帰還抵抗を有するフィールドプレートトランジスタ

本発明の実施形態は、広くはマイクロ電子デバイスに関し、より具体的には、帰還抵抗を有するフィールドプレートトランジスタとそれを組み込んだ回路に関する。

(関連出願) 本出願は、2009年4月14日出願の「FIELD−PLATED TRANSISTOR INCLUDING FEEDBACK RESISTOR」と題された米国特許非仮出願番号12/423,772号の優先権を主張するものであり、その全体は参照により本明細書に援用される。

種々のタイプの電界効果トランジスタの1つまたは複数を含む電力増幅器は、直流入力電力の無線周波(RF)電力への変換に使用され得る。該増幅器は高電圧において、その出力における負性抵抗帯のために、帯域外の高周波振動の傾向を有し得る。この高周波振動はRF駆動下においては、搬送波周波数付近の帯域内周波数におけるスプリアス信号として現われ得る。高出力マイクロ波システム(例えばレーダや無線通信用途)では一般に、周波数スペクトルがすべての周波数においてこうしたスプリアス信号を含まないことが望ましい。

本発明の実施形態は、添付図面とともに以下の詳細な記述によって容易に理解されるであろう。この記述を容易にするために、同じ参照番号は同じ構成要素をさす。本発明の実施形態は例示として示されるものであり、添付図面の形態を制限するものではない。

種々の実施形態による帰還抵抗を有するトランジスタの断面図である。

図1のトランジスタの回路図である。

種々の実施形態による帰還抵抗を有する複数のトランジスタを含む単位セルの平面図である。

種々の実施形態による帰還抵抗を有する複数のトランジスタを含む別の単位セルの平面図である。

図4の単位セルのトランジスタの断面図である。

図5のトランジスタの回路図である。

種々の実施形態による帰還抵抗を有する別のトランジスタの断面図である。

図7のトランジスタの回路図である。

種々の実施形態による帰還抵抗を有する別のトランジスタの断面図である。

図9のトランジスタの回路図である。

種々の実施形態による帰還抵抗を有する別のトランジスタの断面図である。

図11のトランジスタの回路図である。

種々の実施形態による帰還トランジスタを有する単位セルを組み込んだシステムのブロック図である。

以下の詳細な説明では、その一部を構成する添付図面を参照する。以下の図面では、同じ参照番号は同じ部分を示し、また、本発明の実施形態は例示として示される。他の実施形態を利用して、本発明の範囲から逸脱することなく、構造または論理を変えられることは理解されるべきである。従って、以下の詳細な説明は限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の実施形態の範囲は、添付の請求項とその等価物によって定義される。

種々の作用が、本発明の実施形態の理解に役立つ順番と方法で複数の別個の作用として記述され得るが、しかしながら、この説明の順序は、これらの作用が順序依存性であると示唆されるように解釈されるべきではない。また、一部の実施形態では、説明される作用より多くのまたはそれより少ない作用が含まれ得る。

本説明では、「ある実施形態では」、「実施形態では」、「一部の実施形態では」あるいは「種々の実施形態では」などの表現が用いられるが、各々同じかまたは異なる1つまたは複数の実施形態をさす。さらに、本発明の実施形態に関して使用される「備える」、「含む」および「有する」などの用語は、同意語である。

本明細書での「連結した」とその派生表現は、以下の1つまたは複数を意味し得る。「連結した」は、互いに連結したとされる要素間に、連結または接続した他の要素がない、物理的または電気的な直接連結または接続を意味し得る。また、「連結した」は、互いに連結したとされる要素間に、1つまたは複数の他の要素が連結または接続した、物理的または電気的な間接連結または接続も意味し得る。

「上に生成した」の表現とその派生表現も本明細書で使用され得る。別の層「上に生成した」層の文脈における「上に生成した」は、ある層が、必ずしも別の層に物理的または電気的に直接接することなく(例えば、該層間に介在する1つまたは複数の層が存在し得る)、その層「上に形成される」ことを意味する。しかしながら、一部の実施形態では、「上に生成した」は、ある層が、別の層表面の少なくとも一部に物理的に直接接していることを意味し得る。

本発明の目的から、「A/B」の表記はAまたはBであることを意味する。「AおよびまたはB」は、「(A)、(B)あるいは(AおよびB)」を意味する。「A、BおよびCの少なくとも1つ」は、「(A)、(B)、(C)、(AおよびB)、(AおよびC)、(BおよびC)あるいは(A、BおよびC)」を意味する。「(A)B」の表記は、「Bまたは(AB)」、すなわち、Aは選択的な要素であることを意味する。また、本発明の実施形態は、特定の数の成分または要素を含むように示され説明されるが、該実施形態は、成分や要素のいかなる特定の数に限定されるものではない。

図1は、ソース電極102、ドレイン電極104およびゲート電極106を含むトランジスタ100の横断面図である。トランジスタ100は、さらにフィールドプレート108を含む。また、ゲート電極106も、図示のように、ゲート電極106と一体的に形成された(この構造はT−ゲートと呼ばれ得る)フィールドプレート110を含んでいてもよい。

ソース電極102は、グラウンドソースと連結するように構成され、フィールドプレート108は、ソース電極102と電気的に連結されてもよい。フィールドプレート108をアースするソースによって、ゲート電極106とドレイン電極104間に遮蔽効果を与え得る。こうした遮蔽によって、トランジスタ100のゲート—ドレインキャパシタンスを好都合に低減させ得、トランジスタ100で実現される電力ゲインも増大させ得る。

トランジスタ100は、マイクロ波またはミリ波電力の増幅用途に好適な種々の電界効果トランジスタ(FET)のうちの任意のものであってもよい。FETの例としては、高電子移動度トランジスタ(HEMT)(例えば窒化アルミニウムガリウム(AIGaN)/窒化ガリウム(GaN)HEMT)、シュードモルフィックHEMT(pHEMT)(例えばガリウムヒ素(GaAs)pHEMT)、メタモルフィックHEMT(mHEMT)(例えばGaAs mHEMT)、横方向拡散金属酸化物半導体トランジスタ(LDMOS)あるいは金属エピタキシャル半導体電界効果トランジスタ(MESFET)などが挙げられる。

図示のように、前記トランジスタ100は一般に、バリア層116と基板112上に形成されたチャネル層114を含むFETである。基板112は、用途に好適な任意の材料を含んでいてもよい。種々の実施形態では、基板112は、例えばGaAsを含む。しかしながら、他の実施形態では、基板112はGaNを含んでいてもよい。別の材料あるいは材料の組み合わせも同様に好適であり得る。基板112は、例えば炭化ケイ素、シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、あるいは、これらのいくつかの組み合わせまたは別の好適な材料とのいくつかの組み合わせを含んでいてもよい。

前記チャネル層114は、所望のバンドギャップを有する1つまたは複数の層を含んでいてもよい。種々の実施形態では、チャネル層114は、1つまたは複数のドープ化または未ドープ化GaAs層またはインジウムガリウムヒ素(InGaAs)層を含んでいてもよい。例えばGaNなどの他の材料も同様に好適であり得る。種々の実施形態では、チャネル層114は、基板112と同じ材料を含んでいてもよい。しかしながら、他の実施形態では、チャネル層114は、基板112の材料とは異なる材料を含んでいてもよい。

前記バリア層116は、用途に好適な任意の材料を含んでいてもよい。種々の実施形態では、バリア層116は、アルミニウムガリウムヒ素(AIGaAs)を含む。別の材料または複数の材料の組み合わせも同様に好適であり得る。例えば、バリア層116はAIGaNを含んでいてもよい。バリア層116は、用途に応じて、ドープ化されていても未ドープであってもよい。

図示のように、前記ゲート電極106は、その一部がバリア層116に埋め込めまれていてもよい。ゲート電極106の埋め込み深さは、トランジスタ100の所望の作動周波数に依存してもよい。例えば、トランジスタ100が概ね3.5GHzの周波数で操作される一部の実施形態では、ゲート電極106のゲート長さは約0.6〜0.7μmであり、埋め込み深さは約200Åであってもよい。種々の他の実施形態では、ゲート電極106は、バリア層116にさらに埋め込まれてもよく、あるいは全く埋め込まれなくてもよい。

前記トランジスタ100は、トランジスタ100の1つまたは複数の層上に形成された誘電体118を含んでいてもよい。例示の実施形態では、誘電体118は、ソース電極102、ドレイン電極104、フィールドプレート108上に、また、ゲート電極106およびバリア層116の部分上にも形成される。また、誘電体118は、図示のように、フィールドプレート108とゲート電極106間にも形成され得る。

前記誘電体118は、同じ材料から成る層または複数の異なる材料から成る層を含む複数の層として形成されてもよい。種々の実施形態では、誘電体118の1つまたは複数の層は窒化ケイ素または二酸化ケイ素を含む。他の誘電材料も同様に好適であり得る。

種々の実施形態では、帰還抵抗120をフィールドプレート108とソース電極102間に連結して、高周波振動安定化を得てもよい。種々の実施形態では、振動安定化は、抵抗が数Ω以上と低い帰還抵抗120を用いたトランジスタ100の出力上で(すなわち、ドレイン電極104で)実現され得る。例えば、4×250μm(すなわち、それぞれのゲート電極のゲート幅が250μmの4つのゲートフィンガ単位セル)の高電圧pHEMTを、抵抗が3〜4Ωの帰還抵抗120を用いて安定化し得る。種々の実施形態では、帰還抵抗120の抵抗は、所望の高周波振動安定化レベルの実現に好適な任意のものであってもよい。

図示のように、前記フィールドプレート108はゲート電極106に近接配置され、ゲート電極106の中心からはずれて、ゲート電極106からドレイン電極104側に突き出ている。この配置は事実上、ゲート電極106が共通のソーストランジスタのゲートとして作動し、フィールドプレート108が共通のゲートトランジスタのゲートとして作動する、カスケード化された共通のソースと共通のゲートトランジスタを含むカスコード配置と考えられる。この配置は、ゲート電極106、フィールドプレート108、およびフィールドプレート108とアースされたソース電極102間に連結された帰還抵抗120を示す図2のカスコード等価回路を参照してより明白に理解され得る。フィールドプレート108は本質的に、ゲート電極106から突き出たフィールドプレート108部分、誘電体118およびその下の半導体材料(すなわち、バリア層116およびチャネル層114)を含む金属−絶縁体−半導体トランジスタを形成する。

前記フィールドプレート108は、その目的に好適な任意の材料を含み得る。種々の実施形態では、フィールドプレート108は、金(Au)、ニッケル−金(Ni−Au)またはチタン−プラチナ−金(Ti/Pt/Au)を含み得る。適用に応じて、他の金属も同様に好適であり得る。

前記トランジスタ100は、ゲート電極106が入力無線周波数(RF)信号を受信し、ドレイン電極104が増幅されたRF信号を出力する電力増幅回路の単位セルに含まれてもよい。種々の実施形態では、単位セルは、本明細書に記載のトランジスタを1つまたは複数含んでいてもよい。単位セルは実際には、電力増大のために並列に接続した複数のトランジスタを含んでいてもよい。

図3に示されるように、単位セル300は例えば、バリア層上またはそれに埋め込まれた複数のゲート電極306(すなわち、ゲートフィンガ)を含むゲート構造322と、複数のドレイン電極304(すなわち、ドレインフィンガ)を含むドレイン構造324と、複数のソース電極302(すなわち、ソースフィンガ)と、を含む。ソース電極302は、ソース相互接続ブリッジ(図示せず)によって相互接続されてもよい。

個々のトランジスタの各々は、1つのソース電極302、1つのゲート電極306、および1つのドレイン電極304で形成されてもよい。また、本明細書で議論したように、フィールドプレート308は、ソース電極302/ゲート電極306/ドレイン電極304のセットで形成された共通のソーストランジスタを有するカスコード配置にカスケードされた共通のゲートトランジスタを形成してもよい。簡略化のために、図3では2つのフィールドプレート308だけが示されている。種々の実施形態では、単位セル300は、1つまたは複数のフィールドプレート308がゲート電極306に近接配置された複数のフィールドプレート308を含んでいてもよい。

また、前記単位セル300は、少なくとも1つの帰還抵抗320が1つまたは複数のフィールドプレート308と連結した複数の帰還抵抗320を含んでいてもよい。図示された帰還抵抗320の大きさ、形状、位置は例示目的だけのものであり、その大きさ、形状およびまたは位置は、記載された種々の実施形態の範囲から逸脱することなく変えられ得る。帰還抵抗320は、任意の好適な相互接続328を用いてフィールドプレート308に連結されてもよい。

種々の実施形態では、前記帰還抵抗320は、ソース電極302、ゲート電極306およびドレイン電極304を含む領域の外に配置してもよい。例えば、図4に示した単位セル400を取り上げる。単位セル400は、バリア層416上またはそれに埋め込まれた複数のゲート電極406(すなわち、ゲートフィンガ)を含むゲート構造422と、複数のドレイン電極404(すなわち、ドレインフィンガ)を含むドレイン構造424と、複数のソース電極402(すなわち、ソースフィンガ)と、を含む。帰還抵抗420は、ソース電極402、ゲート電極406およびドレイン電極404で占められた領域内に配置されずに、その領域の外に配置されて、好適な相互接続428によってフィールドプレート408に接続される。

図5は、単位セル400のトランジスタ500の横断面を示し、図6はカスコード等価回路を示す。図示のように、トランジスタ500は、例えば、バリア層416と、基板412上に形成されたチャネル層414と、これらの上にある誘電体418を含むなど、本明細書に記載のトランジスタの特長の一部を含む。

前記単位セル400は、線形化およびゲイン増大用の同調可能な帰還で構成されてもよい。そのために、単位セル400は、同調電圧V_FP受電用のバイアスパッド430経由で電源に連結するように構成されてもよい。単位セル400はさらに、その下にある442経由でアースされたバイパスコンデンサ432を含んでいてもよい。

種々の実施形態によるトランジスタは複数のフィールドプレートを含んでいてもよい。図7に示すように、トランジスタ700は、例えば、ソース電極702、ドレイン電極704およびゲート電極706を含むなど、図1のトランジスタ100の特長の一部を含む。トランジスタ700は、バリア層716と、基板712上に形成されたチャネル層714と、これらの上にある誘電体718と、を含む。

また、前記トランジスタ700は第1のフィールドプレート708を含む。トランジスタ700は、唯一のフィールドプレート708(ゲート電極706の一体型フィールドプレート710に加えて)の代わりに、第2のフィールドプレート724を含む。第2のフィールドプレート724は、第1のフィールドプレート708に近接配置され、第1のフィールドプレート708とゲート電極706の中心からはずれて、それらからドレイン電極704側に突き出ている。図示のように、帰還抵抗720は、第1のフィールドプレート708とソース電極702間に連結されるが、第2のフィールドプレート724は浮いている。

前記第1のフィールドプレート708および第2のフィールドプレート724は、その目的に好適な任意の材料を含んでいてもよい。種々の実施形態では、第1のフィールドプレート708と第2のフィールドプレート724は、Au、Ni−AuまたはTi/Pt/Auを含んでいてもよい。用途に応じて、他の金属も同様に好適であり得る。第1のフィールドプレート708および第2のフィールドプレート724は、同じ材料で構成される必要はない。

図7の構造のカスコード等価回路を図8に示す。第1のフィールドプレート708と同様に、第2のフィールドプレート724は本質的に、第1のフィールドプレート708とゲート電極706から突き出た第2のフィールドプレート724部分と、誘電体718と、その下の半導体材料(すなわち、バリア層716とチャネル層714)と、を含む金属−絶縁体−半導体トランジスタを形成する。

別の実施例のトランジスタを図9に示し、そのカスコード等価回路を図10に示す。図示のように、トランジスタ900は、例えば、ソース電極902、ドレイン電極904およびゲート電極906を含むなど、本明細書に記載のトランジスタの特長の一部を含む。トランジスタ900は、バリア層916と、基板912上に形成されたチャネル層914と、これらの上にある誘電体918を含む。

また、前記トランジスタ900は、第1のフィールドプレート908を含む。トランジスタ900は、唯一のフィールドプレート908(ゲート電極906の一体型フィールドプレート910に加えて)の代わりに、第2のフィールドプレート924を含む。第2のフィールドプレート924は、第1のフィールドプレート908に近接配置され、第1のフィールドプレート908とゲート電極906の中心からはずれて、それらからドレイン電極904側に突き出ている。帰還抵抗926は、第1のフィールドプレート908とソース電極902間に連結される代わりに、第2のフィールドプレート924とソース電極902間に連結されるが、第1のフィールドプレート908は浮いている。

さらに別の実施例のトランジスタを図11に示し、そのカスコード等価回路を図12に示す。図示のように、トランジスタ1100は、例えば、ソース電極1102、ドレイン電極1104およびゲート電極1106を含むなど、本明細書に記載のトランジスタの特長の一部を含む。トランジスタ1100は、バリア層1116と、基板1112上に形成されたチャネル層1114と、これらの上にある誘電体1118と、を含む。

また、前記トランジスタ1100は、ゲート電極1106の一体型フィールドプレート1110に加えて、第1のフィールドプレート1108と第2のフィールドプレート1124を含む。トランジスタ1100は、フィールドプレート1108と1124の内の1つとソース電極1102間に帰還抵抗を含む代わりに、第1のフィールドプレート1108とソース電極1102間に連結された第1の帰還抵抗1120と、第2のフィールドプレート1124とソース電極1102間に連結された第2の帰還抵抗1126と、を含む。

本明細書に記載のパッケージの実施形態は、種々の装置およびシステムに組み込まれ得る。典型的なシステム1300のブロックダイヤグラムを図13に示す。図示のように、システム1300は、帰還トランジスタを含む1つまたは複数のトランジスタを含むRF電力増幅器1334を含む。システム1300は、図示のように、RF電力増幅器1334に連結されたトランシーバ1336を含んでいてもよい。

前記RF電力増幅器1334は、トランシーバ1336からRF入力信号(RFin)を受信してもよい。RF電力増幅器1334は、RF入力信号(RFin)を増幅してRF出力信号(RFout)を提供してもよい。RF入力信号(RFin)およびRF出力信号(RFout)は共に、図13においてそれぞれTx−RFinおよびTx−RFoutで示した、送信チェーンの一部であってもよい。

前記増幅されたRF出力信号(RFout)は、アンテナ構造1340経由でRF出力信号(RFout)の空中伝送(OTM)を実現するアンテナスイッチモジュール(ASM)1338に提供されてもよい。また、ASM1338は、アンテナ構造1340経由でRF信号を受信し、受信したRF信号(Rx)を受信チェーンに沿ってトランシーバ1336に連結してもよい。

種々の実施形態では、前記アンテナ構造1340は、例えば、ダイポールアンテナ、モノポールアンテナ、パッチアンテナ、ループアンテナ、マイクロストリップアンテナ、あるいはRF信号のOTA送受信に好適な任意の他の形式のアンテナなどの指向性アンテナおよびまたは全方向性アンテナの1つまたは複数を含んでいてもよい。

前記システム1300は、電力増幅を含む任意のシステムであってもよい。種々の実施形態では、システム1300は、高無線周波数電力と周波数での電力増幅に特に有用であり得る。例えば、システム1300は、任意の1つまたは複数の陸上通信と衛星通信、およびレーダシステムに対して、そして恐らく種々の産業および医療用途において好適であり得る。レーダ用途には、軍事用レーダ、航空交通管制、航海などが含まれ得る。

種々の実施形態では、前記システム1300は、レーダ装置、衛星通信装置、携帯電話、携帯電話基地局、放送ラジオまたはテレビ増幅システムから選択された1つであり得る。システム1300は、高周波送受信のための電力増幅が要求される用途などの他の用途において適用可能性を見出し得る。

上記の実施形態に関して本開示を説明したが、同じ目的を達成するように意図された広範な代替およびまたは等価な方法を用いて、本開示の範囲から逸脱することなく、提示・説明した実施形態を置き換えられることは当業者には理解されるであろう。当業者であれば、本開示による実施形態は広範な実施形態で実施され得ることは容易に理解するであろう。本記述は、例示のためのものであって限定するものではないと見なされるように意図される。