JP6704855B2 - 高移動度電界効果トランジスタ用の最適化された緩衝層 - Google Patents

Description

本発明は高電子移動度電界効果トランジスタ（すなわちＨＥＭＴ）に関する。

本発明は、より具体的には、典型的に１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚに含まれる周波数範囲をカバーする、低ノイズまたはパワーアンプとして、スイッチとして、または発振器として用いられるＨＥＭＴが作成される積層に関する。

図１は、トランジスタが基板１１上に形成された、Ｏｘｚ平面内における従来の基本的なＨＥＭＴトランジスタシステムの構造の断面を概略的に示す。従来、例えばシリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはサファイヤ（Ａｌ_２Ｏ_３）を含む絶縁または半導体基板１１が用いられ、その基板上で少なくとも２個の半導体層がｚ軸に沿って生成され、前記層がＯｘｙ平面内で延在する。

緩衝層と表記する第１層１２は、広いバンドギャップ（いわゆる広バンドギャップ半導体材料と呼ばれる）を有し、例えばＧａＮ等の二元窒素化合物材料、またはＡｌＧａＮ、より正確にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ等の三元ＩＩＩ族窒素化合物（ＩＩＩ族Ｎと表記）を主成分とする材料を含む。

障壁層１３と表記する第２層は、緩衝層１２よりも広バンドギャップを有する。この層は、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎまたはＢを主成分とする四元、三元または二元ＩＩＩ族窒素化合物（ＩＩＩ族Ｎと表記する）を主成分とする材料を含む。

例えば、ＧａＮ緩衝層と共に、障壁層はＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮもしくはＩｎ_１−ｘＡｌ_ｘＮ、またはＩｎ_１−ｘＡｌ_ｘＮ／ＡｌＮもしくはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘ／ＡｌＮのシーケンスを含む。

Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮおよびＩｎ_１−ｘＡｌ_ｘＮのバンドギャップ幅は、アルミニウム含有量ｘに応じて各々、３．４ｅＶ（ＧａＮ）〜６．２ｅＶ（ＡｌＮ）、および０．７ｅＶ（ＩｎＮ）〜６．２ｅＶ（ＡｌＮ）で変動する。

障壁層１３の厚さは典型的には５ｎｍ〜４０ｎｍに含まれ、緩衝層１２の厚さは典型的には０．２μｍ〜３μｍに含まれる。

追加的な層が、素子の表面に、または緩衝層と障壁層との間に存在し得る。

緩衝層１２および障壁層１３は従来、ＭＯＣＶＤまたはＭＢＥによりエピタキシャルに生成される。例えば、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＮを主成分とする、より正確にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮまたはｄ’Ｉｎ_ｚＡｌ_１−ｚＮ（ｘは典型的には１５％〜３５％、ｚは典型的には１５％〜２５％に含まれる）を主成分とする障壁層を有する、ＧａＮを主成分とする緩衝層が挙げられる。

緩衝層と障壁層との間の接合は、同様にＯｘｙ平面内で延在するヘテロ接合１５を形成する。座標系Ｏｘｙｚの原点Ｏは、この平面に明示的に配置されている。

ＨＥＭＴトランジスタは従来、ソースＳ、ドレインＤ、およびゲートＧを含み、これらは障壁層１３の上面側１４に堆積されている。

ゲートＧは、ソースＳとドレインＤとの間に堆積されており、トランジスタを制御可能にする。ソースＳとドレインＤとの間のコンダクタンスは、従来ショットキー接触またはＭＩＳ（金属／絶縁体／半導体）積層であるゲートＧの静電作用により変調され、ゲートとソースとの間に印加される電圧Ｖ_ＧＳがトランジスタを制御する。

二次元電子気体９（２ＤＥＧと表記）がヘテロ接合１５の近傍に配置されている。これらの電子は、Ｏｘｙ平面内で移動可能であり、典型的には１０００ｃｍ^２／Ｖｓを超える高い電子移動度μｅを有する。通常のトランジスタ動作において、これらの電子は、Ｏｘｙ平面内でヘテロ接合１５の近傍に生じる電位井戸に閉じ込められるため、ｚ方向に流れることはできない。電子気体９は、トランジスタのチャネルと表記されるものに閉じ込められているため、ドレインとソースとの間で電流Ｉ_ＤＳを搬送することができる。従来、ソースＳとドレインＤとの間に電位差Ｖ_ＤＳが印加され、ソースＳは典型的には接地されていて、電流Ｉ_ＤＳの値はゲートＧとソースＳとの間に印加された電圧Ｖ_ＧＳに依存する。

トランジスタ効果は、制御電極Ｇの静電作用により接点ＳとＤとの間のコンダクタンスｇｍの変調に基づいている。このコンダクタンスの変動がチャネル内の自由担体の個数に、従ってソースとドレイン間の電流に比例する。このトランジスタ増幅効果により、ゲートに印加された弱い信号を、ドレインで受信されるより強い信号に変換することが可能になる。

図２は、ヘテロ接合の近傍における電荷分布を示す。ＩＩＩ族Ｎ系の材料は極めて高い電気陰性を示す。この系の２種の異なる化合物が接触した場合、正（σ＋）（図２）または負（σ−）のいずれかの固定電荷がその界面に現れる。この固定電荷は可動電荷（図２のように正の場合は電子、または負の場合は正孔）を引きつける。これらの可動電荷ｅｍにより、ドレインとソースとの間に電圧が印加された際に電流が生じる。

ＧａＮは、従来の成長条件下で、ドナー型不純物（ｎ型不純物）（典型的には窒素空孔）が添加された半導体である。この種の欠陥では、トランジスタのドレインに印加される電圧が高くなり過ぎる（典型的には１０Ｖ超）場合、およびゲートの長さＬｇが短くなり過ぎる（典型的には０．２５μｍ未満）場合、チャネル内に電子を閉じ込めることができない。電子は従って緩衝層内を通って流れるため、トランジスタのコンダクタンスｇｍの低下につながる。

このようにチャネル内における電子の閉じ込めが弱いことで伝達関数Ｌｏｇ（Ｉ_ＤＳ）＝ｆ（Ｖ_ＧＳ）に及ぼす影響は、図３に示すように傾きｇｍ＝ΔＩ_ＤＳ／ΔＶ_ＧＳを減少させるものである。この減少は、ゲートによる電流の変調効果の低下に現れる。

良好なトランジスタ動作が得られるのは、曲線３１Ｌｏｇ（Ｉ_ＤＳ）＝ｆ（Ｖ_ＧＳ）が、一定の高Ｖ_ＤＳ（例えば２０Ｖ）で（図３に示すような）急峻な傾きを有し、かつゲート長が短い（例えば０．２５μｍ未満）場合である。この急峻な傾きは、高い相互コンダクタンスｇ_ｍを表し、トランジスタが動作点３０で十分な電力利得で高電流を変調できる能力を反映している。この場合、トランジスタの「ピンチオフ」が良好であると言われる。曲線３２は、トランジスタの「ピンチオフ」が劣悪であることを示す。この値は、閾値下ウイングと呼ばれる量により定量化可能である。その値は１５０ｍＶ／ｄｅｃａｄｅの電流より低いことが求められる。

所望の動作電圧に対して１５０ｍＶ／ｄｅｃａｄｅより低い閾値下振れを伴うトランジスタ動作を得るには、最初のｎ型ドーピングを補償する必要がある。

第１の解決策は、例えばエピタキシャル成長条件を修正する、または成長中にアクセプタ型の不純物を添加する等、アクセプタ型不純物を導入することにより（ＧａＮまたはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ）緩衝層にｐ型ドーピングを施すものである。緩衝層に導入される不純物の密度を最適化することで所望のトランジスタ挙動が得られる。

適当な不純物として、主に炭素および鉄があるが、マグネシウム、ベリリウムもしくは亜鉛、またはＧａＮ内のアクセプタ中心であることが知られている任意の不純物であってもよい。

典型的には、ｎ型不純物に対してｐ型不純物が数１０^１６ｃｍ^−３〜数１０^１７ｃｍ^−３個だけ余分にあることにより、最大動作電圧５０Ｖ（Ｖ_ＤＳ）およびゲート長０．１５μｍに対して１５０ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ未満の閾値下振れが得られる。

しかし、これらの不純物は深中心を構成する。「深中心」という表現は、不純物のエネルギー準位が、ｎ型不純物の場合には伝導帯の最小値から、またはｐ型不純物の場合には価電子帯の最大値から、熱活性化エネルギー（＝３／２ｋｂ＊Ｔ）の２〜３倍離れて位置していることを指す。室温では熱活性化エネルギーは約４０ｍｅＶである。中心は従って、これらの極値の１個から１００ｍｅＶよりも離れて位置していれば深いと考えられ、この場合、ＧａＮにアクセプタ型不純物が添加されている。

これらの中心は、トランジスタにバイアスが掛かれば負に帯電し、その中心が深いため、１ＭＨｚより高い動作周波数では放電しない。これは導電チャネルに存在する可動電荷を減少させる効果を有するため、電流を減少させてアクセス抵抗を増大させる。これにより、本方法の主な短所は、分散の発生に加えて、トランジスタの効率および生成可能な電力の低下をもたらす。この性能低下は、トランジスタの動作電圧Ｖ_ＤＳが増大する（典型的には２０Ｖを超える）に従いより顕著になる。

「電流コラプス」と呼ばれる上述の可動電荷量の減少を図４に示す。本例では、トランジスタのＧａＮ緩衝層は５×１０^１７原子／ｃｍ^３の値まで均一にｐ型ドーピングされている。

曲線４０は、特性の測定前はバイアスが掛けられていなかったトランジスタの電流／電圧特性（Ｖ_ＧＳ＝０Ｖで生じた）を示す。

曲線４１は、特性の測定前は電圧Ｖ_ＧＳ＝−６ＶおよびＶ_ＤＳ＝４０Ｖの形状をなす負荷が印加された後のトランジスタの電流／電圧特性（Ｖ_ＧＳ＝０Ｖで生じた）を示す。

Ｖ_ＤＳの関数としてのＩ_ＤＳの曲線４１が、初期曲線４０に対して変更されていることが分かる。電流／電圧特性が低下しており、本例では、５Ｖの電圧Ｖ_ＤＳで電流Ｉ_ＤＳ（従って利用可能な電力）の相対変動が６０％である。

第２の解決策は、ＧａＮチャネルを有する複合緩衝層、例えば図５に示すようなＧａＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ緩衝層を生成するものである。この場合、ＧａＮ／Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ界面５０に現れる負の圧電電荷は、電子をチャネル内に閉じ込めることが可能な電位障壁を生成する。Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘＮ層は、２０Ｖ〜４０Ｖに含まれる最大動作電圧および０．２５μｍ未満のゲート長に対して電子を良好に閉じ込めるために数パーセント（典型的には３％〜１０％）のアルミニウムを含む必要がある。

しかし、電子を良好に閉じ込めるために必要なアルミニウム含有量に対するＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮの熱伝導率はＧａＮの３分の１〜５分の１程度低くなる。トランジスタの熱抵抗は従って大幅に（２分の１〜３分の１程度まで）低下し、本解決策で発生可能な電力は（目標用途に応じて）１．５分の１〜３分の１程度減少する。

本発明の目的の１つは、ＨＥＭＴトランジスタ用に最適化された積層を提供し、かつこの積層から生成されるＨＥＭＴトランジスタが、トランジスタが高周波数（小ゲート寸法）または高いドレイン電圧Ｖ_ＤＳで動作する必要がある場合も含め、チャネル内での電子の良好な閉じ込めおよび低い電流分散を反映する良好な電流／電圧特性を示すことを可能にすることにより、上述の短所を緩和することである。

より正確には、本発明の主題は、高電子移動度電界効果トランジスタ用のｚ軸に沿った積層であって、
− 二元または三元または四元窒素化合物を含み、かつ第１のバンドギャップを有する第１の半導体材料を含む緩衝層、
− 二元または三元または四元窒素化合物を含み、かつ第２のバンドギャップを有する第２の半導体材料を含む障壁層
であって、
− 第２のバンドギャップは第１のバンドギャップよりも広い、緩衝層および障壁層と、
− 前記緩衝層と前記障壁層との間のヘテロ接合と、
− ｚ軸に垂直なｘｙ平面内かつヘテロ接合の近傍に配置される二次元電子気体と
を含む、積層において、
− 前記緩衝層が、単位体積当たりの密度が１０^１７ｃｍ^−３以上の固定負電荷を含むゾーンを含み、前記ゾーンが２００ｎｍ以下の厚さを有し、固定負電荷の単位体積当たりの密度にゾーンの厚さを乗算した積が１０^１２ｃｍ^−２〜３．１０^１３ｃｍ^−２に含まれることを特徴とする、積層である。

好適には、ゾーンは、固定負電荷を生成するために前記緩衝層に導入されるアクセプタ型不純物を含む。

好適には、アクセプタ型不純物は炭素または鉄またはマグネシウムである。

好適には、熱力学的に平衡な固定負電荷の単位体積当たりの密度は、緩衝層の前記ゾーンＶｆに導入されるアクセプタ型不純物の単位体積当たりの密度にほぼ等しい。

好適には、固定負電荷の単位体積当たりの密度は１０^１８ｃｍ^−３以上であり、ゾーンの厚さは４０ｎｍ以下であり、固定負電荷の単位体積当たりの密度にゾーンの厚さを乗算した積は４×１０^１２ｃｍ^−２以下であり、およびこれらの電荷はヘテロ接合から４０ｎｍ以下の距離に位置している。

好適には、第１の半導体材料はＧａＮを含む。

好適には、第２の半導体材料はＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ、またはＢＧａＡｌＮを含む。

一変型形態によれば、固定負電荷の単位体積当たりの密度は、ｚ軸に沿ってシルクハット状のプロファイルを有する。

別の変型形態によれば、固定負電荷の単位体積当たりの密度は、ｚ軸に沿って台形のプロファイルを有し、前記台形のプロファイルは、第１の上り傾斜、次いで一定値、次いで第２の下り傾斜を有する。

別の変型形態によれば、固定負電荷の単位体積当たりの密度は、ｚ軸に沿ってベル状のプロファイルを有する。

一実施形態によれば、緩衝層は、ＧａＮ材料を主成分とする第１の緩衝層およびＡｌＧａＮ材料を主成分とする第２の緩衝層を含む複合物であり、ゾーンＶｆは第１の緩衝層に含まれている。

別の態様によれば、本発明の主題は、本発明による積層から生成される高電子移動度電界効果トランジスタである。

一実施形態によれば、トランジスタは、ゲート長Ｌｇを有し、ゾーンからのヘテロ接合までの距離はゲート長Ｌｇ以下である。

好適には、固定負電荷の単位体積当たりの密度にゾーンの厚さを乗算した積は、以下の関係：
［Ｆｖ］．ｔ＝（１±０．３）×１０^１３×Ｖ_{ＤＳＭＡＸ}／Ｌｇ
（式中、
Ｌｇは、ｎｍを単位とするトランジスタのゲート長であり、
Ｖ_{ＤＳＭＡＸ}は、ボルトを単位とするトランジスタのソースとドレインとの間に印加された最大電圧であり、および
［Ｆｖ］．ｔは、ｃｍ^−２で表される
を満たす。

本発明の他の特徴、目的および利点は、非限定的な例として示す添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を精査することにより明らかになるであろう。

上述の従来型ＨＥＭＴトランジスタの構造の断面図を概略的に示す。 上述の従来型ＨＥＭＴトランジスタのヘテロ接合の近傍における電荷分布を示す。 良好および劣悪な「ピンチオフ」を有する上述のＨＥＭＴトランジスタの電流／電圧特性を概略的に示す。 電流分散を示す上述の従来技術によるＨＥＭＴトランジスタの挙動を概略的に示す。 複合緩衝層を含む上述の従来技術によるトランジスタの積層を概略的に示す。 本発明によるまたは電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）積層を示す。 本発明による積層内の電荷構造をより正確に示す。 単位体積当たりの固定負電荷密度の各種のプロファイル形状を示す。 単位体積当たりの固定負電荷密度の各種のプロファイル形状を示す。 単位体積当たりの固定負電荷密度の各種のプロファイル形状を示す。 単位体積当たりの固定負電荷密度の各種のプロファイル形状を示す。 導入された不純物のプロファイルと帯電した不純物のプロファイルとの差異を、ゾーンＶｆとヘテロ接合との間の距離ｄの３個の値について概略的に示す。 本発明による積層で生成されたＨＥＭＴトランジスタのＬｏｇ［Ｉ_ＤＳ］＝ｆ（Ｖｇｓ）特性を、ゾーンＶｆとヘテロ接合との間の距離ｄの３個の値について示す。 電流分散をゾーンＶｆとヘテロ接合との間の距離ｄの３個の値について示す。 導入された不純物のプロファイルと帯電した不純物のプロファイルとの差異を、ゾーンＶｆの厚さｔの３個の値について概略的に示す。 複合緩衝層を含む、本発明による積層の一変型形態を示す。

図６は、本発明による高電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）積層１０を示す。

本発明による積層１０は、従来この種の構成要素のために用いられる種類の基板１１上に生成されている。

積層１０は、ｚ軸に垂直なｘｙ平面内の複数の層を含む。慣習的に、積層は「ｚ軸に沿って」積層されていると言われる。

積層１０は、二元または三元窒素化合物を含み、かつ第１のバンドギャップを有する第１の半導体材料を含む緩衝層１２を含む。第１の半導体材料は、通常「広バンドギャップ」半導体材料と呼ばれる。

好適には、第１の半導体材料はＧａＮを含む。一変型形態として、それはＡｌＧａＮ、より正確にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮを含み、ｘは典型的には１％〜３５％に含まれる。緩衝層は基板１１に堆積されている。この層は、導電チャネルが形成される障壁層との界面の材料に対して良好な結晶品質を保証するために十分に厚い。

積層はまた、二元または三元または四元窒素化合物を含み、かつ第２のバンドギャップを有する第２の半導体材料を含む障壁層１３を含む。

一変型形態によれば、障壁層はＡｌＮを含む。

第２の変型形態によれば、障壁層は好適には、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＮ、より正確にはＡｌ_ｘＧａ_１−ｘＮまたはＩｎ_ｙＡｌ_１−ｙＮを含み、ｘは典型的には１５％〜３５％に含まれ、ｙは典型的には１５％〜２５％に含まれる。

第３の変型形態によれば、障壁層は、ＢＡｌＧａＮまたはＩｎＧａＡｌＮを含む。

第２のバンドギャップは、ＨＥＭＴトランジスタ積層の従来型構造に応じて、第１のバンドギャップよりも広い。

積層は、ＨＥＭＴトランジスタ積層の従来型構造に応じて、緩衝層１２と障壁層１３との間のヘテロ接合１５、およびｚ軸に垂直なｘｙ平面内かつヘテロ接合１５の近傍に配置される二次元電子気体９を含む。

好適には、緩衝および障壁層１２、１３の材料は、ガリウム（Ｇａ）を主成分とするＨＥＭＴトランジスタの製造に従来用いられる半導体である。

緩衝層と基板との間、または緩衝層と障壁層との間に中間層が挿入され得るが、簡潔のため本明細書では記述しない。

本発明による積層の緩衝層１２は、従来技術のＨＥＭＴトランジスタに従いゲート、ソースおよびドレイン構造を堆積させることにより、本発明による積層１０から製造されるＨＥＭＴトランジスタの性能を向上させるために最適化された特定の構造を有する。

本発明による積層の緩衝層１２は、緩衝層の特定の位置にある固定負電荷を含むゾーンＶｆを含む。「固定負電荷」という表現は、非可動電荷（これに関連して、可動電荷は電子または正孔を意味する）を意味するものと理解され、可動という用語は半導体物理学の分野において慣習的な意味で理解されたい。ゾーンＶｆは、ｘｙ平面内において延在し、ヘテロ接合から距離ｄに位置して、厚さｔを有する。

図７は、本発明による積層内の電荷の分布および性質をより正確に示す。電荷の固定された性質は電荷を囲む長方形により表され、一方、可動性質は楕円形により表されている。

上述のように、圧電効果に起因して、固定正電荷７１の単位面積当たりの密度σ＋はヘテロ接合の近傍に存在し、同じくヘテロ接合に近接して位置する移動負電荷ｅｍは、ＨＥＭＴのトランジスタ動作の基となる二次元電子気体を形成する。チャネル内の電子ｅｍの単位面積当たりの密度は、典型的には約０．５〜３×１０^１３ｃｍ^−２である。

本発明による積層のゾーンＶｆは固定負電荷７０を含む。

これらの固定負電荷は単位体積当たりの密度［Ｆｖ］を有し、慣習的にｃｍ^−３で表される。

本発明者らは多くの実験およびシミュレーションを行った後、良好な動作を保証するパラメータ［Ｆｖ］の範囲およびゾーンＶｆのｔを決定し、上述のような積層上に生成されるＨＥＭＴトランジスタにおいて特に良好な「ピンチオフ」および低い電流分散（遅延効果）が得られる。この良好な動作はまた、従来技術による積層に伴う短所、例えば発生する電力の低下、効率の低下、線形性の低下等が緩和され、または更には除去されることを意味する。

本発明の全般的な発想は、所望の動作周波数および電圧で良好な伝達特性を得るのにまさに十分な量の固定負電荷を緩衝層１２に導入することである。２Ｄ電子気体に関して電荷の量および位置を制御することにより、
− 線形性（分散効果）の劣化および利用可能な電力および効率の低下に至る望ましくない捕捉効果を生じることなくチャネル内に電子を良好に閉じ込めること、
− 例えばＧａＮ製の緩衝層の熱伝導率の劣化を防ぐこと
が可能になる。

パラメータ［Ｆｖ］およびｔは、本発明による積層１０から生成されたＨＥＭＴトランジスタの動作に影響を及ぼす物理量に関する。

第１の物理量は、ゾーンＶｆの存在に起因して生じる電界Ｅである。

ヘテロ接合１５とゾーンＶｆとの間に生じるｚ軸Ｅｚに沿った電界Ｅは、以下の関係：
ｄｉｖＥｚ＝ｑ．［Ｆｓ］／（ε_０．ε_ｒ）
（式中、
ｑは電子に掛かる電荷であり、ε_０は真空の誘電率であり、ε_ｒは緩衝層の相対誘電率であり、［Ｆｓ］はチャネル内の可動電荷ｅｍから「見える」単位面積当たりの負電荷密度（ｃｍ^−２で表される）である）
［Ｆｓ］≒［Ｆｖ］．ｔ
を満たす。

負電荷のゾーンＶｆにより生じる電界Ｅｚの存在は、チャネル内に電子を閉じ込める効果を有しているため、「良好なピンチオフ」が得られる。

従って、本発明者らは、この電界Ｅｚが電子を閉じ込める程度に十分であるためには量［Ｆｖ］およびｔが以下の範囲に含まれなければならないことを示した。
［Ｆｖ］≧１０^１７ｃｍ^−３
ｔ≦２００ｎｍ
１０^１２ｃｍ^−２≦［Ｆｖ］．ｔ≦３×１０^１３ｃｍ^−２

パラメータ［Ｆｖ］．ｔは、最適かつ界面１５に近接して配置する必要がある負電荷の量を表す。

本発明の利点の１つは、導入する負電荷の位置および量により、緩衝層全体にアクセプタ型不純物を「添加」する方式に比べて電力の損失を抑制しながら、電子を確実に閉じ込めるためにまさに十分な電荷量を導入できる点である（この量は更に、後述のように動作電圧およびゲート長に依存する）。

後述のように低い電流分散を保証するために、記載される範囲もまた満たされなければならない。

ｚ軸に沿った単位体積当たりの固定負電荷密度のプロファイルは任意の形状でよく、この形状は、作用する物理的効果に対して一次的な影響を及ぼさない。

図７は、一定値Ｆｖ０のシルクハット状のプロファイルを示す。

最小値Ｎｒは、従来技術で「補償された」緩衝層と呼ばれる緩衝層１２内の固定負電荷の残留密度に対応している。この場合、緩衝層全体が、ドナー型不純物の濃度に比べて１０^１５ｃｍ^−３よりも高く、かつ残留密度Ｎｒに対応する過剰濃度のアクセプタ型不純物を含む。

図８（図８ａ〜８ｄ）は、本発明による単位体積当たりの密度［Ｆｖ］の各種の形状を示す。

図８ａは、第１の上り傾斜８１、次いで一定値Ｆｖ０、次いで第２の下り傾斜８２を有する台形のプロファイルを示す。図８ｂは、第１の上り傾斜、一定値、および第２の切り立った傾斜を有するプロファイルを示す。図８ｃは、第１の切り立った傾斜、一定値、および第２の下り傾斜を有するプロファイルを示す。図８ｄは、ベル状のプロファイルを示す。

本発明による積層１０は、上述の条件を満たす厚さｔに含まれる単位体積当たりの電荷密度に対応する他の任意の種類のプロファイルを有し得る。所与のプロファイルに対して、厚さｔは、最大値と残留値との間で半最大値となる点において評価され得る。ヘテロ接合１５までの距離ｄは、ヘテロ接合１５側における半最大値の点に対応する点８３に関して評価され得る。

好適には、緩衝層１２に位置する固定負電荷７０は、緩衝層１２内に導入されたアクセプタ型不純物Ａから得られる。

これらのアクセプタ型原子は、好適には、炭素もしくは鉄、またはマグネシウムもしくはベリリウム、またはＧａＮもしくはＡｌＧａＮのアクセプタ中心であることが知られている任意の種類の不純物である。

これらの不純物は例えば、緩衝層１２のエピタキシャル成長条件を変化させることにより、または緩衝層１２の成長中にこれらの不純物を意図的に導入することにより導入される。

これらの不純物Ａは深中心を形成するため、従来の用語の意味でのドーピング機能を実行しない。

これらのアクセプタ型不純物は、ヘテロ接合１５の近傍に配置される電荷平面σ＋内に形成された固定正電荷７１と静電相互作用し、それらのイオン化の程度はこのヘテロ接合１５までの距離ｄ、および緩衝層を構成する材料のバンドギャップ内における位置に依存する。

本発明による積層から生成されるＨＥＭＴトランジスタの動作に影響を及ぼす第２の物理量は次式で定義され、図９に示すパラメータΔである。

（ｃｍ^−２）
式中、［Ａ］は緩衝層１２に導入されたアクセプタ型の不純物Ａの単位体積当たりの密度（欠陥とも表記する）である。従って、［Ａ］＝［Ｆｖ］である。また［Ａ⁻］は静電相互作用（深中心による電子の捕捉に続く欠陥のイオン化）により「帯電」または「イオン化」された不純物の単位体積当たりの密度であり、各々の「帯電」された不純物は静電相互作用により「設定」された固定負電荷に対応している。

以下に、量Δの物理的意味を説明するが、そのために用語「設定済」および「未設定」の意味を指定する。

アクセプタ中心には２個の可能な状態がある。すなわち、電子に占められているため負に帯電しているか、または空であって中性である場合である。中心の占有度合（すなわち電子により占められる中心の個数、従って中心に関連付けられた負電荷の量）は動作条件（周波数、温度および電圧）に依存する。その結果、電力レベルは動作条件に依存する。

これらの不純物はトランジスタの動作温度（典型的には２５℃〜２５０℃）で深中心であるため、これらの中心が平衡状態に達するのに要する時間は、トランジスタの特性動作時間（約１ｎｓ〜１０ｐｓ毎に周期的に変化する電圧に対応する典型的には約１ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの動作周波数）よりも長い。

従って、これらの中心は、印加された信号には直ちに応答しない。すなわち、これらの不純物が担持する負電荷、従って電力で電流レベルは時間および各種の印加電圧に依存する。従って、信号は、時刻ｔで印加された信号とは独立に時間の経過に伴い変化し、線形性が低下することが分かる。

しかし、これらの不純物が界面に十分近い場合、静電相互作用により、これらの不純物の一部（界面に最も近いもの）が、トランジスタに印加された電圧に依らず帯電するであろう。その状態は従って、トランジスタの動作条件にはもはや依存しない。従ってより線形なトランジスタ動作およびより小さい分散効果が得られる。量Δはこれらの分散効果を定量化する。すなわち、それは、状態が動作条件に依存する固定負電荷の個数を表す。

従って、これに関連して用語「設定済」は、アクセプタ中心の状態が動作条件に依存しないことを意味し、用語「未設定」はアクセプタ中心の状態が動作条件に依存することを意味する。

量Δは、ピンチオフ（従ってトランジスタの利得）を向上させるために緩衝層に導入された不純物（本明細書では負の不純物）の個数から、圧電電荷の存在により状態が「設定済」である不純物の個数を減算した値として定義される。Δは従って、電荷の状態が動作条件（温度、周波数、電圧）に応じて変化する残留未設定不純物を表す。換言すれば、Δは、電子を捕捉しない（すなわち「未設定」）、かつ状態が動作条件に依存する単位面積当たりの不純物の個数を表す。これらの中心は従って、潜在的に電子を捕捉することが可能であり、電子を捕捉するアクセプタ中心の量は動作条件に依存する。

図９のプロファイル９１（実線）は初期プロファイル［Ａ］に対応し、プロファイル９２（破線）はプロファイル［Ａ⁻］に対応している。

２個のプロファイルの差異は、図９のハッチングされた領域Δに対応している。

プロファイル［Ａ］を計算するシミュレーションが、ヘテロ接合１５までの距離ｄの３個の値ｄ１＝２５ｎｍ、ｄ２＝７５ｎｍ、ｄ３＝１４０ｎｍについて、かつ以下の仮定に基づいて行われた。単位体積当たりの密度［Ａ］＝１０^１８ｃｍ^−３で緩衝層に導入され、シルクハット状のプロファイルを有しかつ厚さがｔ＝４０ｎｍであるゾーンＶｆを形成するアクセプタ型不純物であり、緩衝層を構成する材料のバンドギャップ内でのエネルギー準位Ｅ_ＴがＥ_Ｔ＝Ｅ_Ｖ＋０．９ｅＶであった。

また、積層上に生成されたトランジスタのゲート長Ｌｇは本例では１５０ｎｍであり、「短い」ゲートと呼ばれるものに対応している。各種の対象用途でゲートサイズは典型的には４μｍ未満でなければならない。本発明者らは、トランジスタの性能がゾーンＶｆのヘテロ接合までの距離ｄに依存し、かつこの依存性がゲートＬｇの容積に依存することを示した。

ＨＥＭＴトランジスタにバイアスが掛かっている（このケースではＶ_ＧＳ＝−３ＶおよびＶ_ＤＳ＝４０Ｖ）場合、最初は帯電していなかった不純物（Δ）が帯電する。Ｖ_ＧＳ＝−３ＶおよびＶ_ＤＳ＝４０Ｖに復帰する間、これらの不純物は深中心であるため、トランジスタの動作周波数で帯電したままである。従って、静電効果により負電荷が設定されない不純物は、電圧印加により変更される状態を有する。この変更により、電流、従って利用可能な電力の変化が生じる（トランジスタにバイアスを掛ける電圧の増大または減少に応じて減少または増大する）。

未設定電荷（従って電流分散）の個数が、ゾーンＶｆから原点Ｏに位置するヘテロ接合までの距離に応じて増加することが図９から分かる。

また、所与の距離ｄに対して、これらの電荷がヘテロ接合１５と反対側に現れることも分かる。具体的には、ヘテロ接合の側では、不純物は固定された正電荷により近く、従って単位面積当たりの密度σ＋を有する静電相互作用がより強く、電荷の状態の設定を可能にする。

図９に示す例（トランジスタのドレインに印加された最大電圧が４０Ｖ）において、物理的なシミュレーションにより以下が示される。
Δ１≒０．１×１０^１２ｃｍ^−２
Δ２≒１．９×１０^１２ｃｍ^−２
Δ３≒２．７×１０^１２ｃｍ^−２

図１０は、Ｉ_ＤＳ＿_ＱＰ＝１００ｍＡ／ｍｍ（本例ではＶ_ＧＳ＿_ＭＡＸ＝−６Ｖ）およびＶ_ＤＳ＿_ＱＰ＝の２０Ｖ（Ｖ_{ＤＳ＿ＭＡＸ}＝２×Ｖ_ＤＳ＿_ＱＰ＝４０Ｖ）である静止点（ＱＰ）、および先の３個の距離に生成されたゾーンＶｆに対して、本発明による上述の積層に生成されたＨＥＭＴトランジスタのＬｏｇ［Ｉ_ＤＳ］＝ｆ（Ｖ_ＧＳ）特性を示す。特性がｄ１＝２５ｎｍでは極めて良好、ｄ２＝７５ｎｍでは若干不良、ｄ３＝１４０ｎｍでは劣悪であることが分かる。

図１１は、上述の３つのケースについて説明した電流分散を示す。ｄが増大するに従い、この分散も増大することが分かる。

従って、典型的に２００ｎｍより短い長さＬｇの「短い」ゲートの場合、ヘテロ接合１５から距離ｄ＜１００ｎｍに位置するゾーンＶｆで良好なトランジスタ動作が得られる。

距離ｄが長過ぎる場合、未設定の閉じ込められた電荷が多くなり過ぎるため、全体が均一にｐドーピングされた緩衝層に対して本発明者らが観察したのと同様の効果（劣悪なピンチオフおよび電流分散）が観察される。距離ｄが長過ぎる場合もまた電子を閉じ込める電界Ｅｚを弱める。

図１２は、シルクハット状のプロファイルを有し、単位体積当たりの密度［Ａ］＝１０^１８ｃｍ^−３のアクセプタ型不純物を含み、緩衝層を構成する材料のバンドギャップ内でのエネルギー準位Ｅ_ＴがＥ_Ｔ＝Ｅ_Ｖ＋０．９ｅＶであるゾーンＶｆの厚さｔの関数として、パラメータΔの変動を示す。

ｔの値が増大（３８ｎｍから９０ｎｍまで）するほど、Δ増加の値も増大する。トランジスタが良好な動作を維持する最大厚さｔ値もまた、導入された不純物の密度［Ａ］およびヘテロ接合ｄまでの距離に依存する。

図９〜１２と共に提示した上述の考察から、本発明による積層に生成されたトランジスタで可能な最も線形性の高い動作を得、かつトランジスタの電力および効率の損失を減少させるため、パラメータΔの最小化を図るべきであることが明らかであろう。

０に近いΔの値は、固定負電荷の単位面積当たりの密度

が、緩衝層１２のゾーンＶｆに導入されたアクセプタ型不純物の単位面積当たりの密度

にほぼ等しい状況に対応している。

最適状態は、以下のようなΔの値に対応している。
Δ≦１０^１２ｃｍ^−２

これを実現するには、十分に高い不純物の単位体積当たりの濃度［Ｆｖ］を（所与の積［Ｆｖ］．ｔに対して、この層の厚さｔを可能な限り薄くするために）界面１５から十分短い距離ｄに配置して全ての導入された不純物が設定状態（全てのドーパントがイオン化され、全ての予想される動作条件下でそのままである）の電荷を有するようにしなければならない。この状況において、相互コンダクタンスｇｍおよび電流における分散は時間の経過に伴い減少し、これは信号の線形態様が重要である用途において利点がある。

この条件は例えば、本発明によるＨＥＭＴトランジスタ用積層により以下のように満たされる。
［Ｆｖ］≧１０^１８ｃｍ^−３
ｔ≦４０ｎｍ
［Ｆｖ］．ｔ≦４×１０^１２ｃｍ^−２
およびｄ≦４０ｎｍ

第１の近似値までは、上述の好適な条件は、積層から生成されるトランジスタのゲート長Ｌｇからは独立している。

別の態様によれば、本発明は、本発明による積層から生成される高電子移動度電界効果トランジスタに関する。

また、本発明者らは、多くの実験およびシミュレーションに従って、本発明による、すなわち所望の用途に応じて本発明による積層から生成されたＨＥＭＴトランジスタの寸法に関して満たすべき好適な条件を決定した。

トランジスタの動作中、「ピンチオフ」を向上させるために緩衝層に導入された不純物の一部は負に電荷する。これらの固定電荷は、中性状態（捕捉された電子が存在しない）から負に帯電した状態（深中心による電子の捕捉）へ移行する不純物に対応している。電子を捕捉する不純物の量は、動作条件（温度、周波数、電圧）およびこれらの不純物のプロファイルの特性（ｄ、ｔ、および［Ｆｖ］）に依存する。

本発明者らは、距離ｄが、本発明によるトランジスタのゲート長Ｌｇ以下である、すなわちｄ≦Ｌｇである場合に良好なトランジスタ動作が好適に得られることを示した。

シミュレーションにより、積層内に生成される固定電荷の単位面積（ｃｍ^２）当たりの密度を与える半経験的関係を、ゲート長Ｌｇとドレインに印加される最大電圧Ｖ_{ＤＳＭａｘ}との関数として確定することは可能である。この関係は、５０ｎｍ〜４μｍに含まれるゲート長Ｌｇ、および数ｋＶ（最も長いゲートに対して）までの電圧Ｖ_{ＤＳＭａｘ}の場合に、最大３×１０^１３／ｃｍ^２までのチャネル内電子密度についてのシミュレーションにより、以下のように検証された。
［Ｆｖ］．ｔ＝［Ｆｓ_ｏｐｔ］＝（１±０．３）×１０^１３×Ｖ_{ＤＳＭＡＸ}／Ｌｇ（第１の関係）
ここで、［Ｆｓ_ｏｐｔ］はｃｍ^−２、Ｌｇはｎｍ、およびＶ_{ＤＳＭＡＸ}はＶを単位とし、
例えば、最大動作電圧Ｖ_{ＤＳＭＡＸ}が４０Ｖ、ゲート長が１５０ｎｍの場合、以下を実現することが必要である。
［Ｆｓｏｐｔ］＝（１±０．３）×１０^１３×４０Ｖ／１５０ｎｍ
すなわち約（２．７±０．８）×１０^１２個の固定電荷／ｃｍ^２

以下の三例において、Δ≒０、すなわちΔ＜１０^１２／ｃｍ^２のケース（信号分散の観点から最も望ましいケース）を考える。更に、ｔ＝４０ｎｍ、かつ［Ｆｖ］＝１０^１８ｃｍ^−３、すなわち、［Ａ］＝［Ｆｖ］．ｔ＝４×１０^１２ｃｍ^２である。

関係１は、最適化が求められるパラメータ（ゲート長または最大動作電圧）に応じて２つの均等な形式で書くことができる。
電圧の場合、
Ｖ_ＭＡＸ＝Ｌｇ×（［Ｆｖ］＊ｔ）／（（１±０．３）×１０^１３）（第２の関係）
ゲート長の場合、
Ｌｇ＝Ｖ_ＭＡＸ×（（１±０．３）×１０^１３）／（［Ｆｖ］＊ｔ）（第３の関係）
− ３０ＧＨｚにおける衛星通信用途
これらの用途において、ゲート長は５０ｎｍ〜１５０ｎｍに含まれる。第２の関係を用いて以下が見出された。
− ゲート長Ｌｇ＝５０ｎｍの場合、Ｖ_ＭＡＸ≒１５Ｖ〜２８Ｖ
− ゲート長Ｌｇ＝１５０ｎｍの場合、Ｖ_ＭＡＸ≒４５Ｖ〜８５Ｖ
− エンベロープ追跡型通信用途
このケースでは、６０Ｖで動作可能な最短ゲート（最短切換時間）得ることが望ましい。第３の関係を用いて次式が得られた。
Ｌｇ＝Ｖ_ＭＡＸ×（１±０．３）×１０^１３／（［Ｆｖ］＊ｔ）＝６０×（１±０．３）×１０^１３／（４×１０^１２）≒１００ｎｍ〜２００ｎｍ
− 自動車電力切換用途
この場合、トランジスタは６５０Ｖ〜１３００Ｖの電圧に耐えられることが望ましい。従ってゲート長は以下のようでなければならない。
− ６５０Ｖの場合
Ｌｇ＝Ｖ_ＭＡＸ×（１±０．３）×１０^１３／（［Ｆｖ］＊ｄ）＝６５０×（１±０．３）×１０^１３／（４×１０^１２）
≒１μｍ〜２μｍ
− １３００Ｖの場合
Ｌｇ＝Ｖ_ＭＡＸ×（１±０．３）×１０^１３／（［Ｆｖ］＊ｄ）＝１３００×（１±０．３）×１０^１３／（４×１０^１２）≒２μｍ〜４μｍ

本発明による積層は、ＧａＮ材料を主成分とする第１の緩衝層およびＡｌＧａＮ材料を主成分とする第２の緩衝層を含む複合緩衝層１２の使用と互換性を有する。

ＧａＮとＡｌＧａＮとの間の界面を５０で示す（図５参照）。本発明によるゾーンＶｆの存在により、ＡｌＧａＮ材料内のアルミニウムの割合を例えば５％未満に減らすことができ、これは第２の緩衝層の熱抵抗の増大を抑える利点がある。

図１３に示す好適な一変型形態によれば、ゾーンＶｆは第１の緩衝層内に含まれている。

別の変型形態によれば、ゾーンＶｆは第２の緩衝層内に含まれている。

別の変型形態によれば、ゾーンＶｆは界面５０を含む。

Claims (12)

1. 高電子移動度電界効果トランジスタ用のｚ軸に沿った積層（１０）から生成される高電子移動度電界効果トランジスタであって、
   前記積層（１０）は、
   − 二元または三元または四元窒素化合物を含み、かつ第１のバンドギャップを有する第１の半導体材料を含む緩衝層（１２）と、
   − 二元または三元または四元窒素化合物を含み、かつ第２のバンドギャップを有する第２の半導体材料を含む障壁層（１３）
   であって、
   − 前記第２のバンドギャップが前記第１のバンドギャップよりも広い、緩衝層（１２）および障壁層（１３）と、
   − 前記緩衝層（１２）と前記障壁層（１３）との間のヘテロ接合（１５）と、
   − 前記ｚ軸に垂直なｘｙ平面内かつ前記ヘテロ接合（１５）の近傍に配置される二次元電子気体（９）と
   を備え、
   − 前記緩衝層（１２）が、単位体積当たりの密度（［Ｆｖ］）が１０^１７ｃｍ^−３以上の固定負電荷（７０）を含むゾーン（Ｖｆ）を含み、前記ゾーン（Ｖｆ）が２００ｎｍ以下の厚さ（ｔ）を有し、前記固定負電荷の単位体積当たりの密度（［Ｆｖ］）に前記ゾーン（Ｖｆ）の前記厚さ（ｔ）を乗算した積が１０^１２ｃｍ^−２〜３．１０^１３ｃｍ^−２に含まれ、
   前記固定負電荷の単位体積当たりの密度（［Ｆｖ］）に前記ゾーン（Ｖｆ）の前記厚さ（ｔ）を乗算した前記積が、以下の関係：
   ［Ｆｖ］．ｔ＝（１±０．３）×１０^１３×Ｖ_{ＤＳＭＡＸ}／Ｌｇ
   （式中、
   Ｌｇは、ｎｍを単位とする前記トランジスタのゲート長であり、
   Ｖ_{ＤＳＭＡＸ}は、ボルトを単位とする前記トランジスタのソースとドレインとの間に印加された最大電圧であり、および
   ［Ｆｖ］．ｔは、ｃｍ^−２で表される）
   を満たすことを特徴とする、高電子移動度電界効果トランジスタ。
2. 前記ゾーン（Ｖｆ）が、前記固定負電荷（７０）を生成するために前記緩衝層（１２）に導入されるアクセプタ型不純物（Ａ）を含む、請求項１に記載のトランジスタ。
3. 前記アクセプタ型不純物が炭素または鉄またはマグネシウムである、請求項２に記載のトランジスタ。
4. 固定負電荷の単位面積当たりの密度（
   

   

   ）が、前記緩衝層（１２）の前記ゾーン（Ｖｆ）に導入されるアクセプタ型不純物（
   

   

   ）の単位面積当たりの密度にほぼ等しい、請求項１〜３のいずれか一項に記載のトランジスタ。
5. 前記固定負電荷の単位体積当たりの密度（［Ｆｖ］）が１０^１８ｃｍ^−３以上であり、前記ゾーン（Ｖｆ）の前記厚さ（ｔ）が４０ｎｍ以下であり、前記固定負電荷の単位体積当たりの密度（［Ｆｖ］）に前記ゾーン（Ｖｆ）の前記厚さ（ｔ）を乗算した前記積が４×１０^１２ｃｍ^−２以下であり、および前記ゾーン（Ｖｆ）から前記ヘテロ接合（１５）までの距離（ｄ）が４０ｎｍ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のトランジスタ。
6. 前記第１の半導体材料がＧａＮを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載のトランジスタ。
7. 前記第２の半導体材料がＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ、またはＢＡｌＧａＮを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載のトランジスタ。
8. 前記固定負電荷の単位体積当たりの密度（［Ｆｖ］）が、前記ｚ軸に沿ってシルクハット状のプロファイルを有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のトランジスタ。
9. 前記固定負電荷の単位体積当たりの密度（［Ｆｖ］）が、前記ｚ軸に沿って台形のプロファイルを有し、前記台形のプロファイルが、第１の上り傾斜、次いで一定値、次いで第２の下り傾斜を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のトランジスタ。
10. 前記固定負電荷の単位体積当たりの密度（［Ｆｖ］）が、前記ｚ軸に沿ってベル状のプロファイルを有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載のトランジスタ。
11. 前記緩衝層（１２）が、ＧａＮ材料を主成分とする第１の緩衝層およびＡｌＧａＮ材料を主成分とする第２の緩衝層を含む複合物であり、前記ゾーン（Ｖｆ）が前記第１の緩衝層に含まれている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のトランジスタ。
12. ゲート長（Ｌｇ）を有し、前記ゾーン（Ｖｆ）から前記ヘテロ接合までの距離（ｄ）が前記ゲート長（Ｌｇ）以下である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のトランジスタ。

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