(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であって、
ＩＩＩ族窒化物半導体材料で形成された、比抵抗が高い非伝導層（２０）と、
ＩＩＩ族窒化物半導体材料で形成された、前記非伝導層（２０）上のバリア層（１８）と、
前記バリア層（１８）表面の一部が隣接し、前記バリア層（１８）と接触しているソースコンタクト、ドレインコンタクト、ゲートコンタクト（１３、１４、１６）と、
ドープされていない電子ソース層より高い割合のドナー電子（６８）を含むようにドープされ、前記ドナー電子により前記ＦＥＴがマイクロ波の周波数において効率的な利得を生ずることを可能にする、前記コンタクト（１３、１４、１６）の間の前記バリア層（１８）表面上の窒化ケイ素（ＳｉxＮy）電子ソース層（２２）と、を含み、
前記ドナー電子はシリコンを含むドーパントによって供給される、ことを特徴とするＦＥＴ。
【請求項２】
前記バリア層（１８）がプラスに帯電した表面トラップ（６９）を持ち、前記ドナー電子（６８）が前記トラップ（６９）を中性化し、前記ドナー電子（６８）が前記トラップ（６９）より高いエネルギー状態を有することを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項３】
前記電子ソース層（２２）が、電子フィールド（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｆｉｅｌｄ）、電圧または温度の上昇によってひき起こされるストレスのもとで前記バリア層（１８）と安定な結合を有することを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項４】
前記バリア層（１８）の表面が、実質的に損傷がないことを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項５】
サファイアまたは炭化ケイ素の基板（１１）をさらに含み、当該基板（１１）は、前記非伝導層（２０）に隣接し、前記バリア層（１８）の反対側にあることを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項６】
前記非伝導層（２０）と前記基板（１１）との間にバッファ層（１２）をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のＦＥＴ。
【請求項７】
前記バリア層（３８）が、前記非伝導層（３４）より幅広のエネルギーバンドギャップを有しており、前記ＦＥＴが、前記バリア層（３８）と前記非伝導層（３４）との間に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）（４２）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＦＥＴ。
【請求項８】
請求項１に記載のＦＥＴを製造する方法であって、
前記ＦＥＴをスパッタリングチャンバに配置するステップ（１２６）と、
前記スパッタリングチャンバ中で前記ＦＥＴ上の前記電子ソース層（１０８）をスパッタするステップ（１２８）と、
前記スパッタリングチャンバを冷却しガス抜きするステップ（１３０）と、
前記スパッタリングチャンバから前記ＦＥＴを取り出すステップ（１３０）と、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】  本出願は、２０００年２月４日出願のＷｕ他による米国仮出願一連番号第６０／１８０，４３５号に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】    （発明の背景）
（発明の分野）
本発明は、高周波のソリッドステートトランジスタ（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）に関し、より詳しくは、ＩＩＩ族窒化物ベースの電界効果トランジスタおよび高電子移動度トランジスタに関する。
【０００３】    （関連技術の説明）
マイクロ波システムは、一般に、ソリッドステートトランジスタを増幅器および発信器として使用しており、それにより、システムサイズ（ｓｙｓｔｅｍ  ｓｉｚｅ）を著しく小さくし、信頼性を増大させた。拡大するマイクロ波システムに対処するためには、その動作周波数および動作電力を増すことが重要である。周波数信号が高いほどより多くの情報（帯域幅）を伝達することができ、非常に高い利得を持つより小さいアンテナが可能となり、解像度の改良されたレーダを提供する。
【０００４】  電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）および高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、一般タイプのソリッドステートトランジスタであって、シリコン（Ｓｉ）または砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等の半導体材料から作られる。Ｓｉの１つの不都合は、それが低い電子移動度（約１４５０ｃｍ2／Ｖ−ｓ）を持ち、それによって高いソース（ｓｏｕｒｃｅ）抵抗を生むことである。この抵抗のため、そうでなければＳｉに基づくＦＥＴおよびＨＥＭＴから得ることが可能な高性能の利得がひどく低下される。［ＣＲＣ  Ｐｒｅｓｓ，Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，Ｓｅｃｏｎｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｄｏｒｆ，ｐ．９９４，（１９９７）］
【０００５】  ＧａＡｓもまたＦＥＴおよびＨＥＭＴに用いる一般的な材料であり、民間用および軍事用レーダ、ハンドセットセルラー（ｈａｎｄｓｅｔ  ｃｅｌｌｕｌａｒ）通信、および、衛星通信における信号増幅の標準となっている。ＧａＡｓは、Ｓｉより高い電子移動度（約６０００ｃｍ2／Ｖ−ｓ）および低いソース抵抗を持っており、そのことが、ＧａＡｓベースのデバイスがより高い周波数で機能することを可能にしている。しかしながら、ＧａＡｓは比較的小さいバンドギャップ（室温で１．４２ｅＶ）および比較的小さい降伏電圧（ｂｒｅａｋｄｏｗｎ  ｖｏｌｔａｇｅ）を有しており、そのことが、ＧａＡｓベースのＦＥＴおよびＨＥＭＴが高周波数において高い電力を提供することを妨げる。
【０００６】  ＧａＮ／ＡｌＧａＮ半導体材料の製造における改良は、ＧａＮ／ＡｌＧａＮベースのＦＥＴおよびＨＥＭＴの開発に重点が絞られてきた。これらのデバイスは、高い降伏電界、広いバンドギャップ（室温のＧａＮで３．３６ｅＶ）、大きな伝導帯オフセット（ｏｆｆｓｅｔ）、高い飽和電子ドリフト速度等を含む材料特性の独特の組合せによって大量の電力を発生することができる。同じ周波数で作動させて、同じ大きさのＧａＮ増幅器が、ＧａＡｓ増幅器の電力の１０倍まで生ずることができる。
【０００７】  米国特許第５，１９２，９８７号（Ｋｈａｎ他）には、バッファ（ｂｕｆｆｅｒ）および基板上に成長させたＧａＮ／ＡｌＧａＮベースのＨＥＭＴおよびそれを製造する方法が記載されている。Ｇａｓｋａ等の「Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ＡｌＧａＮ／ＧａＮ  ＨＦＥＴ′ｓ  ｏｎ  ＳｉＣ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ  １０、１９９７年１０月、４９２頁、および、Ｐｉｎｇ等の「ＤＣ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ｈｉｇｈ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  ＡｌＧａＮ  Ｈｅｔｅｒｏ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ  Ｇｒｏｗｎ  ｏｎ  Ｐ−ｔｙｐｅ  ＳｉＣ  Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ」、ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．２、１９９８年２月、５４頁には、他のＨＥＭＴが記載されている。これらのデバイスのいくつかは、６７ギガヘルツもの高さの利得帯域幅積（ｆT）（Ｋ．Ｃｈｕ等、ＷＯＣＳＥＭＭＡＤ，Ｍｏｎｔｅｒｙ，ＣＡ，１９９８年２月）、および、１０ＧＨｚにおいて最大２．８４Ｗ／ｍｍまでの高い出力密度（Ｇ．Ｓｕｌｌｉｖａｎ等の「Ｈｉｇｈ  Ｐｏｗｅｒ  １０−ＧＨｚ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ＡｌＧａＮ  ＨＦＥＴ′ｓ  ｉｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ  ＳｉＣ」、ＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．６、１９９８年６月、１９８頁、および、Ｗｕ等のＩＥＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ  １９，Ｎｏ．２、１９９８年２月、５０頁）を示した。
【０００８】  これらの進歩にもかかわらず、ＧａＮ／ＡｌＧａＮベースのＦＥＴおよびＨＥＭＴは、高い効率と高い利得を有するマイクロ波出力全体の際立った量を生み出すことはできていない。それらは直流（ＤＣ）ゲートドライブでは際立った電力利得を生ずるが、ミリヘルツから数キロヘルツというわずかの周波数の増加により、それらの増幅は著しく低下する。
【０００９】  交流（ＡＣ）増幅と直流（ＤＣ）増幅の間の差は、デバイスのチャネル（ｃｈａｎｎｅｌ）内の表面トラップ（ｔｒａｐ）によって主として引き起こされるものと思われる。用語はいくぶんさまざまであるが、１つのタイプのキャリアを捕捉した後、最も確率の高い次の事象が再励起である場合、不純物または欠陥の中心をトラッピングセンタ（または単にトラップ）というのが一般的である。一般に、バンドギャップの深いところに位置するトラッピングの準位では、価電子帯の伝導の近くに位置する他の準位よりトラップしたキャリアを開放するのが遅くなる。これは、トラップした電子をバンドギャップの中央付近の中心から伝導帯に再励起させるために要するエネルギーが、電子をより近い準位から伝導帯に再励起させるために要するエネルギーと比較して増えるためである。
【００１０】  ＡｌXＧａ1-XＮ（Ｘ＝０〜１）は、０．７から１．８ｅＶ（Ｘに依存する）の範囲の活性化エネルギーを有する極度のドナー状態にあるトラップを有するトランジスタのチャネル電荷に匹敵する表面トラップ密度を有している。ＦＥＴおよびＨＥＭＴが作動する間、そのトラップがチャネル電子を捕らえる。トラッピングの遅れおよび深いところのトラッピングプロセスは、トランジスタの速度を落とし、それによってマイクロ波の周波数における出力性能を大きく低下させる。
【００１１】    （発明の概要）
本発明は、好ましくは、ＧａＮ／ＡｌＧａＮから形成され交流ゲートドライブに応答する改良された増幅特性を示すＩＩＩ族窒化物ベースの改良されたＦＥＴおよびＨＥＭＴを提供する。また、本発明は、その新規なＧａＮ／ＡｌＧａＮのＦＥＴおよびＨＥＭＴを製造する新規な方法を提供する。
【００１２】  その新規なＦＥＴは、比抵抗が高い非伝導層上にバリア層を含む。ソース、ドレイン、および、ゲートのコンタクトが、それぞれそのバリア層と接触して含まれている。電子ドナー層がそのバリア層表面上のコンタクトの間に形成されており、そのドナー層は、好ましくは、高い割合のドナー電子を持つ誘電層である。
【００１３】  新規なＨＥＭＴについていえば、そのバリア層は、非伝導層より幅広のバンドギャップを有しており、その結果、バリア層と非伝導層が接合する所に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を形成する。その２ＤＥＧは、高濃度の電子を有しており、拡大されたデバイス相互コンダクタンスを提供する。この新規のＨＥＭＴは、ＦＥＴの伝導チャネル（ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｃｈａｎｎｅｌ）上のものと同様のコンタクトを有しており、同様の誘電層がＨＥＭＴの伝導チャネル上に含まれる。
【００１４】  それぞれのデバイスにおいて、バリア層は、プラスに帯電している表面トラップを有しているものと思われる。また、誘電層のドナー電子が、デバイスのバリア層に移動し、その表面トラップを充満するものと思われる。これによってそれらが中性となるようにし、それらが自由電子を捕捉することを防ぐ。また、新規の誘電コーティング（ｃｏａｔｉｎｇ）も、デバイスのゲートのない領域のシート（ｓｈｅｅｔ）電子密度を増し、望ましくない不動態化、不純物および取り扱い中の損傷からデバイスを保護する。
【００１５】  本発明は、また、その新規なＧａＮのＦＥＴまたはＨＥＭＴを製造する方法を提供する。その新規な方法は、スパッタリング技術に依存するものであり、伝導チャネル表面の損傷は殆んど起こらない。それはまた、誘電層とチャネル表面の間の強くて安定した結合を提供する。
【００１６】  本発明のこれらおよびさらなる特徴および利点は、添付した図面を伴う次の詳細な説明から、当技術分野の熟練者には明らかとなろう。
【００１７】    （発明の詳細な説明）
（新規ＧａＮ／ＡｌＧａＮのＦＥＴおよびＨＥＭＴ）
図１は、本発明に従って組み立てた新規なＩＩＩ族窒化物ベースのＦＥＴ１０を示す。それは、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）のいずれかであり得る基板１１を含み、好ましい基板は、４Ｈポリタイプの炭化ケイ素である。３Ｃ、６Ｈおよび１５Ｒポリタイプを含む他のポリタイプの炭化ケイ素もまた使用することができる。ＡｌxＧａ1-xＮバッファ層１２（ただし、ｘは０と１の間）が基板１１の上にあり、ＦＥＴ１０の炭化ケイ素基板とその他のものとの間の適切な結晶構造の遷移（ｃｒｙｓｔａｌ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）を提供する。
【００１８】  炭化ケイ素は、ＩＩＩ族窒化物に対して、サファイアよりはるかに近い結晶格子整合を有しており、より高い品質のＩＩＩ族窒化物薄膜をもたらす。炭化ケイ素はまた、非常に高い熱伝導性を有しており、そのため炭化ケイ素上のＩＩＩ族窒化物デバイスの全出力能力は、（サファイア上に形成したデバイスの場合よくあるように）基板の熱散逸によって制限されない。また、炭化ケイ素基板の入手のし易さがデバイスを分離する余地および低減された寄生キャパシタンス（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）を提供し、デバイスの工業化を可能にする。ＳｉＣ基板は、ノースカロライナ州ダラムのＣｒｅｅ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｉｎｃ．から入手でき、それらを製造する方法は、科学文献ならびに米国特許再発行特許明細書第３４，８６１号、米国特許第４，９４６，５４７号、同第５，２００，０２２号に明らかにされている。
【００１９】  ＩＩＩ族窒化物とは、窒素と、周期律表のＩＩＩ族元素、通常は、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）の間で形成される半導体化合物を指す。この用語はまた、ＡｌＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮ等の、３つからなる（ｔｅｒｎａｒｙ）および３次の（ｔｅｒｔｉａｒｙ）化合物を指す。
【００２０】  ＦＥＴ１０は、ＡｌxＧａ1-xＮで形成されているバリア層１８を有しており、それはＧａＮで形成されている高比抵抗をもつ非伝導層２０の上にある。その高比抵抗層２０は、バリア層１８とバッファ層１２の間に挟まれている。そのバリア層は、一般に、約０．１から０．３マイクロメートルの厚さであり、バリア層１８、高比抵抗層２０、およびバッファ層１２は、好ましくは、基板１１上にエピタキシャル成長またはイオン注入によって形成する。
【００２１】  そのＦＥＴはまた、ソースコンタクト１３およびドレインコンタクト１４を持っており、それらは高比抵抗層２０の表面上にある。バッファ層１２は、コンタクト１３および１４の間に配置されており、それぞれがバリア層の端と接触している。コンタクト１３および１４は、マイクロ波デバイス用としては通常３から１０マイクロメートルの間隔で分離されている。ショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）整流コンタクト（ゲート）１６は、ソースコンタクト１３とドレインコンタクト１４の間でバッファ層１２の表面上に位置し、一般的には、０．１から２マイクロメートルの範囲の長さを有する。そのＦＥＴの全幅は、必要な全出力に依存する。３０ミリメートルより大きい幅もあり得るが、一般的な幅は、５０から１００ミクロンの範囲内である。コンタクト間のバリア層表面の面積を、バリア層のアクセス領域と称する。
【００２２】  ソースコンタクト１３およびドレインコンタクト１４は、好ましくは、チタン、アルミニウム、ニッケルおよび金の合金から形成し、ゲート１６は、好ましくは、チタン、白金、クロム、ニッケル、チタンとタングステンの合金、ケイ化白金から形成する。１つの実施形態においては、コンタクトは、ニッケル、シリコン、チタンのそれぞれの層を付着した後、それらをアニールをすることにより形成されるこれら材料の合金を含む。この合金のシステムはアルミニウムを排除しているので、それにより、アニール温度がアルミニウムの融点（６６０℃）を超えるときのデバイス表面上の望ましくないアルミニウムの汚染を避ける。
【００２３】  作動中、ドレインコンタクト１４には、特定の電圧（ｎチャネルデバイス用のプラスのドレイン電圧）でバイアスをかけ、ソースは接地する。これにより電流がチャネルを通ってドレインからソースに流れるようになる。その電流は、ゲート１６にかけるバイアスおよび周波数電位によって制御され、チャネル電流を変調して利得を与える。
【００２４】  本発明はまた、ＧａＮ／ＡｌＧａＮに基づくＨＥＭＴに適用することができる。図２は、ＨＥＭＴ３０を示し、それもＦＥＴ１０のものと同様のソースコンタクト１３、ドレインコンタクト１４およびショットキーゲート１６を有する。それはまた、高比抵抗をもつ非伝導性のＧａＮ層３４の上にＡｌxＧａ1-xＮ半導体バリア層４２を持っている。これらの層は両方とも、図１のものと同様に、窒化アルミニウムのバッファ層１２および基板１１上に形成されている。
【００２５】  しかしながら、この実施形態においては、層４２は、ＧａＮ層３４より幅広のバンドギャップを有しており、エネルギーバンドギャップにおけるこの不連続性によって、自由電荷のより幅広のバンドギャップ材料からより低いバンドギャップ材料への移動がもたらされる。２つの界面に電荷が蓄積し、二次元電子ガス（２ＤＥＧ）を生み出し、その結果、ソースコンタクト１３とドレインコンタクト１４の間に電流が流れることが可能となる。この２ＤＥＧは、非常に高い電子移動度を有しており、高周波数においてＨＥＭＴに非常に高い相互コンダクタンスを与える。ゲート１６にかける電圧によってゲート直下の２ＤＥＧ中の電子の数を静電気的に制御し、かくして、全体の電子の流れを制御する。
【００２６】  また、新規のＦＥＴ１０とＨＥＭＴ３０は、両方とも、それぞれのバリア層１８および３８の表面上のバリア層のアクセス領域内に誘電性材料の層２２および４４を含んでいる。その誘電層は、好ましくは、窒化ケイ素（ＳｉxＮy）であり、シリコンがドナー電子のソースとなっている。最も効率的であるためには、層２２および４４は、次の４つの条件を満たすべきである。第１は、ドナー電子の高いソースとなるドーパントを持たなければならないことである。窒化ケイ素については、その層は、Ｓｉの高い割合を持たなければならない。本出願者は、どのような動作理論にも縛られることは望まないが、現時点では、その層からの電子が表面のトラップを充満し、その結果、それらが中性となり、作用中はバリア層の電子を捕捉しないものと思われる。
【００２７】  第２は、ドーパントのエネルギー準位が、トラップ中でのエネルギー準位より高く、最善の結果のためには、そのエネルギーは、バリア層伝導帯の縁のエネルギー準位より高くなければならないことである。これによりゲート金属からの電子がドナー状態に寄与する確率が低減し、そのエネルギー準位でのトラッピングおよびディトラッピング（ｄｅ−ｔｒａｐｐｉｎｇ）を防ぐ。ドーパントのエネルギー準位がバリア層伝導帯のエネルギー準位よりわずか下にある場合もその層は作用するであろうが、そのエネルギーは高ければ高いほど良好である。
【００２８】  第３は、デバイス表面に対する損傷が殆んどなく、誘電層の形成によりその損傷が増えてはならないことである。表面の損傷は表面トラップをより多く生み出し得るものと思われる。第４は、コーティングとバリア層表面の間の結合がストレスのもとでも安定でなければならないことである。結合が不安定である場合は、実際のデバイスの作動のもとで、電子フィールド（ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｆｉｅｌｄ）、電圧または温度の上昇によってひき起こされるストレスを受けたとき、この層は作用しなくなり得るものと思われる。
【００２９】  図３は、図２の点５２のところでデバイスのショットキーゲート１６とバリア層３８と２ＤＥＧ４２およびＧａＮ層３４を垂直に通してとった新規ＨＥＭＴ３０のバンドダイアグラム５０を示す。そのダイアグラム５０は、バイアスをかけず、バリア層に電流が流れていない平衡状態のＨＥＭＴについて示している。それは、ＨＥＭＴのバリア層５４とＧａＮ層５６および２ＤＥＧ５８のバンドエネルギーを示している。それは誘電コーティング４４のないＨＥＭＴからのバンドダイアグラムと類似している。ショットキーゲート５８は、その下のバリア層を覆い、誘電層の電子がその下のバリア層に到達するのを防止する。
【００３０】  図４は、図２の点６２のところでその誘電層４４とバリア層３８と２ＤＥＧ４２およびＧａＮ層３４を垂直に通してとったＨＥＭＴ３０（これも平衡状態）の別のバンドダイアグラム６０を示す。そのダイアグラムは、ここでも、ＨＥＭＴのバリア層６３とＧａＮ層６４および２ＤＥＧ６５のバンドエネルギーを示し、さらにそれは、誘電層のバンドエネルギー６６を示している。バリア層のアクセス領域には一般に表面トラップ６９があって、電子をトラップすることにより周波数特性を低下させる。このダイアグラムは、エネルギー状態がトラップ６９より高いドナー電子６８のソースを有する誘電層のバンドエネルギー６６を示している。その電子６８は、バリア層に移動し、表面トラップ６９を充満し、そのとき、中性になって作動中のそれらの電子捕捉能力を低下させる原因となる。
【００３１】  図５は、図２の点７２のところでその誘電層４４とバリア層３８の間の接合面に沿って水平にとったＨＥＭＴ（平衡状態）の第３のバンドダイアグラム７０を示す。それは、ゲート１６から始まりゲートとドレインの間の領域内に続く。ゲートのところでは誘電層はなく、バンドエネルギー７２は一定のままである。ゲートを出たバリア層のアクセス領域では誘電層からの浅いドナー電子７４が表面トラップ７６を充満するのに有効で、それらを中性にする。バンドエネルギーは、ゲートの端の近くでトラップが充満されると低下し、引き続きアクセス領域で横ばい状態（ｌｅｖｅｌｓ  ｏｆｆ）７８になる。
【００３２】  図６は、新規のＨＥＭＴの、誘電層のあるものおよびないものの出力特性８０を示す。ゲートの掃引は、ゲート電圧が２．０ボルトのときを始まりに、続いて１ボルトの段階ごとに曲線の族（ｆａｍｉｌｙ）を発生させている。そのＨＥＭＴは、誘電層があってもなくても、同一の直流高電力の出力特性８２（太い線で示している）を有している。しかしながら、誘電層のないデバイスにかける交流ゲートドライブについては、出力応答は顕著に低下する８４（普通の線）。誘電層があると、ＨＥＭＴの交流出力特性８６（破線）は、その直流出力特性とほぼ同様であり、高電力の交流出力が提供される。
【００３３】  図７は、誘電層の厚さに対する交流ドライブおよび直流ドライブのもとでのドレイン電流比（Ｖds＝６Ｖ）（ＩAC／ＩDC）９２、および、窒化ケイ素誘電層９４の厚さに対する出力密度（ｆ＝８ＧＨｚ、Ｖds＝２０Ｖ）９４を説明するグラフ９０を示す。層の厚さが０Åから好ましい厚さの１５００Åに増えるに従って、交流出力密度９４は増大する。グラフは、交流出力が直流出力と密度が等しく、ドレインの電流比が１に等しくなる点９６を好ましい厚さ付近に示している。１５００Å未満の厚さでは交流出力密度が減少し電流比は１未満である。この違いは、薄い層がチャネルトラップ全体を中性にするための十分なドナー電子の割合を有していないことによって引き起こされるものと思われる。これによって作動中に電子を捕捉するために使われる帯電したトラップの割合が残る。しかしながら、層が厚すぎる場合は、デバイス表面上に過剰のキャパシタンスをもたらすことになろう。１５００Åのところでドナー電子の十分な割合があり、それ以上厚さを増加してもデバイスの性能特性が目だって改良されることはない。
【００３４】  （新規製造方法）
上述のように、誘電層は、そのＦＥＴおよびＨＥＭＴの表面とストレス下でも安定な強力な結合を有することが必要である。その層を付着するさまざまな方法を使用することができ、例えば、限定するものではないが、ＨＥＭＴが形成される本来の位置へのスパッタリング、ＰＥＣＶＤ、ＭＯＣＶＤが挙げられる。
【００３５】  ＦＥＴおよびＨＥＭＴ上に強力でかつ安定している結合を有する層１０８を付着する好ましい方法は、スパッタリングによるものである。図８は、基板上に材料を付着するために使用することができる単純化したスパッタリングチャンバ１００を示す。作動中、半導体デバイス１０１は、アノード１０２上に付着する。次に、チャンバ１０３は、空気を抜いてアルゴン等の不活性ガス１０４をバルブ１０５から吹き込みバックグラウンド（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ）圧力を維持する。カソード１０６は、基板／デバイス上に付着すべき材料で形成されている。電極間に高電圧１０７をかけると、不活性ガスがイオン化され、プラスのイオン１１０がカソード１０６に乗り移る。カソード１０６に当たると、それらはカソードの原子１１２と衝突し、十分なエネルギーを与えてそれらを放出させる。スパッタされたカソードの原子１１２は、空間を伝わって、結局はアノード１０２およびその上の半導体デバイス１０１を被覆する。他のスパッタリング装置はより複雑で精密であり得るが、大部分が同様の基本的な物理的機構のもとでそれらは作動する。より複雑なスパッタリングシステムを使用することによって、広範な金属および誘電層をスパッタおよび堆積させることが可能である。
【００３６】  図９は、ドナー電子が豊富な窒化ケイ素誘電層を有するトランジスタを製造する新規な方法の工程系統図１２０を示す。第１のステップ１２２は、デバイスを形成するものである。そのデバイスは、好ましくは、ＧａＮ／ＡｌＧａＮのＦＥＴまたはＨＥＭＴであり、それは、好ましくは、金属−有機化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）等の方法により半導体ウェハ上に形成される。次に、そのウェハは、好ましくは、ＮＨ4ＯＨ：Ｈ2Ｏ（１：４）で約１０から６０秒間それをすすぐ洗浄方法で洗浄する（１２４）。次に、そのウェハをシリコンソースを有するスパッタリングチャンバに入れる（１２６）。
【００３７】  次のステップ１２８では、ＳｉxＮy誘電層をスパッタリングによってウェハ上に堆積させる。好ましいスパッタリング方法としては、そのチャンバを約３×１０-7Ｔｏｒｒの低圧までポンプで下げる特別の段階を含む。２０〜１００ｓｃｃｍの流量および５〜１０ｍＴｏｒｒの圧力を有するソースガスを使用して、次に、２００〜３００Ｗの高周波電力でプラズマを約２分間起こす。これによりカソードのシリコンに衝撃を与えその表面を浄化する。スパッタリングの条件を次に変化させ、アルゴンガス流量を１０〜１２ｓｃｃｍに、窒素ガス流量を８〜１０ｓｃｃｍに、チャンバ圧を２．５〜５ｍＴｏｒｒに、高周波（ＲＦ）出力を２００〜３００Ｗにする。この条件を２分間維持しＳｉカソードをスパッタする。スパッタされたシリコンは窒素と反応し、得られた窒化ケイ素がウェハ上に堆積する。
【００３８】  スパッタリングの後、次のステップ１３０では、窒素ガスを止め、アルゴンガスの流量を２０〜１００ｓｃｃｍに上げ２分間Ｓｉ表面を浄化する。その後ガスおよび電源をすべて止め、チャンバは５分間冷却するままにしてガス抜きをする。そのあとはデバイスをスパッタリングチャンバから取り出すことができる。デバイスにコンタクトおよびゲート用の窓をエッチングでつくる。その工程には、デバイスの表面にコンタクトとゲートを付着し導線を取り付けるステップ１３４を、さらに含めることができる。別法として、そのコンタクトとゲートは、スパッタリングチャンバで誘電層を付着する前にデバイス上に付着することができよう。コンタクトとゲートの上の誘電層は後から導線の接続ができるようにエッチングすることができる。
【００３９】  通常のゲートの代わりにＴゲートを使用する実施形態においては、トランジスタ表面を完全にカバーするのはある程度難しい可能性がある。これは、Ｔ型のブロック（ｂｌｏｃｋ）の先端をスパッタリングするとき、Ｔゲートの足元の周りの領域に材料が届くのをさえぎることが起こり得るためである。完全なカバーを確保するためには、スパッタリングで堆積する間、トランジスタは角度をつけて載せ、回転させることができる。
【００４０】  いずれの堆積方法においても、特にスパッタリングのときは、環境中に水素がないことが重要である。水素原子は、半導体材料中に拡散し、そこでそれがドーパントを中性化する可能性がある。これによりドーパントを不活性にし、材料が出来上がった状態で絶縁性またはその中のドープが弱くなることになる。これは、新規なＦＥＴまたはＨＥＭＴにとって重大な性能問題になりかねない。
【００４１】  本発明をいくつかのその好ましい形態を挙げてかなり詳細に説明したが、他のバージョン（ｖｅｒｓｉｏｎ）もあり得る。したがって、特許請求の趣旨と範囲は、本明細書で説明した中に含まれる好ましいバージョンに限定すべきものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  新規なＧａＮ／ＡｌＧａＮのＦＥＴであって、その表面に誘電層を有するものの断面図である。
【図２】  新規なＧａＮ／ＡｌＧａＮのＨＥＭＴであって、その表面に誘電層を有するものの断面図である。
【図３】  新規なＧａＮ／ＡｌＧａＮのＨＥＭＴの、そのゲートからとったバンドエネルギーダイアグラムである。
【図４】  新規なＧａＮ／ＡｌＧａＮのＨＥＭＴの、そのアクセス領域の１つからとったバンドダイアグラムである。
【図５】  新規なＧａＮのＨＥＭＴの、その誘電層とチャネルの間の接合面に沿ってとったバンドダイアグラムである。
【図６】  新規なＧａＮ／ＡｌＧａＮのＨＥＭＴの出力特性を誘電層のないものと比較して示す１組のグラフである。
【図７】  新規なＨＥＭＴの性能の差異を誘電層の厚さの関数として示す１組のグラフである。
【図８】  従来型スパッタリングチャンバの断面図である。
【図９】  誘電層を有するトランジスタを製造する新規方法の工程系統図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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