特表 2024-545219 擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ、低雑音増幅器、及び関連装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-12-05

(54)【発明の名称】擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ、低雑音増幅器、及び関連装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/338 20060101AFI20241128BHJP

   H03F 1/32 20060101ALI20241128BHJP

【ＦＩ】

H01L29/80 H

H03F1/32

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024535470

(86)(22)【出願日】2022-12-06

(85)【翻訳文提出日】2024-07-10

(86)【国際出願番号】 CN2022136830

(87)【国際公開番号】W WO2023109570

(87)【国際公開日】2023-06-22

(31)【優先権主張番号】202111529775.4

(32)【優先日】2021-12-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】503433420

【氏名又は名称】華為技術有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＨＵＡＷＥＩ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＣＯ．，ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】Ｈｕａｗｅｉ Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ， Ｂａｎｔｉａｎ， Ｌｏｎｇｇａｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ， Ｓｈｅｎｚｈｅｎ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５１８１２９， Ｐ．Ｒ． Ｃｈｉｎａ

(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】100229448

【弁理士】

【氏名又は名称】中槇 利明

(72)【発明者】

【氏名】ユイ，ミーンラーン

(72)【発明者】

【氏名】トゥオン，トゥオン

(72)【発明者】

【氏名】イエ，ジエンウエイ

(72)【発明者】

【氏名】ユイ，ジエ

(72)【発明者】

【氏名】ジョウ，シヤオミン

(72)【発明者】

【氏名】シュイ，ユイスー

【テーマコード（参考）】

5F102

5J500

【Ｆターム（参考）】

5F102GB01

5F102GC01

5F102GD01

5F102GJ05

5F102GK05

5F102GK06

5F102GK08

5F102GL04

5F102GM06

5F102GM08

5F102GN05

5F102GQ03

5J500AA01

5J500AC21

5J500AF16

5J500AH12

5J500AK12

5J500AK29

5J500AQ02

5J500AS13

5J500AT01

5J500NG01

(57)【要約】

この出願は、擬似格子整合型高電子移動度トランジスタＰＨＥＭＴ、低雑音増幅器、及び関連装置を提供する。当該ＰＨＥＭＴは、チャネル層と、該チャネル層の両側にそれぞれ配置された下部バリア層及び上部バリア層であり、当該下部バリア層はチャネル層に接続されている、下部バリア層及び上部バリア層と、チャネル層と上部バリア層との間に配置された第１の分離層及び第１のドープト層であり、当該第１の分離層は、当該第１のドープト層をチャネル層から分離するように構成され、当該第１のドープト層は、２次元電子ガスを提供するように構成される、第１の分離層及び第１のドープト層と、を含む。当該ＰＨＥＭＴの出力電流が第１の閾値よりも小さいとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。これは、小さい出力電流下でのＰＨＥＭＴの線形性を改善し、ＬＮＡ非線形性によって引き起こされる相互変調歪みを低減させる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ（ＰＨＥＭＴ）であって、
チャネル層と、
前記チャネル層の両側にそれぞれ配置された下部バリア層及び上部バリア層であり、当該下部バリア層は前記チャネル層に接続されている、下部バリア層及び上部バリア層と、
前記チャネル層と前記上部バリア層との間に配置された第１の分離層及び第１のドープト層であり、当該第１の分離層は、当該第１のドープト層を前記チャネル層から分離するように構成され、当該第１のドープト層は、２次元電子ガスを提供するように構成される、第１の分離層及び第１のドープト層と、
を有し、
当該ＰＨＥＭＴの出力電流が第１の閾値よりも小さいとき、前記チャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い、
ＰＨＥＭＴ。

【請求項2】

前記下部バリア層は前記チャネル層に直接接続されている、請求項１に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項3】

前記第１のドープト層はシリコンドープされており、ドーピング濃度は、３ｅ１２ｃｍ^－２から５ｅ１２ｃｍ^－２である、請求項２に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項4】

前記下部バリア層は、第２の分離層及び第２のドープト層を介して前記チャネル層に接続され、前記第２の分離層は、前記チャネル層を前記第２のドープト層から分離するように構成され、前記第２のドープト層は、２次元電子ガスを提供するように構成される、請求項１に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項5】

前記第１のドープト層のドーピング濃度は、３．５ｅ１２ｃｍ^－２から４．５ｅ１２ｃｍ^－２であり、前記第２のドープト層のドーピング濃度は、３ｅ１１ｃｍ^－２から５ｅ１１ｃｍ^－２である、請求項４に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項6】

前記第２のドープト層のドーピング濃度に対する前記第１のドープト層のドーピング濃度の比が、予め設定された値よりも大きい、請求項４に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項7】

前記予め設定された値は９より大きい、請求項６に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項8】

前記第１のドープト層の前記濃度及び前記第２のドープト層の前記濃度の値は、当該ＰＨＥＭＴがオン状態にあるときに、前記チャネル層の前記伝導帯エネルギーレベルが前記フェルミエネルギーレベルよりも低いことを可能にする、請求項３乃至７のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項9】

前記チャネル層の厚さは１５－２０ｎｍである、請求項１乃至８のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項10】

当該ＰＨＥＭＴの前記出力電流が第２の閾値よりも小さいとき、前記チャネル層の前記伝導帯エネルギーレベルは実質的に厚さ方向に低下する、請求項１乃至９のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項11】

当該ＰＨＥＭＴは更に、キャップ層、ソース、ドレイン、及びゲートを有し、前記キャップ層は、前記上部バリア層の前記チャネル層から遠い側に配置され、且つオーミックコンタクトを提供するための貫通孔を備え、前記ゲートは前記貫通孔内に配置され、前記ソース及び前記ドレインは、どちらも前記キャップ層の前記上部バリア層から遠い側に配置され、且つ前記貫通孔の両側にそれぞれ位置する、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項12】

前記チャネル層は、インジウムガリウム砒素からなり、前記上部バリア層、前記下部バリア層、又は前記分離層は、アルミニウムガリウム砒素からなる、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項13】

請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴを有する低雑音増幅器。

【請求項14】

請求項１３に記載の低雑音増幅器を有する無線周波数回路。

【請求項15】

請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ、請求項１３に記載の低雑音増幅器、及び請求項１４に記載の無線周波数回路のうちの少なくとも１つを有する、無線周波数チップ。

【請求項16】

請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ、請求項１３に記載の低雑音増幅器、請求項１４に記載の無線周波数回路、及び請求項１５に記載の無線周波数チップのうちの少なくとも１つを有する電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この出願は、２０２１年１２月１４日に中国国家知識産権局に出願された、“擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ、低雑音増幅器、及び関連装置”と題された中国特許出願第２０２１１１５２９７７５．４号に対する優先権を主張するものであり、その出願をその全体にてここに援用する。
この出願は、半導体デバイス技術の分野に関し、特に、擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ、低雑音増幅器、及び関連装置に関する。

【背景技術】

【0002】

図１に示すように、受信信号が低雑音増幅器ＬＮＡを通り抜けるとき、無線通信プロダクトのアンテナ端の受信リンク上の受信信号と、該受信リンクへと漏れる送信信号とで、相互変調信号を生成し、相互変調歪み（intermodulation distortion，ＩＭＤ）を生じる。これは、ＬＮＡの非線形な特性によって引き起こされる。３次相互変調積の周波数が受信信号の周波数に非常に近いので、３次相互変調積は受信リンクにおける後続のフィルタによって抑圧されることができず、リンク上の受信信号に対する干渉を生じさせる。

【発明の概要】

【0003】

この出願の実施形態は、擬似格子整合型高電子移動度トランジスタＰＨＥＭＴ、低雑音増幅器、及び関連装置を提供する。ＰＨＥＭＴの出力電流が第１の閾値よりも小さいとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。これは、小さい出力電流下でのＰＨＥＭＴの線形性を改善し、ＬＮＡ非線形性によって引き起こされる相互変調歪みを低減させる。

【0004】

第１の態様によれば、この出願の一実施形態は、擬似格子整合型高電子移動度トランジスタＰＨＥＭＴを提供し、当該ＰＨＥＭＴは、
チャネル層と、
チャネル層の両側にそれぞれ配置された下部バリア層及び上部バリア層であり、当該下部バリア層はチャネル層に接続される、下部バリア層及び上部バリア層と、
チャネル層と上部バリア層との間に配置された第１の分離層及び第１のドープト層であり、当該第１の分離層は、当該第１のドープト層をチャネル層から分離するように構成され、当該第１のドープト層は、２次元電子ガスを提供するように構成される、第１の分離層及び第１のドープト層と、
を含み、
当該ＰＨＥＭＴの出力電流が第１の閾値よりも小さいとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。

【0005】

当該ＰＨＥＭＴの出力電流が第１の閾値よりも小さいときに、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低いように、当該ＰＨＥＭＴ内のチャネル層のエネルギーレベル構造が調整される。これは、小さい出力電流下でのＰＨＥＭＴの線形性を改善し、ＬＮＡ非線形性によって引き起こされる相互変調歪みを低減させる。

【0006】

取り得る一実装において、下部バリア層はチャネル層に直接接続される。

【0007】

ＰＨＥＭＴ内の下部ドープト層が除去されることで、厚さ方向におけるチャネル層のエネルギーレベルの勾配がより小さくなり、小電流下での動作中にチャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低くなる。

【0008】

取り得る一実装において、第１のドープト層はシリコンドープされており、ドーピング濃度は、３ｅ１２ｃｍ^－２から５ｅ１２ｃｍ^－２である。

【0009】

取り得る一実装において、第１のドープト層のドーピング濃度は、５ｅ１２ｃｍ^－２から６ｅ１２ｃｍ^－２である。

【0010】

当該ＰＨＥＭＴ内の第１のドープト層の濃度が増加されることで、当該ＰＨＥＭＴの利得が増加される。

【0011】

取り得る一実装において、下部バリア層は、第２の分離層及び第２のドープト層を介してチャネル層に接続され、第２の分離層は、チャネル層を第２のドープト層から分離するように構成され、第２のドープト層は、２次元電子ガスを提供するように構成される。

【0012】

当該ＰＨＥＭＴは、ダブルドープトトＰＨＥＭＴ、例えば、ダブルδドープトＰＨＥＭＴである。

【0013】

取り得る一実装において、第１のドープト層のドーピング濃度は、３．５ｅ１２ｃｍ^－２から４．５ｅ１２ｃｍ^－２であり、第２のドープト層のドーピング濃度は、３ｅ１１ｃｍ^－２から５ｅ１１ｃｍ^－２である。

【0014】

取り得る一実装において、第１のドープト層のドーピング濃度は、４ｅ１２ｃｍ^－２から６ｅ１２ｃｍ^－２であり、第２のドープト層のドーピング濃度は、２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２である。

【0015】

取り得る一実装において、第２のドープト層のドーピング濃度に対する第１のドープト層のドーピング濃度の比が、予め設定された値よりも大きい。

【0016】

オプションで、予め設定された値は、６より大きい正の数であり、例えば、９、１０、１５、３０、７０、１００、又は１５０である。

【0017】

当該ＰＨＥＭＴの総ドーピング濃度が変わらない又は減少しない場合、下部ドープト層（第２のドープト層）のドーピング濃度が減少され、又は下部ドープト層（第２のドープト層）のドーピング濃度に対する上部ドープト層（第１のドープト層）のドーピング濃度の比が増加されることで、厚さ方向におけるチャネル層のエネルギーレベルの勾配が小さくなり、小電流下での動作中にチャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低くなる。

【0018】

取り得る一実装において、チャネル層の厚さは１５－２０ｎｍ、１８－２０ｎｍ、又は２０－２５ｎｍであり、例えば１８ｎｍである。

【0019】

取り得る一実装において、当該ＰＨＥＭＴの出力電流が第２の閾値よりも小さいとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルは実質的に厚さ方向に低下する。

【0020】

当該ＰＨＥＭＴのチャネル層の厚さが増加されることで、デバイスが動作するときのチャネル層の下の電子の蓄積が回避され、より均一に電子が分布する。これは、当該ＰＨＥＭＴの線形性を向上させる。

【0021】

取り得る一実装において、当該ＰＨＥＭＴは更に、キャップ層、ソース、ドレイン、及びゲートを含み、キャップ層は、上部バリア層のチャネル層から遠い側に配置され、且つオーミックコンタクトを提供するための貫通孔を備え、ゲートは貫通孔内に配置され、ソース及びドレインは、どちらもキャップ層の上部バリア層から遠い側に配置され、且つ貫通孔の両側にそれぞれ位置する。

【0022】

取り得る一実装において、チャネル層は、インジウムガリウム砒素からなり、上部バリア層、下部バリア層、又は分離層は、アルミニウムガリウム砒素からなる。

【0023】

第２の態様によれば、この出願の一実施形態は更に、第１の態様又は第１の態様の取り得る実装のうちのいずれか一に従ったＰＨＥＭＴを含む低雑音増幅器を提供する。

【0024】

第３の態様によれば、この出願の一実施形態は更に、第２の態様に従った低雑音増幅器を含む無線周波数回路を提供する。

【0025】

第４の態様によれば、この出願の一実施形態は更に、第１の態様又は第１の態様の取り得る実装のうちのいずれか一に従ったＰＨＥＭＴ、第２の態様に従った低雑音増幅器、及び第３の態様に従った無線周波数回路のうちの少なくとも１つを含む無線周波数チップを提供する。

【0026】

第５の態様によれば、この出願の一実施形態は更に、第１の態様又は第１の態様の取り得る実装のうちのいずれか一に従ったＰＨＥＭＴ、第２の態様に従った低雑音増幅器、第３の態様に従った無線周波数回路、及び第４の態様に従った無線周波数チップのうちの少なくとも１つを含む電子機器を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0027】

この出願の実施形態における技術的ソリューションをより明確に説明するために、以下にて、実施形態を説明するための添付の図面を簡単に説明する。

【図1】この出願の一実施形態に従った、アンテナ端受信リンク上で生成される相互変調信号の概略説明図である。

【図2A】従来技術に従ったダブルδドープトＰＨＥＭＴの構造の概略図である。

【図2B】図２Ａに示すＰＨＥＭＴの直流出力特性カーブの図の一例である。

【図2C】図２Ａに示すＰＨＥＭＴのエネルギーバンド構造の概略図である。

【図2D】異なる出力電流の下での図２Ａに示すＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値のカーブの図の一例である。

【図3】従来技術におけるＯＩＰ３値を定義する概略図である。

【図4】この出願の一実施形態に従ったシングルδドープトＰＨＥＭＴの断面構造の概略図である。

【図5】この出願の一実施形態に従ったダブルδドープトＰＨＥＭＴの断面構造の概略図である。

【図6A】異なる出力電流の下での、従来技術に従ったダブルδドープトＰＨＥＭＴ及びこの出願の一実施形態に従ったシングルδドープトＰＨＥＭＴそれぞれのＯＩＰ３値のカーブの図の一例である。

【図6B】異なる出力電流の下での、従来技術に従ったダブルδドープトＰＨＥＭＴ及びこの出願の一実施形態に従ったシングルδドープトＰＨＥＭＴそれぞれのＯＩＰ３値のカーブの図の一例である。

【図7A】従来技術に従ったダブルδドープトＰＨＥＭＴのエネルギーバンドの図の一例である。

【図7B】この出願の一実施形態に従ったシングルδドープトＰＨＥＭＴのエネルギーバンドの図の一例である。

【図7C】この出願の一実施形態に従った、チャネル層におけるシングルδドープトＰＨＥＭＴ及びダブルδドープトＰＨＥＭＴの伝導帯構造の図の一例である。

【図8】６０ｍＡ／ｍｍの出力電流下での、チャネル層がそれぞれ１２ｎｍ厚及び１８ｎｍ厚であるダブルδドープトＰＨＥＭＴの電子濃度分布の図である。

【図9】この出願の一実施形態に従ったＬＮＡの回路構造の概略図である。

【図10】この出願の一実施形態に従った無線周波数システムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

一般に、相互変調信号によって受信信号に引き起こされる干渉を低減させる方法が２つる。

【0029】

１つの方法では、受信リンクへの送信信号のリークを抑制するために、デュプレクサのアイソレーションが高められる。デュプレクサは、ダイプレクサとも呼ばれ、送信リンク及び受信リンクの双方が同時に動作できることを確保するために、共用アンテナによって送信される送信信号を、共用アンテナによって受信される受信信号からアイソレートするように機能する。相互変調信号によって受信信号に引き起こされる干渉を抑制するためにデュプレクサのアイソレーションが高められる場合、デュプレクサのキャビティを大きくする必要がある。これは、デュプレクサのサイズを増大させ、コストも大幅に増加させる。

【0030】

もう１つ方法では、リーク信号と受信信号とによって生成され、フィルタによってでは完全に抑圧できない相互変調信号を低減させるために、低雑音増幅器（ＬＮＡ）の線形性が改善される。ＬＮＡの線形性は、トランジスタのコアによって決定される。トランジスタは、擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ（pseudomorphic high electron mobility transistor，ＰＨＥＭＴ）を使用することがある。

【0031】

図２Ａは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）系ＰＨＥＭＴの典型的な構造を示している。ＰＨＥＭＴのコアのエピタキシャル層は、上から下に、それぞれ、バッファ層（buffer layer）、下部バリア層、下部δドープト層、下部分離層、チャネル層（channel layer）、上部分離層、上部δドープト層、上部バリア層、及びキャップ層である。ガリウム砒素（ＧａＡｓ）系ＰＨＥＭＴの場合、基板上のバッファ層は、ガリウム砒素又はアルミニウムガリウム砒素からなることができ、基板の欠陥がＰＨＥＭＴの別の層に入るのを防止するように構成される。下部バリア層及び上部バリア層は、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）からなることができ、２次元電子ガスがバッファ層に入るのを防止するように構成される。下部δドープト層及び上部δドープト層はどちらも、シリコン（Ｓｉ）ドープされることができ、２次元電子ガスを提供するように構成される。上部分離層及び下部分離層は、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）からなることができ、ドープト層をチャネル層から分離するように構成される。チャネル層はインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）からなることができる。キャップ層は、高濃度ドープされたガリウム砒素からなることができ、ソース及びドレインを接続する。ソースとドレインとの間の出力電流を制御することができるように、ゲート電圧を用いることによってチャネル層の電子濃度が制御される。これは信号増幅機能を実現する。図２Ｂは、図２Ａに示すＰＨＥＭＴの直流出力特性カーブを示している。例えば、図２Ｂには、ＰＨＥＭＴの５つの動作状態、すなわち、オフ状態（１）、オンしかけ状態（２）、オン状態（３）、完全オン状態（４）、及び線形動作状態（５）をそれぞれ区別するために、５つの異なるゲート電圧が示されている。

【0032】

図２Ｃは、５つの異なる動作状態における、図２Ａに示すＰＨＥＭＴのエネルギーバンド構造の概略図である。理解されるべきことには、図２Ｃの各エネルギーバンド構造の図は、単に、全ての層の伝導帯構造を示しており、左から右に、すなわち、厚さ方向に、キャップ層、上部バリア層、上部δドープト層、上部分離層、チャネル層、下部分離層、下部δドープト層、及び下部バリア層の伝導帯を順に含んでいる。図には、上部δドープト層、下部δドープト層、チャネル層の位置のみが記されている。

【0033】

図２Ｃに示されるように、ＰＨＥＭＴがオフ状態（１）にあるとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルは、フェルミエネルギーレベルＥｆよりも遥かに高い。ゲート電圧が増加するにつれ、ＰＨＥＭＴがオンしかけ状態（２）になると、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルＥｆに近づく。ゲート電圧が更に増加するにつれ、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルが部分的にフェルミエネルギーレベルＥｆよりも低くなると、特定量の自由電子がチャネル層に現れる。この場合、ＰＨＥＭＴはオン状態（３）にある。ゲート電圧が更に増加するにつれ、チャネル層の伝導帯構造は、オン状態（３）での左上がり右下がりの形態から、完全オン状態（４）での形態へ、そして、線形動作状態（５）での形態へと順に変化する。すなわち、チャネル層の上側（つまりは、図２Ｄにおける左側、すなわち、上部分離層に隣接する側）にキャリアが位置する傾向がある。

【0034】

しかしながら、無線周波数システムの受信リンクにおける低電力消費及び低雑音の要件を満たすために、ＬＮＡは、実質的に、出力電流密度が６０－１００ｍＡ／ｍｍに制限された状態、すなわち、図２ＣにおけるＰＨＥＭＴのオン状態（３）で動作する。

【0035】

無線周波数回路におけるＬＮＡの低電力消費及び低雑音係数の要件を満たすために、動作点の出力電流は、実質的に６０－１００ｍＡ／ｍｍに制限される。高電子移動度の特性により、ＰＨＥＭＴは、低濃度の２次元電子ガスのみで動作状態電流に達することができる。結果として、ほとんどの動作点がＰＨＥＭＴのターンオン電圧付近にある。しかしながら、この範囲におけるＰＨＥＭＴの線形性は小さく、用途の要件を満たすことができない。ＰＨＥＭＴの線形性は、出力３次インターセプトポイント（output 3rd order intercept point，ＯＩＰ３）によって表される。より高いＯＩＰ３は、より高い直線性を示す。図２Ｄに示されるように、異なる出力電流の下での図２Ａに示すＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値のカーブは、図２Ｂに示す直流出力特性カーブに基づいて、計算を通じて取得され得る。図２Ｄからわかることには、出力電流が６０ｍＡであるとき、ＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値は約３６ｄＢｍであり、４１ｄＢｍ以上であるという要件を満たすことができない。従って、出力電流が小さいとき、すなわち、ＰＨＥＭＴがちょうどターンオンされるときにデバイスの線形性をどのように改善するかが、現在解決すべき喫緊の技術的問題である。

【0036】

以下にて、この出願の実施形態における技術用語を説明する。

【0037】

（１）ＬＮＡ

【0038】

ＬＮＡは、無線通信システムの重要な回路であり、非常に低い雑音係数を有する増幅器であり、アンテナによって受信された信号を増幅するように機能する。アンテナからの受信信号は弱い。このような弱い信号を増幅するには、信号品質を確保することが最も重要である。この目的のために、ＬＮＡは、あまり多くのノイズを導入することができない。さもなければ、信号が更に劣化することになり、復調を行うことができない。

【0039】

ほとんどのＬＮＡは、トランジスタ及び電界効果トランジスタを使用している。この出願の実施形態において、ＬＮＡは擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ（pseudomorphic high electron mobility transistor，ＰＨＥＭＴ）を使用する。

【0040】

（２）相互変調信号

【0041】

相互変調信号は、無変調信号と有用な信号とが非線形デバイスを通り、そして互いに相互作用するときに生成される相互変調周波数信号である。相互変調信号の周波数は有用な信号の周波数に非常に近いので、バックエンドフィルタでは相互変調信号をほとんど抑圧することができない。図１に示したように、受信信号（つまりは、有用な信号）と、受信リンクに漏れ入る送信信号（つまりは、干渉信号）とが同時にＬＮＡを通るとき、非線形効果により、それら２つの信号によって生成される相互変調信号の周波数は、時にして、受信信号の周波数に正確に等しくなったり近くなったりすることがあり、その結果、相互変調信号は受信器をスムーズに通過する。３次相互変調信号は、相互変調干渉と呼ばれる最も深刻な干渉を引き起こす。

【0042】

（３）ＰＨＥＭＴ

【0043】

ＰＨＥＭＴは、高電子移動度トランジスタ（high electron mobility transistor，ＨＥＭＴ）の改良である。ＰＨＥＭＴはダブルヘテロ接合構造を持ち、ＰＨＥＭＴの２次元電子ガス２ＤＥＧはポテンシャル井戸の両側にダブルリミッティング効果を持つ。従って、ＨＥＭＴと比べて、ＰＨＥＭＴは、高い電子表面密度を持つとともに、高い電子移動度を持つ。

【0044】

図２Ａは、典型的なダブルδドープトＰＨＥＭＴを示している。

【0045】

（４）ＯＩＰ３

【0046】

ＰＨＥＭＴの線形性は、出力３次インターセプトポイント（output 3rd order intercept point，ＯＩＰ３）によって表され得る。より高いＯＩＰ３値は、より高い直線性を示す。ＯＩＰ３値は、ＰＨＥＭＴ無線周波数入力及び出力カーブから作図によって取得され得る。図３に示すように、具体的には２つのカーブが描かれる。一方のカーブは、入力電力に対する入力周波数における増幅信号電力のカーブであり、他方のカーブは、入力電力に対する３次相互変調信号のカーブである。対数座標系において、線形増幅信号のカーブは、１の傾きを有する直線として表され、３次相互変調信号のカーブは、３の傾きを有する直線として表される。これら２つのカーブの交点に対応する出力信号電力がＯＩＰ３値である。

【0047】

（５）出力電流

【0048】

この出願の実施形態における出力電流は、ドレインから出力される電流としても参照される。小さい出力電流は簡潔に小電流とも称される。小さい出力電流は、出力電流が第１の閾値よりも小さい又は第２の閾値よりも小さいことを意味し、第１の閾値又は第２の閾値は、ＰＨＥＭＴがちょうどターンオンされるときに存在する電流密度とし得る。あるいは、小さい出力電流は、ＰＨＥＭＴの出力電流密度が４０－２００ｍＡ／ｍｍ又は６０－１００ｍＡ／ｍｍであることを意味する。第１の閾値は第２の閾値と等しくてもよいし、等しくなくてもよい。この出願の実施形態では、小さい出力電流が６０ｍＡ／ｍｍである例が説明される。この出願の実施形態における電流は電流密度も指す。

【0049】

この出願の実施形態では、ＰＨＥＭＴのチャネル層のエネルギーバンド構造が調整されるように、ＰＨＥＭＴ内の全ての層構造の厚さ及び材料などが設計され、特に、エピタキシャル層の厚さ、ドープト層のドーピング濃度、及び他の構造が設計される。従って、ＰＨＥＭＴが小さい出力電流下で動作するとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルはフェルミエネルギーレベルよりも低い。ゲート電圧が増加するにつれて、フェルミエネルギーレベル付近の電子濃度の増加はチャネル層の電子濃度に対してあまり影響を持たなくなる。これはＰＨＥＭＴの線形性を向上させる。伝導帯構造の観点から、オン状態（３）においてチャネル層の伝導帯勾配がより小さい。

【0050】

以下、チャネル層のエネルギーバンド構造の調整メカニズムを説明する。

【0051】

チャネル層のエネルギーバンド構造に影響を与える以下の幾つかの主要因が存在する。

【0052】

ａ：チャネル層とゲートとの間の距離。この距離は、チャネル層のエネルギーレベルに影響を与える。

【0053】

ｂ：上部／下部ドープト層のドーピング濃度。ドープト層は、そのドープト層の上の構造のエネルギーバンドの屈曲度合いを変化させる。例えば、上部ドープト層のドーピング濃度が増加すると、上部バリア層のエネルギーバンドの屈曲度合いが大きくなり、厚さ方向における上部バリア層のエネルギーレベルの勾配が大きくなる。他の一例では、下部ドープト層のドーピング濃度が増加すると、チャネル層のエネルギーバンドの屈曲度合いが大きくなり、厚さ方向におけるチャネル層のエネルギーレベルの勾配が大きくなる。従って、下部ドープト層の濃度が低減されることで、チャネル層のエネルギーバンドの屈曲度合いが大きくなり、厚さ方向におけるチャネル層のエネルギーレベルの勾配が大きくなり、小さい出力電流下での動作中にチャネル層の伝導帯エネルギーレベルが、フェルミエネルギーレベルよりも低くなる。

【0054】

ｃ：上部／下部ドープト層のドーピング濃度の比。ＰＨＥＭＴが小電流下で動作するときにチャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低いという要件を満たすために、下部ドープト層のドーピング濃度が低減される。しかしながら、上部／下部ドープト層の総ドーピング濃度はキャリア濃度に影響を及ぼす。これはデバイスの性能に影響する。また、より高いドーピング濃度は、デバイスのより高いターンオン電圧を示す。従って、総ドーピング濃度は、過度に低くても過度に高くてもいけない。

【0055】

ｄ：チャネル層の厚さ。チャネル層の厚さは、電子及び電流の分布に影響を及ぼす。厚いチャネル層とすると、デバイスが動作するときにチャネル層の下に蓄積される電子を回避することができ、その結果、電子がいっそう均一に分布する。これはＰＨＥＭＴの線形性を向上させる。

【0056】

従って、上述の幾つかの要因を参照して、この出願の実施形態は、チャネル層のエネルギーバンド構造を調整するための以下の幾つかのソリューションを提供する。それ故に、ＰＨＥＭＴが小電流下で動作するとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルはフェルミエネルギーレベルよりも低い。

【0057】

ソリューション１：下部ドープト層が除去されることで、厚さ方向におけるチャネル層のエネルギーレベルの勾配がより小さくなり、小電流下での動作中にチャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低くなる。

【0058】

ソリューション２：総ドーピング濃度が減少しない場合、下部ドープト層のドーピング濃度が減少され、又は下部ドープト層のドーピング濃度に対する上部ドープト層のドーピング濃度の比が増加される。

【0059】

ソリューション３：チャネル層の厚さが増加される。

【0060】

上記ソリューション１、２、及び３の組み合わせ、上部バリア層の厚さ及び／又は上部分離層の厚さの調整と上記ソリューション１、２、及び３のうちの少なくとも１つとの組み合わせ、並びにこれらに類するものも存在し得る。

【0061】

上述のソリューションでは、小電流下での動作中にチャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低くなるように、ＰＨＥＭＴ内の全ての層構造の厚さ及びドーピング濃度が調整される。斯くして、ＰＨＥＭＴの線形性を改善することができ、ＰＨＥＭＴによって形成されるＬＮＡの線形性を改善することができ、ＬＮＡによって出力される相互変調信号を低減させることができ、信号品質を改善することができる。

【0062】

以下、この出願の実施形態における添付の図面を参照して、この出願の実施形態を明確且つ詳細に説明する。

【0063】

図４は、ＰＨＥＭＴの断面構造の概略図である。上記ソリューション１を用いることによって、あるいは、上記ソリューション１と、上部バリア層の厚さ及び／又は上部分離層の厚さの調整、上記ソリューション２、及び上記ソリューション３のうちの少なくとも１つとの組み合わせを用いることによって、チャネル層のエネルギーバンド構造が調整される。

【0064】

図４に示すように、ＰＨＥＭＴは、シングルδドープされており、基板１と、基板１上に順に配置されたバッファ層２、下部バリア層３、チャネル層４、上部分離層５、第１のドープト層６、上部バリア層７、及びキャップ層８と、キャップ層８上に配置されたソース９及びドレイン１０と、上部バリア層７上に配置されたゲート電極１１とを含んでいる。以下では、ＧａＡｓ系ＰＨＥＭＴを例として用いて、各層の機能、組成、及び厚さなどを説明する。

【0065】

基板１はガリウム砒素（ＧａＡｓ）ウエハとし得る。

【0066】

バッファ層２は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）又はアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）、ただし、０＜ｘ＜１からなり得る。バッファ層２は、基板１の欠陥がＰＨＥＭＴのコアに入ることを防止することができる。一般に、基板１と下部バリア層３との間の格子不整合によって生じる欠陥を減少させることができるように、バッファ層におけるＡｌのドーピング濃度は、基板１から離れる方向に徐々に増加する。

【0067】

下部バリア層３はアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）からなり得る。下部バリア層３のバンドギャップ幅は、チャネル層４のバンドギャップ幅よりも大きい。下部バリア層３とチャネル層４とで、負接合であるヘテロ接合を形成する。下部バリア層３の厚さは、１０－５０ｎｍ又は１０－２５ｎｍとすることができ、例えば、１７ｎｍ又は２０ｎｍなどとし得る。

【0068】

例えば、バッファ層２におけるＡｌの最大ドーピング濃度は、下部バリア層３におけるＡｌのドーピング濃度以下である。

【0069】

チャネル層４は、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ_ｙＧａ_１－ｙＡｓ）、ただし、０＜ｙ＜１からなり得る。例えば、ｙの値の範囲は０．１－０．５とし得る。例えば、ｙは０．２２又は０．３である。

【0070】

一部の実施形態において、チャネル層４の厚さは、８ｎｍ又は１２ｎｍよりも大きく、チャネルエピタキシャル層の臨界厚さよりも小さいとし得る。例えば、Ｉｎ_０．２２Ｇａ_０．７８Ａｓからなるチャネル層の臨界厚さは約２０ｎｍである。臨界厚さは、インジウム含有量が減少するにつれて増加する。オプションで、チャネル層４の厚さは、８－３０ｎｍ、１２－３０ｎｍ、又は１５－２０ｎｍとすることができ、例えば、１７ｎｍ、１８ｎｍ、２０ｎｍ、又は２４ｎｍなどとし得る。チャネル層４の厚さが増加されることで、チャネル層４内の電子及び電流の分布が改善され得る。これは、チャネル層４の下の電子の蓄積を回避し、縦方向（つまりは、ＰＨＥＭＴの積層方向）の電流を低減させ、ＰＨＥＭＴの線形性を向上させる。

【0071】

例えば、チャネル層４はＩｎ_０．２２Ｇａ_０．７８Ａｓからなり、厚さは１８ｎｍである。

【0072】

上部分離層５は、チャネル層４を第１のドープト層６から分離して、第１のドープト層６のドーピング不純物がチャネル層４に入るのを防止するように構成される。上部分離層５は、アルミニウムガリウム砒素からなることができ、厚さは２－６ｎｍ、例えば４ｎｍ又は６ｎｍとすることができる。上部分離層５は、第１の分離層としても参照される。

【0073】

第１のドープト層６は、δドープされることができ、上部δドープト層としても参照される。第１のドープト層６はシリコンドープされ得る。上部分離層５上にドーピング不純物としてシリコンの薄い層が成長され、イオン化された後に２次元電子ガスを提供する。第１のドープト層６は数原子の厚さとすることができ、厚さは、２ｎｍ未満であり、例えば、１ｎｍ又は１ｎｍ未満である。

【0074】

例えば、第１のドープト層６のドーピング濃度は、従来技術のダブルδドープトＰＨＥＭＴにおける２つのドープト層のドーピング濃度の合計であり、あるいは、該ドーピング濃度は、３ｅ１２ｃｍ^－２から５ｅ１２ｃｍ^－２、５ｅ１２ｃｍ^－２から６ｅ１２ｃｍ^－２、１ｅ１２ｃｍ^－２から３ｅ１２ｃｍ^－２、４．６ｅ１２ｃｍ^－２から５．５ｅ１２ｃｍ^－２、又は５．５ｅ１２ｃｍ^－２から６．５ｅ１２ｃｍ^－２であり、例えば、４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。

【0075】

上部バリア層７は、アルミニウムガリウム砒素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）からなり得る。上部バリア層７のバンドギャップ幅は、チャネル層４のバンドギャップ幅よりも大きい。上部バリア層７と、第１のドープト層６と、上部分離層５と、チャネル層４とで、正の接合であるヘテロ接合を形成する。上部バリア層７の厚さは、１０－３０ｎｍ又は１０－２５ｎｍとすることができ、例えば、１５ｎｍ、１７ｎｍ、又は２０ｎｍなどとし得る。

【0076】

キャップ層８は、高濃度ドープされたガリウム砒素（ｎ^＋－ＧａＡｓ）からなることができ、厚さは５－１０ｎｍとし得る。キャップ層８はオーミック接触を提供するように構成される。

【0077】

キャップ層８は貫通孔を備える。ゲート１１は、貫通孔内に配置され、キャップ層８とは接触しない。ソース９及びドレイン１０は、どちらもキャップ層８の上部バリア層７から遠い側に配置され、貫通孔の両側にそれぞれ位置する。

【0078】

ソース９、ドレイン１０、ゲート１１は全て、導電性の金属からなる。ゲート１１は、ＰＨＥＭＴにゲート電圧を提供するように構成される。ゲート電圧がターンオン電圧よりも高いとき、ソース９とドレイン１０とが接続され、ドレイン電流が出力される。

【0079】

この出願のこの実施形態では、下部バリア層３がチャネル層４に直接接続される。ここで、“直接接続”は直接接触を意味する。換言すれば、下部バリア層３とチャネル層４との間に、他の層構造は含まれていない。

【0080】

なお、バッファ層２、下部バリア層３、上部分離層５、及び上部バリア層７は全て、アルミニウムガリウム砒素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）を用い得るが、これらの層におけるＡｌのドーピング濃度は同じであってもよいし、異なってもよい。これは、ここで限定されることではない。例えば、下部バリア層３、上部分離層５、及び上部バリア層７は全て、Ａｌ_０．２２Ｇａ_０．７８Ａｓを用いる。

【0081】

この出願のこの実施形態で提供されるシングルδドープトＰＨＥＭＴによれば、上部バリア層７のバンドギャップ幅及び下部バリア層３のバンドギャップ幅がどちらもチャネル層４のバンドギャップ幅よりも大きいので、当該シングルδドープトＰＨＥＭＴは、１つのドープされた正の接合（上部バリア層７／第１のドープト層６／上部分離層５／チャネル層４）と、１つのドープされていない負の接合（チャネル層４／下部バリア層３）とを持つ。ゲート電圧がターンオン電圧よりも高いとき、ドーピング不純物がイオン化される。上部バリア層７のバンドギャップ幅とチャネル層４のバンドギャップ幅とが異なるため、伝導帯は連続でなく、電子がチャネル層の片側に移動して２次元電子ガスを形成する。ソース９とドレイン１０とが接続され、ドレイン電流が出力される。

【0082】

この出願のこの実施形態では、チャネル層のエネルギーバンド構造の上述の調整メカニズムに基づいて、下部ドープト層が除去され、上部ドープト層（すなわち、第１のドープト層６）の適切な濃度が選択され、チャネル層４、上部バリア層７、及び上部分離層５の適切な厚さが選択される。得られるシングルδドープトＰＨＥＭＴでは、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低く、あるいは、チャネル層４と上部分離層５との間の境界における伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。オプションで、当該ＰＨＥＭＴにおいて、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルが厚さ方向に実質的に低下する。この出願のこの実施形態において、厚さ方向は、キャップ層から基板への方向である。図４に示される方向を参照されたい。この実質的な減少は、以下の２つのケースを含み得る。

【0083】

１． チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルが厚さ方向に低下する。換言すれば、上部バリア層からの距離が遠いことは、より低い伝導帯エネルギーレベルを示す。

【0084】

２． チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルが厚さ方向に実質的／巨視的に下降傾向にある。換言すれば、上部バリア層から微視的に離れた小領域において、伝導帯エネルギーレベルが相対的に高いことが許される。

【0085】

例えば、上部バリア層７の厚さは３－７ｎｍである。上部分離層５の厚さは４ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は３．０－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。チャネル層の厚さは１２ｎｍである。

【0086】

例えば、上部バリア層７の厚さは５ｎｍである。上部分離層５の厚さは３－５ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は３．０－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。チャネル層の厚さは８－１４ｎｍである。

【0087】

従来技術におけるダブルδドープトＰＨＥＭＴとは異なり、この出願のこの実施形態はシングルδドープトＰＨＥＭＴを提供する。総ドープ濃度が変えられないまま又は減少しない場合、上部バリア層７上のみでδドーピングが行われ、下部ドープト層は除去されて、厚さ方向におけるチャネル層４の伝導帯エネルギーレベルの勾配を低減させ、その結果、利得（つまりは、相互コンダクタンスｇｍ）に影響を及ぼすことなく、小さい出力電流下でのＰＨＥＭＴの線形性を改善することができる。

【0088】

また、チャネル層４の厚さが増加されることで、チャネル層４内の電子及び電流の分布を改善することができる。これは、チャネル層４の下の電子の蓄積を回避し、縦方向（つまりは、ＰＨＥＭＴの積層方向）の電流を減少させ、ＰＨＥＭＴの線形性を更に改善することができる。

【0089】

図５は、この出願の一実施形態に従った他のＰＨＥＭＴを示している。当該ＰＨＥＭＴはダブルドープトＰＨＥＭＴとし得る。図４に示した層構造に加えて、当該ＰＨＥＭＴは更に、第２のドープト層１２及び下部分離層１３を含み得る。

【0090】

第１のドープト層６及び第２のドープト層１２の両方がδドープされ得る。従って、第１のドープト層６は上部δドープト層６としても参照され、第２のドープト層１２は下部δドープト層１２としても参照される。第１のドープト層６及び第２のドープト層１２はどちらもシリコンドープされ得る。上部分離層５及び下部バリア層３の各々上にドーピング不純物としてシリコンの薄い層が成長され、イオン化された後に２次元電子ガスを提供する。第１のドープト層６及び第２のドープト層１２はどちらも数原子の厚さとすることができ、厚さは、２ｎｍ未満であり、例えば、１ｎｍ又は１ｎｍ未満である。第１のドープト層６のドーピング濃度は、第２のドープト層１２のドーピング濃度よりも高い。

【0091】

下部分離層１３は、第２のドープト層１２をチャネル層４から分離して、第２のドープト層１２のドーピング不純物がチャネル層４に入るのを防止するように構成される。下部分離層１３は、ガリウム砒素からなることができ、厚さは２－６ｎｍ、例えば４ｎｍとし得る。下部分離層１３は第２の分離層としても参照される。

【0092】

なお、バッファ層２、下部バリア層３、上部分離層５、下部分離層１３、及び上部バリア層７は全て、アルミニウムガリウム砒素を用い得るが、これらの層におけるＡｌのドーピング濃度は同じであってもよいし、異なってもよい。これは、ここで限定されることではない。

【0093】

この出願のこの実施形態で提供されるダブルδドープトＰＨＥＭＴによれば、上部バリア層７のバンドギャップ幅及び下部バリア層３のバンドギャップ幅がどちらもチャネル層４のバンドギャップ幅よりも大きいので、当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴは、１つのドープされた正の接合（上部バリア層７／第１のドープト層６／上部分離層５／チャネル層４）と、１つのドープされた負の接合（チャネル層４／下部分離層１３／第２のドープト層１２／下部バリア層３）とを持つ。ゲート電圧がターンオン電圧よりも高いとき、ドーピング不純物がイオン化される。バリア層のバンドギャップ幅とチャネル層４のバンドギャップ幅とが異なるため、伝導帯は連続でなく、電子がチャネル層の片側に移動して２次元電子ガスを形成する。ソース９とドレイン１０とが接続され、ドレイン電流が出力される。

【0094】

一部の実施形態において、チャネル層のエネルギーバンド構造が、上述のソリューション３を使用することによって調整される。図５に示すＰＨＥＭＴにおいて、チャネル層４の厚さは、１２ｎｍより大きく、且つチャネルエピタキシャル層の臨界厚さより小さい（すなわち、ＩｎＧａＡｓチャネルエピタキシャル層の移動限界を超えない）。従って、当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。例えば、チャネル層４の厚さは、８－３０ｎｍ、１２－３０ｎｍ、又は１５－２０ｎｍであり、例えば、１７ｎｍ、１８ｎｍ、２０ｎｍ、又は２４ｎｍなどである。チャネル層４の厚さ又は臨界厚さは、インジウムの含有量に関係する。より少ないインジウムの含有量は、より大きい厚さを示す。例えば、チャネル層４はＩｎ_０．２２Ｇａ_０．７８Ａｓからなり、厚さは１８ｎｍである。

【0095】

上述のダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、チャネル層４の厚さが増加されることで、チャネル層４内の電子及び電流の分布を改善することができる。これは、チャネル層４の下の電子の蓄積を回避し、厚さ方向の電流を低減させ、ＰＨＥＭＴの線形性を改善することができる。

【0096】

一部の他の実施形態において、チャネル層のエネルギーバンド構造が、上述のソリューション２を使用することによって調整される。従って、当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。

【0097】

例えば、第１のドープト層６のドーピング濃度は、３．５－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層１２のドーピング濃度は、３－５ｅ１１ｃｍ^－２である。

【0098】

例えば、第１のドープト層６のドーピング濃度と第２のドープト層１２のドーピング濃度との比が、予め設定された値よりも大きい。予め設定された値は、６以上であり、例えば、９、１０、１５、３０、７０、１００、又は１５０などである。

【0099】

他の一例では、第１のドープト層６のドーピング濃度は４－６ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層１２のドーピング濃度は、２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２、１ｅ６ｃｍ^－２から１ｅ１１ｃｍ^－２、又は１ｅ６ｃｍ^－２から１ｅ８ｃｍ^－２である。

【0100】

他の一例では、第１のドープト層６のドーピング濃度は、３．５－４．５ｅ１２ｃｍ^－２、４．５－６ｅ１２ｃｍ^－２、又は４．６－５．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層１２のドーピング濃度は、２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２である。

【0101】

当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、上部／下部δドープト層のドーピング濃度及びドーピング濃度の比が調整されることで、第２のドープト層１２によって生じるチャネル層４のエネルギーレベルの勾配が低減される。従って、デバイスが低電流下で動作するとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。これはデバイスの線形性を改善する。

【0102】

一部の他の実施形態において、チャネル層のエネルギーバンド構造が、上述のソリューション２及びソリューション３を使用することによって調整される。従って、当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。例えば、チャネル層の厚さは１８ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は３．５－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層１２のドーピング濃度は２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２である。あるいは、第１のドープト層６のドーピング濃度と第２のドープト層１２のドーピング濃度との比が、予め設定された値よりも大きいように設定される。予め設定された値は、６以上であり、例えば９である。

【0103】

ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、上部／下部ドープト層のドーピング濃度及びドーピング濃度の比が調整されることで、下部ドープト層によって生じるチャネル層４のエネルギーレベルの勾配が低減される。従って、デバイスが低電流下で動作するとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。これはデバイスの線形性を改善する。

【0104】

一部の他の実施形態において、チャネル層のエネルギーバンド構造が、ソリューション２及び／又はソリューション３と、上部バリア層及び／又は上部分離層の厚さの調整との組み合わせを使用することによって調整される。従って、当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。

【0105】

例えば、上部バリア層７の厚さは３－７ｎｍである。上部分離層５の厚さは３－５ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は３．０－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層１２のドーピング濃度は３－５ｅ１１ｃｍ^－２である。チャネル層の厚さは１８ｎｍである。

【0106】

他の一例では、上部バリア層７の厚さは３－７ｎｍである。上部分離層５の厚さは３－５ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は、３．０－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層のドーピング濃度は２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２である。チャネル層の厚さは１４－２０ｎｍである。

【0107】

他の一例では、上部バリア層７の厚さは５ｎｍである。上部分離層５の厚さは４ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は３．０－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層のドーピング濃度は２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２である。チャネル層の厚さは１４－２０ｎｍである。

【0108】

また、上述の実施形態において、ＰＨＥＭＴが小さい出力電流下にあるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルが厚さ方向に実質的に低下する。

【0109】

一部の他の実施形態において、図４又は図５の各層構造は、代わりに、別の材料からなって、別の厚さを有してもよく、例えば、ガリウム砒素の三元、四元、又は多元化合物からなってもよい。他の一例では、当該ＰＨＥＭＴはガリウム燐（ＧａＰ）系ＰＨＥＭＴである。

【0110】

なお、図４及び図５の説明において、上部ドープト層又は上部δドープト層は第１のドープト層６に対応し、下部ドープト層又は下部δドープト層は第２のドープト層１２に対応する。

【0111】

なお、また、明確な説明のために、図４及び図５における層の厚さは、層の実際の厚さ又は厚さ比に対応しておらず、具体的な厚さ範囲は、上述の層に対して指定される厚さに従う。

【0112】

従来技術と比較して、この出願のこの実施形態で提供されるシングルδドープトＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値は大幅に高くなる。出力ドレイン電流が６０－１００ｍＡであるとき、当該シングルδドープトＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値は、５ｄＢｍより大きく増加する。具体的なデータを図６に示す。図６は、従来技術におけるダブルδドープトＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値のシミュレーション結果を、この出願のこの実施形態で提供されるシングルδドープトＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値のシミュレーション結果と比較するものである。従来技術におけるダブルδドープトＰＨＥＭＴと比較して、この出願のこの実施形態で提供されるシングルδドープトＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値は、出力電流が５０－２００ｍＡであるときに、５ｄＢｍよりも大きく増加することが分かり得る。

【0113】

図７Ａ－図７Ｃを参照して、以下にて、シングルδドーピングを通じてＰＨＥＭＴの線形性を改善することの原理を説明する。

【0114】

図７Ａは、従来技術におけるダブルδドープトＰＨＥＭＴのエネルギーバンドの図である。図７Ｂは、この出願の一実施形態に従ったシングルδドープトＰＨＥＭＴのエネルギーバンドの図である。図７Ｃは、チャネル層におけるダブルδドープトＰＨＥＭＴの伝導帯構造とシングルδドープトＰＨＥＭＴの伝導帯構造とを比較するものである。理解されるべきことには、ゲート電圧が増加するにつれてフェルミエネルギーレベルが増加する。図７Ａ－図７Ｃは全て、ドレイン電流（つまりは、出力電流）が６０ｍＡであるときのフェルミエネルギーレベルの位置を示している。

【0115】

δドーピング位置に空間電荷が集中して分布するため、δドーピング位置の左側のエネルギーバンドが曲がる。出力電流が６０ｍＡであるとき、エネルギーバンド構造から分かり得ることには、図７Ｃに陰影領域によって示すように、シングルδドープトＰＨＥＭＴのチャネル層の伝導帯構造は四角形に近く、ダブルδドープトＰＨＥＭＴの伝導帯構造は三角形に近い。チャネル層内の電子濃度は、伝導帯とフェルミエネルギーレベルとで囲まれた多角形の面積に比例するため、ゲート電圧の変化過程において、四角形の伝導帯構造は、三角形の伝導帯構造よりも高い線形性を持つ。

【0116】

シングルδドープトＰＨＥＭＴのチャネル層内の電子は全て、上部δドープト層によって提供される。従って、同じ出力電流を得るために、シングルδドープトＰＨＥＭＴのチャネル層の伝導帯は、ダブルδドープトＰＨＥＭＴのチャネル層の伝導帯と比較して、フェルミエネルギーレベルから、よりいっそう下である。フェルミエネルギーレベル近くの電子にフェルミディラック分布が生じる。具体的には、フェルミエネルギーレベル付近（図７Ｃに破線枠の領域によって示す）での電子発生の確率は０．５であり、フェルミエネルギーレベルよりも下での電子発生の確率は１である。斯くして、フェルミエネルギーレベル近くでの電子発生の確率は、ゲート電圧が変化するときに、ある程度、非線形である。しかしながら、フェルミエネルギーレベル近くの電子によって占有される面積は、シングルδドープトＰＨＥＭＴのチャネル層の伝導帯構造全体において小さい割合を持つ。従って、伝導帯がフェルミエネルギーレベルよりもいっそう下にあるシングルδドーピング設計は、より高い線形性を提供することができる。

【0117】

図８を参照して、以下にて、チャネル層の厚さを増加させることによってＰＨＥＭＴの線形性を改善することの原理を説明する。

【0118】

図８は、６０ｍＡ／ｍｍの出力電流下での、チャネル層がそれぞれ１２ｎｍ厚及び１８ｎｍ厚であるダブルδドープトＰＨＥＭＴの電子濃度分布の図である。図８から分かり得ることには、６０ｍＡ／ｍｍの出力電流下でＰＨＥＭＴが動作するとき、そのチャネル層が１２ｎｍ厚であるＰＨＥＭＴでは、そのチャネル層の下に大量の電子が集められ、チャネル層内の電流が大きなｚ方向成分を持つ。比較して、そのチャネル層が１８ｎｍ厚であるＰＨＥＭＴでは、ＰＨＥＭＴが動作するときに、そのチャネル層内に電子がいっそう均一に分布する。これは、チャネル層内の電流のｚ方向成分を低減させ、ゲートを用いてチャネル電流を制御することの複雑さを低減させ、ＰＨＥＭＴの線形性を改善する。

【0119】

以下、この出願の実施形態で提供されるＰＨＥＭＴの適用シナリオを説明する。

【0120】

この出願の一実施形態は更にＬＮＡを提供する。図９に示すように、当該ＬＮＡは、入力整合ネットワーク、バイアス回路、ＰＨＥＭＴ、及び出力整合ネットワークを含む。ＰＨＥＭＴは、図４又は図５に示したＰＨＥＭＴとし得る。バイアス回路は、ＰＨＥＭＴの適切な動作のためのバイアス電圧を提供するように構成され、すなわち、ＰＨＥＭＴのゲート、ソース、及びドレインを必要な電位に設定するように構成される。入力整合ネットワークは、ＬＮＡが最大の励起電力を得るように、信号源の出力インピーダンスとＬＮＡの入力インピーダンスとの間のマッチングを実現するように構成される。出力整合ネットワークは、外部負荷抵抗を、増幅器によって使用される最適な負荷抵抗に変換して、最大の出力電力を確保するように構成される。

【0121】

この出願の一実施形態は更に、受信器又はトランシーバを提供する。当該受信器又はトランシーバは、図９に示したＬＮＡを含み得る。オプションで、当該受信器又はトランシーバは更に、デュプレクサ、バンドパスフィルタ、デジタル－アナログ変換器（ＡＤＣ）、及びこれらに類するものを含み得る。

【0122】

ＬＮＡは無線周波数システムに適用され得る。図１０に示すように、無線周波数システムは、送信リンクと受信リンクとに分割され得る。この出願の適用シナリオにおいて、無線周波数システムの受信リンク内の低雑音増幅器ＬＮＡは、図９に示したＬＮＡとすることができ、アンテナによって受信された信号を増幅するように構成される。

【0123】

送信リンクは、パワーアンプ（power amplifier，ＰＡ）、ドライバ（driver）、少なくとも１つのフィルタ（filter）、少なくとも１つのミキサ（mixer）、少なくとも１つのローカル発振器（local oscillato，ＬＯ）、及び少なくとも１つの増幅器（amplifier，ＡＭＰ）などを含み得る。受信リンクは、低雑音増幅器ＬＮＡ、少なくとも１つのフィルタ、少なくとも１つのミキサ、少なくとも１つのローカル発振器（local oscillato，ＬＯ）、及び少なくとも１つの増幅器などを含み得る。上記少なくとも１つのフィルタは、イメージ除去フィルタ（image rejection filter）、中間周波数フィルタ（IF filter）、又は他のフィルタなどを含み得る。

【0124】

理解されるべきことには、図１０は説明のための例にすぎない。無線周波数システムは、代わりに他の回路構造であってもよく、代わりに図１０のものより少ないコンポーネントを含んでいてもよい。これは、ここで限定されることではない。

【0125】

この出願は更に無線周波数回路を提供する。当該回路は、図４又は図５に示したＰＨＥＭＴを含み、あるいは図９に示したＬＮＡを含み、無線通信分野に適用され、アンテナによって受信された信号を処理する、及び／又は信号を送信するようにアンテナを制御する、ように構成される。

【0126】

この出願は更に無線周波数チップを提供する。当該無線周波数チップは、受信アンテナによって受信された信号を処理し、該信号をプロセッサに送り、該プロセッサの命令を受信し、信号を送信するように送信アンテナを制御するように構成される。

【0127】

この出願は更に電子機器を提供する。当該電子機器は、例えば携帯電話、タブレットコンピュータ、電子書籍リーダ、テレビジョン、ノートブックコンピュータ、デジタルカメラ、車載デバイス、ウェアラブルデバイス、基地局、又はルータなどの、無線周波数機能又はワイヤレス通信機能を持つ機器とし得る。当該電子機器は、上述したＰＨＥＭＴ、ＬＮＡ、無線周波数システム、無線周波数回路、及び無線周波数チップのうちの少なくとも１つを含み得る。

【0128】

要するに、上述の実施形態は、単に、この出願の技術的ソリューションを説明することを意図しており、この出願を限定することは意図していない。この出願は、上述の実施形態を参照して詳細に説明されているが、当業者が理解するはずのことには、この出願の実施形態の技術的ソリューションの範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に記録された技術的ソリューションに対する変更、又はその一部の技術的特徴に対する均等な置換がなおも為され得る。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2024-07-10

【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】

擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ（ＰＨＥＭＴ）であって、
チャネル層と、
前記チャネル層の両側にそれぞれ配置された下部バリア層及び上部バリア層であり、当該下部バリア層は前記チャネル層に接続されている、下部バリア層及び上部バリア層と、
前記チャネル層と前記上部バリア層との間に配置された第１の分離層及び第１のドープト層であり、当該第１の分離層は、当該第１のドープト層を前記チャネル層から分離するように構成され、当該第１のドープト層は、２次元電子ガスを提供するように構成される、第１の分離層及び第１のドープト層と、
を有し、
当該ＰＨＥＭＴの出力電流が第１の閾値よりも小さいとき、前記チャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い、
ＰＨＥＭＴ。

【請求項2】

前記下部バリア層は前記チャネル層に直接接続されている、請求項１に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項3】

前記第１のドープト層はシリコンドープされており、ドーピング濃度は、３ｅ１２ｃｍ^－２から５ｅ１２ｃｍ^－２である、請求項２に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項4】

前記下部バリア層は、第２の分離層及び第２のドープト層を介して前記チャネル層に接続され、前記第２の分離層は、前記チャネル層を前記第２のドープト層から分離するように構成され、前記第２のドープト層は、２次元電子ガスを提供するように構成される、請求項１に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項5】

前記第１のドープト層のドーピング濃度は、３．５ｅ１２ｃｍ^－２から４．５ｅ１２ｃｍ^－２であり、前記第２のドープト層のドーピング濃度は、３ｅ１１ｃｍ^－２から５ｅ１１ｃｍ^－２である、請求項４に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項6】

前記第２のドープト層のドーピング濃度に対する前記第１のドープト層のドーピング濃度の比が、予め設定された値よりも大きい、請求項４に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項7】

前記予め設定された値は９より大きい、請求項６に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項8】

前記第１のドープト層の前記濃度及び前記第２のドープト層の前記濃度の値は、当該ＰＨＥＭＴがオン状態にあるときに、前記チャネル層の前記伝導帯エネルギーレベルが前記フェルミエネルギーレベルよりも低いことを可能にする、請求項３乃至７のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項9】

前記チャネル層の厚さは１５－２０ｎｍである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項10】

当該ＰＨＥＭＴの前記出力電流が第２の閾値よりも小さいとき、前記チャネル層の前記伝導帯エネルギーレベルは実質的に厚さ方向に低下する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項11】

当該ＰＨＥＭＴは更に、キャップ層、ソース、ドレイン、及びゲートを有し、前記キャップ層は、前記上部バリア層の前記チャネル層から遠い側に配置され、且つオーミックコンタクトを提供するための貫通孔を備え、前記ゲートは前記貫通孔内に配置され、前記ソース及び前記ドレインは、どちらも前記キャップ層の前記上部バリア層から遠い側に配置され、且つ前記貫通孔の両側にそれぞれ位置する、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項12】

前記チャネル層は、インジウムガリウム砒素からなり、前記上部バリア層、前記下部バリア層、又は前記分離層は、アルミニウムガリウム砒素からなる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴ。

【請求項13】

請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴを有する、無線周波数チップ。

【請求項14】

請求項１乃至７のいずれか一項に記載のＰＨＥＭＴを有する電子機器。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

擬似 この出願は、半導体デバイス技術の分野に関し、特に、擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ、低雑音増幅器、及び関連装置に関する。

【背景技術】

【0002】

図１に示すように、受信信号が低雑音増幅器ＬＮＡを通り抜けるとき、無線通信プロダクトのアンテナ端の受信リンク上の受信信号と、該受信リンクへと漏れる送信信号とで、相互変調信号を生成し、相互変調歪み（intermodulation distortion，ＩＭＤ）を生じる。これは、ＬＮＡの非線形な特性によって引き起こされる。３次相互変調積の周波数が受信信号の周波数に非常に近いので、３次相互変調積は受信リンクにおける後続のフィルタによって抑圧されることができず、リンク上の受信信号に対する干渉を生じさせる。

【発明の概要】

【0003】

この出願の実施形態は、擬似格子整合型高電子移動度トランジスタＰＨＥＭＴ、低雑音増幅器、及び関連装置を提供する。ＰＨＥＭＴの出力電流が第１の閾値よりも小さいとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。これは、小さい出力電流下でのＰＨＥＭＴの線形性を改善し、ＬＮＡ非線形性によって引き起こされる相互変調歪みを低減させる。

【0004】

第１の態様によれば、この出願の一実施形態は、擬似格子整合型高電子移動度トランジスタＰＨＥＭＴを提供し、当該ＰＨＥＭＴは、
チャネル層と、
チャネル層の両側にそれぞれ配置された下部バリア層及び上部バリア層であり、当該下部バリア層はチャネル層に接続される、下部バリア層及び上部バリア層と、
チャネル層と上部バリア層との間に配置された第１の分離層及び第１のドープト層であり、当該第１の分離層は、当該第１のドープト層をチャネル層から分離するように構成され、当該第１のドープト層は、２次元電子ガスを提供するように構成される、第１の分離層及び第１のドープト層と、
を含み、
当該ＰＨＥＭＴの出力電流が第１の閾値よりも小さいとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。

【0005】

当該ＰＨＥＭＴの出力電流が第１の閾値よりも小さいときに、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低いように、当該ＰＨＥＭＴ内のチャネル層のエネルギーレベル構造が調整される。これは、小さい出力電流下でのＰＨＥＭＴの線形性を改善し、ＬＮＡ非線形性によって引き起こされる相互変調歪みを低減させる。

【0006】

取り得る一実装において、下部バリア層はチャネル層に直接接続される。

【0007】

ＰＨＥＭＴ内の下部ドープト層が除去されることで、厚さ方向におけるチャネル層のエネルギーレベルの勾配がより小さくなり、小電流下での動作中にチャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低くなる。

【0008】

取り得る一実装において、第１のドープト層はシリコンドープされており、ドーピング濃度は、３ｅ１２ｃｍ^－２から５ｅ１２ｃｍ^－２である。

【0009】

取り得る一実装において、第１のドープト層のドーピング濃度は代わりに、５ｅ１２ｃｍ^－２から６ｅ１２ｃｍ^－２であってもよい。

【0010】

当該ＰＨＥＭＴ内の第１のドープト層の濃度が増加されることで、当該ＰＨＥＭＴの利得が増加される。

【0011】

取り得る一実装において、下部バリア層は、第２の分離層及び第２のドープト層を介してチャネル層に接続され、第２の分離層は、チャネル層を第２のドープト層から分離するように構成され、第２のドープト層は、２次元電子ガスを提供するように構成される。

【0012】

当該ＰＨＥＭＴは、ダブルドープトトＰＨＥＭＴ、例えば、ダブルδドープトＰＨＥＭＴである。

【0013】

取り得る一実装において、第１のドープト層のドーピング濃度は、３．５ｅ１２ｃｍ^－２から４．５ｅ１２ｃｍ^－２であり、第２のドープト層のドーピング濃度は、３ｅ１１ｃｍ^－２から５ｅ１１ｃｍ^－２である。

【0014】

取り得る一実装において、第１のドープト層のドーピング濃度は、４ｅ１２ｃｍ^－２から６ｅ１２ｃｍ^－２であり、第２のドープト層のドーピング濃度は、２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２である。

【0015】

取り得る一実装において、第２のドープト層のドーピング濃度に対する第１のドープト層のドーピング濃度の比が、予め設定された値よりも大きい。

【0016】

オプションで、予め設定された値は、６より大きい正の数であり、例えば、９、１０、１５、３０、７０、１００、又は１５０である。

【0017】

当該ＰＨＥＭＴの総ドーピング濃度が変わらない又は減少しない場合、下部ドープト層（第２のドープト層）のドーピング濃度が減少され、又は下部ドープト層（第２のドープト層）のドーピング濃度に対する上部ドープト層（第１のドープト層）のドーピング濃度の比が増加されることで、厚さ方向におけるチャネル層のエネルギーレベルの勾配が小さくなり、小電流下での動作中にチャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低くなる。

【0018】

取り得る一実装において、チャネル層の厚さは１５－２０ｎｍ、１８－２０ｎｍ、又は２０－２５ｎｍであり、例えば１８ｎｍである。

【0019】

取り得る一実装において、当該ＰＨＥＭＴの出力電流が第２の閾値よりも小さいとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルは実質的に厚さ方向に低下する。

【0020】

当該ＰＨＥＭＴのチャネル層の厚さが増加され、デバイスが動作するときにチャネル層の下に蓄積される電子が回避されることで、電子がより均一に分布する。これは、当該ＰＨＥＭＴの線形性を向上させる。

【0021】

取り得る一実装において、当該ＰＨＥＭＴは更に、キャップ層、ソース、ドレイン、及びゲートを含み、キャップ層は、上部バリア層のチャネル層から遠い側に配置され、且つオーミックコンタクトを提供するための貫通孔を備え、ゲートは貫通孔内に配置され、ソース及びドレインは、どちらもキャップ層の上部バリア層から遠い側に配置され、且つ貫通孔の両側にそれぞれ位置する。

【0022】

取り得る一実装において、チャネル層は、インジウムガリウム砒素からなり、上部バリア層、下部バリア層、又は分離層は、アルミニウムガリウム砒素からなる。

【0023】

第２の態様によれば、この出願の一実施形態は更に、第１の態様又は第１の態様の取り得る実装のうちのいずれか一に従ったＰＨＥＭＴを含む低雑音増幅器を提供する。

【0024】

第３の態様によれば、この出願の一実施形態は更に、第２の態様に従った低雑音増幅器を含む無線周波数回路を提供する。

【0025】

第４の態様によれば、この出願の一実施形態は更に、第１の態様又は第１の態様の取り得る実装のうちのいずれか一に従ったＰＨＥＭＴ、第２の態様に従った低雑音増幅器、及び第３の態様に従った無線周波数回路のうちの少なくとも１つを含む無線周波数チップを提供する。

【0026】

第５の態様によれば、この出願の一実施形態は更に、第１の態様又は第１の態様の取り得る実装のうちのいずれか一に従ったＰＨＥＭＴ、第２の態様に従った低雑音増幅器、第３の態様に従った無線周波数回路、及び第４の態様に従った無線周波数チップのうちの少なくとも１つを含む電子機器を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0027】

この出願の実施形態における技術的ソリューションをより明確に説明するために、以下にて、実施形態を説明するための添付の図面を簡単に説明する。

【図1】この出願の一実施形態に従った、アンテナ端受信リンク上で生成される相互変調信号の概略説明図である。

【図2A】従来技術に従ったダブルδドープトＰＨＥＭＴの構造の概略図である。

【図2B】図２Ａに示すＰＨＥＭＴの直流出力特性カーブの図の一例である。

【図2C】図２Ａに示すＰＨＥＭＴのエネルギーバンド構造の概略図である。

【図2D】異なる出力電流の下での図２Ａに示すＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値のカーブの図の一例である。

【図3】従来技術におけるＯＩＰ３値を定義する概略図である。

【図4】この出願の一実施形態に従ったシングルδドープトＰＨＥＭＴの断面構造の概略図である。

【図5】この出願の一実施形態に従ったダブルδドープトＰＨＥＭＴの断面構造の概略図である。

【図6A】 図６Ａ及び図６Ｂは、異なる出力電流の下での、従来技術に従ったダブルδドープトＰＨＥＭＴ及びこの出願の一実施形態に従ったシングルδドープトＰＨＥＭＴそれぞれのＯＩＰ３値のカーブの図の一例を示している。

【図6B】 図６Ａ及び図６Ｂは、異なる出力電流の下での、従来技術に従ったダブルδドープトＰＨＥＭＴ及びこの出願の一実施形態に従ったシングルδドープトＰＨＥＭＴそれぞれのＯＩＰ３値のカーブの図の一例を示している。

【図7A】従来技術に従ったダブルδドープトＰＨＥＭＴのエネルギーバンドの図の一例である。

【図7B】この出願の一実施形態に従ったシングルδドープトＰＨＥＭＴのエネルギーバンドの図の一例である。

【図7C】この出願の一実施形態に従った、チャネル層におけるシングルδドープトＰＨＥＭＴ及びダブルδドープトＰＨＥＭＴの伝導帯構造の図の一例である。

【図8】６０ｍＡ／ｍｍの出力電流下での、チャネル層がそれぞれ１２ｎｍ厚及び１８ｎｍ厚であるダブルδドープトＰＨＥＭＴの電子濃度分布の図である。

【図9】この出願の一実施形態に従ったＬＮＡの回路構造の概略図である。

【図10】この出願の一実施形態に従った無線周波数システムの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

一般に、相互変調信号によって受信信号に引き起こされる干渉を低減させる方法が２つる。

【0029】

１つの方法では、受信リンクへの送信信号のリークを抑制するために、デュプレクサのアイソレーションが高められる。デュプレクサは、ダイプレクサとも呼ばれ、送信リンク及び受信リンクの双方が同時に動作できることを確保するために、共用アンテナによって送信される送信信号を、共用アンテナによって受信される受信信号からアイソレートするように機能する。相互変調信号によって受信信号に引き起こされる干渉を抑制するためにデュプレクサのアイソレーションが高められる場合、デュプレクサのキャビティを大きくする必要がある。これは、デュプレクサのサイズを増大させ、コストも大幅に増加させる。

【0030】

もう１つ方法では、リーク信号と受信信号とによって生成され、フィルタによってでは完全に抑圧できない相互変調信号を低減させるために、低雑音増幅器（ＬＮＡ）の線形性が改善される。ＬＮＡの線形性は、トランジスタのコアによって決定される。トランジスタは、擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ（pseudomorphic high electron mobility transistor，ＰＨＥＭＴ）を使用することがある。

【0031】

図２Ａは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）系ＰＨＥＭＴの典型的な構造を示している。ＰＨＥＭＴのコアのエピタキシャル層は、上から下に、それぞれ、バッファ層、下部バリア層、下部δドープト層、下部分離層、チャネル層、上部分離層、上部δドープト層、上部バリア層、及びキャップ層である。ガリウム砒素（ＧａＡｓ）系ＰＨＥＭＴの場合、基板上のバッファ層は、ガリウム砒素又はアルミニウムガリウム砒素からなることができ、基板の欠陥がＰＨＥＭＴの別の層に入るのを防止するように構成される。下部バリア層及び上部バリア層は、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）からなることができ、２次元電子ガスがバッファ層に入るのを防止するように構成される。下部δドープト層及び上部δドープト層はどちらも、シリコン（Ｓｉ）ドープされることができ、２次元電子ガスを提供するように構成される。上部分離層及び下部分離層は、アルミニウムガリウム砒素（ＡｌＧａＡｓ）からなることができ、ドープト層をチャネル層から分離するように構成される。チャネル層はインジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）からなることができる。キャップ層は、高濃度ドープされたガリウム砒素からなることができ、ソース及びドレインを接続する。ソースとドレインとの間の出力電流を制御することができるように、ゲート電圧を用いることによってチャネル層の電子濃度が制御される。これは信号増幅機能を実現する。図２Ｂは、図２Ａに示すＰＨＥＭＴの直流出力特性カーブを示している。例えば、図２Ｂには、ＰＨＥＭＴの５つの動作状態、すなわち、オフ状態（１）、オンしかけ状態（２）、オン状態（３）、完全オン状態（４）、及び線形動作状態（５）をそれぞれ区別するために、５つの異なるゲート電圧が示されている。

【0032】

図２Ｃは、５つの異なる動作状態における、図２Ａに示すＰＨＥＭＴのエネルギーバンド構造の概略図である。理解されるべきことには、図２Ｃの各エネルギーバンド構造の図は、単に、全ての層の伝導帯構造を示しており、左から右に、すなわち、厚さ方向に、キャップ層、上部バリア層、上部δドープト層、上部分離層、チャネル層、下部分離層、下部δドープト層、及び下部バリア層の伝導帯を順に含んでいる。図には、上部δドープト層、下部δドープト層、チャネル層の位置のみが記されている。

【0033】

図２Ｃに示されるように、ＰＨＥＭＴがオフ状態（１）にあるとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルは、フェルミエネルギーレベルＥ _Ｆ よりも遥かに高い。ゲート電圧が増加するにつれ、ＰＨＥＭＴがオンしかけ状態（２）になると、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルＥ _Ｆ に近づく。ゲート電圧が更に増加するにつれ、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルが部分的にフェルミエネルギーレベルＥ _Ｆ よりも低くなると、特定量の自由電子がチャネル層に現れる。この場合、ＰＨＥＭＴはオン状態（３）にある。ゲート電圧が更に増加するにつれ、チャネル層の伝導帯構造は、オン状態（３）での左上がり右下がりの形態から、完全オン状態（４）での形態へ、そして、線形動作状態（５）での形態へと順に変化する。すなわち、チャネル層の上側（つまりは、図２Ｄにおける左側、すなわち、上部分離層に隣接する側）にキャリアが位置する傾向がある。

【0034】

しかしながら、無線周波数システムの受信リンクにおける低電力消費及び低雑音の要件を満たすために、ＬＮＡは、実質的に、出力電流密度が６０－１００ｍＡ／ｍｍに制限された状態、すなわち、図２ＣにおけるＰＨＥＭＴのオン状態（３）で動作する。

【0035】

無線周波数回路におけるＬＮＡの低電力消費及び低雑音係数の要件を満たすために、動作点の出力電流は、実質的に６０－１００ｍＡ／ｍｍに制限される。高電子移動度の特性により、ＰＨＥＭＴは、低濃度の２次元電子ガスのみで動作状態電流に達することができる。結果として、ほとんどの動作点がＰＨＥＭＴのターンオン電圧付近にある。しかしながら、この範囲におけるＰＨＥＭＴの線形性は小さく、用途の要件を満たすことができない。ＰＨＥＭＴの線形性は、出力３次インターセプトポイント（output 3rd order intercept point，ＯＩＰ３）によって表される。より高いＯＩＰ３は、より高い直線性を示す。図２Ｄに示されるように、異なる出力電流の下での図２Ａに示すＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値のカーブは、図２Ｂに示す直流出力特性カーブに基づいて、計算を通じて取得され得る。図２Ｄからわかることには、出力電流が６０ｍＡであるとき、ＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値は約３６ｄＢｍであり、４１ｄＢｍ以上であるという要件を満たすことができない。従って、出力電流が小さいとき、すなわち、ＰＨＥＭＴがちょうどターンオンされるときにデバイスの線形性をどのように改善するかが、現在解決すべき喫緊の技術的問題である。

【0036】

以下にて、この出願の実施形態における技術用語を説明する。

【0037】

（１）ＬＮＡ

【0038】

ＬＮＡは、無線通信システムの重要な回路であり、非常に低い雑音係数を有する増幅器であり、アンテナによって受信された信号を増幅するように機能する。アンテナからの受信信号は弱い。このような弱い信号を増幅するには、信号品質を確保することが最も重要である。この目的のために、ＬＮＡは、あまり多くのノイズを導入することができない。さもなければ、信号が更に劣化することになり、復調を行うことができない。

【0039】

ほとんどのＬＮＡは、トランジスタ及び電界効果トランジスタを使用している。この出願の実施形態において、ＬＮＡは擬似格子整合型高電子移動度トランジスタ（ＰＨＥＭＴ）を使用する。

【0040】

（２）相互変調信号

【0041】

相互変調信号は、無変調信号と有用な信号とが非線形デバイスを通り、そして互いに相互作用するときに生成される相互変調周波数信号である。相互変調信号の周波数は有用な信号の周波数に非常に近いので、バックエンドフィルタでは相互変調信号をほとんど抑圧することができない。図１に示したように、受信信号（つまりは、有用な信号）と、受信リンクに漏れ入る送信信号（つまりは、干渉信号）とが同時にＬＮＡを通るとき、非線形効果により、それら２つの信号によって生成される相互変調信号の周波数は、時にして、受信信号の周波数に正確に等しくなったり近くなったりすることがあり、その結果、相互変調信号は受信器をスムーズに通過する。３次相互変調信号は、相互変調干渉と呼ばれる最も深刻な干渉を引き起こす。

【0042】

（３）ＰＨＥＭＴ

【0043】

ＰＨＥＭＴは、高電子移動度トランジスタ（high electron mobility transistor，ＨＥＭＴ）の改良である。ＰＨＥＭＴはダブルヘテロ接合構造を持ち、ＰＨＥＭＴの２次元電子ガス２ＤＥＧはポテンシャル井戸の両側にダブルリミッティング効果を持つ。従って、ＨＥＭＴと比べて、ＰＨＥＭＴは、高い電子表面密度を持つとともに、高い電子移動度を持つ。

【0044】

図２Ａは、典型的なダブルδドープトＰＨＥＭＴを示している。

【0045】

（４）ＯＩＰ３

【0046】

ＰＨＥＭＴの線形性は、出力３次インターセプトポイント（ＯＩＰ３）によって表され得る。より高いＯＩＰ３値は、より高い直線性を示す。ＯＩＰ３値は、ＰＨＥＭＴ無線周波数入力及び出力カーブから作図によって取得され得る。図３に示すように、具体的には２つのカーブが描かれる。一方のカーブは、入力電力に対する入力周波数における増幅信号電力のカーブであり、他方のカーブは、入力電力に対する３次相互変調信号のカーブである。対数座標系において、線形増幅信号のカーブは、１の傾きを有する直線として表され、３次相互変調信号のカーブは、３の傾きを有する直線として表される。これら２つのカーブの交点に対応する出力信号電力がＯＩＰ３値である。

【0047】

（５）出力電流

【0048】

この出願の実施形態における出力電流は、ドレインから出力される電流としても参照される。小さい出力電流は簡潔に小電流とも称される。小さい出力電流は、出力電流が第１の閾値よりも小さい又は第２の閾値よりも小さいことを意味し、第１の閾値又は第２の閾値は、ＰＨＥＭＴがちょうどターンオンされるときに存在する電流密度とし得る。あるいは、小さい出力電流は、ＰＨＥＭＴの出力電流密度が４０－２００ｍＡ／ｍｍ又は６０－１００ｍＡ／ｍｍであることを意味する。第１の閾値は第２の閾値と等しくてもよいし、等しくなくてもよい。この出願の実施形態では、小さい出力電流が６０ｍＡ／ｍｍである例が説明される。この出願の実施形態における電流は電流密度も指す。

【0049】

この出願の実施形態では、ＰＨＥＭＴのチャネル層のエネルギーバンド構造が調整されるように、ＰＨＥＭＴ内の全ての層構造の厚さ及び材料などが設計され、特に、エピタキシャル層の厚さ、ドープト層のドーピング濃度、及び他の構造が設計される。従って、ＰＨＥＭＴが小さい出力電流下で動作するとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルはフェルミエネルギーレベルよりも低い。ゲート電圧が増加するにつれて、フェルミエネルギーレベル付近の電子濃度の増加はチャネル層の電子濃度に対してあまり影響を持たなくなる。これはＰＨＥＭＴの線形性を向上させる。伝導帯構造の観点から、オン状態（３）においてチャネル層の伝導帯勾配がより小さい。

【0050】

以下、チャネル層のエネルギーバンド構造の調整メカニズムを説明する。

【0051】

チャネル層のエネルギーバンド構造に影響を与える以下の幾つかの主要因が存在する。

【0052】

ａ：チャネル層とゲートとの間の距離。この距離は、チャネル層のエネルギーレベルに影響を与える。

【0053】

ｂ：上部／下部ドープト層のドーピング濃度。ドープト層は、そのドープト層の上の構造のエネルギーバンドの屈曲度合いを変化させる。例えば、上部ドープト層のドーピング濃度が増加すると、上部バリア層のエネルギーバンドの屈曲度合いが大きくなり、厚さ方向における上部バリア層のエネルギーレベルの勾配が大きくなる。他の一例では、下部ドープト層のドーピング濃度が増加すると、チャネル層のエネルギーバンドの屈曲度合いが大きくなり、厚さ方向におけるチャネル層のエネルギーレベルの勾配が大きくなる。従って、下部ドープト層の濃度が低減されることで、チャネル層のエネルギーバンドの屈曲度合いが小さくなり、厚さ方向におけるチャネル層のエネルギーレベルの勾配が小さくなり、小さい出力電流下での動作中にチャネル層の伝導帯エネルギーレベルが、フェルミエネルギーレベルよりも低くなる。

【0054】

ｃ：上部／下部ドープト層のドーピング濃度の比。ＰＨＥＭＴが小電流下で動作するときにチャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低いという要件を満たすために、下部ドープト層のドーピング濃度が低減される。しかしながら、上部／下部ドープト層の総ドーピング濃度はキャリア濃度に影響を及ぼす。これはデバイスの性能に影響する。また、より高いドーピング濃度は、デバイスのより高いターンオン電圧を示す。従って、総ドーピング濃度は、過度に低くても過度に高くてもいけない。

【0055】

ｄ：チャネル層の厚さ。チャネル層の厚さは、電子及び電流の分布に影響を及ぼす。厚いチャネル層とすると、デバイスが動作するときにチャネル層の下に蓄積される電子を回避することができ、その結果、電子がいっそう均一に分布する。これはＰＨＥＭＴの線形性を向上させる。

【0056】

従って、上述の幾つかの要因を参照して、この出願の実施形態は、チャネル層のエネルギーバンド構造を調整するための以下の幾つかのソリューションを提供する。それ故に、ＰＨＥＭＴが小電流下で動作するとき、チャネル層の伝導帯エネルギーレベルはフェルミエネルギーレベルよりも低い。

【0057】

ソリューション１：下部ドープト層が除去されることで、厚さ方向におけるチャネル層のエネルギーレベルの勾配がより小さくなり、小電流下での動作中にチャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低くなる。

【0058】

ソリューション２：総ドーピング濃度が減少しない場合、下部ドープト層のドーピング濃度が減少され、又は下部ドープト層のドーピング濃度に対する上部ドープト層のドーピング濃度の比が増加される。

【0059】

ソリューション３：チャネル層の厚さが増加される。

【0060】

上記ソリューション１、２、及び３の組み合わせ、上部バリア層の厚さ及び／又は上部分離層の厚さの調整と上記ソリューション１、２、及び３のうちの少なくとも１つとの組み合わせ、並びにこれらに類するものも存在し得る。

【0061】

上述のソリューションでは、小電流下での動作中にチャネル層の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低くなるように、ＰＨＥＭＴ内の全ての層構造の厚さ及びドーピング濃度が調整される。斯くして、ＰＨＥＭＴの線形性を改善することができ、ＰＨＥＭＴによって形成されるＬＮＡの線形性を改善することができ、ＬＮＡによって出力される相互変調信号を低減させることができ、信号品質を改善することができる。

【0062】

以下、この出願の実施形態における添付の図面を参照して、この出願の実施形態を明確且つ詳細に説明する。

【0063】

図４は、ＰＨＥＭＴの断面構造の概略図である。上記ソリューション１を用いることによって、あるいは、上記ソリューション１と、上部バリア層の厚さ及び／又は上部分離層の厚さの調整、上記ソリューション２、及び上記ソリューション３のうちの少なくとも１つとの組み合わせを用いることによって、チャネル層のエネルギーバンド構造が調整される。

【0064】

図４に示すように、ＰＨＥＭＴは、シングルδドープされており、基板１と、基板１上に順に配置されたバッファ層２、下部バリア層３、チャネル層４、上部分離層５、第１のドープト層６、上部バリア層７、及びキャップ層８と、キャップ層８上に配置されたソース９及びドレイン１０と、上部バリア層７上に配置されたゲート１１とを含んでいる。以下では、ＧａＡｓ系ＰＨＥＭＴを例として用いて、各層の機能、組成、及び厚さなどを説明する。

【0065】

基板１はガリウム砒素（ＧａＡｓ）ウエハとし得る。

【0066】

バッファ層２は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）又はアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）、ただし、０＜ｘ＜１からなり得る。バッファ層２は、基板１の欠陥がＰＨＥＭＴのコアに入ることを防止することができる。一般に、基板１と下部バリア層３との間の格子不整合によって生じる欠陥を減少させることができるように、バッファ層におけるＡｌのドーピング濃度は、基板１から離れる方向に徐々に増加する。

【0067】

下部バリア層３はアルミニウムガリウム砒素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）からなり得る。下部バリア層３のバンドギャップ幅は、チャネル層４のバンドギャップ幅よりも大きい。下部バリア層３とチャネル層４とで、負接合であるヘテロ接合を形成する。下部バリア層３の厚さは、１０－５０ｎｍ又は１０－２５ｎｍとすることができ、例えば、１７ｎｍ又は２０ｎｍなどとし得る。

【0068】

例えば、バッファ層２におけるＡｌの最大ドーピング濃度は、下部バリア層３におけるＡｌのドーピング濃度以下である。

【0069】

チャネル層４は、インジウムガリウム砒素（Ｉｎ_ｙＧａ_１－ｙＡｓ）、ただし、０＜ｙ＜１からなり得る。例えば、ｙの値の範囲は０．１－０．５とし得る。例えば、ｙは０．２２又は０．３である。

【0070】

一部の実施形態において、チャネル層４の厚さは、８ｎｍ又は１２ｎｍよりも大きく、チャネルエピタキシャル層の臨界厚さよりも小さいとし得る。例えば、Ｉｎ_０．２２Ｇａ_０．７８Ａｓからなるチャネル層の臨界厚さは約２０ｎｍである。臨界厚さは、インジウム含有量が減少するにつれて増加する。オプションで、チャネル層４の厚さは、８－３０ｎｍ、１２－３０ｎｍ、又は１５－２０ｎｍとすることができ、例えば、１７ｎｍ、１８ｎｍ、２０ｎｍ、又は２４ｎｍなどとし得る。チャネル層４の厚さが増加されることで、チャネル層４内の電子及び電流の分布が改善され得る。これは、チャネル層４の下の電子の蓄積を回避し、縦方向（つまりは、ＰＨＥＭＴの積層方向）の電流を低減させ、ＰＨＥＭＴの線形性を向上させる。

【0071】

例えば、チャネル層４はＩｎ_０．２２Ｇａ_０．７８Ａｓからなり、厚さは１８ｎｍである。

【0072】

上部分離層５は、チャネル層４を第１のドープト層６から分離して、第１のドープト層６のドーピング不純物がチャネル層４に入るのを防止するように構成される。上部分離層５は、アルミニウムガリウム砒素からなることができ、厚さは２－６ｎｍ、例えば４ｎｍ又は６ｎｍとすることができる。上部分離層５は、第１の分離層としても参照される。

【0073】

第１のドープト層６は、δドープされることができ、上部δドープト層としても参照される。第１のドープト層６はシリコンドープされ得る。上部分離層５上にドーピング不純物としてシリコンの薄い層が成長され、イオン化された後に２次元電子ガスを提供する。第１のドープト層６は数原子の厚さとすることができ、厚さは、２ｎｍ未満であり、例えば、１ｎｍ又は１ｎｍ未満である。

【0074】

例えば、第１のドープト層６のドーピング濃度は、従来技術のダブルδドープトＰＨＥＭＴにおける２つのドープト層のドーピング濃度の合計であり、あるいは、該ドーピング濃度は、３ｅ１２ｃｍ^－２から５ｅ１２ｃｍ^－２、５ｅ１２ｃｍ^－２から６ｅ１２ｃｍ^－２、１ｅ１２ｃｍ^－２から３ｅ１２ｃｍ^－２、４．６ｅ１２ｃｍ^－２から５．５ｅ１２ｃｍ^－２、又は５．５ｅ１２ｃｍ^－２から６．５ｅ１２ｃｍ^－２であり、例えば、４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。

【0075】

上部バリア層７は、アルミニウムガリウム砒素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）からなり得る。上部バリア層７のバンドギャップ幅は、チャネル層４のバンドギャップ幅よりも大きい。上部バリア層７と、第１のドープト層６と、上部分離層５と、チャネル層４とで、正の接合であるヘテロ接合を形成する。上部バリア層７の厚さは、１０－３０ｎｍ又は１０－２５ｎｍとすることができ、例えば、１５ｎｍ、１７ｎｍ、又は２０ｎｍなどとし得る。

【0076】

キャップ層８は、高濃度ドープされたガリウム砒素（ｎ^＋－ＧａＡｓ）からなることができ、厚さは５－１０ｎｍとし得る。キャップ層８はオーミック接触を提供するように構成される。

【0077】

キャップ層８は貫通孔を備える。ゲート１１は、貫通孔内に配置され、キャップ層８とは接触しない。ソース９及びドレイン１０は、どちらもキャップ層８の上部バリア層７から遠い側に配置され、貫通孔の両側にそれぞれ位置する。

【0078】

ソース９、ドレイン１０、ゲート１１は全て、導電性の金属からなる。ゲート１１は、ＰＨＥＭＴにゲート電圧を提供するように構成される。ゲート電圧がターンオン電圧よりも高いとき、ソース９とドレイン１０とが接続され、ドレイン電流が出力される。

【0079】

この出願のこの実施形態では、下部バリア層３がチャネル層４に直接接続される。ここで、“直接接続”は直接接触を意味する。換言すれば、下部バリア層３とチャネル層４との間に、他の層構造は含まれていない。

【0080】

なお、バッファ層２、下部バリア層３、上部分離層５、及び上部バリア層７は全て、アルミニウムガリウム砒素（Ａｌ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ）を用い得るが、これらの層におけるＡｌのドーピング濃度は同じであってもよいし、異なってもよい。これは、ここで限定されることではない。例えば、下部バリア層３、上部分離層５、及び上部バリア層７は全て、Ａｌ_０．２２Ｇａ_０．７８Ａｓを用いる。

【0081】

この出願のこの実施形態で提供されるシングルδドープトＰＨＥＭＴによれば、上部バリア層７のバンドギャップ幅及び下部バリア層３のバンドギャップ幅がどちらもチャネル層４のバンドギャップ幅よりも大きいので、当該シングルδドープトＰＨＥＭＴは、１つのドープされた正の接合（上部バリア層７／第１のドープト層６／上部分離層５／チャネル層４）と、１つのドープされていない負の接合（チャネル層４／下部バリア層３）とを持つ。ゲート電圧がターンオン電圧よりも高いとき、ドーピング不純物がイオン化される。上部バリア層７のバンドギャップ幅とチャネル層４のバンドギャップ幅とが異なるため、伝導帯は連続でなく、電子がチャネル層の片側に移動して２次元電子ガスを形成する。ソース９とドレイン１０とが接続され、ドレイン電流が出力される。

【0082】

この出願のこの実施形態では、チャネル層のエネルギーバンド構造の上述の調整メカニズムに基づいて、下部ドープト層が除去され、上部ドープト層（すなわち、第１のドープト層６）の適切な濃度が選択され、チャネル層４、上部バリア層７、及び上部分離層５の適切な厚さが選択される。得られるシングルδドープトＰＨＥＭＴでは、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低く、あるいは、チャネル層４と上部分離層５との間の境界における伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。オプションで、当該ＰＨＥＭＴにおいて、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルが厚さ方向に実質的に低下する。この出願のこの実施形態において、厚さ方向は、キャップ層から基板への方向である。図４に示される方向を参照されたい。この実質的な減少は、以下の２つのケースを含み得る。

【0083】

１． チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルが厚さ方向に低下する。換言すれば、上部バリア層からの距離が遠いことは、より低い伝導帯エネルギーレベルを示す。

【0084】

２． チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルが厚さ方向に実質的／巨視的に下降傾向にある。換言すれば、上部バリア層から微視的に離れた小領域において、伝導帯エネルギーレベルが相対的に高いことが許される。

【0085】

例えば、上部バリア層７の厚さは３－７ｎｍである。上部分離層５の厚さは４ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は３．０－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。チャネル層の厚さは１２ｎｍである。

【0086】

例えば、上部バリア層７の厚さは５ｎｍである。上部分離層５の厚さは３－５ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は３．０－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。チャネル層の厚さは８－１４ｎｍである。

【0087】

従来技術におけるダブルδドープトＰＨＥＭＴとは異なり、この出願のこの実施形態はシングルδドープトＰＨＥＭＴを提供する。総ドープ濃度が変えられないまま又は減少しない場合、上部バリア層７上のみでδドーピングが行われ、下部ドープト層は除去されて、厚さ方向におけるチャネル層４の伝導帯エネルギーレベルの勾配を低減させ、その結果、利得（つまりは、相互コンダクタンスｇｍ）に影響を及ぼすことなく、小さい出力電流下でのＰＨＥＭＴの線形性を改善することができる。

【0088】

また、チャネル層４の厚さが増加されることで、チャネル層４内の電子及び電流の分布を改善することができる。これは、チャネル層４の下の電子の蓄積を回避し、縦方向（つまりは、ＰＨＥＭＴの積層方向）の電流を減少させ、ＰＨＥＭＴの線形性を更に改善することができる。

【0089】

図５は、この出願の一実施形態に従った他のＰＨＥＭＴを示している。当該ＰＨＥＭＴはダブルドープトＰＨＥＭＴとし得る。図４に示した層構造に加えて、当該ＰＨＥＭＴは更に、第２のドープト層１２及び下部分離層１３を含み得る。

【0090】

第１のドープト層６及び第２のドープト層１２の両方がδドープされ得る。従って、第１のドープト層６は上部δドープト層６としても参照され、第２のドープト層１２は下部δドープト層１２としても参照される。第１のドープト層６及び第２のドープト層１２はどちらもシリコンドープされ得る。上部分離層５及び下部バリア層３の各々上にドーピング不純物としてシリコンの薄い層が成長され、イオン化された後に２次元電子ガスを提供する。第１のドープト層６及び第２のドープト層１２はどちらも数原子の厚さとすることができ、厚さは、２ｎｍ未満であり、例えば、１ｎｍ又は１ｎｍ未満である。第１のドープト層６のドーピング濃度は、第２のドープト層１２のドーピング濃度よりも高い。

【0091】

下部分離層１３は、第２のドープト層１２をチャネル層４から分離して、第２のドープト層１２のドーピング不純物がチャネル層４に入るのを防止するように構成される。下部分離層１３は、ガリウム砒素からなることができ、厚さは２－６ｎｍ、例えば４ｎｍとし得る。下部分離層１３は第２の分離層としても参照される。

【0092】

なお、バッファ層２、下部バリア層３、上部分離層５、下部分離層１３、及び上部バリア層７は全て、アルミニウムガリウム砒素を用い得るが、これらの層におけるＡｌのドーピング濃度は同じであってもよいし、異なってもよい。これは、ここで限定されることではない。

【0093】

この出願のこの実施形態で提供されるダブルδドープトＰＨＥＭＴによれば、上部バリア層７のバンドギャップ幅及び下部バリア層３のバンドギャップ幅がどちらもチャネル層４のバンドギャップ幅よりも大きいので、当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴは、１つのドープされた正の接合（上部バリア層７／第１のドープト層６／上部分離層５／チャネル層４）と、１つのドープされた負の接合（チャネル層４／下部分離層１３／第２のドープト層１２／下部バリア層３）とを持つ。ゲート電圧がターンオン電圧よりも高いとき、ドーピング不純物がイオン化される。バリア層のバンドギャップ幅とチャネル層４のバンドギャップ幅とが異なるため、伝導帯は連続でなく、電子がチャネル層の片側に移動して２次元電子ガスを形成する。ソース９とドレイン１０とが接続され、ドレイン電流が出力される。

【0094】

一部の実施形態において、チャネル層のエネルギーバンド構造が、上述のソリューション３を使用することによって調整される。図５に示すＰＨＥＭＴにおいて、チャネル層４の厚さは、１２ｎｍより大きく、且つチャネルエピタキシャル層の臨界厚さより小さい（すなわち、ＩｎＧａＡｓチャネルエピタキシャル層の移動限界を超えない）。従って、当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。例えば、チャネル層４の厚さは、８－３０ｎｍ、１２－３０ｎｍ、又は１５－２０ｎｍであり、例えば、１７ｎｍ、１８ｎｍ、２０ｎｍ、又は２４ｎｍなどである。チャネル層４の厚さ又は臨界厚さは、インジウムの含有量に関係する。より少ないインジウムの含有量は、より大きい厚さを示す。例えば、チャネル層４はＩｎ_０．２２Ｇａ_０．７８Ａｓからなり、厚さは１８ｎｍである。

【0095】

上述のダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、チャネル層４の厚さが増加されることで、チャネル層４内の電子及び電流の分布を改善することができる。これは、チャネル層４の下の電子の蓄積を回避し、厚さ方向の電流を低減させ、ＰＨＥＭＴの線形性を改善することができる。

【0096】

一部の他の実施形態において、チャネル層のエネルギーバンド構造が、上述のソリューション２を使用することによって調整される。従って、当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。

【0097】

例えば、第１のドープト層６のドーピング濃度は、３．５－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層１２のドーピング濃度は、３－５ｅ１１ｃｍ^－２である。

【0098】

例えば、第１のドープト層６のドーピング濃度と第２のドープト層１２のドーピング濃度との比が、予め設定された値よりも大きい。予め設定された値は、６以上であり、例えば、９、１０、１５、３０、７０、１００、又は１５０などである。

【0099】

他の一例では、第１のドープト層６のドーピング濃度は４－６ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層１２のドーピング濃度は、２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２、１ｅ６ｃｍ^－２から１ｅ１１ｃｍ^－２、又は１ｅ６ｃｍ^－２から１ｅ８ｃｍ^－２である。

【0100】

他の一例では、第１のドープト層６のドーピング濃度は、３．５－４．５ｅ１２ｃｍ^－２、４．５－６ｅ１２ｃｍ^－２、又は４．６－５．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層１２のドーピング濃度は、２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２である。

【0101】

当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、上部／下部δドープト層のドーピング濃度及びドーピング濃度の比が調整されることで、第２のドープト層１２によって生じるチャネル層４のエネルギーレベルの勾配が低減される。従って、デバイスが低電流下で動作するとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。これはデバイスの線形性を改善する。

【0102】

一部の他の実施形態において、チャネル層のエネルギーバンド構造が、上述のソリューション２及びソリューション３を使用することによって調整される。従って、当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。例えば、チャネル層の厚さは１８ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は３．５－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層１２のドーピング濃度は２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２である。あるいは、第１のドープト層６のドーピング濃度と第２のドープト層１２のドーピング濃度との比が、予め設定された値よりも大きいように設定される。予め設定された値は、６以上であり、例えば９である。

【0103】

ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、上部／下部ドープト層のドーピング濃度及びドーピング濃度の比が調整されることで、下部ドープト層によって生じるチャネル層４のエネルギーレベルの勾配が低減される。従って、デバイスが低電流下で動作するとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。これはデバイスの線形性を改善する。

【0104】

一部の他の実施形態において、チャネル層のエネルギーバンド構造が、ソリューション２及び／又はソリューション３と、上部バリア層及び／又は上部分離層の厚さの調整との組み合わせを使用することによって調整される。従って、当該ダブルδドープトＰＨＥＭＴでは、出力電流が小電流であるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルがフェルミエネルギーレベルよりも低い。

【0105】

例えば、上部バリア層７の厚さは３－７ｎｍである。上部分離層５の厚さは３－５ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は３．０－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層１２のドーピング濃度は３－５ｅ１１ｃｍ^－２である。チャネル層の厚さは１８ｎｍである。

【0106】

他の一例では、上部バリア層７の厚さは３－７ｎｍである。上部分離層５の厚さは３－５ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は、３．０－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層のドーピング濃度は２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２である。チャネル層の厚さは１４－２０ｎｍである。

【0107】

他の一例では、上部バリア層７の厚さは５ｎｍである。上部分離層５の厚さは４ｎｍである。第１のドープト層６のドーピング濃度は３．０－４．５ｅ１２ｃｍ^－２である。第２のドープト層のドーピング濃度は２ｅ８ｃｍ^－２から３ｅ１１ｃｍ^－２である。チャネル層の厚さは１４－２０ｎｍである。

【0108】

また、上述の実施形態において、ＰＨＥＭＴが小さい出力電流下にあるとき、チャネル層４の伝導帯エネルギーレベルが厚さ方向に実質的に低下する。

【0109】

一部の他の実施形態において、図４又は図５の各層構造は、代わりに、別の材料からなって、別の厚さを有してもよく、例えば、ガリウム砒素の三元、四元、又は多元化合物からなってもよい。他の一例では、当該ＰＨＥＭＴはガリウム燐（ＧａＰ）系ＰＨＥＭＴである。

【0110】

なお、図４及び図５の説明において、上部ドープト層又は上部δドープト層は第１のドープト層６に対応し、下部ドープト層又は下部δドープト層は第２のドープト層１２に対応する。

【0111】

なお、また、明確な説明のために、図４及び図５における層の厚さは、層の実際の厚さ又は厚さ比に対応しておらず、具体的な厚さ範囲は、上述の層に対して指定される厚さに従う。

【0112】

従来技術と比較して、この出願のこの実施形態で提供されるシングルδドープトＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値は大幅に高くなる。出力ドレイン電流が６０－１００ｍＡであるとき、当該シングルδドープトＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値は、５ｄＢｍより大きく増加する。具体的なデータを図６Ａ及び図６Ｂに示す。図６Ａ及び図６Ｂは、従来技術におけるダブルδドープトＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値のシミュレーション結果を、この出願のこの実施形態で提供されるシングルδドープトＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値のシミュレーション結果と比較するものである。従来技術におけるダブルδドープトＰＨＥＭＴと比較して、この出願のこの実施形態で提供されるシングルδドープトＰＨＥＭＴのＯＩＰ３値は、出力電流が５０－２００ｍＡであるときに、５ｄＢｍよりも大きく増加することが分かり得る。

【0113】

図７Ａ－図７Ｃを参照して、以下にて、シングルδドーピングを通じてＰＨＥＭＴの線形性を改善することの原理を説明する。

【0114】

図７Ａは、従来技術におけるダブルδドープトＰＨＥＭＴのエネルギーバンドの図である。図７Ｂは、この出願の一実施形態に従ったシングルδドープトＰＨＥＭＴのエネルギーバンドの図である。図７Ｃは、チャネル層におけるダブルδドープトＰＨＥＭＴの伝導帯構造とシングルδドープトＰＨＥＭＴの伝導帯構造とを比較するものである。理解されるべきことには、ゲート電圧が増加するにつれてフェルミエネルギーレベルが増加する。図７Ａ－図７Ｃは全て、ドレイン電流（つまりは、出力電流）が６０ｍＡであるときのフェルミエネルギーレベルの位置を示している。

【0115】

δドーピング位置に空間電荷が集中して分布するため、δドーピング位置の左側のエネルギーバンドが曲がる。出力電流が６０ｍＡであるとき、エネルギーバンド構造から分かり得ることには、図７Ｃに陰影領域によって示すように、シングルδドープトＰＨＥＭＴのチャネル層の伝導帯構造は四角形に近く、ダブルδドープトＰＨＥＭＴの伝導帯構造は三角形に近い。チャネル層内の電子濃度は、伝導帯とフェルミエネルギーレベルとで囲まれた多角形の面積に比例するため、ゲート電圧の変化過程において、四角形の伝導帯構造は、三角形の伝導帯構造よりも高い線形性を持つ。

【0116】

シングルδドープトＰＨＥＭＴのチャネル層内の電子は全て、上部δドープト層によって提供される。従って、同じ出力電流を得るために、シングルδドープトＰＨＥＭＴのチャネル層の伝導帯は、ダブルδドープトＰＨＥＭＴのチャネル層の伝導帯と比較して、フェルミエネルギーレベルから、よりいっそう下である。フェルミエネルギーレベル近くの電子にフェルミディラック分布が生じる。具体的には、フェルミエネルギーレベル付近（図７Ｃに破線枠の領域によって示す）での電子発生の確率は０．５であり、フェルミエネルギーレベルよりも下での電子発生の確率は１である。斯くして、フェルミエネルギーレベル近くでの電子発生の確率は、ゲート電圧が変化するときに、ある程度、非線形である。しかしながら、フェルミエネルギーレベル近くの電子によって占有される面積は、シングルδドープトＰＨＥＭＴのチャネル層の伝導帯構造全体において小さい割合を持つ。従って、伝導帯がフェルミエネルギーレベルよりもいっそう下にあるシングルδドーピング設計は、より高い線形性を提供することができる。

【0117】

図８を参照して、以下にて、チャネル層の厚さを増加させることによってＰＨＥＭＴの線形性を改善することの原理を説明する。

【0118】

図８は、６０ｍＡ／ｍｍの出力電流下での、チャネル層がそれぞれ１２ｎｍ厚及び１８ｎｍ厚であるダブルδドープトＰＨＥＭＴの電子濃度分布の図である。図８から分かり得ることには、６０ｍＡ／ｍｍの出力電流下でＰＨＥＭＴが動作するとき、そのチャネル層が１２ｎｍ厚であるＰＨＥＭＴでは、そのチャネル層の下に大量の電子が集められ、チャネル層内の電流が大きなｚ方向成分を持つ。比較して、そのチャネル層が１８ｎｍ厚であるＰＨＥＭＴでは、ＰＨＥＭＴが動作するときに、そのチャネル層内に電子がいっそう均一に分布する。これは、チャネル層内の電流のｚ方向成分を低減させ、ゲートを用いてチャネル電流を制御することの複雑さを低減させ、ＰＨＥＭＴの線形性を改善する。

【0119】

以下、この出願の実施形態で提供されるＰＨＥＭＴの適用シナリオを説明する。

【0120】

この出願の一実施形態は更にＬＮＡを提供する。図９に示すように、当該ＬＮＡは、入力整合ネットワーク、バイアス回路、ＰＨＥＭＴ、及び出力整合ネットワークを含む。ＰＨＥＭＴは、図４又は図５に示したＰＨＥＭＴとし得る。バイアス回路は、ＰＨＥＭＴの適切な動作のためのバイアス電圧を提供するように構成され、すなわち、ＰＨＥＭＴのゲート、ソース、及びドレインを必要な電位に設定するように構成される。入力整合ネットワークは、ＬＮＡが最大の励起電力を得るように、信号源の出力インピーダンスとＬＮＡの入力インピーダンスとの間のマッチングを実現するように構成される。出力整合ネットワークは、外部負荷抵抗を、増幅器によって使用される最適な負荷抵抗に変換して、最大の出力電力を確保するように構成される。

【0121】

この出願の一実施形態は更に、受信器又はトランシーバを提供する。当該受信器又はトランシーバは、図９に示したＬＮＡを含み得る。オプションで、当該受信器又はトランシーバは更に、デュプレクサ、バンドパスフィルタ、デジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）、及びこれらに類するものを含み得る。

【0122】

ＬＮＡは無線周波数システムに適用され得る。図１０に示すように、無線周波数システムは、送信リンクと受信リンクとに分割され得る。この出願の適用シナリオにおいて、無線周波数システムの受信リンク内の低雑音増幅器ＬＮＡは、図９に示したＬＮＡとすることができ、アンテナによって受信された信号を増幅するように構成される。

【0123】

送信リンクは、パワーアンプ（power amplifier，ＰＡ）、ドライバ、少なくとも１つのフィルタ、少なくとも１つのミキサ、少なくとも１つのローカル発振器（ＬＯ）、及び少なくとも１つの増幅器（ＡＭＰ）などを含み得る。受信リンクは、低雑音増幅器ＬＮＡ、少なくとも１つのフィルタ、少なくとも１つのミキサ、少なくとも１つのローカル発振器（ＬＯ）、及び少なくとも１つの増幅器などを含み得る。上記少なくとも１つのフィルタは、イメージ除去フィルタ、中間周波数フィルタ（IF filter）、又は他のフィルタなどを含み得る。

【0124】

理解されるべきことには、図１０は説明のための例にすぎない。無線周波数システムは、代わりに他の回路構造であってもよく、代わりに図１０のものより少ないコンポーネントを含んでいてもよい。これは、ここで限定されることではない。

【0125】

この出願は更に無線周波数回路を提供する。当該回路は、図４又は図５に示したＰＨＥＭＴを含み、あるいは図９に示したＬＮＡを含み、無線通信分野に適用され、アンテナによって受信された信号を処理する、及び／又は信号を送信するようにアンテナを制御する、ように構成される。

【0126】

この出願は更に無線周波数チップを提供する。当該無線周波数チップは、受信アンテナによって受信された信号を処理し、該信号をプロセッサに送り、該プロセッサの命令を受信し、信号を送信するように送信アンテナを制御するように構成される。

【0127】

この出願は更に電子機器を提供する。当該電子機器は、例えば携帯電話、タブレットコンピュータ、電子書籍リーダ、テレビジョン、ノートブックコンピュータ、デジタルカメラ、車載デバイス、ウェアラブルデバイス、基地局、又はルータなどの、無線周波数機能又はワイヤレス通信機能を持つ機器とし得る。当該電子機器は、上述したＰＨＥＭＴ、ＬＮＡ、無線周波数システム、無線周波数回路、及び無線周波数チップのうちの少なくとも１つを含み得る。

【0128】

要するに、上述の実施形態は、単に、この出願の技術的ソリューションを説明することを意図しており、この出願を限定することは意図していない。この出願は、上述の実施形態を参照して詳細に説明されているが、当業者が理解するはずのことには、この出願の実施形態の技術的ソリューションの範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に記録された技術的ソリューションに対する変更、又はその一部の技術的特徴に対する均等な置換がなおも為され得る。

【国際調査報告】