CN1909241A - 砷化镓基增强/耗尽型应变高电子迁移率晶体管材料结构 - Google Patents
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Abstract
一种砷化镓基增强/耗尽型应变高电子迁移率晶体管材料结构，为单片集成增强/耗尽型，其采用铟镓砷/铟铝砷/铟镓砷材料结构，在半绝缘砷化镓衬底材料上，应用缓变生长技术生长线性缓变铟铝镓砷外延层作为缓冲层，然后在缓冲层上顺序生长：铟铝砷层、铟镓砷层、铟铝砷层、平面掺杂层、铟铝砷层、铟磷层、铟铝砷层、铟镓砷层。本发明设计的材料结构测得其沟道二维电子气浓度为1.57E+12cm－2，电子迁移率为9790cm2/V.S，制作出了具有良好性能的增强/耗尽型应变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
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)基单片集成增强/耗尽型应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)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，只有耗尽型高电子迁移率晶体管(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(DCFL)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、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)结构具有非常显著的优势和特点，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很敏感，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HEMT器件制作成功的难点之处就在于—如何设计好晶体管材料结构和在工艺中如何精确控制好增强型器件的制作，这一直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，广泛应用的增强/耗尽型HEMT器件典型结构为铝镓砷/铟镓砷赝配高电子迁移率晶体管(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/AlGaAspseudomorphic MODFETs using selective wet gate recessing”，Electronics Letters 13th August 1992 Vol.28No.17)。相对于典型的增强/耗尽型PHEMTs器件而言，GaAs基InAlAs/InGaAs应变MHEMT具有更高的电子迁移率和电子饱和漂移速度、更大的工作电压范围、更高的工作频段等优势，因此得到更多的关注和重视。
目前应用广泛、已报道的单片集成增强/耗尽型PHEMT器件典型材料结构如表1所示。
表1：已报道典型GaAs基单片集成增强/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 |
| 12 | 重掺杂GaAs | 300埃 | 掺杂源(Si)5.0E+18cm-3 | |
| 11 | 不掺杂AlAs | 15埃 | ||
| 10 | 不掺杂AlxGa1-xAs | 0.17 | 150埃 | |
| 9 | 不掺杂AlAs | 15埃 | ||
| 8 | 不掺杂AlxGa1-xAs | 0.17 | 200埃 | |
| 7 | 平面掺杂 | Si 3.0E+12cm-2 | ||
| 6 | 不掺杂AlxGa1-xAs | 0.17 | 20埃 | |
| 5 | 不掺杂InxGa1-xAs | 0.20 | 170埃 | |
| 4 | 不掺杂GaAs | 500埃 | ||
| 3 | 不掺杂AlxGa1-xAs | 0.45 | 50埃 | |
| 2 | 缓冲层 | |||
| 1 | 半绝缘衬底GaAs(100) | |||
这种晶体管结构主要具有如下几个特点：
1、利用AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs两种材料之间的导带差，在具有低禁带宽度、高电子迁移率特性的InGaAs外延层中形成二维电子气(2DEG)，AlxGa1-xAs外延层中Al的组分X＝0.17，InyGa1-yAs外延层中In的组分Y＝0.2，它们的导带差约为0.27eV，增强与耗尽型PHEMT器件的势垒层都为AlxGa1-xAs外延层。
2、由于增强与耗尽型PHEMT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，因此在典型增强与耗尽型PHEMT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)基单片集成增强/耗尽型应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)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/耗尽型应变高电子迁移率晶体管材料结构，其采用铟镓砷/铟铝砷/铟镓砷材料结构，在半绝缘砷化镓衬底材料上，应用缓变生长技术生长线性缓变铟铝镓砷外延层作为缓冲层，然后在缓冲层上顺序生长：铟铝砷层、铟镓砷层、铟铝砷层、平面掺杂层、铟铝砷层、铟磷层、铟铝砷层、铟镓砷层；其中，第十层铟镓砷外延层作为帽层，第九层铟铝砷外延层作为耗尽型的势垒层，第八层铟磷外延层作为截止层，第七层铟铝砷外延层作为增强型的势垒层，第五层铟铝砷外延层作为隔离层，第四层铟镓砷作为沟道层。
所述的晶体管材料结构，其所述在超晶格层上顺序生长的各层，为不掺杂铟铝砷层、不掺杂铟镓砷层、不掺杂铟铝砷层、平面掺杂层、不掺杂铟铝砷层、不掺杂铟磷层、不掺杂铟铝砷层、重掺杂铟镓砷层。
所述的晶体管材料结构，其所述第十层铟镓砷外延层为n型高掺杂，其中铟组分X＝0.53±0.02，镓组分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，厚度为100±10埃，掺杂为硅掺杂，浓度为(1.0±0.1)×1019cm-3；耗尽型MHEMT的势垒层为第九层不掺杂铟铝砷外延层，其中铟组分X＝0.52±0.02，铝组分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，厚度为100±10埃；增强型MHEMT的势垒层为第七层不掺杂铟铝砷外延层，其中铟组分X＝0.52±0.02，铝组分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，厚度为150±10埃；平面掺杂层为硅掺杂，浓度设计为(1.5±0.1)×1012cm-2；沟道层为第四层不掺杂铟镓砷外延层，其中铟组分X＝0.53±0.02，镓组分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，厚度为200±10埃。
本发明相对于已报道典型的单片集成增强/耗尽型PHEMT材料结构具有非常明显的优势，主要体现在以下三个方面：
1)高铟组分InyAl1-yAs(铟组分Y＝0.52)比AlxGa1-xAs(铟组分X＝0.17)具有更大的禁带宽度，同时高铟组分InxGa1-xAs(铟组分Y＝0.53)比低铟组分InyGa1-xAs(铟组分X＝0.2)具有更小的禁带宽度，因此InyAl1-yAs/InxGa1-xAs异质结之间的导带差更大。InyAl1-yAs/InxGa1-xAs之间的导带差约为0.43eV，比典型PHEMTs材料结构AlyGa1-yAs/InxGa1-xAs的导带差0.27eV要大得多。这样在InyAl1-yAs/InxGa1-xAs之间形成更高的势垒，使2DEG更好地束缚在InxGa1-xAs沟道层。
2)采用薄InP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，由于InP外延层与In0.52Al0.48As和In0.53Ga0.47As外延层晶格匹配，它们的界面不会由于晶格失配而产生位错缺陷，因此降低了材料生长的难度和有利于提高材料生长的质量。
3)由于采用In0.53Ga0.47As外延层作为帽层，它的低禁带和高掺杂率特性使器件能形成良好欧姆接触。
附图说明
图1：本发明增强型应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)测试单管光学显微镜照片；
图2：本发明耗尽型应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)测试单管光学显微镜照片；
图3：本发明增强型应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)器件I-V直流特性；
图4：本发明增强型应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)器件直流跨导特性；
图5：本发明增强型应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)电流增益截止频率fT；
图6：本发明耗尽型应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)器件I-V直流特性；
图7：本发明耗尽型应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)器件直流跨导特性；
图8：本发明耗尽型应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)电流增益截止频率fT。
具体实施方式
本发明的一种砷化镓(GaAs)基单片集成增强/耗尽型应变高电子迁移率晶体管(MHEMT)器件材料结构，如表2所示，采用铟镓砷/铟铝砷/铟镓砷材料结构，在半绝缘砷化镓(100)衬底材料上表面，应用缓变生长技术生长线性缓变铟铝镓砷外延层做为缓冲层，其厚度为1.5μm，然后在缓冲层上顺序生长：第三层：不掺杂铟铝砷层，其厚度为500埃；第四层：不掺杂铟镓砷层，其厚度为200埃，铟组分X＝0.53±0.02，镓组分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，作为沟道层；第五层：不掺杂铟铝砷层，其厚度为40埃，作为隔离层；第六层：平面掺杂层，其掺杂浓度为Si1.5E+12cm-2；第七层：不掺杂铟铝砷层，其厚度为150埃，铟组分X＝0.52±0.02，铝组分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，作为增强型的势垒层；第八层：铟磷层，其厚度为30埃，作为截止层；第九层：不掺杂铟铝砷层，其厚度为100埃，铟组分X＝0.52±0.02，铝组分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，作为耗尽型的势垒层；第十层：重掺杂铟镓砷层，其厚度为100埃，铟组分X＝0.53±0.02，镓组分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，掺杂源：硅(Si)，掺杂浓度为1.0E+19cm-3，作为帽层。
表2：为本发明GaAs基单片集成增强/耗尽型MHEMT器件材料结构示意表。
| 序号 | 材料 | 摩尔比％ | 厚度(埃) | 掺杂浓度 |
| 10 | 重掺杂InGaAs | 0.53 | 100埃 | 掺杂源(Si)1.0E+19cm-3 |
| 9 | 不掺杂InxAl1-xAs | 0.52 | 100埃 | |
| 8 | InP | 30埃 | ||
| 7 | 不掺杂InxAl1-xAs | 0.52 | 150埃 | |
| 6 | 平面掺杂 | Si1.5E+12cm-2 | ||
| 5 | 不掺杂InxAl1-xAs | 0.52 | 40埃 | |
| 4 | 不掺杂InxGa1-xAs | 0.53 | 200埃 | |
| 3 | 不掺杂InxAl1-xAs | 0.52 | 500埃 | |
| 2 | 线性缓变技术生长i-InAlGaAs 1.5μm | |||
| 1 | 半绝缘衬底GaAs(100) | |||
采用本发明中设计的材料结构制作成功了单片集成增强/耗尽型MHEMT器件，实验测试结果表明本发明中设计的GaAs基增强/耗尽型MHEMT器件具有较好的直流和交流性能，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。增强型MHEMT器件的饱和电流密度Ids达200mA/mm，最大直流跨导GM达260mS/mm(见图3、图4)，器件的电流增益截止频率fT为10.1GHZ(见图5)；耗尽型MHEMT器件的饱和电流密度Ids达250mA/mm，最大直流跨导GM达240mS/mm(见图6、图7)。器件的电流增益截止频率fT为10.1GHZ(见图8)。
Claims (3)
1、一种砷化镓基增强/耗尽型应变高电子迁移率晶体管材料结构，为单片集成增强/耗尽型，其特征在于，采用铟镓砷/铟铝砷/铟镓砷材料结构，在半绝缘砷化镓衬底材料上，应用缓变生长技术生长线性缓变铟铝镓砷外延层作为缓冲层，然后在缓冲层上顺序生长：铟铝砷层、铟镓砷层、铟铝砷层、平面掺杂层、铟铝砷层、铟磷层、铟铝砷层、铟镓砷层；其中，第十层铟镓砷外延层作为帽层，第九层铟铝砷外延层作为耗尽型的势垒层，第八层铟磷外延层作为截止层，第七层铟铝砷外延层作为增强型的势垒层，第五层铟铝砷外延层作为隔离层，第四层铟镓砷作为沟道层。
2、如权利要求1所述的晶体管材料结构，其特征在于，所述在线性缓变铟铝镓砷外延层上顺序生长的各层，为不掺杂铟铝砷层、不掺杂铟镓砷层、不掺杂铟铝砷层、平面掺杂层、不掺杂铟铝砷层、不掺杂铟磷层、不掺杂铟铝砷层、重掺杂铟镓砷层。
3、如权利要求1或2所述的晶体管材料结构，其特征在于，所述第十层铟镓砷外延层为n型高掺杂，其中铟组分X＝0.53±0.02，镓组分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，厚度为100±10埃，掺杂为硅掺杂，浓度为(1.0±0.1)×1019cm-3；耗尽型MHEMT的势垒层为第九层不掺杂铟铝砷外延层，其中铟组分X＝0.52±0.02，铝组分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，厚度为100±10埃；增强型MHEMT的势垒层为第七层不掺杂铟铝砷外延层，其中铟组分X＝0.52±0.02，铝组分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，厚度为150±10埃；平面掺杂层为硅掺杂，掺杂浓度设计为(1.5±0.1)×1012cm-2；沟道层为第四层不掺杂铟镓砷外延层，其中铟组分X＝0.53±0.02，镓组分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，厚度为200±10埃。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |