CN101221984A - 高速砷化镓基复合沟道应变高电子迁移率晶体管材料 - Google Patents

高速砷化镓基复合沟道应变高电子迁移率晶体管材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及化合物半导体材料技术领域,公开了一种高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,该MHEMT材料由在GaAs衬底上依次外延生长的晶格应变层InxAl1-xAs、沟道下势垒层In0.52Al0.48As、沟道层掺杂InP、沟道层不掺杂InP、沟道层In0.53Ga0.47As、空间隔离层In0.52Al0.48As、平面掺杂层、势垒层In0.52Al0.48As和高掺杂盖帽层In0.53Ga0.47As构成。利用本发明,结合了In0.53Ga0.47As的低场高电子迁移率和高场下InP有高阈值能量以及高饱和速率的特性,解决了常规MHEMT器件源漏击穿电压低的缺点,达到了既提高源漏击穿电压,又保证器件具有优越的毫米波频率特性的目的。

Description

高速砷化镓基复合沟道应变高电子迁移率晶体管材料
技术领域
本发明涉及化合物半导体材料技术领域,尤其涉及一种高速砷化镓基复合沟道应变高电子迁移率晶体管材料。
背景技术
高电子迁移率晶体管(HEMT)具有高频、高速、高功率增益和低噪声系数的特点,因而大量应用于军事、太空和民用通讯领域。如毫米波雷达、电子战、智能装备、卫星通讯和辐射天文学等。
GaAs基HEMT主要应用于Ka波段以下,而InP基HEMT在更高的W波段仍具有高增益和低噪声性能,但是InP基HEMT的不足之处在于:一是源漏击穿电压低,输出功率小,制约了其在微波功率放大器电路上的应用;二是InP衬底易碎,晶片尺寸小,价格高昂,加工成本高。
GaAs基应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)结构,即在GaAs衬底上外延InP基HEMT的外延结构。这样,既可以利用GaAs衬底成熟的制备工艺,降低了制备成本;同时也可以获得与InP基HEMT相近的高频、高速性能。
如图1所示,图1为现有技术中常规MHEMT材料的示意图。常规MHEMT材料包括GaAs衬底、应变缓冲层InxAl1-xAs(x从0渐变至0.52)、In0.52Al0.48As、In0.53Ga0.47As沟道层、In0.52Al0.48As空间隔离层、delta掺杂层、In0.52Al0.48As势垒层以及N+In0.53Ga0.47As盖帽层。
但是由于采用常规的InP基HEMT外延结构,器件的源漏击穿电压偏低。在目前的文献报道中,MHEMT典型的源漏击穿电压为5至7伏特,这种低击穿电压导致MHEMT输出功率小,制约了其用于功率放大电路。为改善MHEMT器件的功率性能,进一步提高源漏击穿电压成为需要解决的关键技术。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此,本发明的主要目的在于提供一种高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,结合了In0.53Ga0.47As的低场高电子迁移率和高场下InP有高阈值能量以及高饱和速率的特性,以解决常规MHEMT器件源漏击穿电压低的缺点,达到既提高源漏击穿电压,又保证具有优越的毫米波频率器件特性的目的。
(二)技术方案
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种高速砷化镓基复合沟道应变高电子迁移率晶体管材料,该应变高电子迁移率晶体管MHEMT材料由在GaAs衬底上依次外延生长的晶格应变层InxAl1-xAs、沟道下势垒层In0.52Al0.48As、沟道层InP、沟道层In0.53Ga0.47As、空间隔离层In0.52Al0.48As、平面掺杂层、势垒层In0.52Al0.48As和高掺杂盖帽层In0.53Ga0.47As构成。
所述晶格应变层InxAl1-xAs采用低温外延生长方法在GaAs衬底上生长,厚度为10000至
Figure A20071006337500061
In组分x从0渐变至0.52,用于吸收GaAs衬底与后续外延层之间因为晶格失配产生的应力,避免产生晶格驰豫。
所述沟道下势垒层In0.52Al0.48As采用分子束外延技术低温组分渐变方法在晶格应变层InxAl1-xAs上生长,厚度为500至
Figure A20071006337500062
用于为沟道生长提供一个平整的界面,并利用InP/In0.52Al0.48As异质结把二维电子气2DEG束缚在沟道内。
所述沟道层InP采用分子束外延方法在沟道下势垒层In0.52Al0.48As上生长,厚度为100至用于提高漏源击穿电压;其中掺杂InP层厚度为50至
Figure A20071006337500064
体掺杂Si剂量为2×1018cm-3,不掺杂InP层厚度为50至
Figure A20071006337500065
所述沟道层In0.53Ga0.47As采用分子束外延方法在沟道层InP上生长,厚度为30至
Figure A20071006337500066
用于低场下为二维电子气提供导电沟道。
所述沟道层InP和沟道层In0.53Ga0.47As构成MHEMT的复合沟道。
所述空间隔离层In0.52Al0.48As采用分子束外延方法在沟道层In0.53Ga0.47As上生长,厚度为30至
Figure A20071006337500067
用于将施主杂质电离中心和2DEG空间隔离,减小电离散射作用,保证沟道内2DEG的高电子迁移率。
所述平面掺杂层采用分子束外延方法在空间隔离层In0.52Al0.48As上生长,厚度为5至
Figure A20071006337500068
用于提供自由电子;掺杂Si的剂量为2.5×1012cm-2至5×1012cm-2
所述势垒层In0.52Al0.48As采用分子束外延方法在平面掺杂层上生长,厚度为150至
Figure A20071006337500071
用于和栅金属形成肖特基接触,使平面掺杂层产生的自由电子向沟道内转移。
所述高掺杂盖帽层In0.53Ga0.47As采用分子束外延方法在势垒层In0.52Al0.48As上生长,厚度为100至
Figure A20071006337500072
用于为器件制备提供良好的欧姆接触;体掺杂Si的剂量为5×1018cm-3至2×1019cm-3
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明具有以下有益效果:
1、利用本发明,由于采用了InP和InGaAs复合沟道结构,所以解决了常规MHEMT器件源漏击穿电压低的缺点,达到了既提高源漏击穿电压,也保证具有优越的毫米波频率器件特性的目的。
2、本发明提供的这种高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,MHEMT的沟道由In0.53Ga0.47As和InP构成,In0.53Ga0.47As与InP的导带差ΔEC(In0.53Ga0.47As-InP)为0.2eV。低场下,2DEG主要集中在In0.53Ga0.47As沟道内;在高场下,2DEG主要集中InP沟道内。该复合沟道结构结合了In0.53Ga0.47As的低场高电子迁移率和高场下InP有高阈值能量和高饱和速率的特性,既提高了源漏击穿电压,也保证了优越的毫米波频率特性。利用In0.53Ga0.47As低场高电子迁移率和高场下InP有高阈值能量和高饱和速率的特性,既提高了源漏击穿电压,也保证了优越的毫米波频率特性。
3、本发明提供的这种高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,考虑到外延生长和器件性能两方面的实际要求。在满足外延生长可实现的前提下,提出了复合沟道结构,该结构有利于提高MHEMT器件的源漏击穿电压,改善MHEMT器件的功率性能。
4、本发明提供的这种高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,高掺杂盖帽层In0.53Ga0.47As与栅金属接触为器件制备提供了良好的欧姆接触。
附图说明
图1为现有技术中常规MHEMT材料的示意图;
图2为本发明提供的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
如图2所示,图2为本发明提供的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料的示意图,该MHEMT材料由在GaAs衬底上依次外延生长的晶格应变层InxAl1-xAs、沟道下势垒层In0.52Al0.48As、沟道层掺杂InP、沟道层不掺杂InP、沟道层In0.53Ga0.47As、空间隔离层In0.52Al0.48As、平面掺杂层、势垒层In0.52Al0.48As和高掺杂盖帽层In0.53Ga0.47As构成。
其中,晶格应变层InxAl1-xAs采用低温外延生长方法在GaAs衬底上生长,生长时保持低温,生长厚度为10000至
Figure A20071006337500081
优选厚度为
Figure A20071006337500082
In组分x从0渐变至0.52,用于吸收GaAs衬底与后续外延层之间因为晶格失配产生的应力,避免产生晶格驰豫。
沟道下势垒层In0.52Al0.48As采用分子束外延方法在晶格应变层InxAl1-xAs上生长,厚度为500至
Figure A20071006337500083
优选厚度为
Figure A20071006337500084
用于为沟道生长提供一个平整的界面,并利用InP/In0.52Al0.48As异质结把二维电子气(2DEG)束缚在沟道内。
沟道层InP采用分子束外延方法在沟道下势垒层In0.52Al0.48As上生长,厚度为100至(其中掺杂InP层50至
Figure A20071006337500092
体掺杂Si剂量为2×1018cm-3,不掺杂InP层50至
Figure A20071006337500093
。)掺杂和不掺杂InP层的优选厚度分别为
Figure A20071006337500095
。InP的电离阈值能量是1.69eV,比In0.53Ga0.47As的电离阈值能量(0.92eV)高,在高场下有高饱和速率,耐电压击穿能力更强,用于提高漏源击穿电压。
沟道层In0.53Ga0.47As采用分子束外延方法在沟道层InP上生长,厚度为30至
Figure A20071006337500096
,优选厚度为
Figure A20071006337500097
。在低场下有较高的电子迁移率,用于为二维电子气提供导电沟道。
沟道层InP和沟道层In0.53Ga0.47As构成MHEMT的沟道。In0.53Ga0.47As与InP的导带差ΔEC(In0.53Ga0.47As-InP)为0.2eV,低场下,2DEG主要集中在In0.53Ga0.47As沟道内,在高场下,2DEG主要集中InP沟道内。该复合沟道结构结合了In0.53Ga0.47As的低场高电子迁移率和高场下InP有高阈值能量和高饱和速率的特性,既提高了源漏击穿电压,也保证了优越的毫米波频率特性。利用In0.53Ga0.47As低场高电子迁移率和高场下InP有高阈值能量和高饱和速率的特性,既提高了源漏击穿电压,也保证了优越的毫米波频率特性。
In0.53Ga0.47As和InP的具体参数如表1所示:
  InP的电离阈值能量   1.69eV
  In0.53Ga0.47As的电离阈值能量   0.92eV
  导带差值ΔEC(In0.53Ga0.47As-InP)   0.2eV
表1
空间隔离层In0.52Al0.48As采用分子束外延方法在沟道层In0.53Ga0.47As上生长,厚度为30至
Figure A20071006337500101
,优选厚度为
Figure A20071006337500102
。用于将施主杂质电离中心和2DEG空间隔离,减小电离散射作用,保证沟道内2DEG的高电子迁移率。
平面掺杂层采用分子束外延方法在空间隔离层In0.52Al0.48As上生长,厚度为5至
Figure A20071006337500103
,用于提供自由电子;掺杂Si的剂量为2.5×1012cm-2至5×1012cm-2,优选剂量为3×1012cm-2。此处,平面掺杂层的含义是指在一个平面上掺杂,所以其厚度可以忽略不计;平面掺杂和体掺杂相对,体掺杂是指在立体内掺杂,一般厚度较厚,此处选取平面掺杂。
势垒层In0.52Al0.48As采用分子束外延方法在平面掺杂层上生长,厚度为150至
Figure A20071006337500104
,优选厚度为
Figure A20071006337500105
。用于和栅金属形成肖特基接触,使平面掺杂层产生的自由电子向沟道内转移。
高掺杂盖帽层In0.53Ga0.47As采用分子束外延方法在势垒层In0.52Al0.48As上生长,厚度为100至
Figure A20071006337500106
,优选厚度为
Figure A20071006337500107
。体掺杂Si的剂量为5×1018cm-3至2×1019cm-3,优选剂量为1×1019cm-3。高掺杂盖帽层In0.53Ga0.47As一般为N+-In0.53Ga0.47As,N+-In0.53Ga0.47As与栅金属接触为器件制备提供良好的欧姆接触。
本发明提供的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料的具体参数如表2所示:
Figure A20071006337500111
表2
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高速砷化镓基复合沟道应变高电子迁移率晶体管材料,其特征在于,该应变高电子迁移率晶体管MHEMT材料由在GaAs衬底上依次外延生长的晶格应变层InxAl1-xAs、沟道下势垒层In0.52Al0.48As、沟道层InP、沟道层In0.53Ga0.47As、空间隔离层In0.52Al0.48As、平面掺杂层、势垒层In0.52Al0.48As和高掺杂盖帽层In0.53Ga0.47As构成。
2.根据权利要求1所述的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,其特征在于,所述晶格应变层InxAl1-xAs采用低温外延生长方法在GaAs衬底上生长,厚度为10000至20000
Figure A2007100633750002C1
,In组分x从0渐变至0.52,用于吸收GaAs衬底与后续外延层之间因为晶格失配产生的应力,避免产生晶格驰豫。
3.根据权利要求1所述的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,其特征在于,所述沟道下势垒层In0.52Al0.48As采用分子束外延技术低温组分渐变方法在晶格应变层InxAl1-xAs上生长,厚度为500至2000
Figure A2007100633750002C2
,用于为沟道生长提供一个平整的界面,并利用InP/In0.52Al0.48As异质结把二维电子气2DEG束缚在沟道内。
4.根据权利要求1所述的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,其特征在于,所述沟道层InP采用分子束外延方法在沟道下势垒层In0.52Al0.48As上生长,厚度为100至200
Figure A2007100633750002C3
,用于提高漏源击穿电压;其中掺杂InP层厚度为50至120
Figure A2007100633750002C4
,体掺杂Si剂量为2×1018cm-3,不掺杂InP层厚度为50至80
Figure A2007100633750002C5
5.根据权利要求1所述的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,其特征在于,所述沟道层In0.53Ga0.47As采用分子束外延方法在沟道层InP上生长,厚度为30至60
Figure A2007100633750003C1
,用于低场下为二维电子气提供导电沟道。
6.根据权利要求1所述的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,其特征在于,所述沟道层InP和沟道层In0.53Ga0.47As构成MHEMT的复合沟道。
7.根据权利要求1所述的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,其特征在于,所述空间隔离层In0.52Al0.48As采用分子束外延方法在沟道层In0.53Ga0.47As上生长,厚度为30至60
Figure A2007100633750003C2
,用于将施主杂质电离中心和2DEG空间隔离,减小电离散射作用,保证沟道内2DEG的高电子迁移率。
8.根据权利要求1所述的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,其特征在于,所述平面掺杂层采用分子束外延方法在空间隔离层In0.52Al0.48As上生长,厚度为5至10
Figure A2007100633750003C3
,用于提供自由电子;掺杂Si的剂量为2.5×1012cm-2至5×1012cm-2
9.根据权利要求1所述的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,其特征在于,所述势垒层In0.52Al0.48As采用分子束外延方法在平面掺杂层上生长,厚度为150至200,用于和栅金属形成肖特基接触,使平面掺杂层产生的自由电子向沟道内转移。
10.根据权利要求1所述的高速砷化镓基复合沟道MHEMT材料,其特征在于,所述高掺杂盖帽层In0.53Ga0.47As采用分子束外延方法在势垒层In0.52Al0.48As上生长,厚度为100至200
Figure A2007100633750003C5
,用于为器件制备提供良好的欧姆接触;体掺杂Si的剂量为5×1018cm-3至2×1019cm-3
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