(57)【要約】  窒化物ベースの電界効果トランジスタは、 基板と、基板の上に形成されたＩｎＡｌＧａＮを備えるチャネル層と、チャネル層と電気的に連絡しているソースおよびドレインオーミックコンタクトと、チャネル層の上に形成されたゲートコンタクトとを備える。少なくとも１つのエネルギー障壁が、チャネル層から離れるキャリアの動きに逆らう。エネルギー障壁は、チャネルから離れる方向に向けられた関連した電界を生成する正孔供給源層に近接した電子供給源層を備えることができる。いくつかの実施形態に従ったエネルギー障壁は、約０．５ｅＶを超える拡散電位障壁を実現することができる。方法の実施形態もまた開示されている。
2007535138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波動作が可能な窒化物ベースのＨＥＭＴであって、
基板と、
前記基板の上のＩｎＡｌＧａＮを含むチャネル層と、
前記チャネル層の上のＩｎＡｌＧａＮを含む障壁層であって、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、前記チャネル層と前記障壁層との間の界面に前記障壁層と前記チャネル層が協働して２次元電子ガスを誘起する障壁層と、
前記障壁層および／または前記チャネル層の１つに隣接した少なくとも１つのエネルギー障壁であって、正孔供給源層に近接した電子供給源層を備えるエネルギー障壁と
を備えることを特徴とする窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項２】
前記電子供給源層は、ｎ型ドーパントをドープされた層を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３】
前記電子供給源層は、第１のＩｎＡｌＧａＮ層と第２のＩｎＡｌＧａＮ層との間のヘテロ界面を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項４】
前記電子供給源層は、前記チャネル層と前記障壁層との間のヘテロ界面を備え、前記２次元電子ガスは、前記正孔供給源層によって完全には空乏化されていないことを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項５】
前記正孔供給源層は、ｐ型ドーパントをドープされた層を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項６】
前記正孔供給源層は、深い準位の遷移元素と浅いアクセプタドーパントとをコドープされた層を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項７】
前記正孔供給源層は、深い準位のアクセプタドーパントをドープされた層を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項８】
前記正孔供給源層は、第１のＩｎＡｌＧａＮ層と第２のＩｎＡｌＧａＮ層との間のヘテロ界面を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項９】
前記電子供給源層は、平衡条件の下で完全に空乏化していることを特徴とする請求項２に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１０】
前記正孔供給源層は、平衡条件の下で完全に空乏化していることを特徴とする請求項５に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１１】
前記エネルギー障壁は、約０．５Ｖを超える拡散電位障壁を実現することを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１２】
前記エネルギー障壁は、約１Ｖを超える拡散電位障壁を実現することを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１３】
前記エネルギー障壁は、約２Ｖを超える拡散電位障壁を実現することを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１４】
前記エネルギー障壁は、前記チャネルから離れる方向に向けられた関連した電界を有することを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１５】
前記エネルギー障壁は、前記電子供給源層と前記正孔供給源層との間の電荷移動に起因して生じることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１６】
前記エネルギー障壁は、約１０５Ｖ／ｃｍを超えるピーク電界を有することを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１７】
高周波動作が可能な窒化物ベースのＨＥＭＴであって、
基板と、
前記基板の上のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含むチャネル層と、
前記チャネル層の上のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）を含む障壁層であって、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、前記チャネル層と前記障壁層との間の界面に前記障壁層と前記チャネル層が協働して２次元電子ガスを誘起する障壁層と、
前記障壁層内の少なくとも１つのエネルギー障壁であって、正孔供給源層に近接した電子供給源層を備え、前記チャネル層から離れる電子の動きに逆らうエネルギー障壁と
を備えることを特徴とする窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項１８】
高周波動作が可能な窒化物ベースのＨＥＭＴであって、
基板と、
前記基板の上のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含むチャネル層と、
前記チャネル層の上のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）を含む障壁層であって、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、前記チャネル層と前記障壁層との間の界面に前記障壁層と前記チャネル層が協働して２次元電子ガスを誘起する障壁層と、
前記２次元電子ガスと前記基板との間の少なくとも１つのエネルギー障壁であって、正孔供給源層に近接した電子供給源層を備え、前記障壁層と前記チャネル層との間の前記界面から離れる電子の動きに逆らうエネルギー障壁と
を備えることを特徴とする窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項１９】
基板と、
前記基板の上のＩｎＡｌＧａＮを含むチャネル層と、
前記チャネル層と電気的に連絡しているソースおよびドレインオーミックコンタクトと、
前記チャネル層の上のゲートコンタクトと、
前記チャネル層と前記基板との間の少なくとも１つのエネルギー障壁であって、正孔供給源層に近接した電子供給源層を備えるエネルギー障壁と
を備えることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２０】
基板と、
前記基板の上のバッファ層と、
前記バッファ層の上のＩｎＡｌＧａＮを含むチャネル層と、
前記チャネル層と電気的に連絡しているソースおよびドレインオーミックコンタクトと、
前記チャネル層の上のゲートコンタクトと、
前記チャネルと前記バッファとの間の電子供給源層と、
前記電子供給源層と前記バッファとの間の正孔供給源層と、
前記電子供給源層と前記正孔供給源層との間の高電界領域であって、前記チャネル層から前記バッファの方に離れる電子の動きに逆らうエネルギー障壁を提供する高電界領域とを備えることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２１】
電界効果トランジスタを製造する方法であって、
基板の上にＩｎＡｌＧａＮチャネル層を形成するステップと、
前記チャネル層から離れるキャリアの動きに逆らうエネルギー障壁を形成するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記エネルギー障壁は、前記チャネル層の形成後に形成されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記エネルギー障壁は、前記チャネル層の形成前に形成されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
比較的広いバンドギャップを有するＩｎＡｌＧａＮ障壁層が、前記チャネル層の上に形成されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
エネルギー障壁を形成する前記ステップは、電子供給源層を形成するステップと、正孔供給源層を形成するステップと、前記電子供給源層と前記正孔供給源層との間の高電界領域を形成するを形成するステップとを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記チャネル層は、前記電子供給源層の上に形成されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記正孔供給源層は前記基板の上に形成され、前記高電界領域は前記正孔供給源層の上に形成され、前記電子供給源層は前記高電界領域の上に形成され、そして前記チャネル層は前記電子供給源層の上に形成されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記チャネル層は前記基板の上に形成され、前記電子供給源層は前記チャネル層の上に形成され、前記高電界領域は前記電子供給源層の上に形成され、そして前記正孔供給源層は前記高電界領域の上に形成されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
エネルギー障壁を形成するステップは、前記チャネル層に隣接して量子井戸を形成することを含むこと特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
電界効果トランジスタを製造する方法であって、
基板の上にＩｎＡｌＧａＮチャネル層を形成するステップと、
前記チャネル層から離れるキャリアの動きに逆らう第１のエネルギー障壁を前記チャネル層の第１の側に形成するステップと、
前記チャネル層から離れるキャリアの動きに逆らう第２のエネルギー障壁を前記チャネル層の第２の側に形成するステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
高周波動作が可能な窒化物ベースのＨＥＭＴであって、
基板の上のＩＩＩ族窒化物ベースのチャネル層と、
前記チャネル層の上のＩＩＩ族窒化物ベースの障壁層であって、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、前記チャネル層と前記障壁層との間の界面に前記障壁層と前記チャネル層が協働して２次元電子ガスを誘起する障壁層と、
前記チャネル層から離れるキャリアの動きに逆らう拡散電位を生成する手段と
を備えることを特徴とする窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３２】
前記チャネル層から離れるキャリアの動きに逆らう拡散電位を生成する前記手段は、前記障壁層と前記チャネル層との間の拡散電位、および／または前記チャネル層と前記基板との間の拡散電位を備えることを特徴とする請求項３１に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３３】
前記拡散電位を生成する手段は、電子供給源の直ぐ近くに間隔をあけて配置された正孔供給源を備えることを特徴とする請求項３１に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３４】
前記正孔供給源および／または前記電子供給源のうちの少なくとも１つは、対応するｎ型またはｐ型ドーパントをドープされた層を備えることを特徴とする請求項３３に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３５】
前記正孔供給源および／または前記電子供給源のうちの前記少なくとも１つの他方は、へテロ界面構造を備えることを特徴とする請求項３３に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３６】
拡散電位を生成する前記手段は、前記チャネル層に隣接した量子井戸を備えることを特徴とする請求項３１に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３７】
前記量子井戸は、
前記チャネル層に隣接した第１の窒化物層であって、前記チャネル層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有し、前記チャネル層の格子定数よりも大きな格子定数を有する第１の窒化物層と、
前記第１の窒化物層に隣接し前記チャネル層と対向する第２のＩＩＩ族窒化物ベースの層であって、前記チャネル層のバンドギャップおよび格子定数と実質的に同じであるバンドギャップおよび格子定数を有する第２のＩＩＩ族窒化物ベースの層と
を備えることを特徴とする請求項３６に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３８】
前記第１の窒化物層はＩｎＮを含み、前記チャネル層および第２のＩＩＩ族窒化物ベースの層はＧａＮを含むことを特徴とする請求項３７に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３９】
前記第１の窒化物層は、約１または２単分子層の厚さを有することを特徴とする請求項３７に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項４０】
前記チャネル層は、約３０Åから約３００Åの厚さを有することを特徴とする請求項３７に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波トランジスタに関し、より詳細には、窒化物ベースの活性層を組み込んだマイクロ波電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、トランジスタを高電力、高温、および／または高周波用途に適したものにすることができる窒化物半導体材料で形成されたトランジスタに関する。シリコン（Ｓｉ）およびガリウム砒素（ＧａＡｓ）のような材料は、低電力用途および（Ｓｉの場合）低周波用途の半導体デバイスで広く応用されている。しかし、これらのより一般的な半導体材料は、比較的小さなバンドギャップ（例えば、室温において、Ｓｉで１．１２ｅＶ、ＧａＡｓで１．４２ｅＶ）および／または比較的小さな破壊電圧のために、高電力用途および／または高周波用途に十分に適していない可能性がある。
【０００３】
ＧａＡｓベースのＨＥＭＴは、民生および軍事用レーダ通信、携帯電話通信、および衛星通信において信号増幅の標準になっている。ＧａＡｓは、Ｓｉよりも高い電子移動度（ほぼ６０００ｃｍ２／Ｖ・ｓ）および低いソース抵抗を有し、このことによって、ＧａＡｓベースのデバイスはより高い周波数で動作することができる可能性がある。しかし、ＧａＡｓは比較的小さなバンドギャップ（室温で１．４２ｅＶ）および比較的小さな破壊電圧を有し、このことは、ＧａＡｓベースのＨＥＭＴが高周波で高電力を供給するのを妨げる可能性がある。
【０００４】
ＳｉおよびＧａＡｓにより引き起こされる困難を考慮して、高電力、高温および／または高周波用途およびデバイスへの関心は、炭化珪素（室温で、アルファＳｉＣの場合２．９９６ｅＶ）およびＩＩＩ族窒化物（例えば、室温で、ＧａＮの場合３．３６ｅＶ）のような広いバンドギャップの半導体材料に向いている。これらの材料は一般に、ガリウム砒素およびシリコンに比べて、より高い電界破壊強度およびより高い電子飽和速度を有している。
【０００５】
高電力用途および／または高周波用途として特に関心の持たれているデバイスは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、これは、変調ドープ電界効果トランジスタ（ＭＯＤＦＥＴ）またはヘテロ構造電界効果トランジスタ（ＨＦＥＴ）としても知られている。これらのデバイスは、多くの状況の下で動作上の利点を示すことができる。これらのデバイスは一般に、異なるバンドギャップエネルギーを有する２つの半導体材料のヘテロ接合に形成される２次元電子ガス（２ＤＥＧ）の存在を特徴とし、ここで、より小さなバンドギャップの材料が、より大きなバンドギャップの材料に比べてより高い電子親和力を有している。より小さなバンドギャップの材料に蓄積層が存在することによって生ずる２ＤＥＧは、たとえ材料が名目上アンドープであっても、例えば１０１３キャリア／ｃｍ２を超える非常に高いシート電子濃度を含むことができる。その上、より広いバンドギャップの半導体で発生する電子が２ＤＥＧに移動し、イオン化不純物散乱の減少のために高い電子移動度が可能となる。
【０００６】
高キャリア濃度と高キャリア移動度のこの組合せは、ＨＥＭＴに非常に大きなトランスコンダクタンスを与えることができ、そして、高周波用途において金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）に優る性能上の利点を実現することができる。ただし、ＭＥＳＦＥＴは、コストおよび信頼性などの要因から、ある特定の用途に依然として適している。
【０００７】
窒化ガリウム（ＧａＮ）材料系で作られた高電子移動度トランジスタは、前述の高破壊電界、広いバンドギャップ、大きな伝導帯オフセット、および／または高飽和電子ドリフト速度を含む材料特性の組合せのために、大量のＲＦ電力を発生する可能性を有している。その上、ＧａＮベースの材料の分極は、２ＤＥＧ領域内のキャリア蓄積に寄与する。
【０００８】
ＧａＮベースのＨＥＭＴは、既に実証されている。同一出願人によるものであり参照により本明細書に組み込まれるＳｈｅｐｐａｒｄらの特許文献１には、半絶縁性炭化珪素基板、基板上の窒化アルミニウムバッファ層、バッファ層上の絶縁性窒化ガリウム層、窒化ガリウム層上の窒化アルミニウムガリウム（ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｇａｌｌｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ）障壁層、および窒化アルミニウムガリウム活性構造上のパッシベーション層を有するＨＥＭＴデバイスが開示されている。
【０００９】
ＧａＮ半導体材料の製造面での向上によって、高周波、高温および高電力用途のＧａＮＨＥＭＴの開発に関心が集まっている。ＧａＮベースの材料は、大きなバンドギャップならびに高いピークおよび飽和電子速度値を有する（非特許文献１参照）。また、ＧａＮ  ＨＥＭＴは、１０１３／ｃｍ２を超える２ＤＥＧシート密度および比較的高い電子移動度（最高で２０００ｃｍ２／Ｖ・ｓ）を有することができる（非特許文献２参照）。これらの特性によって、ＧａＮ  ＨＥＭＴはより高い周波数で高電力を供給することができる可能性がある。
【００１０】
従来のＧａＮ  ＨＥＭＴ構造１１０を図１４に示す。チャネル層１１４が、基板１１２上のバッファ層１１３の上に形成されている。障壁層１１６が、チャネル層１１４の上に形成されている。ソース電極１１８およびドレイン電極１２０が、障壁層１１６の表面を通じて、チャネル層１１４の上部に存在する電子層へのオーミックコンタクトを形成する。ゲート電極１２２が、障壁層１１６の表面への非オーミックコンタクトを形成する。
【００１１】
一般に、チャネル層１１４はＧａＮを含み、障壁層１１６はＡｌＧａＮを含む。結晶格子にアルミニウムが存在するために、ＡｌＧａＮはＧａＮよりも広いバンドギャップを有する。したがって、ＧａＮチャネル層１１４とＡｌＧａＮ障壁層１１６の間の界面は、へテロ構造またはヘテロ接合を形成し、この界面で、例えばフェルミレベルの一致および材料の分極のために、エネルギーバンドが変形している。
【００１２】
図１５は、図１４のＩ−Ｉ’断面の部分に沿ったデバイス内のエネルギーレベルを示す例示的バンド図である。図１４に示すように、材料のフェルミレベルが電荷移動によって一致するとき、障壁層１１６はチャネル層１１４よりも低い電子親和力（Ｘ）を有するので、チャネル層１１４のエネルギーバンドは上方にシフトし、障壁層のエネルギーバンドは下方にシフトする。図１５に示すように、適切に設計された材料を使用すると、伝導帯Ｅｃは、障壁層１１６にすぐ隣接したチャネル層１１４の領域でフェルミレベル（Ｅｆ）の下に沈み、狭い蓄積領域を形成する。その結果、チャネル層１１４と障壁層１１６の間のヘテロ接合にある蓄積領域に、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）のシート状電荷領域１１５が誘起される。障壁層１１６は、ゲート１２２と形成された接合および結果として生じた伝導帯の形によって可動キャリアが空乏化するように十分に薄く作られている。
【００１３】
その上、窒化物ベースのデバイスでは、障壁層１１６の伝導帯および価電子帯は、分極効果のためにさらに変形されている。ＩＩＩ族窒化物系のヘテロ構造のこの非常に重要な特性は、ＧａＮ  ＨＥＭＴの高性能にとって不可欠である可能性がある。障壁層とチャネル層の間のバンドギャップ差およびバンドオフセットによる電子の蓄積に加えて、チャネルに対する障壁層中の擬似格子整合による歪みによって自由電子の総数が大幅に増加する。局部的圧電効果のために、この歪みは、電界の増大および、歪みが存在しない場合に一般に可能であるよりも高い電子濃度をもたらす。
【００１４】
２ＤＥＧシート状電荷領域１１５内の電子は、高キャリア移動度を示す。さらに、シート状電荷領域は極端に薄いので、キャリアの受ける不純物散乱が減少し、それによってデバイスの雑音特性が改善する可能性がある。
【００１５】
このデバイス構造のソース・ドレイン間導電率はゲート電極１２２に電圧を加えることによって調整される。逆電圧が加えられたとき、ゲートの下の伝導帯は持ち上げられ、その結果、シート状電荷領域１１５の近くの伝導帯Ｅｃはフェルミレベルより上に持ち上げられるようになり、そして、シート状電荷領域１１５の一部はキャリアが空乏し、それによって、ソース１１８からドレイン１２０への電流の流れを防止するか、または減少させる。
【００１６】
ＡｌＮで障壁層１１６を形成することによって、ある利点を実現することができる。ＡｌＮ（ｙ＝１の場合のＡｌｙＧａ１−ｙＮ）とＧａＮの間の２．４％の格子不整合によって、この２つの層の間の界面で圧電電荷が増加し、また最大限大きな圧電電荷がもたらされる。また、ＡｌＮ障壁層を使用すると、２ＤＥＧ移動度を制限する可能性があるこれらの層の間の圧電散乱（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｏｒｉｃ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が減少される。
【００１７】
しかし、ＡｌＮとＧａＮの間の大きな格子不整合は、ＡｌＮ層の厚さが５０Å未満であるべきことを要求する。この層がもっと厚い場合、デバイスにはオーミックコンタクトに関する問題が生じることがあり、この層の材料品質が劣化し始め、デバイスの信頼性が低下し、そして材料がいっそう成長し難くなる。しかし、５０Å以下のＡｌＮ層を有するＨＥＭＴは、大きなゲート漏れを生じやすい可能性がある。
【００１８】
【特許文献１】米国特許第6,316,793号明細書
【特許文献２】米国特許第Re. 34, 861号明細書
【特許文献３】米国特許第4,946,547号明細書
【特許文献４】米国特許第5,200,022号明細書
【特許文献５】米国特許第6,218,680号明細書
【特許文献６】米国特許第5,210,051号明細書
【特許文献７】米国特許第5,393,993号明細書
【特許文献８】米国特許第5,523,589号明細書
【特許文献９】米国特許第5,292,501号明細書
【特許文献１０】米国特許出願第09/904,333号明細書
【特許文献１１】米国仮出願第60/290,195号明細書
【特許文献１２】米国特許出願第10/102,272号明細書
【特許文献１３】米国特許出願第10/199,786号明細書
【特許文献１４】２００４年１月７日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された"Co-Doping for Fermi Level Control in Semi-Insulating Group III Nitrides"という名称の米国特許出願第      明細書（代理人整理番号5308-371）
【非特許文献１】B. Belmont, K. Kim and M. Shur, J. Appl. phys. 74, 1818 (1993)
【非特許文献２】R. Gaska, J. W. Yang, A. Osinsky, Q. Chen, M. A. Khan, A. O. Orlov, G. L. Snider and M. S. Shur, Appl. Phys. Lett., 72, 707 (1998)
【非特許文献３】S.Heikman et al., Growth of Fe-Doped Semi-insulating GaN by Metalorganic Chemical Vapor Deposition, Appl. Phys. Let. 81, pp. 439-441 (2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ＧａＮベースのＨＥＭＴは並外れた電力密度を示しているが、このデバイスが商業的な成功を達成することができる前に克服すべき多くの技術的な問題が依然として残っている。例えば、あるＧａＮベースのＨＥＭＴの性能および寿命を制限する可能性のある１つの問題は、自由キャリアトラッピングであり、この自由キャリアトラッピングは、キャリアが２ＤＥＧ領域から離れるように移動し、表面誘電体領域またはチャネルの下のバッファ領域でトラップされるときに起こることがある。そのようなトラッピングは、デバイスの性能および／または信頼性の低下をもたらすことがある。
【００２０】
チャネルの下に第２のヘテロ接合を設けてＨＥＭＴチャネル内へのキャリアの閉じ込めを改善しようとするいくつかの試みがなされてきている（いわゆる二重へテロ構造ＨＥＭＴまたはＤＨ−ＨＥＭＴ）。しかし、一般に、へテロ障壁による閉じ込め量（これは、広いバンドギャップの層とより狭いバンドギャップのチャネルとの間の電子親和力の差の関数である）は、有効な閉込めを生じさせるほど十分に大きくない可能性がある。さらに、ｃ面（ｃ−ｐｌａｎｅ）ＧａＮのような高分極材料では、材料中に存在する分極電荷が、へテロ障壁の閉込め効果を減少させる可能性がある。したがって、窒化物ベースのトランジスタデバイスでは、チャネルの下のヘテロ接合の単なる存在のみでは、キャリアが２ＤＥＧ領域から離れて、キャリアがトラップされることがあるバッファ領域内へ移動するのを効果的に防止するために十分でない可能性がある。さらに、ＤＨ−ＨＥＭＴの構造は、表面トラッピング効果に対抗する追加の障壁を提供していない。
【００２１】
チャネル領域から離れるキャリアの移動に関連した別の問題は、線形性である。キャリアがチャネルに閉じ込められないとき、印加ゲート電圧を介してキャリアの作用を制御する能力が低下して、望ましくない非線形なトランスコンダクタンス特性をもたらすことがある。
【００２２】
自由キャリアトラッピングに関連した問題は、また、ＧａＮベースのＭＥＳＦＥＴのような他の型の窒化物電界効果トランジスタの性能に影響を及ぼすこともある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の実施形態は、基板と、基板上に形成されたＩｎＡｌＧａＮを含むチャネル層と、チャネル層と電気的に連絡している（ｉｎ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）ソースおよびドレインオーミックコンタクトと、チャネル層上に形成されたゲートコンタクトとを有する窒化物ベースの電界効果トランジスタを提供する。少なくとも１つのエネルギー障壁が、チャネル層と基板との間、またはチャネル層と、基板と対向するデバイス表面との間に形成される。エネルギー障壁は、正孔供給源層（ｈｏｌｅ  ｓｏｕｒｃｅ  ｌａｙｅｒ）に近接した電子供給源層（ｅｌｃｔｒｏｎ  ｓｏｕｒｃｅ  ｌａｙｅｒ）を備えることができる。エネルギー障壁は、チャネル層から離れる方向に向けられた関連した電界を有する。エネルギー障壁は、電子供給源層と正孔供給源層との間の電荷移動によって生じることができ、約２×１０５Ｖ／ｃｍを超えるピーク電界を有することができる。
【００２４】
本発明の特定の実施形態は、基板と、基板の上に形成されたＩｎＡｌＧａＮを含むチャネル層と、チャネル層上に形成されたＩｎＡｌＧａＮを含む障壁層とを備え、障壁層はチャネル層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有することを特徴とする高周波動作が可能なＨＥＭＴを提供する。障壁層とチャネル層は、協働してチャネル層と障壁層の間の界面に２次元電子ガスを誘起する。少なくとも１つのエネルギー障壁が、障壁層および／またはチャネル層に隣接して形成され、エネルギー障壁は正孔供給源層に近接した電子供給源層を備える。
【００２５】
ある実施形態では、電子供給源層は、ｎ型ドーパントをドープされた層を備える。他の実施形態では、電子供給源層は、第１のＩｎＡｌＧａＮ層と第２のＩｎＡｌＧａＮ層との間のヘテロ界面を備える。
【００２６】
ある実施形態では、電子供給源層は、チャネル層と障壁層との間のヘテロ界面を備える。
【００２７】
正孔供給源層は、ｐ型ドーパントをドープされた層を備えることができる。ある実施形態では、正孔供給源層は、深い準位の遷移元素および浅いアクセプタドーパントをコドープされた（ｃｏ−ｄｏｐｅｄ）層、または深い準位のアクセプタドーパントをドープされた層を備える。あるいは、正孔供給源層は、第１のＩｎＡｌＧａＮ層と第２のＩｎＡｌＧａＮ層との間のヘテロ界面を備えることができる。
【００２８】
電子供給源層および正孔供給源層は、平衡条件の下で完全に空乏化していても、していなくてもよい。
【００２９】
本発明の実施形態に従ったエネルギー障壁は、約０．５Ｖを超える拡散電位障壁（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｂａｒｒｉｅｒ）を実現することができる。特定の実施形態では、エネルギー障壁は、約１Ｖを超える拡散電位障壁を実現することができる。さらに他の実施形態では、エネルギー障壁は、約２Ｖを超える拡散電位障壁を実現することができる。
【００３０】
本発明の実施形態は、また、チャネル領域を形成すること、およびチャネル領域から離れるキャリアの動きに逆らうエネルギー障壁を形成することを含む。本発明のいくつかの実施形態は、チャネル領域を形成すること、およびチャネル領域から離れるキャリアの動きに逆らうエネルギー障壁をチャネル領域の両側に形成することを含む。
【００３１】
いくつかの実施形態では、エネルギー障壁を形成することは、電子供給源層、正孔供給源層、および電子供給源層と正孔供給源層との間の高電界領域を形成することを含む。いくつかの実施形態では、チャネル層は電子供給源層の上に形成することができる。他の実施形態では、電子供給源層は、チャネル層の形成後に形成することができる。
【００３２】
特定の実施形態では、正孔供給源層が形成され、高電界領域が正孔供給源層の上に形成され、そして電子供給源層が高電界領域の上に形成される。チャネル層は、電子供給源層の上に形成される。ＨＥＭＴ構造では、チャネル層と障壁層との間の２ＤＥＧ領域の生成を容易にするために、障壁層をチャネル層の上に形成することができる。
【００３３】
他の実施形態では、チャネル層が形成され、このチャネル層上に電子供給源層が形成され、この電子供給源層上に高電界領域が形成され、そして正孔供給源層が高電界領域の上に形成される。
【００３４】
本発明のさらに他の実施形態では、拡散電位は、チャネル層に隣接した量子井戸によって生成される。量子井戸は、チャネル層に隣接した第１の窒化物層と、第１の窒化物層に隣接したチャネル層と対向する第２のＩＩＩ族窒化物ベースの層とによって実現することができる。第１の窒化物層は、チャネル層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップ、およびチャネル層の格子定数よりも大きな格子定数を有し、第２のＩＩＩ族窒化物ベースの層は、チャネル層のバンドギャップおよび格子定数と実質的に同じであるバンドギャップおよび格子定数を有する。
【００３５】
本発明のある実施形態では、第１の窒化物層はＩｎＮであり、チャネル層および第２のＩＩＩ族窒化物ベースの層はＧａＮである。第１の窒化物層は約１または２単分子層の厚さを有することができる。チャネル層は約３０Åから約３００Åの厚さを有することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
ここで、本発明のいくつかの実施形態が示されている添付の図面を参照して、本発明をより完全に説明する。しかし、本発明は、多くの異なる形で具現することができ、本明細書で明らかにされる実施形態に限定されるものと解釈すべきでない。むしろこれらの実施形態は、この開示が徹底的で完全となり、かつ本発明の範囲を当業者に十分に伝えるために提供される。全体を通して、同様な番号は同様な要素を意味する。
【００３７】
さらに、図に示される様々な層および領域は、模式的に示されている。したがって、本発明は、添付の図に示された相対的な大きさおよび間隔に制限されない。また当業者は理解するように、基板または他の層の「上に」形成された層についての本明細書での言及は、基板もしくは他の層の上に直接形成された層、または基板もしくは他の層の上に形成された１つまたは複数の介在層の上に形成された層を意味することができる。本明細書で使用されるとき、用語「および／または」は、関連し列挙された要素の１つまたは複数の任意ですべての組合せを含む。
【００３８】
理解されることであろうが、第１、第２などの用語は、本明細書で、様々な領域、層、および／または部分を説明するために使用されることがあるが、これらの領域、層、および／または部分は、これらの用語によって制限されるべきでない。これらの用語は、１つの領域、層、または部分を別の領域、層、または部分と区別するために使用されるだけである。したがって、以下で述べる第１の領域、層、または部分は、本発明の教示から逸脱することなしに、第２の領域、層、または部分と、また同様に第２のものと呼ぶことができるだろう。
【００３９】
上で述べたように、チャネルへのキャリアの閉じ込めは、窒化物ベースの電界効果トランジスタの設計において重要な関心事である。本発明の実施形態は、チャネルの片側または両側に高電界領域を含めることによってキャリアの閉じ込めの強化を実現することができる。高電界領域の電界は、電子供給源領域と正孔供給源領域との間の電荷の移動によって生じることができる。高電界領域の電界は、チャネルから離れる方向に向けられている。したがって、電界は、チャネルから離れる負に帯電した電子の動きに逆らう。（一般に、電界の方向は正に帯電した粒子に作用する電気力の方向によって定義される。）
【００４０】
本明細書で使用されるとき、「ＩＩＩ族窒化物」という用語は、窒素と周期律表のＩＩＩ族の元素、通常アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）および／またはインジウム（Ｉｎ）との間で形成された半導体化合物を意味する。また、この用語は、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮのような三元および四元化合物を意味する。当業者はよく理解するように、ＩＩＩ族元素は窒素と結合して二元（例えば、ＧａＮ）、三元（例えば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）、および四元（例えば、ＡｌＩｎＧａＮ）化合物を形成することができる。これらの化合物はすべて、１モルの窒素が合計１モルのＩＩＩ族元素と結合した実験式（ｅｍｐｉｒｉｃａｌ  ｆｏｒｍｕｌａ）を有する。したがって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のような式が、これらの化合物を記述するために使用されることが多い。簡略のために、ＩＩＩ族元素（Ａｌ、ＩｎおよびＧａ）の相対的な割合の明記なしに本明細書で用語ＡｌＩｎＧａＮが使用されるとき、一般式ＩｎｘＡｌｙＧａｚＮ（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１および０≦ｚ≦１）の化合物を意味することが理解されるだろう。したがって、本明細書で使用するとき、用語ＩｎＡｌＧａＮは、別段の明記または制限がない限り、ＧａＮ、ＩｎＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮおよび／またはＡｌＩｎＧａＮを意味することができる。したがって、用語「ＩｎＡｌＧａＮ」、「ＩＩＩ族窒化物材料」および「窒化物ベースの材料」は、本明細書全体を通して同義的に使用される。
【００４１】
本発明の実施形態は、図１の断面図に高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）１０として模式的に示されている。トランジスタ１０は基板１２を備え、この基板１２は、例えば４Ｈポリタイプの半絶縁性炭化珪素（ＳｉＣ）とすることができる。２Ｈ、３Ｃ、６Ｈ、および１５Ｒポリタイプを含んだ他の炭化珪素候補（ｃａｎｄｉｄａｔｅ）ポリタイプを利用することができる。用語「半絶縁性」は、絶対的な意味ではなく相対的な意味で説明的に使用されている。本発明の特定の実施形態では、炭化珪素バルク結晶は、室温で約１×１０５Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有することができる。
【００４２】
基板１２の上のバッファ層１３は、基板１２とデバイスの残り部分との間に適切な結晶遷移（ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）を提供する。バッファ層１３は、ＩｎＡｌＧａＮの１つまたは複数の層を含むことができる。特定の実施形態では、バッファ層１３は、ＡｌＮまたはＡｌＧａＮを含むことができる。炭化珪素は、ＩＩＩ族窒化物に対してサファイア（Ａｌ２Ｏ３）よりも遥かに近い結晶格子整合を有する。サファイアは、ＩＩＩ族窒化物デバイス用の非常に一般的な基板材料である。より近い格子整合は、サファイア上に一般に得られるものよりも高品質の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総出力電力は、一般に、サファイア上に形成された同じデバイスの場合にそうであるようようには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が利用可能であるので、デバイス分離および寄生キャパシタンスの減少を可能にすることができる。
【００４３】
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、窒化ガリウムアルミニウム、窒化ガリウム、シリコン、ＧａＡｓ、ＬＧＯ、ＺｎＯ、ＬＡＯ、ＩｎＰなどの任意の適切な基板を使用することができる。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。
【００４４】
適切なＳｉＣ基板は、例えば、本発明の譲受人であるＤｕｒｈａｍ，Ｎ．Ｃ．のＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．によって製造されており、その製造方法が開示されている（特許文献２、３、４、５参照）。これらの特許文献の内容は、その全体を参照して本明細書に組み込む。同様に、ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長に関する技術が開示されている（特許文献６、７、８、９参照）。これらの特許文献の内容も、その全体を参照して本明細書に組み込む。
【００４５】
ＧａＮベースのＨＥＭＴの特定の構造が開示されている（特許文献１、１０、１１、１２および１３参照）。これらの特許文献の開示は、その全体を参照して本明細書に組み込む。本発明の実施形態は、そのような構造に組み込むことができ、したがって、本明細書で詳細に説明する特定の構造に限定されるものと解釈すべきでない。
【００４６】
再び図１を参照すると、トランジスタ１０は、チャネル層１４を備える。本発明のいくつかの実施形態では、チャネル層１４はＩｎＡｌＧａＮを含む。特定の実施形態では、チャネル層１４はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含む。本発明のいくつかの実施形態では、チャネル層１４はＧａＮを含む。チャネル層１４は、アンドープであってもよく、また約５０から約５００Åの厚さに成長してもよい。したがって、チャネル層１４は、従来のＧａＮ  ＨＥＭＴデバイスのチャネル層よりも薄くてもよい。従来のＧａＮ  ＨＥＭＴデバイスのチャネル層は一般に、厚さが５００Åよりも大きい。上で説明した実施形態のいくつかでは、材料の圧電特性の効果を高めるために、半導体結晶構造がＧａ極性（Ｇａ−ｐｏｌａｒ）（または、ＩＩＩ族極性）方位に向いていることが望ましい可能性がある。しかし、図１の実施形態を含む実施形態の多くは、本発明の範囲から逸脱することなく、Ｎ極性（Ｎ−ｐｏｌａｒ）材料または非極性材料を使用して形成することができる。
【００４７】
障壁層１６が、チャネル層１４上に設けられている。障壁層１６は、チャネル層１４のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有するＩＩＩ族窒化物とすることができる。したがって、障壁層１６は、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、および／またはＡｌＮとすることができる。障壁層１６は、少なくとも約１０ｎｍの厚さとすることができるが、層内にクラックまたは欠陥形成を生じさせるほど厚くはない。さらに、障壁層１６は、平衡条件の下で完全に空乏化しているように十分に薄くなければならない。
【００４８】
好ましくは、障壁層１６は、アンドープであるか、または約１０１９ｃｍ−３より少ない濃度で活性ドナー原子をドープされている。いくつかの実施形態では、障壁層１６は、障壁層１６とチャネル層１４の間の界面から約１００Åの距離の所に、最高で約１０１３ｃｍ−２の濃度でデルタドープされていることがある。本発明のいくつかの実施形態では、障壁層１６はＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０＜ｘ≦１）を含む。本発明のある実施形態では、障壁層１６は、約５％から約１００％のアルミニウム濃度を有するＡｌＧａＮを含む。本発明の特定の実施形態では、アルミニウム濃度は、約１０％よりも大きい。障壁層１６は、チャネル層１４のそれよりも大きなバンドギャップを有する。
【００４９】
また、障壁層は多層を備えることもできる（特許文献１および１２参照）。これらの開示は、あたかも本明細書に完全に記述されたかのように、参照により本明細書に組み込まれる。したがって、本発明の実施形態は、障壁層を単一層に限定するものとして解釈すべきでなく、例えば、様々な材料組成を有するＩｎＡｌＧａＮ層の組合せを有する障壁層を含むことができる。例えば、ＧａＮ／ＡｌＮ構造を使用して、合金散乱を低減または防止することができる。
【００５０】
トランジスタ１０のコンタクトの形成を容易にするために、障壁層１６の上に随意のＩｎＡｌＧａＮコンタクト層またはキャップ層（図示せず）を設けることができる。そのようなキャップ層の例が開示されている（例えば、特許文献１０参照）。さらに、障壁層１６とコンタクトまたはキャップ層との間に組成傾斜遷移層（図示せず）があってもよい。ソースコンタクト１８、ドレインコンタクト２０およびゲートコンタクト２２は、特許文献１に記載されているように作製することができる。
【００５１】
上で述べたように、チャネル層１４と障壁層１６との間の界面に２ＤＥＧシート状電荷領域１５が誘起される。チャネル層１４から離れるキャリアの動きを減らすために、高電界を有する領域３２がチャネル層１４とバッファ層１３との間に設けられている。いくつかの実施形態では、高電界は、高電界領域３２の厚さを画定する距離ｄだけ離れて配置された、電子供給源層３４と正孔供給源層３０との間の電荷移動によって生成される。
【００５２】
図１に示す実施形態を含むいくつかの実施形態では、電子供給源層３４は、ドナー（ｎ型）ドーパントを高濃度にドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のようなＩＩＩ族窒化物材料の薄い層を備えることができ、正孔供給源層３０は、アクセプタ（ｐ型）ドーパントを高濃度にドープされたＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）のようなＩＩＩ族窒化物材料の薄い層を備えることができる。電子供給源層３４および正孔供給源層３０は、それらの間の高電界領域３２を画定する距離「ｄ」だけ離れて配置されている。電子供給源層３４および正孔供給源層３０が形成されると、これらの層間で電荷移動が起き、これらの層のフェルミレベルが揃う（すなわち、平衡条件の下で、平均電子エネルギーが構造全体を通して同じであることを保証するように）。この電荷移動で、電子供給源領域と正孔供給源領域の間に空乏領域が生じるようになる。この電荷移動によって、電子供給源領域および／または正孔供給源領域が完全に空乏化する場合がある。空乏領域は、チャネル層１４から離れる方向に向けられた高電界を特徴とする。誘起された電界の大きさは、電子供給源層と正孔供給源層のドーピングレベルに比例する。電子供給源層と正孔供給源層との間に、高電界領域の厚さ（すなわち、電子供給源領域と正孔供給源領域の間の距離）に比例する拡散電位が生じる。したがって、電子供給源層３４および正孔供給源層３０の厚さ、ドーピングレベルおよび間隔に適切な値を選ぶことによって、最大でバンドギャップまでの（ドナーおよびアクセプタのイオン化エネルギー未満の）電位障壁を形成することができる。しかし、理論的な最大値よりもいくらか小さな電位障壁、例えばＧａＮ（約３．５ｅＶの名目上のバンドギャップを有する）の場合には約３ｅＶより小さな電位障壁を設けることが好ましいだろう。
【００５３】
さらに、非特許文献３に開示されているように、バッファ１３に深いアクセプタをドープすることができる。コドープ層の特定の例が開示されている（特許文献１４参照）。特許文献１４の開示を、参照により本明細書に組み込む。Ｆｅまたは他の深いアクセプタをバッファにドープすることができる。
【００５４】
この効果が図２に示されている。図２は、高いドーパント濃度を有する一対の薄い反対にドープされた層の近くの電荷（図２（ａ））、電界（図２（ｂ））および電圧（図２（ｃ））の例示のグラフを示している。図２のグラフのようなバンドエネルギー、電圧、電界および電荷のグラフは、正確な縮尺であることは意図されておらず、また実際の測定値のグラフでもない。むしろ、それらのグラフは、問題の構造の様々な特性を例示するためだけに含まれている例示的グラフである。
【００５５】
電子供給源層は、完全に空乏化されるように設計されているので、この層は、イオン化ドナー原子による固定正電荷で特徴付けられる。図２では、電子供給源層および正孔供給源層は、距離「ｄ」だけ離れて配置された薄い高濃度ドープ層としてモデル化されている。この構造内の電界は、関心のある方向に沿って電荷密度を積分することによって得られる。数学的に、電界Ｅは、次の式によって与えられる。
【００５６】
【数１】
2007535138.tif 000003
【００５７】
ここで、Ｋｓは半導体材料の比誘電率であり、ε０は自由空間の誘電率である。この構造は平衡状態にあるので、正味の電荷密度は、電子供給源層と正孔供給源層の直ぐ近傍の範囲内でゼロであるが、それらの層の中ではゼロでないと仮定される。結果として生じる電界を図４（ｂ）に示す。すなわち、電界は電子供給源層と正孔供給源層の間でほぼ一定であり、その他ではゼロである。構造内の電位Ｖは次式で与えられる。
【００５８】
【数２】
2007535138.tif 000004
【００５９】
構造内の電位を図２（ｃ）に示す。この図に示されるように、正孔供給源層３０の縁で、拡散電圧と呼ばれＶｂｉで表される電位の最大値に達する。したがって、電子供給源層と正孔供給源層との間の距離「ｄ」および電界Ｅの大きさが、一緒になって、高電界領域３２で提供される電位障壁の大きさを決定する。
【００６０】
設計方法の例として、間隔に比べて非常に薄い一対の２つの反対にドープされた層を考える。両層は、空乏化された同一シート状電荷を有すると仮定する。したがって、各層の面積電荷密度は、Ｎｓｈｅｅｔ＝Ｐｓｈｅｅｔとして与えられる（両方ともｃｍ−２の単位で与えられる）。
【００６１】
そのとき、２つの電荷のシートの間の電界は、（ｑ×Ｐｓｈｅｅｔ）／εである。ここで、ｑは素電荷（１．６０２×１０−１９Ｃ）であり、εは材料の誘電率（ＧａＮの場合、約９×８．８５×１０−１４Ｆ／ｃｍ）である。ＧａＮの場合、電界は約Ｐｓｈｅｅｔ×（２×１０−７Ｖ・ｃｍ）であろう。したがって、１０１２ｃｍ−２のシート電荷密度の場合、電界は約２×１０５Ｖ／ｃｍだろう。
【００６２】
拡散電圧は、電界と間隔の距離ｄとの積である。 
Ｖｂｉ＝ｄ×（ｑ×Ｐｓｈｅｅｔ）／ε  （３）
【００６３】
この電圧は、Ｅｇ−Ｅａ−Ｅｄよりも必ず小さい。ここで、Ｅｇはエネルギーギャップであり、Ｅａは価電子帯に対するアクセプタイオン化エネルギーであり、Ｅｄは伝導帯に対するドナーイオン化エネルギーである。完全な空乏化を保証するために、障壁の電圧は、Ｅｇ−Ｅａ−Ｅｄより間違いなく小さいように選ぶべきである。 
したがって、Ｖｂｉ＜（Ｅｇ−Ｅａ−Ｅｄ）／ｑであれば、そのとき、
ｄ×（ｑ×Ｐｓｈｅｅｔ）／ε＜（Ｅｇ−Ｅａ−Ｅｄ）／ｑ
ｄ×Ｐｓｈｅｅｔ×（２×１０−７Ｖ・ｃｍ）＜（Ｅｇ−Ｅａ−Ｅｄ）／ｑ  （４）
ｄ×Ｐｓｈｅｅｔ＜５×１０６×（Ｅｇ−Ｅａ−Ｅｄ）／ｑ（Ｖ−１ｃｍ−１）
比較的浅いアクセプタおよびドナーを想定すると、２Ｖの障壁が適切な目標であろう。
ｄ×Ｐｓｈｅｅｔ＜２×５×１０６／ｃｍ＝１０７／ｃｍ
ｄ×Ｐｓｈｅｅｔ＜１０７／ｃｍ×１０４μｍ／ｃｍ      （５）
ｄ×Ｐｓｈｅｅｔ＜１０１１μｍ／ｃｍ２
【００６４】
チャネル電荷に比べては小さいが、閉じ込めを改善することができる電界のためには十分に大きなシート電荷密度、例えば１０１２ｃｍ−２を選ぶと、そのとき、
ｄ＜１０１１μｍ／ｃｍ２／Ｐｓｈｅｅｔ、または  （６）
ｄ＜０．１μｍ
【００６５】
電子供給源層３４および正孔供給源層３０に１０１２ｃｍ−２のシート密度を得るために、半導体結晶をデルタドープすることができる。当技術分野で知られているように、デルタドーピングは、半導体層の非常に薄い領域に非常に高い密度のドーパントをドープすることを意味する。例えば、正孔供給源層３０を形成するために、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの半導体結晶に、約１０ｎｍの深さにわたり約１０１８ｃｍ−３の活性濃度（ａｃｔｉｖａｔｅｄ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ）のＭｇまたはＺｎのようなアクセプタをドープすることができる。正孔供給源層３０に、ＦｅまたはＶのような深い準位のアクセプタ元素をドープすることができる。あるいは、正孔供給源層３０に、Ｚｎおよび／またはＭｇのような浅いアクセプタドーパントと共に、ＦｅまたはＶのような深い準位の遷移元素をコドープすることができる。より小さな活性化エネルギーＥａを有する浅いアクセプタを使用すると、より大きな最大拡散電圧Ｖｂｉを生じることができる。しかし、材料が過剰ドープされると、デバイス性能に悪影響を及ぼすかもしれない自由アクセプタが生じる可能性がある。また、電子をトラップするかもしれない「ラクダのこぶ（ｃａｍｅｌ  ｈｕｍｐ）」を伝導帯Ｅｃに形成することは望ましくない。したがって、Ｖｂｉを十分に低くし、かつ成長システムで記憶効果（ｍｅｍｏｒｙ  ｅｆｆｅｃｔ）の少ないドーパントを選ぶことが好ましいだろう。
【００６６】
同様に、電子供給源層に、Ｓｉ、ＧｅまたはＯ原子をドープすることができる。しかし、より厚い層に関して他の形のドーピングを使用することができる。例えば、層内のドーピングは、漸進的に傾斜していたり、または急峻であることができる。さらに、電子供給源層および正孔供給源層は、１０ｎｍよりも厚くてもよく、または薄くてもよい。一般に、電子供給源層および正孔供給源層は、各々、厚さが約０．２ｎｍから約１００ｎｍの範囲にあってもよい。電子供給源層および正孔供給源層は、同じ厚さまたはドーピング密度である必要はない。
【００６７】
したがって、２Ｖの障壁の場合、「ｄ」は０．１μｍ未満とすることができる。一般に、使用される所望の障壁高さおよびドーピングレベルに応じて、高電界領域３２の厚さ「ｄ」は約１０ｎｍから約２００ｎｍの範囲とすることができる。
【００６８】
所望の障壁に依存して、異なるドーピングレベルおよび間隔を選ぶことができる。いくつかの実施形態では、障壁は約０．５Ｖ未満の電位高さを有することができる。他の実施形態では、障壁高さは約１Ｖ以下であってもよい。さらに他の実施形態では、障壁高さは約２Ｖ以下であってもよい。上で述べたように、障壁高さに対する制限は、（Ｅｇ−Ｅａ−Ｅｄ）未満であることである。
【００６９】
いくつかの実施形態では、電子供給源層は、障壁層とチャネル層との界面に誘起された２ＤＥＧ領域を備えることができる。そのような実施形態では、２ＤＥＧ領域は、正孔供給源領域によって完全に空乏化されるべきでない。そのような実施形態の例を図１Ａに示し、図１Ａでは、正孔供給源領域３０はチャネル層１４の下に形成されている。チャネル層１４と障壁層１６の間との界面の２ＤＥＧ領域１５は、電子供給源層３４として作用する。したがって、チャネル層１４全体が、２ＤＥＧ領域１５から離れるキャリアの動きに逆らう高電界領域３２として機能することができる。
【００７０】
図３は、トランジスタ１０の一部のエネルギーレベル対位置（ｘ）のグラフである。結晶格子にアルミニウムが存在するために、ＡｌＧａＮはＧａＮよりも広いバンドギャップを有する。したがって、チャネル層１４と障壁層１６の間の界面は、伝導帯Ｅｃおよび価電子帯Ｅｖが食い違っているへテロ構造を形成する。圧電効果および自然ドーピングのために電荷が誘起される。障壁層１６に直ぐ隣接したチャネル層１４の部分で、伝導帯Ｅｃは、フェルミレベルＥｆの下に沈んでいる。その結果、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）のシート状電荷領域が、チャネル層１４と障壁層１６との間のヘテロ接合に誘起され、一方で、層１６は、伝導帯の形のために可動キャリアが空乏化している。
【００７１】
この領域の導電率は、ゲート電極２２に電圧を加えることによって調整される。逆電圧が加えられたとき、伝導層１５の近くの伝導帯はフェルミレベルより上に持ち上げられ、伝導層１５の一部はキャリアが空乏になり、それによって、ソース１８からドレイン２０への電流の流れが妨げられる。
【００７２】
チャネル層から離れる電子の動きに逆らうために、チャネル層１４とバッファ層１３との間に電子供給源層３４および正孔供給源層３０を挿入することにより、エネルギー障壁が形成される。電子供給源層３４と正孔供給源層３０は、高電界を有する領域３２を画定する距離「ｄ」だけ離れて配置されている。領域３２内のエネルギーバンドの傾きは、この領域の電界の強さに直接関係している。図３に示すように、高電界領域３２内での伝導帯Ｅｃの大きな傾きは、チャネル層１４からバッファ層１３の方への電子の動きに逆らう大きな電位障壁を与える。より詳細には、高電界領域３２で生成された電位障壁は、２ＤＥＧ領域内の電子がバッファ領域の中に移動しないようにする傾向があり、このバッファ領域では、電子はトラップされるかまたはゲート電圧の影響を受け難くなる可能性がある。
【００７３】
本発明の他の実施形態を図４に示す。図１の構造１０に関連して説明したように、図４の構造１０Ａは、基板１２、バッファ層１３、チャネル層１４および障壁層１６を備え、これらは、図１に関連して上で説明したように形成される。構造１０Ａは、さらに、電子供給源領域３４と高電界領域３２を含む。図１に示す実施形態の場合のように、電子供給源領域３４は、薄い高濃度ドープ半導体層を備えることができる。しかし、構造１０Ａでは、正孔供給源層３０は、高電界領域３２を提供する第１の層３８と第２の層３６の間とのヘテロ界面で実現されている。理解されることであろうが、第１の層３８と第２の層３６との間のヘテロ界面は、急峻な接合または傾斜接合を備えることができる。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含むことができる第２の層３６は、第１の層３８よりも大きなバンドギャップを有する。第２の層３６は、アンドープであってもよく、または、浅いｐ型ドーパントを低濃度にドープし、かつ／または深いレベルのｐ型ドーパントをドープしてもよい。したがって、第１および第２の層３８および３６が形成されたとき、第１の層３８と第２の層３６との間のヘテロ界面に近い領域は、圧電バンドベンディングのために高濃度にｐ型になる。したがって、たとえ構造が高濃度ｐ型ドープ層を備えていなくても、第１の層３８と第２の層３６との間の界面に、正孔供給源領域として機能する擬似ｐ型領域が誘起される。
【００７４】
上で説明した実施形態の場合のように、第１の層３８と第２の層３６との間の界面に生成された擬似ｐ型領域と電子供給源層３４との間のキャリアの移動により、２ＤＥＧ領域１５から離れるように動く電子に対する障壁として機能する高電界領域３２が生成される。
【００７５】
いくつかの実施形態では、第２の層３６は、ＩｎＡｌＧａＮを含む。特定の実施形態では、第２の層３６は、０．０２≦ｘ≦０．２であるＡｌｘＧａ１−ｘＮを含むことができる。第２の層３６は、また、格子整合または歪み緩和のために傾斜組成を有することができる。第２の層３６は、１０ｎｍから１０μｍの厚さとすることができる。さらに、バッファ層１３が、バッファ層１３と第１の層３８との間の界面が正孔供給源層として作用することのできるヘテロ接合を形成するような適切なアルミニウム組成を有する場合、第２の層３６を完全に省略することができる。
【００７６】
図４の構造の例示のバンド図を図５に示す。図５に示すように、伝導帯の正の急傾斜を特徴とする高電界領域３２が、電子供給源層３４と、高電界領域３２と第２の層３６との間の界面に形成された正孔供給源層３０Ａとの間に形成されている。高電界領域３２中の電界は、チャネル層１４から離れるキャリアの動きに逆らう。
【００７７】
上で述べたように、できるだけ多くのチャネル層１４からのキャリアがトランジスタデバイスの表面に達するのを防止することが望ましいこともある。トランジスタデバイスの露出表面は通常不動態化されているが、パッシベーション層の界面状態でのキャリアトラッピングは、マイクロ波トランジスタの性能および／または寿命にマイナスの影響を及ぼすことがある。
【００７８】
したがって、本発明のいくつかの実施形態では、チャネル層１４からデバイスの表面の方に離れるキャリアの動きに抵抗し、または逆らうように電位障壁が構造中に形成されている。図６は、その間に高電界領域４２を形成するのに互いに十分に近接して位置付けされた正孔供給源層４０と電子供給源層４４とによって、障壁層１６とデバイス１０Ｂの上面５０との間に電子障壁が形成されている本発明の実施形態を示している。図１および図４に示すデバイスに関連して上で説明したように、デバイス１０Ｂは、基板１２、バッファ層１３、チャネル層１４および障壁層１６を備える。電子供給源層４４は、障壁層１６の上に形成することができる。電子供給源層４４の厚さおよびドーピングは、図１の電子供給源層３４への参照と関連して説明したのと同じであってもよい。正孔供給源層４０は、電子供給源層４４の直ぐ近くに形成されるが、高電界層４２を画定する距離「ｄ」だけ間隔をあけて配置されている。随意のキャップ層４６を正孔供給源層４０の上に形成することができる。パッシベーション層５２が、デバイス１０Ｂの露出した上面を覆っている。パッシベーション層５２は、ＳｉＮおよび／またはＳｉＯ２を含むことができる。ＧａＮベースの層の上にパッシベーション層を形成することは、当技術分野でよく知られている。
【００７９】
有効なソースおよびドレインオーミックコンタクト１８、２０を形成するために、例えば、図６示すような金属化（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）の前に、正孔供給源層４０、高電界層４２および電子供給源層４４を貫通してエッチングし、障壁層１６の表面を露出させることにより、コンタクトをリセス化することが望ましいことがある。あるいは、本発明の特定の実施形態では、図１０および８にそれぞれ示すように、金属化前に、エッチングは、高電界層４２または電子供給源層４４内までのみ延びている。また、露出された表面にイオンを打ち込み、オーミックコンタクトを形成するためのより適切な表面を設けることもできる。
【００８０】
図６の構造の例示のバンド図が図７に示されている。図７に示すように、伝導帯の負の急傾斜を特徴とする高電界領域４２は、デバイス１０Ｂの電子供給源層４４と正孔供給源層４０との間に形成されている。高電界領域内の電界は、チャネル層１４からデバイス１０Ｂの表面５０の方に離れるキャリアの動きに逆らう。
【００８１】
図４に示した実施形態の場合のように、正孔供給源層４０は、高電界層とより大きなバンドギャップの層との間のヘテロ接合界面によって設けることができる。そのような実施形態を図８に示し、図８では、電子供給源層４４が障壁層１６の上に形成されている。高電界層４２は、電子供給源層４４の上に形成され、そして高電界層４２よりも狭いバンドギャップを有する層４８が、高電界層４２と急峻なヘテロ接合または傾斜へテロ接合を形成している。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含むことができるより小さなバンドギャップの層４８は、アンドープであってもよく、またはｐ型ドーパントを低濃度にドープされていてもよい。したがって、これらの層が形成されたとき、層４８と４２との間のヘテロ界面に近い領域は、自発および圧電分極電荷に起因して正孔供給源として作用するようになる。したがって、たとえ構造が高濃度ｐ型ドープ層を備えていなくても、層４２と４８との間の界面に、正孔供給源領域として機能する擬似ｐ型領域４０が誘起される。
【００８２】
デバイス１０Ｃの例示のバンド図を図９に示す。図９に示すように、高電界領域４２は、電子供給源層４４と、層４２と４８との間の界面に誘起された正孔供給源領域４０との間の電荷移動によって形成される。
【００８３】
上で図１から９を参照して説明されたキャリア閉じ込め電位障壁は、デバイスのチャネル領域の上と下の両方にキャリアの閉じ込めを提供するように、同じデバイスに設けることもできる。例示の構造を図１０に示す。デバイス構造１０Ｄは、電子供給源層４４および正孔供給源層４０によって形成されたチャネル層１４の上（すなわち、障壁層１６とデバイス１０Ｄの上面５０との間）の電位障壁だけでなく、電子供給源層３４および正孔供給源層３０によって形成されたチャネル層１４の下（すなわち、チャネル層１４とバッファ層１３との間）の電位障壁も備える。デバイス１０Ｄの構造の例示のバンド図を図１１に示す。図１１から明らかなように、チャネル領域からどちらの方向に離れるキャリアの動きにも逆らうように、チャネル層の両側に大きな電位障壁が形成されている。上で説明した実施形態の場合のように、正孔供給源層３０、４０は、高濃度のアクセプタをドープされた薄い層として形成されるかもしれないし、または、図８および４の実施形態と関連して説明したようなヘテロ接合界面に誘起されるかもしれない。
【００８４】
本発明の他の実施形態を図１２に示す。図１の構造１０に関連して説明したように、図１２の構造１０Ｅは、基板１２、バッファ層１３、チャネル層１４および障壁層１６を備え、これらは、図１に関連して上で説明したように形成されている。構造１０Ｅは、さらに、界面領域３０Ａおよび３４Ａを備え、これらの界面の間に量子井戸が形成されている。構造１０Ｅでは、第１の層３８は、障壁を実現する量子井戸を設けるために、チャネル層１４および第２の層３６よりも狭いバンドギャップおよび大きな格子定数を有する。本発明の特定の実施形態では、第１の層３８はＩｎＮであり、チャネル層１４および第２の層３６はＧａＮである。ＩｎＮの第１の層３８の場合、この層は厚さがほぼ１単分子層（約３Å）であってもよい。ＩｎＮ／ＧａＮ界面に関して予想される電荷は、非常に高い（＞２Ｅ１４ｃｍ−２）と思われるので、せいぜい約２単分子層が大きな障壁のために望ましいだろう。界面３０Ａおよび３４Ａは、それぞれ正孔および電子供給源領域であり、各々がこの非常に大きな電荷密度を有している。したがって、非常に薄い層３８は、前に説明したような大きな障壁を生成することができる。また、ＩｎＮ層は、量子井戸の中に形成された、電子または正孔トラップとして作用することができる許容エネルギーレベルがないように十分に薄くすべきである。したがって、ＧａＮ／ＩｎＮ／ＧａＮ構造の場合、ＩｎＮは、この理由により約２単分子層より薄くされるべきである。所与の障壁のためのＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ（または、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ／ＡｌＧａＮまたは他のＩｎＡｌＧａＮ／ＩｎＡｌＧａＮ／ＩｎＡｌＧａＮ）構造では、バンドオフセットが減少するにつれて厚さをほぼ線形的に増大させる必要があるだろうが、井戸の中に量子準位を許さないための最大許容厚さは、ほぼ平方根に比例変化するだけである。したがって、バンドギャップの大きな不連続が望ましい可能性がある。界面領域３０Ａおよび３４Ａは、各々、急峻であってもよく、または傾斜的であってもよい。
【００８５】
図１２に示した特定の実施形態では、チャネル層１４は薄い層（約３０〜３００Å）とすることができ、この層は、ちょうど２ＤＥＧを含むことができるだけの厚さであり、また成長中に高品質ＧａＮに変わるために十分な厚さを与える。層３８がＩｎＮである実施形態では、その後のＧａＮ成長温度まで加熱している間にＩｎＮが分解しないようにするために、従来の減圧ＭＯＣＶＤではなく、ＭＢＥまたは高圧ＭＯＣＶＤを利用することができる。
【００８６】
図１２の構造の例示のバンド図を図１３に示す。図１３に示すように、伝導帯の正の急傾斜を特長とする高電界領域３２は、チャネル層１４、第１の層３８および第２の層３６で実現された量子井戸によって形成されている。高電界領域３２内の電界は、チャネル層１４から離れるキャリアの動きに逆らう。
【００８７】
図１２に示す本発明の実施形態は、（ＧａＮ／ＩｎＮ／ＧａＮを含む）ＧａＮ／ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造を提供し、それによって、合金散乱低減のために２元であるチャネルを提供することができる。さらに、ＧａＮ層３６は三元または四元材料よりも成長するのが容易であるので、より厚くより低転位密度の層を作ることができ、ＧａＮ基板が使用に供されるようになれば特にそうなるだろう。さらに、界面での電子供給源層密度と正孔供給源層密度はほぼ等しく、かつ打ち消し合うべきであり、したがって、場合によっては、設計が容易になる。
【００８８】
本発明の方法の実施形態を図１６〜１８に示す。図１６に示すように、本発明の実施形態に従った方法は、チャネル領域を形成すること（ブロック２１０）およびチャネル領域から離れるキャリアの動きに逆らうエネルギー障壁を形成すること（ブロック２１５）を含む。本発明のいくつかの実施形態は、チャネル領域を形成すること、および、チャネル領域から離れるキャリアの動きに逆らうエネルギー障壁をチャネル領域の各側に形成することを含む。
【００８９】
図１７に示すいくつかの実施形態では、エネルギー障壁を形成することは、電子供給源層を形成すること（ブロック２２０）、高電界領域を形成すること（ブロック２３０）、および正孔供給源層を形成すること（ブロック２４０）を含む。いくつかの実施形態では、チャネル層は、電子供給源層上に形成することができる。他の実施形態では、電子供給源層は、チャネル層の形成後に形成することができる。
【００９０】
図１８に示す特定の実施形態では、正孔供給源層が形成され（ブロック２２５）、この正孔供給源層の上に高電界領域が形成され（ブロック２３５）、そして、電子供給源層がこの高電界領域の上に形成される（ブロック２４５）。チャネル層が、電子供給源層の上に形成される（ブロック２５５）。ＨＥＭＴ構造については、チャネル層と障壁層との間の２ＤＥＧ領域の生成を容易にするために、障壁層をチャネル層の上に形成することができる。
【００９１】
他の実施形態では、チャネル層が形成され、電子供給源層がチャネル層の上に形成され、高電界領域が電子供給源層の上に形成され、そして正孔供給源層が高電界領域の上に形成される。
【００９２】
チャネル層を形成するステップ、電子供給源層を形成するステップ、高電界領域を形成するステップ、および正孔供給源層を形成するステップは、上で詳細に説明されている。特に、電子供給源層を形成するステップは、窒化物ベースの結晶の薄い層にドナー（ｎ型）不純物をデルタドーピングすることを含むことができる。例えば、上で述べたように、半導体結晶に約１０ｎｍ厚さにわたり約１０１８ｃｍ−３の濃度のドーパント原子をドーピングして、電子供給源層を形成することができる。同様に、正孔供給源層を形成するステップは、窒化物ベースの結晶の薄い層にアクセプタ（ｐ型）不純物をデルタドーピングすることを含むことができる。上で述べたように、電子および正孔供給源層は、１０ｎｍよりも厚く、または薄く形成することができる。さらに、電子および正孔供給源層は、同じ厚さおよび／またはドーピングレベルである必要はない。
【００９３】
意図的にドープされた層を形成する代わりに、電子供給源層を形成するステップは、ＧａＮ／ＡｌＧａＮ界面に２ＤＥＧを形成することと同時に達成することができる。すなわち、２ＤＥＧ領域は、ある特定の実施形態の目的のために、電子供給源層として作用することができる。同様に、正孔供給源層を形成するステップは、上で述べたように圧電効果に起因してアクセプタドープ領域として作用するヘテロ界面を形成することで達成することができる。
【００９４】
正孔または電子供給源としてヘテロ構造を有する本明細書で説明した例示的実施形態は、Ｇａ極性エピタキシャル層に関して示した。ドーピングに依拠して正孔および／または供給源層を設ける例示的実施形態では、そのような構造は、非極性または部分的にＧａ極性の場合に同じである。しかし、一般に、非極性構造は、へテロ界面分極ドーピングを活用することができないだろう。Ｎ極性構造を使用する本発明の実施形態は、同じ原理が、ちょうど反対で当てはまるが、へテロ構造層の点で異なるように見えるだろう。
【００９５】
図面および明細書において、本発明の一般的な実施形態を開示してきた。特定の用語が使用されたが、それらの用語は、ただ一般的な説明的な意味にのみ使用され、制限する目的のためには使用されていない。本発明の範囲は以下の特許請求の範囲に記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の実施形態に従ったトランジスタ構造を示す模式図である。
【図１Ａ】本発明のさらなる実施形態に従ったトランジスタ構造を示す模式図である。
【図２】図１の構造の領域内の（ａ）電荷密度、（ｂ）電界および（ｃ）電位を示す例示のグラフである。
【図３】図１に示す実施形態の中の領域のバンド図を示す例示のグラフである。
【図４】本発明のさらなる実施形態に従ったトランジスタ構造を示す模式図である。
【図５】図４に示す実施形態の中の領域のバンド図を示す例示のグラフである。
【図６】本発明のさらなる実施形態に従ったトランジスタ構造を示す模式図である。
【図７】図６に示す実施形態の中の領域のバンド図を示す例示のグラフである。
【図８】本発明のさらなる実施形態に従ったトランジスタ構造を示す模式図である。
【図９】図８に示す実施形態の中の領域のバンド図を示す例示のグラフである。
【図１０】本発明のさらなる実施形態に従ったトランジスタ構造を示す模式図である。
【図１１】図１０に示す実施形態の中の領域のバンド図を示す例示のグラフである。
【図１２】本発明のさらなる実施形態に従ったトランジスタ構造を示す模式図である。
【図１３】図１２に示す実施形態の中の領域のバンド図を示す例示のグラフである。
【図１４】従来技術のＨＥＭＴ構造を示す模式図である。
【図１５】図１４に示す構造の中の領域のバンド図を示す例示のグラフである。
【図１６】本発明のさらなる実施形態に従った動作を示す流れ図である。
【図１７】本発明のさらなる実施形態に従った動作を示す流れ図である。
【図１８】本発明のさらなる実施形態に従った動作を示す流れ図である。
【図１】
2007535138.tif 000005
【図１Ａ】
2007535138.tif 000006
【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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【図７】
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【図８】
2007535138.tif 000013
【図９】
2007535138.tif 000014
【図１０】
2007535138.tif 000015
【図１１】
2007535138.tif 000016
【図１２】
2007535138.tif 000017
【図１３】
2007535138.tif 000018
【図１４】
2007535138.tif 000019
【図１５】
2007535138.tif 000020
【図１６】
2007535138.tif 000021
【図１７】
2007535138.tif 000022
【図１８】
2007535138.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】平成17年9月2日(2005.9.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波動作が可能な窒化物ベースのＨＥＭＴであって、
基板と、
前記基板の上のＩｎＡｌＧａＮを含むチャネル層と、
前記チャネル層の上のＩｎＡｌＧａＮを含む障壁層であって、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、前記チャネル層と前記障壁層との間の界面に前記障壁層と前記チャネル層が協働して２次元電子ガスを誘起する障壁層と、
前記障壁層および／または前記チャネル層の１つに隣接した少なくとも１つのエネルギー障壁であって、正孔供給源層に近接し、かつ間隔をあけて配置された電子供給源層を備えるエネルギー障壁と
を備えることを特徴とする窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項２】
前記電子供給源層は、ｎ型ドーパントをドープされた層を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３】
前記電子供給源層は、第１のＩｎＡｌＧａＮ層と第２のＩｎＡｌＧａＮ層との間のヘテロ界面を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項４】
前記電子供給源層は、前記チャネル層と前記障壁層との間のヘテロ界面を備え、前記２次元電子ガスは、前記正孔供給源層によって完全には空乏化されていないことを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項５】
前記正孔供給源層は、ｐ型ドーパントをドープされた層を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項６】
前記正孔供給源層は、深い準位の遷移元素と浅いアクセプタドーパントとをコドープされた層を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項７】
前記正孔供給源層は、深い準位のアクセプタドーパントをドープされた層を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項８】
前記正孔供給源層は、第１のＩｎＡｌＧａＮ層と第２のＩｎＡｌＧａＮ層との間のヘテロ界面を備えることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項９】
前記電子供給源層は、平衡条件の下で完全に空乏化していることを特徴とする請求項２に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１０】
前記正孔供給源層は、平衡条件の下で完全に空乏化していることを特徴とする請求項５に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１１】
前記エネルギー障壁は、約０．５Ｖを超える拡散電位障壁を実現することを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１２】
前記エネルギー障壁は、約１Ｖを超える拡散電位障壁を実現することを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１３】
前記エネルギー障壁は、約２Ｖを超える拡散電位障壁を実現することを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１４】
前記エネルギー障壁は、前記チャネルから離れる方向に向けられた関連した電界を有することを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１５】
前記エネルギー障壁は、前記電子供給源層と前記正孔供給源層との間の電荷移動に起因して生じることを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１６】
前記エネルギー障壁は、約１０５Ｖ／ｃｍを超えるピーク電界を有することを特徴とする請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項１７】
高周波動作が可能な窒化物ベースのＨＥＭＴであって、
基板と、
前記基板の上のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含むチャネル層と、
前記チャネル層の上のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）を含む障壁層であって、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、前記チャネル層と前記障壁層との間の界面に前記障壁層と前記チャネル層が協働して２次元電子ガスを誘起する障壁層と、
前記障壁層内の少なくとも１つのエネルギー障壁であって、正孔供給源層に近接した電子供給源層を備え、前記チャネル層から離れる電子の動きに逆らうエネルギー障壁と
を備えることを特徴とする窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項１８】
高周波動作が可能な窒化物ベースのＨＥＭＴであって、
基板と、
前記基板の上のＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）を含むチャネル層と、
前記チャネル層の上のＡｌｙＧａ１−ｙＮ（０＜ｙ≦１）を含む障壁層であって、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、前記チャネル層と前記障壁層との間の界面に前記障壁層と前記チャネル層が協働して２次元電子ガスを誘起する障壁層と、
前記２次元電子ガスと前記基板との間の少なくとも１つのエネルギー障壁であって、正孔供給源層に近接した電子供給源層を備え、前記障壁層と前記チャネル層との間の前記界面から離れる電子の動きに逆らうエネルギー障壁と
を備えることを特徴とする窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項１９】
基板と、
前記基板の上のＩｎＡｌＧａＮを含むチャネル層と、
前記チャネル層と電気的に連絡しているソースおよびドレインオーミックコンタクトと、
前記チャネル層の上のゲートコンタクトと、
前記チャネル層と前記基板との間の少なくとも１つのエネルギー障壁であって、正孔供給源層に近接した電子供給源層を備えるエネルギー障壁と
を備えることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２０】
基板と、
前記基板の上のバッファ層と、
前記バッファ層の上のＩｎＡｌＧａＮを含むチャネル層と、
前記チャネル層と電気的に連絡しているソースおよびドレインオーミックコンタクトと、
前記チャネル層の上のゲートコンタクトと、
前記チャネルと前記バッファとの間の電子供給源層と、
前記電子供給源層と前記バッファとの間の正孔供給源層と、
前記電子供給源層と前記正孔供給源層との間の高電界領域であって、前記チャネル層から前記バッファの方に離れる電子の動きに逆らうエネルギー障壁を提供する高電界領域とを備えることを特徴とする電界効果トランジスタ。
【請求項２１】
電界効果トランジスタを製造する方法であって、
基板の上にＩｎＡｌＧａＮチャネル層を形成するステップと、
前記チャネル層から離れるキャリアの動きに逆らうエネルギー障壁を形成するステップと
を含み、
前記エネルギー障壁は、正孔供給源層に近接し、かつ間隔をあけて配置された電子供給源層を備えることを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記エネルギー障壁は、前記チャネル層の形成後に形成されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記エネルギー障壁は、前記チャネル層の形成前に形成されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
比較的広いバンドギャップを有するＩｎＡｌＧａＮ障壁層が、前記チャネル層の上に形成されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
エネルギー障壁を形成する前記ステップは、電子供給源層を形成するステップと、正孔供給源層を形成するステップと、前記電子供給源層と前記正孔供給源層との間の高電界領域を形成するを形成するステップとを含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記チャネル層は、前記電子供給源層の上に形成されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記正孔供給源層は前記基板の上に形成され、前記高電界領域は前記正孔供給源層の上に形成され、前記電子供給源層は前記高電界領域の上に形成され、そして前記チャネル層は前記電子供給源層の上に形成されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記チャネル層は前記基板の上に形成され、前記電子供給源層は前記チャネル層の上に形成され、前記高電界領域は前記電子供給源層の上に形成され、そして前記正孔供給源層は前記高電界領域の上に形成されることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２９】
エネルギー障壁を形成するステップは、前記チャネル層に隣接して量子井戸を形成することを含むこと特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項３０】
電界効果トランジスタを製造する方法であって、
基板の上にＩｎＡｌＧａＮチャネル層を形成するステップと、
前記チャネル層から離れるキャリアの動きに逆らう第１のエネルギー障壁を前記チャネル層の第１の側に形成するステップであって、前記第１のエネルギー障壁は、第１の正孔供給源層に近接し、かつ間隔をあけて配置された第１の電子供給源層を備えるステップと、
前記チャネル層から離れるキャリアの動きに逆らう第２のエネルギー障壁を前記チャネル層の第２の側に形成するステップであって、前記第２のエネルギー障壁は、第２の正孔供給源層に近接し、かつ間隔をあけて配置された第２の電子供給源層を備えるステップと
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３１】
高周波動作が可能な窒化物ベースのＨＥＭＴであって、
基板の上のＩＩＩ族窒化物ベースのチャネル層と、
前記チャネル層の上のＩＩＩ族窒化物ベースの障壁層であって、前記チャネル層のバンドギャップよりも大きなバンドギャップを有し、前記チャネル層と前記障壁層との間の界面に前記障壁層と前記チャネル層が協働して２次元電子ガスを誘起する障壁層と、
前記チャネル層から離れるキャリアの動きに逆らう拡散電位を生成する手段であって、正孔供給源層に近接し、かつ間隔をあけて配置された電子供給源層を備えるエネルギー障壁を備える手段と
を備えることを特徴とする窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３２】
前記チャネル層から離れるキャリアの動きに逆らう拡散電位を生成する前記手段は、前記障壁層と前記チャネル層との間の拡散電位、および／または前記チャネル層と前記基板との間の拡散電位を備えることを特徴とする請求項３１に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３３】
前記拡散電位を生成する手段は、電子供給源の直ぐ近くに間隔をあけて配置された正孔供給源を備えることを特徴とする請求項３１に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３４】
前記正孔供給源および／または前記電子供給源のうちの少なくとも１つは、対応するｎ型またはｐ型ドーパントをドープされた層を備えることを特徴とする請求項３３に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３５】
前記正孔供給源および／または前記電子供給源のうちの前記少なくとも１つの他方は、へテロ界面構造を備えることを特徴とする請求項３３に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３６】
拡散電位を生成する前記手段は、前記チャネル層に隣接した量子井戸を備えることを特徴とする請求項３１に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３７】
前記量子井戸は、
前記チャネル層に隣接した第１の窒化物層であって、前記チャネル層のバンドギャップよりも狭いバンドギャップを有し、前記チャネル層の格子定数よりも大きな格子定数を有する第１の窒化物層と、
前記第１の窒化物層に隣接し前記チャネル層と対向する第２のＩＩＩ族窒化物ベースの層であって、前記チャネル層のバンドギャップおよび格子定数と実質的に同じであるバンドギャップおよび格子定数を有する第２のＩＩＩ族窒化物ベースの層と
を備えることを特徴とする請求項３６に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３８】
前記第１の窒化物層はＩｎＮを含み、前記チャネル層および第２のＩＩＩ族窒化物ベースの層はＧａＮを含むことを特徴とする請求項３７に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項３９】
前記第１の窒化物層は、約１または２単分子層の厚さを有することを特徴とする請求項３７に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【請求項４０】
前記チャネル層は、約３０Åから約３００Åの厚さを有することを特徴とする請求項３７に記載の窒化物ベースのＨＥＭＴ。
【国際調査報告】
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