JP2016119463A5 - - Google Patents
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Description
関連出願の相互参照
米国特許法第119条に基づき、本出願は、2013年12月27日に出願された、米国仮特許出願第61/921,140号の優先権を主張し、同出願の全内容が、参照により本明細書に援用される。
Cross-reference to related applications Under Article 119 of the U.S. Patent Act, this application claims the priority of U.S. Provisional Patent Application No. 61 / 921,140 filed on December 27, 2013. The entire contents are incorporated herein by reference.
技術分野
本明細書は、高電子移動度トランジスタに関し、特に、高電子移動度トランジスタのフィールドプレート及び他の構成要素の設計に関する。
Technical Fields The present specification relates to high electron mobility transistors, and more particularly to the design of field plates and other components of high electron mobility transistors.
高電子移動度トランジスタ(HEMT)は、ヘテロ構造電界効果トランジスタ(HFET)とも呼ばれ、トランジスタチャネルとして機能するヘテロ接合を含む電界効果トランジスタである。HEMTでは、ヘテロ接合チャネルにおける「二次元電子気体」の伝導が、ゲートにより調節される。 A high electron mobility transistor (HEMT), also called a heterostructured field effect transistor (HFET), is a field effect transistor containing a heterojunction that functions as a transistor channel. In HEMT, the conduction of "two-dimensional electron gas" in the heterojunction channel is regulated by the gate.
1970年代後期における発明であること、及び、例えば、ミリ波帯スイッチなどの用途におけるHEMTの商業的成功にもかかわらず、いくつかのHEMT(例えば、パワーエレクトロニクス用の窒化ガリウム型HEMT)の商業的発展は、期待よりゆっくりとしている。 Despite the invention in the late 1970s and the commercial success of HEMTs in applications such as millimeter-wave band switches, some HEMTs (eg, gallium nitride HEMTs for power electronics) are commercially available. Development is slower than expected.
フィールドプレートは、半導体装置における電界の様相を変更するのに一般に使用されている導電要素である。一般的に、フィールドプレートは、半導体装置における電界のピーク値を低減するように設計され、その結果、フィールドプレートを含む装置の絶縁破壊電圧及び寿命を改善する。 Field plates are conductive elements commonly used to alter the appearance of electric fields in semiconductor devices. Generally, the field plate is designed to reduce the peak value of the electric field in the semiconductor device, and as a result, improve the breakdown voltage and the life of the device including the field plate.
HEMT(例えば、窒化ガリウム型HEMT)では、フィールドプレートは、さらに、一般に「dc−rf分散」または「ドレイン電流コラプス」と呼ばれる寄生効果を低減すると考えられている。比較的大きい周波数(例えば、無線周波数)での動作中、この寄生効果を受ける装置は、直流電流(dc)動作中に達するドレイン電流レベルより小さなドレイン電流レベルに達する。寄生効果は、界面準位の比較的遅い応答時間に起因していると考えられる。 In HEMTs (eg, gallium nitride HEMTs), field plates are also believed to reduce parasitic effects commonly referred to as "dc-rf dispersion" or "drain current collapse". During operation at relatively high frequencies (eg, radio frequencies), devices subject to this parasitic effect reach a drain current level that is less than the drain current level reached during direct current (dc) operation. The parasitic effect is thought to be due to the relatively slow response time of the interface state.
HEMT中のフィールドプレートの長さに関する実験による研究が行われてきた。例えば、研究者は、いくつかのHEMT装置では、ゲート接続フィールドプレートがドレインに向けて特定の距離だけ延在した後は、絶縁破壊電圧が最大値に近づく(すなわち、「飽和する」)と説明している。さらに、ドレインに向かう飽和長を越えた、ゲート接続フィールドプレートの延在は、絶縁破壊電圧をほとんど改善しないか、まったく改善しない。ゲート接続フィールドプレートの、ドレインへの接近にともなって、ゲートの入力キャパシタンスが増加するので、ゲート接続フィールドプレートの、ドレインに向かう延在は、飽和長に達したなら、限定されるべきだと推奨されている。 Experimental studies have been conducted on the length of field plates in HEMTs. For example, researchers explain that in some HEMT devices, the breakdown voltage approaches (ie, "saturates") the breakdown voltage after the gate connection field plate extends a certain distance towards the drain. doing. Moreover, the extension of the gate connection field plate beyond the saturation length towards the drain improves little or no breakdown voltage. It is recommended that the extension of the gate connection field plate towards the drain should be limited once the saturation length is reached, as the input capacitance of the gate increases as the gate connection field plate approaches the drain. Has been done.
フィールドプレートを含む高電子移動度トランジスタが説明されている。第1の実施態様において、HEMTは、二次元電子気体が発生する位置であるヘテロ接合を形成するように配設された第1の半導体材料及び第2の半導体材料と、ソース電極と、ドレイン電極と、ゲート電極とを含み、ヘテロ接合において二次元電子気体が発生し、ゲート電極が、ソース電極とドレイン電極との間のヘテロ接合における伝導を調節するように配設され、ゲートが、ドレイン側端部と、ゲート電極のドレイン側端部の上方に配設されてドレインに向けて横方向に延在したゲート接続フィールドプレートと、ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部の上方に配設されてドレインに向けて横方向に延在した第2のフィールドプレートと、を有する。 High electron mobility transistors, including field plates, are described. In the first embodiment, the HEMT is a first semiconductor material, a second semiconductor material, a source electrode, and a drain electrode arranged so as to form a heterojunction at a position where a two-dimensional electron gas is generated. And a gate electrode, two-dimensional electron gas is generated in the heterojunction, the gate electrode is arranged so as to adjust the conduction in the heterojunction between the source electrode and the drain electrode, and the gate is on the drain side. The end portion, the gate connection field plate disposed above the drain side end portion of the gate electrode and extending laterally toward the drain, and the gate connection field plate disposed above the drain side end portion of the gate connection field plate. It has a second field plate that extends laterally towards the drain.
第2の実施態様において、HEMTは、二次元電子気体が発生する位置であるヘテロ接合を形成するように配設された第1の半導体材料及び第2の半導体材料と、ソース電極と、ドレイン電極と、とゲート電極を含み、ゲート電極が、ソース電極とドレイン電極との間のヘテロ接合における伝導を調節するように配設され、ゲートが、ドレイン側端部と、ゲート電極のドレイン側端部の上方に配設されてドレインに向けて横方向に延在したゲート接続フィールドプレートと、ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部の上方に配設されてドレインに向けて横方向に延在した第2のフィールドプレートと、を有する。オフ状態において、ヘテロ接合における第1の電界が、ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部からドレイン側に向かって広がっており、ヘテロ接合における第2の電界が、第2のフィールドプレートのドレイン側端部からソース側に向かって広がっており、及び、第2のフィールドプレートのドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化するソース・ドレイン間電位差を上回るソース・ドレイン間電位差においてのみ、第1の電界が、まず、第2の電界と重なる。 In the second embodiment, the HEMT is a first semiconductor material, a second semiconductor material, a source electrode, and a drain electrode arranged so as to form a heterojunction at a position where a two-dimensional electron gas is generated. The gate electrode is arranged so as to adjust the conduction in the heterojunction between the source electrode and the drain electrode, and the gate is arranged at the drain side end portion and the drain side end portion of the gate electrode. A gate connection field plate arranged above the drain and extending laterally toward the drain, and a second electrode connecting field plate arranged above the drain side end of the gate connection field plate and extending laterally toward the drain. It has 2 field plates and. In the off state, the first electric field in the heterojunction extends from the drain side end of the gate connection field plate toward the drain side, and the second electric field in the heterojunction is the drain side end of the second field plate. The source-drain potential difference that extends from the portion to the source side and exceeds the source-drain potential difference in which the charge carrier is depleted from a part of the heterojunction near the drain side end of the second field plate. Only in, the first electric field first overlaps the second electric field.
第3の実施態様において、半導体装置は、基板、基板上方に配設された第1の活性層、横方向導電チャネルが第1の活性層と第2の活性層との間で発生するように第1の活性層上に配設された第2の活性層、ソース及びドレイン電極、第2の活性層上方に配設された第1のパッシベーション層、第1のパッシベーション層上方に配設されたゲート電極、ゲート電極上方に配設された第2のパッシベーション層、ドレイン電極に最も近いゲート電極の端部を越えて第1の距離ぶん延在したゲートフィールドプレート、第1の金属パターン上方に配設された第3のパッシベーション層、並びに、ソース電極とゲート電極との1つに電気的に接続されてドレイン電極に最も近いゲートフィールドプレートの端部を第2の距離ぶん越えて延在した第2のフィールドプレートを含む。第2のフィールドプレートの端部は、第2のフィールドプレートに隣接したドレイン電極の第1の延在部から第3の距離ぶん離間している。小さい方の閾値を上回る利用可能なゲートスイング振幅の絶対値より大きな第1のドレインバイアスに対して、ゲート電極下方の横方向導電チャネルの一部がピンチオフ状態になるときに、ゲート端の電界の漸増が頭打ちとなるように、第1の距離が選択される。 In the third embodiment, in the semiconductor device, the substrate, the first active layer disposed on the substrate, and the transverse conductive channel are generated between the first active layer and the second active layer. A second active layer disposed on the first active layer, source and drain electrodes, a first passivation layer disposed above the second active layer, and a first passivation layer disposed above the first active layer. A gate electrode, a second passivation layer disposed above the gate electrode, a gate field plate extending a first distance beyond the end of the gate electrode closest to the drain electrode, and above the first metal pattern. A third passivation layer provided and a second extending over a second distance beyond the end of the gate field plate, which is electrically connected to one of the source and gate electrodes and is closest to the drain electrode. Includes 2 field plates. The end of the second field plate is separated by a third distance from the first extending portion of the drain electrode adjacent to the second field plate. For a first drain bias greater than the absolute value of the available gate swing amplitude above the smaller threshold, the electric field at the gate end when part of the laterally conductive channel below the gate electrode is pinched off. The first distance is selected so that the gradual increase peaks.
第1、第2、及び第3の実施態様の各々は、以下の特徴の1つ以上を含み得る。 Each of the first, second, and third embodiments may include one or more of the following features:
オフ状態において、及び、ゲートスイング振幅の絶対値を上回るソース・ドレイン間電位差で、電荷担体は、ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合の一部から空乏化し、電荷担体の空乏化は、ゲート電極のドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合における横方向電界を飽和させるのに効果的である。電荷担体は、ゲートスイング振幅の絶対値の2〜5倍のソース・ドレイン間電位差で、空乏化し得る。例えば、電荷担体は、ゲートスイング振幅の絶対値の3〜4倍のソース・ドレイン間電位差で、空乏化する。 In the off state and at source-drain potential differences above the absolute value of the gateswing amplitude, the charge carriers are depleted from some of the heterojunctions near the drain side end of the gate connection field plate, depleting the charge carriers. The conversion is effective in saturating the lateral electric field in the heterojunction near the drain side end of the gate electrode. Charge carriers, at 2-5 times the source-drain potential difference of the absolute value of the gate swing amplitude can depleted. For example, charge carriers, at 3-4 times the source-drain potential difference of the absolute value of the gate swing amplitude, depleted.
オフ状態において、及び、ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合のその一部から電荷担体が空乏化する電位差を上回るソース・ドレイン間電位差で、電荷担体が、第2のフィールドプレートのドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合の一部から空乏化し得、電荷担体の空乏化が、ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部の近傍でのヘテロ接合における横方向電界を飽和させるのに効果的である。例えば、第2のフィールドプレートのドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化する電位差は、ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化する電位差の3〜5倍である。例えば、オフ状態において、ヘテロ接合における第1の電界が、ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部からドレイン側に向かって広がっており、ヘテロ接合における第2の電界が、第2のフィールドプレートのドレイン側端部からソース側に向かって広がっており、及び、第1の電界が、まず、第2のフィールドプレートのドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化するソース・ドレイン間電位差を上回るソース・ドレイン間電位差でのみ第2の電界と重なる。 The charge carrier is the second field plate in the off state and at a potential difference between the source and drain that exceeds the potential difference that depletes the charge carrier from that part of the heterojunction near the drain side end of the gate connection field plate. Can be depleted from some of the heterojunctions near the drain side end of the charge carrier, which is effective in saturating the lateral electric field in the heterojunction near the drain side end of the gate connection field plate. Is the target. For example, the potential difference at which the charge carrier is depleted from a part of the heterojunction near the drain side end of the second field plate is the charge carrier from part of the heterojunction near the drain side end of the gate connection field plate. Is 3 to 5 times the potential difference that depletes. For example, in the off state, the first electric field in the heterojunction extends from the drain side end of the gate connection field plate toward the drain side, and the second electric field in the heterojunction is the drain of the second field plate. The source, which extends from the side end towards the source side , and where the first electric field first depletes the charge carrier from a portion of the heterojunction near the drain side end of the second field plate. It overlaps with the second electric field only when the potential difference between the source and drain exceeds the potential difference between drains.
HEMTまたは半導体装置は、第2のフィールドプレートのドレイン側端部の上方に配設されてドレインに向けて横方向に延在した第3のフィールドプレートを含み得る。オフ状態において、及び、第2のフィールドプレートのドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化するソース・ドレイン間電位差を上回るソース・ドレイン間電位差で、ドレインの近傍におけるヘテロ接合の一部は、ヘテロ接合と第3のフィールドプレートとの間の縦方向の電圧差に起因して空乏化する。第3のフィールドプレートは、ソース接続フィールドプレートであり得る。 The HEMT or semiconductor device may include a third field plate disposed above the drain side end of the second field plate and extending laterally towards the drain. Hetero in the vicinity of the drain, with a potential difference between the source and drain that exceeds the potential difference between the source and drain in which the charge carrier is depleted from a part of the heterojunction in the off state and near the drain side end of the second field plate. Part of the junction is depleted due to the longitudinal voltage difference between the heterojunction and the third field plate. The third field plate can be a source connection field plate.
オフ状態にあるHEMTまたは半導体装置において、ヘテロ接合における第1の電界が、ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部からドレイン側に向かって広がっており得、ヘテロ接合における第2の電界が、第2のフィールドプレートのドレイン側端部からソース側に向かって広がっており、及び第1の電界は、まず、第2のフィールドプレートのドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化するソース・ドレイン間電位差を上回るソース・ドレイン間電位差でのみ第2の電界と重なる。第1の電界は、まず、第2のフィールドプレートのドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化するソース・ドレイン間電位差を上回るソース・ドレイン間電位差でのみ第2の電界と重なり得る。 In a HEMT or semiconductor device in the off state, the first electric field in the heterojunction can spread from the drain side end of the gate connection field plate towards the drain side, and the second electric field in the heterojunction is the second. The first electric field extends from the drain side end of the field plate to the source side , and the charge carrier is first depleted from a part of the heterojunction near the drain side end of the second field plate. It overlaps with the second electric field only when the potential difference between the source and drain exceeds the potential difference between the source and drain. The first electric field is first generated only at a source-drain potential difference that exceeds the source-drain potential difference in which the charge carrier is depleted from a portion of the heterojunction near the drain side end of the second field plate. It can overlap with the electric field.
HEMTまたは半導体装置は、第1および第2の半導体材料の上方の1つ以上の絶縁材料層を含み得、あるシート担体密度が、ヘテロ接合で発生し得る。特定の動作パラメータでの長期動作の後に定常状態に達した後、絶縁材料層における単位面積あたりの電荷欠陥数は、シート担体密度未満である。例えば、絶縁材料層における単位面積あたりの電荷欠陥数は、シート担体密度の10%未満であり得る。 The HEMT or semiconductor device may include one or more insulating material layers above the first and second semiconductor materials, and certain sheet carrier densities may occur in heterojunctions. After reaching steady state after long-term operation with certain operating parameters, the number of charge defects per unit area in the insulating material layer is less than the sheet carrier density. For example, the number of charge defects per unit area in the insulating material layer can be less than 10% of the sheet carrier density.
HEMTまたは半導体装置は、GaN及びAlGaNを含み得る。HEMTまたは半導体装置は、第2の半導体材料からゲート電極を絶縁するアルミニウム窒化ケイ素層を含み得る。 The HEMT or semiconductor device may include GaN and AlGaN. The HEMT or semiconductor device may include an aluminum silicon nitride layer that insulates the gate electrode from the second semiconductor material.
オフ状態にあるHEMTまたは半導体装置において、及び、第2のフィールドプレートのドレイン側端部の近傍におけるヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化するソース・ドレイン間電位差を上回るソース・ドレイン間電位差で、ドレインの近傍におけるヘテロ接合の一部は、ヘテロ接合と第3のフィールドプレートとの間の縦方向の電圧差に起因して空乏化する。 In a HEMT or semiconductor device that is off, and at a source-drain potential difference that exceeds the source-drain potential difference that depletes the charge carrier from part of the heterojunction near the drain side end of the second field plate. , A portion of the heterojunction in the vicinity of the drain is depleted due to the longitudinal voltage difference between the heterojunction and the third field plate.
オフ状態にあるHEMTまたは半導体装置において、ソース及びドレイン電極は、第2の活性層上方に配設され得る。ゲートフィールドプレートは、第2のパッシベーション層上に配設された第1の金属パターンによって画定され得、第1の金属パターンは、ゲート電極全体の上方で横方向に延在する。第2のフィールドプレートは、第3のパッシベーション層上に配設された第2の金属パターンにより画定されたソースフィールドプレートであり得る。第2の金属パターンは、ソース電極に電気的に接続され得、並びに、第1の金属パターン全体の上方で横方向に延在し、及び、ドレイン電極に最も近い第1の金属パターンの端部を越えて第2の距離ぶんさらに延在する。第2の金属パターンの端部は、第2の金属パターンに隣接したドレイン電極の第1の延在部から第3の距離ぶん離され得る。 In a HEMT or semiconductor device that is in the off state, the source and drain electrodes may be disposed above the second active layer. The gate field plate may be defined by a first metal pattern disposed on the second passivation layer, the first metal pattern extending laterally above the entire gate electrode. The second field plate can be a source field plate defined by a second metal pattern disposed on the third passivation layer. The second metal pattern can be electrically connected to the source electrode and extends laterally above the entire first metal pattern and is the end of the first metal pattern closest to the drain electrode. It extends further beyond the second distance. The end of the second metal pattern may be separated by a third distance from the first extension of the drain electrode adjacent to the second metal pattern.
HEMTまたは半導体装置は、第4のパッシベーション層上に配設された第3の金属パターンにより画定されたシールドラップである第2の金属パターン上方に配設された第4のパッシベーション層を含み得る。第3の金属パターンは、ソース電極に電気的に接続され得、及び、第3の金属パターンに隣接したドレイン電極の第2の延在部から第3の距離に第3の金属パターンが端部を有するように、横方向導電チャネルの大部分の上方で横方向に延在し得る。第3の金属パターンとドレイン電極の第2の延在部との間の端部から端部までの距離は、2〜6マイクロメートルであり得る。第4のパッシベーション層の厚さは、0.5〜2マイクロメートルであり得る。第1のドレインバイアスは、閾値を上回る利用可能なゲートスイング振幅の絶対値より約2〜5倍大きなもので得る。第2の距離は、ゲート電極下方の横方向導電チャネルの一部がピンチオフ状態であるときにゲートフィールドプレートにより提供されるゲート端部電界の頭打ちバイアスより大きな第2のドレインバイアスに対して、ゲートフィールドプレートの端部電界への頭打ちを提供するのに十分であり得る。例えば、第2のドレインバイアスは、第1のドレインバイアスより約2.5〜10倍大きなものであり得る。第2の距離は、少なくとも、横方向導電チャネルがドレイン端に最も近い第2の金属パターンの端部下方で縦方向にピンチオフ状態になる前に、第2の金属パターン下方の横方向空乏延在部が第2の金属パターンの端部に決して達しない程度に、十分に長くあり得る。第1の距離は、1.5〜3.5マイクロメートルであり得る。第2の距離は、2.5〜7.5マイクロメートルであり得、第3の距離は、2〜6マイクロメートルであり得る。ゲート電極とドレイン電極との間の端部から端部までの距離は、8〜26マイクロメートルであり得る。第3のパッシベーション層の厚さは、0.35〜0.75マイクロメートルであり得る。 The HEMT or semiconductor device may include a fourth passivation layer disposed above the second metal pattern, which is a shield wrap defined by a third metal pattern disposed on the fourth passivation layer. The third metal pattern can be electrically connected to the source electrode, and the third metal pattern ends at a third distance from the second extension of the drain electrode adjacent to the third metal pattern. Can extend laterally above most of the laterally conductive channels so as to have. The end-to-end distance between the third metal pattern and the second extension of the drain electrode can be 2-6 micrometers. The thickness of the fourth passivation layer can be 0.5-2 micrometers. The first drain bias is obtained at about 2-5 times greater than the absolute value of the available gate swing amplitude above the threshold. The second distance is for a second drain bias that is greater than the peaking bias of the gate end electric field provided by the gate field plate when part of the laterally conductive channel below the gate electrode is in a pinch-off state. It may be sufficient to provide a plateau to the end electric field of the field plate. For example, the second drain bias can be about 2.5 to 10 times greater than the first drain bias. The second distance is at least the lateral depletion extension below the second metal pattern before the laterally conductive channel is vertically pinched off below the end of the second metal pattern closest to the drain end. It can be long enough so that the portion never reaches the end of the second metal pattern. The first distance can be 1.5-3.5 micrometers. The second distance can be 2.5 to 7.5 micrometers and the third distance can be 2 to 6 micrometers. The end-to-end distance between the gate electrode and the drain electrode can be 8 to 26 micrometers. The thickness of the third passivation layer can be 0.35-0.75 micrometers.
図1は、横方向チャネルHEMT100の断面の概略図である。HEMT100は、互いに接触してヘテロ接合115を形成した第1の半導体材料105及び第2の半導体材料110を含む。半導体材料105、110の材料の性質に起因して、ヘテロ接合115において二次元電子気体120が発生する。HEMT100は、さらに、ソース電極125、ドレイン電極130、及びゲート電極135を含む。ゲート電極135の選択的バイアス印加は、ソース電極125とドレイン電極130との間の伝導率を調節する。 FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the lateral channel HEMT100. The HEMT 100 includes a first semiconductor material 105 and a second semiconductor material 110 that are in contact with each other to form a heterojunction 115. Due to the material properties of the semiconductor materials 105 and 110, the two-dimensional electron gas 120 is generated at the heterojunction 115. The HEMT 100 further includes a source electrode 125, a drain electrode 130, and a gate electrode 135. The selective bias application of the gate electrode 135 adjusts the conductivity between the source electrode 125 and the drain electrode 130.
HEMT100は、さらに、縦方向に層形成されたフィールドプレート構造135を含む。図示された実施態様において、フィールドプレート構造135は、ゲート接続フィールドプレート140とソース接続フィールドプレート145とを含む二重フィールドプレート構造である。ゲート接続フィールドプレート140は、ゲート電極135に電気的に接続されている。ソース接続フィールドプレート145は、ソース電極125に電気的に接続されている。 HEMT100 further includes a field plate structure 135 layered in the longitudinal direction. In the illustrated embodiment, the field plate structure 135 is a dual field plate structure that includes a gate connection field plate 140 and a source connection field plate 145. The gate connection field plate 140 is electrically connected to the gate electrode 135. The source connection field plate 145 is electrically connected to the source electrode 125.
図示された実施態様において、ゲート電極135、ゲート接続フィールドプレート140、及びソース接続フィールドプレート145は、各々、略長方形の断面をもつ。ゲート電極135は、底部ドレイン側端部150を含む。ドレイン側端部150は、ソース電極125の側部からドレイン電極130に向けて横方向距離d0であって、第2の半導体材料110の上方の縦方向距離d5に配設されている。ドレイン側端部150は、第1の絶縁材料層155により第2の半導体材料110から縦方向に離間されている。ゲート接続フィールドプレート140は、底部ドレイン側端部160を含む。ドレイン側端部160は、ソース電極125の側部からドレイン電極130に向けて横方向距離d0+d1であって、第2の半導体材料110の上方の縦方向距離d5+d6に配設されている。ドレイン側端部160は、第1の絶縁材料層155と第2の絶縁材料層165との両方により第2の半導体材料110から縦方向に離間されている。ソース接続フィールドプレート145は、底部ドレイン側端部170を含む。ドレイン側端部170は、ソース電極125の側部からドレイン電極130に向けて横方向距離d0+d1+d3であって、第2の半導体材料110の上方の縦方向距離d5+d6+d7に配設されている。ドレイン側端部170は、第1の絶縁材料層155、第2の絶縁材料層165、及び第3の絶縁材料層175により、第2の半導体材料110から縦方向に離間されている。さらに後述するように、ゲート電極135、ゲート接続フィールドプレート140及びソース接続フィールドプレート145の各々と、ヘテロ接合115との間の電界は、特定のバイアス条件の下で、それぞれの端部150、160、170において最も大きい。 In the illustrated embodiment, the gate electrode 135, the gate connection field plate 140, and the source connection field plate 145 each have a substantially rectangular cross section. The gate electrode 135 includes a bottom drain side end 150. The drain side end portion 150 has a lateral distance d0 from the side portion of the source electrode 125 toward the drain electrode 130, and is arranged at a longitudinal distance d5 above the second semiconductor material 110. The drain side end portion 150 is vertically separated from the second semiconductor material 110 by the first insulating material layer 155. The gate connection field plate 140 includes a bottom drain side end 160. The drain side end portion 160 has a lateral distance d0 + d1 from the side portion of the source electrode 125 toward the drain electrode 130, and is arranged at a vertical distance d5 + d6 above the second semiconductor material 110. The drain side end portion 160 is vertically separated from the second semiconductor material 110 by both the first insulating material layer 155 and the second insulating material layer 165. The source connection field plate 145 includes a bottom drain side end 170. The drain side end portion 170 has a lateral distance d0 + d1 + d3 from the side portion of the source electrode 125 toward the drain electrode 130, and is arranged at a longitudinal distance d5 + d6 + d7 above the second semiconductor material 110. The drain side end 170 is vertically separated from the second semiconductor material 110 by the first insulating material layer 155, the second insulating material layer 165, and the third insulating material layer 175. As will be further described later, the electric field between each of the gate electrode 135, the gate connection field plate 140 and the source connection field plate 145 and the heterojunction 115 is, under certain bias conditions, at the ends 150, 160, respectively. , 170 is the largest.
ゲート電極135は、様々な異なる方法で、ゲート接続フィールドプレート140に電気的に接続され得る。図示された実施態様において、ゲート電極135とゲート接続フィールドプレート140との間の接続部は、断面の外にある。他の実施態様において、ゲート電極135及びゲート接続フィールドプレート140は、図示された実施態様で見た場合に略L字断面をもつ単一部材により形成され得る。 The gate electrode 135 can be electrically connected to the gate connection field plate 140 in a variety of different ways. In the illustrated embodiment, the connection between the gate electrode 135 and the gate connection field plate 140 is outside the cross section. In another embodiment, the gate electrode 135 and the gate connection field plate 140 may be formed of a single member having a substantially L-shaped cross section when viewed in the illustrated embodiment.
ソース電極125は、様々な異なる方法で、ソース接続フィールドプレート145に電気的に接続され得る。図示された実施態様において、ソース電極125は、ソースビア部材180によりソース接続フィールドプレート145に電気的に接続されている。他の実施態様において、ソース電極125は、図示された断面の外でソース接続フィールドプレート145に電気的に接続され得る。 The source electrode 125 can be electrically connected to the source connection field plate 145 in a variety of different ways. In the illustrated embodiment, the source electrode 125 is electrically connected to the source connection field plate 145 by a source via member 180. In another embodiment, the source electrode 125 may be electrically connected to the source connection field plate 145 outside the cross section shown.
図示された実施態様において、ドレイン130は、1組のドレインビア部材185、190に電気的に接続されている。ドレインビア部材185、190は、第3の絶縁材料層175を通って、ソース接続フィールドプレート145と同じ縦レベルまで延在し、その結果、ドレイン130の延在部として機能する。ビア部材190は、ソース接続フィールドプレート145と同じ縦レベルにあるので、ソース接続フィールドプレート145に最も近い、ドレイン130の延在部である。底部ドレイン側端部170を含むソース接続フィールドプレート145の側部は、同じ縦レベルにおいてドレインビア部材190から横方向距離d4に配設されている。いくつかの実施態様において、横方向距離d4は、装置固有の装置寿命の間、装置固有の横方向絶縁破壊電圧を保つのに必要とされる距離以下である。図示された実施態様において、ソース接続フィールドプレート145及びドレインビア部材190は、第4の絶縁材料層195により覆われている。第4の絶縁材料層195は、第3の絶縁材料層175の上面から距離d8ぶん延在する。 In the illustrated embodiment, the drain 130 is electrically connected to a set of drain via members 185, 190. The drain via members 185, 190 extend through the third insulating material layer 175 to the same vertical level as the source connection field plate 145, and thus function as an extension of the drain 130. Since the via member 190 is at the same vertical level as the source connection field plate 145, it is the extension of the drain 130 closest to the source connection field plate 145. The sides of the source connection field plate 145, including the bottom drain side end 170, are arranged at the same longitudinal level at a lateral distance d4 from the drain via member 190. In some embodiments, the lateral distance d4 is less than or equal to the distance required to maintain the device-specific breakdown voltage during the device-specific device life. In the illustrated embodiment, the source connection field plate 145 and the drain via member 190 are covered with a fourth insulating material layer 195. The fourth insulating material layer 195 extends a distance d8 from the upper surface of the third insulating material layer 175.
図示された実施態様において、ソース電極125及びドレイン電極130の両方が、第2の半導体材料110の上面に直接載置されており、それと電気的に接触している。必ずこうなるわけではない。例えば、いくつかの実施態様において、ソース電極125及び/またはドレイン電極130は、第2の半導体材料110内まで突き抜けている。いくつかの実施態様において、この突き抜けは、ソース電極125及び/またはドレイン電極130がヘテロ接合115に接触する、または、ヘテロ接合115を貫通しさえする程度に十分深い。他の例として、いくつかの実施態様において、1つ以上の侵入型接着剤金属または他の導電性材料が、ソース電極125及び/またはドレイン電極130と、半導体材料105、110の一方または両方との間に配設されている。 In the illustrated embodiment, both the source electrode 125 and the drain electrode 130 are placed directly on the top surface of the second semiconductor material 110 and are in electrical contact with it. This is not always the case. For example, in some embodiments, the source electrode 125 and / or the drain electrode 130 penetrates into the second semiconductor material 110. In some embodiments, the penetration is deep enough that the source electrode 125 and / or the drain electrode 130 contacts or even penetrates the heterojunction 115. As another example, in some embodiments, one or more penetrating adhesive metals or other conductive materials are associated with the source electrode 125 and / or the drain electrode 130 and one or both of the semiconductor materials 105, 110. It is arranged between.
図示された実施態様において、ゲート電極135は、一様な厚さd5をもつ単一の電気絶縁層155により、第2の半導体材料110から電気的に絶縁されている。必ずこうなるわけではない。例えば、他の実施態様において、第2の半導体材料110からゲート電極135を絶縁するため、複数層が使用され得る。他の例として、第2の半導体材料110からゲート電極135を絶縁するため、一様でない厚さをもつ単一または複数層が使用され得る。 In the illustrated embodiment, the gate electrode 135 is electrically insulated from the second semiconductor material 110 by a single electrically insulating layer 155 having a uniform thickness d5. This is not always the case. For example, in other embodiments, multiple layers may be used to insulate the gate electrode 135 from the second semiconductor material 110. As another example, a single or multiple layers with non-uniform thickness may be used to insulate the gate electrode 135 from the second semiconductor material 110.
横方向チャネルHEMT100の様々な特徴は、様々な異なる材料により形成され得る。例えば、第1の半導体材料105は、GaN、InN、Aln、AlGaN、InGaN、AlIn−GaNであり得る。いくつかの実施態様において、第1の半導体材料105は、例えば、GaAs、InAs、AlAs、InGaAs、AlGaAs、InAlGaAsの1つ以上などの、ヒ素を含有する化合物半導体をさらに含み得る。第2の半導体材料110は、例えば、AlGaN、GaN、InN、Aln、InGaN、AlIn−GaNであり得る。第2の半導体材料110は、GaAs、InAs、AlAs、InGaAs、AlGaAs、InAlGaAsの1つ以上などの、ヒ素を含有する化合物半導体をさらに含み得る。第1および第2の半導体材料105、110(「活性層」とも呼ばれ得る)の組成は、二次元電子気体120がヘテロ接合115で形成されるように調整される。例えば、いくつかの実施態様において、第1および第2の半導体材料105、110の組成は、ヘテロ接合115において1011〜1014cm−2の、例えば、ヘテロ接合115において5x1012〜5x1013cm−2または8x1012〜1.2x1013cm−2のシート担体密度となるように調整され得る。半導体材料105、110は、基板の上方に、例えば、窒化ガリウム、ガリウムヒ素、炭化ケイ素、サファイア、シリコン、または他の基板の上方に形成され得る。半導体材料105は、このような基板に直接接触するか、または1つ以上の介在層が存在するかのいずれかであり得る。 Various features of the transverse channel HEMT100 can be formed by a variety of different materials. For example, the first semiconductor material 105 can be GaN, InN, Aln, AlGaN, InGaN, AlIn-GaN. In some embodiments, the first semiconductor material 105 may further comprise an arsenic-containing compound semiconductor, such as, for example, one or more of GaAs, InAs, AlAs, InGaAs, AlGaAs, InAlGaAs. The second semiconductor material 110 can be, for example, AlGaN, GaN, InN, Aln, InGaN, AlIn-GaN. The second semiconductor material 110 may further include arsenic-containing compound semiconductors such as one or more of GaAs, InAs, AlAs, InGaAs, AlGaAs, and InAlGaAs. The composition of the first and second semiconductor materials 105, 110 (which may also be referred to as the "active layer") is adjusted so that the two-dimensional electron gas 120 is formed by a heterojunction 115. For example, in some embodiments, the composition of the first and second semiconductor materials 105 and 110, the heterojunction 115 10 11 ~10 14 cm -2, for example, in the heterojunction 115 5x10 12 ~5x10 13 cm It can be adjusted to a sheet carrier density of -2 or 8x10 12 to 1.2x10 13 cm- 2 . The semiconductor materials 105, 110 may be formed above the substrate, for example gallium nitride, gallium arsenide, silicon carbide, sapphire, silicon, or above other substrates. The semiconductor material 105 can either be in direct contact with such a substrate or have one or more intervening layers present.
ソース電極125、ドレイン電極130、及びゲート電極135は、例えば、Al、Ni、Ti、TiW、TiN、TiAu、TiAlMoAu、TiAlNiAu、TiAlPtAuまたは同様のものなどの金属を含む様々な導体から形成され得る。第1の絶縁材料層155は、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、窒化アルミニウム(Aln)、酸化ハフニウム(HfO2)、二酸化ケイ素(SiO2)、窒化ケイ素(Si3N4)、アルミニウム窒化ケイ素(AlSiN)、または他の適切なゲート誘電体材料を含む、ゲート絶縁体を形成するのに適した様々な誘電体から形成され得る。第2の、第3の、及び第4の絶縁材料層165、175、195は、例えば、窒化ケイ素、シリコン酸化物、酸窒化シリコン、または同様のものを含む様々な誘電体から形成され得る。第1の、第2の、第3の、及び第4の絶縁材料層155、165、175、195は、さらに、層155、165、175、195の各々が、下方にある第2の半導体材料110または層155、165、175のそれぞれにおける表面準位の形成及び/または帯電を阻止または防止するという点で、「パッシベーション層」とも呼ばれ得る。 The source electrode 125, drain electrode 130, and gate electrode 135 can be formed from various conductors including metals such as, for example, Al, Ni, Ti, TiW, TiN, TiAu, TiAlMoAu, TiAlNiAu, TiAlPtAu or the like. The first insulating material layer 155 is, for example, aluminum oxide (Al 2 O 3 ), zirconium dioxide (ZrO 2 ), aluminum nitride (Aln), hafon oxide (HfO 2 ), silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (SiO 2 ). It can be formed from a variety of dielectrics suitable for forming gate insulators, including Si 3 N 4 ), silicon nitride (AlSiN), or other suitable gate dielectric materials. The second, third, and fourth insulating material layers 165, 175, and 195 can be formed from various dielectrics, including, for example, silicon nitride, silicon oxide, silicon oxynitride, or the like. The first, second, third, and fourth insulating material layers 155, 165, 175, 195, further, each of the layers 155, 165, 175, 195 is a second semiconductor material underneath. It may also be referred to as a "passivation layer" in that it prevents or prevents the formation and / or charging of surface states at each of 110 or layers 155, 165, 175.
いくつかの実施態様において、第2の、第3の、及び第4の絶縁材料層165、175、195は、(特定の動作パラメータでの長期動作の後、定常状態に達するように)絶縁材料層165、175、195における面積あたりの電荷欠陥数がヘテロ接合におけるシート担体密度未満であるように調整された、質及び組成をもつ。言い換えると、絶縁材料層165、175、195の各々の三次元欠陥密度と、その層のそれぞれの厚さとの積の合計が、ヘテロ接合115における(二次元)シート担体密度未満である。例えば、いくつかの実施態様において、絶縁材料層165、175、195における面積あたりの電荷欠陥数は、ヘテロ接合115におけるシート担体密度の20%未満、または10%未満である。いくつかの実施態様において、本明細書に記載されるHEMT100及び他のHEMTは、中間層、例えば、Aln中間層を含む。 In some embodiments, the second, third, and fourth insulating material layers 165, 175, and 195 are insulating materials (so that they reach a steady state after long-term operation with specific operating parameters). It has a quality and composition adjusted so that the number of charge defects per area in layers 165, 175, 195 is less than the sheet carrier density in the heterojunction. In other words, the sum of the product of each of the three-dimensional defect densities of the insulating material layers 165, 175, and 195 and the thickness of each of the layers is less than the (two-dimensional) sheet carrier density in the heterojunction 115. For example, in some embodiments, the number of charge defects per area in the insulating material layers 165, 175, 195 is less than 20% or less than 10% of the sheet carrier density in the heterojunction 115. In some embodiments, the HEMTs 100 and other HEMTs described herein include an intermediate layer, such as an Aln intermediate layer.
ソース電極125は、ドレイン電極130からd2からの横方向距離に配設されている。いくつかの実施態様において、横方向距離d2は、5〜50マイクロメートル、例えば、9〜30マイクロメートルである。いくつかの実施態様において、横方向距離d1は、1〜5マイクロメートル、例えば、1.5〜3.5マイクロメートルである。いくつかの実施態様において、第3の絶縁材料層175の厚さは、0.2〜1マイクロメートル、例えば、0.35〜0.75マイクロメートルである。いくつかの実施態様において、横方向距離d4は、1〜8マイクロメートル、例えば、2〜6マイクロメートルである。いくつかの実施態様において、第4の絶縁材料層195の厚さは、0.4〜3マイクロメートル、例えば、0.5〜2マイクロメートルである。いくつかの実施態様において、横方向距離d3は、1〜10マイクロメートル、例えば、2.5〜7.5マイクロメートルである。 The source electrode 125 is arranged at a lateral distance from the drain electrode 130 to d2. In some embodiments, the lateral distance d2 is 5 to 50 micrometers, for example 9 to 30 micrometers. In some embodiments, the lateral distance d1 is 1 to 5 micrometers, for example 1.5 to 3.5 micrometers. In some embodiments, the thickness of the third insulating material layer 175 is 0.2 to 1 micrometer, for example 0.35 to 0.75 micrometers. In some embodiments, the lateral distance d4 is 1 to 8 micrometers, for example 2 to 6 micrometers. In some embodiments, the thickness of the fourth insulating material layer 195 is 0.4 to 3 micrometers, for example 0.5 to 2 micrometers. In some embodiments, the lateral distance d3 is 1-10 micrometers, for example 2.5-7.5 micrometers.
図2は、横方向チャネルHEMT200の断面の概略図である。半導体材料105、110、電極125、130、135、及びビア部材180、185、190に加えて、HEMT200は、縦方向に層形成されたフィールドプレート構造205を含む。フィールドプレート構造205は、ゲート接続フィールドプレート140及びソース接続フィールドプレート145だけでなく、第2のソース接続プレート210も含む三重フィールドプレート構造である。第2のソース接続プレート210は、ソース電極125に電気的に接続されている。第2のソース接続プレート210は、ゲート電極135、ゲートフィールドプレート140、及びソース接続フィールドプレート145を覆う。 FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the lateral channel HEMT200. In addition to the semiconductor materials 105, 110, electrodes 125, 130, 135, and via members 180, 185, 190, the HEMT 200 includes a vertically layered field plate structure 205. The field plate structure 205 is a triple field plate structure including not only the gate connection field plate 140 and the source connection field plate 145 but also the second source connection plate 210. The second source connection plate 210 is electrically connected to the source electrode 125. The second source connection plate 210 covers the gate electrode 135, the gate field plate 140, and the source connection field plate 145.
いくつかの実施態様において、第2のソース接続プレート210は、いわゆる「シールドラップ」として機能する。前述のとおり、いくつかのHEMTは、高動作中の周辺環境との表面電荷の交換に少なくとも部分的に起因して発生すると考えられる寄生dc−rf分散の影響を受ける。特に、表面準位が、比較的遅い応答時間で帯電及び放電し、HEMTの高周波動作が、影響を受ける。金属シールドラップは、表面準位のシールドを改善すること、及び、表面電荷の交換を防ぐことにより、これらの効果を緩和または除去し得る。いくつかの実施態様において、第2のソース接続プレート210は、HEMT200における電界、例えば、ヘテロ接合115と、例えば、ソース接続フィールドプレート145の底部ドレイン側端部170またはゲート接続フィールドプレート310の底部ドレイン側端部320との間(図3)の電界のピーク値を低減させるフィールドプレートとして機能する。さらに後述するように、いくつかの実施態様において、第2のソース接続プレート210は、さらに、ヘテロ接合115の電荷担体を空乏化するように機能する。いくつかの実施態様において、第2のソース接続プレート210は、複数の機能を果たし、すなわち、2つ以上のシールドラップとして、フィールドプレートとして、及びヘテロ接合115を空乏化するように、機能する。任意の装置における第2のソース接続プレート210の特定の機能は、任意のいくつかの様々な幾何学的パラメータ、材料パラメータ、及び動作パラメータの関数となる。ソース接続プレート210で1つ以上の役割を実行する可能性があるので、本明細書において、ソース接続プレート210は、単に「ソース接続プレート」と呼ばれる。 In some embodiments, the second source connection plate 210 functions as a so-called "shield wrap". As mentioned above, some HEMTs are affected by parasitic dc-rf dispersion, which is believed to be caused, at least in part, by the exchange of surface charges with the surrounding environment during high operation. In particular, the surface states charge and discharge with a relatively slow response time, affecting the high frequency operation of HEMTs. Metal shield wraps can mitigate or eliminate these effects by improving the surface state shield and preventing surface charge exchange. In some embodiments, the second source connection plate 210 is an electric field in the HEMT 200, eg, a heterojunction 115 and, eg, a bottom drain side end 170 of the source connection field plate 145 or a bottom drain of the gate connection field plate 310. It functions as a field plate that reduces the peak value of the electric field between the side end 320 and the electric field (FIG. 3). Further, as described below, in some embodiments, the second source connection plate 210 further functions to deplete the charge carriers of the heterojunction 115. In some embodiments, the second source connection plate 210 serves a plurality of functions, i.e. as two or more shield wraps, as a field plate, and to deplete the heterojunction 115. The particular function of the second source connection plate 210 in any device is a function of any number of various geometric parameters, material parameters, and operating parameters. In the present specification, the source connection plate 210 is simply referred to as a "source connection plate" because the source connection plate 210 may perform one or more roles.
図示された実施態様において、第2のソース接続プレート210は、略長方形の断面をもつ。第2のソース接続プレート210は、底部ドレイン側端部220を含む。ドレイン側端部220は、ソース電極125の側部からドレイン電極130に向けて横方向距離d0+d1+d3+d11であって、第2の半導体材料110の上方の縦方向距離d5+d6+d7+d8に配設されている。いくつかの実施態様において、横方向距離d0+d1+d3+d11は、縦方向距離d5+d6+d7+d8の2倍以上である。例えば、横方向距離d0+d1+d3+d11は、d5+d6+d7+d8の3倍以上であり得る。ドレイン側端部220は、第1の絶縁材料層155、第2の絶縁材料層165、第3の絶縁材料層175、及び第4の絶縁材料層195により、第2の半導体材料110から縦方向に離間されている。さらに後述するように、第2のソース接続プレート210とヘテロ接合115との間の電界は、特定のバイアス条件の下で、底部ドレイン側端部220において最も大きい。 In the illustrated embodiment, the second source connection plate 210 has a substantially rectangular cross section. The second source connection plate 210 includes a bottom drain side end 220. The drain side end 220 has a lateral distance d0 + d1 + d3 + d11 from the side of the source electrode 125 toward the drain electrode 130, and is arranged at a longitudinal distance d5 + d6 + d7 + d8 above the second semiconductor material 110. In some embodiments, the lateral distance d0 + d1 + d3 + d11 is more than twice the longitudinal distance d5 + d6 + d7 + d8. For example, the lateral distance d0 + d1 + d3 + d11 can be three times or more of d5 + d6 + d7 + d8. The drain side end 220 is formed in the vertical direction from the second semiconductor material 110 by the first insulating material layer 155, the second insulating material layer 165, the third insulating material layer 175, and the fourth insulating material layer 195. Is separated from each other. As will be further described later, the electric field between the second source connection plate 210 and the heterojunction 115 is greatest at the bottom drain side end 220 under certain bias conditions.
第2のソース接続プレート210は、様々な異なる方法でソース電極125に電気的に接続され得る。図示された実施態様において、ソース電極125は、ソースビア部材225により第2のソース接続プレート210に電気的に接続されている。他の実施態様において、ソース電極125は、図示された断面の外で第2のソース接続プレート210に電気的に接続され得る。 The second source connection plate 210 can be electrically connected to the source electrode 125 in a variety of different ways. In the illustrated embodiment, the source electrode 125 is electrically connected to the second source connection plate 210 by a source via member 225. In another embodiment, the source electrode 125 may be electrically connected to the second source connection plate 210 outside the cross section shown.
図示された実施態様において、ドレイン130は、ビア部材185、190を経由して他のドレインビア部材230に電気的に接続されている。ドレインビア部材230は、第4の絶縁材料層195を通って、第2のソース接続プレート210と同じ縦レベルまで延在し、その結果、ドレイン130の延在部として機能する。ビア部材230は、第2のソース接続プレート210と同じ縦レベルにあるので、第2のソース接続プレート210に最も近いドレイン130の延在部である。底部ドレイン側端部220を含む第2のソース接続プレート210の側部は、同じ縦レベルにおいてドレインビア部材230から横方向距離d9ぶん離間して配設されている。図示された実施態様において、第2のソース接続プレート210及びドレインビア部材230は、第5の絶縁材料層245により覆われている。第5の絶縁材料層245は、第4の絶縁材料層195の上面から距離d10ぶん延在する。 In the illustrated embodiment, the drain 130 is electrically connected to another drain via member 230 via via members 185, 190. The drain via member 230 extends through the fourth insulating material layer 195 to the same vertical level as the second source connection plate 210, and thus functions as an extension of the drain 130. Since the via member 230 is at the same vertical level as the second source connection plate 210, it is the extension of the drain 130 closest to the second source connection plate 210. The sides of the second source connection plate 210, including the bottom drain side end 220, are disposed at the same vertical level at a lateral distance of d9 from the drain via member 230. In the illustrated embodiment, the second source connection plate 210 and the drain via member 230 are covered with a fifth insulating material layer 245. The fifth insulating material layer 245 extends a distance d10 from the upper surface of the fourth insulating material layer 195.
いくつかの実施態様において、d1+d3+d4は、5〜35マイクロメートル、例えば、8〜26マイクロメートルである。いくつかの実施態様において、横方向距離d9は、1〜10マイクロメートル、例えば、2〜6マイクロメートルである。いくつかの実施態様において、第2の、第3の、第4の、及び第5の絶縁材料層165、175、195、245は、(特定の動作パラメータでの長期動作の後、定常状態に達するように)絶縁材料層165、175、195、245における面積あたりの電荷欠陥数がヘテロ接合におけるシート担体密度未満であるように調整された、質及び組成をもつ。言い換えると、絶縁材料層165、175、195、245の各々の三次元欠陥密度とその層のそれぞれの厚さとの積の合計が、(二次元)ヘテロ接合115におけるシート担体密度未満である。例えば、いくつかの実施態様において、絶縁材料層165、175、195、245における面積あたりの電荷欠陥数は、ヘテロ接合115におけるシート担体密度の20%未満、例えば、10%未満である。 In some embodiments, d1 + d3 + d4 is 5 to 35 micrometers, for example 8 to 26 micrometers. In some embodiments, the lateral distance d9 is 1-10 micrometers, eg 2-6 micrometers. In some embodiments, the second, third, fourth, and fifth insulating material layers 165, 175, 195, and 245 are brought into steady state (after long-term operation with specific operating parameters). It has a quality and composition adjusted so that the number of charge defects per area in the insulating material layer 165, 175, 195, 245 is less than the sheet carrier density in the heterojunction. In other words, the sum of the products of the respective three-dimensional defect densities of the insulating material layers 165, 175, 195, and 245 and the respective thicknesses of the layers is less than the sheet carrier density in the (two-dimensional) heterojunction 115. For example, in some embodiments, the number of charge defects per area in the insulating material layers 165, 175, 195, 245 is less than 20%, eg, less than 10%, of the sheet carrier density in the heterojunction 115.
図3は、横方向チャネルHEMT300の断面の概略図である。半導体材料105、110、電極125、130、135、及びビア部材180、185、190、225、230に加えて、HEMT300は、縦方向に層形成されたフィールドプレート構造305を含む。フィールドプレート構造205は、ゲート接続フィールドプレート140及び第2のソース接続プレート210だけでなく、第2のゲート接続フィールドプレート310も含む三重フィールドプレート構造である。第2のゲート接続フィールドプレート310は、ゲート電極135に電気的に接続されている。 FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the lateral channel HEMT300. In addition to the semiconductor materials 105, 110, electrodes 125, 130, 135, and via members 180, 185, 190, 225, 230, the HEMT 300 includes a vertically layered field plate structure 305. The field plate structure 205 is a triple field plate structure including not only the gate connection field plate 140 and the second source connection plate 210 but also the second gate connection field plate 310. The second gate connection field plate 310 is electrically connected to the gate electrode 135.
図示された実施態様において、第2のゲート接続フィールドプレート310は、略長方形の断面をもつ。第2のゲート接続フィールドプレート310は、底部ドレイン側端部320を含む。ドレイン側端部320は、ソース電極125の側部からドレイン電極130に向けて横方向距離d0+d1+d3であって、第2の半導体材料110の上方の縦方向距離d5+d6+d7に配設されている。ドレイン側端部320は、第1の絶縁材料層155、第2の絶縁材料層165、及び第3の絶縁材料層175により、第2の半導体材料110から縦方向に離間されている。さらに後述するように、第2の接続フィールドプレート310とヘテロ接合115との間の電界は、特定のバイアス条件の下で、底部ドレイン側端部320において最も大きい。 In the illustrated embodiment, the second gate connection field plate 310 has a substantially rectangular cross section. The second gate connection field plate 310 includes a bottom drain side end 320. The drain side end portion 320 has a lateral distance d0 + d1 + d3 from the side portion of the source electrode 125 toward the drain electrode 130, and is arranged at a longitudinal distance d5 + d6 + d7 above the second semiconductor material 110. The drain side end portion 320 is vertically separated from the second semiconductor material 110 by the first insulating material layer 155, the second insulating material layer 165, and the third insulating material layer 175. As will be further described later, the electric field between the second connection field plate 310 and the heterojunction 115 is greatest at the bottom drain side end 320 under certain bias conditions.
第2のゲート接続フィールドプレート310は、様々な異なる方法で、ゲート電極135に電気的に接続され得る。図示された実施態様において、第2のゲート接続フィールドプレート310は、ゲートビア部材325によりゲート接続フィールドプレート140に電気的に接続されている。さらに、ゲート接続フィールドプレート140は、図示された断面の外でゲート125に接続されている。他の実施態様において、第2のゲート接続フィールドプレート310は、図示された断面の外でゲート接続フィールドプレート140に電気的に接続され得、及び/または、ゲート電極135とゲート接続フィールドプレート140とが、図示された断面内で接続され得る。 The second gate connection field plate 310 can be electrically connected to the gate electrode 135 in a variety of different ways. In the illustrated embodiment, the second gate connection field plate 310 is electrically connected to the gate connection field plate 140 by a gate via member 325. Further, the gate connection field plate 140 is connected to the gate 125 outside the cross section shown. In another embodiment, the second gate connection field plate 310 may be electrically connected to the gate connection field plate 140 outside the cross section shown and / or with the gate electrode 135 and the gate connection field plate 140. Can be connected within the illustrated cross section.
動作時、HEMT100、200、300などのHEMTは、それぞれのゲート電極135にバイアスを印加することにより、オン状態とオフ状態との間で切り替えられる。一般的に、HEMT100、200、300は、ゲート・ソース間電位差がゼロであるときに導通するデプレッション型装置である。デプレッション型装置をオフ状態に切り替えるため、ゲートが、ソースに対して負にバイアスされる。多くの用途において、例えば、HEMTの電力損失が望ましくない程に大きくならない程度に、及び/または、HEMTが過度に高温にならない程度に、実用上、HEMTのオン抵抗が低いことが望ましい。HEMTのオン抵抗を低減させるため、一般に、ソースに対してゲートが正にバイアスされる。 During operation, HEMTs such as HEMTs 100, 200, and 300 are switched between an on state and an off state by applying a bias to their respective gate electrodes 135. In general, HEMTs 100, 200, and 300 are depletion type devices that conduct when the potential difference between gate and source is zero. The gate is negatively biased with respect to the source to switch the depletion type device off. In many applications, it is practically desirable that the on-resistance of the HEMT is low, for example, to the extent that the power loss of the HEMT does not increase undesirably and / or to the extent that the HEMT does not become excessively hot. In general, the gate is positively biased relative to the source to reduce the on-resistance of the HEMT.
実際には、理論的には過度に大きなゲート・ソース間電位差が、例えば、HEMTのオン抵抗をさらに低減させるなどのいくつかの有益な効果をもつとしても、そのような過度に大きなゲート・ソース間電位差を印加することは不可能である。特に、ゲート・ソース間電位差は、HEMTの幾何学的パラメータ、材料パラメータ、及び動作パラメータの相互作用により制約される。例えば、過剰なゲート・ソース間電位差は、特定の厚さ及び密度を有する介在材料の劣化及び/または絶縁破壊、第2の半導体層110への電子の漏出及び第2の半導体層110における捕獲、並びに、第1の絶縁材料層155におけるホットエレクトロンの捕獲をもたらし得る。この理由により、ゲート・ソース間電位差の動作範囲は、ある範囲の温度及び他の動作パラメータで、所与の装置に対するある範囲の値に制限される。このゲート・ソース間電位差の動作範囲は、利用可能なゲートスイング振幅と呼ばれる。多くのGaN HEMT装置において、1桁ボルト〜10ボルト台の大きさの電位差が、ゲート・ソース間に印加される。従って、利用可能なゲートスイング振幅は、一般的に、おおよそ10ボルト台である。例えば、いくつかのGaN HEMT装置において、利用可能なゲートスイング振幅は、30ボルト以下、例えば、20ボルト以下である。デプレッション型HEMTにおいて、利用可能なゲートスイング振幅は、負のオフ状態の小さい方の閾値から、正の上限までの範囲である。ゲート・ソース間電位差がゼロであるときにオフ状態にあるエンハンスメント型装置において、利用可能なゲートスイング振幅は、ゼロ電位差である小さい方の閾値から、最大で、正の値である上限までの範囲をとり得る。 In practice, even if, in theory, an overly large gate-source potential difference has some beneficial effects, such as further reducing the on-resistance of the HEMT, such an overly large gate-source It is not possible to apply an interpotential difference. In particular, the gate-source potential difference is constrained by the interaction of HEMT geometric, material, and operating parameters. For example, excessive gate-source potential differences can result in degradation and / or dielectric breakdown of intervening materials of a particular thickness and density, electron leakage to the second semiconductor layer 110 and capture in the second semiconductor layer 110. It can also result in the capture of hot electrons in the first dielectric layer 155. For this reason, the operating range of the gate-source potential difference is limited to a range of values for a given device with a range of temperatures and other operating parameters. The operating range of this gate-source potential difference is called the available gate swing amplitude. In many GaN HEMT devices, potential differences as large as single digit to 10 volts are applied between the gate and source. Therefore, the available gate swing amplitude is generally in the approximately 10 volt range. For example, in some GaN HEMT devices, the available gateswing amplitude is 30 volts or less, for example 20 volts or less. In depletion-type HEMT, the gate swing amplitude available, in the range of from the smallest threshold of negative off-state, to a positive upper limit. In an enhancement device that is off when the gate-source potential difference is zero, the available gateswing amplitudes range from the smaller threshold of zero potential difference to the upper limit of the maximum positive value. Can be taken.
対称的に、多くの電力スイッチング用途において、HEMTのソース・ドレイン間電位差ΔVSDは、おおよそ100ボルト台、例えば、500VDCを上回る、例えば、約650VDCであり得る。このような用途において、印加ゲートスイング振幅がおおよそ10ボルト台である場合、ソース・ドレイン間電位差の大きさΔVSDとソース・ゲート間電位差の大きさΔVSGとの両方が、ゲート・ソース間電位差の大きさより著しく大きい。これを考慮すると、以下のグラフの概略的な表示は、(現実の装置において)差が存在することになるという事実にもかかわらず、交換可能な端部170、320である。 In contrast, in many power switching applications, the source-drain potential difference ΔV SD of the HEMT can be in the approximately 100 volt range, for example above 500 V DC , for example about 650 V DC . In such applications, when the applied gate swing amplitude is in the 10 volt range, both the source-drain potential difference magnitude ΔV SD and the source-gate potential difference magnitude ΔV SG are gate-source potential differences. Significantly larger than the size of. With this in mind, the schematic representation of the graph below is interchangeable ends 170, 320, despite the fact that there will be differences (in real-world equipment).
図4A、4Bは、それぞれ、オフ状態にあるいくつかの実施態様のHEMTのソース・ドレイン間における、ヘテロ接合での電圧及び電界を概略的に表すグラフ405、410である。HEMTの実施態様は、少なくとも二重フィールドプレート構造(例えば、図1)、または、三重以上のフィールドプレート構造(例えば、図2、3)を含む。グラフ405、410は、電圧及び電界が、限定はされないが、幾何学的パラメータ(例えば、HEMTの特徴の数、寸法、及び構成を含む)、材料パラメータ(例えば、材料の誘電率、材料密度、仕事関数、ドーパント濃度、欠陥濃度、表面準位組成、及び表面準位濃度を含む)、並びに、動作パラメータ(例えば、温度、ゲート電圧、及びソース−ドレイン電圧を含む)を含む種々のパラメータの関数であるという点で、非常に概略的な図であることが理解される。さらに、たとえ単一の装置の場合であっても、このようなパラメータは、経時的に、例えば、装置が老朽化するのに伴って、または、動作状態が変化するのに伴って、変化し得る。従って、線の傾き、ピークの大きさ、ピークの数、及び、他の特性は、例えば、特定の装置及び動作条件に応じて異なることとなる。従って、グラフ405、410は、規範的で例示的な目的のための概略図と解釈されるべきである。 4A and 4B are graphs 405 and 410 schematically representing the voltage and electric field at the heterojunction between the source and drain of the HEMTs of some embodiments that are off, respectively. Embodiments of HEMTs include at least a double field plate structure (eg, FIG. 1) or a triple or more field plate structure (eg, FIGS. 2, 3). In graphs 405 and 410, the voltage and electric field are not limited, but geometric parameters (including, for example, the number, dimensions, and configurations of HEMT features), material parameters (eg, material dielectric constant, material density, etc.). Functions of various parameters including work function, dopant concentration, defect concentration, surface state composition, and surface state concentration, as well as operating parameters (including, for example, temperature, gate voltage, and source-drain voltage). It is understood that it is a very schematic diagram in that it is. Moreover, even in the case of a single device, such parameters change over time, for example, as the device ages or as its operating state changes. obtain. Therefore, the slope of the line, the size of the peaks, the number of peaks, and other characteristics will vary depending on, for example, a specific device and operating conditions. Therefore, graphs 405 and 410 should be construed as schematics for normative and exemplary purposes.
グラフ405は、軸410及び横座標415を含む。軸410に沿った縦方向位置は、電圧を表す。横座標415に沿った横位置は、ソース・ドレイン間における、HEMTのヘテロ接合に沿った横位置を表す。グラフ420は、軸425及び横座標430を含む。軸425に沿った縦方向位置は、電界の大きさを表す。横座標430に沿った横位置は、ソース・ドレイン間における、HEMTのヘテロ接合に沿った横位置を表す。横座標415、430に沿った横位置は、例示を目的として、HEMT100、200、300(図1、2、3)の端部150、160、170、320に対応する。 Graph 405 includes axis 410 and abscissa 415. The vertical position along the axis 410 represents the voltage. The lateral position along the abscissa 415 represents the lateral position along the HEMT heterojunction between the source and drain. Graph 420 includes axis 425 and abscissa 430. The vertical position along the axis 425 represents the magnitude of the electric field. The lateral position along the abscissa 430 represents the lateral position along the HEMT heterojunction between the source and drain. The lateral positions along the abscissas 415 and 430 correspond to the ends 150, 160, 170, 320 of HEMTs 100, 200, 300 (FIGS. 1, 2, and 3) for illustrative purposes.
示されたパラメータの下において、ヘテロ接合は、ソースの近傍420で実質的に導電性であり、及び、ソース電圧VSに略等しい電圧であることが観測される。そのため、ソースの近傍420の電界は、約ゼロである。(ヘテロ接合から電荷担体を局所的に空乏化するようにゲートがバイアスされる)示されたバイアス条件下で、ヘテロ接合の単位長さあたりの電気インピーダンスが、ゲートの近傍で増加し、及び、ゲートの底部ドレイン側端部150のほぼ直下で局大値に達する。ゲートの底部ドレイン側端部150の近傍での、電荷担体の局所的な空乏化が、電圧変化425及び電界の局大値430を発生させる。 Under the parameters shown, it is observed that the heterojunction is substantially conductive in the vicinity of the source 420 and is a voltage approximately equal to the source voltage VS. Therefore, the electric field of 420 near the source is about zero. Under the indicated bias conditions (the gate is biased to locally deplete the charge carriers from the heterojunction), the electrical impedance per unit length of the heterojunction increases near the gate, and The local high value is reached almost immediately below the bottom drain side end 150 of the gate. Local depletion of the charge carrier in the vicinity of the bottom drain side end 150 of the gate causes a voltage change of 425 and a localized value of 430 of the electric field.
ゲートによるヘテロ接合からの電荷担体の空乏化は、ドレインに向かって低減する。そのため、単位長さあたりの電位の変化とヘテロ接合の電界との両方が減少する。しかし、(ゲート接続フィールドプレートがさらに配設され、及び、ヘテロ接合から電荷担体を局所的に空乏化するようにバイアスされる)例示的なパラメータの下で、ヘテロ接合の単位長さあたりの電気インピーダンスが、同様に増加し、及び、ゲート接続フィールドプレートの底部ドレイン側端部160のほぼ直下で局大値に達する。ゲート接続フィールドプレートの近傍での電気インピーダンスの増加は、単位長さあたりの電圧における比較的大きな変化435と、電界の局大値440とをもたらす。 Depletion of charge carriers from heterojunctions by the gate decreases towards the drain. Therefore, both the change in potential per unit length and the heterojunction electric field are reduced. However, under exemplary parameters (gate connection field plates are further disposed and biased to locally deplete charge carriers from the heterojunction), electricity per unit length of the heterojunction. Impedance increases as well and reaches a local high value approximately just below the bottom drain side end 160 of the gate connection field plate. An increase in electrical impedance in the vicinity of the gate connection field plate results in a relatively large change in voltage per unit length of 435 and a local maximum of 440 in the electric field.
ゲート接続フィールドプレートによるヘテロ接合からの電荷担体の空乏化も、ドレインに向かって低減する。そのため、単位長さあたりの電位の変化と、ヘテロ接合の電界との両方が減少する。しかし、(ソース接続フィールドプレートがさらに配設されて、ヘテロ接合から電荷担体を局所的に空乏化するようにバイアスされる)例示的なパラメータの下で、ヘテロ接合の単位長さあたりの電気インピーダンスは、同様に増加し、及びソース接続フィールドプレート145の底部ドレイン側端部170またはゲート接続フィールドプレート310の底部ドレイン側端部320のほぼ直下で局大値に達する。ソース接続フィールドプレートの近傍での電気インピーダンスの増加は、単位長さあたりの電圧の比較的大きな変化445と、電界の局大値450とをもたらす。 Depletion of charge carriers from heterojunctions with gate-connected field plates is also reduced towards the drain. Therefore, both the change in potential per unit length and the heterojunction electric field are reduced. However, under exemplary parameters (the source connection field plate is further disposed and biased to locally deplete the charge carriers from the heterojunction), the electrical impedance per unit length of the heterojunction. Also increases and reaches a local high value approximately directly below the bottom drain side end 170 of the source connection field plate 145 or the bottom drain side end 320 of the gate connection field plate 310. An increase in electrical impedance in the vicinity of the source connection field plate results in a relatively large change in voltage per unit length of 445 and a local maximum of 450 in the electric field.
例示的なパラメータの下において、ソース接続フィールドプレートによるヘテロ接合からの電荷担体の空乏化も、ドレインに向かって低減する。ヘテロ接合は、ドレインの近傍455で実質的に導電性になり、及びドレイン電圧VDに略等しい電圧であることが観測される。そのため、ドレインの近傍455の電界は、約ゼロである。全ソース・ドレイン間電位差ΔVSDが、ヘテロ接合の横方向長さにわたってサポートされ、HEMTがオフ(非導電性)状態である。前述のとおり、図4A、4Bは、規範的で例示的な目的のための概略図である。他の動作条件下での他のHEMTが、追加的またはより少ないピーク、異なる傾きのピーク、及び様々なピークのピーク、並びに、他の特性をもつことを含む他の方法で、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDをサポートし得る。 Under exemplary parameters, charge carrier depletion from heterojunctions with source connection field plates is also reduced towards the drain. Heterojunction is substantially becomes conductive in the vicinity 455 of the drain, and it is observed a voltage substantially equal to the drain voltage V D. Therefore, the electric field in the vicinity of the drain 455 is about zero. The potential difference between all sources and drains ΔV SD is supported over the lateral length of the heterojunction and the HEMT is in the off (non-conductive) state. As mentioned above, FIGS. 4A and 4B are schematics for normative and exemplary purposes. Between source and drain in other ways, including other HEMTs under other operating conditions, with additional or less peaks, peaks of different slopes, and peaks of various peaks, as well as other characteristics. It can support the potential difference ΔV SD .
図5A、5Bは、それぞれ、オン状態にあるいくつかの実施態様のHEMTのソース・ドレイン間での、ヘテロ接合での電圧及び電界を概略的に表すグラフ505、510である。HEMTの実施態様は、二重フィールドプレート構造(例えば、図1)、または三重以上のフィールドプレート構造(例えば、図2、3)を含み得る。グラフ505、510も概略図であり、電圧及び電界は、種々のパラメータの関数であり、並びに、このようなパラメータは、経時的に変化してよい。 5A and 5B are graphs 505 and 510, which schematically represent the voltage and electric field at the heterojunction between the source and drain of the HEMTs of some embodiments that are on, respectively. Embodiments of HEMTs may include a double field plate structure (eg, FIG. 1) or a triple or more field plate structure (eg, FIGS. 2, 3). Graphs 505 and 510 are also schematics, voltage and electric field are functions of various parameters, and such parameters may change over time.
グラフ505は、軸510及び横座標515を含む。軸510に沿った縦方向位置は、電圧を表す。横座標515に沿った横位置は、ソース・ドレイン間でのHEMTのヘテロ接合に沿った横位置を表す。グラフ520は、軸525及び横座標530を含む。軸525に沿った縦方向位置は、電界の大きさを表す。横座標530に沿った横位置は、ソース・ドレイン間でのHEMTのヘテロ接合に沿った横位置を表す。横座標515、530に沿った横位置は、例示を目的として、HEMT100、200、300(図1、2、3)の端部150、160、170、320に対応する。 Graph 505 includes axis 510 and abscissa 515. The vertical position along the axis 510 represents the voltage. The lateral position along the abscissa 515 represents the lateral position along the HEMT heterojunction between the source and drain. Graph 520 includes axis 525 and abscissa 530. The vertical position along the axis 525 represents the magnitude of the electric field. The lateral position along the abscissa 530 represents the lateral position along the HEMT heterojunction between the source and drain. The lateral positions along the abscissa 515, 530 correspond to the ends 150, 160, 170, 320 of HEMTs 100, 200, 300 (FIGS. 1, 2, and 3) for illustrative purposes.
示された幾何学的パラメータ、材料パラメータ、及び動作パラメータ下でのオン状態において、ヘテロ接合は、導電性であり、ソース及びドレインは、実質的に同じ電圧である。しかし、示されたパラメータの下であっても、ヘテロ接合は、有限の非ゼロの抵抗をもち、ソース電圧及びドレイン電圧は、同一ではない。ヘテロ接合がチャネルの全長にわたって理想的に一様な抵抗率をもつのであれば妥当であるように、例示を目的として、電圧535は、わずかだが一様に立ち上がる傾きと、最小だが一様な非ゼロ値の電界540とをもって表示される。必ずこうなるわけではない。例えば、ヘテロ接合の有限の抵抗率は、導電性であるとしても、接触電位差、担体密度、欠陥密度、及び/または他のパラメータの局所的な違いに起因して、横位置に応じて様々であってもよい。 In the on-state under the indicated geometric, material and operating parameters, the heterojunction is conductive and the source and drain are at substantially the same voltage. However, even under the parameters shown, the heterojunction has a finite non-zero resistance and the source and drain voltages are not the same. For illustration purposes, the voltage 535 has a slight but uniformly rising slope and a minimal but uniform non-zero, as is reasonable if the heterojunction has an ideally uniform resistivity over the entire length of the channel. It is displayed with a zero value electric field 540. This is not always the case. For example, the finite resistivity of a heterojunction, even if conductive, varies depending on the lateral position due to local differences in contact potential difference, carrier density, defect density, and / or other parameters. There may be.
他の例として、例えば、ヘテロ接合における担体数が、理想的な導体により導通されることとなる電流と比べて比較的少ない場合、ヘテロ接合における電流は、特定の幾何学的パラメータ、材料パラメータ、及び動作パラメータの下で限定された空間電荷になり得る。比較的大きなソース・ドレイン間電位差ΔVSD及び電界が生じ得る。例えば、特定のパラメータの下において、所与のドレイン電流レベルに対し、ニー電圧以上(ΔVSD≧Vknee)で、比較的大きな電界が、ゲート電極の下方でドレインに向けて非空乏領域からさえも横方向に延在する。 As another example, for example, if the number of carriers in a heterojunction is relatively small compared to the current that would be conducted by an ideal conductor, the current in the heterojunction would be a particular geometric parameter, material parameter, And can be a limited space charge under operating parameters. A relatively large source-drain potential difference ΔV SD and electric field can occur. For example, under certain parameters, for a given drain current level, above the knee voltage (ΔV SD ≥ V knee ), a relatively large electric field is applied below the gate electrode towards the drain, even from the non-depleted region. Also extends laterally.
いくつかの実施態様において、距離d3(ゲート接続フィールドプレート140の底部ドレイン側端部160からドレインに向かうフィールドプレート145、310の横方向の延在部を特徴付ける)は、ドレインに向かうこの比較的大きな電界の横方向の広がり未満である。フィールドプレート145、310の横方向延在部に対するこのような限定は、フィールドプレート145、310とヘテロ接合115との間に発生する電界を低減し得る。特に、ソース接続フィールドプレート145については、全ソース・ドレイン間電位差ΔVSDが、長さd3に沿った第1の絶縁材料層155、第2の絶縁材料層165、及び第3の絶縁材料層175の部分の全体でサポートされるわけではないこととなる。ゲート接続フィールドプレート310については、全ゲート・ドレイン間電位差は、長さd3に沿った第1の絶縁材料層155、第2の絶縁材料層165、及び第3の絶縁材料層175の部分の全体でサポートされるわけではないこととなる。この領域における電界を低減させることにより、HEMTの絶縁破壊電圧と寿命とが、改善され得る。 In some embodiments, the distance d3, which characterizes the lateral extension of the field plates 145, 310 towards the drain from the bottom drain side end 160 of the gate connection field plate 140, is this relatively large towards the drain. It is less than the lateral spread of the electric field. Such a limitation on the lateral extension of the field plates 145, 310 may reduce the electric field generated between the field plates 145, 310 and the heterojunction 115. In particular, for the source connection field plate 145, the potential difference ΔV SD between all sources and drains is the first insulating material layer 155, the second insulating material layer 165, and the third insulating material layer 175 along the length d3. It will not be supported by the whole part of. For the gate connection field plate 310, the potential difference between all gates and drains is the entire portion of the first insulating material layer 155, the second insulating material layer 165, and the third insulating material layer 175 along the length d3. Will not be supported by. By reducing the electric field in this region, the breakdown voltage and lifetime of the HEMT can be improved.
従って、前述のとおり、図5A、5Bも、規範的で例示的な目的のための概略図である。軸510に沿った電圧535の縦方向位置は、HEMTの配置、例えば、HEMTが負荷の高い側に配置されるか低い側に配置されるかに応じて決まることとなる。 Therefore, as mentioned above, FIGS. 5A and 5B are also schematics for normative and exemplary purposes. The vertical position of the voltage 535 along the shaft 510 will be determined depending on the placement of the HEMTs, for example, whether the HEMTs are placed on the higher side or the lower side of the load.
図6A、6Bは、それぞれ、固定のソース及びゲート電位の場合であって、様々な異なる別個のドレイン電位VD1、VD2、VD3、VD4の場合についての、オフ状態にあるいくつかの実施態様のHEMTのソース・ドレイン間におけるヘテロ接合での電圧及び電界を概略的に表すグラフ605、620である。グラフ605、620は、規範的で例示的な目的のために示された、非常に概略的な図である。HEMTの実施態様は、二重フィールドプレート構造(例えば、図1)、または三重以上のフィールドプレート構造(例えば、図2、3)を含み得る。 6A and 6B show HEMTs of some embodiments that are off for fixed source and gate potentials, respectively, for a variety of different and distinct drain potentials VD1, VD2, VD3, VD4. 605, 620 are graphs schematically showing the voltage and electric potential at the heterojunction between the source and drain of. Graphs 605 and 620 are very schematic diagrams shown for normative and exemplary purposes. Embodiments of HEMTs may include a double field plate structure (eg, FIG. 1) or a triple or more field plate structure (eg, FIGS. 2, 3).
グラフ605は、軸610及び横座標615を含む。軸610に沿った縦方向位置は、電圧を表す。横座標615に沿った横位置は、ソース・ドレイン間でのHEMTのヘテロ接合に沿った横位置を表す。グラフ620は、軸625及び横座標630を含む。軸625に沿った縦方向位置は、電界の大きさを表す。横座標630に沿った横位置は、ソース・ドレイン間でのHEMTのヘテロ接合に沿った横位置を表す。横座標615、630に沿った横位置は、例示を目的として、HEMT100、200、300(図1、2、3)の端部150、160、170、320に対応する。 Graph 605 includes axes 610 and abscissa 615. The vertical position along the axis 610 represents the voltage. The lateral position along the abscissa 615 represents the lateral position along the HEMT heterojunction between the source and drain. Graph 620 includes axis 625 and abscissa 630. The vertical position along the axis 625 represents the magnitude of the electric field. The lateral position along the abscissa 630 represents the lateral position along the HEMT heterojunction between the source and drain. The lateral positions along the abscissa 615, 630 correspond to the ends 150, 160, 170, 320 of HEMT 100, 200, 300 (FIGS. 1, 2, 3) for illustration purposes.
オフ状態において、ヘテロ接合の横方向長さの全体にわたって、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDがサポートされる。しかし、HEMTの幾何学的パラメータ、材料パラメータ、及び動作パラメータに応じて、電荷担体の局所的な空乏化の程度が異なり得る。これに対応して、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDが変化するので、底部ドレイン側端部150の近傍での電圧変化425及び局大値430、底部ドレイン側端部160の近傍での電圧変化435及び局大値440、並びに、底部ドレイン側端部170、320の近傍での電圧変化445及び局大値450も異なり得る。 In the off state, a source-drain potential difference ΔV SD is supported over the entire transverse length of the heterojunction. However, the degree of local depletion of the charge carrier may vary depending on the geometric, material and operating parameters of the HEMT. Correspondingly, the potential difference ΔV SD between the source and drain changes, so that the voltage change 425 and the local maximum value 430 in the vicinity of the bottom drain side end 150 and the voltage change 435 in the vicinity of the bottom drain side end 160 And the local highs 440, and the voltage changes 445 and local highs 450 in the vicinity of the bottom drain side ends 170, 320 can also be different.
グラフ605、620は、非常に概略的な図であるが、ゲート135の底部ドレイン側端部150の近傍での電界の局大値430は、グラフ620に表示されたより大きなソース・ドレイン間電位差ΔVSDで、飽和し始めることに留意されたい。言い換えると、比較的小さなソース・ドレイン間電位差ΔVSDで(例えば、VD1未満及びVD1とVD2との間のドレイン電圧で)、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDの増加は、また、ゲート135の底部ドレイン側端部150の近傍での電界の局大値430の増加をもたらす。対称的に、比較的大きなソース・ドレイン間電位差ΔVSD(例えば、VD3とVD4との間のドレイン電圧)において、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDの増加が、ゲート135の底部ドレイン側端部150の近傍での電界の局大値430において、より小さな増加または増加しないことさえもたらす。ドレイン電位の増加に伴う電界の局大値430における漸増的な変化のこの飽和または「頭打ち」は、ゲート接続フィールドプレート140の底部ドレイン側端部160の近傍での電荷担体の完全な空乏化に対応する。 Graphs 605 and 620 are very schematic, but the local maximum value 430 of the electric field near the bottom drain side end 150 of the gate 135 is the larger source-drain potential difference ΔV displayed in graph 620. Note that SD begins to saturate. In other words, with a relatively small source-drain potential difference ΔV SD (eg, with less than VD1 and drain voltage between VD1 and VD2), an increase in source-drain potential difference ΔV SD also increases the bottom drain of the gate 135. It results in an increase in the local magnitude 430 of the electric field near the side end 150. Symmetrically, at a relatively large source-drain potential difference ΔV SD (eg, drain voltage between VD3 and VD4), the increase in source-drain potential difference ΔV SD is at the bottom drain side end 150 of the gate 135. At a local maximum of 430 electric fields in the vicinity, it results in a smaller increase or even no increase. This saturation or "peaking out" of the gradual change in the local peak 430 of the electric field with increasing drain potential leads to complete depletion of charge carriers near the bottom drain side end 160 of the gate connection field plate 140. Correspond.
いくつかの実施態様において、例えば、摂氏150度の室温内、または摂氏125度の室温内の一般的な動作条件でゲート端部電界の漸増が頭打ちとなるように、HEMTの幾何学的性質及び材料の性質が調整され得る。例えば、ゲートスイング振幅の絶対値より大きな、ソースに対するドレイン電位で、ゲート端部電界の漸増が頭打ちとなるように、HEMTの幾何学的性質及び材料の性質が調整され得る。従って、ゲートスイング振幅を規定する幾何学的性質及び材料の性質の少なくともいくつかは、ゲート端部電界の漸増の頭打ちに関連し、それ自体が、その同じ幾何学的性質及び材料の性質の少なくともいくつかの相互作用によって部分的に規定される。この方法で幾何学的性質及び材料の性質を調整することにより、ゲート135のドレイン側端部150の近傍のチャネルにおける最大の電界が制限され得、従って、半導体材料105及び/または110における中央深くのイオン化を低減または防止する。これは、関連する分散または崩壊効果を低減または防止さえもたらし、及び、半導体材料105及び/または110においてなだれ降伏が発生する可能性を低減または除去する。 In some embodiments, the geometry of the HEMT and such that the tapering of the gate end electric field peaks under common operating conditions, for example, at room temperature of 150 degrees Celsius or at room temperature of 125 degrees Celsius. The properties of the material can be adjusted. For example, the geometric and material properties of the HEMT can be adjusted so that the gradual increase in the gate end electric field peaks at a drain potential with respect to the source that is greater than the absolute value of the gate swing amplitude. Therefore, at least some of the geometric and material properties that define the gate swing amplitude are associated with the gradual increase of the gate end electric field, and by themselves at least some of its same geometric and material properties. Partially defined by some interaction. By adjusting the geometric and material properties in this way, the maximum electric field in the channel near the drain side end 150 of the gate 135 can be limited, thus deep in the center of the semiconductor material 105 and / or 110. Reduces or prevents ionization of. This even reduces or even prevents the associated dispersion or disintegration effect, and reduces or eliminates the potential for avalanche breakdown in the semiconductor materials 105 and / or 110.
他の例として、いくつかの実施態様において、HEMTの幾何学的性質及び材料の性質は、ゲートスイング振幅の絶対値の2倍より大きな、ソースに対するドレイン電位、例えば、ゲートスイング振幅の絶対値の2〜5倍またはゲートスイング振幅の絶対値の3〜4倍において、その同じ動作条件の場合におけるゲート端部電界の漸増が頭打ちとなるように調整され得る。このような幾何学的性質及び材料の性質をこの方法で調整することにより、上記の利益が、さらに達成されやすい。 As another example, in some embodiments, the nature of the geometric properties and the material of the HEMT is greater than twice the absolute value of the gate swing amplitude, the drain potential with respect to the source, for example, the gate swing amplitude of the absolute value At 2-5 times or 3-4 times the absolute value of the gate swing amplitude, the gradual increase in the gate end electric field under the same operating conditions can be adjusted to peak. By adjusting such geometrical properties and material properties in this way, the above benefits are more likely to be achieved.
図7は、固定のソース及びゲート電位の場合であって、様々な異なる別個のドレイン電位VD4、VD5、VD6、VD7の場合についての、オフ状態にあるいくつかの実施態様のHEMTのソース・ドレイン間におけるヘテロ接合での電界を概略的に表すグラフ720である。グラフ720は、規範的で例示的な目的のために示された非常に概略的な図である。HEMTの実施態様は、二重フィールドプレート構造(例えば、図1)、または三重以上のフィールドプレート構造(例えば、図2、3)を含み得る。 FIG. 7 shows the source and drain of some embodiments of HEMT in the off state for a fixed source and gate potential with a variety of different and distinct drain potentials VD4, VD5, VD6, VD7. FIG. 720 is a graph 720 schematically showing the electric field at the heterojunction between the two. Graph 720 is a very schematic diagram shown for normative and exemplary purposes. Embodiments of HEMTs may include a double field plate structure (eg, FIG. 1) or a triple or more field plate structure (eg, FIGS. 2, 3).
グラフ720は、軸725及び横座標730を含む。軸725に沿った縦方向位置は、電界の大きさを表す。横座標730に沿った横位置は、ソース・ドレイン間でのHEMTのヘテロ接合に沿った横位置を表す。横座標730に沿った横位置は、例示を目的として、HEMT100、200、300(図1、2、3)の端部150、160、170、320に対応する。 Graph 720 includes axis 725 and abscissa 730. The vertical position along the axis 725 represents the magnitude of the electric field. The lateral position along the abscissa 730 represents the lateral position along the HEMT heterojunction between the source and drain. The lateral positions along the abscissa 730 correspond to the ends 150, 160, 170, 320 of HEMTs 100, 200, 300 (FIGS. 1, 2, 3) for illustration purposes.
オフ状態において、ヘテロ接合の横方向長さの全体にわたって、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDがサポートされる。しかし、HEMTの幾何学的パラメータ、材料パラメータ、及び動作パラメータに応じて、電荷担体の局所的な空乏化の程度が異なり得る。 In the off state, a source-drain potential difference ΔV SD is supported over the entire transverse length of the heterojunction. However, the degree of local depletion of the charge carrier may vary depending on the geometric, material and operating parameters of the HEMT.
グラフ720は、非常に概略的な図であるが、次のことに留意されたい:
−ゲート135の底部ドレイン側端部150の近傍での電界の局大値430は、図示されたソース・ドレイン間電位差ΔVSDのすべてにおいて飽和する。及び
−ゲート接続フィールドプレート140の底部ドレイン側端部160の近傍での電界の局大値440は、グラフ720に示された、より大きなソース・ドレイン間電位差ΔVSDで飽和し始める。
Graph 720 is a very schematic diagram, but note the following:
-The locality 430 of the electric field near the bottom drain side end 150 of the gate 135 saturates at all of the source-drain potential differences ΔV SD shown. And-The local value 440 of the electric field near the bottom drain side end 160 of the gate connection field plate 140 begins to saturate with the larger source-drain potential difference ΔV SD shown in graph 720.
言い換えると、比較的小さなソース・ドレイン間電位差ΔVSDで(例えば、VD4未満及びVD4とVD5との間のドレイン電圧で)、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDの増加は、また、ゲート接続フィールドプレート140の底部ドレイン側端部160の近傍での電界の局大値440の増加をもたらす。対称的に、比較的大きなソース・ドレイン間電位差ΔVSDで(例えば、VD6とVD7との間のドレイン電圧で)、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDの増加が、ゲート接続フィールドプレート140の底部ドレイン側端部160の近傍での電界の局大値440のより小さな増加または増加しないことをもたらす。ドレイン電位の増加に伴う電界の局大値440における漸増的な変化のこの飽和または「頭打ち」は、底部ドレイン側端部170、320のそれぞれの近傍での電荷担体の完全な空乏化に対応する。 In other words, with a relatively small source-drain potential difference ΔV SD (eg, with less than VD4 and with a drain voltage between VD4 and VD5), an increase in the source-drain potential difference ΔV SD also increases the gate connection field plate 140. It results in an increase in the local magnitude of 440 of the electric field near the bottom drain side end 160 of the. Symmetrically, with a relatively large source-drain potential difference ΔV SD (eg, at the drain voltage between VD6 and VD7), an increase in the source-drain potential difference ΔV SD is on the bottom drain side of the gate connection field plate 140. It results in a smaller increase or no increase in the locality 440 of the electric field near the end 160. This saturation or "peaking out" of the gradual change in the local peak 440 of the electric field with increasing drain potential corresponds to the complete depletion of charge carriers in the vicinity of the bottom drain side ends 170, 320, respectively. ..
いくつかの実施態様において、一般的な動作条件、例えば、摂氏150度の室温内、または摂氏125度の室温内で、ゲート端部電界の漸増が頭打ちとなるように、HEMTの幾何学的性質及び材料の性質(距離d3を含む)が調整され得る。例えば、ゲート端部電界の漸増が頭打ちとなるドレイン電位より大きなドレイン電位においてゲート接続フィールドプレートの漸増が頭打ちとなるように、HEMTの幾何学的性質及び材料の性質(距離d3を含む)が調整され得る。例えば、この電位差は、ゲート端部電界の漸増が頭打ちとなるドレイン電位の2倍より大きな電位差、例えば、ゲート端部電界の漸増が頭打ちとなるドレイン電位の3〜5倍の電位差であり得る。従って、ゲート端部電界の漸増の頭打ちを規定する幾何学的性質及び材料の性質の少なくともいくつかが、ゲート接続フィールドプレートの漸増の頭打ちに関連し、それ自体が、その同じ幾何学的性質及び材料の性質の少なくともいくつかの相互作用によって部分的に規定される。幾何学的性質及び材料の性質をこの方法で調整することにより、ゲート接続フィールドプレート140のドレイン側端部160の近傍のチャネルにおける最大の電界が制限され得、従って、半導体材料105及び/または110における中央深くのイオン化を低減または防止する。これは、関連する分散または崩壊効果を低減または防止さえもたらし、半導体材料105及び/または110においてなだれ降伏が発生する可能性を低減または除去する。 In some embodiments, the geometric properties of the HEMT so that the gradual increase in the gate end electric field peaks under common operating conditions, such as at room temperature of 150 degrees Celsius or at room temperature of 125 degrees Celsius. And the properties of the material (including distance d3) can be adjusted. For example, the geometric properties of the HEMT and the properties of the material (including the distance d3) are adjusted so that the gradual increase of the gate connection field plate peaks at a drain potential larger than the drain potential where the gradual increase of the gate end electric field peaks. Can be done. For example, this potential difference can be a potential difference greater than twice the drain potential at which the gradual increase in the gate end electric field peaks, for example, a potential difference of 3 to 5 times the drain potential at which the gradual increase in the gate end electric field peaks. Thus, at least some of the geometric and material properties that define the gradual peaking of the gate end electric field are associated with the gradual peaking of the gate connection field plate, which itself has the same geometrical properties and Partially defined by at least some interaction of the properties of the material. By adjusting the geometric and material properties in this way, the maximum electric field in the channel near the drain side end 160 of the gate connection field plate 140 can be limited, thus limiting the semiconductor material 105 and / or 110. Reduces or prevents deep central ionization in. This even reduces or even prevents the associated dispersion or disintegration effect and reduces or eliminates the potential for avalanche breakdown in the semiconductor materials 105 and / or 110.
他の例として、いくつかの実施態様において、ゲート端部電界の漸増が頭打ちとなるドレイン電位の2.5倍より大きな、例えば、ゲート端部電界の漸増が頭打ちとなるドレイン電位の5倍、または、ゲート端部電界の漸増が頭打ちとなるドレイン電位の10倍にもなる、ソースに対するドレイン電位で、ゲート接続フィールドプレートの漸増が頭打ちとなるように、HEMTの幾何学的性質及び材料の性質(距離d3を含む)が調整され得る。幾何学的性質及び材料の性質をこの方法で調整することにより、上記の利益がさらに達成されやすい。 As another example, in some embodiments, the gradual increase in the gate end electric field is greater than 2.5 times the drain potential that peaks, for example, 5 times the drain potential where the gradual increase in the gate end electric field peaks. Alternatively, the geometric and material properties of the HEMT so that the gradual increase in the gate end field plate peaks at the drain potential relative to the source, where the gradual increase in the gate end electric field is 10 times the drain potential that peaks. (Including distance d3) can be adjusted. By adjusting the geometrical properties and the properties of the material in this way, the above benefits are more likely to be achieved.
図8は、固定のソース及びゲート電位の場合であって、様々な異なる別個のドレイン電位VD4、VD5、VD6、VD7の場合についての、オフ状態にあるいくつかの実施態様のHEMTのソース・ドレイン間における、ヘテロ接合での電界を概略的に表すグラフ820である。グラフ720は、規範的で例示的な目的のために示された、非常に概略的な図である。HEMTの実施態様は、二重フィールドプレート構造(例えば、図1)、または三重以上のフィールドプレート構造(例えば、図2、3)を含み得る。 FIG. 8 shows the source and drain of some embodiments in the off state for fixed source and gate potentials with a variety of different and distinct drain potentials VD4, VD5, VD6, VD7. FIG. 820 is a graph 820 schematically showing the electric field at the heterojunction between the two. Graph 720 is a very schematic diagram shown for normative and exemplary purposes. Embodiments of HEMTs may include a double field plate structure (eg, FIG. 1) or a triple or more field plate structure (eg, FIGS. 2, 3).
グラフ820は、軸825及び横座標830を含む。軸825に沿った縦方向位置は、電界の大きさを表す。横座標830に沿った横位置は、ソース・ドレイン間でのHEMTのヘテロ接合に沿った横位置を表す。横座標830に沿った横位置は、例示を目的として、HEMT100、200、300(図1、2、3)の端部150、160、170、320に対応する。 Graph 820 includes axis 825 and abscissa 830. The vertical position along the axis 825 represents the magnitude of the electric field. The lateral position along the abscissa 830 represents the lateral position along the HEMT heterojunction between the source and drain. The lateral positions along the abscissa 830 correspond to the ends 150, 160, 170, 320 of HEMTs 100, 200, 300 (FIGS. 1, 2, and 3) for illustrative purposes.
オフ状態において、ヘテロ接合の横方向長さの全体にわたって、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDがサポートされる。しかし、グラフ820は、非常に概略的な図であるが、より大きなソース・ドレイン間電位差ΔVSDにおいてゲート接続フィールドプレート140の底部ドレイン側端部160の近傍での電界の局大値440が飽和し始めるまで、ゲート接続フィールドプレート140の底部ドレイン側端部160からドレインに向かって横方向に延在する電界が、底部ドレイン側端部170、320からソースに向けて横方向に延在する電界に達しないことに留意されたい。言い換えると、比較的小さなソース・ドレイン間電位差ΔVSDで(例えば、VD4未満、及びVD4とVD5との間のドレイン電圧で)、ヘテロ接合の一部805が実質的に導電性のまま残り、及び、一部805における電界が約ゼロである。対称的に、比較的大きなソース・ドレイン間電位差ΔVSDで(例えば、VD6とVD7との間の、及びVD7より大きなドレイン電圧で)、ドレイン側端部160及びドレイン側端部170、320の重なりから発生する局所的な空乏化(及び、付随する電界)、並びに、一部805の伝導率が低減される。 In the off state, a source-drain potential difference ΔV SD is supported over the entire transverse length of the heterojunction. However, graph 820, which is a very schematic diagram, saturates the local maximum value 440 of the electric field near the bottom drain side end 160 of the gate connection field plate 140 at a larger source-drain potential difference ΔV SD . The electric field extending laterally from the bottom drain side end 160 of the gate connection field plate 140 toward the drain is the electric field extending laterally from the bottom drain side ends 170 and 320 toward the source. Note that it does not reach. In other words, with a relatively small source-drain potential difference ΔV SD (eg, at less than VD4 and at a drain voltage between VD4 and VD5), some 805 of the heterojunction remains substantially conductive, and , The electric field in some 805 is about zero. Symmetrically, with a relatively large source-drain potential difference ΔV SD (eg, between VD6 and VD7 and at a drain voltage greater than VD7), the drain side ends 160 and the drain side ends 170, 320 overlap. The local depletion (and associated electric field) that arises from it, as well as the conductivity of some 805, is reduced.
(一般的な動作条件の場合において)ゲート接続フィールドプレート140の底部ドレイン側端部160の近傍での電界の局大値440が飽和し始めるまで、ヘテロ接合の一部805が、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDの増加に伴って、実質的に導電性のまま残るように、HEMTの幾何学的性質及び材料の性質(距離d3を含む)が調整され得る。このような動作条件の一例は、例えば、摂氏150度の室温内、または摂氏125度の室温内である。幾何学的性質及び材料の性質を調整することにより、ゲート接続フィールドプレート140のドレイン側端部160の近傍でのチャネルにおける最大の電界は、制限され得、従って、半導体材料105及び/または110における中央深くのイオン化を低減または防止する。 Part of the heterojunction 805 is between source and drain until the locality 440 of the electric field near the bottom drain side end 160 of the gate connection field plate 140 (under general operating conditions) begins to saturate. With increasing potential difference ΔV SD , the geometric properties of the HEMT and the properties of the material (including the distance d3) can be adjusted so that they remain substantially conductive. An example of such operating conditions is, for example, at room temperature of 150 degrees Celsius or at room temperature of 125 degrees Celsius. By adjusting the geometrical and material properties, the maximum electric field in the channel near the drain side end 160 of the gate connection field plate 140 can be limited and therefore in the semiconductor material 105 and / or 110. Reduces or prevents ionization deep in the center.
図9は、固定のソース及びゲート電位の場合であって、様々な異なる別個のドレイン電位の場合についての、オフ状態にあるいくつかの実施態様のHEMTのソース・ドレイン間における、ヘテロ接合での電界を概略的に表すグラフ920である。グラフ920は、規範的で例示的な目的のために示された、非常に概略的な図である。HEMTの実施態様は、三重以上のフィールドプレート構造(例えば、図2、3)を含む。 FIG. 9 shows a heterojunction between the source and drain of some embodiments of HEMT in the off state for a fixed source and gate potential, with a variety of different and distinct drain potentials. FIG. 920 is a graph 920 schematically showing an electric potential. Graph 920 is a very schematic diagram shown for normative and exemplary purposes. Embodiments of HEMT include triple or more field plate structures (eg, FIGS. 2, 3).
グラフ920は、軸925及び横座標930を含む。軸925に沿った縦方向位置は、電界の大きさを表す。横座標930に沿った横位置は、ソース・ドレイン間でのHEMTのヘテロ接合に沿った横位置を表す。横座標930に沿った横位置は、例示を目的として、HEMT200、300(図2、3)の端部150、160、170、320、220に対応する。 Graph 920 includes axis 925 and abscissa 930. The vertical position along the axis 925 represents the magnitude of the electric field. The lateral position along the abscissa 930 represents the lateral position along the HEMT heterojunction between the source and drain. The lateral position along the abscissa 930 corresponds to the ends 150, 160, 170, 320, 220 of HEMT200, 300 (FIGS. 2 and 3) for illustrative purposes.
オフ状態において、ヘテロ接合の横方向長さの全体にわたって、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDがサポートされる。例示的なパラメータの下において、第2のソース接続プレート210の底部ドレイン側端部220は、さらに、ヘテロ接合から電荷担体を空乏化し、及びドレインの近傍455で電界を発生させる。従って、(一般的な動作条件の場合において)ヘテロ接合と第2のソース接続プレート210との間の縦方向の電圧差に起因して、ドレインの近傍455のヘテロ接合の一部が空乏化するように、HEMTの幾何学的性質及び材料の性質が調整され得る。このような動作条件の一例は、例えば、摂氏150度の室温内、または摂氏125度の室温内である。 In the off state, a source-drain potential difference ΔV SD is supported over the entire transverse length of the heterojunction. Under exemplary parameters, the bottom drain side end 220 of the second source connection plate 210 further depletes the charge carriers from the heterojunction and creates an electric field near the drain 455. Therefore, due to the longitudinal voltage difference between the heterojunction and the second source connection plate 210 (under general operating conditions), some of the heterojunctions near the drain 455 are depleted. As such, the geometrical properties of HEMTs and the properties of materials can be adjusted. An example of such operating conditions is, for example, at room temperature of 150 degrees Celsius or at room temperature of 125 degrees Celsius.
幾何学的性質及び材料の性質をこの方法で調整することにより、装置がオフ状態にある間に、ヘテロ接合と第2のソース接続プレート210との間の電位差が、及び、その結果として電界が、低減し得る。特に、ソース・ドレイン間電位差ΔVSDの一部が、ドレインの近傍455でヘテロ接合115に沿って減少するので、全ソース・ドレイン間電位差ΔVSDが、第2のソース接続プレート210と第2のソース接続プレート210の下方にあるヘテロ接合115の一部との間に印加されるわけではない。その代わり、例えば、介在する絶縁材料(単数または複数)への電荷注入の可能性及び/または絶縁破壊を低減させるような、より小さな電位差が存在する。 By adjusting the geometric and material properties in this way, the potential difference between the heterojunction and the second source connection plate 210, and as a result the electric field, while the device is off. , Can be reduced. In particular, part of the source-drain potential difference [Delta] V SD is in the vicinity 455 of the drain so decreases along the heterojunction 115, all source-drain potential difference [Delta] V SD is the second source connection plate 210 second It is not applied between the heterojunction 115 below the source connection plate 210. Instead, for example, there is a smaller potential difference that reduces the possibility of charge injection into the intervening insulating material (s) and / or dielectric breakdown.
いくつかの実施態様において、HEMTは、少なくとも短期間にわたって、ヘテロ接合と第2のソース接続プレート210との間で、少なくとも最大の指定されたソース・ドレイン間電位差ΔVSDで動作するように調整される幾何学的性質及び材料の性質をもつ。特に、HEMTが、オフ状態において、それらの動作寿命の比較的大きなパーセントを消費する可能性があるが、切り替え中、最大の動作上のソース・ドレイン間電位差ΔVSDに近い電位が、過渡的にヘテロ接合と第2のソース接続プレート210との間に現れる。どのような理論にも縛られる意図はないが、ヘテロ接合での空乏化及び(再)蓄積過程は、ヘテロ接合の横方向長さの全体に沿って一様には発生しない可能性があると考えられる。例えば、オフ状態とオン状態との間の切り替えの場面において、ドレインの近傍455のヘテロ接合115の一部が、ヘテロ接合115の他の部分より高速に電荷を(再)蓄積し得る。この場合、ヘテロ接合115の他の部分より前に、ドレインの近傍455のヘテロ接合が導電性になり得る。この過渡状態の間、ドレイン電圧VDは、近傍455内に広がり得、及び、全ソース・ドレイン間電位差ΔVSDが、第2のソース接続プレート210とヘテロ接合115のうちの下方にある部分との間でサポートされることとなる。 In some embodiments, the HEMT is tuned to operate with at least the largest specified source-drain potential difference ΔV SD between the heterojunction and the second source connection plate 210 for at least a short period of time. Has geometrical properties and material properties. In particular, HEMTs can consume a relatively large percentage of their operating life in the off state, but during switching, potentials close to the maximum operational source-drain potential difference ΔV SD are transient. Appears between the heterojunction and the second source connection plate 210. Although not intended to be bound by any theory, the depletion and (re) accumulation process in heterojunctions may not occur uniformly along the entire lateral length of the heterojunction. Conceivable. For example, in the context of switching between the off and on states, part of the heterojunction 115 near the drain may (re) accumulate charge faster than the rest of the heterojunction 115. In this case, the heterojunction in the vicinity of the drain 455 can be conductive before the rest of the heterojunction 115. During this transient, the drain voltage V D can spread within the neighborhood 455 and the total source-drain potential difference ΔV SD is with the lower portion of the second source connection plate 210 and the heterojunction 115. Will be supported between.
いくつかの実施態様が説明されてきた。しかし、様々な変更が適用されることが理解される。例えば、図示された実施態様は、すべて、横方向チャネルHEMTであるが、縦方向ヘテロ接合が形成され得るのであれば、同じ技術が、縦方向チャネルHEMTに適用され得る。従って、他の実施態様が、付属の請求項の範囲内にある。 Several embodiments have been described. However, it is understood that various changes apply. For example, all the illustrated embodiments are transverse channel HEMTs, but the same technique can be applied to longitudinal channel HEMTs if longitudinal heterojunctions can be formed. Therefore, other embodiments are within the scope of the appended claims.
Claims (23)
二次元電子気体が発生する位置であるヘテロ接合を形成するように配設された第1の半導体材料及び第2の半導体材料;
ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極であって、前記ゲート電極が前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記ヘテロ接合における伝導を調節するように配設されており、前記ゲート電極がドレイン側端部を有する、前記ソース電極、前記ドレイン電極、及び前記ゲート電極;
前記ゲート電極の前記ドレイン側端部の上方に配設されて前記ドレイン電極に向けて横方向に延在したゲート接続フィールドプレート;及び
前記ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部の上方に配設されて前記ドレイン電極に向けて横方向に延在した第2のフィールドプレート;
を備え、
前記HEMTが次のように構成されており、すなわち、
a)前記HEMTのオフ状態において、及び、
b)ゲートスイング振幅の絶対値を上回る前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電位差で、
前記ゲート接続フィールドプレートの前記ドレイン側端部の近傍における前記ヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化するように、前記HEMTが構成されており、および、電荷担体の前記空乏化が、前記ゲートスイング振幅の前記絶対値を上回る前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記電位差において、前記ゲート電極の前記ドレイン側端部の近傍での前記ヘテロ接合における横方向電界を飽和させるように、前記HEMTが構成されており、
前記HEMTの前記オフ状態において、
前記ヘテロ接合での第1の電界が、前記ゲート接続フィールドプレートの前記ドレイン側端部からドレイン側に向かって広がっていることと、
前記ヘテロ接合での第2の電界が、前記第2のフィールドプレートのドレイン側端部からソース側に向かって広がっていることと、
前記第1の電界が、まず、前記第2のフィールドプレートの前記ドレイン側端部の近傍における前記ヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化する前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電位差を上回る前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電位差でのみ、前記第2の電界と重なることと、
がなされるように、前記HEMTが構成されている、
HEMT。 HEMT, the HEMT
A first semiconductor material and a second semiconductor material arranged so as to form a heterojunction at a position where a two-dimensional electron gas is generated;
A source electrode, a drain electrode, and a gate electrode, the gate electrode is arranged so as to adjust the conduction in the heterojunction between the source electrode and the drain electrode, and the gate electrode is on the drain side. The source electrode, the drain electrode, and the gate electrode having an end;
A gate connection field plate disposed above the drain side end of the gate electrode and extending laterally toward the drain electrode; and above the drain side end of the gate connection field plate. A second field plate extending laterally toward the drain electrode;
With
The HEMT is configured as follows, i.e.
a) In the off state of the HEMT and
b) The potential difference between the source electrode and the drain electrode that exceeds the absolute value of the gate swing amplitude .
As the depletion charge carriers from a portion of the heterojunction in the vicinity of the drain-side end portion of the front Symbol gate connected field plate, the HEMT is constituted, and, said depletion of charge carriers, the At the potential difference between the source electrode and the drain electrode that exceeds the absolute value of the gate swing amplitude , the lateral electric field in the heterojunction near the drain side end of the gate electrode is saturated . The HEMT is configured and
In the off state of the HEMT ,
The first electric field in the heterojunction extends from the drain side end of the gate connection field plate toward the drain side .
The second electric field in the heterojunction extends from the drain side end of the second field plate toward the source side .
The first electric field first determines the potential difference between the source electrode and the drain electrode in which the charge carrier is depleted from a part of the heterojunction in the vicinity of the drain side end of the second field plate. It overlaps with the second electric field only by the potential difference between the source electrode and the drain electrode that exceeds.
The HEMT is configured so that
HEMT.
請求項1のHEMT。 The charge carrier has a potential difference between the source electrode and the drain electrode that is 2 to 5 times the absolute value of the gate swing amplitude , and the hetero in the vicinity of the drain side end of the gate connection field plate. Depleting from said part of the junction,
HEMT of claim 1.
請求項1のHEMT。 The charge carrier is depleted by a potential difference between the source electrode and the drain electrode that is 3-4 times the absolute value of the gate swing amplitude .
HEMT of claim 1.
b)前記ゲート接続フィールドプレートの前記ドレイン側端部の前記近傍における前記ヘテロ接合の前記一部から電荷担体が空乏化する前記電位差を上回る前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電位差で、
電荷担体が、前記第2のフィールドプレートの前記ドレイン側端部の近傍における前記ヘテロ接合の一部から空乏化し、電荷担体の前記空乏化が、前記ゲート接続フィールドプレートの前記ドレイン側端部の近傍での前記ヘテロ接合における横方向電界を飽和させる、
請求項1のHEMT。 a) In the off state of the HEMT and
b) The potential difference between the source electrode and the drain electrode that exceeds the potential difference at which the charge carrier is depleted from the part of the heterojunction in the vicinity of the drain side end of the gate connection field plate.
The charge carrier is depleted from a portion of the heterojunction in the vicinity of the drain side end of the second field plate, and the depletion of the charge carrier is in the vicinity of the drain side end of the gate connection field plate. wherein Ru saturates the lateral electric field at the heterojunction in,
HEMT of claim 1.
請求項4のHEMT。 The potential difference wherein the portion from which the charge carriers of the heterojunction in the vicinity of the drain end of the second field plate is depleted is, the in the vicinity of the drain end of the gate connection field plate The charge carrier is depleted from the part of the heterojunction, which is 3 to 5 times the potential difference.
HEMT of claim 4.
をさらに備える、
請求項1のHEMT。 A third field plate, which is disposed above the drain side end of the second field plate and extends laterally toward the drain electrode.
Further prepare
HEMT of claim 1.
b)前記第2のフィールドプレートの前記ドレイン側端部の近傍における前記ヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化する前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電位差を上回る前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電位差で、
前記ドレイン電極の近傍における前記ヘテロ接合の一部が、前記ヘテロ接合と前記第3のフィールドプレートとの間の縦方向の電圧差に起因して空乏化する、
請求項6のHEMT。 a) In the off state of the HEMT and
b) The source electrode and the drain exceed the potential difference between the source electrode and the drain electrode in which the charge carrier is depleted from a part of the heterojunction in the vicinity of the drain side end portion of the second field plate. The potential difference between the electrodes
A portion of the heterojunction in the vicinity of the drain electrode is depleted due to a longitudinal voltage difference between the heterojunction and the third field plate.
HEMT of claim 6.
請求項6のHEMT。 The third field plate is a source connection field plate.
HEMT of claim 6.
請求項1のHEMT。 The first electric field first determines the potential difference between the source electrode and the drain electrode in which the charge carrier is depleted from a part of the heterojunction in the vicinity of the drain side end of the second field plate. Only the greater potential difference between the source electrode and the drain electrode overlaps with the second electric field.
HEMT of claim 1.
シート担体密度が、前記ヘテロ接合で発生し;及び、
特定の動作パラメータでの長期動作の後、定常状態に達した後、前記絶縁材料層における単位面積あたりの電荷欠陥数が、前記シート担体密度未満である、
請求項1のHEMT。 The HEMT comprises one or more insulating material layers above the first and second semiconductor materials;
Sheet carrier density occurs in the heterojunction; and
After long-term operation with specific operating parameters and after reaching steady state, the number of charge defects per unit area in the insulating material layer is less than the sheet carrier density.
HEMT of claim 1.
請求項10のHEMT。 The number of charge defects per unit area in the insulating material layer is less than 10% of the sheet carrier density.
HEMT of claim 10.
請求項1のHEMT。 The first and second semiconductor materials are GaN and AlGaN, respectively.
HEMT of claim 1.
請求項12のHEMT。 The gate electrode is separated from the second semiconductor material by an aluminum silicon nitride layer.
The HEMT of claim 12.
二次元電子気体が発生する位置であるヘテロ接合を形成するように配設された第1の半導体材料及び第2の半導体材料;
ソース電極、ドレイン電極、及びゲート電極であって、前記ゲート電極が、前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の前記ヘテロ接合における伝導を調節するように配設され、前記ゲート電極がドレイン側端部を有する、前記ソース電極、前記ドレイン電極、及び前記ゲート電極;
前記ゲート電極のドレイン側端部の上方に配設されて前記ドレイン電極に向けて横方向に延在したゲート接続フィールドプレート;及び
前記ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部の上方に配設されて前記ドレイン電極に向けて横方向に延在した第2のフィールドプレート、
を備え、
前記HEMTのオフ状態においてa)とb)とc)とがなされる、すなわち、
a)前記ヘテロ接合での第1の電界が、前記ゲート接続フィールドプレートのドレイン側端部からドレイン側に向かって広がっていることと、
b)前記ヘテロ接合での第2の電界が、前記第2のフィールドプレートのドレイン側端部からソース側に向かって広がっていることと、
c)前記第1の電界が、まず、前記第2のフィールドプレートの前記ドレイン側端部の近傍における前記ヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化する前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電位差を上回る前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電位差でのみ前記第2の電界と重なることと、
がなされるように前記HEMTが構成されている、
HEMT。 HEMT, the HEMT
A first semiconductor material and a second semiconductor material arranged so as to form a heterojunction at a position where a two-dimensional electron gas is generated;
A source electrode, a drain electrode, and a gate electrode, the gate electrode is arranged so as to adjust the conduction in the heterojunction between the source electrode and the drain electrode, and the gate electrode is a drain side end. The source electrode, the drain electrode, and the gate electrode having a portion;
A gate connection field plate disposed above the drain side end of the gate electrode and extending laterally toward the drain electrode; and above the drain side end of the gate connection field plate. A second field plate extending laterally toward the drain electrode,
With
In the off state of the HEMT , a), b) and c) are made, that is,
a) The first electric field in the heterojunction extends from the drain side end of the gate connection field plate toward the drain side.
b) The second electric field in the heterojunction extends from the drain side end of the second field plate toward the source side.
c) The first electric field is first generated between the source electrode and the drain electrode, where the charge carrier is depleted from a part of the heterojunction in the vicinity of the drain side end of the second field plate. and that only overlap the second field at a potential difference between the source electrode above the potential difference between the drain electrode,
The HEMT is configured so that
HEMT.
請求項14のHEMT。 A third field plate disposed above the drain-side end of the second field plate and extending laterally toward the drain electrode is further provided.
HEMT of claim 14.
b)前記第2のフィールドプレートの前記ドレイン側端部の近傍における前記ヘテロ接合の一部から電荷担体が空乏化する前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電位差を上回る前記ソース電極と前記ドレイン電極との間の電位差で、
前記ドレイン電極の近傍における前記ヘテロ接合の一部が、前記ヘテロ接合と前記第3のフィールドプレートとの間の縦方向の電圧差に起因して空乏化する、
請求項15のHEMT。 a) In the off state of the HEMT and
b) The source electrode and the drain exceed the potential difference between the source electrode and the drain electrode in which the charge carrier is depleted from a part of the heterojunction in the vicinity of the drain side end portion of the second field plate. The potential difference between the electrodes
A portion of the heterojunction in the vicinity of the drain electrode is depleted due to a longitudinal voltage difference between the heterojunction and the third field plate.
HEMT of claim 15.
前記基板上方に配設された第1の活性層;
第2の活性層であって、前記第1の活性層と前記第2の活性層との間に横方向導電チャネルが発生するように前記第1の活性層上に配設された、前記第2の活性層;
前記第2の活性層上方に配設されたソース電極、及び、前記第2の活性層上方に配設されたドレイン電極;
前記第2の活性層上方に配設された第1のパッシベーション層;
前記第1のパッシベーション層上方に配設されたゲート電極;
前記ゲート電極上方に配設された第2のパッシベーション層;
前記ドレイン電極に最も近い前記ゲート電極の端部を越えて第1の距離だけ延在したゲートフィールドプレートであって、前記ゲートフィールドプレートが、前記第2のパッシベーション層上に配設された第1の金属パターンにより画定され、前記第1の金属パターンが、前記ゲート電極全体の上方で横方向に延在している、前記ゲートフィールドプレート;
前記ゲートフィールドプレート上方に配設された第3のパッシベーション層;及び
前記第3のパッシベーション層上に配設された第2の金属パターンにより画定されたソースフィールドプレートである第2のフィールドプレート、
を備え、
前記第2のフィールドプレートが、前記ソース電極に電気的に接続され、
前記第2のフィールドプレートが、前記第1の金属パターン全体の上方において横方向に延在し、かつ、前記ドレイン電極に最も近い前記第1の金属パターン及び前記ゲートフィールドプレートの端部を越えて第2の距離ぶん横方向に延在し、
前記第2の金属パターン及び前記第2のフィールドプレートの端部が、前記第2のフィールドプレートに隣接した前記ドレイン電極の第1の延在部から第3の距離ぶん離間しており、
閾値を上回る利用可能なゲートスイング振幅の絶対値より大きな第1のドレインバイアスに対して前記ゲート電極下方の前記横方向導電チャネルの一部がピンチオフ状態であるときに、ゲート端部電界の漸増が頭打ちとなるように、前記第1の距離が選択され、
前記第1のドレインバイアスが、前記閾値を上回る前記利用可能なゲートスイング振幅の前記絶対値より約2〜5倍大きい、
半導体装置。 substrate;
A first active layer disposed above the substrate;
The second active layer, which is arranged on the first active layer so that a transverse conductive channel is generated between the first active layer and the second active layer. 2 active layers;
A source electrode disposed above the second active layer and a drain electrode disposed above the second active layer;
A first passivation layer disposed above the second active layer;
A gate electrode disposed above the first passivation layer;
A second passivation layer disposed above the gate electrode;
A gate field plate extending for a first distance beyond the end of the gate electrode closest to the drain electrode, wherein the gate field plate is disposed on the second passivation layer. The gate field plate, defined by the metal pattern of the gate, wherein the first metal pattern extends laterally above the entire gate electrode;
A third passivation layer disposed above the gate field plate; and a second field plate, which is a source field plate defined by a second metal pattern disposed on the third passivation layer.
With
The second field plate is electrically connected to the source electrode and
Said second field plate extend laterally above the entire first metal pattern, and, beyond the end closest said first metal pattern and the gate field plate to said drain electrode It extends laterally for the second distance,
The second metal pattern and the end of the second field plate are separated by a third distance from the first extending portion of the drain electrode adjacent to the second field plate.
When a portion of the transverse conducting channel of the gate electrode lower than the absolute value of the available gate swing amplitude above a threshold value for a large first drain bias is pinched off, increasing the gate edge field The first distance is selected so that
The first drain bias is about 2-5 times greater than the absolute value of the available gate swing amplitude above the threshold.
Semiconductor device.
前記第4のパッシベーション層上に配設された第3の金属パターンにより画定されたシールドラップ、をさらに備え、
前記第3の金属パターンが、前記ソース電極に電気的に接続され、かつ、前記第3の金属パターンに隣接した前記ドレイン電極の第2の延在部から第4の距離に、前記第3の金属パターンが端部をもつように、前記横方向導電チャネルの大部分の上方で横方向に延在している、
請求項17の半導体装置。 A fourth passivation layer disposed above the second metal pattern; and
Further comprising a shield wrap, defined by a third metal pattern, disposed on the fourth passivation layer.
The third metal pattern is electrically connected to the source electrode and at a fourth distance from the second extending portion of the drain electrode adjacent to the third metal pattern. It extends laterally above most of the laterally conductive channels so that the metal pattern has ends.
The semiconductor device of claim 17.
前記第4のパッシベーション層の厚さが、0.5〜2マイクロメートルである、
請求項18の半導体装置。 The end-to-end distance between the third metal pattern and the second extending portion of the drain electrode is 2 to 6 micrometers; and the thickness of the fourth passivation layer. Is 0.5 to 2 micrometers,
The semiconductor device of claim 18.
請求項17の半導体装置。 The second distance is a second drain bias that is greater than the peaking bias of the gate end electric field provided by the gate field plate when part of the laterally conductive channel below the gate electrode is in a pinch-off state. However, it is sufficient to bring about a plateau to the end electric field of the gate field plate.
The semiconductor device of請Motomeko 17.
請求項20の半導体装置。 The second drain bias is about 2.5 to 10 times greater than the first drain bias.
The semiconductor device of claim 20.
請求項17の半導体装置。 Lateral depletion spread below the second metal pattern, at least before the laterally conductive channel is vertically pinched off below the end of the second metal pattern closest to the end of the drain electrode. The second distance is long enough so that the existing portion never reaches the end of the second metal pattern.
The semiconductor device of claim 17.
前記第2の距離が、2.5〜7.5マイクロメートルであり;
前記第3の距離が、2〜6マイクロメートルであり;
前記ゲート電極と前記ドレイン電極との間の端部から端部までの距離が、8〜26マイクロメートルであり;及び
前記第3のパッシベーション層の厚さが、0.35〜0.75マイクロメートルである、
請求項17の半導体装置。 The first distance is 1.5 to 3.5 micrometers;
The second distance is 2.5 to 7.5 micrometers;
The third distance is 2 to 6 micrometers;
The end-to-end distance between the gate electrode and the drain electrode is 8 to 26 micrometers; and the thickness of the third passivation layer is 0.35 to 0.75 micrometers. Is,
The semiconductor device of claim 17.
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