CN1877855A - 砷化镓基增强/耗尽型膺配高电子迁移率晶体管材料 - Google Patents

Abstract

一种砷化镓基增强/耗尽型膺配高电子迁移率晶体管材料，其采用铟镓磷/铝镓砷/铟镓砷材料结构，在半绝缘砷化镓衬底材料上，生长超晶格层作为缓冲层，然后在超晶格层上顺序生长：铝镓砷层、铟镓砷层、铝镓砷层、平面掺杂层、铝镓砷层、铟镓磷层、砷化镓层；其中，第九层砷化镓外延层作为帽层，第八层铟镓磷外延层作为耗尽型的势垒层，第七层铝镓砷外延层作为增强型的势垒层，第四层铟镓砷作为沟道层。本发明设计的材料结构制作出了具有良好性能的增强/耗尽型膺配高电子迁移率晶体管器件，具有工艺重复性好、可靠性强的特点，在微波、毫米波化合物半导体器件制作和直接耦合场效应管逻辑电路中具有非常明显的实际应用价值。

Description

砷化镓基增强/耗尽型膺配高电子迁移率晶体管材料

技术领域

本发明属于化合物半导体技术领域，特别是指一种砷化镓(GaAs)基集成增强/耗尽型膺配高电子迁移率晶体管(PHEMTs)的材料结构。

背景技术

高电子迁移率晶体管(HEMT)器件具有迄今为止的最高单位电流增益截止频率和最低噪声系数。然而到目前为止，在应用高电子迁移率晶体管(HEMT)器件的电路设计中，只有耗尽型HEMT器件得到广泛的使用，例如传统的缓冲场效应管逻辑电路(BFL)或源耦合场效应管逻辑电路(SCFL)应用在实际的电路设计中，由于在这些电路中采用耗尽型高电子迁移率晶体管(HEMT)器件，带来的后果和不足之处就是电路结构复杂和功耗大。

为克服上述不足之处，直接耦合场效应管逻辑电路(DCFL)结构得到越来越多的关注和重视，直接耦合场效应管逻辑电路由增强/耗尽型(E/D)高电子迁移率晶体管(HEMT)器件构成，迄今为止，它在大规模集成电路设计中是最好的逻辑电路技术之一，广泛应用在分频器、环振器和微波开关等电路设计上。相对其它逻辑电路结构而言，直接耦合场效应管逻辑电路(DCFL)结构具有显著的优势，表现在它的低功耗、高速、设计简单(如没有电平漂移)和单电源工作等方面。然而，它的不利之处在于低噪声容度和它对阈值电压的变化敏感，因此，一个性能优越的直接耦合场效应管逻辑电路(DCFL)必须能够精确控制器件的阈值电压。集成增强/耗尽型高电子迁移率晶体管(HEMT)器件制作成功的难点就在于：如何设计好材料结构和在工艺中如何精确控制好增强型器件的制作，一直以来这是制约直接耦合场效应管逻辑电路(DCFL)结构广泛应用的瓶颈。

目前在国内外，引起人们广泛注意和研究热情的增强/耗尽型高电子迁移率晶体管(HEMT)器件典型结构为铝镓砷/铟镓砷(AlGaAs/InGaAs)PHEMT结构(代表性的文献见M.Tong，K.Nummila，J.-W.Seo.A.Ketterson and I.Adesida，“Process for enhancement/depletion-mode GaAs/InGaAs/AlGaAs pseudomorphic MODFETs using selective wetgate recessing”，Electronics Letters 13^th August 1992 Vol.28No.17)。相对于过去采用GaAs MESFET结构制作增强/耗尽型而言，GaAsE/D PHEMT具有电子迁移率高、工作电压范围大、工作频段高等优势，因此得到更多的关注和重视。

目前应用广泛、已报道的增强/耗尽型PHEMT器件典型材料结构为铝镓砷/铟镓砷(AlGaAs/InGaAs)PHEMT结构，如表1所示。

表1：现有典型GaAs基增强/耗尽型PHEMT器件材料结构示意表

序号	材料	摩尔比％	厚度(埃)	掺杂浓度
					1	重掺杂GaAs		300A	掺杂源(Si)5.0E+18cm-3
2	不掺杂AlAs		15A
					3	不掺杂AlxGa1-xAs	0.17	150A
4	不掺杂AlAs		15A
					5	不掺杂AlxGa1-xAs	0.17	200A
6	平面掺杂			Si3.0E+12cm-2
					7	不掺杂AlxGa1-xAs	0.17	20A
8	不掺杂InxGa1-xAs	0.20	170A
					9	不掺杂GaAs		500A
10	不掺杂AlxGa1-xAs	0.45	50A
					11	缓冲层
12	半绝缘衬底GaAs(100)

其主要具有如下几个特点：

1)利用铝镓砷/铟镓砷(AlGaAs/InGaAs)两种材料之间的导带差，在具有低禁带宽度、电子高迁移率特征的铟镓砷(InGaAs)外延层中形成二维电子气(2DEG)，铝镓砷(AlGaAs)中铝(Al)的组分为0.17，铟镓砷(InGaAs)中铟(In)的组分为0.2，它们的导带差约为0.27ev，增强与耗尽型HEMT器件的势垒层都为铝镓砷(AlGaAs)外延层。

2)由于E/D HEMT器件制作中非常关键也是难点之一是保持增强/耗尽型阈值电压的一致性，因此在典型HEMT器件材料结构中，通过生长二薄层铝砷(AlAs)外延层作为增强/耗尽型腐蚀截止层来保持阈值电压的一致性。

发明内容

本发明的目的是设计一种砷化镓(GaAs)基集成增强/耗尽型膺配高电子迁移率晶体管(PHEMTs)器件材料结构，以克服现有材料结构的一些不足。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种砷化镓基增强/耗尽型膺配高电子迁移率晶体管材料，其采用铟镓磷/铝镓砷/铟镓砷材料结构，在半绝缘砷化镓衬底材料上，生长超晶格层作为缓冲层，然后在超晶格层上顺序生长：铝镓砷层、铟镓砷层、铝镓砷层、平面掺杂层、铝镓砷层、铟镓磷层、砷化镓层；其中，第九层砷化镓外延层作为帽层，第八层铟镓磷外延层作为耗尽型的势垒层，第七层铝镓砷外延层作为增强型的势垒层，第四层铟镓砷作为沟道层。

所述的晶体管材料，其所述在超晶格层上顺序生长的各层，为不掺杂铝镓砷层、不掺杂铟镓砷层、不掺杂铝镓砷层、平面掺杂层、不掺杂铝镓砷层、不掺杂铟镓磷层、重掺杂砷化镓层。

所述的晶体管材料，其所述第九层砷化镓外延层为n型高掺杂，厚度为500±50埃，掺杂为硅掺杂，浓度为(5.0±0.5)×10¹⁸cm^-3；增强型的势垒层为第七层不掺杂铝镓砷外延层，其组分X＝0.22±0.02，Y＝0.78±0.02，X+Y＝1，厚度为100±10埃；耗尽型PHEMT的势垒层为第八层不掺杂铟镓磷外延层，其组分X＝0.5±0.02，Y＝0.5±0.02，X+Y＝1，厚度为200±20埃；平面掺杂层为硅掺杂，浓度设计为(3.0±0.3)×10¹²cm^-2。

本发明相对于已有典型的增强/耗尽型PHEMT材料结构具有明显的优势，主要体现在以下四个方面：

1) 同样利用铝镓砷/铟镓砷(AlGaAs/InGaAs)两种材料之间的导带差，在窄禁带铟镓砷(InGaAs)外延层中形成2DEG，但是在AlGaAs中Al的组分设计为0.22，相应地铝镓砷/铟镓砷(AlGaAs/InGaAs)之间的导带差约为0.315ev，比典型HEMT器件材料结构铝镓砷/铟镓砷(AlGaAs/InGaAs)的导带差要大，这样在铝镓砷/铟镓砷(AlGaAs/InGaAs)之间形成更高的势垒，使2DEG更好地束缚在铟镓砷(InGaAs)沟道层。

2)  采用铟镓磷(InGaP)外延层而不是铝镓砷(AlGaAs)外延层作为耗尽型的势垒层。设计铟镓磷(InGaP)作为耗尽型PHEMT的势垒层具有两个优点：a)InGaP/AlGaAs对某些腐蚀液具有很高的腐蚀选择比，它既可作为耗尽型的势垒层，又可作为腐蚀截止层，具有双重作用；b)它没有深能级产生(如DX中心)并具有低的表面势；

3)  相对于典型HEMT器件材料结构，由于铟镓磷(InGaP)外延层具有双重的作用，不需要特意设计腐蚀截止层，降低了材料生长的难度和有利于提高材料生长的质量。

4)  本发明的增强/耗尽型PHEMT材料结构与典型结构中增强与耗尽型的势垒层都采用同样的铝镓砷(AlGaAs)外延层，不同的是，设计铝镓砷(AlGaAs)作为增强型的势垒层，而设计铟镓磷(InGaP)作为耗尽型的势垒层。这种设计的一个明显的优势就是在增强/耗尽型栅的制作中，由于设计增强/耗尽型的势垒层为不同的外延层，因此可以选择功函数不同的栅金属结构，这对制作成功增强型HEMT器件意义非常重大。

附图说明

图1：为本发明增强型PHEMT测试单管光学显微镜照片；

图2：为本发明耗尽型PHEMT测试单管光学显微镜照片；

图3：为本发明增强型PHEMT器件I-V直流特性曲线图；

图4：为本发明增强型PHEMT器件直流跨导特性曲线图；

图5：为本发明耗尽型PHEMT器件I-V直流特性曲线图；

图6：为本发明耗尽型PHEMT器件直流跨导特性曲线图；

图7：为本发明增强型PHEMT电流增益截止频率f_T曲线图；

图8：为本发明增强型PHEMT最大振荡频率f_max曲线图；

图9：为本发明耗尽型PHEMT电流增益截止频率f_T曲线图；

图10：为本发明耗尽型PHEMT最大振荡频率f_max曲线图。

具体实施方式

本发明中砷化镓基集成增强/耗尽型膺配高电子迁移率晶体管材料，是针对目前已有的增强/耗尽型PHEMT器件典型材料结构的一些不足，设计的增强/耗尽型PHEMT器件材料结构，如表2所示，采用了铟镓磷/铝镓砷/铟镓砷(InGaP/AlGaAs/InGaAs)材料结构。

表2：为本发明GaAs基增强/耗尽型PHEMT器件材料结构示意表

序号	材料	摩尔比％	厚度(埃)	掺杂浓度
					1	重掺杂GaAs		500A	掺杂源(Si)5.0E+18cm-3
2	不掺杂InxGa1-xP	0.5	200A
					3	不掺杂AlxGa1-xAs	0.22	100A
4	平面掺杂			Si3.0E+12cm-2
					5	不掺杂AlxGa1-xAs	0.22	40A
6	不掺杂InxGa1-xAs	0.20	120A
					7	不掺杂AlxGa1-xAs	0.22	500A
8	超晶格层10xAl0.22Ga0.78As/GaAs(100×15A)
					9	半绝缘衬底GaAs(100)

本发明材料结构采用半绝缘砷化镓(GaAs(100))作为衬底1材料，在衬底1上生长超晶格层2作为缓冲层，然后在超晶格层2上顺序生长：不掺杂铝镓砷(AlGaAs)层3、不掺杂铟镓砷(InGaAs)层4、不掺杂铝镓砷(AlGaAs)层5、平面掺杂层6、不掺杂铝镓砷(AlGaAs)层7、不掺杂铟镓磷(InGaP)层8、重掺杂砷化镓(GaAs)层9各层。其中，砷化镓(GaAs)外延层9作为帽层，铟镓磷(InGaP)外延层8作为增强型的势垒层，铝镓砷(AlGaAs)外延层7作为耗尽型的势垒层，铟镓砷(InGaAs)作为沟道层4。

砷化镓(GaAs)外延层(帽层)9为n型高掺杂，厚度为500埃，设计掺杂为硅(Si)掺杂，浓度为5.0E+18cm^-3；增强型的势垒层为不掺杂铝镓砷(AlxGayAs)外延层7，其组分X＝0.22，Y＝0.78，厚度为100埃；耗尽型PHEMT的势垒层为不掺杂铟镓磷(InxGayP)外延层8，其组分X＝0.5，Y＝0.5，厚度为200埃；平面掺杂层6为硅(Si)掺杂，浓度设计为3.0E+12cm^-2。

在本发明中，上述通过理论计算、分析出PHEMT器件材料结构各层的材料构成、厚度以及一些相关的参数，最后的实验证实了这种设计思路和材料结构的正确性、可行性。

本发明GaAs基增强/耗尽型PHEMT器件阈值电压理论计算与实测结果比较，见表3。

表3：

掺杂浓度(cm-2)	理论计算阈值电压(耗尽型)	理论计算阈值电压(增强型)	实测阈值电压(耗尽型)	实测阈值电压(增强型)
					3.0×1012	-0.40V	0.01V	-0.45~-0.6V	0.05V~0.15V

在本发明中，设计的材料结构制作出了具有良好性能的增强/耗尽型膺配高电子迁移率晶体管(PHEMT)器件，同时具有工艺重复性好、可靠性强的特点，在微波、毫米波化合物半导体器件制作和直接耦合场效应管逻辑电路中具有非常明显的实际应用价值。

采用本发明中设计的材料结构制作成功了增强/耗尽型PHEMT器件，实验测试结果表明本发明中设计的砷化镓(GaAs)基增强/耗尽型PHEMT器件具有良好的直流和交流特性性能，单管测试图形见图1和图2，设计器件栅长为1.0μm，源漏(S-D)间距为4.0μm，源漏电压VDS为(0，5V)，栅源电压VGS为(0，1.2V)。增强型PHEMT器件的饱和电流密度Ids达300mA/mm，最大直流跨导GM达350mS/mm(见图3、图4)，器件的电流增益截止频率fT为10.1GHZ(见图5)，最大振荡频率fmax为12GHZ(见图6)；耗尽型PHEMT器件的饱和电流密度Ids达340mA/mm，最大直流跨导GM达300mS/mm(见图7、图8)，器件的电流增益截止频率fT为12.4GHZ(图9)，最大振荡频率fmax为14.7GHZ(图10)。

Claims (3)

1、一种砷化镓基增强/耗尽型膺配高电子迁移率晶体管材料，其特征在于，采用铟镓磷/铝镓砷/铟镓砷材料结构，在半绝缘砷化镓衬底材料上，生长超晶格层作为缓冲层，然后在超晶格层上顺序生长：铝镓砷层、铟镓砷层、铝镓砷层、平面掺杂层、铝镓砷层、铟镓磷层、砷化镓层；其中，第九层砷化镓外延层作为帽层，第八层铟镓磷外延层作为耗尽型的势垒层，第七层铝镓砷外延层作为增强型的势垒层，第四层铟镓砷作为沟道层。

2、如权利要求1所述的晶体管材料，其特征在于，所述在超晶格层上顺序生长的各层，为不掺杂铝镓砷层、不掺杂铟镓砷层、不掺杂铝镓砷层、平面掺杂层、不掺杂铝镓砷层、不掺杂铟镓磷层、重掺杂砷化镓层。

3、如权利要求1或2所述的晶体管材料，其特征在于，所述第九层砷化镓外延层为n型高掺杂，厚度为500±50埃，掺杂为硅掺杂，浓度为(5.0±0.5)×10¹⁸cm^-3；增强型PHEMT的势垒层为第七层不掺杂铝镓砷外延层，其组分X＝0.22±0.02，Y＝0.78±0.02，X+Y＝1，厚度为100±10埃；耗尽型PHEMT的势垒层为第八层不掺杂铟镓磷外延层，其组分X＝0.5±0.02，Y＝0.5±0.02，X+Y＝1，厚度为200±20埃；平面掺杂层为硅掺杂，浓度设计为(3.0±0.3)×10¹²cm^-2。

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