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单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管材料结构,以将GaAs基PHEMT和PIN二极管集成在同一块衬底上,实现单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管。
(二)技术方案
为达到上述目的,本发明提供了一种单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管材料结构,该结构由GaAs基PHEMT和PIN二极管两部分组成,所述GaAs基PHEMT和所述PIN二极管被N型高掺杂腐蚀截止层AlAs隔开;所述GaAs基PHEMT由在GaAs衬底上依次分子束外延生长的缓冲层GaAs、十个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层、沟道下势垒层Al0.22Ga0.78aAs、沟道层In0.2Ga0.8As、空间隔离层Al0.22Ga0.78As、平面掺杂层、势垒层Al0.22Ga0.78As、N型高掺杂盖帽层GaAs构成;所述N型高掺杂腐蚀截止层AlAs在所述N型高掺杂盖帽层GaAs上分子束外延生长而成;所述PIN二极管由在N型高掺杂腐蚀截止层AlAs上依次分子束外延生长的N型高掺杂层GaAs、不掺杂层GaAs、P型掺杂层GaAs构成。
上述方案中,所述缓冲层GaAs用于为后续外延层的生长提供平整的界面;该缓冲层GaAs的厚度为200纳米。
上述方案中,所述十个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层用于减小缓冲层漏电流,其中,Al0.22Ga0.78As的厚度为10纳米,GaAs的厚度为1.5纳米。
上述方案中,所述沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As用于为沟道生长提供一个平整的界面,同时也利用Al0.22Ga0.78As/In0.2Ga0.8As异质结把2DEG束缚在沟道内;所述沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As的厚度为50纳米。
上述方案中,所述空间隔离层Al0.22Ga0.78As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;所述空间隔离层Al0.22Ga0.78As的厚度为4纳米。
上述方案中,所述平面掺杂层中掺杂的是Si,掺杂剂量为3.0×1012cm-2。
上述方案中,所述N型高掺杂盖帽层GaAs中掺杂的是Si,掺杂Si浓度为5×1018cm-3,N+-GaAs与栅金属接触为器件制备提供良好的欧姆接触;该N型高掺杂盖帽层GaAs的厚度为50纳米。
上述方案中,所述N型高掺杂腐蚀截止层AlAs用于将PHEMT和PIN二极管的外延结构隔开,在湿法腐蚀过程中起到腐蚀截止作用;该N型高掺杂腐蚀截止层AlAs的厚度为2纳米。
上述方案中,所述沟道层In0.2Ga0.8As的厚度为12纳米,所述势垒层Al0.22Ga0.78As的厚度为15纳米,所述N型高掺杂层GaAs的厚度为30纳米,所述不掺杂层GaAs的厚度为100纳米,所述P型掺杂层GaAs的厚度为30纳米。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本发明提供的这种单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管材料结构,是在常规GaAs基PHEMT外延结构的基础上,生长了N型掺杂AlAs、N型掺杂GaAs、不掺杂GaAs、P型掺杂GaAs用来实现PIN二极管。AlAs将PHEMT和PIN隔开,并在湿法腐蚀过程中,起到腐蚀截止作用。PHEMT和PIN两部份晶格匹配,不增加外延生长的难度,经过相应的工艺,可以达到单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管的目的。
另外,本发明提供的这种单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管材料结构,还有利于减小器件尺寸,缩短传输线长度,减少RC延迟时间。
另外,本发明提供的这种单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管材料结构,可以实现更为复杂的电路,例如单片集成PHEMT放大器和PIN光电二极管。
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。
本发明提供的这种单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管材料结构,是在常规GaAs基PHEMT外延结构的基础上,生长了N型掺杂AlAs、N型掺杂GaAs、不掺杂GaAs、P型掺杂GaAs用来实现PIN二极管。AlAs将PHEMT和PIN隔开,并在湿法腐蚀过程中,起到腐蚀截止作用。PHEMT和PIN两部份晶格匹配,不增加外延生长的难度,经过相应的工艺,可以达到单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管的目的。
如图1所示,图1是常规GaAs基PHEMT材料结构的示意图。该结构由在GaAs衬底上依次生长的缓冲层GaAs、十个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层、沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As、沟道层In0.2Ga0.8As、空间隔离层Al0.22Ga0.78As、平面掺杂层Si、势垒层Al0.22Ga0.78As和N型高掺杂盖帽层GaAs构成。
如图2所示,图2是常规PIN二极管材料结构的示意图。该PIN二极管材料结构由在GaAs衬底上依次生长的缓冲层GaAs、N型掺杂层GaAs、不掺杂层GaAs和P型掺杂层GaAs构成。
如图3所示,图3是本发明提供的单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管材料结构的示意图,该结构由GaAs基MHEMT和PIN二极管两部分组成,所述GaAs基MHEMT和所述PIN二极管被N型高掺杂腐蚀截止层AlAs隔开。
所述GaAs基PHEMT由在GaAs衬底上依次分子束外延生长的缓冲层GaAs、十个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层、沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As、沟道层In0.2Ga0.8As、空间隔离层Al0.22Ga0.78As、平面掺杂层、势垒层Al0.22Ga0.78As、N型高掺杂盖帽层GaAs构成。
所述N型高掺杂腐蚀截止层AlAs在所述N型高掺杂盖帽层GaAs上分子束外延生长而成。
所述PIN二极管由在N型高掺杂腐蚀截止层AlAs上依次分子束外延生长的N型高掺杂层GaAs、不掺杂层GaAs、P型掺杂层GaAs构成。
所述缓冲层GaAs用于为后续外延层的生长提供平整的界面;该缓冲层GaAs的厚度为200纳米。
所述十个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层用于减小缓冲层漏电流,其中,Al0.22Ga0.78As的厚度为10纳米,GaAs的厚度为1.5纳米。
所述沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As用于为沟道生长提供一个平整的界面,同时也利用Al0.22Ga0.78As/In0.2Ga0.8As异质结把2DEG束缚在沟道内;所述沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As的厚度为50纳米。
所述空间隔离层Al0.22Ga0.78As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;所述空间隔离层Al0.22Ga0.78As的厚度为4纳米。
所述平面掺杂层中掺杂的是Si,掺杂剂量为3.0×1012cm-2。
所述N型高掺杂盖帽层GaAs中掺杂的是Si,掺杂Si浓度为5×1018cm-3,N+-GaAs与栅金属接触为器件制备提供良好的欧姆接触;该N型高掺杂盖帽层GaAs的厚度为50纳米。
所述N型高掺杂腐蚀截止层AlAs用于将PHEMT和PIN二极管的外延结构隔开,在湿法腐蚀过程中起到腐蚀截止作用;该N型高掺杂腐蚀截止层AlAs的厚度为2纳米。
所述沟道层In0.2Ga0.8As的厚度为12纳米,所述势垒层Al0.22Ga0.78As的厚度为15纳米,所述N型高掺杂层GaAs的厚度为30纳米,所述不掺杂层GaAs的厚度为100纳米,所述P型掺杂层GaAs的厚度为30纳米。
图4示出了图3中各外延层的结构参数。
下面进一步说明本发明提供的这种单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管材料结构的生长过程。
步骤1、在GaAs衬底上生长200nm的缓冲层GaAs;
步骤2、在缓冲层GaAs上生长十个周期的10nmAl0.22Ga0.78As/1.5nm GaAs超晶格;
步骤3、在十个周期的Al0.22Ga0.78As/GaAs超晶格层上生长50nm的沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As;
步骤4、在沟道下势垒层Al0.22Ga0.78As上生长12nm的沟道层In0.2Ga0.8As;
步骤5、在沟道层In0.2Ga0.8As上生长4nm的空间隔离层Al0.22Ga0.78As;
步骤6、在空间隔离层Al0.22Ga0.78As上生长平面掺杂层,掺杂Si的剂量为3.0×1012cm-2;
步骤7、在平面掺杂层上生长15nm的势垒层Al0.22Ga0.78As;
步骤8、在势垒层Al0.22Ga0.78As上生长50nm N型高掺杂盖帽层GaAs;
步骤9、在N型高掺杂盖帽层GaAs上生长2nm N型高掺杂腐蚀截止层AlAs;
步骤10、在N型高掺杂腐蚀截止层AlAs上生长30nm N型高掺杂层GaAs;
步骤11、在N型高掺杂层GaAs上生长100nm的不掺杂层GaAs;
步骤12、在不掺杂层GaAs上生长30nm P型掺杂层GaAs。
本发明的单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管的材料结构,考虑到外延生长和器件性能两方面的实际要求,各层厚度、掺杂剂量可在一定范围内,根据具体材料和器件指标进行调整。在满足外延生长可实现的前提下,实现单片集成GaAs基PHEMT和PIN二极管。
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。