特許 7511662 抵抗フィールドプレートを有するトランジスタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-27

(45)【発行日】2024-07-05

(54)【発明の名称】抵抗フィールドプレートを有するトランジスタ

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20240628BHJP

   H01L 29/812 20060101ALI20240628BHJP

   H01L 29/41 20060101ALI20240628BHJP

   H01L 29/417 20060101ALI20240628BHJP

   H01L 21/822 20060101ALI20240628BHJP

   H01L 27/04 20060101ALI20240628BHJP

   H01L 29/778 20060101ALI20240628BHJP

   H01L 29/06 20060101ALI20240628BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 F

H01L29/44 Y

H01L29/50 J

H01L27/04 P

H01L29/80 H

H01L29/06 301F

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022555074

(86)(22)【出願日】2021-01-13

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-04-27

(86)【国際出願番号】 US2021013146

(87)【国際公開番号】W WO2021188189

(87)【国際公開日】2021-09-23

【審査請求日】2022-09-13

(31)【優先権主張番号】16/819,728

(32)【優先日】2020-03-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】503455363

【氏名又は名称】レイセオン カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】アップルトン，ブライアン，トーマス，ジュニア．

(72)【発明者】

【氏名】ハウサー，ケイシー，アラン

【審査官】岩本 勉

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１４４９５７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１３／０２７７２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－１７８４１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２４８７５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５２４８１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２２００８９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０２６５１３９３（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許第０８７９７０８８（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２０３８７７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０３７６５５６５（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／８１２

Ｈ０１Ｌ ２９／７７８

Ｈ０１Ｌ ２７／０４

Ｈ０１Ｌ ２１／３３８

Ｈ０１Ｌ ２９／４１

Ｈ０１Ｌ ２９／４１７

Ｈ０１Ｌ ２１／８２２

Ｈ０１Ｌ ２９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

トランジスタであって、
半導体と、
前記半導体と接触した第１電極と、
前記半導体と接触した第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間の前記半導体内のチャネルにおけるキャリアの流れを制御するための、前記第１電極と前記第２電極との間に配置された制御電極であり、前記第１電極と前記第２電極との間に印加される電圧に応答して前記チャネル内に第１の電界が生成される、制御電極と、
前記制御電極と前記第２電極との間の領域内で前記チャネルの上に配置された、抵抗材料を有するフィールドプレートであり、当該フィールドプレートは、一端で前記第２電極に電気的に接続され、他端は、当該トランジスタのフィールドプレート制御端子を提供する、フィールドプレートと、
時間変化する電圧を生成するように構成された電圧源であり、当該電圧源は、前記抵抗材料の前記他端に接続されて、前記抵抗材料にわたる第２の電界を生成し、該第２の電界が前記チャネルに結合されて前記チャネル内の前記第１の電界を変更する、電圧源と、
を有するトランジスタ。

【請求項2】

前記フィールドプレートと前記チャネルとの間に配置された誘電体層、を含む請求項１に記載のトランジスタ。

【請求項3】

前記誘電体層は、前記フィールドプレートと前記チャネルとの間をＤＣ電流が通るのを防止するように選択されている、請求項２に記載のトランジスタ。

【請求項4】

前記フィールドプレートの材料は、前記フィールドプレートによって消費される電力を最小化するのに十分な高さの電気抵抗のものであるように選択されている、請求項３に記載のトランジスタ。

【請求項5】

トランジスタであって、
半導体構造と、
前記半導体構造と接触したソース電極と、
前記半導体構造と接触したドレイン電極と、
前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体構造内のチャネルにおけるキャリアの流れを制御するための、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極であり、前記ソース電極、前記ドレイン電極、及び前記ゲート電極に印加される電圧に応答して前記チャネル内に電界プロファイルが生成され、該電界プロファイルは１つ以上のピーク値を持つ、制御電極と、
前記ゲート電極と前記ドレイン電極の間の領域内で前記チャネルの上に配置された、抵抗材料を有するフィールドプレートであり、当該フィールドプレートは、一端で前記ドレイン電極に電気的に接続され、他端は、当該トランジスタのフィールドプレート制御端子を提供する、フィールドプレートと、
時間変化する電圧を生成するように構成された電圧源であり、当該電圧源は、前記フィールドプレートの前記他端に電気的に接続され、当該電圧源は、前記フィールドプレートに沿って徐々に変化する電位降下を作り出し、該徐々に変化する電位降下が、当該トランジスタの前記チャネルに結合されて、前記チャネル内の１つ以上の電界ピークの大きさを変更する、電圧源と、
を有するトランジスタ。

【請求項6】

前記フィールドプレートと前記チャネルとの間に配置された誘電体層、を含む請求項５に記載のトランジスタ。

【請求項7】

前記誘電体層は、前記フィールドプレートと前記チャネルとの間をＤＣ電流が通るのを防止するように選択されている、請求項６に記載のトランジスタ。

【請求項8】

前記フィールドプレートの材料は、前記フィールドプレートによって消費される電力を最小化するのに十分な高さの電気抵抗のものであるように選択されている、請求項７に記載のトランジスタ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この開示は、概してトランジスタに関し、より具体的には、そのようなトランジスタで使用されるフィールドプレートに関する。

【背景技術】

【0002】

技術的に知られているように、数多くのトランジスタが、高電圧が印加されたときに電界ピークを低下させるようにトランジスタ内に電界分布を形成するために、フィールドプレートを使用している。例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）系の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、特にＧａＮ高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）は、無線周波数（ＲＦ）コンポーネント及びシステムにとってのブレイクスルーテクノロジである。ＧａＮトランジスタによって電力供給されるモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）は、歴史上存在したがガリウム砒素（ＧａＡｓ）又はシリコン（Ｓｉ）テクノロジと比較して、２倍から３倍の電力密度をサポートする。ＲＦ用途及び電力用途向けのＧａＮ系トランジスタの性能を最大化する努力は、変わることなく、動作電圧を高めることを追い求めている。より高い動作電圧を可能にするために、単一又は複数のフィールドプレートがＦＥＴに統合されている。最適化された（１つ以上の）フィールドプレート構造は、デバイス内のピーク電界を低下させ、それにより、絶縁破壊電圧を伸ばし、リーク電流を低減させ、信頼性を向上させる。フィールドプレート幾何学構成のバリエーション、複数のフィールドプレートの統合、及びバイアス方式（例えば、ソース接続、ゲート接続、及びフローティング）を含め、多様なフィールドプレート設計が特許及び文献で提案されてきた。

【0003】

１つのそのような構造を図１に示す。トランジスタとして示すように、ここでは、窒化ガリウム（ＧａＮ）高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ）を、基板上にＧａＮ層を持つ半導体構造を含むように示している。ＧａＮ層上に、図示のように、窒化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＮ）層があり、ＧａＮ層内に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネルを作り出す。ＧａＮ層はトランジスタのチャネル内で電荷を運ぶように作用する。図示のように、従来からのＳｉＮ誘電体パッシベーション層が設けられる。当該トランジスタは、当該トランジスタのＡｌＧａＮ層とオーミックコンタクトする第１電極（“ソース”、Ｓ）と、当該トランジスタのＡｌＧａＮとオーミックコンタクトする第２電極（“ドレイン”、Ｄ）と、ここでは第１電極Ｓと第２電極Ｄとの間の半導体構造の２ＤＥＧチャネルであるチャネル内のキャリアの流れを制御するための、ＡｌＧａＮ層とショットキーコンタクトして第１電極Ｓと第２電極Ｄとの間に配置された制御電極（“ゲート”、Ｇ）とを含む。これら３つの電極Ｓ、Ｄ、Ｇに印加される電圧に応答して、２ＤＥＧチャネル内に電界プロファイルが作り出され、この電界プロファイルは特定の（１つ以上の）ピーク値を持つ。ここで、当該ＨＥＭＴは、ゲート電極（Ｇ）とドレイン電極（Ｄ）との間に配置された、ここでは導電体であるフィールドプレートを含む。該フィールドプレートは、ソース電極（Ｓ）に接続されることがあり、その場合、ソース接続フィールドプレート（source connected field plate、ＳＣＦＰ）であると見なされ、あるいは、独立した電圧源に接続されることもある。

【発明の概要】

【0004】

本開示によれば、半導体と、前記半導体と接触した第１電極と、前記半導体と接触した第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間の前記半導体内のチャネルにおけるキャリアの流れを制御するための、前記第１電極と前記第２電極との間に配置された制御電極と、を有するトランジスタが提供される。前記第１電極と前記第２電極との間に印加される電圧に応答して前記チャネル内に第１の電界が生成される。前記チャネルの上に、抵抗材料を有するフィールドプレートが配置される。前記抵抗材料の部分にまたがって電圧源が接続されて、前記抵抗材料の前記部分にわたる第２の電界を生成し、該第２の電界が前記チャネルに結合されて前記チャネル内の前記第１の電界を変更する。

【0005】

一実施形態において、半導体構造と、前記半導体構造と接触したソース電極と、前記半導体構造と接触したドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体構造内のチャネルにおけるキャリアの流れを制御するための、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極と、を有するトランジスタが提供される。前記ソース電極、前記ドレイン電極、及び前記ゲート電極に印加される電圧に応答して前記チャネル内に電界プロファイルが生成され、該電界プロファイルはピーク値又は複数のピーク値を持つ。前記ゲート電極と前記ドレイン電極の間の領域内で前記チャネルの上に、抵抗材料を有するフィールドプレートが配置され、当該フィールドプレートは、一端で前記ドレイン電極に電気的に接続され、他端は、当該トランジスタのフィールドプレート制御端子を提供する。前記フィールドプレート制御端子に電圧源が電気的に接続され、当該電圧源は、前記フィールドプレートに沿って漸進的な電位降下を作り出し、該漸進的な電位降下が、トランジスタチャネルに結合されて、前記チャネル内の電界のピーク又は複数のピークの大きさを変更する。

【0006】

一実施形態において、当該トランジスタは、前記フィールドプレートと前記チャネルとの間に配置された誘電体層を含む。

【0007】

一実施形態において、前記誘電体層は、前記フィールドプレートと前記チャネルとの間をＤＣ電流が通るのを防止するように選択されている。

【0008】

一実施形態において、前記フィールドプレートの材料は、前記フィールドプレートによって消費される電力を最小化するのに十分な高さの電気抵抗のものであるように選択されている。

【0009】

このような構成では、例えば線形傾斜などで傾斜したフィールドプレート電位を提供する例えば薄膜抵抗などの抵抗（レジスティブ）フィールドプレートを有し、フィールドプレート効果の大きさを、トランジスタのソース、ゲート、及びドレインに印加されるバイアス電圧とは独立に、電圧源によって生成される電圧を変えることによって調節することができる。従って、ＧａＮ ＨＥＭＴのドレインアクセス領域の誘電体層の上に、薄膜抵抗で構成されるフィールドプレートが配置される。フィールドプレートの一端がトランジスタのドレイン端子に電気的に接続される。ゲート端子と重ならない他端は、外部電圧源に接続され、これが、トランジスタのソース、ゲート、ドレインに印加されるバイアス電圧とは独立したフィールドプレートの制御を可能にする。従って、当該トランジスタは、ゲート、ドレイン、ソース、及びフィールドプレートの４端子デバイスであり、ソースとドレインとの間且つゲートの下にキャリアチャネルが形成される。フィールドプレートは、当該フィールドプレートが上に座する誘電体層の上に線形傾斜した静電ポテンシャルを強いることによって、ピーク電界低下という目標を達成する。この誘電体層が十分に薄ければ、抵抗フィールドプレートにわたるフィールドプレート電位がトランジスタのキャリアチャネルに結合して、チャネル内の（１つ以上の）ピーク電界を低下させることになる。トランジスタのソース、ゲート、及びドレインに印加されるバイアス電圧とは独立したフィールドプレートの制御は、動的性能要求、動作電圧、環境条件、及び信頼性要求に適合するためにフィールドプレート効果をリアルタイムに変化させることを可能にする。

【0010】

その長さ方向に沿って、抵抗フィールドプレートは、誘電体（ＳｉＮ層）の表面において線形な電位降下を強制する。ＳｉＮ層が十分に薄ければ、この線形電位降下がトランジスタチャネル（２ＤＥＧ）に結合して、ドレイン端子とゲート端子との間の電位に漸進的な低下を可能にする。外部電圧源Ｖ_ｆｐを調節することで、フィールドプレート効果を、無視できるほどの効果（～０Ｖ）から相当な効果（≧Ｖ_ｄ）まで変化させることができ、ここで、Ｖ_ｄは、例えば一般的な又はグランドソース用途においてのような通常動作においてドレインに印加される電圧であるドレイン電圧である。

【0011】

抵抗フィールドプレートは、その両端間に大きい抵抗（低いコンダクタンス）を示し、それ故に、外部電圧源には小さい電流（１ｍＡ以下）のみが流れる。

【0012】

本開示の１つ以上の実施形態の細部が、添付の図面及び以下の記載にて説明される。本開示のその他の特徴、目的及び利点が、これらの記載及び図面並びに請求項から明らかになる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】従来技術に従った導電性のフィールドプレートを有するトランジスタの概略断面図である。

【図2】本開示に従った抵抗フィールドプレートを有するトランジスタの概略断面図である。

【図3】図２の実施形態についての、異なるＶ_ｆｐ値での、高電圧（ＨＶ）－ＧａＮトランジスタの２ＤＥＧチャネルの長さ方向に沿った静電ポテンシャルのシミュレーション結果を示している。

【図4】図２の実施形態についての、異なるＶ_ｆｐ値での、ＨＶ－ＧａＮトランジスタの２ＤＥＧチャネルの長さ方向に沿った電界シミュレーション結果を示している。

【図5】図１のデバイスについての、ソース接続フィールドプレート（ＳＣＦＰ）構成で接続された伝統的なメタルフィールドプレートによって生成される２ＤＥＧチャネルの長さ方向に沿った電界のシミュレーション結果を示している。

【0014】

様々な図中の似通った参照符号は同様の要素を指し示している。

【発明を実施するための形態】

【0015】

次に図２を参照するに、ここでは、窒化ガリウム高電子移動度トランジスタ（ＧａＮ ＨＥＭＴ）であるトランジスタ１０が、基板１１上に配置されたＧａＮ層１２を持つ半導体構造を含むように示されており、図示のように、ＧａＮ層１２上にＡｌＧａＮ層１４が配置されて、ＧａＮ層１２内に二次元電子ガス（２ＤＥＧ）チャネル１５を作り出す。ＧａＮ層１２はトランジスタ１０のチャネル内で電荷を運ぶように作用する。図示のように、従来からのＳｉＮ誘電体パッシベーション層１７が設けられる。トランジスタ１０は、当該トランジスタ１０の２ＤＥＧチャネル１５とオーミックコンタクトする第１電極（“ソース”、Ｓ）と、当該トランジスタの２ＤＥＧチャネル１５とオーミックコンタクトする第２電極（“ドレイン”、Ｄ）と、ここでは第１電極Ｓと第２電極Ｄとの間の半導体構造の２ＤＥＧチャネル１５であるチャネル内のキャリアの流れを制御するための、ＡｌＧａＮ層１４とショットキーコンタクトして第１電極Ｓと第２電極Ｄとの間に配置された制御電極（“ゲート”、Ｇ）とを含む。これら３つの電極Ｓ、Ｄ、Ｇに印加される電圧に応答して、２ＤＥＧチャネル１５内に電界プロファイルが作り出され、この電界プロファイルは特定の（１つ以上の）ピーク値を持つ。制御電極Ｇと第２電極Ｄとの間の領域内の２ＤＥＧチャネル１５の上の誘電体パッシベーション層１７上に、ここでは例えば反応性スパッタリングされた窒化タンタル（ＴａＮ）である抵抗材料からなるフィールドプレート２０が配置される。フィールドプレート２０は、一端Ｅ１で第２電極Ｄに電気的に接続され、他端Ｅ２でトランジスタ１０の第４端子２２を提供する。第４端子２２に電圧源Ｖ_ｆｐが電気的に接続される。電圧源の値Ｖ_ｆｐは、漸進的な電位降下がフィールドプレート２０に沿って発生してトランジスタ１０の２ＤＥＧチャネル１５に結合されるように設定され、このような結合が、２ＤＥＧチャネル１５内の（１つ以上の）電界ピークの大きさの低減を供する。なお、電圧源Ｖ_ｆｐは、トランジスタのソース、ゲート、及びドレインに印加されるバイアス電圧とは独立である。ＳｉＮ層１７は、抵抗フィールドプレート２０にわたるこの線形な電位降下がトランジスタ１０の２ＤＥＧチャネル１５に結合することになる一方で、フィールドプレート２０とチャネル１５との間をＤＣ電流が通るのを防ぐように、十分に薄くあるべきである。

【0016】

より具体的には、抵抗フィールドプレート２０の長さ方向に沿った電位降下は、２ＤＥＧチャネル１５に近接していることによって、２ＤＥＧチャネル１５に結合される。誘電体層１７（ここではフィールドプレート２０とトランジスタ２ＤＥＧチャネル１５との間のＳｉＮ層）の厚さが、フィールドプレート２０に関連する閾値電圧及びその静電容量を決定する。チャネル１５にいっそう近いフィールドプレート２０は、２ＤＥＧチャネルの電位に対していっそう強い効果（及びいっそう大きい静電容量）を持つことになり、２ＤＥＧチャネル１５からいっそう離れたフィールドプレート２０は、２ＤＥＧチャネルの電位に対していっそう弱い効果（及びいっそう小さい静電容量）を持つことになる。これはトランジスタのゲートＧに似ており、ゲートＧがチャネル１５に近いほど、その静電容量は大きく、且つチャネル１５の電位及びチャネル１５内のキャリアの流れを変調する能力は良くなる。フィールドプレート２０に沿った電位がチャネル１５に結合されることになるのは、静電学の法則が、フィールドプレート２０と窒化シリコン誘電体層１７との間での、そして同様に、窒化シリコン層１７とＡｌＧａＮ層１４、ＡｌＧａＮ層１４とＧａＮチャネル１５との間での静電ポテンシャル（電圧）の連続性を要求するからである。フィールドプレート２０上の電位は、先ず窒化シリコン層１７に結合され、次いでＡｌＧａＮ層１４に結合され、そして２ＤＥＧ ＧａＮチャネル１５に結合される。この結合の強さは、誘電体層１７の誘電率及び誘電体層１７の厚さに依存する。なお、フィールドプレート２０のうちドレイン電極Ｄに最も近い側が、ドレイン電極Ｄに接続される。一方側の端部Ｅ１で、フィールドプレート２０の電圧はトランジスタ１０のドレイン電極Ｄの電圧Ｖ_ｄと同じである。フィールドプレート２０の反対側（端部Ｅ２）（ゲートに近い側）の電圧は外部電圧源Ｖ_ｆｐによって設定される。２ＤＥＧチャネル１５の電位に対する効果（及びゲートＧの周りのピーク電界の所望の低下）をフィールドプレート２０が持つために、外部電圧源Ｖ_ｆｐは、ドレイン電圧Ｖ_ｄよりも低く、より負側の電圧に設定される必要があり、実質的なピーク電界低下のために、外部電圧源Ｖ_ｆｐは、ゲート電極Ｇの電圧と同等の又はそれより低い電圧を有するべきであり、その結果、フィールドプレート２０にわたって印加される電位は、ほぼ、静止ドレイン－ゲート間電圧ほどになる。如何なるフィールドプレートもないと、ドレイン－ゲート間電圧の大部分がちょうどゲートＧのエッジで降下し、その位置の近くのチャネル１５内に大きいピーク電界をもたらす。抵抗フィールドプレート２０があると、ゲート－ドレイン間の領域全体にわたって分散されるようにしてドレイン－ゲート間電圧が降下する。定義上、より大きい距離にわたっての電位降下は、小さい距離にわたっての電位降下よりも、小さい電界に相当する。フィールドプレート電圧を実験的に設定する最も簡単な方法は、１つ以上の性能基準に基づいて、全自動（“セット・アンド・フォゲット”）で、最適な電圧を決定するものである。認知されていることには、フィールドプレート電圧Ｖ_ｆｐはトランジスタ性能（例えば、オン抵抗、最大電流）に幾らかの影響を与えることになる可能性が高く、ピーク電界低下とトランジスタ性能との間にトレードオフが生じることになる可能性が高い。より具体的には、フィールドプレート２０に印加される電圧は、ここでは、例えば、一端でドレイン電圧Ｖ_ｄによって決定され、他端ではソースＶ_ｆｐを介して印加される電圧によって決定される。抵抗率（抵抗）と印加電圧の両方が、抵抗フィールドプレート２０を流れる電流の量を決定する。抵抗を流れる電流が大きすぎるのは、熱として放散される無駄なエネルギーであるため望ましくない。フィールドプレート２０の抵抗が、電位プロファイルを構築し、窒化シリコン誘電体層１７ひいては２ＤＥＧチャネル１５に結合される電界を構築する。従って、抵抗材料の使用は、該抵抗材料が自身にわたる電圧降下を生み出すことを可能にし、その結果、電圧降下によって作り出される電界が２ＤＥＧチャネル１５に結合する。トランジスタ１０のゲートＧとドレインＤとの間の当該トランジスタの２ＤＥＧチャネル１５には、線形の電位降下（この電位降下の傾きが電界である）が望ましい。何故なら、線形プロファイルはゲートＧのエッジにおける電界ピークを最小化するためである。

【0017】

図３は、抵抗フィールドプレート２０の一実施形態を有する高電圧（ＨＶ）ＧａＮトランジスタ１０における静電ポテンシャルのシミュレーション結果を示している。デバイスがＡＢ級レジーム（ドレイン電圧Ｖ_ｄ＝９０Ｖ；ソース電圧Ｖ_ｓ＝０Ｖ；ドレイン電流Ｉ_ｄ＝９０ｍＡ／ｍｍ）にてバイアスされ、フィールドプレート電圧（Ｖ_ｆｐ）が０Ｖ（最小効果）から９０Ｖ（実質的効果）までスイープされている。図４は、これらの同じシミュレーション結果を少し異なる方法で示すプロットである。トランジスタの２ＤＥＧチャネル１５の長さ方向に沿ったスライスについて、図３のプロットは電位を示し、図４のプロットは電界プロファイルを示している。これらの結果は、フィールドプレートとしてのこの開示の有用性と、Ｖ_ｆｐを変化させることによってチャネル内の電位プロファイルを動的に操作する能力とを確立するものである。

【0018】

図５は、つまりは薄膜抵抗フィールドプレート２０が存在しないものである、例えば図１に示したＳＣＦＰなどの伝統的なメタルソース接続フィールドプレート（ＳＣＦＰ）によって作り出される電界プロファイルを示しており、バイアス条件及び他の幾何学構成は一定に保っている。伝統的なＳＣＦＰによってでは、ピーク電界が約１ＭＶ／ｃｍまでに限られるところ、抵抗フィールドプレート２０について図４の結果を調べるに、十分に大きい値のＶ_ｆｐで、ゲート周辺のピーク電界が、伝統的なメタルＳＣＦＰによって可能なものと同等又はそれよりも小さいことが見てとれる。図５の結果は、図４と比較することを意図したものである。図５のデバイスが、図２に示したような抵抗フィールドプレートの代わりに、伝統的なＳＣＦＰを有することを除いて、シミュレーションしたトランジスタ幾何学構成及びバイアス条件は同じである。理解されるべきことには、チャネル位置は、ソースコンタクトのエッジとドレインコンタクトのエッジとの間の、チャネルの長さ方向に沿った横方向位置である。０のチャネル位置は、ソースの位置、ドレインの位置、チャネルの中央など、どこに定義されてもよいので、その値自体は幾分恣意的なものであり、重要なのは、それらの相対的な位置である。図３、図４、及び図５では、プロットの左限がソースのエッジのチャネル位置に対応し、プロットの右限がドレインのエッジのチャネル位置に対応する。

【0019】

これらのシミュレーション結果は、トランジスタ内のピーク電界及び電位降下を制御するこの開示の動的能力を明らかにしている。本開示を用いて、特定の環境、動作条件（様々なドレイン電圧を含む）、及び性能要求に適合するように（外部電圧制御Ｖ_ｆｐを介して）トランジスタの静電特性をリアルタイムに変更することができる。

【0020】

２つの例：
（Ｉ） ピークチャネル温度（Ｔ_ｃｈ）低下： 理解されるべきことには、フィールドプレート電圧Ｖ_ｆｐを時間と共に変化させることで、２ＤＥＧチャネルに沿った電界の分布を変えることができる（図４）。デバイス内の電力消費プロファイルは、一次的には、この電界プロファイルにチャネル電流密度（Ａ／ｍｍ）を乗じたものであるので、チャネルに沿った電力消費のプロファイルもＶ_ｆｐによって操作することができる。より小さいＶ_ｆｐ値はゲート付近に集中した電力消費のピークをもたらすが、より大きいＶ_ｆｐ値はより良く電力消費を分布させて、ピークチャネル温度Ｔ_ｃｈを低下させる。例えば、ある特定の公称温度範囲の周辺環境において一定のピークチャネル温度を維持するように設計されたトランジスタが、温度上昇した周辺環境に一時的にさらされ、それ故に、望まれる限界を超えてトランジスタのピークチャネル温度を上昇させてしまうことがあり、フィールドプレート電圧Ｖ_ｆｐを変化させることにより、場合によって最適性能を犠牲にして、ピークチャネル温度を下げることができる。このような機能を実装するために、システムに温度センサを備え、その出力をアナログ又はデジタル制御ロジックと結合し、そして、該制御ロジックが、例えばＶ_ｆｐ電圧を生成する可変電圧レギュレータを使用することによって、温度センサからの読み取りに基づいてＶ_ｆｐを制御することができるようにし得る。

【0021】

（ＩＩ） 高温環境における電界低下： 信頼性は、ピーク電界及び温度の両方に依存し、高温では定格が下がることが多い。高温条件において、この開示は、デバイスの劣化及び経年劣化効果を軽減するために、（Ｖ_ｆｐを高めることによって）（１つ以上の）ピーク電界を動的に低下させることを可能にする。例えば、ある特定の公称温度範囲の周辺環境において特定の（１つ以上の）ピーク電界値と結合された特定のピークチャネル温度を維持するように設計されたトランジスタが、温度上昇した周辺環境に一時的にさらされ、それ故に、トランジスタのピークチャネル温度を上昇させ、（１つ以上の）ピーク電界値と相まって信頼性及び／又は生存に害をもたらすことがあり、信頼性及び生存を維持するために、フィールドプレート電圧Ｖ_ｆｐを変化させることにより、場合によって最適性能を犠牲にして、ピーク電界を更に低下させることができる。このような機能を実装するために、システムに温度センサを備え、その出力をアナログ又はデジタル制御ロジックと結合し、そして、該制御ロジックが、例えばＶ_ｆｐ電圧を生成する可変電圧レギュレータを使用することによって、温度センサからの読み取りに基づいてＶ_ｆｐを制御することができるようにし得る。このような機能は、ピーク電界及び温度を従属変数として含むトランジスタの信頼性モデルの先験的な構築を必要とする。このような信頼性モデルを用いて、十分なデバイス信頼性と適合する電界と温度の組み合わせを定量的に予測することができる。従って、理解されるべきことには、トランジスタ内の電界及びチャネル温度を変更するように電圧Ｖ_ｆｐをリアルタイムに変化させることができ、それによって、動的な性能要求、動作電圧、環境条件、及び信頼性要求に適するように、例えば、温度センサの使用によりこれらの環境条件をセンシングし、温度センサ出力をＶ_ｆｐ電圧源に送り、それによってＶ_ｆｐを然るべく変化させることによって、あるいは、経時劣化効果情報を格納し、Ｖ_ｆｐ電圧源への適切な制御信号を生成するようにプログラムされたマイクロプロセッサを用い、それによってＶ_ｆｐを然るべく変化させることによってなどで、これらの環境条件をセンシングすることにより、フィールドプレート効果をリアルタイムに変化させることを可能にする。このような適用において、理解されるべきことには、Ｖ_ｆｐ電圧源は固定電圧源に代えて可変電圧源となる。

【0022】

（チャネルの長さ方向に沿った）抵抗フィールドプレート材料の長さは、チャネル内の電界プロファイルを最適化するように選定される。抵抗フィールドプレートの幅は、２ＤＥＧチャネルの幅全体に及ぶ。フィールドプレート２０の抵抗体の長さ及び幅は、その抵抗値を決定する役割を果たし、これらのパラメータは先行検討に基づいて決められる。フィールドプレート２０の抵抗体の抵抗値を決定することができる残りの自由なパラメータは、抵抗体材料の抵抗率及びその厚さである。高い抵抗率及び薄い厚さはどちらも、全体の抵抗を増加させる。点Ｅ１とＥ２との間の抵抗フィールドプレートの全体抵抗Ｒは、抵抗体内での電力消費（Ｖ_ｆｐ ^２／Ｒに等しい）がトランジスタチャネルそれ自体内で消費される静止電力に対して無視できるように選ばれるべきである。例えば、高電圧ＧａＮトランジスタでは、１００Ｖのドレイン電圧を使用し、電圧源Ｖ_ｆｐを介してフィールドプレート２０に０Ｖを印加することがあり、Ｖ_ｆｐ＝１００Ｖとなる。１００ｋΩの抵抗Ｒは、１００ｍＷという抵抗体内での電力消費につながることになり、これはＡＢ級レジームにてバイアスされるトランジスタのチャネル１５内で消費される静止電力に対する許容可能な消費電力の妥当な上限である。抵抗値を高くすると、浪費する電力が少なくなるが、非常に高い抵抗値を達成することは、例えば高い抵抗率を持つ材料を用意したり非常に薄い層を作製したりするなどの実際上の制約によって制限され得る。

【0023】

ＳｉＮ誘電体の厚さは５００Åから５０００Åの範囲内とすべきである。それを厚くしすぎると、フィールドプレート２０の有効性（ピーク電界を低下させる能力）を減じることになり、それを薄くしすぎると、過剰な静電容量負荷が追加したり誘電体層１７それ自体を横切る過大な電界につながったりすることがあり、ＳｉＮ誘電体及び／又はＡｌＧａＮ層の早すぎる絶縁破壊につながってしまい得る。層１７それ自体の誘電体材料は窒化シリコン（ＳｉＮ）である必要はない。選択された具体的な誘電体の材料特性（例えば、誘電率及び絶縁破壊電圧）が、誘電体の最適な厚さを決定する役割を果たす。抵抗体にかかる電圧の値は、一次的には、トランジスタのドレイン－ゲート間電圧又はドレイン－ソース間電圧とほぼ同じにされるべきである。

【0024】

もはや理解されるはずのことには、本開示に従ったトランジスタは、半導体と、前記半導体と接触した第１電極と、前記半導体と接触した第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間の前記半導体内のチャネルにおけるキャリアの流れを制御するための、前記第１電極と前記第２電極との間に配置された制御電極であり、前記第１電極と前記第２電極との間に印加される電圧に応答して前記チャネル内に第１の電界が生成される、制御電極と、前記チャネルの上に配置された、抵抗材料を有するフィールドプレートと、前記抵抗材料の部分にまたがって接続されて、前記抵抗材料の前記部分にわたる第２の電界を生成する電圧源であり、該第２の電界が前記チャネルに結合されて前記チャネル内の前記第１の電界を変更する、電圧源と、を含む。当該トランジスタは、以下の特徴のうちの１つ以上を個別に又は組み合わせてのいずれかで含み得る：前記フィールドプレートと前記チャネルとの間に配置された誘電体層；前記誘電体層は、前記フィールドプレートと前記チャネルとの間をＤＣ電流が通るのを防止するように選択されている；前記フィールドプレートの材料は、前記フィールドプレートによって消費される電力を最小化するのに十分な高さの電気抵抗のものであるように選択されている；又は、前記電圧源は、時間変化する電圧として前記電圧を生成する。

【0025】

これまたもはや理解されるはずのことには、本開示に従ったトランジスタは、半導体構造と、前記半導体構造と接触したソース電極と、前記半導体構造と接触したドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記半導体構造内のチャネルにおけるキャリアの流れを制御するための、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間に配置されたゲート電極であり、前記ソース電極、前記ドレイン電極、及び前記ゲート電極に印加される電圧に応答して前記チャネル内に電界プロファイルが生成され、該電界プロファイルは１つ以上のピーク値を持つ、制御電極と、前記ゲート電極と前記ドレイン電極の間の領域内で前記チャネルの上に配置された、抵抗材料を有するフィールドプレートであり、当該フィールドプレートは、一端で前記ドレイン電極に電気的に接続され、他端は、当該トランジスタのフィールドプレート制御端子を提供する、フィールドプレートと、前記フィールドプレートに電気的に接続された電圧源であり、当該電圧源は、前記フィールドプレートに沿って徐々に変化する電位降下を作り出す電圧を生成し、該徐々に変化する電位降下が、当該トランジスタの前記チャネルに結合されて、前記チャネル内の１つ以上の電界ピークの大きさを変更する、電圧源と、を含む。当該トランジスタは、以下の特徴のうちの１つ以上を個別に又は組み合わせてのいずれかで含み得る：前記フィールドプレートと前記チャネルとの間に配置された誘電体層；前記誘電体層は、前記フィールドプレートと前記チャネルとの間をＤＣ電流が通るのを防止するように選択されている；前記フィールドプレートの材料は、前記フィールドプレートによって消費される電力を最小化するのに十分な高さの電気抵抗のものであるように選択されている；前記電圧源は、時間変化する電圧として前記電圧を生成する。

【0026】

本開示の多数の実施形態を説明してきた。そうとはいえ、理解されることには、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更がなされ得る。例えば、抵抗フィールドプレート２０に印加される電圧は一定であってもよく、あるいは、リアルタイム性能要求に基づいてフィールドプレート電圧Ｖ_ｆｐを調節する能力をシステムに与えてもよい。また、抵抗フィールドプレート２０の抵抗率又は厚さが、フィールドプレート２０の長さにわたって変化するように設計されてもよい。さらには、ゲートはショットキーコンタクトである必要はなく、抵抗フィールドプレートと共に金属－絶縁体－半導体（ＭＩＳ）ゲートが用いられてもよい。従って、他の実施形態が以下のクレームの範囲内にある。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】