(57)【要約】  発明は、特に、バッファ層（１２）を２つの部分（１２ａ；１２ｂ）に分割する特定の厚さの思慮深く載置された第１の副層（１６）を備え、第３の半導体（Ｍａｔ３）を備え、その結果、バッファ層の半導体及び第３の半導体（Ｍａｔ３）の圧電及び自発分極係数の間の差は、バッファ層の第１の部分（１２ａ）と第１の副層（１６）との間の第１の界面（１７）において、二次元ガス（９）がチャネルに限定されるように、ｚ軸に沿って向けられる電界を生成する第１の固定表面電荷を誘導する半導体スタックを備えるトランジスタに関する。
2018536285.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｚ軸に沿ったスタック（Ｅｍｐ）を備える電界効果トランジスタであって、
−第１の半導体（Ｍａｔ１）を備えるバリア層（１３）と、
−前記バリア層（１３）とバッファ層（１２）との間のヘテロ接合（１５）と、
−前記ｚ軸と垂直に位置するｘｙ平面内及び前記ヘテロ接合（１５）の近傍に位置するチャネルに対して制限される二次元ガス（９）と、
−ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎを備える第２の半導体（Ｍａｔ２）を備える前記バッファ層（１２）であって、ｘは前記バッファ層（１２）のアルミニウム含有量である、前記バッファ層（１２）と、を備え、
前記スタックは、更に、前記バッファ層（１２）を２つの部分（１２ａ；１２ｂ）に分割する第１の副層（１６）を備え、Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎを備える第３の半導体（Ｍａｔ３）を備え、ｘ１はｘ＋１５％よりも高く、ｘ１は前記副層（１６）の前記アルミニウム含有量であり、その結果、前記第２の半導体（Ｍａｔ２）及び前記第３の半導体（Ｍａｔ３）の圧電及び自発分極係数の間の差は、前記バッファ層の前記第１の部分（１２ａ）と前記第１の副層（１６）との間の第１の界面（１７）において、前記二次元ガス（９）が前記チャネルに限定されるように、前記ｚ軸に沿って向けられ、前記第１の界面（１７）に向かう電界を生成する第１の固定表面電荷（Ｑ１）を誘導し、前記ヘテロ接合（１５）と、前記バッファ層の前記第１の部分（１２ａ）と前記第１の副層（１６）との間に位置する前記第１の界面（１７）との間の距離は、前記トランジスタの前記スタックの方向Ｏｚと垂直な方向Ｏｘにおける前記ゲートの長さ（Ｌｇ）の３分の１と前記ゲート長さ（Ｌｇ）の２倍との間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２】
前記二次元ガス（９）は電子ガスであり、前記界面（１７）における前記固定表面電荷は負である、請求項１に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項３】
前記第２の半導体（Ｍａｔ２）はＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎであり、ｘ＝０％である、請求項１又は２のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項４】
前記ｚ軸に沿った前記第１の副層（１６）の厚さ（ｔ１）は２０ｎｍよりも小さい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項５】
前記バッファ層（１２）は、更に、前記第１の副層（１６）と前記バッファ層の前記第２の部分（１２ｂ）との間に位置する第２の副層（１９）を備え、前記第２の副層（１９）はＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）Ｎを備え、ｘ２はｘ＋１５％よりも低く、前記第１の副層（１６）と前記第２の副層（１９）との間に形成される前記第２の界面（１８）における第２の固定表面電荷（Ｑ２）は正であり、絶対値において、前記第１の界面（１７）の前記第１の固定表面電荷よりも低い、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項６】
前記スタックの前記方向における前記第２の副層（１９）の前記厚さは１００ｎｍ以上である、請求項５に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項７】
前記第２のＡｌＧａＮ副層（１９）は、前記スタック（Ｅｍｐ）の前記方向において増加し、且つ、前記ヘテロ接合（１５）に向かうアルミニウム濃度勾配を有し、ｘ２は０〜１５％の間を備える、請求項５又は６に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項８】
前記第２の副層（１９）は、更に、前記第２の副層（１９）の前記アルミニウム濃度勾配によって誘導されるｎ型ドーピングを補うようにアクセプタ型不純物（Ａ）を備える、請求項５〜７のいずれか一項に記載の電界効果トランジスタ。
【請求項９】
前記第２の副層（１９）に導入される前記アクセプタ型不純物（Ａ）は、炭素又は鉄、ベリリウム又はマグネシウムである、請求項８に記載の電界効果トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高電子移動度電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）に関する。
【０００２】
本発明は、特に、電力及び低雑音増幅器として、スイッチとして、又は発振器として用いられ、且つ、通常１ＭＨｚ〜１００ＧＨｚの間からなる周波数範囲を扱うＨＥＭＴが製作されるスタックに関する。
【背景技術】
【０００３】
図１は、従来の基本的ＨＥＭＴシステムの構造の断面をＯｘｚ平面で略図的に示しており、前記システムは基板１１上に作製されている。従来、半導体又は絶縁基板１１（例えば、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又はサファイア（Ａｌ２Ｏ３）を備える）が用いられ、その上にＯｘｙ平面に延在する少なくとも２つの半導体層のスタックＥｍｐがｚ軸に沿って作製される。
【０００４】
バッファ層と呼ばれる第１の層１２は、大きなバンドギャップを有し、ワイドバンドギャップ半導体と言われ、幾つかのかかる半導体は二元化合物（ＧａＮ等）又は三元ＩＩＩ−窒化化合物（ＡｌＧａＮ、又はより正確にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ等）を備え、これらは、また、ＩＩＩ−Ｎ化合物とも称される。
【０００５】
バリア層１３と呼ばれる第２の層は、バッファ層１２のものよりも大きいバンドギャップを有している。この層は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、又はＢをベースとした四元、三元、又は二元ＩＩＩ−窒化（ＩＩＩ−Ｎ）化合物ベースの半導体を備えている。
【０００６】
例えば、ＧａＮからできたバッファ層１２と共に、バリア層１３はＡｌｘＧａ１−ｘＮ又はＩｎ１−ｘＡｌｘＮ、又はＩｎ１−ｘＡｌｘＮ／ＡｌＮ又はＡｌｘＧａ１−ｘＮ／ＡｌＮ配列を備えている。アルミニウム含有量ｘに応じて、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ及びＩｎ１−ｘＡｌｘＮのバンドギャップの大きさは、それぞれ、３．４ｅＶ（ＧａＮ）から６．２ｅＶ（ＡｌＮ）及び０．７ｅＶ（ＩｎＮ）から６．２ｅＶに変化する。
【０００７】
バリア層１３の厚さは、通常、５ｎｍ〜４０ｎｍの間を備え、バッファ層１２の厚さは、通常、０．２μｍ〜３μｍの間を備えている。
【０００８】
追加層が、スタックの表面上又はバッファ層１２とバリア層１３との間のどちらか一方に存在していてもよい。
【０００９】
バッファ層１２及びバリア層１３は、従来、有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）又は分子線エピタキシー（ＭＢＥ）によって作製されている。例として、ＧａＮをベースとするバッファ層１２とＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＮをベースとする、及びより正確には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ又はＩｎｚＡｌ１−ｚＮをベースとするバリア層１３について言及してもよく、ｘは通常１５％〜３５％の間を備え、ｚは通常１５％〜２５％の間を備える。
【００１０】
バッファ層１２とバリア層１３との間の接合部は、Ｏｘｙ平面にも延在するヘテロ接合１５を形成している。座標系Ｏｘｙｚの原点Ｏはこの平面内に位置するよう選択される。
【００１１】
ＨＥＭＴは、従来、バリア層１３の上側１４上に堆積されるソースＳ、ドレインＤ、及びゲートＧを備えている。
【００１２】
ゲートＧは、ソースＳとドレインＤとの間に堆積され、トランジスタが制御されることを可能にしている。
【００１３】
ソースＳとドレインＤとの間の電流は、ゲートＧ（ショットキー又はＭＩＳタイプの、ＭＩＳは金属／絶縁体／半導体の略）の静電作用により、ヘテロ接合１５の近傍に限定される二次元電子ガス９（２ＤＥＧ）に関して変調される。ゲートＧとソースＳとの間に印加される電圧ＶＧＳはトランジスタを流れる電流を制御する。
【００１４】
これらの電子はＯｘｙ平面において可動であり、通常１０００ｃｍ２／Ｖｓよりも大きい高電子移動度μｅを有している。通常動作において、これらの電子は、それらがヘテロ接合１５の近傍のＯｘｙ平面に形成するポテンシャル井戸に限定されているため、ｚ方向に流れることができない。トランジスタのチャネルと呼ばれるものに限定される電子ガス９は、従って、電流ＩＤＳを搬送することが可能であり、この電流はドレインＤとソースＳとの間を流れる。従来、電位差ＶＤＳはソースＳとドレインＤとの間に印加され、通常ソースＳが接地に接続され、電流ＩＤＳの値はゲートＧとソースＳとの間に印加される電圧ＶＧＳの関数である。
【００１５】
トランジスタの相互コンダクタンスｇｍは電流ＩＤＳと電圧ＶＧＳの割合として定義される。言い換えれば、相互コンダクタンスはドレイン電流の変化を定数ＶＤＳにおけるゲートのバイアスＶＧＳの関数として表している。
【００１６】
トランジスタの利得はその相互コンダクタンスに関連する。利得は相互コンダクタンスｇｍに比例して増加し、ゲートＧに印加される弱信号がドレインＤ上でより強い信号に変換されることを可能にしている。
【００１７】
図２は、ヘテロ接合１５の近傍における電荷分布を示している。ＩＩＩ−Ｎ族の半導体は電気的陰性が高い。この族の２つの異なる化合物が接触して載置される場合、圧電性の正σ＋又は負σ−の固定電荷が、図２に示すように、界面に現れる。結果として生じる固定表面電荷は、移動電荷、すなわち、図２のように正である場合に電子を、若しくは、負である場合に正孔を引き寄せる。これは、電圧がドレインＤとソースＳとの間に印加される場合に電流を生成するこれらの移動電荷ｅｍである。
【００１８】
ＧａＮは、従来の成長条件下で、ドナー型（ｎ型）の不純物、通常、窒素空孔をドープされる半導体である。この種の欠陥は、トランジスタのドレインに印加される電圧が高くなり過ぎる場合、通常１０Ｖよりも高くなる場合に、且つ、ゲートの長さＬｇが短くなり過ぎる場合、通常０．２５μｍよりも短くなる場合に、電子がチャネルに効果的に限定されることを可能にしない。電子は次いでバッファ層１２を流れ、これが、
−相互コンダクタンスｇｍ、及び従って、トランジスタの利得の低下（図３の範囲１）、
−伝達曲線の指数領域（図３の範囲２）における閾値下の振れ（ＳＳ＝ｎ（ｋｂＴ／ｑ）ｌｏｇ（１０））の増加。ｍＶ／ｄｅｃａｄｅで表されるこの数量は、１０倍毎に電流を増加させるために必要なゲート電圧の変化に対応する。室温で、及び、ｎ＝１の理想的な場合において、それは１０倍当たり６０ｍＶと等しい。この数量の低下は電流を切り換える構成部品の能力を低下させる。
−漏れ電流の増加、及び従って、トランジスタの効率の低下（図３の範囲３）の原因となる。
【００１９】
無効な閉じ込めは、従って、図３で見て取れるかもしれないようなトランジスタの性能への直接的な影響を有する。
【００２０】
図３は、電子の良好な及び不十分な閉じ込めを呈するトランジスタのためのｌｏｇ（ＩＤＳ）＝ｆ（ＶＧＳ）のグラフ図である。
【００２１】
３つの範囲がその中に定義されてもよい。
−範囲１は、相互コンダクタンスｇｍが定義され、且つ、曲線ｌｏｇ（ＩＤＳ）＝ｆ（ＶＧＳ）に関連するＶＧＳの関数としてのＩＤＳのグラフ図が略直線的な区分を含む。
−範囲２は、スイッチング用途に優先的に用いられる区域に対応し、特に、トランジスタの伝達特性が定義される区域に対応する。閾値下の振れＳＳはこの範囲において定義される。
−範囲３は、漏れ電流が定義されてもよい漸近区域に対応する。
【００２２】
図３の曲線３１は、チャネルに対する電子の良好な閉じ込めを呈するトランジスタのためのｌｏｇ（ＩＤＳ）＝ｆ（ＶＧＳ）のグラフ図に対応する。高い定数ＶＤＳ、例えば２０Ｖにおいて、且つ、例えば、０．２５μｍよりも短いゲート長さに対して、曲線３１は高い相互コンダクタンスｇｍ、室温で６０ｍＶ／ｄｅｃａｄｅのその理想値に近似する閾値下の振れＳＳ、及び、通常１００μＡ／ｍｍよりも小さい低い漏れ電流を有する。
【００２３】
図３の曲線３２は、チャネルに対する電子の不十分な閉じ込めを呈するトランジスタのためのｌｏｇ（ＩＤＳ）＝ｆ（ＶＧＳ）のグラフ図に対応する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
チャネルに対する電子の良好な閉じ込めを得るため、並びに、利得、閾値下の振れＳＳ、及び電気効率の観点から良好なトランジスタ性能を得るために、初期のｎ−ドーピングを補うことが必要である。
【００２５】
第１の解決法は、アクセプタ型の不純物を導入することによって、例えば、エピタキシャル成長条件を一部変更することによって、又は、層の成長中にアクセプタ型の不純物を添加することによって、ＧａＮ又はＡｌｘＧａ１−ｘＮを備えるバッファをｐ−ドープすることである。
【００２６】
バッファ層１２の全体に導入される不純物密度は、所望のトランジスタ挙動を得るよう最適化される。融和性のある不純物は、主に炭素及び鉄であるが、マグネシウム、ベリリウム、又は亜鉛、若しくは、ＧａＮにおいてアクセプタ中心であると公知の任意の不純物であってもよい。通常、１０１６ｃｍ−３〜１０１７ｃｍ−３のｎ型不純物に対するｐ型不純物の過剰は、閾値下の振れが５０Ｖの最大動作電圧ＶＤＳ及び０．１５μｍのゲート長さＬｇに対して１５０ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ未満の値に維持されることを可能にする。しかし、これらの不純物は深準位中心を形成する。
【００２７】
表現「深準位中心」は、そのエネルギー準位がｎ型不純物のための伝導帯の最小から又はｐ型不純物のための価電子帯の最大から熱活性化エネルギー（３／２ｋｂＴ）の２〜３倍よりも大きく位置する不純物を指すよう採用される。室温において、熱活性化エネルギーは約４０ｍｅＶである。
【００２８】
中心は、従って、これらの極値のうちの１つから１００ｍｅＶよりも大きく位置する場合に深準位であると考えられ、これはアクセプタ型不純物でドープされたＧａＮの場合である。中心は、トランジスタがバイアスをかけられる場合、負に帯電され、それらが深準位になるにつれて、１メガヘルツよりも高い動作周波数でデチャージされる。これは、導電性チャネル内に存在する可動電荷の量を低下させる効果があり、これは電流を低下させ、アクセス抵抗を増加させる。このアプローチの主な欠点は、分散を生じることに加えて、それがトランジスタの効率及びそれが発することができる電力を低減させることであることに続く。性能におけるこの劣化は、動作電圧ＶＤＳが増加するにつれて次第に明白となり、後者は通常、２０Ｖよりも高い。
【００２９】
電流崩壊と称される可動電荷におけるこの低下を図４に示す。この例において、ＧａＮトランジスタのバッファ層は、５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３の値に均一にｐ−ドープされている。
【００３０】
曲線４０は、曲線の取得前にバイアスをかけられなかったトランジスタの、ＶＧＳ＝０Ｖで取った電流／電圧曲線である。
【００３１】
曲線４１は、曲線の取得前に電圧ＶＧＳ＝−６Ｖ及びＶＤＳ＝４０Ｖでのバイアスの形態を取る応力を受けた後のトランジスタの、ＶＧＳ＝０Ｖで取った電流／電圧曲線である。
【００３２】
曲線４１において、ＶＤＳの関数としてのＩＤＳの変化が初期曲線４０に対して一部変化しており、電流／電圧特性が低下していることが見て取れるであろう。この例において、電流ＩＤＳにおける、及び従って、有能電力における６０％の相対的減少が５Ｖの電圧ＶＤＳにおいて認められる。
【００３３】
第２の解決法は、ＧａＮでできたチャネルを有する、例えば、図５に示すような合成ＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮバッファを作製することである。
【００３４】
この場合、ＧａＮ／ＡｌｘＧａ１−ｘＮ界面５０に現れる負の圧電性電荷は、電子がチャネルに限定されることを可能にするポテンシャル障壁を生成する。ＡｌｘＧａ１−ｘＮ層内の数パーセントのアルミニウム、通常３％〜１０％は、２０Ｖ〜４０Ｖの間を備える最大動作電圧及び０．２５μｍよりも短いゲート長さに対する電子の良好な閉じ込めを得るために必要である。
【００３５】
しかし、ＡｌｘＧａ１−ｘＮの熱伝導率は、良好な電子閉じ込めのために必要なアルミニウム含有量に対して３〜５の間を備える係数で、ＧａＮのものよりも低い。
【００３６】
トランジスタの熱抵抗は、従って、大幅に低下し（２〜３倍）、発せられ得る電力は、この解決法が意図される用途に応じて、１．５〜３倍低下する。
【００３７】
第１の解決法は、バッファ層１２に、まさに適切な量の固定負電荷を導入して、所望の動作電圧及び周波数で良好な伝達特性を達成することにある。電子ガス９に対して電荷の量及び電荷の位置を制御することは、例えば、ＧａＮでできているバッファの熱伝導率を低下させることなく、且つ、線形性の低下（又は、言い換えれば、分散効果）並びに有能電力及び効率の低下に通じる望ましくないトラッピング効果を生じることなく、チャネルに対する電子の良好な閉じ込めが得られることを可能にする。
【００３８】
図６は、この第３の先行技術解決法による高電子移動度電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）のためのスタック１０を示している。スタック１０はこの種の構成部品のために従来から用いられる種類の基板１１上に作製される。
【００３９】
スタック１０はｚ軸と垂直なｘｙ平面内に複数の層を備えている。
【００４０】
スタック１０は、ＡｌＧａＮ、より正確にはＡｌｘＧａ１−ｘＮ等の第１の「ワイドバンドギャップ」半導体を備えるバッファ層１２を備えており、ｘは通常ゼロ〜３５％の間を備えている。スタックのバッファ層１２は、バッファ層１２の特定の位置に限定される固定負電荷を備える区域Ｖｆを備えている。
【００４１】
表現「固定負電荷」は、非可動である電荷を意味する（この文脈における可動電荷は電子又は正孔を意味する）よう理解され、用語可動は、その従来の意味において、半導体の物理学の分野内と理解される。
【００４２】
ｘｙ平面に延在する区域Ｖｆはヘテロ接合から距離ｄに位置し、厚さｔを有している。
【００４３】
図７は、スタックにおける電荷の分布及び性質をより正確に説明している。電荷の固定特性はこの電荷を取り囲む長方形の枠によって記号で表されているのに対して、可動特性は楕円形の枠によって記号で表されている。上で説明したように、圧電効果のため、固定正電荷７１の表面密度σ＋はヘテロ接合１５の近傍に存在し、また、ヘテロ接合１５に近接して位置する負電荷ｅｍは、ＨＥＭＴの動作の原点である二次元電子ガス９を形成している。チャネル内の電子表面密度ｅｍは通常、約０．５×１０１３〜３×１０１３ｃｍ−２である。
【００４４】
良好な電子閉じ込めを得るよう（負電荷の位置及び適用量を）生じるために必要な電荷プロファイルは、動作電圧によって、ゲート長さによって、及び、トランジスタのチャネル内の電子密度によって決まる。言い換えれば、各動作電圧ＶＤＳに対して、ゲート長さ、電子密度、及び固定電荷プロファイルは最適化されなければならない。
【００４５】
バッファ層１２内に位置する固定負バルク電荷７０は、バッファ層１２に導入される（炭素、鉄、マグネシウムの原子又はＧａＮ又はＡｌＧａＮ内のアクセプタ中心であると公知の任意の種類の不純物等の）アクセプタ型不純物Ａから得られる。
【００４６】
発明の１つの目的は、特に、高速スイッチング（エンベローブ変調）、良好な熱伝導率を有するマイクロ波信号電力増幅用途、及び使用条件に依存するバッファ層の構成を意図したトランジスタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４７】
発明の一態様によれば、電界効果トランジスタが提供され、ｚ軸に沿ったスタックを備える前記トランジスタは、
−第１の半導体を備えるバリア層と、
−前記バリア層とバッファ層との間のヘテロ接合と、
−ｚ軸と垂直に位置するｘｙ平面内及びヘテロ接合の近傍に位置するチャネルに対して制限される二次元ガスと、
−四元又は三元又は二元窒化化合物を備える第２の半導体を備えるバッファ層と、
スタックは、更に、バッファ層を２つの部分に分割する第１の副層を備え、四元又は三元又は二元窒化化合物を備える第３の半導体を備え、その結果、第２の半導体及び第３の半導体の圧電及び自発分極係数の間の差は、バッファ層の第１の部分と第１の副層との間の第１の界面において、二次元ガスがチャネルに限定されるように、ｚ軸に沿って向けられ、第１の界面に向かう電界を生成する第１の固定表面電荷を誘導し、ヘテロ接合と、バッファ層の第１の部分と第１の副層との間に位置する第１の界面との間の距離は、トランジスタのスタックの方向Ｏｚと垂直な方向Ｏｘにおけるゲートの長さの３分の１とゲート長さの２倍との間を備え、ｚ軸に沿った第１の副層の厚さは閾値よりも小さいことを特徴とする。有利に、厚さの閾値は２０ｎｍである。
【００４８】
このスタックＥｍｐのプロファイルは、可動電荷がチャネルに対してより良好に限定されることを可能にしている。
【００４９】
有利に、二次元ガスは電子ガスであり、バッファ層の第１の部分と第１の副層との間の界面において誘導される固定表面電荷は負であり、従って、第１の副層に向かい、且つ、チャネルに対して電子を限定する電界を生成する。
【００５０】
有利に、第２の半導体はＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ｎであり、ｘ＝０％である。
【００５１】
有利に、第１の副層は、Ａｌｘ１Ｇａ（１−ｘ１）Ｎを備え、ｘ１はｘ＋１５％よりも高く、ｘ１はこの第１の副層のアルミニウム含有量である。
【００５２】
有利に、バッファ層は、更に、第１の副層とバッファ層の第２の部分との間に位置する第２の副層を備え、第２の副層はＡｌｘ２Ｇａ（１−ｘ２）Ｎを備え、ｘ２はｘ＋１５％以下で、且つ、ｘ以上であり、ｘはバッファ層のアルミニウム含有量であり、ｘ２はこの第２の副層のアルミニウム含有量であり、ヘテロ接合から、第１及び第２の副層の間の第２の界面における負の固定電荷の過剰、及び、正であり、絶対値において、第１の界面の第１の固定表面電荷よりも低い第２の固定表面電荷を生じる。
【００５３】
有利に、スタックの方向における第２の副層の厚さは１００ｎｍ以上である。
【００５４】
有利に、第２のＡｌＧａＮ副層は、スタックの方向において増加し、且つ、ヘテロ接合に向かうアルミニウム濃度勾配を有し、副層１９及び１２ｂ間の界面におけるアルミニウム濃度ｘ２はｘ〜ｘ＋１５％の間を備える。
【００５５】
特にＡｌＧａＮを備える第２の副層の会合は、第１の副層とバッファ層の第２の部分との間の第２の界面の近傍における電子ガスの形成が回避されることを可能にする。
【００５６】
アルミニウム濃度勾配は、第２の副層の追加により生じるトランジスタの熱抵抗の低下が制限されることを可能にする。
【００５７】
有利に、第２の副層は、更に、第２の副層のアルミニウム濃度勾配によって誘導されるｎ型ドーピングを補うようにアクセプタ型不純物を備える。
【００５８】
有利に、第２の副層に導入されるアクセプタ型不純物は、炭素又は鉄、ベリリウム又はマグネシウム又はベリリウム若しくはＧａＮ又はＡｌＧａＮにおけるアクセプタ中心であると公知の任意の種類の不純物である。
【００５９】
負に帯電される（又は、言い換えれば、負である周囲電荷の合計である）界面を生成する材料の薄層を適切に載置することにより、可動負電荷がトランジスタのチャネルに対して限定されることを可能にしている。
【００６０】
以下の非制限的な説明を通読することで、そして、添付図面によって、発明は良好に理解され、他の利点が明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】図１は、既に述べており、従来のＨＥＭＴの構造の断面を略図的に示す。
【図２】図２は、既に述べており、従来のＨＥＭＴのヘテロ接合の近傍における電荷分布を示す。
【図３】図３は、既に述べており、良好な及び不十分な「ピンチオフ」を有するＨＥＭＴのための特性電流／電圧曲線を略図的に示す。
【図４】図４は、既に述べており、電流分散を呈する先行技術のＨＥＭＴの挙動を略図的に示す。
【図５】図５は、既に述べており、複合バッファ層を有する先行技術のトランジスタのスタックを略図的に示す。
【図６】図６は、既に述べており、先行技術の電界効果トランジスタのためのスタックを示す。
【図７】図７は、既に述べており、先行技術のスタックにおける電荷の構造をより正確に説明する。
【図８】図８は、ＧａＮ結晶内部の電荷分布を示す。
【図９】図９は、２つのＧａＮウルツ鉱型結晶構造を示す。
【図１０】図１０は、発明の一態様によるトランジスタを示す。
【図１１】図１１は、発明の一態様によるトランジスタを示す。
【図１２】図１２は、発明によるスタックのＡｌＧａＮ内のアルミニウムのパーセンテージのプロファイルの一例を示す。層１９のアルミニウム濃度プロファイルの３つの変形を示す（副層１６及び１９間の界面におけるアルミニウム濃度は副層１９及び１２ｂ間の界面におけるアルミニウム濃度以上である）。
【図１３】図１３は、様々な第１の副層アルミニウム含有量に対する発明によるＨＥＭＴのシミュレートされたｌｏｇ（ＩＤＳ）＝ｆ（ＶＧＳ）電流電圧特性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
発明の原理は、トランジスタの使用条件を反映しなければならない固定電荷を（不純物の形態で）添加するのではなく、スタック材料の固有特性を採用してチャネルを流れる可動電荷を限定することにある。
【００６３】
固体において、分極の効果は、結晶の原子が、電界の作用の下で部分的又は完全に配向されてもよいか、そうでなくてもよい双極子を形成する場合に現れる。
【００６４】
四元、三元、又は二元半導体において、異なる電気陰性度を有する異なる性質の原子の存在のため、非対称分子が形成し、それによって永久双極子モーメントを生じる。半導体はこれらの分極効果を容易に受ける。
【００６５】
分極電荷は２つのメカニズム、すなわち、自発分極及び圧電分極から生じる。
【００６６】
自発分極は接触する様々な原子の電気陰性度の差から生じ、圧電分極は力学的歪みから生じる。
【００６７】
自発分極によって、それが意味するものは、電界を受けず、且つ、分子が構成される原子の電気陰性度における差に基づいている分子の分極である。この場合、発明は、この族の材料に特有のこれら２種類の分極（自発分極及び圧電分極）の活用に基づいている（すなわち、ＩＩＩ−Ｎ族：元素周期表の第ＩＩＩ族の元素と窒素の会合：例えば、ＢＮ、ＧａＮ、ＡｌＮ、及びＩｎＮは二元ＩＩＩ−Ｎ化合物であり、ＡｌＧａＮ、ＩｎＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＢＧａＮは三元ＩＩＩ−Ｎ化合物であり、ＩｎＧａＡｌＮは、例えば、四元ＩＩＩ−Ｎ化合物である）。
【００６８】
図８は、ＧａＮ結晶内部の電荷分布を示している。
【００６９】
ガリウム原子は窒素原子よりも電気的陰性が低い（それぞれ、１．６ｅＶ及び３ｅＶの電気陰性度）ので、これら原子間の共有結合の電子は窒素原子により近い高い確率を有している。従って、負電荷はこれら原子の周りで合体し、正電荷はガリウム原子の周りで合体する。結晶内部の最終的な電荷分布は様々な寄与
【数１】
2018536285.tif 000003
の合計から生じる。
【数２】
2018536285.tif 000004
で表される分極
【数３】
2018536285.tif 000005
の合力は
【数４】
2018536285.tif 000006
と反対である。計算は、
【数５】
2018536285.tif 000007
の寄与が合力
【数６】
2018536285.tif 000008
の寄与よりも大きく、従って、最終的な自発分極が同じ方向に配向され、
【数７】
2018536285.tif 000009
と同じ符号を有することを示している。
【００７０】
配向されたＧａ−Ｎ結合（［０００１］結晶方向）が表面に向いている場合は、Ｇａ面又はガリウム極性ＧａＮと言われ、反対の場合は、Ｎ面又は窒素極性ＧａＮと言われる。
【００７１】
Ｎ面ウルツ鉱型構造において、正電荷が表面に生じ、同じ大きさの負電荷が基板側に形成する。電荷分布は、図９が示すように、Ｇａ面ウルツ鉱型構造の場合において反対になる。
【００７２】
アルミニウム原子の電気陰性度が窒素原子のものよりも低いので、自発分極から生じる電界の符号及び向きは、ＡｌＧａＮ層及びＧａＮ層において全く同じである。
【００７３】
図１０は、発明の一態様によるスタックを備えるトランジスタを示している。
【００７４】
スタック１０は基板１１を備え、それはまた、ＡｌＮ等の二元窒化化合物、若しくは、ＡｌＧａＮ又はＩｎＡｌＮ、及びより正確には、ＡｌｘＧａ１−ｘＮ又はＩｎｙＡｌ１−ｙＮ等の三元窒化化合物であり、ｘは通常１５〜３５％の間を備え、若しくは、ＢＡｌＧａＮ又はＩｎＧａＡｌＮ等の四元窒化化合物を備える第１の半導体を備えるバリア層１３も備えている。
【００７５】
スタック１０は、バッファ層１２とバリア層１３との間のヘテロ接合１５、及び、ＨＥＭＴスタックの従来構造により、ｚ軸と垂直なｘｙ平面内且つヘテロ接合１５の近傍に位置する二次元電子ガス９を含んでいる。
【００７６】
バッファ層１２は、更に、バッファ層１２を２つの部分１２ａ及び１２ｂに分離させる第１の副層１６を備えている。第１の副層１６は、ゲートの長さＬｇの３分の１とゲートの長さＬｇの２倍との間を備える距離で位置する。言い換えれば、バッファ層１２の第１の部分１２ａの厚さはトランジスタのゲートの長さＬｇの３分の１とゲートの長さＬｇの２倍との間を備えている。
【００７７】
この場合、バッファ層１２はＧａ面窒化ガリウムＧａＮを備え、第１の副層１６はＡｌｘＧａ１−ｘＮを備え、アルミニウム含有量ｘ１はｘ＋１５％よりも高く、スタック１０の方向における第１の副層１６の厚さｔは２０ｎｍよりも小さい。他の材料を想定してもよい。しかし、頻繁に挙げられる窒化インジウムガリウムＩｎＧａＮは良い候補ではない。具体的には、満足な結晶品質で数パーセントを超えるインジウムを備えるＩｎＧａＮを成長させることは困難である。加えて、ＩｎＧａＮは、ＧａＮを成長させるために要求されるものよりも低い２００℃である温度で成長する。従って、結果として、ＩｎＧａＮの層上で、ＩｎＧａＮ層の品質を低下させることなく、ＧａＮ等の化合物を良好な結晶品質で成長させることは困難である。
【００７８】
この特許において提案する解決法において、様々な材料の成長温度同士は、スタックの様々な層が満足な結晶品質で作製されることを可能にするために、かなり近似している。
【００７９】
層１２ａ及び１６の分極間の差のため、第１の固定負表面電荷は、バッファ層の第１の部分１２ａと第１の副層１６との間に位置する界面１７において現れる。言い換えれば、負電荷は界面１７において現れ、第１の副層１６のバルク内又はバッファ層の第１の部分１２ａ内には現れない。
【００８０】
この解決法は、特に、トランジスタの熱劣化が２℃／ｍｍ／Ｗよりも低い値に制限されることを可能にし、（負電荷をバッファ層１２に導入するよう、従来技術による、深準位中心の使用に起因するものである）相互コンダクタンス周波数分散を生じない。
【００８１】
二次元電子ガス９は、従って、チャネルに限定され、可動電荷はバッファ層の第１の部分１２ａに分散しない。
【００８２】
チャネルによって、意味するものは、ヘテロ接合１５の近傍でバッファ層１２の表面上に位置する約１０ｎｍよりも小さい厚さの層である。
【００８３】
第１の副層１６のＡｌｘＧａ１−ｘＮの小さい厚さはトランジスタの熱抵抗の増加を２℃／ｍｍ／Ｗよりも低い値に制限する。
【００８４】
その上、別の電子ガスが第１の副層１６とバッファ層の第２の部分１２ｂとの間の第２の界面１８に形成することを防ぐために、発明の別の態様により、第１の副層１６と、第１の副層１６に隣接する第２の副層１９、又は、言い換えれば、第２の界面１８を形成するために第１の副層１６と当接する第２の副層１９を会合させることが提案される。第１の副層１６と第２の副層１９との間の第２の界面１８の近傍に位置する電荷の合計は正である。
【００８５】
図１１は、発明のこの態様を示している。
【００８６】
スタック１０は、図１０におけるように、第１の副層１６によって２つの部分１２ａ及び１２ｂに分離されるバッファ層１２を備えている。この場合、スタック１０は、更に、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎを備える第２の副層１９を備え、アルミニウム含有量ｘ２はｘ＋１５％よりも低い。従って、第２の界面１８の近傍の自発性及び圧電性電荷の（正の値）の合計が第１の界面１７の自発性及び圧電性電荷の（負の値）の合計よりも低いという事実は、チャネルに対する電子の良好な閉じ込めが、マイクロ波波長領域におけるトランジスタの性能を低下させる、寄生電子ガスが界面１８において形成されることを防ぐ間に得られることを可能にする。
【００８７】
ＡｌＧａＮの熱伝導率がアルミニウム濃度により大幅に低下する（１０％のアルミニウム含有量に対して４で除算される）ので、熱抵抗を向上させるよう、第１の副層１６に向けられる増大するアルミニウム濃度勾配を生成することが提案される。一定のアルミニウム濃度に対して、線形アルミニウム濃度勾配は、第２の副層に起因する熱抵抗が３〜４倍減少することを可能にする。
【００８８】
図１２は、スタックのアルミニウム濃度プロファイルＰ１、Ｐ２、及びＰ３を示している。小さい厚さ、通常２０ｎｍよりも小さい厚さの第１の副層１６は、ヘテロ接合１５の近傍におけるチャネルに対する電子の閉じ込めを向上させるように、高いアルミニウム含有量を備えている。第１の副層１６からバッファ層の第２の部分１２ｂへ、プロファイルＰ１におけるアルミニウム含有量は減少する線形勾配を有しており、アルミニウム含有量はｘ＋０〜ｘ＋１５％の間を備えている。プロファイルＰ２及びＰ３は、第２の副層１９より上のアルミニウム含有量における他の減少変動を呈している。
【００８９】
この濃度勾配によって誘導されるＡｌＧａＮ層１９のｎ型ドーピングを補うため、発明に対する１つの改善において、アクセプタ型不純物をＡｌＧａＮ層１９に導入することが提案される。
【００９０】
有利に、第２の副層１９に導入される不純物は、鉄又は炭素又はマグネシウム又はベリリウム又はＧａＮ又はＡｌＧａＮにおけるアクセプタ中心であると公知の任意の他の原子である。導入された不純物濃度は、この濃度勾配によって誘導されるドーピング以上である。この濃度勾配は、濃度勾配によって誘導され、ＡｌＧａＮ層１９の厚さによって分割される圧電性及び自発性電荷の合計以上でなければならない。
【００９１】
図１３は、電圧ＶＤＳ＝４０Ｖに対する１５０ｎｍのゲート長さＬｇの、発明によるトランジスタのためのシミュレートされたｌｏｇ（ＩＤＳ）＝ｆ（ＶＧＳ）伝達曲線６１、６２、６３、及び６４を示している。第１の副層１６は、ヘテロ接合１５から１００ｎｍに位置し、５ｎｍの厚さｔ１を有している。
【００９２】
この場合、曲線６１、６２、６３及び６４はそれぞれ、第１の副層１６がそれぞれ異なるアルミニウム含有量：２５、３０、３５、及び４０％を有するトランジスタに対応している。
【００９３】
それぞれの曲線の閾値下の振れＳＳが１０倍当たり約７０ｍＶであり、その理想値（室温で６０ｍＶ／ｄｅｃａｄｅ）に近似していることが見て取れる。この７０ｍＶ／ｄｅｃａｄｅの値は、アルミニウム含有量が４０％である場合に電流の５０倍を超えて維持され、これは１μＡ／ｍｍ未満の漏れ電流が達成されることを可能にし、電力消費が重要な基準である用途にとって真価を示す。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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