の誘電体層４８と共に図３のように層３８及び４０を含む３つの誘電体層が使用される。ここで、ゲートコンタクト開口は、両方の誘電体層３８、４０を通してエッチングされ、次に、第３の誘電体がゲート開口中に堆積される。次に、積重ね誘電体の上にゲート金属化が堆積されてゲート電極４６を形成し、このゲート電極４６は、他の構造よりも短いゲート長ＬＧ及び小さなキャパシタンスを有することができる。
図３及び図４において、誘電体３８は厚さｄ１を有し、誘電体４０は厚さｄ２を有し、さらに誘電体４８は厚さｄ３を有する。厚さｄ１、ｄ２及びｄ３は、確実にＶＧＤに耐え、周波数応答を維持し、さらにＣｇｄ及びＣｇｓを最小限にするように最適化される。ゲート長ＬＧは、関心のある動作周波数のために調整される。図４において、誘電体３８及び４０は、ＳｉＯ２又はＳｉＮ又は図３と同じ材料であってもよく、誘電体４８はＳｉＯ２であってもよい。最大の利益を得るには、上部及び下部誘電体は、中間誘電体よりも大きなバンドギャップのものであるべきである。
スイッチモード増幅器に新規なこのデバイスを使用することで、トランジスタがオンであるサイクルの部分での大きな有害な順方向ゲート電流が防止されるので、確実な動作が可能になる。
例えば、特許文献８に、本発明の実施で使用されてもよい金属コンタクト構造及び絶縁ゲート構造が開示されている。したがって、本発明は特定の実施形態を参照して説明されたが、この説明は、本発明を例示するものであり、本発明を限定するように解釈されるべきでない。添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の真の範囲及び精神から逸脱することなしに、様々な修正物及び用途が当業者の心に浮かぶ可能性がある。
本発明に係るスイッチモード電力増幅器の一実施形態を説明するための回路図である。 本発明に係るスイッチモード電力増幅器を示す機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係るスイッチモード電力増幅器に有用な高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係るスイッチモード電力増幅器に有用なＨＥＭＴを示す断面図である。

Claims (23)

  1. より高い周波数用途のスイッチモード電力増幅器であって、
    ａ）化合物半導体基板を備え、ソース端子とドレイン端子とゲートコンタクトとを有し、誘電体が前記ゲートコンタクトと前記化合物半導体基板を隔てている電界効果トランジスタと、
    ｂ）制御端子に結合された信号入力端子と、
    ｃ）第２の端子に導電的に結合された電力端子と、
    ｄ）第１の端子に結合された接地端子と、
    ｅ）前記第２の端子を出力端子に結合する共振回路と、
    ｆ）前記出力端子を前記接地端子に結合する抵抗とを備え、
    入力信号は、前記電界効果トランジスタの伝導を制御し、前記第２の端子は、前記電界効果トランジスタが導通して電力源から前記第２の端子への電流が増加するとき、接地に結合され、前記電界効果トランジスタがオフになったとき、電源からの電流は、前記電界効果トランジスタの内部キャパシタンスに向けられ、前記第２の端子の電圧を最大値に上昇させてから減少し、前記第２の端子の電圧は、前記共振回路を通して前記出力端子に結合されていることを特徴とするスイッチモード電力増幅器。
  2. 前記ゲートコンタクトから前記ドレイン端子の方へのフィールドプレート延長部分を備えることを特徴とする請求項１に記載のスイッチモード電力増幅器。
  3. 前記誘電体は、誘電体材料の少なくとも２つの層を備えることを特徴とする請求項２に記載のスイッチモード電力増幅器。
  4. 前記誘電体材料の２つの層は、同じ材料を備えることを特徴とする請求項３に記載のスイッチモード電力増幅器。
  5. 前記誘電体は、誘電体材料の第３の層を備えることを特徴とする請求項４に記載のスイッチモード電力増幅器。
  6. 前記誘電体材料の２つの層は、異なる材料を備えることを特徴とする請求項３に記載のスイッチモード電力増幅器。
  7. 前記２つの層は、シリコン酸化物及びシリコン窒化物を備えることを特徴とする請求項６に記載のスイッチモード電力増幅器。
  8. 前記誘電体層は、シリコン酸化物の第３の層を備え、前記シリコン窒化物は、前記シリコン酸化物層の間に位置付けされていることを特徴とする請求項７に記載のスイッチモード電力増幅器。
  9. 前記電界効果トランジスタは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を備え、半導体材料はワイドバンドギャップ化合物材料を備えることを特徴とする請求項２に記載のスイッチモード電力増幅器。
  10. 前記半導体材料は、炭化珪素及び周期律表ＩＩＩ族窒化物から成るグループから選ばれることを特徴とする請求項９に記載のスイッチモード電力増幅器。
  11. 前記電界効果トランジスタは、化合物半導体基板と、該基板の上に形成されたバッファ層と、該バッファ層上に形成されたチャネル層と、該チャネル上に形成された障壁層とを備えることを特徴とする請求項９に記載のスイッチモード電力増幅器。
  12. 前記化合物半導体基板は、炭化珪素を備え、その他の層は、ＩＩＩ族窒化物材料を備えることを特徴とする請求項１１に記載のスイッチモード電力増幅器。
  13. 前記化合物半導体基板は、炭化珪素を備え、前記バッファ層は、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮを備え、前記チャネル層は、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ又はＡｌＧａＮを備え、さらに前記障壁層は、第１のＩＩＩ族窒化物を備えることを特徴とする請求項１２に記載のスイッチモード電力増幅器。
  14. スイッチモード電力増幅器に使用するのに適した電界効果トランジスタであって、
    ａ）化合物半導体基板と、
    ｂ）該化合物半導体基板上に形成されたバッファ層と、
    ｃ）該バッファ層上に形成されたチャネル層と、
    ｄ）該チャネル層上に形成された障壁層と、
    ｅ）該障壁層上の少なくとも２つの誘電体層と、
    ｆ）該２つの誘電体層を通して延び前記障壁層に接続するソース電極及びドレイン電極と、
    ｇ）前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の誘電体材料上に位置付けされたゲート電極と
    を備えることを特徴とする電界効果トランジスタ。
  15. ｈ）前記少なくとも２つの誘電体層上の前記ゲート電極から前記ドレイン電極の方へのフィールドプレート延長部分を備えることを特徴とする請求項１４に記載の電界効果トランジスタ。
  16. 前記ｅ）における少なくとも２つの誘電体層は、シリコン酸化物及びシリコン窒化物を備えることを特徴とする請求項１５に記載の電界効果トランジスタ。
  17. 前記ｅ）において、シリコン酸化物を含む第３の誘電体層を備え、前記シリコン窒化物の層は、前記シリコン酸化物の２つの層の間にあることを特徴とする請求項１６に記載の電界効果トランジスタ。
  18. 請求項６に記載された前記スイッチモード電力増幅器における前記半導体材料は、炭化珪素及び周期律表ＩＩＩ族窒化物から成るグループから選ばれることを特徴とする請求項１６に記載の電界効果トランジスタ。
  19. 請求項８に記載された前記スイッチモード電力増幅器における前記化合物半導体基板は、炭化珪素を備え、その他の層は、ＩＩＩ族窒化物材料を備えることを特徴とする請求項１８に記載の電界効果トランジスタ。
  20. 前記化合物半導体基板は、炭化珪素を備え、前記バッファ層は、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮを備え、前記チャネル層は、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ又はＡｌＧａＮを備え、さらに前記障壁層は、第１のＩＩＩ族窒化物を備えることを特徴とする請求項１９に記載の電界効果トランジスタ。
  21. 前記半導体材料は、炭化珪素及び周期律表ＩＩＩ族窒化物から成るグループから選ばれることを特徴とする請求項１５に記載の電界効果トランジスタ。
  22. 前記化合物半導体基板は、炭化珪素を備え、その他の層は、ＩＩＩ族窒化物材料を備えることを特徴とする請求項２１に記載の電界効果トランジスタ。
  23. 前記化合物半導体基板は、炭化珪素を備え、前記バッファ層は、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ又はＡｌＮを備え、前記チャネル層は、ＩｎＧａＮ、ＩｎＡｌＧａＮ、ＧａＮ又はＡｌＧａＮを備え、さらに前記障壁層は、第１のＩＩＩ族窒化物を備えることを特徴とする請求項２２に記載の電界効果トランジスタ。
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