JP2013153189A - 複数のフィールドプレートを有するワイドバンドギャップトランジスタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ソース電極20およびドレイン電極22が半導体層18に接触した、基板12上の複数の活性半導体層を備えるトランジスタ。ゲート24が、ソース電極20とドレイン電極22との間に、複数の半導体層上に形成される。複数のフィールドプレート30、42が、半導体層上に配置され、各フィールドプレート30、42は、ゲート24のエッジからドレイン電極22に向かって延び、また各フィールドプレート30、42は、半導体層から、また他のフィールドプレート30、42から分離される。最上部のフィールドプレート42は、ソース電極20に電気的に接続され、他のフィールドプレート30は、ゲートまたはソース電極に電気的に接続される。
【選択図】図2
Description
518号の恩典を主張するものである。
本発明は、トランジスタに関し、より詳細には、フィールドプレートを利用したトラン
ジスタに関する。
び高電力用途のHEMT(high electron mobility trans
istor)などのAlGaN/GaNトランジスタの開発の進歩を助長してきた。Al
GaN/GaNは、大きなバンドギャップ、高いピーク電子速度値および飽和電子速度値
を有する(非特許文献1参照)。AlGaN/GaN HEMTはまた、1013cm−
2を超過する2DEGシート密度と、(2019cm2/Vsまでの)比較的高い電子移
動度を有することも可能である(非特許文献2参照)。これらの特性により、AlGaN
/GaN HEMTは、RF周波数、マイクロ波周波数、およびミリメートル波周波数に
おいて、非常に高い電圧と高電力動作を実現することができるようになる。
の電力密度と7.6Wの総電力が示された(非特許文献3参照)。さらに最近では、Si
C上に成長させられたAlGaN/GaN HEMTで、8GHzにおいて9.8W/m
mの電力密度が示され(非特許文献4参照)、また9Ghzにおいて22.9Wの総出力
電力が示された(非特許文献5参照)。
MTが開示されている。他のAlGaN/GaN HEMTおよびFET(field
effect transistor)が、非特許文献6および非特許文献7参照に説明
されている。これらのデバイスの一部には、100ギガヘルツもの利得帯域幅積(fT)
を示しているものもあり(非特許文献8参照)、またX−バンドにおいて10W/mmま
での高電力密度を示しているものもある(非特許文献9および非特許文献10参照)。
バイスの性能における制限要因である。窒化ケイ素(SiN)パッシベーションをうまく
使用して、10Ghzで10W/mm以上の電力密度を有する高性能デバイスで生じるこ
のトラッピング問題が軽減されてきた。例えば、その全体が参照により本明細書に組み込
まれている特許文献2に、GaNベースのトランジスタにおけるトラッピング効果を低減
する方法および構造が開示されている。しかし、これらの構造中に存在する高電界に起因
して、電荷トラッピングは、依然として問題になっている。
性能が高められてきた(非特許文献11参照)。しかし、これらのアプローチは、トラン
ジスタのゲートに接続されたフィールドプレートであって、チャネルのドレイン側の上部
にあるものを伴った。これは、ドレインキャパシタンスに対する著しいフィールドプレー
トをもたらす可能性があり、また、ゲートに接続されているフィールドプレートにより、
デバイスに対して追加のゲート−ドレイン間キャパシタンス(Cgd)が追加される。こ
れは、利得を低下させるだけでなく、入出力間の分離がより劣ることに起因した不安定性
をもたらす可能性もある。
ドプレートのうち最上部のフィールドプレートは、ソース電極に電気的に接続され、中間
のフィールドプレートは、ソース電極またはゲート電極に接続されている。本発明による
トランジスタの一実施形態は、活性領域を備える。ソース電極およびドレイン電極は、活
性領域と接触して形成され、ゲートは、活性領域上のソース電極とドレイン領域との間に
形成される。複数のスペーサ層およびフィールドプレートが備えられ、スペーサ層のうち
第1のスペーサ層は、ゲート電極とドレインおよびソース電極との間の活性領域の表面の
少なくとも一部の上に存在しており、また、フィールドプレートのうちの第1のフィール
ドプレートは、スペーサ層のうちの第1のスペーサ層の上に存在する。残りのスペーサ層
およびフィールドプレートは、スペーサ層のうちの第1のスペーサ層およびフィールドプ
レートのうちの第1のフィールドプレートの上に交互に配置され、フィールドプレートの
うちの最上部のフィールドプレートは、ソース電極に電気的に接続され、この下のフィー
ルドプレートのそれぞれは、ゲート電極またはソース電極に電気的に接続されている。
電極が活性領域に接触している。ゲートが、ソース電極とドレイン電極との間に、活性領
域上に存在する。複数のフィールドプレートが、活性領域上に配置され、各フィールドプ
レートは、ゲートのエッジからこのドレイン電極に向かって延び、各フィールドプレート
は、活性領域から分離され、またフィールドプレートのうちの他のフィールドプレートか
ら分離される。フィールドプレートのうちの最上部のフィールドプレートは、ソース電極
に電気的に接続され、フィールドプレートのうちの他のフィールドプレートのそれぞれは
、ゲート電極またはソース電極に電気的に接続されている。
以下の詳細な説明から当業者には明らかであろう。
たトランジスタ構造など、多数の異なるトランジスタ構造と共に使用することができる。
トランジスタは、一般に、半導体層を備える活性領域を備え、金属のソース電極およびド
レイン電極が活性領域と電気的に接触して形成され、そしてゲートが、活性領域内部の電
界を変調するために、ソース電極とドレイン電極との間に形成されている。第1のスペー
サ層が、活性領域上に、ゲートとドレインとの間の活性領域の表面の少なくとも一部分の
上にわたって形成されている。第1のスペーサ層は、誘電体層または複数の誘電体層の組
合せを備えることができる。第1のスペーサ層は、ゲート、ならびに、ゲート電極とソー
ス電極およびドレイン電極との間の活性領域の最上部表面を覆うことが好ましいが、以下
で説明しているように、第1のスペーサ層は、さらに少ない部分しか覆わない可能性もあ
る。
サ層は、フィールドプレートとゲートおよびその下の活性領域との間の分離をもたらす。
第1のフィールドプレートは、ゲートのエッジからドレイン電極に向かって距離Lf1だ
け延びている。第1のフィールドプレートは、ソース電極またはゲートのどちらかに電気
的に接続することができる。
ドレイン電極との間の第1のスペーサ層の表面の一部分の上に形成される。しかし、好ま
しい一実施形態において、第2のスペーサは、第1のフィールドプレートと、トランジス
タ構造の露出した上面を覆い、上面は、一般的に第1のスペーサ層である。第2のフィー
ルドプレートが、第2のスペーサ層上に形成され、第2のスペーサ層は、第1のフィール
ドプレートと第2のフィールドプレートとの間の分離をもたらし、第1のスペーサ層の被
覆率に応じて、ゲートと活性領域との間の分離をもたらす。
がある。最上部のフィールドプレートは、一般的にソース電極に電気的に接続されるが、
中間のフィールドプレートは、ゲートまたはソース電極のどちらかに電気的に接続される
。
およびトラッピングの減少をもたらすことができる。電界の低減はまた、漏れ電流の低減
や信頼性の向上など他の利点をもたらす可能性もある。ソース電極に電気的に接続された
フィールドプレートを有することにより、ゲートに接続されたフィールドプレートからも
たらされるゲインの低下および不安定性が低減させられる。本発明に従って構成されると
き、ソースに接続されたフィールドプレートの遮へい効果は、Cgdを減少させることが
可能であり、これは、入出力の分離を向上させる。
の1つのタイプは、高電子移動度トランジスタ(HEMT)であり、HEMTは、一般的
にバッファ層と、バッファ層上のバリア層とを備える。2DEG(二次元電子ガス)層/
チャネルが、バッファ層とバリア層との間のヘテロ界面に形成される。ゲート電極が、ソ
ース電極とドレイン電極との間のバリア層上に形成される。HEMTはまた、前述の複数
のスペーサ層とフィールドプレートの構成を備える。
トランジスタは、電界効果トランジスタ、特に金属半導体電界効果トランジスタ(MES
FET)であり、金属半導体電界効果トランジスタは、一般的にバッファ層と、バッファ
層上のチャネル層とを備える。ゲートが、ソース電極とドレイン電極との間のチャネル層
上に形成され、MESFETはまた、前述の複数のスペーサ層およびフィールドプレート
の構成を備える。
「に結合されている」、または「と接触している」と言及されるとき、要素もしくは層は
、他の要素もしくは層の上に、直接載っている、接続もしくは結合されている、または接
触している可能性があり、あるいは介在する要素もしくは層が存在していてもよいことが
理解されるだろう。対照的に、ある要素が、別の要素もしくは層「の上に直接ある」、「
に直接接続されている」、「に直接結合されている」、または「と直接接触している」と
言及されるときには、介在する要素もしくは層は存在しない。同様に、第1の要素もしく
は層が、第2の要素もしくは層「と電気的に接触している」、または「と電気的に結合さ
れている」と言及されるときには、第1の要素もしくは層と第2の要素もしくは層との間
の電流の流れを可能にする電気経路が存在する。電気経路は、キャパシタ、結合インダク
タ、および/または導電性要素の間に直接的な接触がなくとも、電流の流れを可能にする
他の要素を含んでいてもよい。
T10は、III族窒化物ベースであることが好ましいが、他の材料系を使用することも
可能である。HEMT10は、炭化ケイ素、サファイア、スピネット、ZnO、シリコン
、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、あるいはIII族窒化物材料の成長を支持すること
が可能な他の任意の材料または材料の組合せで作製することができる基板12を備える。
核生成層14を基板12上に形成して、基板12とHEMT10中の次の層との間の格子
不整合を低減させることができる。核生成層14は、約1000オングストローム(Å)
の厚みにすべきであるが、他の厚みを使用することも可能である。核生成層14は、多数
の異なる材料を含むことが可能であり、適切な材料は、AlzGa1−zN(0<=z<
=1)であり、層14は、金属酸化物化学気相成長(MOCVD)、水素化物気相成長(
HVPE)、または分子線エピタキシ(MBE)などの知られている半導体成長技法を使
用して基板12上に形成することができる。
様々な基板上に核生成層14を形成する方法が特許文献3および4に教示されており、そ
れぞれが、本明細書に完全に記述されているかのように参照により組み込まれている。炭
化ケイ素基板上に核生成層を形成する方法が特許文献5、6および7に開示されており、
それぞれが、本明細書に完全に記述されているかのように参照により本明細書に組み込ま
れている。
バッファ層16は、III族窒化物材料のドープされた層、または非ドープの層を備える
ことができ、好ましいバッファ層16は、AlxGayIn(1−x−y)N(0<=x
<=1、0<=y<=1、x+y<=1)などのIII族窒化物材料で作製される。厚さ
約2μmのGaNなどの他の材料をバッファ層16に使用することができ、この際、バッ
ファ層の一部分はFeでドープされる。
間に挟まれる。バッファ層16と同様に、バリア層18は、III族窒化物材料の、ドー
プされた層、または非ドープの層を備えることができる。例示的HEMT構造が、特許文
献8〜12に説明されており、それぞれが、本明細書に完全に記述されているかのように
参照により組み込まれている。他の窒化物ベースのHEMT構造が特許文献13および1
4に説明されており、それぞれが、本明細書に完全に記述されているかのように参照によ
り本明細書に組み込まれている。バッファ層16およびバリア層18は、核生成層14を
成長させるために使用されるものと同じ方法を使用して作製することができる。これらの
デバイス間の電気的分離は、メサエッチングまたは活性HEMTの外側におけるイオン注
入を用いて行われる。
作製することにより形成され、ゲート24が、ソース電極20とドレイン電極22との間
のバリア層18の上に形成される。ゲート24が適切なレベルにバイアスされるとき、バ
ッファ層16とバリア層18との間のヘテロ界面に生じる2DEG17を介してソース電
極20とドレイン電極22との間に電流が流れることが可能である。ソース電極20およ
びドレイン電極22の形成については、上述の特許文献および非特許文献に詳細に説明さ
れている。
ム、金またはニッケルの合金を含む異なる材料で作製することができる。また、ゲート2
4は、これらに限定されないが、金、ニッケル、白金、チタン、クロム、チタンおよびタ
ングステンの合金、または白金シリサイドを含む異なる材料で作製することもできる。ゲ
ート24は、多くの異なる長さ(Lg)を有することが可能であり、適切なゲート長は0
.1ミクロンから2ミクロンの範囲にあるが、他のゲート長を使用することも可能である
。本発明による一実施形態においては、好ましいゲート長(Lg)は、約0.5ミクロン
である。
なくとも一部分の上に形成することができ、好ましい第1のスペーサ層は、ゲート24の
上、ならびにソース電極20とドレイン電極22との間のバリア層18の表面上に形成さ
れる。第1のスペーサ層26は、誘電体層、または複数の誘電体層の組合せを備えること
ができる。SiN、SiO2、Si、Ge、MgOx、MgNx、ZnO、SiNx、S
iOx、これらの合金または連続した層など、異なる誘電体材料を使用することができる
。スペーサ層は、多数の異なる厚さとすることができ、厚さの適切な範囲は、約0.05
ミクロンから2ミクロンである。図1に最もよく示されているように、ゲート24は、ゲ
ートコンタクト28の位置でコンタクトされる。
スペーサ層は、Al、Ga、またはInの合金など異なるIII族元素を有するIII族
窒化物材料などのエピタキシャル材料を含むことが可能であり、適切なスペーサ層材料は
、AlxGa1−xN(0≦x≦1)である。バリア層18のエピタキシャル成長の後に
、第1のスペーサ層26は、同じエピタキシャル成長法を使用して成長させることができ
る。次いで第1のスペーサ層26は、2DEG17と接触してゲート24、ソース電極2
0、およびドレイン電極22を適切に形成することができるようにエッチングされる。こ
の構成については、図9に示され以下で説明されるような一体化した第1のフィールドプ
レートを伴うゲートを有するHEMT(およびMESFET)に特に適用可能である。
ーサ層26上に形成され、フィールドプレート30は、ゲート24に極めて近接している
が、ゲート24とオーバーラップしてはいない。スペーサ層26は、第1のフィールドプ
レート30とその下の層との間の分離をもたらすように配置される。ゲート24とフィー
ルドプレートとの間の間隔(Lgf)が残っており、この間隔は、第1のフィールドプレ
ート30からさらに分離するのに十分広くすべきであるが、第1のフィールドプレート3
0によってもたらされる電界効果を最大にするのに十分小さくなってもいる。Lgfがあ
まりにも広すぎる場合、電界効果が低減する。本発明による一実施形態においては、Lg
fは0.4ミクロン以下にすべきであるが、これよりも大きな間隔および小さな間隔も使
用することができる。
f1だけ延びることが可能であり、適切な距離の範囲は、0.1ミクロンから1.0ミク
ロンであるが、他の距離についても使用することができる。フィールドプレート30は、
多数の異なる導電性材料を含むことが可能であり、適切な材料は、標準のメタライゼーシ
ョン方法を使用して堆積させられた金属である。本発明による一実施形態においては、フ
ィールドプレート30は、以下に説明しているように接続される形態と同じ金属を含んで
いる。
と電気的に接続することができる。図1は、本発明による一実施形態を示しており、第1
のフィールドプレート30はソースコンタクトに接続され、また、他の接続構造について
も使用することが可能であるが2つの代替接続構造が示されている。第1の導電性バス3
2(幻影線で示されている)をスペーサ層26上に形成して、第1のフィールドプレート
30とソースコンタクト20との間に延びているようにすることができる。異なる数のバ
ス32を使用することが可能であるが、使用されるバス32が多くなればなるほど、これ
らのバスによって導入される可能性のある望ましくないキャパシタンスが大きくなる。バ
ス32は、電流がソースコンタクト20から第1のフィールドプレート30に効果的に広
がるように十分な数を有するべきであるが、HEMTの活性領域をできるだけ少ししか覆
わないようにすべきであり、バス32の適切な数は2である。
コンタクト20に接続された第1の導電性経路34を介してソースコンタクト20に電気
的に接続することもできる。図1に示されるように、経路34は、ゲートコンタクト28
と対向するエッジの位置でHEMTの活性区域の外側を走っている。本発明による代替実
施形態においては、導電性経路は、ゲートコンタクト28の側にあるHEMT10の活性
区域の外側を走ることも可能であり、あるいはHEMT10は、HEMT10の一方また
は両方の側を走る2本以上の導電性経路を備えることも可能である。
有する、本発明によるHEMT50の他の実施形態を示すものである。図3(および以下
に続く図面)中のHEMT50の形態と同じまたは類似した形態について、図1および2
からの参照番号と同じものが、上述した形態の説明がHEMT50に対しても同様に当て
はまるという理解と共に使用される。
6、2DEG17、バリア層18、ソース電極20、ドレイン電極22、ゲート24、第
1のスペーサ層26、ゲートコンタクト28、および第1のフィールドプレート30を備
えている。しかし、第1のフィールドプレートは、ソース電極20に接続される代わりに
、ゲート24に接続されており、図3は、本発明に従って使用することができる2つの代
替ゲート接続構造を示しているが、他の接続構造も使用することができる。1つの接続構
造は、導電性バイア52(幻影線で示される)の形態の導電性経路とすることが可能であ
り、この導電性バイアは、第1のフィールドプレート30からゲート24へと第1のスペ
ーサ層26を介して走るように形成することができる。バイア52は、ゲート24と第1
のフィールドプレート30との間の電気的接続を実現する。バイア52は、先ず第1のス
ペーサ層26中にエッチングなどによりホールを形成し、次いで別のステップ中、または
第1のフィールドプレート30の形成中のいずれかにおいて、導電性材料でこれらのホー
ルを充填することにより形成することができる。バイア52は、第1のフィールドプレー
ト30の下に一定間隔を空けて配置して、ゲート24からフィールドプレート30へと広
がる有効な電流を供給することができる。ゲート24に接続することにより、ゲートコン
ダクタンスが増大させられ、これにより単位セルごとにより大きなデバイス幅を可能にす
ることができる。
れる)第2の導電性経路54によってゲート24に接続することもできる。導電性経路5
4は、ゲートコンタクト28、あるいはゲートコンタクト28と対向したゲート24の一
部分など、HEMT活性領域の外側の、ゲート24の一部分に接続することができる。
ールドプレートとドレインとの間の、HEMTの上部表面の少なくとも一部分の上に形成
される(図2に示される)第2の非導電性スペーサ層40も備えており、好ましい第2の
スペーサ層40は図示されているように、第1のフィールドプレートと、第1のスペーサ
層26の露出した表面を覆う。第2のスペーサ層40は、第1のスペーサ層26と同じ材
料または層材料(layer material)で形成することができ、0.05ミク
ロンから2ミクロンの範囲の合計の厚さを有することが可能である。
ート42を堆積させることが可能である。本発明による異なる第2のフィールドプレート
は、第2のフィールドプレート42がゲート24とオーバーラップして示されるように、
異なる被覆率をもたらす可能性がある。他の部分が、第1のフィールドプレート30のエ
ッジ上からドレイン電極22に向かって距離Lf2だけ延びており、この距離については
、0.2ミクロンから5ミクロンの範囲とすることが可能である。
続構造を使用することができる。第2のフィールドプレート42とソース電極20との間
に延びるように第2のスペーサ層40上に第2の導電性バス44を形成することができる
。望ましくないキャパシタンスが導入されるほど活性領域の多くの部分が覆われないよう
にしながら、ソース電極20から第2のフィールドプレート42に効果的に電流が広がる
ようにするために、異なる数のバス44を使用することができる。第1のフィールドプレ
ート30は、HEMT10および50の活性領域の外側を走り、ソース電極20に結合さ
れた第3の導電性経路(図示せず)を介してソース電極20に電気的に接続することも可
能である。
の接続の後に、活性構造は、窒化ケイ素などの誘電体パッシベーション層(図示せず)に
よって覆うことが可能である。誘電体パッシベーション層を形成する方法は、上述した特
許文献および非特許文献に詳細に説明されている。
発明によるHEMT60の別の実施形態を示している。HEMT60は、基板12、核生
成層14、バッファ層16、2DEG17、バリア層18、ソース電極20、ドレイン電
極22、ゲート24、スペーサ層26およびゲートコンタクト28を備える。また、HE
MT60は、主としてゲート24とドレイン電極22との間のスペーサ層26上に形成さ
れるが、ゲート24の一部分とオーバーラップもしている第1のフィールドプレート62
を備える。図1〜3中のHEMT10および50では、(図2に最もよく示されている)
Lgfは、比較的小さく、これは、製造中に何らかの困難をもたらす可能性がある。フィ
ールドプレート62をゲート24とオーバーラップさせることにより、HEMT60は、
Lgfの許容範囲に合わせる必要なしに製造することができる。しかし、フィールドプレ
ート62のオーバーラップ部分は、追加の望ましくないキャパシタンスを導入する可能性
がある。オーバーラップしたフィールドプレートを使用するか、それともオーバーラップ
していないフィールドプレートを使用するかを決定する際に、製造の簡単さをキャパシタ
ンスの低減とバランスさせる必要がある。HEMT60はまた、フィールドプレート62
をソース電極20に電気的に接続するためのバス64または導電性経路66のいずれかを
備える。
図を有することが可能であるHEMT70の別の実施形態を示している。しかし、HEM
T70中のフィールドプレート62は、フィールドプレート62とゲートとの間でスペー
サ層26を介して走るゲートバイア(図示せず)により、または第2の導電性経路72に
よりゲート24に接続される。
、第2の非導電性スペーサ層63と第2のフィールドプレート65とを備える。第2の導
電性バス58または第3の導電性経路(図示せず)を使用して、第2のフィールドプレー
ト56をソース電極20に接続することができる。
TおよびMESFET)は、3つ以上のスペーサ層およびフィールドプレートを備えるこ
とも可能であり、ここで、最上部フィールドプレートはソースに接続され、中間フィール
ドプレートはソースまたはゲートに接続される。例えば、図5は、第3のスペーサ層68
および(幻影線で示される)第3のフィールドプレート69を示しており、ここで第3の
フィールド69は、第2のフィールドプレート65のエッジからドレイン電極22に向か
って延びることが可能であり、ソース電極24に接続されている。第1のフィールドプレ
ート62および第2のフィールドプレート65は、ソース電極20またはゲート24に接
続される。
もできる。図7は、炭化ケイ素ベースの、本発明によるMESFET80の一実施形態を
示している。MESFET80は、炭化ケイ素基板82を備え、この炭化ケイ素基板上に
、炭化ケイ素バッファ84と炭化ケイ素チャネル層86が形成され、バッファ84は、チ
ャネル層86と基板82との間に挟まれている。ソース電極88およびドレイン電極90
が、チャネル層86と接触して形成され、ゲート92が、ソース電極88とドレイン電極
90との間のチャネル層86上に形成される。
びドレイン電極90との間のチャネル層86の表面上に形成されている。上述し、図1〜
3に示されているスペーサ層26と同様に、スペーサ層94は、誘電体や、異なる誘電体
などの非導電性材料のいくつかの異なる層などの非導電性材料の層を備えることが可能で
ある。
ーサ層94上に形成され、フィールドプレート96は、図1〜3中のフィールドプレート
30と同様にして配置され、同様なLgfとLf1を有する。フィールドプレート96は
また、フィールドプレート30を接続するための構造と同じものを使用してソースコンタ
クト88またはゲート90のどちらかに接続することも可能である。
され、上述し、図1〜3に示される第2のスペーサ層40と類似している。同様に、第2
のフィールドプレート42と類似しており、ソース電極88に同様に接続された第2のフ
ィールドプレート100が、第2のスペーサ層98上に設けられる。
0、ゲート92およびスペーサ層94を含めて、MESFET80と同様の形態を有する
、本発明による炭化ケイ素MESFET110の別の実施形態を示している。MESFE
T110はまた、ゲート92とオーバーラップするフィールドプレート112を備え、オ
ーバーラップしていないフィールドプレートを有するMESFETよりも簡単に製造する
ことができるが、追加のキャパシタンスを導入する可能性がある一実施形態を提供する。
フィールドプレート112は、図3〜5中のフィールドプレート62と同様にして配置さ
れ、ソース電極88またはゲート90に同様に接続される。MESFET110はまた、
第2のスプレッダ層98と、ソース電極88に接続された第2のフィールドプレート10
0も備える。
ッファ層16、2DEG17、バリア層18、ソース電極20、ドレイン電極22、およ
びゲート24を備えるHEMT120の別の実施形態を示している。HEMT120は、
スペーサ層122も備えるが、上述のスペーサ層とは違って、スペーサ層122は、ゲー
ト24を覆っていない。スペーサ層122は、その代わりにゲート24とソースコンタク
ト20およびドレインコンタクト22との間のバリア層18の表面を覆っているにすぎな
い。しかし、スペーサ層は、表面層のすべてよりも少ない部分を覆うことができるが、バ
リア層18からフィールドプレートを分離するのを支援するのに十分な被覆率でゲート2
4とドレイン電極22との間の表面の少なくとも一部分を覆うべきであることを理解され
たい。
ィールドプレートは、フィールドプレート124がその長さで下のゲート24と接触する
ようにしてゲート24と一体化されている。フィールドプレート124は、スペーサ層1
22上でドレインコンタクト22に向かって距離Lf1だけ延びている。この構成では、
スペーサ層122は、前述のようにエピタキシャルとすることが可能であり、ここでスペ
ーサ層は、バリア層18上に堆積され、次いでソース電極20およびドレイン電極22、
ならびにゲート24をバリア層18と接触して堆積させることができるようにエッチング
される。次いでフィールドプレート124は、ゲート24と一体化してスペーサ層122
上に堆積させることもでき、またフィールドプレート124は、ゲート24が堆積させら
れるのと同じステップ中に堆積させることができる。
共に使用することができることを理解されたい。また、このフィールドプレートが配置さ
れたトランジスタは、3つ以上のスペーサ層とフィールドプレートを有することも可能で
あることも理解されたい。
似した第2のスペーサ層124および第2のフィールドプレート126についてもまた含
められる。HEMT120は、3つ以上のフィールドプレートを備えることが可能であり
、中間フィールドプレートは、ゲートまたはソース電極に電気的に接続され、上部フィー
ルドプレートは、ソース電極に電気的に接続されることを理解されたい。また、この複数
のフィールドプレート構成は、SiCで作製されたMESFETとともになど、異なる材
料系で作製された他のトランジスタとともに使用することも可能であることも理解された
い。
たフィールドプレートがソース電極に接続されたGaNベースのHEMTの動作特性を比
較した表130を示している。これらのテストは、0.5ミクロンのゲート長(Lg)と
、1.1ミクロンの第1のフィールドプレートのFP長(Lf)と、500ミクロンのデ
バイス幅(w)とを有するHEMT上で行われた。このテストにより、ソース電極に接続
されたフィールドプレートを有するデバイスが、改善されたMSG(maximum s
table gain最大安定ゲイン)と低減された逆伝送(reverse tran
smission)(S12)を示すことが示された。
数の異なるHEMT中で使用することができる。例えば、図11は、基板12、核生成層
14、バッファ層16、2DEG17、バリア層18、ソース電極20、およびドレイン
電極22を含む、上述のHEMT10、50、60中の形態と同様な多数の形態を有する
、本発明によるHEMT140の別の実施形態を示している。しかし、HEMT140は
、特に高周波数動作に適合させられたガンマ(Γ)形状のゲート142を有する。ゲート
長(Lg)は、デバイスの速度を決定する際の重要なデバイス寸法のうちの1つであり、
より高い周波数のデバイスでは、ゲート長はさらに短くなる。より短いゲート長では、高
周波数動作に悪影響を及ぼす可能性がある高抵抗をもたらす可能性がある。T−ゲートは
、一般に高周波数動作で使用されるが、フィールドプレートのT−ゲートとの良好に結合
した配置を実現することは難しくなる可能性がある。
た画定を可能にする。ガンマゲート142、ならびにガンマゲート142とソース電極2
0およびドレイン電極22との間のバリア層18の表面を覆うスペーサ層144が備えら
れるが、スペーサ層144は、上述のように少ししか覆わない可能性がある。ガンマゲー
ト82の水平部分とスペーサ層144の上部との間に間隔が残っていてもよい。HEMT
140はまた、ガンマゲート142とオーバーラップするスペーサ層144上に第1のフ
ィールドプレート146も備える。第1のフィールドプレート146は、水平のオーバー
ハング部分をもたないガンマゲート142の側面上に堆積させられることが好ましい。こ
の構成により、密接した配置、ならびにフィールドプレート146とフィールドプレート
の下の活性層との間の有効な結合が可能になる。他のガンマゲート実施形態においても、
フィールドプレートは、フィールドプレート86に対して同様に配置することができるが
、ゲートにオーバーラップする代わりに、ゲートのエッジとフィールドプレートとの間に
、図2に示し上述した間隔Lgfと同様のスペースが存在していてもよい。
ース電極20に電気的に接続することができる。フィールドプレート146がソース電極
20に接続される場合には、ゲート142の水平部の下側の表面とスペーサ層144との
間の空間は、フィールドプレート146とソース電極20との間に直接に導電性経路をも
たらす際に困難を提示する可能性がある。その代わりに、フィールドプレート146とソ
ース電極20との間に、HEMT140の活性区域の外側を走る1つまたは複数の導電性
経路を備えることもできる。あるいは、ガンマゲート142は、ゲートの水平部の下の空
間を充填してスペーサ層144によって完全に覆うこともできる。この場合には、導電性
経路は、フィールドプレート146からソース電極へとスペーサ層144上を直接に走る
ことが可能である。あるいは、フィールドプレート146は、上述のようにバイアまたは
導電性経路を使用してゲートに接続することも可能である。
20に接続された第2のフィールドプレート150も備える。第1のフィールドプレート
146と同様に、ゲート142の水平部の下側の表面とスペーサ層144との間の空間は
、フィールドプレート146とソース電極20との間に直接に導電性経路をもたらす際に
困難を提示する可能性がある。HEMT140の活性区域の外側を走る1つまたは複数の
導電性経路を備えることができる。代わりに、ガンマゲート142は、ゲートの水平部の
下の空間を充填して、第1のスペーサ層144または第2のスペーサ層148によって完
全に覆うことができる。この場合には、導電性経路は、フィールドプレート146からソ
ース電極にスペーサ層144上を直接に走ることが可能である。次いでこの活性構造は、
誘電体パッシベーション層(図示せず)によって覆うことが可能である。
もできる、本発明によるさらに別のHEMT160を示している。HEMT160はまた
、基板12、核生成層14、バッファ層16、2DEG17、バリア層18、ソース電極
20、およびドレイン電極22を備える。しかし、ゲート162は、バリア層18中にリ
セス化(recessed)され、スペーサ層164によって覆われる。フィールドプレ
ート166が、スペーサ層164上に配置され、ソース電極20またはゲート162のど
ちらかに接続される。第2のスペーサ層168が、第1のフィールドプレート166と第
1のスペーサ層164上に備えられ、第2のフィールドプレート170が第2のスペーサ
層168上に備えられ、ソース電極20に電気的に接続される。次いで、上部表面は、パ
ッシベーション層(図示せず)によって覆うことが可能である。図に示されるように、ゲ
ート162の底部は、部分的にしかリセス化されておらず、他の実施形態においては、ゲ
ートの底部表面を完全にリセス化することもでき、またゲートの異なる部分をバリア層1
8中に異なる深さまでリセス化することができる。
、MESFETなどの異なるトランジスタと共に使用することができ、それぞれは3つ以
上のスペーサ層およびフィールドプレートを備えることが可能である。上部フィールドプ
レートは、ソース電極に接続すべきであるが、この下の中間フィールドプレートは、ソー
ス電極またはゲートに接続することができる。例えば、本発明によるトランジスタは、3
つのフィールドプレートを有することが可能であり、最上部のフィールドプレートはソー
ス電極に接続され、この下のフィールドプレートは、ソース電極またはゲートに接続され
る。
されたワイドバンドギャップトランジスタを実現する。これらのトランジスタは、より高
い入出力分離に起因した、高ゲイン、高電力、およびより安定した動作を同時に示す。こ
の構造は、より低い周波数における高電圧用途のためのより大きな寸法にまで拡張するこ
とができる。
ついても可能である。フィールドプレート構成は、多数の異なるデバイス中で使用するこ
とができる。これらのフィールドプレートはまた、多数の異なる形状を有していてもよく
、多数の異なる方法でソースコンタクトに接続することができる。例えば、フィールドプ
レートは、HEMTの活性区域上から延びて、バスまたは導電性経路を介する代わりに、
この接続がフィールドプレートとソースコンタクトとの間で連続していてもよい。しかし
、この構成は、法外なキャパシタンスをこの構造中に導入してしまう可能性がある。した
がって、本発明の趣旨および範囲は、以上に説明した本発明の好ましい構成だけに限定す
べきものではない。
Claims (33)
- チャネルを有する活性領域と、
前記活性領域と接触して形成されたソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極とドレイン電極との間に、前記活性領域上に形成されたゲートと、
複数のスペーサ層と、
複数のフィールドプレートと
を備え、前記スペーサ層のうちの第1のスペーサ層は、前記ゲートと前記ドレイン電極お
よびソース電極との間の前記活性領域の表面の少なくとも一部の上にあり、前記フィール
ドプレートのうちの第1のフィールドプレートは、前記スペーサ層のうちの前記第1のス
ペーサ層上にあり、前記スペーサ層とフィールドプレートのうちの残りのスペーサ層とフ
ィールドプレートは、前記スペーサ層のうちの前記第1のスペーサ層と前記フィールドプ
レートのうちの前記第1のフィールドプレートの上に交互に配置され、前記フィールドプ
レートのうちの最上部のフィールドプレートは、前記ソース電極に電気的に接続され、前
記フィールドプレートのうちの前記最上部のフィールドプレートの下の前記フィールドプ
レートのそれぞれは、前記ゲートまたはソース電極に電気的に接続されていることを特徴
とするトランジスタ。 - 前記第1のフィールドプレート上の前記フィールドプレートのそれぞれは、前記スペー
サ層のうちの1つのスペーサ層によって下のフィールドプレートから分離されていること
を特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。 - 前記フィールドプレートのそれぞれは、少なくとも1つの電気的に接続する導電性経路
によって前記ソース電極またはゲートに接続されていることを特徴とする請求項1に記載
のトランジスタ。 - 前記フィールドプレートのうちの前記第1のフィールドプレートは、前記ゲートのエッ
ジから前記ドレイン電極に向かって延びる、前記スペーサ層のうちの前記第1のスペーサ
層上に延びていることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。 - 前記フィールドプレートのうちの第2のフィールドプレートは、前記フィールドプレー
トのうちの前記第1のフィールドプレートのエッジから前記ドレイン電極に向かって前記
スペーサ層のうちの第2のスペーサ層上に延びていることを特徴とする請求項4に記載の
トランジスタ。 - 前記スペーサ層のうちの前記第1のスペーサ層は、前記ゲートを少なくとも部分的に覆
い、前記フィールドプレートのうちの前記第1のフィールドプレートは、前記ゲートと少
なくとも部分的にオーバーラップし、前記ゲートのエッジから前記ドレイン電極に向かっ
て前記スペーサ層のうちの前記第1のスペーサ層上で距離Lfだけ延びていることを特徴
とする請求項1に記載のトランジスタ。 - 少なくとも1つの導電性経路をさらに備え、前記フィールドプレートのうちの少なくと
も1つのフィールドプレートは、前記少なくとも1つの導電性経路によって前記ソース電
極に電気的に接続され、前記経路のそれぞれは、前記活性領域の外側を走っていることを
特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。 - 少なくとも1つの導電性経路をさらに備え、前記スペーサ層のうちの1つのスペーサ層
は、前記ゲート、ならびに前記ゲートとソース電極との間の前記活性領域の表面を覆い、
前記フィールドプレートのうちの少なくとも1つのフィールドプレートは、前記少なくと
も1つの導電性経路によって前記ソース電極に電気的に接続され、前記経路は、前記スペ
ーサ層のうちの前記1つのスペーサ層上を走っていることを特徴とする請求項1に記載の
トランジスタ。 - 高電子移動度トランジスタ(HEMT)を備えることを特徴とする請求項1に記載のト
ランジスタ。 - 電界効果トランジスタを備えることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。
- 前記ゲートは、ガンマ形状をしていることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ
。 - 前記ゲートは、前記活性領域中に少なくとも部分的にリセス化されていることを特徴と
する請求項1に記載のトランジスタ。 - 前記フィールドプレートは、前記トランジスタ中のピーク動作電界を低減させることを
特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。 - ピーク動作電界の前記低減は、前記トランジスタの破壊電圧を増大させることを特徴と
する請求項13に記載のトランジスタ。 - ピーク動作電界の前記低減は、前記トランジスタ中のトラッピングを低減させることを
特徴とする請求項13に記載のトランジスタ。 - ピーク動作電界の前記低減は、前記トランジスタ中の漏れ電流を低減させることを特徴
とする請求項13に記載のトランジスタ。 - 前記スペーサ層は、前記ゲートを完全には覆っておらず、前記第1のフィールドプレー
トは、前記ゲートと一体化して形成され、前記スペーサ層上で前記ドレイン電極に向かっ
て距離Lfだけ延びていることを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。 - 前記スペーサ層は、誘電体材料を含むことを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ
。 - 前記スペーサ層のうちの少なくとも1つのスペーサ層は、エピタキシャル材料を含むこ
とを特徴とする請求項1に記載のトランジスタ。 - 前記スペーサ層のうちの前記第1のスペーサ層は、エピタキシャル材料を含むことを特
徴とする請求項1に記載のトランジスタ。 - チャネルを有する活性領域と、
前記活性領域と接触したソース電極およびドレイン電極と、
前記ソース電極とドレイン電極との間の、前記活性領域上のゲートと、
前記活性領域上に配置された複数のフィールドプレートと
を備え、フィールドプレートのそれぞれは、前記ゲートのエッジから前記ドレイン電極に
向かって延びており、フィールドプレートのそれぞれは、前記活性領域から、また前記フ
ィールドプレートのうちの他のフィールドプレートから分離され、前記フィールドプレー
トのうちの最上部のフィールドプレートは、前記ソース電極に電気的に接続され、前記フ
ィールドプレートのうちの他のフィールドプレートのそれぞれは、前記ゲートまたは前記
ソース電極に電気的に接続されていることを特徴とするトランジスタ。 - 前記活性領域上にやはり配置され、前記フィールドプレートの前記分離を実現する複数
のスペーサ層をさらに備えることを特徴とする請求項21に記載のトランジスタ。 - 前記各スペーサ層は、前記フィールドプレートのそれぞれ1つのフィールドプレートと
前記フィールドプレートの前記それぞれ1つのフィールドプレートの下の表面との間で挟
まれることを特徴とする請求項22に記載のトランジスタ。 - 前記スペーサ層のうちの第1のスペーサ層は、前記フィールドプレートのうちの第1の
フィールドプレートと前記活性領域の表面との間にあり、前記スペーサ層のうちの他のス
ペーサ層は、前記スペーサ層とフィールドプレートのうちの第1のスペーサ層とフィール
ドプレート上に交互に積み重なっていることを特徴とする請求項22に記載のトランジス
タ。 - 前記フィールドプレートのそれぞれは、少なくとも1つの電気的に接続する導電性経路
によって前記ソース電極またはゲートに電気的に接続されていることを特徴とする請求項
21に記載のトランジスタ。 - 前記スペーサ層のうちの前記第1のスペーサ層は、前記ゲート、ならびに前記ゲートと
ドレイン電極との間の前記活性領域の表面の少なくとも一部分を少なくとも部分的に覆っ
ており、前記フィールドプレートのうちの前記第1のフィールドプレートは、前記ゲート
と少なくとも部分的にオーバーラップしており、前記ゲートのエッジから前記ドレイン電
極に向かって前記スペーサ層のうちの前記第1のスペーサ層上で距離Lfだけ延びている
ことを特徴とする請求項21に記載のトランジスタ。 - 少なくとも1つの導電性経路をさらに備え、前記フィールドプレートのうちの少なくと
も1つのフィールドプレートは、前記少なくとも1つの導電性経路によって前記ソース電
極に電気的に接続され、前記経路のそれぞれは、前記スペーサ層の外側を走っていること
を特徴とする請求項21に記載のトランジスタ。 - 少なくとも1つの導電性経路をさらに備え、前記スペーサ層のうちの1つのスペーサ層
は、前記ゲート、ならびに前記ゲートとソース電極との間の前記活性領域の表面を覆って
おり、前記フィールドプレートのうちの少なくとも1つのフィールドプレートは、前記少
なくとも1つの導電性経路によって前記ソース電極に電気的に接続され、前記経路は、前
記スペーサ層のうちの前記1つのスペーサ層上を走っていることを特徴とする請求項21
に記載のトランジスタ。 - 高電子移動度トランジスタ(HEMT)を備えることを特徴とする請求項21に記載の
トランジスタ。 - 電界効果トランジスタを備えることを特徴とする請求項21に記載のトランジスタ。
- 前記ゲートは、ガンマ形状をしていることを特徴とする請求項21に記載のトランジス
タ。 - 前記ゲートは、前記活性領域中に少なくとも部分的にリセス化されていることを特徴と
する請求項21に記載のトランジスタ。 - 前記フィールドプレートは、前記トランジスタ中のピーク動作電界を低減させることを
特徴とする請求項21に記載のトランジスタ。
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