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特開2024-161029改善された性能及び信頼性を有する高電子移動度トランジスタ及びそのトランジスタを含む電力増幅器
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024161029
(43)【公開日】2024-11-15
(54)【発明の名称】改善された性能及び信頼性を有する高電子移動度トランジスタ及びそのトランジスタを含む電力増幅器
(51)【国際特許分類】
H03F 3/21 20060101AFI20241108BHJP
H03F 1/32 20060101ALI20241108BHJP
H03F 3/68 20060101ALI20241108BHJP
H01L 21/338 20060101ALI20241108BHJP
H01L 21/3205 20060101ALI20241108BHJP
H01L 29/41 20060101ALI20241108BHJP
【ＦＩ】
H03F3/21
H03F1/32
H03F3/68
H01L29/80 H
H01L29/80 U
H01L29/80 F
H01L21/88 J
H01L29/44 Y
【審査請求】有
【請求項の数】17
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2024137527
(22)【出願日】2024-08-19
(62)【分割の表示】P 2021573429の分割
【原出願日】2020-06-12
(31)【優先権主張番号】16/440,427
(32)【優先日】2019-06-13
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/555,036
(32)【優先日】2019-08-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】592054856
【氏名又は名称】ウルフスピード インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＷＯＬＦＳＰＥＥＤ，ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ボーテ、カイル
(72)【発明者】
【氏名】ジョーンズ、エヴァン
(72)【発明者】
【氏名】ナミシア、ダン
(72)【発明者】
【氏名】ハーディマン、クリス
(72)【発明者】
【氏名】ラデュレスク、ファビアン
(72)【発明者】
【氏名】アルコーン、テリー
(72)【発明者】
【氏名】シェパード、スコット
(72)【発明者】
【氏名】シュマクラー、ブルース
(72)【発明者】
【氏名】フィッシャー、ジェレミー
(57)【要約】
【課題】改善されたＧａＮベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）デバイス、及びそのようなＨＥＭＴデバイスを含む改善された電力増幅器を提供する。
【解決手段】電力増幅器は、ＧａＮベースのＨＥＭＴデバイスを含み、電力増幅器の電力付加効率（ＰＡＥ）は、２６．５ＧＨｚから３０．５ＧＨｚの間の電力増幅器の動作中、１ｄＢ圧縮での出力電力（Ｐ１ｄＢ）において３２％を超える。
【選択図】図１Ａ
【解決手段】電力増幅器は、ＧａＮベースのＨＥＭＴデバイスを含み、電力増幅器の電力付加効率（ＰＡＥ）は、２６．５ＧＨｚから３０．５ＧＨｚの間の電力増幅器の動作中、１ｄＢ圧縮での出力電力（Ｐ１ｄＢ）において３２％を超える。
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＧａＮベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）デバイスを含む、電力増幅器であって、前記電力増幅器の電力付加効率（ＰＡＥ）が、２６．５ＧＨｚから３０．５ＧＨｚの間の前記電力増幅器の動作中、１ｄＢ圧縮での出力電力（Ｐ１ｄＢ）において３２％を超える、電力増幅器。
【請求項2】
３０ＧＨｚで動作している間、３．５Ｗ／ｍｍを超える電力密度を生成するように構成されている、請求項１に記載の電力増幅器。
【請求項3】
前記電力増幅器の前記Ｐ１ｄＢ値は、２６ＧＨｚから３０．５ＧＨｚの間の前記電力増幅器の動作中、最大測定電力の１ｄＢ以内である、請求項１又は２に記載の電力増幅器。
【請求項4】
電力出力に対する静止ドレイン電流の比が、約１２．５ｍＡ／Ｗ以下である、請求項１から３までのいずれか一項に記載の電力増幅器。
【請求項5】
前記ＧａＮベースのＨＥＭＴデバイスは、
基板上に順次積層された、チャネル層及びバリア層と、
前記バリア層上の第１のオーミック部分を含むソース・コンタクトと、
前記チャネル層、前記バリア層、及び前記基板内で前記ソース・コンタクトの前記第１のオーミック部分まで延びるビアと
をさらに含む、請求項１に記載の電力増幅器。
基板上に順次積層された、チャネル層及びバリア層と、
前記バリア層上の第１のオーミック部分を含むソース・コンタクトと、
前記チャネル層、前記バリア層、及び前記基板内で前記ソース・コンタクトの前記第１のオーミック部分まで延びるビアと
をさらに含む、請求項１に記載の電力増幅器。
【請求項6】
前記基板、前記チャネル層、及び前記バリア層を組み合わせた厚さは、４０μｍから８０μｍの間である、請求項５に記載の電力増幅器。
【請求項7】
利得圧縮を行うように構成された第１の段と、利得拡張を行うように構成された第２の段とをさらに含む、請求項１から６までのいずれか一項に記載の電力増幅器。
【請求項8】
前記第１の段は、Ａ級モードでバイアスされ、前記第２の段は、ＡＢ級モードでバイアスされる、請求項７に記載の電力増幅器。
【請求項9】
前記第１の段と前記第２の段との間の駆動比は約１：２である、請求項７又は８に記載の電力増幅器。
【請求項10】
８４Ｖドレイン・バイアスでの高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）動作において１０００時間を超えて動作するように構成されたＧａＮベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）デバイスを含む、電力増幅器。
【請求項11】
前記電力増幅器の電力付加効率（ＰＡＥ）は、２６．５ＧＨｚから３０．５ＧＨｚの間の前記電力増幅器の動作中、１ｄＢ圧縮での出力電力（Ｐ１ｄＢ）において３２％を超える、請求項１０に記載の電力増幅器。
【請求項12】
前記電力増幅器の前記Ｐ１ｄＢ値は、２６ＧＨｚから３０．５ＧＨｚの間の前記電力増幅器の動作中、最大測定電力の１ｄＢ以内である、請求項１０又は１１に記載の電力増幅器。
【請求項13】
前記ＨＴＲＢ動作は、１５０℃の温度で動作する、請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の電力増幅器。
【請求項14】
前記ＨＴＲＢ動作を１０００時間動作させた後、前記ＨＥＭＴデバイスのゲート・リークは、１×１０－４から１×１０－３Ａの間である、請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の電力増幅器。
【請求項15】
電力出力に対する静止ドレイン電流の比が、約１２．５ｍＡ／Ｗ以下である、請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の電力増幅器。
【請求項16】
前記ＧａＮベースのＨＥＭＴデバイスは、
基板上に順次積層された、チャネル層及びバリア層と、
前記バリア層上の第１のオーミック部分を含むソース・コンタクトと、
前記チャネル層、前記バリア層、及び前記基板内で前記ソース・コンタクトの前記第１のオーミック部分まで延びるビアと
を含む、請求項１０に記載の電力増幅器。
基板上に順次積層された、チャネル層及びバリア層と、
前記バリア層上の第１のオーミック部分を含むソース・コンタクトと、
前記チャネル層、前記バリア層、及び前記基板内で前記ソース・コンタクトの前記第１のオーミック部分まで延びるビアと
を含む、請求項１０に記載の電力増幅器。
【請求項17】
前記基板、前記チャネル層、及び前記バリア層を組み合わせた厚さは、４０μｍから８０μｍの間である、請求項１６に記載の電力増幅器。
【請求項18】
前記バリア層上にゲート・コンタクトをさらに含む電力増幅器であって、
前記ゲート・コンタクトは、第１の部分と、前記第１の部分上の第２の部分とを備え、
前記第２の部分は、前記第１の部分の１つ又は複数の側壁を越えて延びる、請求項１５又は１６に記載の電力増幅器。
前記ゲート・コンタクトは、第１の部分と、前記第１の部分上の第２の部分とを備え、
前記第２の部分は、前記第１の部分の１つ又は複数の側壁を越えて延びる、請求項１５又は１６に記載の電力増幅器。
【請求項19】
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の側壁を越えて前記ソース・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる、請求項１８に記載の電力増幅器。
【請求項20】
前記バリア層上にドレイン・コンタクトをさらに含む電力増幅器であって、
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の側壁を越えて前記ドレイン・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる、請求項１８に記載の電力増幅器。
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の側壁を越えて前記ドレイン・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる、請求項１８に記載の電力増幅器。
【請求項21】
前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分は、前記バリア層に隣接する下面を含み、
前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の前記下面の長さは、１２０ｎｍから１８０ｎｍの間である、請求項１８から２０までのいずれか一項に記載の電力増幅器。
前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の前記下面の長さは、１２０ｎｍから１８０ｎｍの間である、請求項１８から２０までのいずれか一項に記載の電力増幅器。
【請求項22】
前記バリア層上に第１の絶縁層をさらに含む電力増幅器であって、
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記第１の絶縁層上にある、請求項１８から２１までのいずれか一項に記載の電力増幅器。
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記第１の絶縁層上にある、請求項１８から２１までのいずれか一項に記載の電力増幅器。
【請求項23】
前記バリア層上及び前記第１の絶縁層内のドレイン・コンタクトと、
前記第１の絶縁層及び前記ドレイン・コンタクト上の第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層上のフィールド・プレートと
をさらに含み、
前記フィールド・プレートは、前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分の側壁を越えて前記ドレイン・コンタクトに向かって、０．３μｍから０．５μｍの間の距離だけ延びる、請求項２２に記載の電力増幅器。
前記第１の絶縁層及び前記ドレイン・コンタクト上の第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層上のフィールド・プレートと
をさらに含み、
前記フィールド・プレートは、前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分の側壁を越えて前記ドレイン・コンタクトに向かって、０．３μｍから０．５μｍの間の距離だけ延びる、請求項２２に記載の電力増幅器。
【請求項24】
Ｋａバンドで動作するように構成されている、請求項１０から２３までのいずれか一項に記載の電力増幅器。
【請求項25】
８４Ｖドレイン・バイアスでの高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）動作において１０００時間を超えて動作するように構成されたＧａＮベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）デバイス。
【請求項26】
前記ＨＴＲＢ動作は、１５０℃の温度で動作する、請求項２５に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項27】
前記ＨＴＲＢ動作を１０００時間動作させた後、前記ＨＥＭＴデバイスのゲート・リークは、１×１０－４から１×１０－３Ａの間である、請求項２５又は２６に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項28】
基板上に順次積層されている、チャネル層及びバリア層と、
前記バリア層上の第１のオーミック部分を含むソース・コンタクトと、
前記チャネル層、前記バリア層、及び前記基板内で前記ソース・コンタクトの前記第１のオーミック部分まで延びるビアと
をさらに含む、請求項２５から２７までのいずれか一項に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
前記バリア層上の第１のオーミック部分を含むソース・コンタクトと、
前記チャネル層、前記バリア層、及び前記基板内で前記ソース・コンタクトの前記第１のオーミック部分まで延びるビアと
をさらに含む、請求項２５から２７までのいずれか一項に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項29】
前記基板、前記チャネル層、及び前記バリア層を組み合わせた厚さは、４０μｍから８０μｍの間である、請求項２８に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項30】
前記バリア層上にゲート・コンタクトをさらに含むＧａＮベースのＨＥＭＴデバイスであって、
前記ゲート・コンタクトは、第１の部分と、前記第１の部分上の第２の部分とを備え、
前記第２の部分は、前記第１の部分の１つ又は複数の側壁を越えて延びる、請求項２８に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
前記ゲート・コンタクトは、第１の部分と、前記第１の部分上の第２の部分とを備え、
前記第２の部分は、前記第１の部分の１つ又は複数の側壁を越えて延びる、請求項２８に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項31】
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の側壁を越えて前記ソース・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる、請求項３０に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項32】
前記バリア層上にドレイン・コンタクトをさらに含むＧａＮベースのＨＥＭＴデバイスであって、
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の側壁を越えて前記ドレイン・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる、請求項３０又は３１に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の側壁を越えて前記ドレイン・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる、請求項３０又は３１に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項33】
前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分は、前記バリア層に隣接する下面を含み、
前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の前記下面の長さは、１２０ｎｍから１８０ｎｍの間である、請求項３０から３２までのいずれか一項に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の前記下面の長さは、１２０ｎｍから１８０ｎｍの間である、請求項３０から３２までのいずれか一項に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項34】
前記バリア層上に第１の絶縁層をさらに含むＧａＮベースのＨＥＭＴデバイスであって、
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記第１の絶縁層上にある、請求項３０から３３までのいずれか一項に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記第１の絶縁層上にある、請求項３０から３３までのいずれか一項に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項35】
前記バリア層上及び前記第１の絶縁層内のドレイン・コンタクトと、
前記第１の絶縁層及び前記ドレイン・コンタクト上の第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層上のフィールド・プレートと
をさらに含み、
前記フィールド・プレートは、前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分の側壁を越えて前記ドレイン・コンタクトに向かって、０．３μｍから０．５μｍの間の距離だけ延びる、請求項３４に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
前記第１の絶縁層及び前記ドレイン・コンタクト上の第２の絶縁層と、
前記第２の絶縁層上のフィールド・プレートと
をさらに含み、
前記フィールド・プレートは、前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分の側壁を越えて前記ドレイン・コンタクトに向かって、０．３μｍから０．５μｍの間の距離だけ延びる、請求項３４に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項36】
Ｋａバンドで動作するように構成されている、請求項２５から３５までのいずれか一項に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項37】
両側に第１の表面及び第２の表面を含む基板と、
前記基板と反対側の前記基板の前記第１の表面上のチャネル層と、
前記チャネル層上のバリア層と、
前記バリア層の上面に第１のオーミック・コンタクトを備えるソース・コンタクトと、
前記基板の前記第２の表面から前記第１のオーミック・コンタクトまで延びるビアと
を含む、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
前記基板と反対側の前記基板の前記第１の表面上のチャネル層と、
前記チャネル層上のバリア層と、
前記バリア層の上面に第１のオーミック・コンタクトを備えるソース・コンタクトと、
前記基板の前記第２の表面から前記第１のオーミック・コンタクトまで延びるビアと
を含む、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
【請求項38】
前記ビア内にバックメタル層をさらに含む、請求項３７に記載のＨＥＭＴ。
【請求項39】
前記バックメタル層は、前記第１のオーミック・コンタクトに直接接触する、請求項３８に記載のＨＥＭＴ。
【請求項40】
前記バックメタル層は、前記第１のオーミック・コンタクトの底面に直接接触し、
前記バックメタル層と前記第１のオーミック・コンタクトの前記底面との間の接触面積は、前記底面の面積の５０パーセント以上である、請求項３８又は３９に記載のＨＥＭＴ。
前記バックメタル層と前記第１のオーミック・コンタクトの前記底面との間の接触面積は、前記底面の面積の５０パーセント以上である、請求項３８又は３９に記載のＨＥＭＴ。
【請求項41】
前記バックメタル層は、前記基板の前記第２の表面上に延びる、請求項３８から４０までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項42】
前記ビアは、前記チャネル層及び前記バリア層を通って延びる、請求項３７から４１までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項43】
前記基板の厚さは、７５μｍ以下である、請求項３７から４２までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項44】
前記基板の前記第１の表面に平行な方向における前記ビアの最大断面は、１６μｍ×４０μｍ未満である、請求項３７から４３までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項45】
前記基板の前記第１の表面に平行な方向における前記ビアの最大断面の面積は、１０００μｍ２未満である、請求項３７から４４までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項46】
前記第１のオーミック・コンタクトは、前記バリア層の前記上面の凹部内にある、請求項３７から４５までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項47】
前記バリア層の前記上面に第２のオーミック・コンタクトを備えるドレイン・コンタクトをさらに含む、請求項３７から４６までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項48】
前記バリア層の前記上面のゲート・コンタクトと、
前記バリア層の前記上面の第１の絶縁層と
をさらに含み、
前記ゲート・コンタクトの第１の部分は、前記第１の絶縁層上にある、請求項４７に記載のＨＥＭＴ。
前記バリア層の前記上面の第１の絶縁層と
をさらに含み、
前記ゲート・コンタクトの第１の部分は、前記第１の絶縁層上にある、請求項４７に記載のＨＥＭＴ。
【請求項49】
前記第１の絶縁層及び前記ゲート・コンタクト上に第２の絶縁層をさらに含む、請求項４８に記載のＨＥＭＴ。
【請求項50】
前記第２の絶縁層上にフィールド・プレートをさらに含み、前記フィールド・プレートの少なくとも一部分は、前記ゲート・コンタクトと前記ドレイン・コンタクトとの間にある前記第２の絶縁層の一部分上にある、請求項４９に記載のＨＥＭＴ。
【請求項51】
前記基板は、炭化ケイ素を含む、請求項３７から５０までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項52】
前記バリア層は、第１のＩＩＩ族窒化物を含み、前記チャネル層は、第２のＩＩＩ族窒化物を含み、
前記チャネル層の伝導帯端部の第１のエネルギーは、前記チャネル層と前記バリア層との間の境界面における前記バリア層の伝導帯端部の第２のエネルギーよりも小さい、請求項３７から５１までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
前記チャネル層の伝導帯端部の第１のエネルギーは、前記チャネル層と前記バリア層との間の境界面における前記バリア層の伝導帯端部の第２のエネルギーよりも小さい、請求項３７から５１までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項53】
前記第１のオーミック・コンタクトに隣接する前記バリア層内にドープされたウェルをさらに含む、請求項３７から５３までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項54】
基板と、
前記基板上の半導体構造体と、
各々が前記基板及び前記半導体構造体内に延びる、第１のビア及び第２のビアと、
前記第１のビア上の第１のオーミック・ソース・コンタクト及び前記第２のビア上の第２のオーミック・ソース・コンタクトと、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の前記半導体構造体上のドレイン・コンタクトと、
前記第１のソース・オーミック・コンタクトと前記ドレイン・コンタクトとの間のゲート・コンタクトと
を含む、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
前記基板上の半導体構造体と、
各々が前記基板及び前記半導体構造体内に延びる、第１のビア及び第２のビアと、
前記第１のビア上の第１のオーミック・ソース・コンタクト及び前記第２のビア上の第２のオーミック・ソース・コンタクトと、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の前記半導体構造体上のドレイン・コンタクトと、
前記第１のソース・オーミック・コンタクトと前記ドレイン・コンタクトとの間のゲート・コンタクトと
を含む、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
【請求項55】
前記第１のビアは、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記基板との間にある、請求項５４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項56】
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の距離は、６０μｍ以下である、請求項５４又は５５に記載のＨＥＭＴ。
【請求項57】
前記第１のビア内にバックメタル層をさらに含む、請求項５４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項58】
前記バックメタル層は、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトに直接接触する、請求項５７に記載のＨＥＭＴ。
【請求項59】
前記バックメタル層は、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの底面に直接接触し、
前記バックメタル層と前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの前記底面との間の接触面積は、前記底面の面積の５０パーセント以上である、請求項５７又は５８に記載のＨＥＭＴ。
前記バックメタル層と前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの前記底面との間の接触面積は、前記底面の面積の５０パーセント以上である、請求項５７又は５８に記載のＨＥＭＴ。
【請求項60】
前記バックメタル層は、前記半導体構造体から前記基板の反対側にある前記基板の表面上に延びる、請求項５７に記載のＨＥＭＴ。
【請求項61】
前記半導体構造体は、チャネル層と、前記チャネル層上のバリア層とを含む、請求項５７に記載のＨＥＭＴ。
【請求項62】
前記第１のビアは、前記チャネル層及び前記バリア層を通って延びる、請求項６１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項63】
前記基板の厚さは、７５μｍ以下である、請求項５４から６２までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項64】
前記基板の上面に平行な方向における前記第１のビアの最大断面は、１６μｍ×４０μｍ未満である、請求項５４から６３までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項65】
前記基板の上面に平行な方向における前記第１のビアの最大断面の面積は、１０００μｍ２未満である、請求項５４から６４までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項66】
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトは、前記半導体構造体の上面の凹部内にある、請求項５４から６５までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項67】
前記半導体構造体上に第１の絶縁層をさらに含み、前記ゲート・コンタクトの第１の部分が、前記第１の絶縁層上にある、請求項５４から６６までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項68】
前記第１の絶縁層及び前記ゲート・コンタクト上に第２の絶縁層をさらに含む、請求項６７に記載のＨＥＭＴ。
【請求項69】
前記第２の絶縁層上にフィールド・プレートをさらに含み、前記フィールド・プレートの少なくとも一部分は、前記ゲート・コンタクトと前記ドレイン・コンタクトとの間にある前記第２の絶縁層の一部分上にある、請求項６８に記載のＨＥＭＴ。
【請求項70】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を形成する方法であって、
基板上に半導体構造体を形成するステップであって、前記基板が、前記基板の両側に上面及び下面を含む、ステップと、
前記半導体構造体の上面に第１のオーミック・コンタクトを備えるソース・コンタクトを形成するステップと、
前記基板の前記下面から前記第１のオーミック・コンタクトまで延びるビアを形成するステップと
を含む、方法。
基板上に半導体構造体を形成するステップであって、前記基板が、前記基板の両側に上面及び下面を含む、ステップと、
前記半導体構造体の上面に第１のオーミック・コンタクトを備えるソース・コンタクトを形成するステップと、
前記基板の前記下面から前記第１のオーミック・コンタクトまで延びるビアを形成するステップと
を含む、方法。
【請求項71】
前記基板を薄くするステップをさらに含む、請求項７０に記載の方法。
【請求項72】
前記基板を薄くした後、前記基板の厚さは、７５μｍ以下である、請求項７１に記載の方法。
【請求項73】
前記基板を薄くするステップは、前記第１のオーミック・コンタクトを形成した後、前記ビアを形成する前に実行される、請求項７１又は７２に記載の方法。
【請求項74】
前記ビア内にバックメタル層を堆積させるステップをさらに含む、請求項７０に記載の方法。
【請求項75】
前記バックメタル層は、前記第１のオーミック・コンタクトに直接接触する、請求項７４に記載の方法。
【請求項76】
前記バックメタル層は、前記第１のオーミック・コンタクトの下面に直接接触し、
前記バックメタル層と前記第１のオーミック・コンタクトの前記下面との間の接触面積は、前記第１のオーミック・コンタクトの前記下面の面積の５０パーセント以上である、請求項７４に記載の方法。
前記バックメタル層と前記第１のオーミック・コンタクトの前記下面との間の接触面積は、前記第１のオーミック・コンタクトの前記下面の面積の５０パーセント以上である、請求項７４に記載の方法。
【請求項77】
前記バックメタル層は、前記基板の前記下面上に延びる、請求項７４から７６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項78】
前記ビアの少なくとも一部分は、前記第１のオーミック・コンタクトと前記基板の前記下面との間にある、請求項７０から７７までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項79】
前記基板上に前記半導体構造体を形成するステップは、
前記基板上にチャネル層を形成するステップと、
前記チャネル層上にバリア層を形成するステップと
を含む、請求項７０から７８までのいずれか一項に記載の方法。
前記基板上にチャネル層を形成するステップと、
前記チャネル層上にバリア層を形成するステップと
を含む、請求項７０から７８までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項80】
前記基板の前記下面に平行な方向における前記ビアの最大断面は、１０００μｍ２未満である、請求項７０から７９までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項81】
前記半導体構造体上に第１の絶縁層を形成するステップをさらに含み、前記ソース・コンタクトを形成するステップは、前記第１の絶縁層内に前記第１のオーミック・コンタクトを形成するステップを含む、請求項７０から８０までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項82】
前記第１の絶縁層内にドレイン・コンタクトを形成するステップと、
前記ドレイン・コンタクトと前記ソース・コンタクトとの間の前記第１の絶縁層内にゲート・コンタクトを形成するステップと
をさらに含む、請求項８１に記載の方法。
前記ドレイン・コンタクトと前記ソース・コンタクトとの間の前記第１の絶縁層内にゲート・コンタクトを形成するステップと
をさらに含む、請求項８１に記載の方法。
【請求項83】
前記ドレイン・コンタクトは、第２のオーミック・コンタクトを含む、請求項８２に記載の方法。
【請求項84】
前記第１の絶縁層及び前記ゲート・コンタクト上に第２の絶縁層を形成するステップをさらに含む、請求項８２に記載の方法。
【請求項85】
前記第２の絶縁層上にフィールド・プレートを形成するステップをさらに含み、前記フィールド・プレートの少なくとも一部分は、前記ゲート・コンタクトと前記ドレイン・コンタクトとの間にある前記第２の絶縁層の一部分上にある、請求項８４に記載の方法。
【請求項86】
前記ゲート・コンタクト、前記ドレイン・コンタクト、及び前記ソース・コンタクトのうちの少なくとも１つの上の前記第２の絶縁層内に金属コンタクトを形成するステップをさらに含む、請求項８４又は８５に記載の方法。
【請求項87】
基板と、
前記基板上の半導体構造体と、
前記半導体構造体上の第１のオーミック・ソース・コンタクト及び第２のオーミック・ソース・コンタクトと、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の前記半導体構造体上のドレイン・コンタクトと
を含む、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であって、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の距離は、６０μｍ以下である、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
前記基板上の半導体構造体と、
前記半導体構造体上の第１のオーミック・ソース・コンタクト及び第２のオーミック・ソース・コンタクトと、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の前記半導体構造体上のドレイン・コンタクトと
を含む、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であって、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の距離は、６０μｍ以下である、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）。
【請求項88】
前記基板の底面から前記第１のオーミック・ソース・コンタクトまで延びるビアをさらに含む、請求項８７に記載のＨＥＭＴ。
【請求項89】
前記ビア内にバックメタル層をさらに含む、請求項８８に記載のＨＥＭＴ。
【請求項90】
前記バックメタル層は、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトに直接接触する、請求項８９に記載のＨＥＭＴ。
【請求項91】
前記バックメタル層は、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの底面に直接接触し、
前記バックメタル層と前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの前記底面との間の接触面積は、前記底面の面積の５０パーセント以上である、請求項８９又は９０に記載のＨＥＭＴ。
前記バックメタル層と前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの前記底面との間の接触面積は、前記底面の面積の５０パーセント以上である、請求項８９又は９０に記載のＨＥＭＴ。
【請求項92】
前記基板の前記底面に平行な方向における前記ビアの最大断面は、１６μｍ×４０μｍ未満である、請求項８８から９１までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項93】
前記基板の前記底面に平行な方向における前記ビアの最大断面の面積は、１０００μｍ２未満である、請求項８８から９２までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項94】
前記基板の厚さは、７５μｍ以下である、請求項８７から９３までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本出願は、２０１９年８月２９日に出願された米国特許出願第１６／５５５，０３６号、及び２０１９年６月１３日に出願された米国特許出願第１６／４４０，４２７号の優先権を主張するものであり、それぞれの内容全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【0002】
本明細書で説明される発明概念は、半導体デバイスに関し、より詳細には、高電子移動度トランジスタに関する。
【背景技術】
【0003】
シリコン及びガリウムヒ素などの、より低いバンドギャップの半導体材料で形成された電子デバイスは、より低い電力及び（シリコンの場合には）より低い周波数の用途において広い用途が見出された。しかし、これらの半導体材料は、それらの比較的小さいバンドギャップ（例えば、室温で、シリコンの場合は１．１２ｅＶ、ガリウムヒ素の場合は１．４２ｅＶ）、及び／又は比較的小さい降伏電圧のために、より高い電力、及び／又は高周波数の用途にあまり適していない場合がある。
【0004】
高電力、高温、及び／又は高周波数の用途では、炭化ケイ素（室温でアルファ炭化ケイ素の場合は２．９９６ｅＶのバンドギャップ）及びＩＩＩ族窒化物（例えば、室温で窒化ガリウムの場合は３．３６ｅＶのバンドギャップ）などの、広いバンドギャップ半導体材料で形成されたデバイスがしばしば使用される。これらの材料は、典型的には、ガリウムヒ素及びシリコンと比較して、より高い電界破壊強度、及びより高い電子飽和速度を有する。
【0005】
高電力及び／又は高周波数の用途で特に興味深いデバイスは、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。ＨＥＭＴデバイスは、いくつかの用途において動作上の利点を提供することができる。動作中、２次元電子ガス（２ＤＥＧ：ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｇａｓ）が、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おいてＨＥＭＴデバイス内に形成され、より小さいバンドギャップ材料は、より高い電子親和力を有する。２ＤＥＧは、より小さいバンドギャップ材料内の蓄積層であり、極めて高いシート電子濃度を含むことができる。さらに、より広いバンドギャップの半導体材料に由来する電子は、２ＤＥＧ層に移動し、イオン化不純物散乱が減少するため、高い電子移動度を可能にする。高いキャリア濃度と高いキャリア移動度とのこの組合せは、ＨＥＭＴに極めて大きい相互コンダクタンスを与えることができ、高周波数の用途のための金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）よりも強い性能利点を提供し得る。
【0006】
ＩＩＩ族窒化物ベースの材料系で製造さ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、大きい伝導帯オフセット、及び／又は高い飽和電子ドリフト速度を含む材料特性の組合せにより、大量の無線周波数（ＲＦ：ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）電力を生成する可能性を有する。
【0007】
したがって、ＨＥＭＴデバイスは、電力増幅器（ＰＡ：ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）において有利に利用することができる。ＨＥＭＴデバイスを利用する電力増幅器を含む、電力増幅器は、出力電力と帯域幅との間のトレードオフをしばしば受ける。寄生容量などの内部の非効率性は、デバイスのスイッチング速度に影響を与え得る。より微細化されたトランジスタ形状は、より高い動作周波数を達成することができるが、より小さい寸法は、低減された電流（及び電力）容量をもたらし得る。
【0008】
増幅器の動作特性を改善することは、利用可能な帯域幅を効率的に使用することを助け得る。例えば、電力増幅器の線形性は、高いデータレートを達成するために使用されることがある複雑な変調フォーマットの完全性を維持するのに有用であり得る。例えば、いくつかの変調方式は、受信機が信号の振幅の変動を区別することができることに依存する場合があり、電力増幅器における線形性は、信号の振幅変動を保持するのに役立つ。送信された信号が、例えば、特定の出力電力における電力増幅器の利得圧縮によって歪められる場合、受信機は、変調の振幅部分に基づく情報を復号することが困難になる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】米国再発行特許第３４，８６１号明細書
【特許文献2】米国特許第４，９４６，５４７号明細書
【特許文献3】米国特許第５，２００，０２２号明細書
【特許文献4】米国特許第６，２１８，６８０号明細書
【特許文献5】米国特許第５，２１０，０５１号明細書
【特許文献6】米国特許第５，３９３，９９３号明細書
【特許文献7】米国特許第５，５２３，５８９号明細書
【特許文献8】米国特許第５，１９２，９８７号明細書
【特許文献9】米国特許第５，２９６，３９５号明細書
【特許文献10】米国特許第６，３１６，７９３号明細書
【特許文献11】米国特許第６，５４８，３３３号明細書
【特許文献12】米国特許第７，５４４，９６３号明細書
【特許文献13】米国特許第７，５４８，１１２号明細書
【特許文献14】米国特許第７，５９２，２１１号明細書
【特許文献15】米国特許第７，６１５，７７４号明細書
【特許文献16】米国特許第７，７０９，２６９号明細書
【特許文献17】米国特許第７，０３０，４２８号明細書
【特許文献18】米国特許第８，５６３，３７２号明細書
【特許文献19】米国特許第９，２１４，３５２号明細書
【特許文献20】米国特許第８，０４９，２５２号明細書
【特許文献21】米国特許第７，０４５，４０４号明細書
【特許文献22】米国特許第８，１２０，０６４号明細書
【特許文献23】米国特許第７，２９１，５２９号明細書
【特許文献24】米国特許第７，９３２，１１１号明細書
【特許文献25】米国特許第７，２５９，４０２号明細書
【特許文献26】米国特許第８，５１３，６８６号明細書
【特許文献27】米国特許出願第１１／０８０，９０５号
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】“An Optical 0.25 μm GaN HEMT Technology on 100 mm SiC for RF Discrete and Foundry MMIC Products” by S. Wood et al. (2013 CS MANTECH Technical Digest, pp. 127-130, May 2013)
【非特許文献2】C. Campbell et al., “High Efficiency Ka-Band Gallium Nitride Power Amplifier MMICs,” 2013 IEEE International Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (COMCAS), Oct. 2013
【非特許文献3】S. Din et al., “High Power and High Efficiency Ka Band Power Amplifier,” 2015 IEEE Internal Microwave Symposium (IMS), May 2015
【非特許文献4】J. Cheron et al., “High-gain Over 30% PAE Power Amplifier MMICs in 100 nm GaN Technology at Ka-Band Frequencies,” Proceedings of the 10th European Microwave Integrated Circuits Conference, Sept. 2015
【非特許文献5】P. Blount et al., “A High Efficiency, Ka-Band Pulsed Gallium Nitride Power Amplifier for Radar Applications,” 2016 IEEE Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium (CSICS), Oct. 2016
【非特許文献6】M. Roberg et al., “40W Ka-Band Single and Dual Output GaN MMIC Power Amplifiers on SiC,” 2018 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), Oct. 2018
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0011】
本明細書で説明される実施例は、改善されたＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス、及びそのようなＨＥＭＴデバイスを含む改善された電力増幅器を提供する。
【0012】
本発明のいくつかの実施例によれば、電力増幅器は、ＧａＮベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）デバイスを含み、電力増幅器の電力付加効率（ＰＡＥ：ｐｏｗｅｒ ａｄｄｅｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）は、２６．５ＧＨｚから３０．５ＧＨｚの間の電力増幅器の動作中、１ｄＢ圧縮での出力電力（Ｐ１ｄＢ）において３２％を超える。
【0013】
いくつかの実施例では、電力増幅器は、３０ＧＨｚで動作している間、３．５Ｗ／ｍｍを超える電力密度を生成するように構成される。
【0014】
いくつかの実施例では、電力増幅器のＰ１ｄＢ値は、２６ＧＨｚから３０．５ＧＨｚの間の電力増幅器の動作中、最大測定電力の１ｄＢ以内である。
【0015】
いくつかの実施例では、電力出力に対する静止ドレイン電流の比は、約１２．５ｍＡ／Ｗ以下である。
【0016】
いくつかの実施例では、ＧａＮベースのＨＥＭＴデバイスは、基板上に順次積層されたチャネル層及びバリア層と、バリア層上の第１のオーミック部分を含むソース・コンタクトと、チャネル層、バリア層、及び基板内でソース・コンタクトの第１のオーミック部分まで延びるビアとをさらに含む。
【0017】
いくつかの実施例では、基板、チャネル層、及びバリア層を組み合わせた厚さは、４０μｍから８０μｍの間である。
【0018】
いくつかの実施例では、電力増幅器は、利得圧縮を行うように構成された第１の段と、利得拡張を行うように構成された第２の段とをさらに含む。
【0019】
いくつかの実施例では、第１の段は、Ａ級モードでバイアスされ、第２の段は、ＡＢ級モードでバイアスされる。
【0020】
いくつかの実施例では、第１の段と第２の段との間の駆動比（ｄｒｉｖｅ ｒａｔｉｏ）は、約１：２である。
【0021】
本発明のいくつかの実施例によれば、電力増幅器は、８４Ｖドレイン・バイアスでの高温逆バイアス（ＨＴＲＢ：ｈｉｇｈ－ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ－ｒｅｖｅｒｓｅ－ｂｉａｓ）動作において１０００時間を超えて動作するように構成されたＧａＮベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）デバイスを含む。
【0022】
いくつかの実施例では、電力増幅器の電力付加効率（ＰＡＥ）は、２６．５ＧＨｚから３０．５ＧＨｚの間の電力増幅器の動作中、１ｄＢ圧縮での出力電力（Ｐ１ｄＢ）において３２％を超える。
【0023】
いくつかの実施例では、電力増幅器のＰ１ｄＢ値は、２６ＧＨｚから３０．５ＧＨｚの間の電力増幅器の動作中、最大測定電力の１ｄＢ以内である。
【0024】
いくつかの実施例では、ＨＴＲＢ動作は、１５０℃の温度で動作する。
【0025】
いくつかの実施例では、ＨＴＲＢ動作を１０００時間動作させた後、ＨＥＭＴデバイスのゲート・リークは、１×１０－４から１×１０－３Ａの間である。
【0026】
いくつかの実施例では、電力出力に対する静止ドレイン電流の比は、約１２．５ｍＡ／Ｗ以下である。
【0027】
いくつかの実施例では、ＧａＮベースのＨＥＭＴデバイスは、基板上に順次積層されたチャネル層及びバリア層と、バリア層上の第１のオーミック部分を含むソース・コンタクトと、チャネル層、バリア層、及び基板内でソース・コンタクトの第１のオーミック部分まで延びるビアとを含む。
【0028】
いくつかの実施例では、基板、チャネル層、及びバリア層を組み合わせた厚さは、４０μｍから８０μｍの間である。
【0029】
いくつかの実施例では、電力増幅器は、バリア層上にゲート・コンタクトをさらに含み、ゲート・コンタクトは、第１の部分と、第１の部分上の第２の部分とを備え、第２の部分は、第１の部分の１つ又は複数の側壁を越えて延びる。
【0030】
いくつかの実施例では、ゲート・コンタクトの第２の部分は、ゲート・コンタクトの第１の部分の側壁を越えてソース・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる。
【0031】
いくつかの実施例では、電力増幅器は、バリア層上にドレイン・コンタクトをさらに含み、ゲート・コンタクトの第２の部分は、ゲート・コンタクトの第１の部分の側壁を越えてドレイン・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる。
【0032】
いくつかの実施例では、ゲート・コンタクトの第１の部分は、バリア層に隣接する下面を含み、ゲート・コンタクトの第１の部分の下面の長さは、１２０ｎｍから１８０ｎｍの間である。
【0033】
いくつかの実施例では、電力増幅器は、バリア層上に第１の絶縁層をさらに含み、ゲート・コンタクトの第２の部分は、第１の絶縁層上にある。
【0034】
いくつかの実施例では、電力増幅器は、バリア層上及び第１の絶縁層内のドレイン・コンタクトと、第１の絶縁層及びドレイン・コンタクト上の第２の絶縁層と、第２の絶縁層上のフィールド・プレートとをさらに含み、フィールド・プレートは、ゲート・コンタクトの第２の部分の側壁を越えてドレイン・コンタクトに向かって、０．３μｍから０．５μｍの間の距離だけ延びる。
【0035】
いくつかの実施例では、電力増幅器は、Ｋａバンドで動作するように構成される。
【0036】
本発明のいくつかの実施例によれば、ＧａＮベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）デバイスは、８４Ｖドレイン・バイアスでの高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）動作において１０００時間を超えて動作するように構成される。
【0037】
いくつかの実施例では、ＨＴＲＢ動作は、１５０℃の温度で動作する。
【0038】
いくつかの実施例では、ＨＴＲＢ動作を１０００時間動作させた後、ＨＥＭＴデバイスのゲート・リークは、１×１０－４から１×１０－３Ａの間である。
【0039】
いくつかの実施例では、ＧａＮベースのＨＥＭＴは、基板上に順次積層されたチャネル層及びバリア層と、バリア層上の第１のオーミック部分を含むソース・コンタクトと、チャネル層、バリア層、及び基板内でソース・コンタクトの第１のオーミック部分まで延びるビアとをさらに含む。
【0040】
いくつかの実施例では、基板、チャネル層、及びバリア層を組み合わせた厚さは、４０μｍから８０μｍの間である。
【0041】
いくつかの実施例では、ＧａＮベースのＨＥＭＴは、バリア層上にゲート・コンタクトをさらに含み、ゲート・コンタクトは、第１の部分と、第１の部分上の第２の部分とを備え、第２の部分は、第１の部分の１つ又は複数の側壁を越えて延びる。
【0042】
いくつかの実施例では、ゲート・コンタクトの第２の部分は、ゲート・コンタクトの第１の部分の側壁を越えてソース・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる。
【0043】
いくつかの実施例では、ＧａＮベースのＨＥＭＴは、バリア層上にドレイン・コンタクトをさらに含み、ゲート・コンタクトの第２の部分は、ゲート・コンタクトの第１の部分の側壁を越えてドレイン・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる。
【0044】
いくつかの実施例では、ゲート・コンタクトの第１の部分は、バリア層に隣接する下面を含み、ゲート・コンタクトの第１の部分の下面の長さは、１２０ｎｍから１８０ｎｍの間である。
【0045】
いくつかの実施例では、ＧａＮベースのＨＥＭＴは、バリア層上に第１の絶縁層をさらに含み、ゲート・コンタクトの第２の部分は、第１の絶縁層上にある。
【0046】
いくつかの実施例では、ＧａＮベースのＨＥＭＴは、バリア層上及び第１の絶縁層内のドレイン・コンタクトと、第１の絶縁層及びドレイン・コンタクト上の第２の絶縁層と、第２の絶縁層上のフィールド・プレートとをさらに含み、フィールド・プレートは、ゲート・コンタクトの第２の部分の側壁を越えてドレイン・コンタクトに向かって、０．３μｍから０．５μｍの間の距離だけ延びる。
【0047】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴデバイスは、Ｋａバンドで動作するように構成される。
【0048】
本発明のいくつかの実施例によれば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、両側に第１の表面及び第２の表面を含む基板と、基板と反対側の基板の第１の表面上のチャネル層と、チャネル層上のバリア層と、バリア層の上面に第１のオーミック・コンタクトを備えるソース・コンタクトと、基板の第２の表面から第１のオーミック・コンタクトまで延びるビアとを含む。
【0049】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、ビア内にバックメタル層をさらに含む。
【0050】
いくつかの実施例では、バックメタル層は、第１のオーミック・コンタクトに直接接触する。
【0051】
いくつかの実施例では、バックメタル層は、第１のオーミック・コンタクトの底面に直接接触し、バックメタル層と第１のオーミック・コンタクトの底面との間の接触面積は、底面の面積の５０パーセント以上である。
【0052】
いくつかの実施例では、バックメタル層は、基板の第２の表面上に延びる。
【0053】
いくつかの実施例では、ビアは、チャネル層及びバリア層を通って延びる。
【0054】
いくつかの実施例では、基板の厚さは、７５μｍ以下である。
【0055】
いくつかの実施例では、基板の第１の表面に平行な方向におけるビアの最大断面は、１６μｍ×４０μｍ未満である。
【0056】
いくつかの実施例では、基板の第１の表面に平行な方向におけるビアの最大断面の面積は、１０００μｍ２未満である。
【0057】
いくつかの実施例では、第１のオーミック・コンタクトは、バリア層の上面の凹部内にある。
【0058】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、バリア層の上面に第２のオーミック・コンタクトを備えるドレイン・コンタクトをさらに含む。
【0059】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、バリア層の上面のゲート・コンタクトと、バリア層の上面の第１の絶縁層とをさらに含み、ゲート・コンタクトの第１の部分は、第１の絶縁層上にある。
【0060】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、第１の絶縁層及びゲート・コンタクト上に第２の絶縁層をさらに含む。
【0061】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、第２の絶縁層上にフィールド・プレートをさらに含み、フィールド・プレートの少なくとも一部分は、ゲート・コンタクトとドレイン・コンタクトとの間にある第２の絶縁層の一部分上にある。
【0062】
いくつかの実施例では、基板は、炭化ケイ素を含む。
【0063】
いくつかの実施例では、バリア層は、第１のＩＩＩ族窒化物を含み、チャネル層は、第２のＩＩＩ族窒化物を含み、チャネル層の伝導帯端部の第１のエネルギーは、チャネル層とバリア層との間の境界面におけるバリア層の伝導帯端部の第２のエネルギーよりも小さい。
【0064】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、第１のオーミック・コンタクトに隣接するバリア層内にドープされたウェルをさらに含む。
【0065】
本発明のさらなる実施例によれば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、基板と、基板上の半導体構造体と、各々が基板及び半導体構造体内に延びる、第１のビア及び第２のビアと、第１のビア上の第１のオーミック・ソース・コンタクト及び第２のビア上の第２のオーミック・ソース・コンタクトと、第１のオーミック・ソース・コンタクトと第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の半導体構造体上のドレイン・コンタクトと、第１のソース・オーミック・コンタクトとドレイン・コンタクトとの間のゲート・コンタクトとを含む。
【0066】
いくつかの実施例では、第１のビアは、第１のオーミック・ソース・コンタクトと基板との間にある。
【0067】
いくつかの実施例では、第１のオーミック・ソース・コンタクトと第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の距離は、６０μｍ以下である。
【0068】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、第１のビア内にバックメタル層をさらに含む。
【0069】
いくつかの実施例では、バックメタル層は、第１のオーミック・ソース・コンタクトに直接接触する。
【0070】
いくつかの実施例では、バックメタル層は、第１のオーミック・ソース・コンタクトの底面に直接接触し、バックメタル層と第１のオーミック・ソース・コンタクトの底面との間の接触面積は、底面の面積の５０パーセント以上である。
【0071】
いくつかの実施例では、バックメタル層は、半導体構造体から基板の反対側にある基板の表面上に延びる。
【0072】
いくつかの実施例では、半導体構造体は、チャネル層と、チャネル層上のバリア層とを含む。
【0073】
いくつかの実施例では、第１のビアは、チャネル層及びバリア層を通って延びる。
【0074】
いくつかの実施例では、基板の厚さは、７５μｍ以下である。
【0075】
いくつかの実施例では、基板の上面に平行な方向における第１のビアの最大断面は、１６μｍ×４０μｍ未満である。
【0076】
いくつかの実施例では、基板の上面に平行な方向における第１のビアの最大断面の面積は、１０００μｍ２未満である。
【0077】
いくつかの実施例では、第１のオーミック・ソース・コンタクトは、半導体構造体の上面の凹部内にある。
【0078】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、半導体構造体上に第１の絶縁層をさらに含み、ゲート・コンタクトの第１の部分は、第１の絶縁層上にある。
【0079】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、第１の絶縁層及びゲート・コンタクト上に第２の絶縁層をさらに含む。
【0080】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、第２の絶縁層上にフィールド・プレートをさらに含み、フィールド・プレートの少なくとも一部分は、ゲート・コンタクトとドレイン・コンタクトとの間にある第２の絶縁層の一部分上にある。
【0081】
本発明のさらなる実施例によれば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を形成する方法は、基板上に半導体構造体を形成するステップであって、基板が、両側に上面及び下面を含む、ステップと、半導体構造体の上面に第１のオーミック・コンタクトを備えるソース・コンタクトを形成するステップと、基板の下面から第１のオーミック・コンタクトまで延びるビアを形成するステップとを含む。
【0082】
いくつかの実施例では、本方法は、基板を薄くするステップをさらに含む。
【0083】
いくつかの実施例では、基板を薄くした後、基板の厚さは、７５μｍ以下である。
【0084】
いくつかの実施例では、基板を薄くするステップは、第１のオーミック・コンタクトを形成した後、ビアを形成する前に実行される。
【0085】
いくつかの実施例では、本方法は、ビア内にバックメタル層を堆積させるステップをさらに含む。
【0086】
いくつかの実施例では、バックメタル層は、第１のオーミック・コンタクトに直接接触する。
【0087】
いくつかの実施例では、バックメタル層は、第１のオーミック・コンタクトの下面に直接接触し、バックメタル層と第１のオーミック・コンタクトの下面との間の接触面積は、第１のオーミック・コンタクトの下面の面積の５０パーセント以上である。
【0088】
いくつかの実施例では、バックメタル層は、基板の下面上に延びる。
【0089】
いくつかの実施例では、ビアの少なくとも一部分は、第１のオーミック・コンタクトと基板の下面との間にある。
【0090】
いくつかの実施例では、基板上に半導体構造体を形成するステップは、基板上にチャネル層を形成するステップと、チャネル層上にバリア層を形成するステップとを含む。
【0091】
いくつかの実施例では、基板の下面に平行な方向におけるビアの最大断面は、１０００μｍ２未満である。
【0092】
いくつかの実施例では、本方法は、半導体構造体上に第１の絶縁層を形成するステップをさらに含み、ソース・コンタクトを形成するステップは、第１の絶縁層内に第１のオーミック・コンタクトを形成するステップを含む。
【0093】
いくつかの実施例では、本方法は、第１の絶縁層内にドレイン・コンタクトを形成するステップと、ドレイン・コンタクトとソース・コンタクトとの間の第１の絶縁層内にゲート・コンタクトを形成するステップとをさらに含む。
【0094】
いくつかの実施例では、ドレイン・コンタクトは、第２のオーミック・コンタクトを含む。
【0095】
いくつかの実施例では、本方法は、第１の絶縁層及びゲート・コンタクト上に第２の絶縁層を形成するステップをさらに含む。
【0096】
いくつかの実施例では、本方法は、第２の絶縁層上にフィールド・プレートを形成するステップをさらに含み、フィールド・プレートの少なくとも一部分は、ゲート・コンタクトとドレイン・コンタクトとの間にある第２の絶縁層の一部分上にある。
【0097】
いくつかの実施例では、本方法は、ゲート・コンタクト、ドレイン・コンタクト、及びソース・コンタクトのうちの少なくとも１つの上の第２の絶縁層内に金属コンタクトを形成するステップをさらに含む。
【0098】
本発明のさらなる実施例によれば、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、基板と、基板上の半導体構造体と、半導体構造体上の第１のオーミック・ソース・コンタクト及び第２のオーミック・ソース・コンタクトと、第１のオーミック・ソース・コンタクトと第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の半導体構造体上のドレイン・コンタクトとを含み、第１のオーミック・ソース・コンタクトと第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の距離は、６０μｍ以下である。
【0099】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、基板の底面から第１のオーミック・ソース・コンタクトまで延びるビアをさらに含む。
【0100】
いくつかの実施例では、ＨＥＭＴは、ビア内にバックメタル層をさらに含む。
【0101】
いくつかの実施例では、バックメタル層は、第１のオーミック・ソース・コンタクトに直接接触する。
【0102】
いくつかの実施例では、バックメタル層は、第１のオーミック・ソース・コンタクトの底面に直接接触し、バックメタル層と第１のオーミック・ソース・コンタクトの底面との間の接触面積は、底面の面積の５０パーセント以上である。
【0103】
いくつかの実施例では、基板の底面に平行な方向におけるビアの最大断面は、１６μｍ×４０μｍ未満である。
【0104】
いくつかの実施例では、基板の底面に平行な方向におけるビアの最大断面の面積は、１０００μｍ２未満である。
【0105】
いくつかの実施例では、基板の厚さは、７５μｍ以下である。
【図面の簡単な説明】
【0106】
【図1A】従来の高電子移動度トランジスタの概略平面図である。
【図2A】本発明の実施例によるＨＥＭＴデバイスの概略平面図である。
【図4A】本発明の実施例による、ＨＥＭＴデバイスを製造する方法を示す図である。
【図4B】本発明の実施例による、ＨＥＭＴデバイスを製造する方法を示す図である。
【図4C】本発明の実施例による、ＨＥＭＴデバイスを製造する方法を示す図である。
【図4D】本発明の実施例による、ＨＥＭＴデバイスを製造する方法を示す図である。
【図4E】本発明の実施例による、ＨＥＭＴデバイスを製造する方法を示す図である。
【図4F】本発明の実施例による、ＨＥＭＴデバイスを製造する方法を示す図である。
【図4G】本発明の実施例による、ＨＥＭＴデバイスを製造する方法を示す図である。
【図4H】本発明の実施例による、ＨＥＭＴデバイスを製造する方法を示す図である。
【図4I】本発明の実施例による、ＨＥＭＴデバイスを製造する方法を示す図である。
【図6A】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの特性を示す図である。
【図6B】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの特性を示す図である。
【図6C】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの特性を示す図である。
【図7】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの増幅特性曲線のグラフである。
【図8】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスのウエハ上の小信号利得の変動のグラフである。
【図9A】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの１０ＧＨｚの電力掃引のグラフである。
【図9B】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの３０ＧＨｚの電力掃引のグラフである。
【図10A】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）試験の結果を示す図である。
【図10B】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）試験の結果を示す図である。
【図11A】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの加速寿命試験の結果を示す図である。
【図11B】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの加速寿命試験の結果を示す図である。
【図11C】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの加速寿命試験の結果を示す図である。
【図12】本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの加速寿命試験中の出力電力を示す図である。
【図13】従来のデバイスを超える性能改善をもたらすことができるＨＥＭＴデバイスの一実施例を示す図である。
【図14】従来のＧａＮ増幅器の出力電力の関数としての利得圧縮のグラフである。
【図15】本明細書で説明される実施例による、多段モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ：ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）デバイスの概略図である。
【図16】本明細書で説明される実施例による、例示的なＭＭＩＣの写真である。
【図17A】本明細書で説明される実施例による、デバイスのＳパラメータのグラフである。
【図17B】本明細書で説明される実施例による、デバイスのＳパラメータのグラフである。
【図17C】本明細書で説明される実施例による、デバイスのＳパラメータのグラフである。
【図18A】本明細書で説明される実施例による、デバイスの電力測定値のグラフである。
【図18B】本明細書で説明される実施例による、デバイスの電力測定値のグラフである。
【図18C】本明細書で説明される実施例による、デバイスの電力測定値のグラフである。
【図19A】本明細書で説明される実施例による、デバイスの利得圧縮測定値のグラフである。
【図19B】本明細書で説明される実施例による、デバイスの利得圧縮測定値のグラフである。
【図19C】本明細書で説明される実施例による、デバイスの利得圧縮測定値のグラフである。
【図20】本明細書で説明される実施例による、デバイスの最大測定電力及びＰ１ｄＢ特性のグラフである。
【図21】本明細書で説明される実施例による、デバイスの電力付加効率（ＰＡＥ）特性のグラフである。
【図22】本明細書で説明される実施例による、デバイスの３次相互変調歪み（ＩＭ３：ｔｈｉｒｄ－ｏｒｄｅｒ ｉｎｔｅｒｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ）特性のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0107】
本発明の概念の実施例は、本発明の実施例が示される添付の図面を参照して、以下により十分に説明される。しかし、本発明の概念は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載される実施例に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施例は、本開示が周到且つ完全であり、本発明の概念の範囲を当業者に十分に伝えるように提供される。全体を通して、同様の番号は、同様の要素を指す。
【0108】
本発明の実施例は、改善されたデバイス密度及びスイッチング性能を示し得る高電子移動度トランジスタを対象とする。
【0109】
図１Ａは、従来の高電子移動度トランジスタ１００の概略平面図であり、図１Ｂは、図１Ａの線Ａ－Ａ’に沿って切り取られた高電子移動度トランジスタ１００の概略断面図であり、図１Ｃは、図１Ａの線Ｂ－Ｂ’に沿って切り取られた高電子移動度トランジスタ１００の概略断面図である。図１Ａ～図１Ｃに示すように、高電子移動度トランジスタ１００は、例えば、炭化ケイ素基板などの基板１２２上に形成することができる。チャネル層１２４は、基板１２２上に形成される。バリア層１２６は、基板１２２の反対側のチャネル層１２４上に形成される。チャネル層１２４は、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含むことができ、バリア層１２６は、例えば、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）を含むことができる。
【0110】
チャネル層１２４及びバリア層１２６は、ともに、基板１２２上に半導体構造体１９０を形成することができる。ソース・コンタクト２１５及びドレイン・コンタクト２０５は、バリア層１２６の上面に形成され、互いに横方向に離間している。ソース・コンタクト２１５及びドレイン・コンタクト２０５は、バリア層１２６に対するオーミック・コンタクトを形成することができる。
【0111】
ゲート・コンタクト２１０は、ソース・コンタクト２１５とドレイン・コンタクト２０５との間のバリア層１２６の上面に形成される。２次元電子ガス（２ＤＥＧ）層は、ＨＥＭＴデバイス１００がその導通状態すなわち「オン」状態になるようにバイアスされると、チャネル層１２４とバリア層１２６との間の接合部に形成される。２ＤＥＧ層は、ソース・コンタクト２１５及びドレイン・コンタクト２０５のそれぞれの下にある、デバイスのソース領域とドレイン領域との間に電流が流れることを可能にする高導電層として機能する。
【0112】
ソース・コンタクト２１５は、例えば、接地電圧などの基準信号に結合することができる。基準信号への結合は、基板１２２の下面１２２Ａから基板１２２を通ってバリア層の上面１２６Ａまで延びるビア２２５によって実現され得る。メタライズ層２１７は、ビア２２５上及び２つの隣接するソース・コンタクト２１５上に堆積され、２つの隣接するソース・コンタクト２１５を電気的に接続し得る。メタライズ層は、導電性金属から形成することができる。
【0113】
ビア２２５は、メタライズ層２１７の表面を露出させることができる。バックメタル層２３５が、基板１２２の下面１２２Ａ上及びビア２２５の側壁上に形成され得る。バックメタル層２３５は、メタライズ層２１７に直接接触し得る。したがって、バックメタル層２３５及びそれに結合された信号は、２つの隣接するソース・コンタクト２１５に電気的に接続され得る。
【0114】
ＨＥＭＴデバイス１００は、複数のトランジスタ・ユニット・セルから構成することができ、その実例は、図１Ａにおいて１００＿Ａ及び１００＿Ｂとして示されている。トランジスタ・ユニット・セル１００＿Ａ、１００＿Ｂのそれぞれは、ソース・コンタクト２１５、ドレイン・コンタクト２０５、及びゲート・コンタクト２１０を含み得る。トランジスタ・ユニット・セルの第１のもの１００＿Ａの第１のオーミック・ソース・コンタクト（例えば、２１５＿Ａ）は、トランジスタ・ユニット・セルの第２のもの１００＿Ｂの第２のオーミック・ソース・コンタクト（例えば、２１５＿Ｂ）から分離され得る。ソース・コンタクト２１５、ドレイン・コンタクト２０５、及びゲート・コンタクト２１０は、ＨＥＭＴデバイス１００のソース・コンタクト２１５、ドレイン・コンタクト２０５、及びゲート・コンタクト２１０の総数のサブセットのみを表し得る。
【0115】
図１Ａを参照すると、得られるＨＥＭＴデバイス１００のサイズは、ソース・コンタクト２１５及び／又はビア２２５のうちの隣接するものの間のソース間距離Ｄ１によって影響され得る。図１Ａ及び図１Ｃに示すように、距離Ｄ１は、ビア２２５の隣接するものの間、及び／又はメタライズ層２１７によって相互接続された２つの隣接するソース・コンタクト２１５の組合せの隣接するものの間で（例えば、図１ＡのＸ方向に）測定され得る。距離Ｄ１は、いくつかの実施例では、中心間距離であってもよい。例えば、いくつかの実施例では、Ｄ１は、第１のビア２２５の中心からＸ方向に隣接する第２のビア２２５の中心までの測定値であり得る。従来のデバイスでは、距離Ｄ１は、１２０μｍ以上であり得る。
【0116】
本発明は、図１Ｂ及び図１Ｃに示される相互接続メタライズ層２１７などの、相互接続メタライズ層を必要とすることなく、ビアをソース・コンタクトに直接接続することによって、半導体デバイスの寸法を縮小することができるという理解から得られる。基板はまた、ビアの水平断面積の低減を可能にするために薄くされ、デバイスの面積をさらに低減することができる。デバイスの面積を低減することから生じ得る密度の改善に加えて、全体的な寄生容量も減少し得る。低減された寄生容量は、得られた回路のスイッチング周波数のさらなる改善につながり得る。
【0117】
図２Ａは、本発明の実施例による、ＨＥＭＴデバイス３００の概略平面図であり、図２Ｂは、図２Ａの線Ｃ－Ｃ’に沿って切り取られたＨＥＭＴデバイス３００の概略断面図であり、図２Ｃは、図２Ａの線Ｄ－Ｄ’に沿って切り取られたＨＥＭＴデバイス３００の概略断面図である。図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、識別及び説明のための構造を表すことを意図しており、構造を物理的なスケールで表すことを意図していない。さらに、図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃの構造との全体的な比較を可能にするように示されているが、図２Ａ～図２Ｃのスケールは、図１Ａ～図１Ｃのスケールと同一であることを意図していないことが理解されよう。
【0118】
図２Ａ～図２Ｃに示すように、ＩＩＩ族窒化物半導体ＨＥＭＴの半導体構造体などの、半導体構造体３９０は、炭化ケイ素ＳｉＣ基板又はサファイア基板などの基板３２２上に形成することができる。基板３２２は、例えば、炭化ケイ素の４Ｈポリタイプであり得る、半絶縁性炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板とすることができる。他の炭化ケイ素のポリタイプ候補には、３Ｃ、６Ｈ、及び１５Ｒのポリタイプが含まれ得る。基板は、Ｃｒｅｅ，Ｉｎｃ．から入手可能な高純度半絶縁性（ＨＰＳＩ：Ｈｉｇｈ Ｐｕｒｉｔｙ Ｓｅｍｉ－Ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ）基板であってもよい。「半絶縁性」という用語は、絶対的な意味ではなく、本明細書において記述的に使用される。
【0119】
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（Ｎ）と、周期表のＩＩＩ族の元素、通常はアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、及び／又はインジウム（Ｉｎ）との間で形成される、それらの半導体化合物を指す。この用語はまた、例えば、ＡｌＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮなどの三元及び四元（又はそれ以上）の化合物を指す。当業者によって十分理解されるように、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）、及び四元（例えば、ＡｌＩｎＧａＮ）の化合物を形成することができる。これらの化合物は全て、１モルの窒素が、合計で１モルのＩＩＩ族元素と結合される組成式を有する。
【0120】
本発明のいくつかの実施例では、基板３２２の炭化ケイ素バルク結晶は、室温で約１×１０５オーム・ｃｍ以上の抵抗率を有し得る。本発明のいくつかの実施例で使用することができる例示的なＳｉＣ基板は、例えば、本発明の譲受人である、ノースカロライナ州ダラムのＣｒｅｅ，Ｉｎｃ．によって製造され、そのような基板を製造する方法は、例えば、特許文献１～４に記載されており、これらの開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。炭化ケイ素は、基板材料として使用することができるが、本出願の実施例は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＬＧＯ、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＬＡＯ、リン化インジウム（ＩｎＰ）などの任意の適切な基板を利用することができる。基板３２２は、炭化ケイ素ウエハであってもよく、ＨＥＭＴデバイス３００は、少なくとも部分的に、ウエハ・レベル処理を介して形成されてもよく、次いで、ウエハは、複数の個々の高電子移動度トランジスタ３００を提供するためにダイシングされてもよい。
【0121】
基板３２２は、下面３２２Ａ及び上面３２２Ｂを有し得る。いくつかの実施例では、ＨＥＭＴデバイス３００の基板３２２は、薄型基板３２２であり得る。いくつかの実施例では、基板３２２の厚さ（例えば、図２Ｂの垂直Ｚ方向における）は、１００μｍ以下であり得る。いくつかの実施例では、基板３２２の厚さは、７５μｍ以下であり得る。いくつかの実施例では、基板３２２の厚さは、５０μｍ以下であり得る。
【0122】
チャネル層３２４は、基板３２２の上面３２２Ｂに（又は本明細書でさらに説明される任意選択の層の上に）形成され、バリア層３２６は、チャネル層３２４の上面に形成される。チャネル層３２４及びバリア層３２６は各々、いくつかの実施例では、エピタキシャル成長によって形成され得る。ＩＩＩ族窒化物のエピタキシャル成長のための技法は、例えば、特許文献第５～７に記載されており、これらの開示も、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。チャネル層３２４は、バリア層３２６のバンドギャップよりも小さいバンドギャップを有し得、チャネル層３２４は、バリア層３２６よりも大きい電子親和力も有し得る。チャネル層３２４及びバリア層３２６は、ＩＩＩ族窒化物ベースの材料を含み得る。
【0123】
いくつかの実施例では、チャネル層３２４は、チャネル層３２４の伝導帯端部のエネルギーが、チャネル層３２４とバリア層３２６との間の境界面におけるバリア層３２６の伝導帯端部のエネルギーよりも小さいという条件で、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０≦ｘ＜１）などのＩＩＩ族窒化物とすることができる。本発明のいくつかの実施例では、ｘ＝０であり、チャネル層３２４がＧａＮであることを示す。チャネル層３２４はまた、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮなどの他のＩＩＩ族窒化物であってもよい。チャネル層３２４は、ドープされなくて（「意図せずにドープされて」）もよく、約０．００２μｍを超える厚さまで成長させてもよい。チャネル層３２４はまた、超格子又はＧａＮ、ＡｌＧａＮなどの組合せなどの、多層構造であってもよい。チャネル層３２４は、いくつかの実施例では、圧縮歪みの下にあってもよい。
【0124】
いくつかの実施例では、バリア層３２６は、ＡｌＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、若しくはＡｌＩｎＧａＮ又はそれらの層の組合せである。バリア層３２６は、単一の層を含んでもよいし、多層構造であってもよい。本発明の特定の実施例では、バリア層３２６は、バリア層３２６がオーミック・コンタクト金属の下に埋め込まれるとき、分極効果によってチャネル層３２４とバリア層３２６との間の境界面に著しいキャリア濃度を誘導するのに、十分に厚さで、十分に高いアルミニウム（Ａｌ）組成及びドーピングを有してもよい。バリア層３２６は、例えば、約０．１ｎｍから約３０ｎｍまでの厚さであってもよいが、その中に亀裂又は大きい欠陥の形成を引き起こすほどは厚くない。１５～３０ｎｍの範囲のバリア層の厚さが一般的である。いくつかの実施例では、バリア層３２６は、ドープされていないか、又はｎ型ドーパントで約１０１９ｃｍ－３未満の濃度までドープされている。本発明のいくつかの実施例では、バリア層３２６は、ＡｌｘＧａ１－ｘＮ（０＜ｘ＜１）である。特定の実施例では、アルミニウム濃度は約２５％である。しかし、本発明の他の実施例では、バリア層３２６は、約５％から約１００％未満の間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例では、アルミニウム濃度は約１０％超である。チャネル層３２４及び／又はバリア層３２６は、例えば、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ：ｍｅｔａｌ－ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、分子線エピタキシ法（ＭＢＥ：ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）、又は水素化物気相エピタキシ法（ＨＶＰＥ：ｈｙｄｒｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）によって堆積され得る。従来のＨＥＭＴデバイス１００に関して上述したように、２ＤＥＧ層は、チャネル層３２４とバリア層３２６との間の接合部においてチャネル層３２４内に誘導される。２ＤＥＧ層は、ソース・コンタクト３１５及びドレイン・コンタクト３０５のそれぞれの下にある、デバイスのソース領域とドレイン領域との間の導電を可能にする高導電層として機能する。チャネル層３２４及びバリア層３２６は、半導体構造体３９０を形成する。
【0125】
半導体構造体３９０は、説明のためにチャネル層３２４及びバリア層３２６とともに示されているが、半導体構造体３９０は、チャネル層３２４と基板３２２との間のバッファ層及び／若しくは核形成層、並びに／又はバリア層３２６上のキャップ層などの、追加の層／構造／要素を含んでもよい。基板、チャネル層、バリア層、及び他の層を含むＨＥＭＴ構造体は、実例として、特許文献８～１６に記載されており、これらの開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。例えば、ＡｌＮバッファ層が、基板３２２の上面３２２Ｂに形成され、炭化ケイ素基板３２２と、ＨＥＭＴデバイス３００の残りの部分との間に適切な結晶構造相転移をもたらすことができる。さらに、歪み平衡相転移層（ｓｔｒａｉｎ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）が、さらに及び／又は代替として、例えば、本発明の譲受人に譲渡された特許文献１７に記載されるように提供されてもよく、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ている。任意選択のバッファ層／核形成層／転移層は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、及び／又はＨＶＰＥによって堆積され得る。
【0126】
ソース・コンタクト３１５及びドレイン・コンタクト３０５は、バリア層３２６の上面３２６Ａに形成されてもよく、互いに横方向に離間してもよい。ゲート・コンタクト３１０は、ソース・コンタクト３１５とドレイン・コンタクト３０５との間のバリア層３２６の上面３２６Ａに形成され得る。ゲート・コンタクト３１０の材料は、バリア層３２６の組成に基づいて選択されてもよく、いくつかの実施例では、ショットキー・コンタクトであってもよい。例えば、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル・シリサイド（ＮｉＳｉｘ）、銅（Ｃｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、及び／又はタングステン・シリコン窒化物（ＷＳｉＮ）などの、窒化ガリウムベースの半導体材料にショットキー・コンタクトを形成することができる従来の材料が使用され得る。
【0127】
ソース・コンタクト３１５及びドレイン・コンタクト３０５は、窒化ガリウムベースの半導体材料に対するオーミック・コンタクトを形成することができる金属を含み得る。適切な金属には、Ｔｉ、Ｗ、チタン・タングステン（ＴｉＷ）、シリコン（Ｓｉ）、窒化チタン・タングステン（ＴｉＷＮ）、ケイ化タングステン（ＷＳｉ）、レニウム（Ｒｅ）、ニオブ（Ｎｂ）、Ｎｉ、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ＮｉＳｉｘ、ケイ化チタン（ＴｉＳｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、ＷＳｉＮ、Ｐｔなどの耐熱金属が含まれ得る。いくつかの実施例では、ソース・コンタクト３１５は、オーミック・ソース・コンタクト３１５であってもよい。したがって、ソース・コンタクト３１５及びドレイン・コンタクト３０５は、バリア層３２６と直接接触するオーミック・コンタクト部分を含み得る。いくつかの実施例では、ソース・コンタクト３１５及び／又はドレイン・コンタクト３０５は、例えば、本発明の譲受人に譲渡された特許文献１８及び１９に記載されるように提供され得るオーミック・コンタクトを形成するために複数の層から形成されてもよく、これらの開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【0128】
ソース・コンタクト３１５は、例えば、接地電圧などの基準信号に結合することができる。基準信号への結合は、基板３２２の下面３２２Ａから基板３２２を通ってバリア層の上面３２６Ａまで延びるビア３２５によって実現され得る。ビア３２５は、ソース・コンタクト３１５のオーミック部分３１５Ａの底面を露出させ得る。バックメタル層３３５が、基板３２２の下面３２２Ａ上及びビア３２５の側壁上に形成され得る。バックメタル層３３５は、ソース・コンタクト３１５のオーミック部分３１５Ａに直接接触してもよい。いくつかの実施例では、バックメタル層３３５と、ソース・コンタクト３１５のオーミック部分３１５Ａの底面との間の接触面積は、ソース・コンタクト３１５のオーミック部分３１５Ａの底面の面積の５０パーセント以上であってもよい。したがって、バックメタル層３３５及びそれに結合された信号は、ソース・コンタクト３１５に電気的に接続され得る。
【0129】
いくつかの実施例では、図２Ａに示すように、ビア３２５は、平面図で見たとき、楕円形又は円形の断面を有することができる。しかし、本発明は、これに限定されない。いくつかの実施例では、ビア３２５の断面は、当業者によって理解されるように、多角形又は他の形状であってもよい。いくつかの実施例では、ビアの寸法（例えば、長さ及び／又は幅）は、ビア３２５の最大断面積Ａ２が１０００μｍ２以下であるようなものであり得る。断面積Ａ２は、基板３２２の下面３２２Ａ（例えば、図２ＢのＸ－Ｙ平面）に平行な方向に取られてもよい。いくつかの実施例では、ビア３２５の最大断面積Ａ２は、基板３２２の下面３２２Ａに隣接するビア３２５の部分（例えば、ビア３２５の開口部）であり得る。例えば、いくつかの実施例では、最大幅（例えば、図２ＡのＸ方向における）は、１６μｍであってもよく、最大長さ（例えば、図２ＡのＹ方向における）は、４０μｍであってもよいが、本発明はこれに限定されない。本発明の実施例によるビア３２５の最大断面積Ａ２は、ビアの最大断面積が３５μｍ×７５μｍ以上であり得る、従来のデバイス（図１Ａ～図１Ｃに示すものなど）の最大断面積から低減され得る。いくつかの実施例では、ビア３２５の断面積Ａ２の低減は、基板３２２の低減された厚さに少なくとも部分的に基づいて達成され得る。いくつかの実施例では、ビア３２５の側壁は、基板３２２の下面３２２Ａに対して傾いていてもよく、及び／又は傾斜していてもよい。
【0130】
いくつかの実施例では、ソース・コンタクト３１５、ドレイン・コンタクト３０５、及びゲート・コンタクト３１０は、基板３２２上の複数のソース・コンタクト３１５、ドレイン・コンタクト３０５、及びゲート・コンタクト３１０として形成され得る。図２Ａを参照すると、複数のドレイン・コンタクト３０５及びソース・コンタクト３１５は、基板３２２上に交互に配置され得る。ゲート・コンタクト３１０は、複数のトランジスタ・ユニット・セルを形成するために、隣接するドレイン・コンタクト３０５とソース・コンタクト３１５との間に配置されてもよく、その実例は、図２Ａにおいて３００＿Ａ及び３００＿Ｂとして示される。トランジスタ・ユニット・セル３００＿Ａ、３００＿Ｂのそれぞれは、ソース・コンタクト３１５、ドレイン・コンタクト３０５、及びゲート・コンタクト３１０を含み得る。トランジスタ・ユニット・セルの第１のもの３００＿Ａのオーミック・ソース・コンタクト（例えば、３１５＿ＡＢ）は、トランジスタ・ユニット・セルの第２のもの３００＿Ｂのオーミック・ソース・コンタクトと共有され得る。図２Ａは、説明を容易にするために、ソース・コンタクト３１５、ドレイン・コンタクト３０５、及びゲート・コンタクト３１０のサブセットを示しているが、ＨＥＭＴデバイス３００は、図２Ａには示されていない追加のソース・コンタクト３１５、ドレイン・コンタクト３０５、及びゲート・コンタクト３１０を含む追加の構造体を有してもよいことが理解されよう。
【0131】
いくつかの実施例では、基板３２２上の複数のソース・コンタクト３１５、ドレイン・コンタクト３０５、及びゲート・コンタクト３１０の各々は、第１の方向（例えば、図２ＡのＹ方向）に延び得る。間に少なくとも１つのドレイン・コンタクト３０５を有する隣接するソース・コンタクト３１５間で（例えば、図２Ａ及び図２ＣのＸ方向に）測定される距離Ｄ２は、図１Ａ及び図１Ｂに示されるＨＥＭＴデバイス１００などの従来のＨＥＭＴデバイスから低減され得る。いくつかの実施例では、間にドレイン・コンタクト３０５を有する隣接するソース・コンタクト３１５間の距離Ｄ２は、９０μｍ以下であってもよい。いくつかの実施例では、間にドレイン・コンタクト３０５を有する隣接するソース・コンタクト３１５間の距離Ｄ２は、７５μｍ以下であってもよい。いくつかの実施例では、隣接するソース・コンタクト３１５間の距離Ｄ２は、６０μｍ以下であってもよい。いくつかの実施例では、隣接するソース・コンタクト３１５間の距離Ｄ２は、５０μｍ以下であってもよい。いくつかの実施例では、複数のビア３２５が、ソース・コンタクト３１５のそれぞれに接続されてもよい。距離Ｄ２は、いくつかの実施例では、ソース・コンタクト３１５間、及び／又はビア３２５間の中心間距離であってもよい。例えば、いくつかの実施例では、距離Ｄ２は、第１のソース・コンタクト３１５の（例えば、Ｘ方向における）中心から、Ｘ方向において隣接する第２のソース・コンタクト３１５の中心まで測定され得る。距離Ｄ２は、第１のソース・コンタクト３１５の中心から、ドレイン・コンタクト３０５を横切って、第２のソース・コンタクト３１５の中心まで延び得る。いくつかの実施例では、距離Ｄ２は、第１のソース・コンタクト３１５のオーミック部分の中心から、Ｘ方向に隣接する第２のソース・コンタクト３１５のオーミック部分の中心まで延び得る。いくつかの実施例では、Ｄ２は、第１のソース・コンタクト３１５に接続された第１のビア３２５の中心から、Ｘ方向に隣接する第２のソース・コンタクト３１５に接続された第２のビア３２５の中心まで測定され得る。
【0132】
当業者によって理解されるように、ＨＥＭＴトランジスタは、ソース・コンタクト３１５とドレイン・コンタクト３０５との間のゲート・コンタクト３１０の制御の下で、ソース・コンタクト３１５とドレイン・コンタクト３０５との間の活性領域によって形成され得る。図２Ａに示すように、ＨＥＭＴデバイス３００は、ソース・コンタクト３１５を共有する隣接するＨＥＭＴユニット・トランジスタ３００＿Ａ、３００＿Ｂを含み得る。隣接するＨＥＭＴトランジスタ間でソース・コンタクト３１５を共有し、ビア３２５のサイズを低減することによって、少なくとも１つのドレイン・コンタクト３０５を間に有する隣接するソース・コンタクト３１５間で測定される距離Ｄ２は、従来のＨＥＭＴデバイス１００のソース間距離（図１Ａ及び図１ＣのＤ１参照）から低減され得る。
【0133】
いくつかの実施例では、ソース・コンタクト３１５及び／又はソース領域の幅も、従来のＨＥＭＴデバイス１００から低減され得る。いくつかの実施例では、例えば、ソース・コンタクト３１５の幅（例えば、図２Ａ～図２ＣのＸ方向における）は、ドレイン・コンタクト３０５の幅の７５％から１２５％内であってもよい。言い換えれば、ビア３２５のサイズを低減することによって、ソース・コンタクト３１５の幅は、２つの隣接するゲート・コンタクト３１０間で低減され得る。
【0134】
図２Ｂ及び図２Ｃを再び参照すると、ＨＥＭＴデバイス３００は、第１の絶縁層３５０及び第２の絶縁層３５５を含み得る。第１の絶縁層３５０は、半導体構造体３９０の上面に直接接触する（例えば、バリア層３２６の上面３２６Ａに接触する）ことができる。第２の絶縁層３５５は、第１の絶縁層３５０上に形成され得る。いくつかの実施例では、３つ以上の絶縁層が含まれてもよいことも諒解されよう。第１の絶縁層３５０及び第２の絶縁層３５５は、ＨＥＭＴデバイス３００のパッシベーション層として機能し得る。
【0135】
ソース・コンタクト３１５、ドレイン・コンタクト３０５、及びゲート・コンタクト３１０は、第１の絶縁層３５０内に形成され得る。いくつかの実施例では、ゲート・コンタクト３１０の少なくとも一部分は、第１の絶縁層上にあり得る。いくつかの実施例では、ゲート・コンタクト３１０は、Ｔ字形ゲート及び／又はガンマ・ゲートとして形成されてもよく、その形成は、実例として、特許文献２０～２２に記載されており、それらの開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。第２の絶縁層３５５は、第１の絶縁層３５０の上、並びにドレイン・コンタクト３０５、ゲート・コンタクト３１０、及びソース・コンタクト３１５の一部分の上に形成され得る。
【0136】
フィールド・プレート３６０が、第２の絶縁層３５５上に形成され得る。フィールド・プレート３６０の少なくとも一部分は、ゲート・コンタクト３１０上にあってもよい。フィールド・プレート３６０の少なくとも一部分は、ゲート・コンタクト３１０とドレイン・コンタクト３０５との間にある第２の絶縁層３５５の一部分の上にあってもよい。フィールド・プレート３６０は、ＨＥＭＴデバイス３００のピーク電界を低減することができ、それが、降伏電圧の増大及び電荷トラップの低減をもたらし得る。電界の低減は、漏れ電流の低減及び信頼性の向上などの他の利点をもたらすこともできる。フィールド・プレート及びフィールド・プレートを形成するための技法は、実例として、特許文献２２に記載されており、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【0137】
金属コンタクト３６５が、第２の絶縁層３５５内に配置され得る。金属コンタクト３６５は、ドレイン・コンタクト３０５、ゲート・コンタクト３１０、及びソース・コンタクト３１５と、ＨＥＭＴデバイス３００の他の部分との間の相互接続を提供し得る。金属コンタクト３６５のそれぞれは、ドレイン・コンタクト３０５及び／又はソース・コンタクト３１５のそれぞれと直接接触し得る。金属コンタクト３６５は、例えば、銅、コバルト、金、及び／又は複合金属を含む、金属又は他の高導電性材料を含み得る。説明を容易にするために、第２の絶縁層３５５、フィールド・プレート３６０、及び金属コンタクト３６５は、図２Ａには示されていない。
【0138】
図２Ａ、図２Ｂ、及び図２ＣのＨＥＭＴデバイス３００は、低減された間隔を有するＨＥＭＴトランジスタのグループ化をもたらす。ＨＥＭＴトランジスタの隣接するものの間でソース・コンタクト３１５を共有し、ソース・コンタクト３１５をバックメタル層３３５に接続するビア３２５のサイズを低減することによって、ＨＥＭＴトランジスタの隣接するソース・コンタクト３１５間の間隔が低減され得る。間隔の低減は、ＨＥＭＴデバイス３００の全体的な寄生容量の低減をもたらし得る。低減された寄生容量は、ＨＥＭＴデバイス３００のスイッチング周波数のさらなる改善につながり得る。
【0139】
図２Ｃでは、説明を容易にするために、バックメタル層３３５が省略され、ビア３２５及び半導体構造体３９０の構造が破線で示されている。隣接するソース・コンタクト間の低減された間隔Ｄ２は、図２Ａ～図２Ｃに示されるものとは別のビア３２５及び／又は半導体構造体３９０の構成を使用して達成され得ることを当業者は認識するであろう。
【0140】
図３は、本発明の実施例による、図２Ａの線Ｄ－Ｄ’に沿って切り取られたＨＥＭＴデバイス３００’の追加の実施例の概略断面図である。図３の部分は、図２Ｂ及び図２Ｃに示されたものと実質的に同じか又は類似しており、簡潔にするために、その重複する説明は省略される。ＨＥＭＴデバイス３００’は、図２ＡのＨＥＭＴデバイス３００と実質的に同様の平面図を共有することができ、したがって、その重複する図示は省略される。
【0141】
図３を参照すると、ＨＥＭＴデバイス３００’は、バリア層３２６の表面に対して窪んだソース・コンタクト３１５’を有することができる。ソース・コンタクト３１５’のオーミック部分の底面３１５Ａ’は、バリア層３２６の最上面よりも低く（例えば、基板３２２により近く）なり得る。ソース・コンタクト３１５’の側壁及び／又は側面は、バリア層３２６の一部分と接触していてもよい。いくつかの実施例では、図３に示すように、ビア３２５は、バリア層３２６を通って延び、ソース・コンタクト３１５’のオーミック部分の底面３１５Ａ’に直接接触し得る。ビア３２５’内のバックメタル層３３５の最上部分（例えば、基板３２２から最も遠いバックメタル層３３５の一部分）は、バリア層３２６の上面３２６Ａよりも低くなり得る。バックメタル層３３５の最上部分は、ソース・コンタクト３１５’のオーミック部分の底面３１５Ａ’に直接接触し得る。
【0142】
図３では、ソース・コンタクト３１５のみが窪んでいるように示されているが、本発明はこれに限定されない。いくつかの実施例では、ゲート・コンタクト３１０及び／又はドレイン・コンタクト３０５も、バリア層３２６の上面に対して窪んでいてもよい。
【0143】
【0144】
ここで図４Ａを参照すると、上に半導体構造体が形成され得る、基板１２２が提供される。チャネル層３２４が基板１２２上に形成され、バリア層３２６がチャネル層３２４上に形成される。基板１２２は、例えば、炭化ケイ素の４Ｈポリタイプであり得る、半絶縁性炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板とすることができる。他の炭化ケイ素のポリタイプ候補には、３Ｃ、６Ｈ、及び１５Ｒのポリタイプが含まれ得る。基板１２２の厚さは、１００μｍ以上であり得る。
【0145】
炭化ケイ素は、ＩＩＩ族窒化物デバイスのための一般的な基板材料であり得るサファイア（Ａｌ２Ｏ３）よりも、ＩＩＩ族窒化物（チャネル層３２４及び／又はバリア層３２６において使用され得る）にはるかに近い結晶格子整合を有する。より近い格子整合は、サファイア上で一般に利用可能なものよりも高い品質のＩＩＩ族窒化物膜をもたらすことができる。炭化ケイ素は、比較的高い熱伝導率も有し、したがって、炭化ケイ素上に形成されたＩＩＩ族窒化物デバイスの総出力電力は、サファイア及び／又はシリコン上に形成された同様のデバイスほど、基板の熱放散によって制限されない場合がある。また、半絶縁性炭化ケイ素基板は、デバイス絶縁及び寄生容量の低減を提供し得る。
【0146】
炭化ケイ素は、基板として使用することができるが、本発明の実施例は、サファイア（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、シリコン（Ｓｉ）、ＧａＡｓ、ＬＧＯ、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ＬＡＯ、リン化インジウム（ＩｎＰ）などの、基板１２２のための任意の適切な基板を利用することができることを理解されたい。
【0147】
任意選択のバッファ層、核形成層、及び／又は転移層（図示せず）を基板１２２上に設けることもできる。例えば、ＡｌＮバッファ層を設け、炭化ケイ素基板と、デバイスの残りの部分との間に適切な結晶構造相転移を提供することができる。さらに、歪み平衡相転移層も提供され得る。
【0148】
さらに図４Ａを参照すると、チャネル層３２４が、基板１２２上に設けられる。チャネル層３２４は、上述のようにバッファ層、転移層、及び／又は核形成層を使用して基板１２２上に堆積され得る。チャネル層３２４は、圧縮歪みの下にあってもよい。さらに、チャネル層３２４、並びに／又はバッファ層、核形成層、及び／若しくは転移層は、ＭＯＣＶＤ、ＭＢＥ、及び／又はＨＶＰＥによって堆積され得る。本発明のいくつかの実施例では、チャネル層３２４は、ＩＩＩ族窒化物層であり得る。
【0149】
バリア層３２６は、ＩＩＩ族窒化物層であってもよい。本発明のいくつかの実施例では、バリア層３２６は、高ドープｎ型層であってもよい。例えば、バリア層３２６は、約１０１９ｃｍ－３未満の濃度にドープされてもよい。
【0150】
本発明のいくつかの実施例では、バリア層３２６は、バリア層３２６がオーミック・コンタクト金属の下に埋め込まれるとき、分極効果によってチャネル層３２４とバリア層３２６との間の境界面に著しいキャリア濃度を誘導するのに十分な厚さ、Ａｌ組成、及び／又はドーピングを有してもよい。また、バリア層３２６は、バリア層３２６と、その後に形成される第１の保護層との間の境界面に堆積したイオン化不純物による、チャネル内の電子の散乱を低減又は最小化するのに十分な厚さであり得る。
【0151】
いくつかの実施例では、チャネル層３２４及びバリア層３２６は、異なる格子定数を有し得る。例えば、バリア層３２６は、チャネル層３２４よりも小さい格子定数を有する比較的薄い層とすることができ、その結果、バリア層３２６は、２つの層の間の境界面に「広がる」。したがって、仮晶構造ＨＥＭＴ（ｐＨＥＭＴ）デバイスが提供され得る。
【0152】
図４Ｂを参照すると、第１の保護層４１０が、バリア層３２６上に形成される。第１の保護層４１０は、窒化ケイ素（ＳｉｘＮｙ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、及び／又は他の適切な保護材料などの誘電体材料であってもよい。他の材料も、第１の保護層４１０に利用され得る。例えば、第１の保護層４１０はまた、酸化マグネシウム、酸化スカンジウム、酸化アルミニウム、及び／又は酸窒化アルミニウムを含み得る。さらに、第１の保護層４１０は、単一の層であってもよく、又は、均一及び／若しくは不均一な組成の複数の層を含んでもよい。
【0153】
第１の保護層４１０は、バリア層３２６上に形成されたブランケットであってもよい。例えば、第１の保護層４１０は、高品質スパッタリング及び／又はプラズマ励起化学気相成膜（ＰＥＣＶＤ：ｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａｎｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって形成された窒化ケイ素（ＳｉＮ）層であってもよい。第１の保護層４１０は、オーミック・コンタクトの後続のアニール処理中に、下にあるバリア層３２６を保護するように十分に厚くてもよい。
【0154】
図４Ｃを参照すると、第１の保護層４１０（図４Ｂ参照）は、ソース・コンタクト３１５、ゲート・コンタクト３１０、及びドレイン・コンタクト３０５を形成するためにパターン化され得る。例えば、第１の保護層４１０は、ソース・コンタクト３１５及びドレイン・コンタクト３０５を配置するためにバリア層３２６を露出させる窓を形成するようにパターン化され得る。窓は、パターン化されたマスクと、バリア層３２６に対する低損傷エッチングとを利用してエッチングされてもよい。オーミック金属は、バリア層３２６の露出部分上に形成され得る。オーミック金属は、ソース・コンタクト３１５及びドレイン・コンタクト３０５を提供するためにアニール処理され得る。
【0155】
第１の保護層４１０はまた、ゲート・コンタクト３１０を提供するようにパターン化され得る。第１の保護層４１０は、ゲート・コンタクト３１０を配置するためにバリア層３２６を露出させる窓を形成するようにエッチングされ得る。ゲート・コンタクト３１０は、エッチングされた窓内に形成されてもよく、バリア層３２６の露出部分に接触するように第１の保護層４１０を通って延びてもよい。適切なゲート材料は、バリア層３２６の組成に依存し得る。しかし、いくつかの実施例では、Ｎｉ、Ｐｔ、ＮｉＳｉｘ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｒ、ＴａＮ、Ｗ、及び／又はＷＳｉＮなどの、窒化物ベースの半導体材料にショットキー・コンタクトを形成することができる従来の材料が使用され得る。ゲート・コンタクト３１０の一部分は、第１の保護層４１０の表面上に延びることができる。ソース・コンタクト３１５、ゲート・コンタクト３１０、及びドレイン・コンタクト３０５の形成は、第１の絶縁層３５０を形成するために、図４Ｂの第１の保護層４１０のパターン化をもたらし得る。
【0156】
ソース・コンタクト３１５は、図４Ｃにおいてバリア層３２６の上面にあるものとして示されているが、ソース・コンタクト３１５、ゲート・コンタクト３１０、及び／又はドレイン・コンタクト３０５は、バリア層３２６の上面の凹部内に形成され得ることが理解されよう。そのような構成は、図３に示されるものと同様の実施例をもたらすことができる。
【0157】
図４Ｄを参照すると、第２の保護層４２０が、第１の絶縁層３５０、ソース・コンタクト３１５、ゲート・コンタクト３１０、及びドレイン・コンタクト３０５上に形成され得る。第２の保護層４２０は、誘電体層であってもよい。いくつかの実施例では、第２の保護層４２０は、第１の絶縁層３５０とは異なる誘電指標を有し得る。
【0158】
図４Ｅを参照すると、フィールド・プレート３６０が、第２の保護層４２０上に形成され得る。フィールド・プレート３６０は、（例えば、図４ＥのＺ方向において）ゲート・コンタクト３１０と重なってもよく、ゲートとドレインとの間の領域（すなわち、ゲート－ドレイン領域）上の距離を拡張してもよい。ゲート・コンタクト３１０上のフィールド・プレート３６０の重なり、及びフィールド・プレート３６０がゲート－ドレイン領域上で拡張する距離は、最適な結果のために変更することができる。いくつかの実施例では、フィールド・プレート３６０は、ゲート・コンタクト３１０に電気的に接続することができ、本発明から逸脱することなく、図に示されるもの以外のフィールド・プレート構造を使用してもよいことが理解される。
【0159】
図４Ｆを参照すると、第２の保護層４２０が、金属コンタクト３６５を形成するためにパターン化され得る。例えば、第２の保護層４２０は、金属コンタクト３６５を配置するためにソース・コンタクト３１５及び／又はドレイン・コンタクト３０５を露出させる窓を形成するようにパターン化され得る。窓は、パターン化されたマスクと、ソース・コンタクト３１５及び／又はドレイン・コンタクト３０５に対する低損傷エッチングとを利用してエッチングされてもよい。導電性金属が、ソース・コンタクト３１５及び／又はドレイン・コンタクト３０５の露出部分上に形成され、金属コンタクト３６５を形成し得る。金属コンタクト３６５の形成は、図４Ｅの第２の保護層４２０のパターン化をもたらし、第２の絶縁層３５５を形成し得る。
【0160】
図４Ｇを参照すると、基板１２２（図４Ｆ参照）は、薄型基板３２２を形成するために薄くされ得る。いくつかの実施例では、基板３２２の厚さは、インフィード式又はクリープ・フィード式のグラインダーなどの、グラインダーを使用して低減される。他の実施例では、基板３２２の厚さは、研削の有無にかかわらず、ラッピング、化学的エッチング若しくは反応性イオンエッチング、又はこれらの方法の組合せを使用して低減される。さらに他の実施例では、基板３２２の裏面を処理し、薄くする操作から生じ得る基板３２２に対する損傷を低減するために、エッチングが使用され得る。ウエハを薄くする方法は、例えば、本発明の譲受人に譲渡された特許文献２３～２６に記載されており、これらの開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【0161】
本発明によるいくつかの実施例では、基板３２２は、約４０μｍから約１００μｍの間の厚さまで薄くされる。他の実施例では、基板３２２は、約４０μｍから約７５μｍの間の厚さまで薄くされる。
【0162】
図４Ｈを参照すると、ビア３２５が、基板３２２、チャネル層３２４、及びバリア層３２６内に形成され得る。ビア３２５は、湿式エッチング又は乾式エッチングによって形成され得る。いくつかの実施例では、ビア３２５は、ビア３２５の側壁が基板３２２の上面に対して傾斜するように異方性エッチングされ得る。ビア３２５は、ソース・コンタクト３１５のオーミック部分３１５Ａの底面を露出させ得る。いくつかの実施例では、ソース・コンタクト３１５は、ビア３２５の形成中にエッチング停止材料として機能することができる。
【0163】
異方性エッチングにより、ビア３２５の最大断面積Ａ２は、基板３２２の下面３２２Ａに隣接するビア３２５の部分（例えば、ビア３２５の開口部）にあり得る。いくつかの実施例では、より厚い基板３２２は、ビア３２５のより広い開口部をもたらし得るので、異方性エッチングは、基板３２２の厚さに関係する、ビアの最大断面積Ａ２をもたらし得る。したがって、図４Ｇに関して説明されるように、基板３２２を薄くすることは、ビア３２５の断面積Ａ２の低減による追加の利益をもたらし得る。
【0164】
図４Ｉを参照すると、ビアの形成後、バックメタル層３３５が、基板３２２の下面３２２Ａ、ビア３２５の側壁、及びソース・コンタクト３１５のオーミック部分３１５Ａの底面の上に堆積され得る。したがって、バックメタル層３３５は、ソース・コンタクト３１５のオーミック部分に直接接触し得る。バックメタル層３３５は、例えば、チタン、白金、及び／又は金などの導電性金属を含み得る。
【0165】
図５は、本発明の実施例による、図２Ａの線Ｄ－Ｄ’に沿って切り取られたＨＥＭＴデバイス３００”の追加の実施例の概略断面図である。図５の部分は、図２Ｂ及び図２Ｃに示されたものと実質的に同じか又は類似しており、簡潔にするために、その重複する説明は省略される。ＨＥＭＴデバイス３００”は、図２ＡのＨＥＭＴデバイス３００と実質的に同様の平面図を共有することができ、したがって、その重複する図示は省略される。
【0166】
図５を参照すると、ＨＥＭＴデバイス３００”は、ソース・コンタクト３１５及び／又はドレイン・コンタクト３０５のうちの１つ又は複数の下のバリア層３２６内にウェル領域５１０を有し得る。ソース・コンタクト３１５のオーミック部分の底面３１５Ａ及び／又はドレイン・コンタクト３０５のオーミック部分の底面３０５Ａは、ウェル領域５１０のそれぞれと接触していてもよい。ウェル領域５１０は、バリア層３２６上にドーピング注入を行うことによって形成され得る。いくつかの実施例では、ウェル領域５１０は、バリア層３２６よりも高いドーピング濃度を有するようにドープされてもよい。例えば、バリア層３２６がｎ型層であるとき、ウェル領域５１０は、バリア層３２６よりも高い濃度のｎ型ドーパント（例えば、Ｎ＋又はＮ＋＋）を有するようにドープされてもよい。いくつかの実施例では、ウェル領域５１０を形成するためのドーパントの注入は、バリア層３２６の形成後であって、ソース・コンタクト３１５及び／又はドレイン・コンタクト３０５の形成前に実行されてもよい。
【0167】
いくつかの実施例では、ビア３２５は、ソース・コンタクト３１５の下のウェル領域５１０を貫通するように形成され得る。したがって、ビア３２５の側壁上のバックメタル層３３５の一部分は、ウェル領域５１０のうちの１つの一部分に直接接触し得る。ウェル領域５１０は、ビア３２５の両側にあるものとして図５に示されているが、本発明はそれに限定されない。いくつかの実施例では、ウェル領域５１０は、ビア３２５の片側のみにあってもよい。いくつかの実施例では、ビア３２５は、ソース・コンタクト３１５のオーミック部分の底面３１５Ａから分離され、ウェル領域５１０の部分は、ビア３２５とソース・コンタクト３１５のオーミック部分の底面３１５Ａとの間に配置され得る。
【0168】
さらに、図５は、ビア３２５をウェル領域５１０と直接接触するものとして示しているが、本発明はこれに限定されない。いくつかの実施例では、ウェル領域５１０と、ビア３２５及び／又はバックメタル層３３５との間に分離部が設けられてもよい。
【0169】
本明細書で説明される実施例によるＨＥＭＴデバイスは、従来のデバイスを超える顕著な改善を示し得る。例えば、本明細書で説明される実施例によるＨＥＭＴデバイスは、３０ＧＨｚにおいて、３Ｗ／ｍｍよりも大きい出力電力密度と、３５％を超えるピーク電力付加効率（ＰＡＥ）とを示し得る。本明細書で説明される実施例によるデバイスの２８Ｖにおける小信号測定値は、３０ＧＨｚを超えるカットオフ周波数と、２０ｄＢよりも大きい１０ＧＨｚ小信号利得とを示し得る。さらに、本明細書で説明される実施例によるＨＥＭＴデバイスは、８４Ｖ／１５０℃の高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）の下で高い電圧ロバスト性を示すことができ、１０００時間後、故障は０であり、性能変化は無視できる。
【0170】
本明細書で説明される実施例によるＨＥＭＴデバイスは、ロバスト性及び高い信頼性を維持しながら、３０ＧＨｚのＲＦ性能のために設計され得る、基板及びエピタキシ法を含むことができる。例えば、本明細書で説明される実施例による例示的なＨＥＭＴデバイスの半導体構造体は、ＡｌＮ核形成層、Ｆｅドープ絶縁ＧａＮ層、ＡｌＮバリア層、及びアンドープＡｌ０．２４Ｇａ０．７６Ｎの１５ｎｍキャップ層を含み得る。
【0171】
図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、本明細書で説明される実施例による、例示的なＨＥＭＴデバイスの特性を示す。図６Ａに示すように、例示的なデバイスのソース／ドレイン・オーミック・コンタクトは、極めて滑らかな形状を提供するように設計され、一貫した細線リソグラフィと、接触抵抗値に関して０．２Ω－ｍｍを中心とする良く制御された分布とを可能にし得る。これは、０．２５μｍプロセスと比較して０．２Ω－ｍｍの低減であり、例示的なデバイスのピーク電流密度、オン状態抵抗値、及びニー電圧の改善をもたらし得る。図６Ｂは、例示的なデバイスのそれぞれのゲート長さを示す。図６Ｂに示される１５０ｎｍのゲート長さ寸法（原子間力顕微鏡によって測定される）は、非特許文献１に記載されたものなどの、ｉ線リソグラフィ・スペーサ法を用いて製造された。ゲート低減技法は、ウエハ間の再現性を維持しながら、光リソグラフィ限界未満のゲート長さをもたらした。ｉ線リソグラフィを用いたゲート長さの制御能力は、このプロセスを、直径１００ｍｍのＧａＮｏｎＳｉＣ基板を超えて経済的に拡張できるようにする。図６Ｃは、例示的なデバイスの１５０ｎｍゲートの断面を示す。
【0172】
【表1】
【0173】
表１は、本明細書で説明される実施例によって構築されたデバイスから得られた測定値を含む。表１に示される標準の電気的なＤＣ及びＲＦの特性が、ウエハ上で得られた。小信号カットオフ周波数及び小信号利得は、２ＧＨｚにおけるｓパラメータから抽出された。３．６ｍｍのゲート全周を有するデバイス上で測定された増幅特性曲線が図７に示される。増幅特性曲線は、１．２Ａ／ｍｍを超える最大電流密度と、４７０ｍＳ／ｍｍのピーク相互コンダクタンスとを示す。ＨＥＭＴオフ状態特性は、ドレイン上で１０Ｖ及び１ｍＡ／ｍｍにおいて測定された－２Ｖのピンチオフ電圧によって特徴付けられる。最小降伏電圧定格は、－８Ｖのゲート電圧及び１ｍＡ／ｍｍの最大ドレイン電流において、８４Ｖである。
【0174】
１５０ｎｍ技術の性能を特徴付けるために、本明細書で説明される実施例によるマルチフィンガー・デバイス（６×７５μｍ）が使用された。これらのデバイスは、Ｉｄ＝１００ｍＡ／ｍｍ及びＶｄ＝２８Ｖのそれぞれ、静止電流及びドレイン電圧を用いて室温でバイアスされた。図８は、本明細書で説明される実施例による、サンプル・デバイスの最大有能利得（ＭＡＧ：ＭａｘｉｍｕｍＡｖａｉｌａｂｌｅＧａｉｎ）の変動のグラフである。図８は、６×７５μｍデバイス上で測定された小信号ＭＡＧのウエハ上の変動が、２０のテストサイトにおいて最小であることを示す。図８に示すように、ウエハ上の小信号利得の変動は、一貫したゲート長さを維持する能力の直接的な結果であった。図９Ａ及び図９Ｂは、２８Ｖ及び１００ｍＡ／ｍｍでバイアスされた６×７５μｍのＦＥＴに関する１０ＧＨｚ（図９Ａ）及び３０ＧＨｚ（図９Ｂ）の電力掃引のグラフである。図９Ａ及び図９Ｂに示すように、最大出力電力（Ｐｏｕｔ）９１０、利得９２０、及びピーク電力付加効率（ＰＡＥ）９３０を決定するために、連続波（ＣＷ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）電力掃引が、１０ＧＨｚ及び３０ＧＨｚにおいて実行された。この技術は、ＰＡＥ＝４５％及び３９％の場合、それぞれ、１０ＧＨｚで＞５Ｗ／ｍｍ、及び３０ＧＨｚで＞３．５Ｗ／ｍｍの電力密度を示した。さらに、１０Ｖでバイアスされたとき、デバイスは、４０ＧＨｚのカットオフ周波数を示す。
【0175】
本明細書で説明される実施例に関連付けられた技術の信頼性及び寿命は、技術の成熟度を実証するために、３．６ｍｍ外周のデバイスを用いて評価された。ＨＴＲＢシステムは、部品が耐える定格である最高温度を満たすか又はそれを超える周囲温度の増加にさらされながら、逆バイアスに耐えるデバイスの能力をチェックする。ＨＴＲＢ動作は、例えば、２００５年３月１５日に出願された「ＧＲＯＵＰ ＩＩＩ ＮＩＴＲＩＤＥ ＦＩＥＬＤ ＥＦＦＥＣＴ ＴＲＡＮＳＩＳＴＯＲＳ（ＦＥＴｓ）ＣＡＰＡＢＬＥ ＯＦ ＷＩＴＨＳＴＡＮＤＩＮＧ ＨＩＧＨ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＲＥＶＥＲＳＥ ＢＩＡＳ ＴＥＳＴ ＣＯＮＤＩＴＩＯＮＳ」と題する特許文献２７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ている。２０個のデバイスが、１５０℃のプレート温度を有するＨＴＲＢシステム上で１０００時間動作された。標準的なオフ状態バイアス条件は、Ｖｇ＝－８Ｖ及びＶｄ＝８４Ｖであった。図１０Ａ及び図１０Ｂは、８４Ｖ、１０００時間のＨＴＲＢの現場のゲート・リーク（図１０Ａ）及びピンチオフ電圧のパラメータ変化（図１０Ｂ）を含む試験の結果を示す。現場のゲート・リークが、試験全体にわたって監視された。これらのデバイスは、図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、無視できる性能劣化及びデバイス故障０を実証した。例えば、図１０Ａに示すように、ＨＴＲＢ試験の完了時には、現場のゲート・リークは、１×１０－４から１×１０－３Ａの間に留まった。これらの実例は、標準的な１０００時間の試験に関して８４ＶのＨＴＲＢに耐えることができる１５０ｎｍのＫａバンドＧａＮ ＨＥＭＴの検証を提供する。
【0176】
ＤＣ加速寿命試験（ＤＣ－ＡＬＴ：ＤＣ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｌｉｆｅ ｔｅｓｔ）を含む、予備信頼性試験が、大きい周辺デバイス（３．６ｍｍ）において３８０℃の接合部温度に関して行われた。図１１Ａ及び図１１Ｂは、３８０℃のＡＬＴ中のピンチオフ電圧（図１１Ａ）及びオン抵抗値（図１１Ｂ）のパラメータ変化を示す。図１１Ｃは、４００時間のＡＬＴ試験後の本明細書で説明される実施例による３．６ｍｍデバイスを示す。ＤＣ－ＡＬＴバイアス条件は、Ｖｄ＝２８Ｖ及び６Ｗ／ｍｍの損失であった。図１１Ａ及び図１１Ｂは、３８０℃のＤＣ ＡＬＴ信頼性試験と、接触抵抗及びピンチオフ電圧のシフト分析とを示す。全てのデバイスは、試験全体にわたってデバイス安定性を示した。ＲＦ加速寿命試験（３．５ＧＨｚ）が、大きい周辺デバイス（３．６ｍｍ）において３２５℃で行われた。図１２は、本明細書で説明される実施例による、例示的なデバイスに関する、３２５℃での３．５ＧＨｚ ＲＦ ＡＬＴにおける出力電力の現場監視を示す。図１２に示される監視された出力電力は、４００時間後に最小の劣化及び故障０を示した。
【0177】
本明細書で説明される実施例は、ＭＭＩＣのファウンドリ設計用の１５０ｎｍ ＧａＮ ＨＥＭＴ技術を含み、３０ＧＨｚまでの競争力のある性能を提供することができる。いくつかの実施例では、ＨＥＭＴデバイスは、２８Ｖでバイアスされ得るが、本明細書で説明される実施例は、それに限定されない。いくつかの実施例では、ＨＥＭＴデバイスは、１５Ｖ超、例えば２０Ｖでバイアスされ得る。光学的に画定されたｉ線１５０ｎｍのゲートは、多くのＫａバンド及びＫｕバンドの用途に関して優れた電力及びＰＡＥを提供することができる。本明細書で説明される高電圧オフ状態ＨＴＲＢ信頼性試験は、性能劣化が無視できる技術のロバスト性を確認する。複数の温度加速寿命試験が、技術の潜在的な寿命を評価するために使用された。
【0178】
図１３は、本明細書で説明される実施例による、改善されたＨＥＭＴデバイス６００の例示的な実施例を示す。図１３を参照すると、本明細書で説明されるものと同一及び／又は実質的に同様の性能を提供する、デバイス６００の例示的な寸法が示されている。デバイス６００は、特に、例えば、図２Ｂ、図２Ｃ、及び図３に関して、本明細書で説明される要素を含み得る。したがって、その重複する説明は省略される。図１３において、前の図の参照番号と同じ参照番号を共有する要素は、同じ又は同様の要素を指すことが意図される。
【0179】
図１３を参照すると、チャネル層３２４が基板３２２上に形成されてもよく、バリア層３２６がチャネル層３２４上に形成されてもよい。第１の絶縁層３５０が、バリア層３２６上に形成されてもよく、第２の絶縁層３５５が、第１の絶縁層３５０上に形成されてもよい。第１の絶縁層３５０の厚さＩＤ１は、１００ｎｍから１５０ｎｍの間であってもよい。いくつかの実施例では、第１の絶縁層３５０の厚さＩＤ１は、約１３０ｎｍであってもよい。いくつかの実施例では、第１の絶縁層３５０は、ＳｉＮを含んでもよい。第２の絶縁層３５５の厚さＩＤ２は、１８０ｎｍから２２０ｎｍの間であってもよい。いくつかの実施例では、第２の絶縁層３５５の厚さＩＤ２は、約２００ｎｍであってもよい。いくつかの実施例では、第１の絶縁層３５０及び第２の絶縁層３５５は、約３３０ｎｍの組み合わされた厚さを有してもよい。第１の絶縁層３５０の厚さは、ゲート－ソース間容量及びゲート－ドレイン間容量に影響を及ぼす場合があり、これらは、デバイス６００のスイッチング速度に影響を及ぼす可能性がある。同様に、第２の絶縁層３５５の厚さは、ゲート－ドレイン間容量に影響を及ぼす場合があり、これは、デバイス６００のスイッチング速度及び利得に影響を及ぼす可能性がある。
【0180】
ソース・コンタクト３１５及びドレイン・コンタクト３０５は、バリア層３２６上の第１の絶縁層３５０内に形成され得る。ソース・コンタクト３１５は、バリア層３２６上に底面３１５Ａを有するオーミック部分を含み得る。いくつかの実施例では、ソース・コンタクト３１５のオーミック部分の底面３１５Ａは、図３に示すように、バリア層３２６の上面よりも下に延び得る。ビア３２５は、ソース・コンタクト３１５のオーミック部分の底面３１５Ａに接触するように、基板３２２、チャネル層３２４、及びバリア層３２６内に形成され得る。ビア３２５は、バックメタル層３３５を含み得る。いくつかの実施例では、ウエハの厚さＴＷ（例えば、基板３２２、チャネル層３２４、及びバリア層３２６の厚さ）は、４０μｍから約１００μｍの間であってもよい。いくつかの実施例では、ウエハの厚さＴＷは、４０μｍから約８０μｍの間であってもよい。いくつかの実施例では、ウエハの厚さＴＷは、約７５μｍであってもよい。ウエハの厚さＴＷの低減は、より小さい断面Ａ２を有するビア３２５の形成を可能にすることができ、これは、デバイス６００の全体的なサイズを低減し、インダクタンスを低減し得る。いくつかの実施例では、ビア３２５の最大断面積Ａ２は、１０００μｍ２以下である。
【0181】
ゲート・コンタクト３１０は、第１の絶縁層３５０内に形成することができ、ゲート・コンタクト３１０の一部分は、第２の絶縁層３５５の下にあってもよい。図１３では、ゲート・コンタクト３１０は、例えば、特に、図２Ｂ、図２Ｃ、及び図３のゲート・コンタクト３１０のものとは異なる形状を使用して示されている。本発明が、ゲート・コンタクト３１０の特定の形状には限定されず、ゲート・コンタクト３１０の他の形状、及びデバイス６００の他の要素が、本明細書で説明される実施例から逸脱することなく可能であることが理解されよう。
【0182】
ゲート・コンタクト３１０は、第１の絶縁層３５０内の第１の部分３１０＿１と、第１の部分３１０＿１上の、第２の絶縁層３５５内にある第２の部分３１０＿２とを含み得る。ゲート・コンタクト３１０の第２の部分３１０＿２の幅は、第１の部分３１０＿１の幅を超え得る。いくつかの実施例では、ゲート・コンタクト３１０の第２の部分３１０＿２は、ゲート・コンタクト３１０がＴ字形ゲート及び／又はガンマ・ゲートを形成するように、ゲート・コンタクト３１０の第１の部分３１０＿１の１つ又は複数の側壁を越えて延び得る。ゲート・コンタクト３１０のドレイン側では、ゲート・コンタクト３１０の第２の部分３１０＿２は、ゲート・コンタクト３１０の第１の部分３１０＿１の側壁を越えてドレイン・コンタクト３０５に向かって第１の距離ΓＤだけ延び得る。距離ΓＤは、０．０５μｍから０．１５μｍの間であってもよい。いくつかの実施例では、ΓＤは、約０．１μｍであってもよい。ゲート・コンタクト３１０のソース側では、ゲート・コンタクト３１０の第２の部分３１０＿２は、ゲート・コンタクト３１０の第１の部分３１０＿１の側壁を越えてソース・コンタクト３１５に向かって第２の距離ΓＳだけ延び得る。距離ΓＳは、０．０５μｍから０．１５μｍの間であってもよい。いくつかの実施例では、ΓＳは、約０．１μｍであってもよい。第１の距離ΓＤは、デバイス６００のゲート－ドレイン間容量に影響を及ぼす場合があり、これは、デバイス６００のスイッチング速度及び利得に影響を及ぼす可能性がある。第２の距離ΓＳは、デバイス６００のゲート－ソース間容量に影響を及ぼす場合があり、これは、デバイス６００のスイッチング速度に影響を及ぼす可能性がある。
【0183】
ゲート・コンタクト３１０の第１の部分３１０＿１は、バリア層３２６に隣接する下面３１０Ａを含み得る。図１３にＬＧとして示されている、ゲート・コンタクト３１０の下面３１０Ａの長さは、１２０ｎｍから１８０ｎｍの間であってもよい。いくつかの実施例では、ＬＧは、約１５０ｎｍであってもよい。長さＬＧは、ゲート・コンタクト３１０とバリア層３２６との間の境界面の長さを表し得る。長さＬＧは、デバイス６００のスイッチング及び効率に影響を及ぼし得る、相互コンダクタンス及びゲート寄生容量に影響を及ぼす場合がある。ドレイン・コンタクト３０５に最も近いゲート・コンタクト３１０の下面３１０Ａの側部及び／又は端部は、図１３に示すように、ドレイン・コンタクト３０５の端部（例えば、最も近い端部）から距離ＬＧＤだけ分離され得る。ゲート・コンタクト３１０の下面３１０Ａとドレイン・コンタクト３０５との間の距離ＬＧＤは、１．７５μｍから２．２５μｍの間であってもよい。いくつかの実施例では、ＬＧＤは、約１．９８μｍであってもよい。ソース・コンタクト３１５に最も近いゲート・コンタクト３１０の下面３１０Ａの側部及び／又は端部は、図１３に示すように、ソース・コンタクト３１５の端部（例えば、最も近い端部）から距離ＬＧＳだけ分離され得る。ゲート・コンタクト３１０の下面３１０Ａとソース・コンタクト３１５との間の距離ＬＧＳは、０．５μｍから０．７μｍの間であってもよい。いくつかの実施例では、ＬＧＳは、約０．６μｍであってもよい。距離ＬＧＤ及びＬＧＳは、デバイス６００のオン抵抗値に寄与する場合があり、これは、デバイス効率に影響を及ぼし得る。いくつかの実施例では、ゲート・コンタクト３１０は、ドレイン・コンタクト３０５よりもソース・コンタクト３１５に近くてもよい。
【0184】
フィールド・プレート３６０が、第２の絶縁層３５５及びゲート・コンタクト３１０上に形成され得る。ソース・コンタクト３１５及びドレイン・コンタクト３０５にそれぞれ電気的に接続するために、金属コンタクト３６５が、第２の絶縁層３５５内に形成され得る。ゲート・コンタクト３１０のドレイン側では、フィールド・プレート３６０は、図１３に示すように、ゲート・コンタクト３１０の第２の部分３１０＿２の側壁を越えてドレイン・コンタクト３０５に向かって距離ＬＦ２だけ延び得る。いくつかの実施例では、距離ＬＦ２は、フィールド・プレート３６０が、ドレイン・コンタクト３０５に最も近いゲート・コンタクト３１０の第２の部分３１０＿２の最も外側の部分を越えて延びる距離を指し得る。距離ＬＦ２は、０．４μｍから０．５μｍの間であってもよい。いくつかの実施例では、ＬＦ２は、約０．４μｍであってもよい。ゲート・コンタクト３１０を越えるフィールド・プレート３６０の延長距離ＬＦ２は、デバイス６００のゲート－ソース間容量及び降伏電圧に影響を及ぼす場合があり、これは、デバイス６００の電圧定格及びスイッチング速度に影響を及ぼし得る。
【0185】
図１３に関して説明される寸法のうちの１つ又は複数は、デバイス６００の改善に寄与し得る。いくつかの実施例では、デバイス６００の構成は、デバイスが、本明細書で説明される従来のデバイスを超える性能及び改善を達成することを可能にし得る。例えば、本明細書で説明される実施例は、改善されたＲＦ及び信頼性性能を有する、光学的に画定された２００ｎｍ以下（例えば、１２０ｎｍから２００ｎｍ）のＧａＮ ＨＥＭＴ技術を提供する。例えば、本明細書で提供される実施例は、３０ＧＨｚの動作周波数において３．５Ｗ／ｍｍ以上の出力電力密度を有し得る。いくつかの実施例では、３０ＧＨｚにおける出力電力密度は、３．５Ｗ／ｍｍから４．０Ｗ／ｍｍの間である。本明細書で提供される実施例は、３０ＧＨｚの動作周波数において３０％よりも大きいピーク電力付加効率（ＰＡＥ）を有し得る。本明細書で提供される実施例は、３０ＧＨｚよりも大きいトランジスタ・カットオフ周波数を有してもよく、且つ／又は、８４Ｖのドレイン・バイアスで１５０℃の１０００時間のＨＴＲＢを実行することができ得る。
【0186】
２８Ｖ Ｋａバンド ＭＭＩＣは、本明細書で説明される実施例によるＨＥＭＴデバイスを利用して設計及び製造された。ＧａＮ ＭＭＩＣは、誘電体に支持されたブリッジ金属、１８０ｐＦ／ｍｍ２のＭＩＭキャパシタ、１２Ω／ｓｑ．の薄膜抵抗器、及び小型のウエハ貫通ソース・スロット・ビアなどの受動構成要素を有する、７５μｍ（例えば、３ミル）の炭化ケイ素（ＳｉＣ）上のマイクロストリップ・ラインを利用する。このＭＭＩＣ設計は、５Ｇ通信ミリ波及び航空宇宙防衛の用途の要件を満たす、本明細書で説明される技術の能力を実証するために使用された。より広い帯域幅に対する需要は、Ｋａバンドに関するより多くの商業的用途を生み出している。衛星通信、ポイント・ツー・ポイント通信、５Ｇ、及び軍用レーダは全て、Ｋａバンドを使用するか又はＫａバンドを使用することを計画する用途である。ＧａＮ－ｏｎ－ＳｉＣの高い電力密度及び高い降伏電圧は、電力増幅器に関して特に興味を引く。ほとんどのＧａＮ電力増幅器は、飽和電力に達するかなり前に圧縮を開始する。本明細書で説明する実施例に基づくＭＭＩＣ電力増幅器は、高効率、低静止バイアス、及び低利得圧縮を示すことができ、最新技術の改善を表す。
【0187】
従来のＧａＮ増幅器は、典型的には、飽和電力に達するかなり前に開始する緩やかな利得圧縮を有する。典型的なＧａＮ増幅器の利得圧縮対出力電力（Ｐｏｕｔ）のプロットが図１４に示される。図１４に示すように、Ｐ１ｄＢとしても知られる１ｄＢ圧縮点は、増幅器の飽和電力よりも約１０ｄＢ低い。１ｄＢ圧縮における出力電力であるＰ１ｄＢは、デバイスのゲートがその一定の（例えば、線形の）値から１ｄＢ減少する出力電力レベルを指す。
【0188】
本明細書で説明される実施例によるＭＭＩＣデバイスは、利得圧縮ドライバ段を、１つ又は複数の利得拡張出力段と組み合わせることができる。ＭＭＩＣデバイス段の概略図が図１５に示される。図１５は、１つの利得圧縮段と、２つの利得拡張段とを有する３段増幅器を示すが、本明細書で説明される実施例はそれに限定されない。いくつかの実施例では、ＭＭＩＣデバイスは、３つよりも多い又は少ない段を有し得る。いくつかの実施例では、ＭＭＩＣデバイスの利得圧縮部分は、２つ以上の段を含み得る。いくつかの実施例では、ＭＭＩＣデバイスの利得拡張部分は、２つよりも多い又は少ない段を含み得る。
【0189】
いくつかの実施例では、利得圧縮ドライバ段は、Ａ級モードでバイアスされてもよく、且つ／又は、利得拡張段は、ＡＢ級モードでバイアスされてもよい。利得圧縮段は、出力段の利得拡張を相殺する傾向があり得る。ピンチオフに近いデバイスの利得段のバイアスを低減することによって、この段は、利得拡張及び高効率を有し得る。利得段のバイアスを増加させることによって、この段は、利得圧縮を有し、増加した電流のために、より低い効率を有し得る。したがって、出力段は、効率と低圧縮との改善された組合せを提供することに寄与するために、低バイアスの利得拡張段となるように選択され得る。これらの技術は、本明細書で説明されるものなどの、基本となるデバイスの構成のプロセス改善と併せて、著しく低減された利得圧縮、高い効率、及び低い静止電流を有する増幅器をもたらす。改善された性能及びこの性能を達成することができる関連のＨＥＭＴデバイスの実例が、本明細書で説明される。
【0190】
いくつかの実施例では、本明細書で説明される実施例によるＭＭＩＣデバイスは、改善されたＲＦ性能を提供することができる。例えば、いくつかの実施例では、ＭＭＩＣデバイスは、３．５Ｗ／ｍｍよりも大きい３０ＧＨｚにおける出力電力、３０ＧＨｚにおける３０％よりも大きいピーク電力付加効率（ＰＡＥ）、３０ＧＨｚよりも大きいトランジスタ・カットオフ周波数、低い利得圧縮、及び／又は３０％よりも大きいＰ１ｄＢにおける電力付加効率を提供し得る。いくつかの実施例では、本明細書で説明される実施例によるＭＭＩＣデバイスは、改善された信頼性性能を提供し得る。例えば、いくつかの実施例では、ＭＭＩＣデバイスは、８４Ｖのドレイン・バイアスで１５０℃の１０００時間のＨＴＲＢを実行することが可能であり得る。
【0191】
本明細書で説明される実施例によるＭＭＩＣデバイスは、ＧａＮ－ｏｎ－ＳｉＣデバイスに基づくことができる。ＧａＮ－ｏｎ－ＳｉＣ基板及びエピタキシ法は、３０ＧＨｚのＲＦ性能及び２８Ｖの動作の対象とされ得る。１５０ｎｍのゲートは、ｉ線リソグラフィ・スペーサ法を使用して光学的に画定され得る。１５０ｎｍのゲートは、デバイス上のゲート長さ（例えば、図１３に示されるＬＧ）を指す場合があるが、本明細書で説明される実施例は、このゲート長さに限定されない。いくつかの実施例では、ゲート長さは、２００ｎｍ未満（例えば、１２０ｎｍから１８０ｎｍ）であってもよい。高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）ストレス試験は、本明細書で説明されるプロセス技術のロバスト性及び信頼性を確認するために実行された。ＨＥＭＴデバイスは、８４ＶのＨＴＲＢを１０００時間受け、性能劣化は無視でき、デバイス故障は０であった。ウエハの厚さ（例えば、図１３に示されるＴＷ）は、７５μｍである。本明細書で説明されるビア３２５などの基板貫通ビアが、利用可能であり、互いに５０μｍ以内に配置され得る。ＭＭＩＣプロセスはまた、１８０ｐＦ／ｍｍ２のＭＩＭキャパシタと、１２Ω／ｓｑの薄膜抵抗器と、ＨＥＭＴソース・パッド内のビアとを含む。このプロセスのＩＤＳＳ０は、約７００ｍＡ／ｍｍである。
【0192】
ＭＭＩＣは、２６．５～４０ギガヘルツ（ＧＨｚ）の電磁スペクトル内の周波数を含む、Ｋａバンドの周波数で動作するように構成され得る。例えば、ＭＭＩＣ ＰＡの目標周波数範囲は２６．５～３０．５ＧＨｚとすることができ、これは、いくつかの潜在的な５Ｇミリメートル波帯域をカバーすることができるが、本実施例は、これに限定されない。いくつかの実施例では、本明細書で説明される実施例によるＭＭＩＣデバイスは、Ｋｕバンド（１２～１８ＧＨｚ）で動作し得る。ＭＭＩＣの他の設計目標は、４Ｗよりも大きい飽和電力、少なくとも２５ｄＢの小信号利得、及び帯域にわたる３０％よりも大きいＰＡＥを含み得る。さらに、典型的な３段ＧａＮ増幅器よりも良いＰ１ｄＢを求めて、低利得圧縮が所望された。
【0193】
図１５に示すように、ＭＭＩＣ ＰＡは、３つの段を有してもよい。いくつかの実施例では、第１の段は６×５０μｍデバイスであってもよく、第２の段は２つの６×５０μｍデバイスを有してもよく、第３の段は４つの６×５０μｍデバイスを有してもよい。これは、各段について１：２の駆動比を構成する。
【0194】
典型的なＧａＮ増幅器は、大きい利得圧縮を有し、飽和電力（Ｐｓａｔ）に達するかなり前に圧縮を開始することができる。Ｐｓａｔ値は、提供される利得に関して収穫逓減が開始する、増幅器の動作点の測定値を提供し得る。例えば、Ｐｓａｔを超えると、所与の入力に対して提供される利得は、減少し始める（すなわち、利得圧縮を示す）場合がある。Ｐｓａｔは、本明細書で使用されるとき、利得圧縮が３ｄＢを超える、増幅器上の動作点を指す。本明細書で説明される実施例によるいくつかのＭＭＩＣデバイスの設計目標は、典型的な３段高効率ＧａＮ増幅器と比較して、１ｄＢ圧縮電力（Ｐ１ｄＢ）を改善することであった。これを達成するために、第１の段は、最後の２つの段とは別にバイアスされる場合があり、利得を増加させることを助け得るＡ級モードでバイアスされる場合がある。最後の２つの段は、効率のためにＡＢ級モードでバイアスされる場合がある。いくつかの実施例では、第１の段は、１２０ｍＡ／ｍｍに対応する３６ｍＡでバイアスされる。いくつかの実施例では、最後の２つの段は、組み合わされた３６ｍＡに対して２０ｍＡ／ｍｍでバイアスされる。いくつかの実施例では、増幅器の全体的な静止電流は７２ｍＡである。最初の段（例えば、図１５の第１の段）のＡ級動作は、利得圧縮をもたらす傾向があり得るが、後の段（例えば、図１５の最後の２つの段）のＡＢ級動作は、利得拡張をもたらす傾向があり得る。これらの２つの異なる効果は、ＧａＮ増幅器において典型的に見出される緩やかな利得圧縮を低減するために使用され得る。設計及び動作のためのドレイン電圧は、２８Ｖであり得るが、本明細書で説明される実施例はそれに限定されない。
【0195】
出力負荷インピーダンスは、負荷プル・データ及び回路シミュレーションによって決定され得る。整合回路網は、広帯域の動作を提供するために、高域通過素子及び低域通過素子を有し得る。ＥＭシミュレーション及びチューニングは、最高の総合的な回路性能を求めて整合回路を改善するために使用され得る。図１６は、本明細書で説明されるいくつかの実施例による、完成したＭＭＩＣの写真を示すが、この写真は、例示的なデバイスのものにすぎず、実施例を限定することを意図されていない。
【0196】
ウエハ製造後、Ｓパラメータが、ウエハ上で測定され得る。図１７Ａ、図１７Ｂ、及び図１７Ｃは、本明細書で説明される実施例によるデバイスのＳパラメータのグラフである。ここで示されるＳパラメータは、ウエハ全体にわたる１２０個のデバイス上で測定される。図１７Ａ～図１７Ｃのグラフの線は、データの平均を表す。図１７Ａは、ウエハにわたるＳ２１を示し、図１７Ｂは、ウエハにわたるＳ１１を示し、図１７Ｃは、ウエハにわたるＳ２２を示す。Ｓパラメータは、極めて良好な広帯域性能を示す。
【0197】
図１８Ａ、図１８Ｂ、及び図１８Ｃは、本明細書で説明される実施例によるデバイスの電力測定値のグラフである。電力掃引試験は、２６ＧＨｚから３０．５ＧＨｚまでウエハ全体にわたる５つのデバイス上で行われた。提示される電力及びＰＡＥの結果は、これら５つのデバイスの平均である。電力測定は、電力パルスを使用してウエハ上で行われた。パルスのデューティ・サイクルは１％であり、持続時間は１０μｓであった。これらは、試験中のウエハの過熱を避けるための標準的なウエハ上パルス出力パラメータである。図１８Ａは、帯域の中央の２８．５ＧＨｚにおける出力電力（Ｐｏｕｔ）対入力電力（Ｐｉｎ）を示す。関連する利得対入力電力も図１８Ａにプロットされている。利得は、掃引される入力電力にわたって比較的平坦であり、これは線形性にとって望ましい。
【0198】
図１８Ｂは、動作周波数の例示的な帯域にわたる最大ＰＡＥにおける出力電力（Ｐｏｕｔ）を示し、対応する最大ＰＡＥは、図１８Ｃに示されている。図１８Ｂに示される実例では、４Ｗの出力電力及び３０％のＰＡＥの目標が超えられている。さらに、図１８Ｃに示される実例は、ＰＡＥが帯域全体にわたって優れており、３０ＧＨｚで４０％に近づくことを示す。ＰＡＥ測定値は、以前に公表された結果と比較されることが極めて好ましい。本明細書で説明されるいくつかの実施例による電力及びＰＡＥと、以前に公表された動作との比較が、表２に示されている。
【0199】
【表2】
表２では、参照Ａは、非特許文献２を参照しており、参照Ｂは、非特許文献３を参照しており、参照Ｃは、非特許文献４を参照しており、参照Ｄは、非特許文献５を参照しており、参照Ｅは、非特許文献６を参照している。表２に示すように、本開示の実例は、５．７５Ｗの最大出力電力に対して７２ｍＡの静止ドレイン電流Ｉｄｑを提供することができ、これは、約１２．５ｍＡ／Ｗに変換することができる。いくつかの実施例では、電力出力に対する静止ドレイン電流の比は、１２．５ｍＡ／Ｗ未満である。
【0200】
図１９Ａ、図１９Ｂ、及び図１９Ｃは、本明細書で説明される実施例によるデバイスの利得圧縮測定値のグラフである。５つのデバイスにわたって平均された利得圧縮測定値が、図１９Ａ、図１９Ｂ、及び図１９Ｃにそれぞれ２６．５ＧＨｚ、２８．５ＧＨｚ、及び３０．５ＧＨｚにおいて示されている。全ての図は、利得圧縮が後に続く、何らかの利得拡張を示す。典型的なＧａＮ増幅器は、Ｐｓａｔのかなり前に開始する、緩やかな利得圧縮を有する。これらのプロットは、Ｐ１ｄＢからＰｓａｔへの急速な遷移を示す。利得圧縮が線形性に影響を及ぼし得るのと同様に、利得拡張は、線形性に影響を及ぼし得る。影響の量は、変調のタイプに依存する。３次相互変調歪み（ＩＭ３）などのパラメータは、入力電力に対する利得の勾配に対する感度が高い。図１９Ａ～図１９Ｃに示される例示的なデバイスでは、観測される利得拡張は、適度であり、緩やかな勾配を有する。その結果、利得圧縮の急な勾配が、依然として支配的である。
【0201】
図２０は、本明細書で説明される実施例による、デバイスの最大測定電力（Ｐｍａｘ）及びＰ１ｄＢ特性のグラフである。最大測定電力（Ｐｍａｘ）は、本明細書で使用されるとき、デバイスに関して測定された最大電力を指す。図２０は、周波数にわたってＰ１ｄＢとＰｍａｘとを比較する。図２０に示すように、Ｐ１ｄＢは、本発明の実施例によるＧａＮ ＭＭＩＣ ＰＡの周波数帯域全体にわたってＰｍａｘの１ｄＢ以内である。図２１は、本明細書で説明される実施例による、デバイスのＰＡＥ特性のグラフである。Ｐｍａｘ及びＰ１ｄＢに関するＰＡＥが、図２１に示される。図２１に示される例示的なデバイスでは、Ｐ１ｄＢにおけるＰＡＥは、帯域全体にわたって３２％よりも大きく、Ｐ１ｄＢにおけるＰＡＥは、３０ＧＨｚにおいて３７．８％である。２６．５ＧＨｚから３０．５ＧＨｚの動作帯域にわたって、Ｐ１ｄＢにおけるＰＡＥは、３３％から約４０％の範囲であり得る。これは、従来のデバイスと比較して、本発明の実施例による多段ＭＭＩＣ、例えば、Ｋａバンドで動作する３段ＧａＮ電力増幅器ＭＭＩＣなどの、ＧａＮベースの電力増幅器のＰ１ｄＢにおける改善されたＰＡＥを表す。本発明のＰ１ｄＢにおける改善された効率は、有利にも、デジタル変調を利用する通信信号用の伝送システムに組み込むことができる。線形性は、変調信号とともに利用される増幅器において重要であり、出力電力に関するより高いＰ１ｄＢ、及びＰ１ｄＢにおけるより高い効率（例えば、ＰＡＥ）は、デバイス全体のより高い出力電力における改善された線形性と相関し得る。
【0202】
図２２は、本明細書で説明される実施例による、デバイスのＩＭ３特性のグラフである。本明細書で説明される実施例による例示的なデバイスのＩＭ３は、連続波形（ＣＷ）条件の下で測定され、それらの結果は、図２２に示される。ＧａＮ増幅器では、－２５ｄＢｃ未満のＩＭ３が有利である。図２２に示すように、これは、本明細書で説明される実施例による例示的なデバイスの最大電力（Ｐｍａｘ）の４ｄＢ以内の電力レベルで達成され、これは良好な結果であると考えられる。
【0203】
光学的に画定されたｉ線１５０ｎｍのゲートを使用した、例示的な２８Ｖ、３段、Ｋａバンド、及びＧａＮ－ｏｎ－ＳｉＣのＭＭＩＣ電力増幅器に関する結果について、本明細書で説明してきた。本明細書で説明される実施例によるＭＭＩＣは、３０ＧＨｚにおいて３９．８％の関連するＰＡＥとともに３７．６ｄＢｍの最大測定電力（Ｐｍａｘ）を提供することができる。ＭＭＩＣは、低い利得圧縮、優れたＰ１ｄＢ、及び低い静止バイアスを示すことができる。Ｐ１ｄＢは、２６．５～３０．５ＧＨｚ帯域にわたってＰｍａｘの１ｄＢ以内であり得る。３０ＧＨｚにおいて、３７．８％の関連するＰＡＥ及び７２ｍＡの静止バイアスとともに、Ｐ１ｄＢは、３７．１ｄＢｍであり得る。Ｐ１ｄＢにおけるこの効率は、Ｋａバンド多段ＭＭＩＣ用の従来のデバイスを超える改善を表す。
【0204】
第１、第２などの用語は、様々な要素について説明するために本明細書で使用され得るが、これらの要素は、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よう。これらの用語は、ある要素を別の要素から区別するために使用されるにすぎない。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、第１の要素を第２の要素と呼ぶことができ、同様に、第２の要素を第１の要素と呼ぶことができる。「及び／又は」という用語は、本明細書で使用されるとき、関連する列挙された項目のうちの１つ又は複数の任意の組合せ及び全ての組合せを含む。
【0205】
本明細書で使用される用語は、特定の実施例について説明することのみを目的とし、本発明を限定することを意図していない。単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、及び「その（ｔｈｅ）」は、本明細書で使用されるとき、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も同様に含むことが意図される。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、及び／又は「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」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、及び／又は構成要素の存在を指定するが、１つ又は複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらのグループの存在又は追加を排除しないことがさらに理解されよう。
【0206】
別段に定義されていない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で使用される用語は、本明細書及び関連技術の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書で明示的にそのように定義されない限り、理想化された又は過度に形式的な意味で解釈されないことがさらに理解されよう。
【0207】
層、領域、又は基板などの要素が、別の要素の「上に（ｏｎ）」ある、又は「上に（ｏｎｔｏ）」延びると言われるとき、それは、他の要素の直接上にある、若しくは直接上に延びることができるか、又は介在する要素も存在してよいことが理解されよう。対照的に、ある要素が別の要素の「直接上に（ｄｉｒｅｃｔｌｙｏｎ）」ある、又は「直接上に（ｄｉｒｅｃｔｌｙｏｎｔｏ）」延びると言われるとき、介在する要素は存在しない。ある要素が別の要素に「接続される」又は「結合される」と言われるとき、それは、他の要素に直接接続若しくは結合され得るか、又は介在する要素が存在し得ることも理解されよう。対照的に、ある要素が別の要素に「直接接続される」又は「直接結合される」と言われるとき、介在する要素は存在しない。
【0208】
「下方」又は「上方」又は「上部」又は「下部」又は「水平」又は「横方向」又は「垂直方向」などの相対的な用語は、図に示される、１つの要素、層、又は領域と、別の要素、層、又は領域との関係について説明するために本明細書で使用され得る。これらの用語は、図に示される向きに加えて、デバイスの様々な向きを含むことが意図されることが理解されよう。
【0209】
本発明の実施例は、本発明の理想化された実施例（及び中間構造）の概略図である断面図を参照して本明細書で説明される。図面における層及び領域の厚さは、わかりやすくするために誇張されている場合がある。さらに、例えば、製造技法及び／又は公差の結果として、図の形状からの変形が予想されるべきである。したがって、本発明の実施例は、本明細書に示される領域の特定の形状に限定されるものと解釈されるべきではなく、例えば、製造に起因する形状のばらつきを含むべきである。同様に、寸法の変動は、製造手順における標準偏差に基づいて予想されることが理解されよう。「約」は、本明細書で使用されるとき、公称値の１０％以内の値を含む。
【0210】
全体を通して、同様の番号は、同様の要素を指す。したがって、同じ又は類似の番号は、それらが対応する図面において言及も説明もされていなくても、他の図面を参照して説明され得る。また、参照番号によって示されていない要素は、他の図面を参照して説明され得る。
【0211】
本発明のいくつかの実施例は、層及び／又は領域内の大多数のキャリア濃度を指す、ｎ型又はｐ型などの伝導型を有することを特徴とする半導体層及び／又は領域を参照して説明される。したがって、Ｎ型材料は、負に帯電した電子の大多数の平衡濃度を有するが、Ｐ型材料は、正に帯電した孔の大多数の平衡濃度を有する。一部の材料は、別の層又は領域と比較して相対的に大きい（「＋」）又は小さい（「－」）、多数キャリアの濃度を示すために、（Ｎ＋、Ｎ－、Ｐ＋、Ｐ－、Ｎ＋＋、Ｎ－－、Ｐ＋＋、Ｐ－－などのように）「＋」又は「－」で指定され得る。しかし、そのような表記は、層又は領域内に特定の濃度の多数キャリア又は少数キャリアが存在することを意味しない。
【0212】
図面及び本明細書では、本発明の典型的な実施例が開示されており、特定の用語が使用されているが、それらは、一般的且つ説明的な意味でのみ使用されており、限定を目的とするものではなく、本発明の範囲は、次の特許請求の範囲に記載されている。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図4G】
【図4H】
【図4I】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図19A】
【図19B】
【図19C】
【図20】
【図21】
【図22】
【手続補正書】
【提出日】2024-08-23
【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】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であって、
基板であって、前記基板の両側に第１の表面及び第２の表面を含む基板と、
前記基板の前記第１の表面上のチャネル層と、
前記チャネル層上のバリア層と、
前記バリア層の上面に第１のオーミック・ソース・コンタクトを備えるソース・コンタクトと、
前記バリア層上の複数のドレイン・コンタクト及び複数のゲート・コンタクトと、
前記基板の前記第２の表面から前記第１のオーミック・ソース・コンタクトまで延びる第１のビアであって、平面図において、前記複数のドレイン・コンタクトのうちの１つと前記複数のゲート・コンタクトのうちの１つとの間にある第１のビアと
を含む、ＨＥＭＴ。
基板であって、前記基板の両側に第１の表面及び第２の表面を含む基板と、
前記基板の前記第１の表面上のチャネル層と、
前記チャネル層上のバリア層と、
前記バリア層の上面に第１のオーミック・ソース・コンタクトを備えるソース・コンタクトと、
前記バリア層上の複数のドレイン・コンタクト及び複数のゲート・コンタクトと、
前記基板の前記第２の表面から前記第１のオーミック・ソース・コンタクトまで延びる第１のビアであって、平面図において、前記複数のドレイン・コンタクトのうちの１つと前記複数のゲート・コンタクトのうちの１つとの間にある第１のビアと
を含む、ＨＥＭＴ。
【請求項2】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であって、
基板と、
前記基板上の半導体構造体と、
各々が前記基板及び前記半導体構造体内で延びる、第１のビア及び第２のビアと、
前記第１のビア上の第１のオーミック・ソース・コンタクト及び前記第２のビア上の第２のオーミック・ソース・コンタクトと、
前記半導体構造体上のドレイン・コンタクトであって、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間のドレイン・コンタクトと、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記ドレイン・コンタクトとの間のゲート・コンタクトと
を含み、
前記第１のビアは、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトまで延び、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトは、前記半導体構造体の上面の凹部内にある、ＨＥＭＴ。
基板と、
前記基板上の半導体構造体と、
各々が前記基板及び前記半導体構造体内で延びる、第１のビア及び第２のビアと、
前記第１のビア上の第１のオーミック・ソース・コンタクト及び前記第２のビア上の第２のオーミック・ソース・コンタクトと、
前記半導体構造体上のドレイン・コンタクトであって、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間のドレイン・コンタクトと、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記ドレイン・コンタクトとの間のゲート・コンタクトと
を含み、
前記第１のビアは、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトまで延び、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトは、前記半導体構造体の上面の凹部内にある、ＨＥＭＴ。
【請求項3】
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトは、前記バリア層の上面の凹部内にある、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項4】
高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）であって、
基板と、
前記基板上の半導体構造体と、
前記半導体構造体上の第１のオーミック・ソース・コンタクト及び第２のオーミック・ソース・コンタクトと、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間にある、前記半導体構造体上のドレイン・コンタクトと、
前記基板の底面と前記第１のオーミック・ソース・コンタクトとの間で延びる第１のビアと
を含み、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の距離は、６０μｍ以下である、ＨＥＭＴ。
基板と、
前記基板上の半導体構造体と、
前記半導体構造体上の第１のオーミック・ソース・コンタクト及び第２のオーミック・ソース・コンタクトと、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間にある、前記半導体構造体上のドレイン・コンタクトと、
前記基板の底面と前記第１のオーミック・ソース・コンタクトとの間で延びる第１のビアと
を含み、
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトと前記第２のオーミック・ソース・コンタクトとの間の距離は、６０μｍ以下である、ＨＥＭＴ。
【請求項5】
前記第１のビア内のバックメタル層は、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの底面に直接接触し、
前記バックメタル層と前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの前記底面との間の接触面積は、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの前記底面の面積の５０パーセント以上である、請求項１、２、又は４に記載のＨＥＭＴ。
前記バックメタル層と前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの前記底面との間の接触面積は、前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの前記底面の面積の５０パーセント以上である、請求項１、２、又は４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項6】
前記基板の底面に平行な方向における前記第１のビアの最大断面の面積は、１０００μｍ２未満である、請求項１から５までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項7】
前記基板の厚さは、７５μｍ以下である、請求項１から６までのいずれか一項に記載のＨＥＭＴ。
【請求項8】
前記第１のオーミック・ソース・コンタクトに隣接する前記半導体構造体又は前記バリア層内にドープされたウェルをさらに含む、請求項１、２、又は４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項9】
前記複数のドレイン・コンタクトのうちの前記１つ及び前記複数のゲート・コンタクトのうちの前記１つは、それぞれ第１の方向に延び、
前記第１のビアは、前記第１の方向に垂直な第２の方向における前記複数のドレイン・コンタクトのうちの前記１つと前記複数のゲート・コンタクトのうちの前記１つとの間にある前記ソース・コンタクトの部分の下にある、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
前記第１のビアは、前記第１の方向に垂直な第２の方向における前記複数のドレイン・コンタクトのうちの前記１つと前記複数のゲート・コンタクトのうちの前記１つとの間にある前記ソース・コンタクトの部分の下にある、請求項１に記載のＨＥＭＴ。
【請求項10】
前記基板に平行な平面における前記第１のビアの断面積は、前記基板に平行な平面における前記第１のオーミック・ソース・コンタクトの断面積より小さい、請求項１、２、又は４に記載のＨＥＭＴ。
【請求項11】
８４Ｖドレイン・バイアスでの高温逆バイアス（ＨＴＲＢ）動作において１０００時間を超えて動作するように構成されたＧａＮベースの高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）デバイスであって、
基板上に順次積層されている、チャネル層及びバリア層と、
前記バリア層上の第１のオーミック部分を含むソース・コンタクトであって、第１のユニット・セル・トランジスタ及び第２のユニット・セル・トランジスタで共有されているソース・コンタクトと、
前記基板から前記チャネル層及び前記バリア層を通って前記ソース・コンタクトの前記第１のオーミック部分まで延びるビアであって、前記第１のユニット・セル・トランジスタと前記第２のユニット・セル・トランジスタとの間にあるビアと
を含む、ＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
基板上に順次積層されている、チャネル層及びバリア層と、
前記バリア層上の第１のオーミック部分を含むソース・コンタクトであって、第１のユニット・セル・トランジスタ及び第２のユニット・セル・トランジスタで共有されているソース・コンタクトと、
前記基板から前記チャネル層及び前記バリア層を通って前記ソース・コンタクトの前記第１のオーミック部分まで延びるビアであって、前記第１のユニット・セル・トランジスタと前記第２のユニット・セル・トランジスタとの間にあるビアと
を含む、ＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項12】
前記ＨＴＲＢ動作は、１５０℃の温度で動作する、請求項１１に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項13】
前記ＨＴＲＢ動作を１０００時間動作させた後、前記ＨＥＭＴデバイスのゲート・リークは、１×１０－４から１×１０－３Ａの間である、請求項１１又は１２に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項14】
前記バリア層上にゲート・コンタクトをさらに含み、
前記ゲート・コンタクトは、第１の部分と、前記第１の部分上の第２の部分とを備え、
前記第２の部分は、前記第１の部分の１つ又は複数の側壁を越えて延びる、請求項１１から１３までのいずれか一項に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
前記ゲート・コンタクトは、第１の部分と、前記第１の部分上の第２の部分とを備え、
前記第２の部分は、前記第１の部分の１つ又は複数の側壁を越えて延びる、請求項１１から１３までのいずれか一項に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項15】
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の側壁を越えて前記ソース・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる、請求項１４に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項16】
前記バリア層上にドレイン・コンタクトをさらに含み、
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の側壁を越えて前記ドレイン・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる、請求項１４又は１５に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
前記ゲート・コンタクトの前記第２の部分は、前記ゲート・コンタクトの前記第１の部分の側壁を越えて前記ドレイン・コンタクトに向かって、０．５μｍから０．１５μｍの間の距離だけ延びる、請求項１４又は１５に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【請求項17】
前記基板に平行な平面における前記ビアの断面積は、前記基板に平行な平面における前記ソース・コンタクトの断面積より小さい、請求項１１に記載のＧａＮベースのＨＥＭＴデバイス。
【外国語明細書】