(57)【要約】【課題】高周波特性を改善する。【解決手段】ＩＩＩ族窒化物系高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）１０は、ＧａＮバッファ層２６を備えており、Ｇａｎバッファ層２６上にＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝１又は≒１）層２８がある。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）バリア層３０が、ＧａＮバッファ層２６の反対側でＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２８上にあり、該層２８のＡｌ濃度は、バリア層３０よりも高い。ＧａＮバッファ層２６とＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２８との間の界面に２ＤＥＧ３８が形成されている。バリア層３０上に、ソース、ドレイン、及びゲート・コンタクト３２、３４、３６が形成されている。また、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２８の反対側において、バッファ層２６に隣接する基板２２も含み、ＧａＮバッファ層２６と基板２２との間に、核生成層２４を含むことができる。
2005509274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）（２０）であって、
ＧａＮバッファ層（２６）と、
ＧａＮバッファ層（２６）上のＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（２８）と、
ＧａＮバッファ層（２６）の反対側で、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（２８）上にあるＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層（３０）であって、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（２８）のＡｌ含有量が、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層（３０）のＡｌ含有量よりも多い、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層（３０）と、
ＧａＮバッファ層（２６）とＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（２８）との間のインターフェースにある２ＤＥＧと、
からなることを特徴とする高電子移動度トランジスタ。
【請求項２】
請求項１記載のＨＥＭＴにおいて、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（２８）は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝１又は≒１）からなることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項３】
請求項１記載のＨＥＭＴにおいて、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層（３０）は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）からなることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項４】
請求項１記載のＨＥＭＴにおいて、該ＨＥＭＴは更に、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層（３０）上に、ソース、ドレイン、及びゲート・コンタクト（３２、３４、３６）を備えていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項５】
請求項１記載のＨＥＭＴにおいて、該ＨＥＭＴは更に、バッファ層（２６）に隣接して、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（２８）の反対側に基板（２２）を備えており、該基板（２２）が、サファイア、炭化珪素、窒化ガリウム、及びシリコンからなる群からの材料で作られていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項６】
請求項１記載のＨＥＭＴにおいて、該ＨＥＭＴは更に、ＧａＮバッファ層（２６）と基板（２２）との間に、核生成層（２４）を備えていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項７】
請求項４記載のＨＥＭＴにおいて、ソース及びドレイン・コンタクト（３２、３４、３６）は、チタン、アルミニウム、及びニッケルからなる群からの合金で作られていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項８】
請求項４記載のＨＥＭＴにおいて、ゲート（３６）は、チタン、プラチナ、クローム、チタン及びタングステンの合金、並びに珪化プラチナからなる群からの材料で作られていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項９】
請求項１記載のＨＥＭＴにおいて、ＧａＮバッファ層（２６）の厚さは、約５μｍ未満であることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項１０】
請求項１記載のＨＥＭＴにおいて、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（２８）の厚さは、約５０Å未満であることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項１１】
請求項１記載のＨＥＭＴにおいて、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層（３０）の厚さは、約１００〜１０００Åであることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項１２】
請求項４記載のＨＥＭＴにおいて、ゲート・コンタクト（３６）の下の抵抗は、ソース及びドレイン・コンタクト（３２、３４）の下の抵抗よりも大きいことを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項１３】
請求項４記載のＨＥＭＴにおいて、バリア層（２６）は、ゲート・コンタクト（３６）の下では薄くなっていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項１４】
請求項１記載のＨＥＭＴにおいて、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層（３０）及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（２８）は、ディジタル的に製作されることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項１５】
ＩＩＩ族窒化物系の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）（１０）であって、
半導体バッファ層（２６）と、
半導体バッファ層（２６）上の高分極半導体層（２８）と、
高分極半導体層（２８）上にある半導体バリア層（３０）であって、半導体バッファ層（２６）との間で高分極半導体層を挟持するようにしており、層の各々が、同じ方向を向いた全体としてゼロではない分極を有し、高分極半導体層（２８）における分極の大きさが、半導体バッファ及び半導体バリア層（２６、３０）の分極よりも大きい、半導体バリア層（３０）と、
半導体バッファ層（２６）と高分極半導体層（２８）との間の界面にある二次元電子ガス（３８）と
からなることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項１６】
請求項１５記載のＨＥＭＴにおいて、該ＨＥＭＴは更に、半導体バリア層（３０）と接触する、ソース、ドレイン、及びゲート・コンタクト（３２、３４、３６）を備えていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項１７】
請求項１５記載のＨＥＭＴにおいて、該ＨＥＭＴは更に、半導体バッファ層（２６）に隣接して、高分極半導体層（２８）の反対側に基板（２２）を備えており、該基板（２２）が、サファイア、炭化珪素、窒化ガリウム、及びシリコンからなる群からの材料で作られていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項１８】
請求項１５記載のＨＥＭＴにおいて、該ＨＥＭＴは更に、ＧａＮバッファ層（２６）と基板（２２）との間に、核生成層（２４）を備えていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項１９】
請求項１５記載のＨＥＭＴにおいて、半導体バッファ層（２６）はＧａＮで作られていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項２０】
請求項１５記載のＨＥＭＴにおいて、半導体バッファ層（２６）の厚さは、５μｍ未満であることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項２１】
請求項１５記載のＨＥＭＴにおいて、高分極半導体層（２８）は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝１、又は≒１）で作られていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項２２】
請求項１５記載のＨＥＭＴにおいて、高分極半導体層（２８）の厚さは、５０Å未満であることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項２３】
請求項１５記載のＨＥＭＴにおいて、バリア層（３０）は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）で作られていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項２４】
請求項１５記載のＨＥＭＴにおいて、バリア層（３０）の厚さは、１００〜１０００Åであることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項２５】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）（１０）であって、
ＩＩＩ族窒化物からなる半導体材料の最下層（２６）と、
最下層（２６）上にある、ＩＩＩ族窒化物からなる半導体材料の中間層（２８）と、
最下層（２６）の反対側で、中間層（２８）上にあるＩＩＩ族窒化物からなる半導体材料の最上層（３０）であって、中間層（２８）のＩＩＩ族材料の濃度が、最下層及び最上層（２６、３０）よりも高い、最上層（３０）と、
中間及び最下層（２８、２６）間の界面にある２ＤＥＧ（３８）と
を備えていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項２６】
請求項２５記載のＨＥＭＴにおいて、該ＨＥＭＴは更に、最上層（３０）と接触するソース、ドレイン、及びゲート・コンタクト（３２、３４、３６）を備えていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項２７】
請求項２５記載のＨＥＭＴにおいて、該ＨＥＭＴは更に、中間層の反対側に、最下層（２６）に隣接する基板（２２）を備えていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項２８】
請求項２５記載のＨＥＭＴにおいて、該ＨＥＭＴは更に、最下層（２６）と基板（２２）との間に核生成層（２４）を備えていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項２９】
請求項２５記載のＨＥＭＴにおいて、最下層（２６）は、厚さが５μｍ未満のＧａＮで作られていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項３０】
請求項２５記載のＨＥＭＴにおいて、中間層（２８）は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝１、又は≒１）で作られており、厚さが５０Å未満であることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項３１】
請求項２５記載のＨＥＭＴにおいて、最上層（３０）は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦０．５）で作られており、厚さが１００〜１０００Åであることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項３２】
請求項２６記載のＨＥＭＴにおいて、ゲート・コンタクト（３６）の下の抵抗は、ソース及びドレイン・コンタクト（３２、３４）の下の抵抗よりも大きいことを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項３３】
請求項２６記載のＨＥＭＴにおいて、最上層（３０）は、ゲート・コンタクト（３６）の下では薄くなっていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【請求項３４】
請求項２５記載のＨＥＭＴにおいて、中間及び最上層（２８、３０）は、ディジタル的に製作されていることを特徴とするＨＥＭＴ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波ソリッド・ステート・トランジスタに関し、更に特定すれば、ＩＩＩ族窒化物系の高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＨＥＭＴは、通常、シリコン（Ｓｉ）又はガリウム砒素（ＧａＡｓ）のような半導体材料で製作される、一般的なソリッド・ステート・トランジスタの一種である。Ｓｉの欠点の１つに、電子移動度が低く（約１４５０ｃｍ２／Ｖ−ｓ）、ソース抵抗が高くなることがあげられる。この抵抗は、Ｓｉ系ＨＥＭＴの高性能利得を低下させる虞れがある。［CRC Press, The Electrical Engineering Handbook（電気設計ハンドブック, 第２版、Dorf, p.994 (1997)］
ＧａＡｓを基礎とするＨＥＭＴは、民生用及び軍需用レーダ、セルラ用送受機、及び衛星通信における信号増幅の標準となっている。ＧａＡｓは、Ｓｉよりも高い電子移動度（約６０００ｃｍ２／Ｖ−ｓ）及び低いソース抵抗を有するので、ＧａＡｓ系デバイスは、より高い周波数で機能することができる。しかしながら、ＧａＡｓのバンドギャップは比較的小さく（常温において１．４２ｅＶ）、降伏電圧も比較的低いため、ＧａＡｓ系ＨＥＭＴは高周波数において高い電力を発生することができない。
【０００３】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ半導体材料の製造における改良は、高周波、高温及び高電力用途用のＡｌＧａＮ／ＧａＮの開発に関心が集中している。ＡｌＧａＮ／ＧａＮは、大きなバンドギャップ、高いピーク及び飽和電子速度値を有する［B. Belmont, K. Kim及びM. Shur, J.Appl.Phys. 74, 1818 (1993)］。ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴは、１０１３／ｃｍ２超において２ＤＥＧの面密度、及び比較的高い電子移動度（２０１８ｃｍ２／Ｖｓまで）を有することができる［R. Gaska, J.W. Yang, A. Osinsky, Q. Chen, M.A. Khan, A.O. Orlov, G.L. Snider 及びM.S. Shur, Appl. Phys.Lett., 72, 707 (1998)］。これらの特性により、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴは、高周波数において高い電力を得ることができる。
【０００４】
ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴは、サファイア基板上に成長され、４．６Ｗ／ｍｍの電力密度、及び７．６Ｗの総電力を示している［Y.F. Wu et al., IEICE Trans.Electrons., E-82-C, 1895 (1999)］。更に最近になって、ＳｉＣ上に成長させたＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴが、８ＧＨｚにおいて９．８Ｗ／ｍｍの電力密度を示しており［Y.F. Wu, D. Kaplnek, J.P.Ibbetson, P.Parikh, B.P. Keller及びU.K. Mishra, IEEE TransElectron.Dev., 48, 586 (2001)］、更に９ＧＨｚにおいて２２．９の総出力電力を示している［M. Micovic, A Kurdoghlian, P. Janke, P. Hashimoto, D.W.S. Wong, J.S. Moon, L. McCray 及びC. Nguyen, IEEE Trans. Electron.Dev., 48, 591 (2001)］。
【０００５】
Khan他の米国特許第５，１９２，９８７号は、バッファ及び基板上に成長させたＧａＮ／ＡｌＧａＮ系ＨＥＭＴを開示している。その他のＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ及び電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）も、Gaska et al. "High-Temperature Performance of AlGaN/GaN HFET's on SiC Substrate" （ＳｉＣ基板上のＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＦＥＴの高温特性）IEEE Electron Device Lettters, Vol. 18, No, 10, １９９７年１０月、４９２頁、"DC and Microwave Performance of High Current AlGaN Heterostructure Field Effect Transistors Grown on P-type SiC Substrates"（Ｐ型ＳｉＣ基板上に成長させた高電流ＡｌＧａＮヘテロ構造電界効果トランジスタのＤＣ及びマイクロ波特性）IEEE Electron Devices Letters, Vol. 19, No. 2、１９９８年２月、５４頁に開示されている。これらのデバイスの一部は、７８ギガヘルツもの高さの利得帯域幅生成物(gain-bandwidth product)（ｆＴ）［K. Chu et al. WOSCEMMAD, Monterey, CA (１９９８年２月）］、及び１０ＧＨｚにおいて２．８４Ｗ／ｍｍまでの高い電力密度を示している［G Sullivan et al., "High Power 10-GHz Operation of AlGaN HFET's in Insulating SiC" （絶縁性ＳｉＣにおけるＡｌＧａＮ  ＨＦＥＴの高電力１０−ＧＨｚ動作）IEEE Electron Device Letters, Vol. 19, No. 6, Page 198 （１９９８年６月）、及びWu et al., IEEE Electron Device Letters Volume 19, No. 2, ５０頁（１９９８年２月）］。
【０００６】
図１は、サファイア又は炭化珪素基板１２に隣接するＧａＮバッファ層１１と、基板１２の反対側でＧａＮバッファ層１１に隣接するＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ≒０．１〜０．５）層１３を備えている典型的なＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ１０を示す。核生成層１４を、基板１２及びＧａＮバッファ層１１の間に含ませると、これら２つの層間の格子不整合を低減することができる。また、ＨＥＭＴ１０は、ソース、ゲート、及びドレイン・コンタクト１５、１６、１７も含む。ＡｌｘＧａ１−ｘＮにおけるＡｌ含有量が、圧電電荷(piezoelectric charge)を生じ、ＧａＮ層との界面に蓄積して、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を形成する。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層におけるＡｌ含有量が増大すると、圧電電荷も増大し、その結果ＨＥＭＴの２ＤＥＧ及びトランスコンダクタンスも増大するという効果がある。
【０００７】
しかしながら、２ＤＥＧの移動度は一般に、界面の粗さ、ならびにＧａＮ及びＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１１、１３間の界面における圧電散乱によって限定される。これは、界面付近のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層１３における局在化ランダム性の結果である。
【０００８】
ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝１又は≒１）層をＡｌｘＧａ１−ｘＮ層（ｘ≒０．１〜０．５）層１３の代わりに用いることによって、ある種の利点を得ることができる。ＡｌＮ（ｙ＝１とした場合ＡｌｙＧａ１−ｙＮ）とＧａＮとの間の２．４％の格子不整合の結果、２つの層間の界面において最大可能圧電電荷が得られる。また、ＡｌＮ層を用いると、２ＤＥＧ移動度を限定する可能性がある、これらの層間の圧電散乱が低減する。
【０００９】
しかしながら、ＡｌＮ及びＧａＮ間に大きな格子不整合があると、ＡｌＮ層の厚さを５０Å未満にしなければならない。これよりも層が厚いと、デバイスには、そのオーミック・コンタクトに伴う問題が生じる可能性があり、層における材料品質が低下し始め、デバイスの信頼性が低下し、物質の成長が一層困難となる。しかしながら、５０Å以下のＡｌＮ層を有するＨＥＭＴは、ゲート漏れを生ずる虞れが大きい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ＡｌＮ及びＧａＮ間に大きな格子不整合があると、ＡｌＮ層の厚さを５０Å未満にしなければならない。これよりも層が厚いと、デバイスには、そのオーミック・コンタクトに伴う問題が生じる可能性があり、層における材料品質が低下し初め、デバイスの信頼性が低下し、物質の成長が一層困難となる。しかしながら、５０Å以下のＡｌＮ層を有するＨＥＭＴは、ゲート漏れを生ずる虞れが大きいという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、好ましくはＡｌＧａＮ／ＧａＮで形成し、２ＤＥＧを改善したＩＩＩ族窒化物系ＨＥＭＴの改良型を提供する。本発明にしたがって構成されたＨＥＭＴは、ＧａＮバッファ層を備えており、ＧａＮバッファ層上にＡｌｙＧａ１−ｙＮ層がある。ＧａＮバッファ層の反対側において、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層がＡｌｙＧａ１−ｙＮ層内に含まれており、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層のＡｌ含有量は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層よりも多い。ＧａＮバッファ層とＡｌｙＧａ１−ｙＮ層との間の界面に２ＤＥＧが形成されている。好適なＡｌｙＧａ１−ｙＮ層では、ｙ＝１又はｙ≒１であり、好適なＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層では、０≦ｘ≦０．５である。
【００１２】
また、ＨＥＭＴは、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層に接触するソース、ドレイン、及びゲート・コンタクトも有する。更に、ＨＥＭＴは、サファイア、炭化珪素、窒化ガリウム、及びシリコンからなる群からの材料で作られた基板上に形成することができる。この基板は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層の反対側において、バッファ層に隣接して配置される。また、ＨＥＭＴは、そのＧａＮ層と基板との間に核形成層も有することができる。
【００１３】
ＧａＮ層上のＨＥＭＴのＡｌｙＧａ１−ｙＮ層は、２つの層の間の界面において、高い圧電電荷を生成し、圧電散乱を低減する。ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層は、ＡｌＮ及びＧａＮ間の高い格子不整合性のために、比較的薄くしなければならない。この薄いＡｌｙＧａ１−ｙＮ層上のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層が、ＨＥＭＴのゲート漏れを少なく抑える。
【００１４】
本発明のこれらならびにその他の更なる特徴及び利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明を読むことによって、当業者には明白となるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図２は、本発明にしたがって構成したＨＥＭＴ２０の一実施形態を示す。これは、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、又はシリコン（Ｓｉ）のような、異なる材料で作ることができる基板２２を備えている。好適な基板は、炭化珪素の４Ｈプロトタイプである。３Ｃ、６Ｈ及び１５Ｒプロトタイプを含むその他の炭化珪素プロトタイプも仕様可能である。
【００１６】
炭化珪素は、サファイアよりも、ＩＩＩ族に対して結晶格子整合が遥かに密接であり、その結果、ＩＩＩ族窒化物膜の方が高品質である。また、炭化珪素の熱電導率は非常に高いので、炭化珪素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの総出力電力は、基板の熱消散によって制限されない（サファイア上に形成されるデバイスでは、場合によっては生ずることもある）。また、炭化珪素基板が使用可能であると、デバイス分離及び寄生容量の低減がもたらされ、デバイスの製品化が可能となる。ＳｉＣ基板は、ノースカロライナ、DurhamのCree Research, Inc.,から入手可能であり、これらの生産方法は、米国特許第Ｒｅ３４，８６１号、第４，９４６，５４７号、及び第５，２００，０２２号のような科学的文献に明記されている。
【００１７】
新規なＨＥＭＴ２０は、多くの異なる材料系を用いて製作することができるが、ＩＩＩ族窒化物系の材料系を用いて製作することが好ましい。ＩＩＩ族窒化物とは、窒素と周期表のＩＩＩ族にある元素、多くの場合、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及びインディウム（Ｉｎ）との間で形成される半導体化合物のことを言う。この用語は、ＡｌＧａＮやＡｌＩｎＧａＮのような三元化合物や三元性化合物も意味する。ウルツ鉱ＩＩＩ族窒化物における圧電分極(piezoelectric polarization)は、従来のＩＩＩ−Ｖ族よびＩＩ−ＶＩ半導体化合物におけるよりも約１０倍大きいことがわかっている。
【００１８】
核生成層２４を基板２２上に含ませれば、基板２２とＨＥＭＴ２０における次の層との間の格子不整合を低減することができる。核生成層２４の厚さは、約１０００オングストローム（Å）とするとよいが、他の厚さも用いることができる。これは、異なる半導体材料で作ることができ、相応しい材料の１つにＡｌｚＧａ１−ｚＮ（０≦ｚ≦１）がある。これは、ＡｌＮ（ｚ＝１とした場合のＡｌｚＧａ１−ｚＮ）が好ましい。
【００１９】
ＧａＮ層２６が、基板２２の反対側において、核生成層２４上に含まれている。ＧａＮ層２６の厚さは、約０〜５μｍの範囲とするとよいが、他の厚さも用いることができる。ＨＥＭＴ２０の好適な実施形態の１つでは、ＧａＮ層２６の厚さは２μｍである。あるいは、ＧａＮ層２６をＡｌｗＧａ１−ｗＮ（０≦ｗ≦１）で作ることもできる。
【００２０】
ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｙ＝１又はｙ≒１）層２８が、核生成層２４の反対側において、ＧａＮ層２６上に含まれている。層２８の厚さは５０Å未満とするとよいが、異なる構成では、他の厚さも用いることができる。好適な厚さは約２０Åである。（ｙ＝１とした場合のＡｌｙＧａ１−ｙＮ）層２８は、多数のＡｌＮ単一層で形成することができ、各単一層の厚さは、約５から２０Åの範囲である。例えば、４層の厚さ５Åの単一層で形成される層２８の場合、厚さは２０Åとなる。
【００２１】
ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層３０が、ＧａＮ層２６の反対側において、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２８上に形成されている。層３０の好適な組成は、０≦ｘ≦０．５であるが、組成は変更可能であり、ｘは０及び１の間である。層３０の厚さは、約１００〜１０００Åの範囲とするとよいが、他の厚さも用いることができる。層３０の厚さは、層のＡｌ配合量(composition)によって異なり、Ａｌ配合量が多い程、層３０を薄くすることができる。ＨＥＭＴ２０の一実施形態では、層３０の厚さは約３００Åであり、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ≒０．３３）の組成を有する。バリア層が薄すぎると（約１００Å未満）、層３０はＨＥＭＴ２０において有効な２ＤＥＧを生成しない。
【００２２】
ＨＥＭＴ２０は、ソース、ドレイン、及びゲート・コンタクト３２、３４、２６を含む。ソース・コンタクト３２及びドレイン・コンタクト３４は、異なる材料で作ることができ、タンタル、アルミニウム、又はニッケルの合金を含み、なおもこれらに限定される訳ではない。ゲート・コンタクト３６も異なる材料で作ることができ、タンタル、プラチナ、クローム、タンタル及びタングステンの合金、又は珪化プラチナを含み、なおもこれらに限定される訳ではない。
【００２３】
２ＤＥＧ２８は、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２８とＧａＮ層２６との間の接合部に形成する。前述のように、ＡｌＮ（ｙ＝１とした場合のＡｌｙＧａ１−ｙＮ）層２８とＧａＮ層２６との間に２．４％の格子不整合があると、これら２つの層の間の界面において、最大可能圧電電荷が得られる。また、ＡｌＮ（ｙ＝１とした場合のＡｌｙＧａ１−ｙＮ）層２８は、２ＤＥＧの移動度を制限する可能性がある、これらの層間の圧電散乱を低減することができる。
【００２４】
ＧａＮ層２６上にＡｌＮ（ｙ＝１とした場合のＡｌｙＧａ１−ｙＮ）層２８を有することによって、ＨＥＭＴの２ＤＥＧ３８は、その移動度が増大する。ＡｌＮ（ｙ＝１とした場合のＡｌｙＧａ１−ｙＮ）層２８上のＡｌｘＧａ１−ｘＮ層３０を厚くすることによって、ＨＥＭＴ２０には大きなゲート漏れが生ずることがなくなる。これは、Ａｌｎ（ｙ＝１とした場合のＡｌｙＧａ１−ｙＮ）層２８のみを有する場合には、生ずる可能性がある。
【００２５】
本発明によるＨＥＭＴ２０は、２０ÅのＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（ｙ＝１）と、その上にある２００ÅのＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．２５）層を有する場合、７．４５×１０１２／ｃｍ２の２ＤＥＧ密度、及び２１９５ｃｍ２／Ｖｓの移動度を得ることができる。ＨＥＭＴ２０が、２０ÅのＡｌｙＧａ１−ｙＮ層（ｙ＝１）と、その上にある２３０ÅのＡｌｘＧａ１−ｘＮ（ｘ＝０．３３）層を有する場合、１．１０×１０１３／ｃｍ２の２ＤＥＧ密度、及び２０８２ｃｍ２／Ｖｓの移動度を得ることができる。２ＤＥＧ面密度は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層のアルミニウム配合量が増加するに連れて高くなる。
【００２６】
図３は、図２のＨＥＭＴについて、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層３０、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２８、２ＤＥＧ３２、及びＧａＮ層２６全体にわたって、点４２において調べたバンド図４０を示す。層２６、２８及び３０の各々は、同じ方向に向いたそれぞれの非ゼロの全分極(non-zero total polarization)Ｐ１、Ｐ２及びＰ３を有する。ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２８はＡｌ含有量が多くなっているので、その中における全分極の大きさは、周囲の層２６及び３０よりも大きい。この分極の傾斜により、３つの層間の界面Ａ及びＢにおいて、分極によって面電荷が誘発される。正の分極面電荷は、ＧａＮ層２６及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２８の間の界面Ａに位置する。負の分極面電荷は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層３０及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２８の間の界面に位置する。この結果、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２８には、非ゼロ電界が得られる。その結果、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ層２８との界面ＢにおけるＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層３０の伝導帯縁部は、ＧａＮ層２６の導電帯縁部よりも上に位置する。中央の層２８は、比較的薄く、前述の層間の伝導帯不連続が比較的大きくても、電子にとってはほぼ透過的である。その結果、電子は、最上層から最下層まで転移し、層２６及び２８間の界面Ａにおいて２ＤＥＧチャネルを形成する。この食い違いバンドギャップ(staggered bandgap)は、これらの層内における元素組成を変化させることによって、同じ半導体材料の層の間で得ることができる。
【００２７】
図４は、本発明にしたがって製作したＨＥＭＴ５０の第２実施形態を示し、同様にＩＩＩ族窒化物からなる半導体材料で作られている。サファイア基板５４上に、無作為にドープした、即ち、半絶縁性のＧａＮバッファ層５２を形成する。比較的薄い（〜１ｎｍ）ＡｌＮ層５６をＧａＮバッファ層５２の上面上に形成し、次いでＳｉドープＧａＮ層５８で覆う。ＡｌＮ層５６の表面は、ＧａＮ６０で終端されているので、全ての層における自発的分極は、基板５４に向かう。加えて、これらの層における圧電分極は、自発的分極と同じ方向に向かう。自発的及び圧電分極の大きさは、層のＡｌ濃度と共に増大し、ＡｌＮ層５６のＡｌ濃度は最も高く、全分極も最も高い。図３に示した食い違いバンドギャップ形状は、ＨＥＭＴの層間に得られ、ＡｌＮ層及びＧａＮ層の間の界面に２ＤＥＧ５９が形成される。また、ＨＥＭＴ５０は、ソース、ドレイン、及びゲート・コンタクト６２、６４、６６も含む。
【００２８】
本発明によるＨＥＭＴ構造は、あらゆるＩＩＩ族窒化物を用いて製作することができ、それらのＰ、Ａｓ及びＳｂとの合金も用いることができる。一連の層は、分極の傾斜によって中央の非常に薄い層に強い電界が生ずるようになっていなければならない。ＨＥＭＴは、金属有機化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、分子ビーム・エピタキシ（ＭＢＥ）、又は気相エピタキシ（ＶＰＥ）を含み、これらには限定されない異なるプロセスを用いても製作可能である。ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層３０及びＡｌＹＧａ１−ｙＮ層２８は、水素、窒素、又はアンモニア・キャリア・ガス内で成長させることができる。
【００２９】
図５は、ＡｌｘＧａ１−ｘＮバリア層７８及びＡｌｙＧａ１−ｙＮ層７９を備えたＨＥＭＴ７０を示し、これらは、図２のＨＥＭＴにおける同じ層３０及び２８と同様である。しかしながら、この実施形態では、バリア層７８は、ディジタル的に製作され、所望のＡｌ及びＧａの濃度が得られる。バリア層７８は、１組当たり４層からなる、多数の層の組を有することができ、その内の１つはＡｌＮ層７５であり、３つはＧａＮ層７６ａ〜７６ｃである。４組の層群を備えたバリア層７２は、４つのＡｌ層７５と、１２のＧａＮ層７６ａ〜７６ｃを有する。その結果、バリア層全体では、Ａｌの濃度は２５％、ＧａＮの濃度は７５％となる。同様に、１つのＡｌ層と２つのＧａＮ層からなる３層を有する各層を用いると、Ａｌの濃度を３３％、ＧａＮの濃度を６７％とすることができる。
【００３０】
この方法を用いてバリア層７２を製作することによって、所望のＡｌ及びＧａＮ濃度を得るために、異なるガスの流量を精細に調節する必要がなくなる。また、このプロセスによって、バリア層７２の材料の濃度が一層正確となり、バリア層７１全体にわたって材料の濃度の均一性が得られる。バリア層７２は、ＧａＮ又はＡｌＮ層のいずれかによって終端することができる。また、このプロセスは、他のＨＥＭＴ層を製作する際にも用いることができる。
【００３１】
図６は、本発明にしたがって構成したＨＥＭＴ８０の別の実施形態を示す。これは、基板８２、ＧａＮバッファ層８４、ＡｌｙＧａ１−ｙＮ（ｘ＝１、又はｘ≒１）層８６、２ＤＥＧ８８、ソース・コンタクト９０、ドレイン・コンタクト９２、及びゲート・コンタクト９４を有し、これらは全て、図２に示したＨＥＭＴ２０におけるものと同様である。しかしながら、この実施形態では、バリア層９６は、ＧａＮ（ｘ＝０とした場合のＡｌｘＧａ１−ｘＮ）からなる。バリア層９６は、均一又はデルタ・ドープ方式のいずれかのｎ型とすることができる。この組成では、バリア層９６を厚く（５００〜１０００Å）作ることができ、これによって、凹陥ゲート構造が可能となる。標準的な平面（プレナ）ＨＥＭＴ構造では、ゲート、ドレイン、及びソース・コンタクトの下では、抵抗は同等である。バリア層９６をより厚くすることによって、それぞれの下における抵抗は減少する。しかしながら、ゲート・コンタクト９４の下では抵抗を増大させつつも、ソース及びドレイン・コンタクト９０及び９２の下では低い抵抗を維持することが望ましい。厚いバリア層９６をエッチングして、ゲート・コンタクト９４の下では薄くすることができる。これによって、ゲート・コンタクト９４の下における抵抗を増大させながらも、ソース及びドレイン・コンタクト９０及び９２の下における抵抗を最小に維持する。
【００３２】
以上、好適な構成を参照しながら詳細に本発明について説明したが、その他の変形も可能である。ＨＥＭＴの他の層も、ディジタル積層方法を用いて製作することができる。したがって、特許請求の範囲では、その技術的思想及び範囲は、明細書に記載した好適な形態に限定される訳ではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来技術によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴの断面図である。
【図２】本発明によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴの一実施形態の断面図である。
【図３】ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴのバンド図である。
【図４】本発明によるＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴの第２実施形態の断面図である。
【図５】ディジタル方法を用いて製作した、図２のＨＥＭＴにおけるバリア層の断面図である。
【図６】凹陥ゲート構造を有するバリア層を備えた、本発明によるＨＥＭＴの第３実施形態の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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