CN1192587A - 场效应晶体管 - Google Patents

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Abstract

场效应晶体管是在铁掺杂的半绝缘性铟磷衬底上,顺次层叠由未掺杂铟0.52铝0.48砷构成的第一缓冲层,具有未掺杂铟0.52铝0.48砷和未掺杂铝0.25镓0.75砷的超晶格结构的第二缓冲层,由未掺杂铟0.52铝0.48砷构成的第三缓冲层,由未掺杂铟0.53镓0.47砷构成的沟道层,由未掺杂铟0.52铝0.48砷构成的间隔层,硅的δ掺杂层,未掺杂铟0.52铝0.48砷构成的肖特基层。在肖特基层上形成具有凹槽结构的管底层。在管底层上形成源极电极以及漏极电极,管底层的凹槽区域形成栅极电极。

Description

场效应晶体管
本发明涉及场效应晶体管，尤其涉及包括由化合物半导体构成的半绝缘性衬底，和在该半绝缘性衬底上形成的缓冲层，和在该缓冲层上形成的沟道层的场效应晶体管。
近年来，社会的多媒体化迅速展开，也要求移动通讯的性能，由静止画面的发送、接收向准动画或是动画的发送、接收转移，这就要求大容量通信。
但是，现在的携带电话(大哥大)和PHS使用的0.3～3GHz频带的频率，资源已经枯竭，在该频带对准动画、动画的发送及接收，这样大容量通信是困难的。
因此，在大容量通信的领域，考虑利用30GHz～300GHz非常宽的频带的毫米波段。利用毫米波段时，在该毫米波段的高频区域，需要具有高增益，低噪音特性的有源元件。为了满足该要求，在作为铟镓砷沟道层的异质结型场效应晶体管中，尽可能提高沟道层的铟的配比是必要的。
因此，提出包括由铟铝砷层构成的缓冲层、和由在该缓冲层上形成的铟镓砷层构成的沟道层的高电子迁移率晶体管(HEMT)(以下铟铝砷/铟镓砷——HEMT的略称)。具有这种构造的HEMT能将沟道层铟的组分设定在0.53以上，由于具有良好的元件特性，作为毫米波段用的元件是很有发展前途的。
图7是表示以往的铟铝砷/铟镓砷——HEMT的剖面，Fe是在被掺杂的半绝缘性铟磷衬底1上，顺序形成由未掺杂型铟铝砷层构成的缓冲层2、由未渗杂型铟镓砷层构成的沟道层3以及由n型的铟铝砷层构成的肖特基层4。在肖特基层4上形成具有n型铟镓砷层构成的凹槽结构的管底层5。在管底层5上，分别形成源极电极6以及漏极电极7，同时，在管底层5的凹槽区域内形成栅极电极8。
可是，在场效应晶体管中，漏极电导(δIds/δVds)越小，增益越大，在以往的铟铝砷/铟镓砷——HEMT中，由于在相当低的漏极电压(2V左右)显著出现漏极电导变大的“弯折现象”，其不能充分使用电源电势。
究其原因，构成缓冲层2的铟铝砷层中的晶体缺陷的电子陷阱引起“弯折现象”。也就是说，当漏极电压变高时，束缚在铟铝砷构成的缓冲层2的陷阱中的电子，被激发作为载流电子工作，漏极电流急剧增加，产生弯折现象。
所以，为抑制弯折现象，通过晶体生成形成缓冲2时，当V/III比低时或生成温度低时，结晶性不良，因此，提出形成较深的格栅的第一方法，和将缓冲层2铟镓砷层和铟铝砷层顺序层积的超晶格层和分别位于该超晶格层的下侧及上侧的铟铝砷层构成的三层结构，抑制由外延生成界面(半绝缘性铟磷衬底1和缓冲层2的交界面)产生错位的第二方法。
但是，通过第一方法，在沟道层为了结晶良好必须提高V/III比，同时，由于需要确保沟道层和缓冲层之间的V/III比的连续性，产生称为沟道层晶体生成工艺效率不好的新问题。因此，作为抑制弯折现象的方法，第一方法不是圆满的方法。
还有，通过第二方法，由于阱层的铟镓砷层的能带低，在该铟镓砷层上存在许多电子。因此，当施加漏极电压时，由于对铟镓砷层流过电流，存在不能充分抑制弯折现象的问题。
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种漏极电压高和不产生漏极电流急剧增加的弯折现象的场效应晶体管。
但是，本发明的发明者们，在构成缓冲层的铟铝砷层中，对有关产生晶体缺陷的原因进行种种研讨的结果发现，在大气中存在的氟等不纯物附着于半绝缘性衬底的表面，由于附着的氟等的不纯物通过晶体生成法形成缓冲层时，在构成缓冲层的铟铝砷层中扩散，对该铟铝砷层产生晶体缺陷。这不是对沟道层邻接的缓冲层的研讨，最近，从铟铝砷层与其他的III——V族化合物半导体层相比，大气中的氟等不纯物容易扩散的报告中(电子信息通信学会技术研究报告ED95、PP35～40)也可以理解。
基于上述见解，本发明所述缓冲层包括：由铟铝砷层构成的第一层，和阻止附着在半绝缘性衬底的表面的氟等的不纯物侵入铟铝砷层的第二层的层叠体。
本发明的第一种场效应晶体管具有将铟磷或是镓砷构成的半绝缘性衬底，和在该半绝缘性衬底上形成的缓冲层，和在该缓冲层上形成的沟道层的场效应晶体管作为对象，缓冲层具有铟铝砷构成的第一层，和铝镓砷、铟镓磷或铝镓磷的三种元素混合晶体构成的第二层的层叠体。
根据第一种场效应晶体管，铝镓砷、铟镓磷或是铝镓磷的三种元素混合晶体与铟铝砷的三种元素混合晶体相比，由于负电势小，电子的偏移少。因此，氟等的不纯物难以通过由铝镓砷、铟镓磷或铝镓磷的三种元素混合晶体构成的第二层，对缓冲层扩散很难。
本发明的第二种场效应晶体管具有将铟磷或是镓砷构成的半绝缘性衬底，和在该半绝缘性衬底上形成的缓冲层，和在该缓冲层上形成的沟道层的场效应晶体管作为对象，缓冲层具有铟铝砷构成的第一层，和镓砷、铝砷、镓磷或铝磷的二种元素晶体构成的第二层的层叠体。
根据第二种场效应晶体管，由于二种元素晶体不是混合晶体，所以没有电子的偏移。因此，氟等的不纯物，难以通过由镓砷、铝砷、镓磷或铝磷的二种元素晶体构成的第二层，对缓冲层扩散很难。
本发明第三种场效应晶体管具有将铟磷或是镓砷构成的半绝缘性衬底，和在该半绝缘性衬底上形成的缓冲层，和在该缓冲层上形成的沟道层的场效应晶体管作为对象，缓冲层具有铟铝砷构成的第一层，和铟镓铝砷或铟镓铝磷的四种元素混合晶体构成的第二层的层叠体。
根据第三种场效应晶体管，铟镓铝砷或是铟镓铝磷的四种元素混合晶体与铟铝砷相比，由于负电势小，电子的偏移少，因此，氟等不纯物难以通过由铟镓铝砷或是铟镓铝磷的四种元素混合晶体构成的第二层，对缓冲层扩散很难。
在第一到第三种的场效应晶体管中，层叠体具有所述第一层和所述第二层相互层积的超晶格结构是理想的。
下面，对附图进行简要说明：
图1是本发明一实施例的场效应晶体管的剖面图。
图2(a)是说明由负电势大的铟铝砷构成的在三种元素混合晶体中电子的偏移状态的模式图，(b)是说明由负电势小的铝镓砷构成的在三种元素混合晶体中电子的偏移状态的模式图。
图3是说明在所述一实施例的场效应晶体管的缓冲层中，氟难以扩散的剖面模式图。
图4的(a)～(c)是说明在所述一实施例的场效应晶体管制造方法的各工序的剖面图。
图5的(a)～(c)是说明在所述一实施例的场效应晶体管制造方法的各工序的剖面图。
图6的(a)～(c)是说明在所述一实施例的场效应晶体管制造方法的各工序的剖面图。
图7是以往的场效应晶体管的剖面图。
符号说明：
11——铁掺杂半绝缘性铟磷衬底；12——第一缓冲层；13——第二缓冲层；14——第三缓冲层；15——沟道层；16——间隔层；17——δ掺杂层；18——肖特基层；19——管底层；20——源极电极；21——漏极电极；22——栅极电极；30——第一光刻图；31——台面结构体；32——第二光刻图；33——第一金属膜；34——第一保护膜；35——第二保护膜；36——第二金属膜。
下面，参照图1说明本发明一实施例的场效应晶体管。
图1是表示本发明一实施例的场效应晶体管剖面结构，如图1所示，在铁掺杂的半绝缘性铟磷衬底11上，依次通过晶体生成形成由未掺杂的铟0.52铝0.48砷构成厚度为100nm的第一缓冲层12，厚度10nm的未掺杂铟0.52铝0.48砷层和厚度2nm的未掺杂铝0.25镓0.75砷分别顺序反复10次层积的超晶格结构的第二缓冲层13，由未掺杂的铟0.52铝0.48砷层构成的厚度300nm的第三缓冲层14，未掺杂铟0.53镓0.47砷层构成的厚度10nm的沟道层15，未掺杂铟0.52铝0.48砷层构成的厚度3nm的间隔层16，硅层构成的δ掺杂层17以及未掺杂铟0.52铝0.48砷层构成的厚度30nm的肖特基层18。在肖特基层18的上面形成具有硅掺杂的n型铟0.53镓0.47砷层构成的厚度50nm的凹槽结构的管底层19。在管底层19的上面分别形成源极电极20以及漏极电极21。同时，在管底层19的凹槽区域中形成栅极电极22。
还有，使δ掺杂层17介于间隔层16和肖特基层18之间的理由如下；即理想的沟道层15和栅极电极22的距离是短的，为了在沟道层15得到规定的载流子浓度，缩短距离部分必须增加掺杂量。但是，考虑到当增加掺杂量时，漏极耐压降低。所以，为了不使漏极耐压降低，为了在缩短沟道层15和栅极电极22的距离的同时得到规定的载流子浓度，设置了δ掺杂层17。
在本发明一实施例的场效应晶体管中，如前所述，由于缓冲层是通过由铟铝砷层构成的第一缓冲层12、和由铟铝砷层和铝镓砷层层积的第二缓冲层13以及由铟铝砷层构成的第三缓冲层14构成的，也就是，将具有超晶格构造的第二缓冲层13的构造，代替以往的由铟铝砷和铟镓砷构成的层叠体，由于铟铝砷层和铟镓砷展构成的层叠体，在半绝缘性铟磷衬底11的表面附着的氟等不纯物很难向第二缓冲层13扩散，所以在第二缓冲层13很难产生结晶缺陷。关于该理由，后面详细说明。
还有，在所述一实施例中，缓冲层是由以下三层构成的，即，铟铝砷层组成的第一缓冲层12，和具有铟铝砷和铝镓砷的超晶格结构的第二缓冲层13，和由铟铝砷层构成的第三缓冲层14。也可由以下构成替换。可以由二层构成，即由铟铝砷构成的下层的缓冲层和具有铟铝砷和铝镓砷的超晶格结构的上层的缓冲层。也可由铟铝砷和铝镓砷的超晶格结构的下层的缓冲层，和铟铝砷层组成的上层的缓冲层二层构成，也可以由具有铟铝砷和铝镓砷的超晶格结构的仅一层缓冲层构成。还有，替换铟铝砷和铝镓砷的超晶格结构，也可是铟铝砷层和铝镓砷层各一层层积的层叠体。
还有，作为缓冲层，可用具有铟铝砷层和铝镓砷层的层叠体的结构代替，也可用具有由铟铝砷构成的第一层和铟镓磷或是铝镓磷的三种元素混合晶体组成的第二层的层叠体。在这种情况下，作为层叠体，可以是使第一层和第二层每一层层积的层叠结构，也可以是多个第一层和第二层相互层积的超晶格结构。
其次，缓冲层具有由铟铝砷构成的第一层和铝镓砷、铟镓磷或是铝镓磷的三种元素混合晶体构成的第二层的层叠体及半绝缘性衬底的表面附着的氟等不纯物在缓冲层中难以扩散的理由说明如下。
对于构成第一层的铟铝砷的负电势是0.61eV，构成第二层的铝镓砷、铟镓磷或是铝镓磷的负电势分别是0.18eV、0.55eV或是0.09eV，与铟铝砷的负电势相比是非常小的值。当负电势小时，由于电子的偏移不多，氟等的原子难以扩散。下面说明该理由。
可是，晶体是原子通过共用电子对相结合，通过共用电子结合的原子构成晶体的晶格，在离子性晶体的情况下，共用电子向其中一个原子方向偏移。由于原子的大小是由构成原子的电子云的范围决定的，电子偏移了的原子，实际的半径变大。这样的情况在原子对分子置换时也合适。
作为所述表示电子的偏移指标，使用负电势，在负电势大的情况下，原子彼此以及分子彼此之间的电子偏移较大。图2(a)是表示在负电势大的铟铝砷的电子的偏移状态，用实线表示由于电子的偏移大，铟铝砷的混合晶体彼此之间的间隙大。还有，在图2(a)中，点划线是表示电子没有偏移的状态。图2(b)是表示在负电势小的铝镓砷中的电子的偏移状态，由于电子的偏移小，铝镓砷的混合晶体彼此之间的间隙小。
电子的偏移，考虑到原子的充填率局部降低，例如：铝镓砷的负电势是0.18eV，由于铟铝砷的负电势是0.61eV，铝镓砷与铟铝砷相比，由于充填率的局部的低下的程度小，氟等不纯物难以扩散。
图3是表示半绝缘性铟磷衬底11和第一缓冲层12之间的外延生成界面存在的氟通过第二缓冲层13接近第三缓冲层14的状态模式，如图3所示，由于阻止氟向构成第二缓冲层13的铝镓砷层扩散，所以氟大部分不能到达第三缓冲层14。
还有，在所述实施例中，过度层具有由铟铝砷组成的第一层和由铝镓砷、铟镓磷或是铝镓磷的三种元素混合晶体组成的第二层的分层结构可以由铟铝砷构成的第一层，和由镓砷、铝砷、镓磷或是铝磷的二元结晶构成的第二层的分层结构替换，也可以由铟铝砷构成的第一层和由铟镓铝砷或是铟镓铝磷的四元混合晶体构成的第二层的层叠体。
缓冲层具有由二种元素结晶构成的分层结构的情况下，由于二种元素结晶不是混合晶体，没有电子的偏移，可抑制氟等不纯物的扩散。
还有，当缓冲层是四种元素混合晶体时，如果负电势是小混合晶体，由于电子的偏移少，在三种元素混合晶体的情况下由于同样的理由，可抑制氟等不纯物等的扩散。所述的铟镓铝砷或是铟镓铝磷的四种元素混合晶体，由于负电势小，可抑制氟等不纯物的扩散。在四种元素混合晶体的情况下，通过选择缓冲层的组分，可配合铟磷衬底或是镓砷衬底和晶格。
当缓冲层具有前述过的三种元素混合晶体、二种元素结晶或是四种元素混合晶体构成的第二层时，由铁掺杂的半绝缘性铟磷衬底11向缓冲层扩散的铁即使有，由于缓冲层阻止铁的扩散，也能够达到防止铁向沟道层扩散的预期效果。
此外，在所述实施例中，作为衬底，使用了铁掺杂的半绝缘性铟磷衬底，但可用没有铁掺杂的半绝缘性铟磷衬底代替，也可以使用半绝缘性镓砷衬底。
下面，参照图4(a)～(c)、图5(a)～(c)以及图6(a)～(c)，说明所述实施例场效应晶体管的制造方法。
首先，如图4(a)所示，在铁掺杂的半绝缘性铟磷衬底11上，通过MBE法，形成如下：由未掺杂的铟0.52铝0.48砷层构成的厚度为100nm的第一缓冲层12；具有按厚度为10nm的未掺杂铟0.52铝0.48砷层和厚度为2nm的未掺杂铝0.25镓0.75砷顺序反复10次层积的超晶格结构的第二缓冲层13；由未掺杂铟0.52铝0.48砷层构成的厚度为300nm的第三缓冲层14；由未掺杂铟0.53镓0.47砷层构成的厚度为10nm的沟道层15；由未掺杂铟0.52铝0.48砷层构成的厚度为3nm的问隔层16；由硅层构成的δ掺杂层17；由未掺杂铟0.52铝0.48砷层构成的厚度为30nm的肖特基层18；以及由硅掺杂的n型铟0.53镓0.47砷层构成的厚度为50nm的管底层19顺次外延生成后，在管底层19上形成对晶体管形成区域的第一光刻图30。
其次，如图4(b)所示，对将第一光刻图30作为掩膜的外延生成的生成层，例如，使用磷酸系的腐蚀剂进行蚀刻，在形成由外延生成的生成层构成的台面结构体31之后，去掉第一光刻图30。
接着，如图4(c)所示，在管底层19上，在对源极以及漏极区域形成具有开口部分的第二光刻图32之后，经过全面真空镀敷电阻性的金属例如：镍/金锗/金(Ni/AuGe/Au)，堆积第一金属膜33。
然后，当剥离第二蚀刻图32时，如图5(a)所示，在管底层19上形成由第一金属膜33构成的源极电极20以及漏极电极21。
接着，如图5(b)所示，在管底层19上，堆积对EB感光的保护层材料，例如PMMA构成的第一保护膜34之后，在该第一保护层膜34上面，堆积由对相同的EB感光的保护材料，例如P(MMA/MAA)聚甲基丙烯酸甲酯/聚甲基丙烯酸构成的第二保护膜35。
接着，如图5(c)所示，对第二保护膜35进行EB曝光之后，经显像，形成0.5μm线宽的图形，再对第一保护膜34照射电子束辐射，对第一保护膜34形成0.1μm线宽的图形。
接着，对管底层19，使用磷酸系的腐蚀剂进行蚀刻，如图6(a)所示，对管底层19形成凹槽区域。
最后，如图6(b)所示，在第二保护膜35的上面，经过全面真空镀敷栅极金属，例如：钛/铂/金(Ti/Pt/Au)，形成第二金属膜36之后，当将第一保护膜34以及第二保护膜35移去时，如图6(c)所示，在露出源极电极20以及漏极电极21的同时，在管底层19的凹槽区域形成由第二金属膜36构成的栅极电极22。
根据第一种场效应晶体管，铝镓砷、铟镓磷或铝镓磷的三种元素混合晶体与以往的构成缓冲层的铟铝砷相比，因为负电势小，电子的偏移少，因为由铝镓砷、铟镓磷或铝镓磷的三种元素混合晶体构成的第二层阻止氟等的不纯物的通过，所以氟等不纯物难以对缓冲层扩散。因此，在缓冲层，难以产生伴随着结晶缺陷的电子陷阱，不产生弯折现象。
根据本发明的第二种场效应晶体管，由于镓砷、铝砷、镓磷或铝磷的二种元素的结晶没有电子的偏移，因为由镓砷、铝砷、镓磷或铝磷的二种元素结晶构成的第二层阻止氟等不纯物的通过，所以氟等的不纯物难以对缓冲层扩散。因此，在缓冲层，难以产生伴随着结晶缺陷的电子陷阱，不产生弯折现象。
根据第三种场效应晶体管，铟镓铝砷或铟镓铝磷的四种元素混合晶体与以往的构成缓冲层的铟铝砷相比，因为负电势的小，电子的偏移少，因为由铟镓铝砷或是铟镓铝磷的四种元素的混合晶体构成的第二层阻止氟等的不纯物的通过，所以氟等的不纯物难以对缓冲层扩散。因此，在缓冲层，难以产生伴随着结晶缺陷的电子陷阱，不产生弯折现象。
在第一～第三场效应晶体管中，层叠体具有第一层和第二层相互层叠的超晶格结构，由于构成层叠体的多个第二层分别阻止氟等不纯物的扩散，所以氟等不纯物难以向缓冲层扩散。

Claims (4)

1.一种场效应晶体管，包括由铟磷或是镓砷构成的半绝缘性衬底，和在该半绝缘性衬底上形成的缓冲层，和在该缓冲层上形成的沟道层，其特征在于所述缓冲层是由铟铝砷构成第一层，由铝镓砷、铟镓磷或铝镓磷的三种元素混合晶体构成第二层的层叠体。
2.一种场效应晶体管，包括由铟磷或是镓砷构成的半绝缘性衬底，和在该半绝缘性衬底上形成的缓冲层，和在该缓冲层上形成的沟道层，其特征在于所述缓冲层是由铟铝砷构成第一层，由镓砷、铝砷、镓磷或是铝磷的二种元素晶体构成第二层的层叠体。
3.一种场效应晶体管，包括由铟磷或是镓砷构成的半绝缘性衬底，和在该半绝缘性衬底上形成的缓冲层，和在该缓冲层上形成的沟道层，其特征在于所述缓冲层是由铟铝砷构成第一层，由铟镓铝砷或是铟镓铝磷的四种元素混合晶体构成第二层的层叠体。
4.根据权利要求1～3中任何一项所述的场效应晶体管，其特征在于所述层叠体具有所述第一层和所述第二层相互层积的超晶格结构。
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