(57)【要約】  約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間の間動作されたとき、約３．０ｄＢ未満の電力劣化を有するＩＩＩ族窒化物ベースの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が提供される。
2008533738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間の間動作したとき、電力劣化が約３．０ｄＢ未満であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物ベースの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）。
【請求項２】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、電力劣化が約０．４４ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項３】
約２．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることを特徴とする請求項２に記載のＦＥＴ。
【請求項４】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のＦＥＴ。
【請求項５】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項４に記載のＦＥＴ。
【請求項６】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、電力劣化が約１．３ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項７】
約２．０μｍから約８．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項２に記載のＦＥＴ。
【請求項８】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のＦＥＴ。
【請求項９】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項８に記載のＦＥＴ。
【請求項１０】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、電力劣化が約０．２５ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項１１】
前記ＦＥＴの表面上のパッシベーション層を備え、前記パッシベーション層は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含むことを特徴とする請求項１０に記載のＦＥＴ。
【請求項１２】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
ＧａＮチャネル層と、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備え、前記パッシベーション層は、前記Ｔゲートコンタクト、前記ＡｌＧａＮ層、ならびに前記ソースコンタクトおよび前記ドレインコンタクト上に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のＦＥＴ。
【請求項１３】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項１２に記載のＦＥＴ。
【請求項１４】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトから約−１４ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間から約６２時間の間動作したとき、電力劣化が約０．４０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項１５】
約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項１４に記載のＦＥＴ。
【請求項１６】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のＦＥＴ。
【請求項１７】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項１６に記載のＦＥＴ。
【請求項１８】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、電力劣化が約１．０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項１９】
約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層と、
約１５パーセントから３０パーセントのＡｌ、および約１５ｎｍから約４０ｎｍの厚さを有する、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＧａＮ層と
を備えることを特徴とする請求項１８に記載のＦＥＴ。
【請求項２０】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
前記ＧａＮチャネル層と前記ＡｌＧａＮとの間のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載のＦＥＴ。
【請求項２１】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項２０に記載のＦＥＴ。
【請求項２２】
約２８ボルトから約７０ボルトのＶＤＳ、約−３．３から約−１４のＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約６時間から約１００時間の間動作したとき、電力劣化が約０．４５ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項２３】
約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項２２に記載のＦＥＴ。
【請求項２４】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載のＦＥＴ。
【請求項２５】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項２４に記載のＦＥＴ。
【請求項２６】
約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間という高温逆バイアステスト条件に耐え得ることを特徴とするＩＩＩ族窒化物ベースの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）。
【請求項２７】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項２６に記載のＦＥＴ。
【請求項２８】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を備え、
ＧａＮチャネル層と、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載のＦＥＴ。
【請求項２９】
前記ＧａＮチャネル層は、約２．０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項２８に記載のＦＥＴ。
【請求項３０】
前記ＧａＮチャネル層は、約２．０μｍから約８．０μｍの厚さを有し、前記ＧａＮチャネル層の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項２８に記載のＦＥＴ。
【請求項３１】
前記絶縁層は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含むパッシベーション層を備えることを特徴とする請求項２８に記載のＦＥＴ。
【請求項３２】
前記ＧａＮチャネル層は、約６．０μｍの厚さを有し、前記ＧａＮチャネル層の約５．０μｍが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項２８に記載のＦＥＴ。
【請求項３３】
前記ＧａＮチャネル層は、約６．０μｍの厚さを有し、前記ＡｌＧａＮ層は、約１５パーセントから３０パーセントのＡｌ、および約１５ｎｍから約４０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項２８に記載のＦＥＴ。
【請求項３４】
約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間の間動作したとき、約３．０ｄＢ未満の電力劣化と、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度とを有することを特徴とする高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
【請求項３５】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、約０．４４ｄＢ以下の電力劣化を有し、約２．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３６】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、約１．３ｄＢ以下の電力劣化を有し、約２．０μｍから約８μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３７】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、約０．２５ｄＢ以下の電力劣化を有し、前記ＨＥＭＴの表面上のパッシベーション層を備え、前記パッシベーション層は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含むことを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３８】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトから約−１４ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間から約６２時間の間動作したとき、約０．４０ｄＢ以下の電力劣化を有し、約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３９】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、約０．２５ｄＢ以下の電力劣化を有し、
約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層と、
約１５パーセントから３０パーセントのＡｌ、および約１５ｎｍから約４０ｎｍの厚さを有する、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＧａＮ層と
を備えることを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項４０】
約２８ボルトから約７０ボルトのＶＤＳ、約−３．３から約−１４のＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約６時間から約１００時間の間動作したとき、約０．４５ｄＢ以下の電力劣化を有し、約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスに関し、より詳細には、ＩＩＩ族窒化物電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、海軍省（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｎａｖｙ）によって授与された契約番号Ｎ０００１４−０２−Ｃ−０３０６およびＮ０００１４−０２−Ｃ−０３２１に基づく政府支援を受けて開発された。政府は、本発明にある種の権利を有する。
【０００３】
ケイ素（Ｓｉ）やヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの材料は、無線周波数（ＲＦ）用途の半導体デバイスにおいて広く応用されている。しかし、これらのよく知られている半導体材料は、比較的小さいバンドギャップ（たとえば、室温でＳｉについて１．１２ｅＶ、ＧａＡｓについて１．４２）および／または比較的小さい絶縁破壊電圧のために、より高い電力にあまり適さない可能性がある。
【０００４】
ＳｉおよびＧａＡｓによって引き起こされる難点に照らして、高電力および／または高周波用途やデバイスに対する関心は、炭化ケイ素（室温でアルファＳｉＣ（ａｌｐｈａ  ＳｉＣ）について２．９９６ｅＶ）およびＩＩＩ族窒化物（たとえば、室温でＧａＮについて３．３６ｅＶ）などのワイドバンドギャップ半導体材料に転じている。これらの材料は一般的に、ヒ化ガリウム（ＧａＮ）より高い電界破壊強度を有し、ＧａＮは一般的に、シリコンより良好な電子輸送特性を有する。
【０００５】
高電力および／または高周波用途にとって特に重要なデバイスは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、ＨＥＭＴは、場合によっては変調ドープ電界効果トランジスタ（ＭＯＤＦＥＴ）としても知られる。これらのデバイスは、いくつかの状況下で動作上の利点をもたらす可能性がある。というのは、異なるバンドギャップエネルギーを有し、、バンドギャップが小さい方の材料がより高い電子親和力を有する２つの半導体材料のヘテロ接合部に、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されるからである。２ＤＥＧは、非ドープの（非意図的にドープされた）、バンドギャップが小さい方の材料内の蓄積層であり、たとえば１０１３  キャリア数／ｃｍ２を越える非常に高いシート電子濃度を含むことができる。従来のバルクドープ型（ｂｕｌｋ−ｄｏｐｅｄ）デバイス内の電子と異なり、２ＤＥＧ内の電子は、イオン不純物散乱が低減されることにより、より高い移動度を有することができる。
【０００６】
この、高いキャリア濃度と高いキャリア移動度の組合せにより、ＨＥＭＴは非常に高いトランスコンダクタンスを得ることができ、高周波用途にとって、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）に勝る強力な性能上の利点がもたらされる可能性がある。
【０００７】
窒化ガリウム／窒化アルミニウムガリウム（ＧａＮ／ＡｌＧａＮ）材料系で作製された高電子移動度トランジスタは、前述の高い絶縁破壊電界、それらの広いバンドギャップ、大きな伝導帯オフセット、および／または高い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電力を生成する潜在能力を有する。２ＤＥＧ内の電子の大部分は、ＡｌＧａＮ内の分極に起因すると考えられる。ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系のＨＥＭＴは、すでに実例が示されている。特許文献１および２には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造および製造方法が記載されている。参照により本明細書に組み込まれる特許文献３には、半絶縁性炭化ケイ素基板と、その基板上の窒化アルミニウムバッファ層と、そのバッファ層上の絶縁性窒化ガリウム層と、その窒化ガリウム層上の窒化アルミニウムガリウム障壁層と、その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とを有するＨＥＭＴデバイスが記載されている。
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５１９２９８７号明細書
【特許文献２】米国特許第５２９６３９５号明細書
【特許文献３】米国特許第６３１６７９３号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００２／００６６９０８Ａ１号明細書
【特許文献５】米国特許第６８４９８８２号明細書
【特許文献６】米国特許出願第１０／６１７８４３号明細書
【特許文献７】米国特許出願第１０／７７２８８２号明細書
【特許文献８】米国特許出願第１０／８９７７２６号明細書
【特許文献９】米国特許出願第１０／８４９６１７号明細書
【特許文献１０】米国特許出願第１０／８４９５８９号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００３／００２００９２号明細書
【特許文献１２】米国特許出願第１０／９９６２４９号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００３／０１０２４８２Ａ１号明細書
【特許文献１４】米国特許第６８４１００１号明細書
【特許文献１５】米国特許第Ｒｅ．３４８６１号明細書
【特許文献１６】米国特許第４９４６５４７号明細書
【特許文献１７】米国特許第５２０００２２号明細書
【特許文献１８】米国特許第６２１８６８０号明細書
【特許文献１９】米国特許第５２１００５１号明細書
【特許文献２０】米国特許第５３９３９９３号明細書
【特許文献２１】米国特許第５５２３５８９号明細書
【特許文献２２】米国特許第５５９２５０１号明細書
【特許文献２３】米国特許出願第１０／７５２９７０号明細書
【特許文献２４】米国特許第６５８４３３３号明細書
【非特許文献１】Heikman et al, Appl. Phys. Lett., vol. 81, pp. 439〜441, July 2002
【非特許文献２】Yu et al., “Schottky barrier engineering in III-V nitrides via the piezoelectric effect,” Applied Physics Letters, Vol. 73, No. 13, 1998
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
認定手続きの一部として、たとえばＨＥＭＴ等のＲＦ電力デバイスを高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）テストで選別することが標準的な慣例である。ＨＴＲＢテスト中に使用されるＶＧＳは、少なくとも−２・（２−ＶＧＱ）または−２・（２−ＶＴ）のうちより負である方と同程度に負とすることができる。ここで、ＶＧＱは、目標の用途についての静止ＶＧＳであり、ＶＴは、デバイスの閾値電圧である。ＶＧＱとＶＴは共に一般に負である。この場合、ＶＧＱとＶＴは共に、一般的には約１．０ボルトから約３．０ボルトである最大可能ゲート電圧に関係付けられる（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ  ｔｏ）。ＨＴＲＢ中に使用されるＶＤＳは約２・ＶＤＱとすることができ、ここでＶＤＱは、目標の用途についての静止ＶＤＳである。具体的には、温度をたとえば１４０℃等の通常動作温度に上昇して、電力デバイスに、そのデバイスが現実の用途において即座に達する可能性がある最大逆バイアス電圧がかけられる可能性がある。一般的に、テスト約１０００時間程度の間行われる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のいくつかの実施形態は、約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、約１０時間を超えて動作したとき、電力劣化が約３．０ｄＢ未満であるＩＩＩ族窒化物ベースの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を提供する。
【００１１】
本発明のさらなる実施形態では、ＦＥＴは、約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、電力劣化を約０．４４ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、約２．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることができる。前記ＦＥＴは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）とすることができる。前記ＨＥＭＴは、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとをさらに備えることができる。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することができる。
【００１２】
本発明のさらに他の実施形態では、ＦＥＴは、約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、電力劣化を約１．３ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、約２．０μｍから約８．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることができ、ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてを、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープすることができる。前記ＦＥＴは、ＨＥＭＴとすることができ、前記ＨＥＭＴは、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとを備えることができる。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有することができ、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作する。
【００１３】
本発明のいくつかの実施形態では、ＦＥＴは、約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、電力劣化を約１．０ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、前記ＦＥＴの表面上のパッシベーション層を備えることができ、前記パッシベーション層は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含むことができる。前記ＦＥＴは、ＨＥＭＴとすることができる。前記ＨＥＭＴは、ＧａＮチャネル層と、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとを備えることができ、前記パッシベーション層が、前記Ｔゲートコンタクト、前記ＡｌＧａＮ層、ならびに前記ソースコンタクトおよび前記ドレインコンタクト上に設けられている。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することができる。
【００１４】
本発明のさらなる実施形態では、ＦＥＴは、約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトから約−１４ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間から約６２時間の間動作したとき、電力劣化を約０．４０ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることができ、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてを、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープすることができる。前記ＦＥＴは、ＨＥＭＴとすることができる。前記ＨＥＭＴは、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとを備えることができる。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することができる。
【００１５】
本発明のさらに他の実施形態では、ＦＥＴは、約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、電力劣化を約０．２５ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層と、約１５パーセントから３０パーセントのＡｌおよび約１５ｎｍから約４０ｎｍの厚さを有する、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＧａＮ層とを備えることができる。前記ＦＥＴは、ＨＥＭＴとすることができる。前記ＨＥＭＴは、前記ＧａＮチャネル層と前記ＡｌＧａＮとの間のＡｌＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとを備えることができる。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することができる。
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態では、ＦＥＴは、約２８ボルトから約７０ボルトのＶＤＳ、約−３．３から約−１４のＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約６時間から約１００時間の間動作したとき、電力劣化を約０．４５ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることができ、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてを、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープすることができる。前記ＦＥＴは、ＨＥＭＴとすることができる。前記ＨＥＭＴは、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとを備えることができる。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することができる。
【００１７】
本発明のさらなる実施形態は、約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間という高温逆バイアステスト条件に耐え得るＩＩＩ族窒化物をベースとする電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を提供する。
【００１８】
本発明のさらに他の実施形態は、約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間の間動作したとき、約３．０ｄＢ未満の電力劣化と、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度とを有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明の実施形態が示されている添付図面を参照して、本発明について以下により十分に述べる。しかしながら、本発明は本明細書に記載されてい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、本開示が徹底的で完全なものとなり、また、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるために提供されている。図面では、層および領域の厚さが、明瞭性のために誇張されている。同様の番号は、全体にわたって同様の要素を指す。本明細書で使用される「および／または」という用語は、関連付けて列挙された項目の１つまたは複数のいずれか及びすべての組合せを含む。
【００２０】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態について記述するためのものにすぎず、本発明を限定するものではない。本明細書で使用される単数形は、文脈がそうではないと明らかに示さない限り、複数形もまた含むものとする。さらに、「備える」、「含む」という用語は、本明細書で使用されるとき、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除しないことが理解されるであろう。
【００２１】
層、領域、または基板等のある要素が別の要素の「上に」ある、または別の要素の「上に」延びていると言及されるとき、その要素は、他方の要素の上に直接ある、または他方の要素の上に直接延びていることができ、または介在要素が存在してもよいことが理解されるであろう。対照的に、ある要素が別の要素の「上に直接」ある、または別の要素の「上に直接」延びていると言及されるとき、介在要素は存在しない。また、ある要素が別の要素に「接続されている」または「結合されている」と言及されるとき、その要素は、他方の要素に直接に接続されている、または結合されている可能性があり、または介在要素が存在してもよいことが理解されるであろう。一方、ある要素が別の要素に「直接に接続されている」または「直接に結合されている」と言及されるとき、介在要素は存在しない。同様の番号は、本明細書全体にわたって同様の要素を指す。
【００２２】
様々な要素、構成要素、領域、層、および／または区域について述べるために、第１、第２などの用語が本明細書において使用される可能性があるが、これらの要素、構成要素、領域、層、および／または区域は、これらの用語によって限定されるべきでないことが理解されるであろう。これらの用語は、ある要素、構成要素、領域、層、または区域を、別の領域、層、または区域から区別するために使用されるにすぎない。したがって、以下で検討される第１の要素、構成要素、領域、層、または区域は、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、または区域と呼ぶことができる。
【００２３】
さらに、「下（ｌｏｗｅｒ）」または「下端」、ならびに「上（ｕｐｐｅｒ）」または「上端」等の相対的な用語は、図に例示されているような、ある要素の別の要素に対する関係を説明するために本明細書において使用される可能性がある。相対的な用語は、図に示されている向きに加えて、デバイスの異なる向きを包含することが意図されていることが理解されるであろう。たとえば、図中のデバイスが裏返される場合、他の要素の「下」側にあるものとして述べられた要素は、他の要素の「上」側に配向されることになる。したがって、「下」という例示的用語は、図の特定の向きに応じて、「下」と「上」の向きを共に包含することができる。同様に、ある図中のデバイスが裏返される場合、他の要素の「下方（ｂｅｌｏｗ）」または「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」にあるものとして述べられた要素は、他の要素の「上方」に配向されることになる。したがって、「下方」または「下」という例示的用語は、上方と下方の向きを共に包含することができる。さらに、「外（ｏｕｔｅｒ）」という用語は、基板から最も遠い表面および／または層に言及するために使用することができる。
【００２４】
本発明の実施形態は、本発明の理想化された実施形態の概略図である断面図を参照して説明される。したがって、たとえば製造技法および／または公差の結果として図の形状から変動することが予期されるべきである。したがって、本発明の実施形態は、本明細書で例示されている領域の特定の形状に限定されると解釈すべきでなく、たとえば製造に起因する形状の偏差を含むべきである。たとえば、三角形として図示されているエッチングされた領域は、一般的には、テーパ形、丸形、または湾曲した形態を有することになる。したがって、図示されている領域は、本質的に概略的であり、それらの形状は、デバイスの領域の正確な形状を図示することが意図されておらず、また本発明の範囲を限定することが意図されていない。
【００２５】
別段の定めがない限り、本明細書で使用される（技術用語および科学用語を含む）用語のすべては、本発明が属する分野の当業者によって共通に理解されるものと同じ意味を有する。さらに、一般に使用される辞書に定義されているものような用語は、関連技術および本開示の文脈におけるそれらの意味と適合する意味を有すると解釈すべきであり、本明細書に明示の定めがない限り、理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されない。
【００２６】
別の形態に「隣接して」配置される構造または形態に対する言及は、その隣接する形態に重なり合うか、またはその下にある部分を有する可能性があることも当業者には理解されるであろう。
【００２７】
本発明の実施形態は、ＩＩＩ族窒化物ベースのＨＥＭＴ等の窒化物ベースのデバイス内での使用に特に好適である可能性がある。本明細書で使用される「ＩＩＩ族窒化物」という用語は、窒素と周期表のＩＩＩ族にある元素、通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および／またはインジウム（Ｉｎ）との半導体化合物を指す。この用語は、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮ等の三元化合物および四元化合物も指す。当業者にはよく理解されるように、ＩＩＩ族元素は、窒素と化合し、二元化合物（たとえば、ＧａＮ）、三元化合物（たとえば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）、および四元化合物（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ）を形成することができる。これらの化合物すべては、窒素１モルが合計１モルのＩＩＩ族元素と化合する実験式（ｅｍｐｉｒｉｃａｌ  ｆｏｒｍｕｌａ）を有する。したがって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）などの化学式がそれらを説明するためにしばしば使用される。
【００２８】
本発明の実施形態について特定の構造を参照して説明するが、他の構造、および／またはＧａＮベースのＨＥＭＴを作製するための技法も、本発明のいくつかの実施形態において利用することができる。そのような構造および／または技法には、たとえば特許文献３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、および１２に述べられているものを含むことができ、これらの開示は、それらの全体が記載されたかのように本明細書に組み込まれる。
【００２９】
本発明の背景で論じたように、認定手続きの一部として、ＲＦ電力デバイスを高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）テストで選別することが標準的な慣例である。本明細書で使用される「耐え得る」は、デバイスの破壊なく、すなわちデバイスの動作を妨げる不可逆的損傷なく、テスト条件の適用に耐えることを指す。ＩＩＩ族窒化物デバイスは、多数の他のデバイスよりもＨＴＲＢ条件下で劣化しやすい可能性がある。したがって、そのような条件に耐えることができるデバイスを生み出すことは、困難となる可能性がある。したがって、ＨＴＲＢ条件に耐えることができるＩＩＩ族窒化物デバイスは、たとえば高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）製品等の商用ＩＩＩ族窒化物電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を開発する上で障害となる可能性がある。
【００３０】
ＨＴＲＢテストは、ＩＩＩ族窒化物ＦＥＴ（ＨＥＭＴ）のいくつかの異なるウェハロットに対して行われた。約−３．０ボルトから約−４．０ボルトのピンチオフ電圧を有するＨＥＭＴについて、約２８．０ボルトの直流ドレインバイアス、および５６ボルトと同量までの、対応する最大ドレインスイング（drain swing）が予測された。ゲート電圧は、約２．０Ｖ乃至約３．Ｖから約−８ボルト乃至約−１０ボルトに揺れ動く可能性がある。したがって、テストは、５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、−８ボルトまたは−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）を、１４０℃の通常動作温度で、様々な長さの時間の間使用して実行された。より早期のテストは−１４ボルトのＶｇｓを用いて行われ、より最近のテストは−８ボルトのＶｇｓを用いて行われていた。理想的なデバイスでは、これらのテストはデバイスに対して無限の時間の間行うことができ、そのデバイスはどのような電力劣化も受けないはずであることが理解されるであろう。認定手続きのためには、テストは一般に約１０００時間の間行われるが、このテストは、多数のウェハ間の相対的な差を決定するために行われたため、それよりはるかに短い時間の間行われた。
【００３１】
予備的な覚え書きとして、テストはクリーのノースカロライナとカリフォルニアの施設で行われた。各施設でのストレス（ｓｔｒｅｓｓ）は実質的に同等であるが、クリーのカリフォルニアの施設によって得られた結果の方が良好に見える。たとえば、カリフォルニアチームが約０．４ｄＢの電力劣化を得ることができる場合、ノースカロライナチームは、同じロット内のデバイス（ウェハ）について約０．８ｄＢから約０．９ｄＢの電力劣化を得る可能性がある。先に論じたように、６つの異なるウェハロットについてＨＴＲＢ条件を使用するテストが実行された。図１Ａおよび図１Ｂに関連して以下に論じる構造は、デバイステストの一般的な構造である。テスト・ランのそれぞれに対する具体的なデバイス仕様は以下に詳細に論じる。
【００３２】
図１Ａから図３に関連して以下に論じるように、本発明のいくつかの実施形態によるデバイスは、約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間という高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）テスト条件に耐え得るＩＩＩ族窒化物ベースのＦＥＴを提供する。さらに、本発明のいくつかの実施形態によるＦＥＴは、ＨＴＲＢストレス条件に耐えるだけでなく、本明細書で論じられているデバイスは、以下にさらに論じるように、約３．０ｄＢ未満の電力劣化を有する。
【００３３】
本発明のいくつかの実施形態による例示的デバイスが、図１Ａおよび図１Ｂに概略的に図示されている。しかしながら、本発明の実施形態は、本明細書で述べられている特定の例示的実施形態に限定されると解釈すべきでなく、本明細書で述べられているトランジスタ特性をもたらす任意の好適な構造を含むことができる。
【００３４】
ここで図１Ａを参照すると、窒化物ベースのデバイスを形成することができる基板１０が設けられている。本発明の特定の実施形態では、基板１０は、たとえば４Ｈポリタイプの炭化ケイ素とすることができる半絶縁性炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板としてもよい。他の炭化ケイ素の候補ポリタイプは、３Ｃ、６Ｈ、および１５Ｒのポリタイプを含む。「半絶縁性」という用語は、絶対的な意味ではなく、説明的に使用されている。本発明の特定の実施形態では、炭化ケイ素のバルク結晶が、室温で約１×１０５Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有する。
【００３５】
任意選択のバッファ層、核形成層、および／または遷移層（図示せず）を、基板１０上に設けることができる。たとえば、炭化ケイ素基板とデバイスの残りの部分との間で適切な結晶構造遷移を実現するために、ＡｌＮバッファ層が設けることができる。さらに、特許文献１３または１４に記載されているように、歪み平衡（ｓｔｒａｉｎ  ｂａｌａｎｃｉｎｇ）遷移層も設けることが可能であり、これらの開示は、本明細書に完全に記載されたかのように参照により本明細書に組み込まれる。
【００３６】
適切なＳｉＣ基板は、たとえば本発明の譲受人であるノースカロライナ州ダーラムのＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．によって製造され、生産方法は、たとえば特許文献１５、１６、１７、および１８に記載されている。これらの内容は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。同様に、ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長のための技法は、たとえば特許文献１９、２０、２１、および２２に記載されており、これらの内容もまた、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００３７】
炭化ケイ素を基板材料として使用することができるが、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、ケイ素、ＧａＡｓ、ＬＧＯ、ＺｎＯ、ＬＡＯ、ＩｎＰ等の好適な基板のうちの任意のもの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また形成することができる。
【００３８】
再び図１Ａを参照すると、チャネル層１２が基板１０上に設けられる。チャネル層１２は、上述のように、バッファ層、遷移層、および／または核形成層を使用して、基板１０上に堆積される可能性がある。チャネル層１２は、圧縮歪み下にある可能性がある。さらに、チャネル層１２および／またはバッファ、核形成、および／または遷移層を、ＭＯＣＶＤによって、またはＭＢＥもしくはＨＶＰＥ等の当業者に既知の他の技法によって堆積してよい。本発明のいくつかの実施形態では、ＧａＮバッファは、非特許文献１または特許文献２３に記載されているのと同様な形でＦｅドープすることができ、これらの開示は、それらの全体が記載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る。ＦｅドープＧａＮバッファを有するデバイスでは、Ｆｅ濃度がチャネル領域又はＧａＮバッ
ファの上端の約０．０１μｍ内で非常に低い又は約１×１０１６ｃｍ−３未満であるならば、ＧａＮバッファを部分的にＦｅドープすることができる。
【００３９】
チャネル層１２は、ＩＩＩ族窒化物、特にＧａＮである。チャネル層１２は、非ドープの（「非意図的にドープされた」）ものとすることができ、本発明の特定の実施形態に応じて、約０．０１μｍから約２０．０μｍの厚さに成長させることができる。本発明の特定の実施形態では、チャネル層１２はＧａＮであり、具体的なテスト・ランに関連して以下にさらに論じるように、約２．０μｍから約８．０μｍの厚さを有する。
【００４０】
障壁層がチャネル層１２上に設けられる。チャネル層１２は、障壁層のバンドギャップ未満のバンドギャップを有することができ、またチャネル層１２は、障壁層より大きな電子親和力を有することができる。障壁層は、チャネル層１２上に堆積させることができる。本発明のいくつかの実施形態では、障壁層は、ＡｌＮ層１４およびＡｌＧａＮ層１６によって設けられる。ＡｌＮ層１４は、約０．２ｎｍから約２．０ｎｍの厚さを有することができる。ＡｌＧａＮ層１６は、約１０ｎｍから約４０ｎｍの厚さと、約１５パーセントから約３０パーセントのＡｌ組成とを有することができる。本発明のいくつかの実施形態では、ＡｌＧａＮ層１６は、約２０ｎｍから約３０ｎｍの厚さと、約２０パーセントから約３５パーセントのＡｌ組成とを有することができる。本発明のいくつかの実施形態による層の例は特許文献５に記載されており、その開示は本明細書に完全に記載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る。本発明の特定の実施形態では、障壁層は、チャネル層１２と障壁層との間の界面で、分極効果を介して相当なキャリア濃度を引き起こすのに十分に厚く、十分に高いＡｌ組成およびドーピングを有する。本発明の特定の実施形態では、障壁層は、約０．４ｎｍから約０．８ｎｍの厚さを有するＡｌＮ層と、２０パーセントを超えるＡｌおよび約２０ｎｍから約３０ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮ層とを備える。ＡｌＧａＮ層内のＡｌのパーセンテージは、典型的には、約２５パーセント未満である。
【００４１】
図１Ａにさらに図示されているように、このＨＥＭＴは、ＡｌＧａＮ層１６上にソースコンタクト２０と、ドレインコンタクト２２と、ゲートコンタクト３２とを備える。ソースコンタクト２０とドレインコンタクト２２は、これらに限らないが、チタン、アルミニウム、金、またはニッケルの合金を含む異なる材料製とすることができる。ゲートコンタクト３２は、図１Ａに図示されているようにＴゲートであり、従来の作製技法を使用して作製することができる。好適なゲート材料は、ＡｌＧａＮ層１６の組成によって決まる可能性があるが、いくつかの実施形態では、Ｎｉ、Ｐｔ、ＮｉＳｉｘ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｗ、および／またはＷＳｉＮ等の、窒化物ベースの半導体材料にショットキーコンタクトを作製可能な従来の材料を使用することができる。図示されていないが、本発明のいくつかの実施形態では、パッシベーション層を、図１Ａの構造上全面に堆積することができる。パッシベーション層は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）としてもよい。ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯｘ、ＭｇＮなどに対する言及は、化学量論材料および／または非化学量論材料を指す。Ｔゲート３２は、２層電子ビームリソグラフィープロセスによって画定することができ、約０．１８μｍのフットプリントを有する。
【００４２】
図１Ａでは、ゲートコンタクト３２からソースコンタクト２０までの距離が、ＬＧＳとして示されている。本発明のいくつかの実施形態では、ＬＧＳは約０．７μｍとすることができる。ゲートコンタクト３２からドレインコンタクト２２までの距離は、ＬＧＤとして示されている。本発明のいくつかの実施形態では、ＬＧＤは約２．０μｍとすることができる。ゲートコンタクト３２のＴ字部分の長さは、ＬＧＴとして示されている。本発明のいくつかの実施形態では、ＬＧＴは約０．７μｍとすることができる。ゲートコンタクト３２のベースの長さは、ＬＧＢとして示されている。本発明のいくつかの実施形態では、ＬＧＢは約０．２μｍとすることができる。Ｔ字の翼がゲートコンタクト３２のベースから延びている距離は、ＬＧＷとして示されている。本発明のいくつかの実施形態では、ＬＧＷは約０．２５μｍとすることができる。図１Ａのページの内側そして外側に延びているゲートコンタクト３２の寸法は、本明細書では、ゲート幅ＷＧと呼ばれる。本発明のいくつかの実施形態では、ＷＧは約２５０μｍとすることができる。デバイスの合計幅は３０．０ｍｍとすることができるが、これは電力レベルおよび周波数によって決まる可能性がある。デバイスの合計幅を増大するために、複数のセルを平行に配置することができる。合計幅は、組み合わされたデバイスの「周縁」と呼ぶことができる。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態によるＨＥＭＴは、それぞれが約０．２５ｍｍの幅を有する複数のゲートフィンガ（ｇａｔｅ  ｆｉｎｇｅｒ）を備える。本明細書で論じられている本発明の実施形態は、ゲートフィンガを２つ備える。デバイスは、約０．５ｍｍの合計幅を有する。図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるトランジスタの複数の単位セルを図示する断面図である。図１Ｂにおける同様の番号は、図１Ａの同様の要素を指し、したがって、これらの要素の詳細は本明細書でこれ以上論じない。図１Ｂではドレイン２２が別々であるが、ドレイン２２は、本発明の範囲から逸脱することなく単一のレール（ｒａｉｌ）に組み合わせることができることが理解されるであろう。本明細書で論じられているデバイスは、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作しているとき、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有することができる。
【００４４】
別段の表示がない限り、以下に論じられるデバイスは、上述の構造を有するデバイスである。次に、本明細書で述べられた例示的デバイスの性能について述べる。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの特定のデバイスに限定されると解釈すべきでなく、本明細書で述べられている性能特性を提供することが可能な他のデバイスを含む。さらに、様々な動作理論が本明細書で述べられているが、本発明の実施形態は、特定の動作理論に限定されると解釈すべきでない。
【００４５】
次に、６つのテスト・ランについて得られた結果について詳細に論じる。第１の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．０７ｄＢから約０．４４ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。テストされたデバイスは、本発明のいくつかの実施形態による、図１Ａに関連して先に論じたＦｅドーピングまたはＳｉＮ層を含んでいなかった。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢストレス条件は、ＶＤＳ＝５６ボルト、Ｖｇｓ＝−８ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝２０時間であった。これらの値は近似値であり、したがって本発明の実施形態は、これらの厳密な値に限定すべきでないことが理解されるであろう。さらに、逆ゲート−ドレイン間漏れ電流（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｇａｔｅ−ｔｏ−ｄｒａｉｎ  ｌｅａｋａｇｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ）は、すべての場合において、約１４〜２０マイクロアンペアからわずか数マイクロアンペアに減少した。
【００４６】
第２の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．０６ｄＢから約１．３０ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。テストされたデバイスは、図１Ａに関連して先に論じたように、チャネルの下方にＦｅドーピングを含んでいた。さらに、ＧａＮバッファ層は、約２．０μｍから８μｍの厚さを有していた。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢストレス条件は、ＶＤＳ＝５６ボルト、Ｖｇｓ＝−８ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝２０時間であった。最終データにおいてバッファの厚さと信頼性との強い相関はなかったが、最良の結果は最も厚いバッファで達成された。バッファが厚いと、デバイスの表面に欠陥が生じるおそれがある。さらに、ゲート−ドレイン間逆漏れ電流（Ｉｇｄ）は、いくつかのウェハについて減少し、他のウェハについて増大したが、最良の結果を生じるウェハについては減少した。
【００４７】
第３の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．２５ｄＢ未満から約１．０ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。テストされたデバイスは、図１Ａに関連して先に論じたように、ＳｉＮ層（約１モノレイヤ）を含んでいた。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢストレス条件は、ＶＤＳ＝５６ボルト、Ｖｇｓ＝−８ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝１０時間であった。ＳｉＮ層のない本発明の実施形態におけるデバイスは、約１．０ｄＢ劣化したが、ＳｉＮ層を有する本発明の実施形態におけるいくつかのデバイスは、より厳しい条件下で約０．２５ｄＢ未満劣化したにすぎず、低い、減少する漏れ電流を示した。
【００４８】
第４の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．１ｄＢから約０．４ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。これらのデバイスは、約６μｍの厚さと様々な量のＦｅドーピングとを有するＧａＮバッファを有していた。Ｆｅドーピング濃度は、約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３に及んだ。大抵のドーピングがチャネルに最も近接するウェハでは、約１．０ｄＢから約２．０ｄＢの電力劣化を生じた。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢストレス条件は、ＶＤＳ＝５６ボルト、Ｖｇｓ＝−８ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝１０時間であった。さらに、逆漏れ電流は、大部分について、２０マイクロアンペアから１００マイクロアンペアの範囲内で開始し、そのままであった。ウェハのうちの１枚は、約６２時間のより長いテストにおいて、約０．４ｄＢの電力劣化を示した。さらに、別のウェハは、Ｖｇｓが−８ボルトではなく−１４ボルトであったとき、約０．１ｄＢから０．５ｄＢの電力劣化を示した。
【００４９】
第５の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．３ｄＢから約１ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。これらのデバイスは、約６μｍの厚さを有するＧａＮバッファと、ＡｌＧａＮ層内の様々な量のアルミニウムとを有していた。アルミニウムの割合は、約２０パーセントから約２５パーセントの間で変動した。アルミニウムの変動は、テスト結果に著しい影響を及ぼすように見えなかった。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢストレス条件は、ＶＤＳ＝５６ボルト、Ｖｇｓ＝−８ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝１０時間であった。逆漏れ電流の中程度の増大が、高モル分率ウェハについて観察されており、高モル分率ウェハは、より高い電荷密度、より高い電流レベル、より多くの電力出力、そしておそらくはより高い内部電界をも有していた。カリフォルニアのクリーによって測定された電力劣化は、約０．３ｄＢから約０．６ｄＢの間で変動し、逆漏れ電流は、概して０．１ｍＡ／ｍｍから０．５ｍＡ／ｍｍと１．０ｍＡ／ｍｍの間に増大したことに留意されたい。ノースカロライナのクリーによって測定された電力劣化は約０．７ｄＢから１．０ｄＢの間で変動し、おそらくはストレスを加える前後でＲＦテストの詳細が異なることに起因する。
【００５０】
最後に、第６の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．０ｄＢから約０．４５ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。テストされたデバイスは、約６μｍの厚さと様々な量の鉄ドーピングとを有するＧａＮバッファを有していた。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢ条件は、ＶＤＳ＝２８ボルトから約７０ボルト、Ｖｇｓ＝−３．３ボルトから約−１４ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝１００時間未満であった。これらのテスト・ランの結果が、図２および図３のグラフに図示されている。図２は、ＶＤＳが２８Ｖに等しいときの、本発明のいくつかの実施形態による、テスト実施前後の出力電力（ＰＯＵＴ）、電力付加効率（ＰＡＥ）、および利得を示すプロットである。図３は、ＶＤＳが４８Ｖに等しいときの、本発明の他の実施形態による、テスト実施前後の出力電力（ＰＯＵＴ）、電力付加効率（ＰＡＥ）、および利得を示すプロットである。
【００５１】
本発明の実施形態について、本明細書において、特定のＨＥＭＴ構造を参照して説明したが、本発明は、そのような構造に限定されると解釈すべきでない。たとえば、本発明の教示から依然として受益しながら、ＨＥＭＴデバイスに追加の層を含めることができる。そのような追加の層は、たとえば非特許文献２または特許文献２４に記載されているようなＧａＮキャップ層を含むことができ、これらの開示は、本明細書に完全に記載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る。
【００５２】
図面および明細書では、本発明の典型的な実施形態が開示されており、特定の用語が使用されているが、それらは一般的かつ説明的な意味で使用されているにすぎず、限定するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１Ａ】本発明のいくつかの実施形態によるトランジスタの単位セルを示す断面図である。
【図１Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による複数の単位セルを示す断面図である。
【図２】本発明のいくつかの実施形態による、テスト実施前後の出力電力（ＰＯＵＴ）、電力付加効率（ＰＡＥ）、および利得を示すプロットである。
【図３】本発明の他の実施形態による、テスト実施前後の出力電力（ＰＯＵＴ）、電力付加効率（ＰＡＥ）、および利得を示すプロットである。
【図１Ａ】
2008533738.tif 000003
【図１Ｂ】
2008533738.tif 000004
【図２】
2008533738.tif 000005
【図３】
2008533738.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成19年1月15日(2007.1.15)
【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】
約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間の間動作したとき、電力劣化が約３．０ｄＢ未満であることを特徴とするＩＩＩ族窒化物ベースの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）。
【請求項２】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、電力劣化が約０．４４ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項３】
約２．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることを特徴とする請求項２に記載のＦＥＴ。
【請求項４】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のＦＥＴ。
【請求項５】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項４に記載のＦＥＴ。
【請求項６】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、電力劣化が約１．３ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項７】
約２．０μｍから約８．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項２に記載のＦＥＴ。
【請求項８】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のＦＥＴ。
【請求項９】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項８に記載のＦＥＴ。
【請求項１０】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、電力劣化が約０．２５ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項１１】
前記ＦＥＴの表面上のパッシベーション層を備え、前記パッシベーション層は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含むことを特徴とする請求項１０に記載のＦＥＴ。
【請求項１２】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
ＧａＮチャネル層と、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備え、前記パッシベーション層は、前記Ｔゲートコンタクト、前記ＡｌＧａＮ層、ならびに前記ソースコンタクトおよび前記ドレインコンタクト上に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のＦＥＴ。
【請求項１３】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項１２に記載のＦＥＴ。
【請求項１４】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトから約−１４ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間から約６２時間の間動作したとき、電力劣化が約０．４０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項１５】
約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項１４に記載のＦＥＴ。
【請求項１６】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項１５に記載のＦＥＴ。
【請求項１７】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項１６に記載のＦＥＴ。
【請求項１８】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、電力劣化が約１．０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項１９】
約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層と、
約１５パーセントから３０パーセントのＡｌ、および約１５ｎｍから約４０ｎｍの厚さを有する、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＧａＮ層と
を備えることを特徴とする請求項１８に記載のＦＥＴ。
【請求項２０】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
前記ＧａＮチャネル層と前記ＡｌＧａＮとの間のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載のＦＥＴ。
【請求項２１】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項２０に記載のＦＥＴ。
【請求項２２】
約２８ボルトから約７０ボルトのＶＤＳ、約−３．３から約−１４ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約６時間から約１００時間の間動作したとき、電力劣化が約０．４５ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項２３】
約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項２２に記載のＦＥＴ。
【請求項２４】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項２３に記載のＦＥＴ。
【請求項２５】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項２４に記載のＦＥＴ。
【請求項２６】
約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間という高温逆バイアステスト条件に耐え得ることを特徴とするＩＩＩ族窒化物ベースの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）。
【請求項２７】
約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項２６に記載のＦＥＴ。
【請求項２８】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を備え、
ＧａＮチャネル層と、
前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項２６に記載のＦＥＴ。
【請求項２９】
前記ＧａＮチャネル層は、約２．０μｍの厚さを有することを特徴とする請求項２８に記載のＦＥＴ。
【請求項３０】
前記ＧａＮチャネル層は、約２．０μｍから約８．０μｍの厚さを有し、前記ＧａＮチャネル層の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項２８に記載のＦＥＴ。
【請求項３１】
前記絶縁層は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含むパッシベーション層を備えることを特徴とする請求項２８に記載のＦＥＴ。
【請求項３２】
前記ＧａＮチャネル層は、約６．０μｍの厚さを有し、前記ＧａＮチャネル層の約５．０μｍが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項２８に記載のＦＥＴ。
【請求項３３】
前記ＧａＮチャネル層は、約６．０μｍの厚さを有し、前記ＡｌＧａＮ層は、約１５パーセントから３０パーセントのＡｌ、および約１５ｎｍから約４０ｎｍの厚さを有することを特徴とする請求項２８に記載のＦＥＴ。
【請求項３４】
約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間の間動作したとき、約３．０ｄＢ未満の電力劣化と、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度とを有することを特徴とする高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
【請求項３５】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、約０．４４ｄＢ以下の電力劣化を有し、約２．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３６】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、約１．３ｄＢ以下の電力劣化を有し、約２．０μｍから約８μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３７】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、約０．２５ｄＢ以下の電力劣化を有し、前記ＨＥＭＴの表面上のパッシベーション層を備え、前記パッシベーション層は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含むことを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３８】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトから約−１４ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間から約６２時間の間動作したとき、約０．４０ｄＢ以下の電力劣化を有し、約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項３９】
約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、約０．２５ｄＢ以下の電力劣化を有し、
約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層と、
約１５パーセントから３０パーセントのＡｌ、および約１５ｎｍから約４０ｎｍの厚さを有する、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＧａＮ層と
を備えることを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項４０】
約２８ボルトから約７０ボルトのＶＤＳ、約−３．３から約−１４のＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約６時間から約１００時間の間動作したとき、約０．４５ｄＢ以下の電力劣化を有し、約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスに関し、より詳細には、ＩＩＩ族窒化物電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、海軍省（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｎａｖｙ）によって授与された契約番号Ｎ０００１４−０２−Ｃ−０３０６およびＮ０００１４−０２−Ｃ−０３２１に基づく政府支援を受けて開発された。政府は、本発明にある種の権利を有する。
【０００３】
ケイ素（Ｓｉ）やヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）などの材料は、無線周波数（ＲＦ）用途の半導体デバイスにおいて広く応用されている。しかし、これらのよく知られている半導体材料は、比較的小さいバンドギャップ（たとえば、室温でＳｉについて１．１２ｅＶ、ＧａＡｓについて１．４２）および／または比較的小さい絶縁破壊電圧のために、より高い電力にあまり適さない可能性がある。
【０００４】
ＳｉおよびＧａＡｓによって引き起こされる難点に照らして、高電力および／または高周波用途やデバイスに対する関心は、炭化ケイ素（室温でアルファＳｉＣ（ａｌｐｈａ  ＳｉＣ）について２．９９６ｅＶ）およびＩＩＩ族窒化物（たとえば、室温でＧａＮについて３．３６ｅＶ）などのワイドバンドギャップ半導体材料に転じている。これらの材料は一般的に、ヒ化ガリウム（ＧａＮ）より高い電界破壊強度を有し、ＧａＮは一般的に、シリコンより良好な電子輸送特性を有する。
【０００５】
高電力および／または高周波用途にとって特に重要なデバイスは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、ＨＥＭＴは、場合によっては変調ドープ電界効果トランジスタ（ＭＯＤＦＥＴ）としても知られる。これらのデバイスは、いくつかの状況下で動作上の利点をもたらす可能性がある。というのは、異なるバンドギャップエネルギーを有し、、バンドギャップが小さい方の材料がより高い電子親和力を有する２つの半導体材料のヘテロ接合部に、２次元電子ガス（２ＤＥＧ）が形成されるからである。２ＤＥＧは、非ドープの（非意図的にドープされた）、バンドギャップが小さい方の材料内の蓄積層であり、たとえば１０１３  キャリア数／ｃｍ２を越える非常に高いシート電子濃度を含むことができる。従来のバルクドープ型（ｂｕｌｋ−ｄｏｐｅｄ）デバイス内の電子と異なり、２ＤＥＧ内の電子は、イオン不純物散乱が低減されることにより、より高い移動度を有することができる。
【０００６】
この、高いキャリア濃度と高いキャリア移動度の組合せにより、ＨＥＭＴは非常に高いトランスコンダクタンスを得ることができ、高周波用途にとって、金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）に勝る強力な性能上の利点がもたらされる可能性がある。
【０００７】
窒化ガリウム／窒化アルミニウムガリウム（ＧａＮ／ＡｌＧａＮ）材料系で作製された高電子移動度トランジスタは、前述の高い絶縁破壊電界、それらの広いバンドギャップ、大きな伝導帯オフセット、および／または高い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電力を生成する潜在能力を有する。２ＤＥＧ内の電子の大部分は、ＡｌＧａＮ内の分極に起因すると考えられる。ＧａＮ／ＡｌＧａＮ系のＨＥＭＴは、すでに実例が示されている。特許文献１および２には、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＥＭＴ構造および製造方法が記載されている。特許文献３には、半絶縁性炭化ケイ素基板と、その基板上の窒化アルミニウムバッファ層と、そのバッファ層上の絶縁性窒化ガリウム層と、その窒化ガリウム層上の窒化アルミニウムガリウム障壁層と、その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とを有するＨＥＭＴデバイスが記載されている。
【０００８】
ＨＥＭＴは、非特許文献３、４および特許文献２５にも一般的な説明がされている。
【０００９】
【特許文献１】米国特許第５１９２９８７号明細書
【特許文献２】米国特許第５２９６３９５号明細書
【特許文献３】米国特許第６３１６７９３号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００２／００６６９０８Ａ１号明細書
【特許文献５】米国特許第６８４９８８２号明細書
【特許文献６】米国特許出願第１０／６１７８４３号明細書
【特許文献７】米国特許出願第１０／７７２８８２号明細書
【特許文献８】米国特許出願第１０／８９７７２６号明細書
【特許文献９】米国特許出願第１０／８４９６１７号明細書
【特許文献１０】米国特許出願第１０／８４９５８９号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００３／００２００９２号明細書
【特許文献１２】米国特許出願第１０／９９６２４９号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００３／０１０２４８２Ａ１号明細書
【特許文献１４】米国特許第６８４１００１号明細書
【特許文献１５】米国特許第Ｒｅ．３４８６１号明細書
【特許文献１６】米国特許第４９４６５４７号明細書
【特許文献１７】米国特許第５２０００２２号明細書
【特許文献１８】米国特許第６２１８６８０号明細書
【特許文献１９】米国特許第５２１００５１号明細書
【特許文献２０】米国特許第５３９３９９３号明細書
【特許文献２１】米国特許第５５２３５８９号明細書
【特許文献２２】米国特許第５５９２５０１号明細書
【特許文献２３】米国特許出願第１０／７５２９７０号明細書
【特許文献２４】米国特許第６５８４３３３号明細書
【特許文献２５】米国特許出願公開第２００４／００１２４４３５号明細書
【非特許文献１】Heikman et al, Appl. Phys. Lett., vol. 81, pp. 439〜441, July 2002
【非特許文献２】Yu et al., “Schottky barrier engineering in III-V nitrides via the piezoelectric effect,” Applied Physics Letters, Vol. 73, No. 13, 1998
【非特許文献３】Hansen et al., “AlGaN/GaN metal-oxide-semiconductor heterostructure field-effect transistors using barium strontium titanate,” J. Vac. Sci. Technol. B22 (5), Sep/Oct 2004, 2479〜2485
【非特許文献４】Kunii et al., “A High Reliability GaN HEMT with SiN Passivation by Cat-CVD,” 2004 IEEE CSIC Digest, 197〜200
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
認定手続きの一部として、たとえばＨＥＭＴ等のＲＦ電力デバイスを高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）テストで選別することが標準的な慣例である。ＨＴＲＢテスト中に使用されるＶＧＳは、少なくとも−２・（２−ＶＧＱ）または−２・（２−ＶＴ）のうちより負である方と同程度に負とすることができる。ここで、ＶＧＱは、目標の用途についての静止ＶＧＳであり、ＶＴは、デバイスの閾値電圧である。ＶＧＱとＶＴは共に一般に負である。この場合、ＶＧＱとＶＴは共に、一般的には約１．０ボルトから約３．０ボルトである最大可能ゲート電圧に関係付けられる（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄ  ｔｏ）。ＨＴＲＢ中に使用されるＶＤＳは約２・ＶＤＱとすることができ、ここでＶＤＱは、目標の用途についての静止ＶＤＳである。具体的には、温度をたとえば１４０℃等の通常動作温度に上昇して、電力デバイスに、そのデバイスが現実の用途において即座に達する可能性がある最大逆バイアス電圧がかけられる可能性がある。一般的に、テスト約１０００時間程度の間行われる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のいくつかの実施形態は、約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、約１０時間を超えて動作したとき、電力劣化が約３．０ｄＢ未満であるＩＩＩ族窒化物ベースの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を提供する。
【００１２】
本発明のさらなる実施形態では、ＦＥＴは、約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、電力劣化を約０．４４ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、約２．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることができる。前記ＦＥＴは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）とすることができる。前記ＨＥＭＴは、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとをさらに備えることができる。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することができる。
【００１３】
本発明のさらに他の実施形態では、ＦＥＴは、約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約２０時間の間動作したとき、電力劣化を約１．３ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、約２．０μｍから約８．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることができ、ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてを、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープすることができる。前記ＦＥＴは、ＨＥＭＴとすることができ、前記ＨＥＭＴは、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとを備えることができる。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有することができ、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作する。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態では、ＦＥＴは、約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、電力劣化を約１．０ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、前記ＦＥＴの表面上のパッシベーション層を備えることができ、前記パッシベーション層は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）を含むことができる。前記ＦＥＴは、ＨＥＭＴとすることができる。前記ＨＥＭＴは、ＧａＮチャネル層と、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとを備えることができ、前記パッシベーション層が、前記Ｔゲートコンタクト、前記ＡｌＧａＮ層、ならびに前記ソースコンタクトおよび前記ドレインコンタクト上に設けられている。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することができる。
【００１５】
本発明のさらなる実施形態では、ＦＥＴは、約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトから約−１４ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間から約６２時間の間動作したとき、電力劣化を約０．４０ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることができ、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてを、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープすることができる。前記ＦＥＴは、ＨＥＭＴとすることができる。前記ＨＥＭＴは、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとを備えることができる。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することができる。
【００１６】
本発明のさらに他の実施形態では、ＦＥＴは、約５６ボルトのＶＤＳ、約−８ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約１０時間の間動作したとき、電力劣化を約０．２５ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層と、約１５パーセントから３０パーセントのＡｌおよび約１５ｎｍから約４０ｎｍの厚さを有する、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＧａＮ層とを備えることができる。前記ＦＥＴは、ＨＥＭＴとすることができる。前記ＨＥＭＴは、前記ＧａＮチャネル層と前記ＡｌＧａＮとの間のＡｌＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとを備えることができる。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することができる。
【００１７】
本発明のいくつかの実施形態では、ＦＥＴは、約２８ボルトから約７０ボルトのＶＤＳ、約−３．３から約−１４のＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約６時間から約１００時間の間動作したとき、電力劣化を約０．４５ｄＢ以下とすることができる。前記ＦＥＴは、約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備えることができ、前記ＧａＮチャネル層の表面の約１．０μｍを除くすべてを、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープすることができる。前記ＦＥＴは、ＨＥＭＴとすることができる。前記ＨＥＭＴは、前記ＧａＮチャネル層上のＡｌＮ層と、前記ＡｌＮ層上のＡｌＧａＮ層と、前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトとを備えることができる。前記ＦＥＴは、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有し、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作することができる。
【００１８】
本発明のさらなる実施形態は、約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間という高温逆バイアステスト条件に耐え得るＩＩＩ族窒化物をベースとする電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を提供する。
【００１９】
本発明のさらに他の実施形態は、約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間の間動作したとき、約３．０ｄＢ未満の電力劣化と、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度とを有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態が示されている添付図面を参照して、本発明について以下により十分に述べる。しかしながら、本発明は本明細書に記載されてい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、本開示が徹底的で完全なものとなり、また、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるために提供されている。図面では、層および領域の厚さが、明瞭性のために誇張されている。同様の番号は、全体にわたって同様の要素を指す。本明細書で使用される「および／または」という用語は、関連付けて列挙された項目の１つまたは複数のいずれか及びすべての組合せを含む。
【００２１】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態について記述するためのものにすぎず、本発明を限定するものではない。本明細書で使用される単数形は、文脈がそうではないと明らかに示さない限り、複数形もまた含むものとする。さらに、「備える」、「含む」という用語は、本明細書で使用されるとき、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除しないことが理解されるであろう。
【００２２】
層、領域、または基板等のある要素が別の要素の「上に」ある、または別の要素の「上に」延びていると言及されるとき、その要素は、他方の要素の上に直接ある、または他方の要素の上に直接延びていることができ、または介在要素が存在してもよいことが理解されるであろう。対照的に、ある要素が別の要素の「上に直接」ある、または別の要素の「上に直接」延びていると言及されるとき、介在要素は存在しない。また、ある要素が別の要素に「接続されている」または「結合されている」と言及されるとき、その要素は、他方の要素に直接に接続されている、または結合されている可能性があり、または介在要素が存在してもよいことが理解されるであろう。一方、ある要素が別の要素に「直接に接続されている」または「直接に結合されている」と言及されるとき、介在要素は存在しない。同様の番号は、本明細書全体にわたって同様の要素を指す。
【００２３】
様々な要素、構成要素、領域、層、および／または区域について述べるために、第１、第２などの用語が本明細書において使用される可能性があるが、これらの要素、構成要素、領域、層、および／または区域は、これらの用語によって限定されるべきでないことが理解されるであろう。これらの用語は、ある要素、構成要素、領域、層、または区域を、別の領域、層、または区域から区別するために使用されるにすぎない。したがって、以下で検討される第１の要素、構成要素、領域、層、または区域は、本発明の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層、または区域と呼ぶことができる。
【００２４】
さらに、「下（ｌｏｗｅｒ）」または「下端」、ならびに「上（ｕｐｐｅｒ）」または「上端」等の相対的な用語は、図に例示されているような、ある要素の別の要素に対する関係を説明するために本明細書において使用される可能性がある。相対的な用語は、図に示されている向きに加えて、デバイスの異なる向きを包含することが意図されていることが理解されるであろう。たとえば、図中のデバイスが裏返される場合、他の要素の「下」側にあるものとして述べられた要素は、他の要素の「上」側に配向されることになる。したがって、「下」という例示的用語は、図の特定の向きに応じて、「下」と「上」の向きを共に包含することができる。同様に、ある図中のデバイスが裏返される場合、他の要素の「下方（ｂｅｌｏｗ）」または「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」にあるものとして述べられた要素は、他の要素の「上方」に配向されることになる。したがって、「下方」または「下」という例示的用語は、上方と下方の向きを共に包含することができる。さらに、「外（ｏｕｔｅｒ）」という用語は、基板から最も遠い表面および／または層に言及するために使用することができる。
【００２５】
本発明の実施形態は、本発明の理想化された実施形態の概略図である断面図を参照して説明される。したがって、たとえば製造技法および／または公差の結果として図の形状から変動することが予期されるべきである。したがって、本発明の実施形態は、本明細書で例示されている領域の特定の形状に限定されると解釈すべきでなく、たとえば製造に起因する形状の偏差を含むべきである。たとえば、三角形として図示されているエッチングされた領域は、一般的には、テーパ形、丸形、または湾曲した形態を有することになる。したがって、図示されている領域は、本質的に概略的であり、それらの形状は、デバイスの領域の正確な形状を図示することが意図されておらず、また本発明の範囲を限定することが意図されていない。
【００２６】
別段の定めがない限り、本明細書で使用される（技術用語および科学用語を含む）用語のすべては、本発明が属する分野の当業者によって共通に理解されるものと同じ意味を有する。さらに、一般に使用される辞書に定義されているものような用語は、関連技術および本開示の文脈におけるそれらの意味と適合する意味を有すると解釈すべきであり、本明細書に明示の定めがない限り、理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されない。
【００２７】
別の形態に「隣接して」配置される構造または形態に対する言及は、その隣接する形態に重なり合うか、またはその下にある部分を有する可能性があることも当業者には理解されるであろう。
【００２８】
本発明の実施形態は、ＩＩＩ族窒化物ベースのＨＥＭＴ等の窒化物ベースのデバイス内での使用に特に好適である可能性がある。本明細書で使用される「ＩＩＩ族窒化物」という用語は、窒素と周期表のＩＩＩ族にある元素、通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および／またはインジウム（Ｉｎ）との半導体化合物を指す。この用語は、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮ等の三元化合物および四元化合物も指す。当業者にはよく理解されるように、ＩＩＩ族元素は、窒素と化合し、二元化合物（たとえば、ＧａＮ）、三元化合物（たとえば、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ）、および四元化合物（たとえば、ＡｌＩｎＧａＮ）を形成することができる。これらの化合物すべては、窒素１モルが合計１モルのＩＩＩ族元素と化合する実験式（ｅｍｐｉｒｉｃａｌ  ｆｏｒｍｕｌａ）を有する。したがって、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ（０≦ｘ≦１）などの化学式がそれらを説明するためにしばしば使用される。
【００２９】
本発明の実施形態について特定の構造を参照して説明するが、他の構造、および／またはＧａＮベースのＨＥＭＴを作製するための技法も、本発明のいくつかの実施形態において利用することができる。そのような構造および／または技法には、たとえば特許文献３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、および１２に述べられているものを含むことができる。
【００３０】
本発明の背景で論じたように、認定手続きの一部として、ＲＦ電力デバイスを高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）テストで選別することが標準的な慣例である。本明細書で使用される「耐え得る」は、デバイスの破壊なく、すなわちデバイスの動作を妨げる不可逆的損傷なく、テスト条件の適用に耐えることを指す。ＩＩＩ族窒化物デバイスは、多数の他のデバイスよりもＨＴＲＢ条件下で劣化しやすい可能性がある。したがって、そのような条件に耐えることができるデバイスを生み出すことは、困難となる可能性がある。したがって、ＨＴＲＢ条件に耐えることができるＩＩＩ族窒化物デバイスは、たとえば高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）製品等の商用ＩＩＩ族窒化物電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を開発する上で障害となる可能性がある。
【００３１】
ＨＴＲＢテストは、ＩＩＩ族窒化物ＦＥＴ（ＨＥＭＴ）のいくつかの異なるウェハロットに対して行われた。約−３．０ボルトから約−４．０ボルトのピンチオフ電圧を有するＨＥＭＴについて、約２８．０ボルトの直流ドレインバイアス、および５６ボルトと同量までの、対応する最大ドレインスイング（drain swing）が予測された。ゲート電圧は、約２．０Ｖ乃至約３．Ｖから約−８ボルト乃至約−１０ボルトに揺れ動く可能性がある。したがって、テストは、５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、−８ボルトまたは−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）を、１４０℃の通常動作温度で、様々な長さの時間の間使用して実行された。より早期のテストは−１４ボルトのＶｇｓを用いて行われ、より最近のテストは−８ボルトのＶｇｓを用いて行われていた。理想的なデバイスでは、これらのテストはデバイスに対して無限の時間の間行うことができ、そのデバイスはどのような電力劣化も受けないはずであることが理解されるであろう。認定手続きのためには、テストは一般に約１０００時間の間行われるが、このテストは、多数のウェハ間の相対的な差を決定するために行われたため、それよりはるかに短い時間の間行われた。
【００３２】
予備的な覚え書きとして、テストはクリーのノースカロライナとカリフォルニアの施設で行われた。各施設でのストレス（ｓｔｒｅｓｓ）は実質的に同等であるが、クリーのカリフォルニアの施設によって得られた結果の方が良好に見える。たとえば、カリフォルニアチームが約０．４ｄＢの電力劣化を得ることができる場合、ノースカロライナチームは、同じロット内のデバイス（ウェハ）について約０．８ｄＢから約０．９ｄＢの電力劣化を得る可能性がある。先に論じたように、６つの異なるウェハロットについてＨＴＲＢ条件を使用するテストが実行された。図１Ａおよび図１Ｂに関連して以下に論じる構造は、デバイステストの一般的な構造である。テスト・ランのそれぞれに対する具体的なデバイス仕様は以下に詳細に論じる。
【００３３】
図１Ａから図３に関連して以下に論じるように、本発明のいくつかの実施形態によるデバイスは、約５６ボルトのドレイン−ソース間電圧（ＶＤＳ）、約−８ボルトから約−１４ボルトのゲート−ソース間電圧（Ｖｇｓ）、約１４０℃の温度で、少なくとも約１０時間という高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）テスト条件に耐え得るＩＩＩ族窒化物ベースのＦＥＴを提供する。さらに、本発明のいくつかの実施形態によるＦＥＴは、ＨＴＲＢストレス条件に耐えるだけでなく、本明細書で論じられているデバイスは、以下にさらに論じるように、約３．０ｄＢ未満の電力劣化を有する。
【００３４】
本発明のいくつかの実施形態による例示的デバイスが、図１Ａおよび図１Ｂに概略的に図示されている。しかしながら、本発明の実施形態は、本明細書で述べられている特定の例示的実施形態に限定されると解釈すべきでなく、本明細書で述べられているトランジスタ特性をもたらす任意の好適な構造を含むことができる。
【００３５】
ここで図１Ａを参照すると、窒化物ベースのデバイスを形成することができる基板１０が設けられている。本発明の特定の実施形態では、基板１０は、たとえば４Ｈポリタイプの炭化ケイ素とすることができる半絶縁性炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板としてもよい。他の炭化ケイ素の候補ポリタイプは、３Ｃ、６Ｈ、および１５Ｒのポリタイプを含む。「半絶縁性」という用語は、絶対的な意味ではなく、説明的に使用されている。本発明の特定の実施形態では、炭化ケイ素のバルク結晶が、室温で約１×１０５Ω・ｃｍ以上の抵抗率を有する。
【００３６】
任意選択のバッファ層、核形成層、および／または遷移層（図示せず）を、基板１０上に設けることができる。たとえば、炭化ケイ素基板とデバイスの残りの部分との間で適切な結晶構造遷移を実現するために、ＡｌＮバッファ層が設けることができる。さらに、特許文献１３または１４に記載されているように、歪み平衡（ｓｔｒａｉｎ  ｂａｌａｎｃｉｎｇ）遷移層も設けることが可能である。
【００３７】
適切なＳｉＣ基板は、たとえば本発明の譲受人であるノースカロライナ州ダーラムのＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．によって製造され、生産方法は、たとえば特許文献１５、１６、１７、および１８に記載されている。同様に、ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長のための技法は、たとえば特許文献１９、２０、２１、および２２に記載されている。
【００３８】
炭化ケイ素を基板材料として使用することができるが、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、ケイ素、ＧａＡｓ、ＬＧＯ、ＺｎＯ、ＬＡＯ、ＩｎＰ等の好適な基板のうちの任意のもの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また形成することができる。
【００３９】
再び図１Ａを参照すると、チャネル層１２が基板１０上に設けられる。チャネル層１２は、上述のように、バッファ層、遷移層、および／または核形成層を使用して、基板１０上に堆積される可能性がある。チャネル層１２は、圧縮歪み下にある可能性がある。さらに、チャネル層１２および／またはバッファ、核形成、および／または遷移層を、ＭＯＣＶＤによって、またはＭＢＥもしくはＨＶＰＥ等の当業者に既知の他の技法によって堆積してよい。本発明のいくつかの実施形態では、ＧａＮバッファは、非特許文献１または特許文献２３に記載されているのと同様な形でＦｅドープすることができる。ＦｅドープＧａＮバッファを有するデバイスでは、Ｆｅ濃度がチャネル領域又はＧａＮバッ
ファの上端の約０．０１μｍ内で非常に低い又は約１×１０１６ｃｍ−３未満であるならば、ＧａＮバッファを部分的にＦｅドープすることができる。
【００４０】
チャネル層１２は、ＩＩＩ族窒化物、特にＧａＮである。チャネル層１２は、非ドープの（「非意図的にドープされた」）ものとすることができ、本発明の特定の実施形態に応じて、約０．０１μｍから約２０．０μｍの厚さに成長させることができる。本発明の特定の実施形態では、チャネル層１２はＧａＮであり、具体的なテスト・ランに関連して以下にさらに論じるように、約２．０μｍから約８．０μｍの厚さを有する。
【００４１】
障壁層がチャネル層１２上に設けられる。チャネル層１２は、障壁層のバンドギャップ未満のバンドギャップを有することができ、またチャネル層１２は、障壁層より大きな電子親和力を有することができる。障壁層は、チャネル層１２上に堆積させることができる。本発明のいくつかの実施形態では、障壁層は、ＡｌＮ層１４およびＡｌＧａＮ層１６によって設けられる。ＡｌＮ層１４は、約０．２ｎｍから約２．０ｎｍの厚さを有することができる。ＡｌＧａＮ層１６は、約１０ｎｍから約４０ｎｍの厚さと、約１５パーセントから約３０パーセントのＡｌ組成とを有することができる。本発明のいくつかの実施形態では、ＡｌＧａＮ層１６は、約２０ｎｍから約３０ｎｍの厚さと、約２０パーセントから約３５パーセントのＡｌ組成とを有することができる。本発明のいくつかの実施形態による層の例は特許文献５に記載されている。本発明の特定の実施形態では、障壁層は、チャネル層１２と障壁層との間の界面で、分極効果を介して相当なキャリア濃度を引き起こすのに十分に厚く、十分に高いＡｌ組成およびドーピングを有する。本発明の特定の実施形態では、障壁層は、約０．４ｎｍから約０．８ｎｍの厚さを有するＡｌＮ層と、２０パーセントを超えるＡｌおよび約２０ｎｍから約３０ｎｍの厚さを有するＡｌＧａＮ層とを備える。ＡｌＧａＮ層内のＡｌのパーセンテージは、典型的には、約２５パーセント未満である。
【００４２】
図１Ａにさらに図示されているように、このＨＥＭＴは、ＡｌＧａＮ層１６上にソースコンタクト２０と、ドレインコンタクト２２と、ゲートコンタクト３２とを備える。ソースコンタクト２０とドレインコンタクト２２は、これらに限らないが、チタン、アルミニウム、金、またはニッケルの合金を含む異なる材料製とすることができる。ゲートコンタクト３２は、図１Ａに図示されているようにＴゲートであり、従来の作製技法を使用して作製することができる。好適なゲート材料は、ＡｌＧａＮ層１６の組成によって決まる可能性があるが、いくつかの実施形態では、Ｎｉ、Ｐｔ、ＮｉＳｉｘ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｒ、Ｗ、および／またはＷＳｉＮ等の、窒化物ベースの半導体材料にショットキーコンタクトを作製可能な従来の材料を使用することができる。図示されていないが、本発明のいくつかの実施形態では、パッシベーション層を、図１Ａの構造上全面に堆積することができる。パッシベーション層は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）としてもよい。ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯｘ、ＭｇＮなどに対する言及は、化学量論材料および／または非化学量論材料を指す。Ｔゲート３２は、２層電子ビームリソグラフィープロセスによって画定することができ、約０．１８μｍのフットプリントを有する。
【００４３】
図１Ａでは、ゲートコンタクト３２からソースコンタクト２０までの距離が、ＬＧＳとして示されている。本発明のいくつかの実施形態では、ＬＧＳは約０．７μｍとすることができる。ゲートコンタクト３２からドレインコンタクト２２までの距離は、ＬＧＤとして示されている。本発明のいくつかの実施形態では、ＬＧＤは約２．０μｍとすることができる。ゲートコンタクト３２のＴ字部分の長さは、ＬＧＴとして示されている。本発明のいくつかの実施形態では、ＬＧＴは約０．７μｍとすることができる。ゲートコンタクト３２のベースの長さは、ＬＧＢとして示されている。本発明のいくつかの実施形態では、ＬＧＢは約０．２μｍとすることができる。Ｔ字の翼がゲートコンタクト３２のベースから延びている距離は、ＬＧＷとして示されている。本発明のいくつかの実施形態では、ＬＧＷは約０．２５μｍとすることができる。図１Ａのページの内側そして外側に延びているゲートコンタクト３２の寸法は、本明細書では、ゲート幅ＷＧと呼ばれる。本発明のいくつかの実施形態では、ＷＧは約２５０μｍとすることができる。デバイスの合計幅は３０．０ｍｍとすることができるが、これは電力レベルおよび周波数によって決まる可能性がある。デバイスの合計幅を増大するために、複数のセルを平行に配置することができる。合計幅は、組み合わされたデバイスの「周縁」と呼ぶことができる。
【００４４】
本発明のいくつかの実施形態によるＨＥＭＴは、それぞれが約０．２５ｍｍの幅を有する複数のゲートフィンガ（ｇａｔｅ  ｆｉｎｇｅｒ）を備える。本明細書で論じられている本発明の実施形態は、ゲートフィンガを２つ備える。デバイスは、約０．５ｍｍの合計幅を有する。図１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態によるトランジスタの複数の単位セルを図示する断面図である。図１Ｂにおける同様の番号は、図１Ａの同様の要素を指し、したがって、これらの要素の詳細は本明細書でこれ以上論じない。図１Ｂではドレイン２２が別々であるが、ドレイン２２は、本発明の範囲から逸脱することなく単一のレール（ｒａｉｌ）に組み合わせることができることが理解されるであろう。本明細書で論じられているデバイスは、約３．５ＧＨｚから約４．０ＧＨｚの周波数で動作しているとき、約３．０Ｗ／ｍｍを超える電力密度を有することができる。
【００４５】
別段の表示がない限り、以下に論じられるデバイスは、上述の構造を有するデバイスである。次に、本明細書で述べられた例示的デバイスの性能について述べる。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの特定のデバイスに限定されると解釈すべきでなく、本明細書で述べられている性能特性を提供することが可能な他のデバイスを含む。さらに、様々な動作理論が本明細書で述べられているが、本発明の実施形態は、特定の動作理論に限定されると解釈すべきでない。
【００４６】
次に、６つのテスト・ランについて得られた結果について詳細に論じる。第１の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．０７ｄＢから約０．４４ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。テストされたデバイスは、本発明のいくつかの実施形態による、図１Ａに関連して先に論じたＦｅドーピングまたはＳｉＮ層を含んでいなかった。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢストレス条件は、ＶＤＳ＝５６ボルト、Ｖｇｓ＝−８ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝２０時間であった。これらの値は近似値であり、したがって本発明の実施形態は、これらの厳密な値に限定すべきでないことが理解されるであろう。さらに、逆ゲート−ドレイン間漏れ電流（ｒｅｖｅｒｓｅ  ｇａｔｅ−ｔｏ−ｄｒａｉｎ  ｌｅａｋａｇｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ）は、すべての場合において、約１４〜２０マイクロアンペアからわずか数マイクロアンペアに減少した。
【００４７】
第２の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．０６ｄＢから約１．３０ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。テストされたデバイスは、図１Ａに関連して先に論じたように、チャネルの下方にＦｅドーピングを含んでいた。さらに、ＧａＮバッファ層は、約２．０μｍから８μｍの厚さを有していた。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢストレス条件は、ＶＤＳ＝５６ボルト、Ｖｇｓ＝−８ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝２０時間であった。最終データにおいてバッファの厚さと信頼性との強い相関はなかったが、最良の結果は最も厚いバッファで達成された。バッファが厚いと、デバイスの表面に欠陥が生じるおそれがある。さらに、ゲート−ドレイン間逆漏れ電流（Ｉｇｄ）は、いくつかのウェハについて減少し、他のウェハについて増大したが、最良の結果を生じるウェハについては減少した。
【００４８】
第３の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．２５ｄＢ未満から約１．０ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。テストされたデバイスは、図１Ａに関連して先に論じたように、ＳｉＮ層（約１モノレイヤ）を含んでいた。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢストレス条件は、ＶＤＳ＝５６ボルト、Ｖｇｓ＝−８ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝１０時間であった。ＳｉＮ層のない本発明の実施形態におけるデバイスは、約１．０ｄＢ劣化したが、ＳｉＮ層を有する本発明の実施形態におけるいくつかのデバイスは、より厳しい条件下で約０．２５ｄＢ未満劣化したにすぎず、低い、減少する漏れ電流を示した。
【００４９】
第４の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．１ｄＢから約０．４ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。これらのデバイスは、約６μｍの厚さと様々な量のＦｅドーピングとを有するＧａＮバッファを有していた。Ｆｅドーピング濃度は、約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３に及んだ。大抵のドーピングがチャネルに最も近接するウェハでは、約１．０ｄＢから約２．０ｄＢの電力劣化を生じた。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢストレス条件は、ＶＤＳ＝５６ボルト、Ｖｇｓ＝−８ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝１０時間であった。さらに、逆漏れ電流は、大部分について、２０マイクロアンペアから１００マイクロアンペアの範囲内で開始し、そのままであった。ウェハのうちの１枚は、約６２時間のより長いテストにおいて、約０．４ｄＢの電力劣化を示した。さらに、別のウェハは、Ｖｇｓが−８ボルトではなく−１４ボルトであったとき、約０．１ｄＢから０．５ｄＢの電力劣化を示した。
【００５０】
第５の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．３ｄＢから約１ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。これらのデバイスは、約６μｍの厚さを有するＧａＮバッファと、ＡｌＧａＮ層内の様々な量のアルミニウムとを有していた。アルミニウムの割合は、約２０パーセントから約２５パーセントの間で変動した。アルミニウムの変動は、テスト結果に著しい影響を及ぼすように見えなかった。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢストレス条件は、ＶＤＳ＝５６ボルト、Ｖｇｓ＝−８ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝１０時間であった。逆漏れ電流の中程度の増大が、高モル分率ウェハについて観察されており、高モル分率ウェハは、より高い電荷密度、より高い電流レベル、より多くの電力出力、そしておそらくはより高い内部電界をも有していた。カリフォルニアのクリーによって測定された電力劣化は、約０．３ｄＢから約０．６ｄＢの間で変動し、逆漏れ電流は、概して０．１ｍＡ／ｍｍから０．５ｍＡ／ｍｍと１．０ｍＡ／ｍｍの間に増大したことに留意されたい。ノースカロライナのクリーによって測定された電力劣化は約０．７ｄＢから１．０ｄＢの間で変動し、おそらくはストレスを加える前後でＲＦテストの詳細が異なることに起因する。
【００５１】
最後に、第６の一連のテスト・ランでは、高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）条件でストレスを受けた後に、約０．０ｄＢから約０．４５ｄＢに及ぶ電力劣化が生じた。テストされたデバイスは、約６μｍの厚さと様々な量の鉄ドーピングとを有するＧａＮバッファを有していた。上述した電力劣化を生じたＨＴＲＢ条件は、ＶＤＳ＝２８ボルトから約７０ボルト、Ｖｇｓ＝−３．３ボルトから約−１４ボルト、Ｔ＝１４０℃、Ｔｉｍｅ＝１００時間未満であった。これらのテスト・ランの結果が、図２および図３のグラフに図示されている。図２は、ＶＤＳが２８Ｖに等しいときの、本発明のいくつかの実施形態による、テスト実施前後の出力電力（ＰＯＵＴ）、電力付加効率（ＰＡＥ）、および利得を示すプロットである。図３は、ＶＤＳが４８Ｖに等しいときの、本発明の他の実施形態による、テスト実施前後の出力電力（ＰＯＵＴ）、電力付加効率（ＰＡＥ）、および利得を示すプロットである。
【００５２】
本発明の実施形態について、本明細書において、特定のＨＥＭＴ構造を参照して説明したが、本発明は、そのような構造に限定されると解釈すべきでない。たとえば、本発明の教示から依然として受益しながら、ＨＥＭＴデバイスに追加の層を含めることができる。そのような追加の層は、たとえば非特許文献２または特許文献２４に記載されているようなＧａＮキャップ層を含むことができる。
【００５３】
図面および明細書では、本発明の典型的な実施形態が開示されており、特定の用語が使用されているが、それらは一般的かつ説明的な意味で使用されているにすぎず、限定するためのものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１Ａ】本発明のいくつかの実施形態によるトランジスタの単位セルを示す断面図である。
【図１Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による複数の単位セルを示す断面図である。
【図２】本発明のいくつかの実施形態による、テスト実施前後の出力電力（ＰＯＵＴ）、電力付加効率（ＰＡＥ）、および利得を示すプロットである。
【図３】本発明の他の実施形態による、テスト実施前後の出力電力（ＰＯＵＴ）、電力付加効率（ＰＡＥ）、および利得を示すプロットである。
【手続補正書】
【提出日】平成20年6月5日(2008.6.5)
【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】請求項２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２０】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であり、
前記ＧａＮチャネル層と前記ＡｌＧａＮ層との間のＡｌＮ層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のＴゲートコンタクトと、
前記ＨＥＭＴの表面上の絶縁層と、
前記ＡｌＧａＮ層上のソースコンタクトおよびドレインコンタクトと
をさらに備えることを特徴とする請求項１９に記載のＦＥＴ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項４０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項４０】
約２８ボルトから約７０ボルトのＶＤＳ、約−３．３から約−１４ボルトのＶｇｓ、約１４０℃の温度で、約６時間から約１００時間の間動作したとき、約０．４５ｄＢ以下の電力劣化を有し、約６．０μｍの厚さを有するＧａＮチャネル層を備え、前記ＧａＮチャネル層の約１．０μｍを除くすべてが、Ｆｅで約２×１０１６ｃｍ−３から約２×１０１８ｃｍ−３の濃度にドープされていることを特徴とする請求項３４に記載のＨＥＭＴ。
【国際調査報告】
2008533738.tif 000007
2008533738.tif 000008
2008533738.tif 000009