TWI425563B - Transparent Electrode Applied to Gallium Arsenide MHEMT Wafer Epitaxial Structure - Google Patents

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透明電極應用於砷化鎵MHEMT晶圓磊晶結構
本發明係一種有關於之高速移導率電晶體之技術領域，尤指一種運用透明的銦錫氧化物當透明閘極金屬來改善檢光與混頻效率之高速移導率電晶體。
近年來由於行動通訊的需求量大增使得在高頻元件高電子遷移率電晶體(High Electron Mobility Transistor，HEMT)、雙異質接面結構電晶體(HBT)有著顯著的發展。在HEMT方面，從以前的砷化鎵(GaAs)基板上砷化鋁鎵(AlGaAs)/砷化鎵(GaAs)HMET及砷化鋁鎵(AlGaAs)/砷化銦鎵(InGaAs)的假晶高電子遷移率電晶體(pseudomorphic HEMT，PHEMT)到最近磷化銦(InP)基板上砷化銦鋁(InAlAs)/砷化銦鎵(InGaAs)的晶格匹配高電子遷移率電晶體(lattice match HEMT，LMHEMT)不論是在直流的轉導以及在高頻特性fT (current gain cut-off frequency)和fmax (maximum oscillation of frequency)上皆有很好的特性。因為在磷化銦(InP)基板上的砷化銦鎵(InGaAs)高電子遷移率(mobility)以及有較高的電子峰值速度(peak electron velocity)而造就了磷化銦(InP)基板的LMHEMT有著比砷化鎵(GaAs)的PHEMT更好的高頻特性。但是由於InP基板高昂的價格以及易碎的特性使得在製造單石微波積體電路(monolithic microwave integrated circuit，MMIC)上有著一定程度上的困難。然而由於近年 來長晶技術的精進，係透過GaAs基板上以變質的(metamorphic)長晶方式形成變質的高電子遷移率電晶體(metamorphic HEMT，MHEMT)，從In=0%的砷化銦鋁(InAlAs)成長到In=30、40%，甚至更高的銦(indium)含量以求與通道的砷化銦鎵(InGaAs)在晶格常數(lattice constant)中相互匹配。然而為了不使變質層(metamorphic layer)所產生的應力影響到通道，一般都會再長一層較厚的，且與通道晶格匹配的緩衝層(buffer layer)來擋住應力的影響。所以運用變質的(metamorphic)長晶不僅可以克服晶格常數的不匹配使得通道的砷化銦鎵(InGaAs)有更高的銦(indium)含量，增加通道的電子遷移率、提高高頻特性，更可以使得磊晶設計者針對不同特性的需求來決定通道的銦含量。不僅在特性上可以做出接近於InP LMHEMT的高頻特性，更可以減低製作的成本以及避免InP易碎的特性所造成製程上的不便。
另外，利用光纖系統來支援無線通訊系統，在近幾年開始受到重視。高速電子移導率電晶體亦可稱做異質結構場效電晶體(Heterostructure FET，HFET)。因在通道材料與通道兩側之材料不同，造成元件能帶不連續，形成二維電子氣(two-dimensional electron gas，2DEG)，利用能帶不連續侷限住電子，使電子僅能在通道中流動，並阻絕了雜質進入通道中降低電子移導率。
如第七圖所示，流程圖中係包括一光的訊號(1)、一檢光器(2)、一混頻器(3)、一本地振盪訊號(4)、 一帶通濾波器(5)、一傳輸放大器鏈路(6)與一無線電頻率訊號(7)。另外，光纖系統來支援無線通訊系統在近幾年開始受到重視，HEMT用在光纖與無線通訊系統的結合是一個非常有用的元件，因為當HEMT受光照射時，由通道層(Channel layer)將光訊號吸收轉換，其光響應主要由兩種效應所形成，一是光伏效應，一是光導效應。經調變後的光訊號照射進元件時，因元件的的非線性效果，將使本地振盪訊號(4)與調變的光訊號產生混波而達到升頻的效果。同時，使用一個元件整合檢光與混頻並將其積體化，除簡化元件之外，若能將整的遠端用戶的微波發射系統加入至晶片中，可大大地減低光-微波網路的架設成本，更間接地增加光纖到家(fiber to the home，FTTH)及光纖到大樓(fiber to the building，FTTB)的可行性。
惟，請參閱第八圖所示，習用的閘極金屬為Ti/Au(20/190nm)，將習用的閘極金屬分別照射強度由-9dBm至0dBm，波長為1.55μm的單模雷射，Vd偏壓點取其對光最敏感的位置，習用的閘極金屬為0.45V，對於光的敏感度不佳。且習用的閘極金屬用於混頻技術上時，混頻難度高，混頻效率不佳且網路成本高，實有改良之必要。
習用的閘極金屬為Ti/Au(20/190nm)，將習用的閘極金屬分別照射強度由-9dBm至0dBm，波長為1.55μm的單模雷射，Vd偏壓點取其對光最敏感的位置，習用的閘極金屬為0.45V，對於光的敏感度 不佳。且習用的閘極金屬用於混頻技術上時，混頻難度高，混頻效率不佳且網路成本高，實有改良之必要。
提供一種透明電極應用於砷化鎵MHEMT晶圓磊晶結構，係包括：一MHEMT晶圓磊晶結構、一透明閘極、一源極與一汲極。
該MHEMT晶圓磊晶結構係利用分子束磊晶方式成長在一砷化鎵基板上，該砷化鎵基板上成長包括有一肖特基層與一覆蓋層，該覆蓋層係成長於該肖特基層上；該透明閘極係設於該肖特基層上，該透明閘極係為銦錫氧化物(ITO)；該源極與該汲極係分別設於該透明閘極兩側的該覆蓋層上。
其中，該砷化鎵基板上與肖特基層下之間依序成長有一漸進式緩衝層、一緩衝層、一第一隔離層、一通道層與一第二隔離層。
其中，該緩衝層與該第一隔離層之間包括有一第一摻雜層。
其中，該第二隔離層與該肖特基層之間包括有一第二摻雜層。
其中，該通道層係為一砷化銦鎵層。
其中，該覆蓋層係為一砷化銦鎵層。
其中，該漸進式緩衝層與該緩衝層係為一砷化銦鋁緩衝層，該砷化銦鋁緩衝層中銦的含量為1%至50%。
其中，該源極與該汲極係選自鈦、金、鎳、鈀或鉑所 成群組中的其中之一。
其中，該源極與該汲極係選自鈦、金、鎳、鈀與鉑所成群組中，任兩個以上所組成之混合物的其中之一。
一、本發明為一種特殊MHEMT閘極材料，用於混頻技術上可降低混頻難度，亦可將此元件應用於光纖寬頻網路傳輸系統上，同時當為混頻器與一敏感的光檢知器，可增加混頻效率與降低網路成本。
二、本發明透過在MHEMT製程上，將閘極金屬鈦/金(Ti/Au)，改為透明的銦錫氧化物(indium tin oxide，ITO)，可有效增加受光範圍，使該MHEMT晶圓磊晶結構對於光波更為敏感。
有關本發明所採用之技術、手段及其功效，茲舉一較佳實施例並配合圖式詳細說明如后，相信本發明上述之目的、構造及其特徵，當可由之得一深入而具體的瞭解。
請參閱第一圖至第六圖所示，本發明係提供一MHEMT晶圓磊晶結構、一透明閘極(110)、一源極(130)與一汲極(120)。其中，該MHEMT晶圓磊晶結構係利用分子束磊晶方式成長在一砷化鎵基板(10)上，該砷化鎵基板(10)上成長包括有一肖特基層(90)與一覆蓋層(100)，該覆蓋層(100)係成長於該肖特基層(90)上；該透明閘極(110)係設於該肖特基層(90)上， 該透明閘極(110)係為銦錫氧化物(ITO)；該源極(130)與該汲極(120)係分別設於該透明閘極(110)兩側的該覆蓋層(100)上。
其中，該砷化鎵基板(10)上與肖特基層(90)下之間依序成長有一漸進式緩衝層(20)、一緩衝層(30)、一第一隔離層(50)、一通道層(60)與一第二隔離層(70)。
其中，該緩衝層(30)與該第一隔離層(50)之間包括有一第一摻雜層(40)。
其中，該第二隔離層(70)與該肖特基層(90)之間包括有一第二摻雜層(80)。
其中，該通道層(60)係為一砷化銦鎵層。
其中，該覆蓋層(100)係為一砷化銦鎵層。
其中，該漸進式緩衝層(20)與該緩衝層(30)係為一砷化銦鋁緩衝層，該砷化銦鋁緩衝層中銦的含量為1%至50%。
其中，該源極(130)與該汲極(120)係選自鈦、金、鎳、鈀或鉑。
其中，該源極(130)與該汲極(120)係選自鈦、金、鎳、鈀與鉑所成群組中，任兩個以上所組成之混合物。
在MHEMT製程上，本發明係將習用的閘極金屬(Ti/Au)，改為透明的銦錫氧化物(ITO)，MHEMT其晶圓磊晶結構如圖一所示，砷化銦鋁/砷化銦鎵MHEMT其磊 晶片結構利用分子束磊晶MBE方式成長在半導體砷化鎵基板(10)上。該砷化鎵基板(10)上成長有該漸進式緩衝層(20)與該緩衝層(30)，該漸進式緩衝層(20)為一Inx Al1-x As緩衝層，該Inx Al1-x As緩衝層係利用漸近式成長，其中銦In的含量x由1%至50%。該漸進式緩衝層(20)上依序成長有該緩衝層(30)、該第一摻雜層(40)、該第一隔離層(50)、該通道層(60)、該第二隔離層(70)、該第二摻雜層(80)、該肖特基層(90)與該覆蓋層(100)。其中，該緩衝層(30)為一未摻雜的In0.5 Al0.5 As緩衝層、該第一隔離層(50)為一未摻雜的In0.5 Al0.5 As隔離層、該通道層(60)為一摻雜矽的In0.7 Ga0.3 As通道層、該肖特基層(90)為一未摻雜的In0.5 Al0.5 As肖特基層、該覆蓋層(100)為一摻雜矽的In0.52 Ga0.48 As覆蓋層。
MHEMT結構如圖二所示，其結構包括該透明閘極(110)設於該肖特基層(90)上，將源極(130)汲極(120)設於透明閘極(110)兩側之該覆蓋層(100)上。MHEMT的二維電子氣(two-dimensional electron gas，2DEG)存在於該通道層(60)組成的量子井中。電子的產生來自於該第一摻雜層(40)和該第二摻雜層(80)，電子穿越至該第二隔離層(70)和該第一隔離層(50)至該通道層(60)。該肖特基層(90)位在該第二摻雜層(80)上，係為了改善肖特基障壁高度，而該覆蓋層(100)係為了改善歐姆接觸電阻率。
本發明係濺鍍ITO至MHEMT元件，將閘極金屬取代為ITO，該MHEMT元件的透明閘極(110)長度為1μm，汲極(120)與源極(130)相隔5μm。再架設光探針照射波長1.55μm的單模雷射，測量MHEMT元件對於光的敏感度。
比較差異，習用的閘極金屬為Ti/Au(20/190nm)，透明閘極(110)材料為導電的ITO(200nm)，因其透明，故稱之為TG-MHEMT(Transparent Gate-MHEMT)，將習用的閘極金屬與TG-MHEMT分別照射強度由-9dBm至0dBm，波長為1.55μm的單模雷射，Vd偏壓點取其對光最敏感的位置，習用的閘極金屬為0.45V，TG-MHEMT為1.2V，習用的閘極金屬結果如第八圖所示，TG-MHEMT如第三圖所示，可明顯比較出對於光的敏感度，具有透明閘極(110)材料的TG-MHEMT有明顯的改善。
本MHEMT元件在室溫77k下，其面電流密度3.7x1012 cm-2 ，霍爾移動率在5830cm2 /V-s。經由濺鍍的ITO薄膜，薄膜電阻(Sheet Resistance)為89Ohms/sq，而其電阻率(Resistivity)為6.6x10-4 Ohms．cm，在1.55μm波長下透光率高達83%，反射率約為10%。因薄金屬也具有透光率，為做比較，我們亦對複合式的Ti(5nm)/Au(5nm)/ITO(190nm)膜做透光率之量測，但透光率僅為27%。
若以透明閘極(110)電壓0V至截止電壓-2.5V，每-0.1V一個step，汲極(120)電壓0V至3V的標準，TG-MHEMT的I-V量測結果如第四圖所示。
若以透明閘極(110)電壓-3V至2V，汲極(120)電壓為2V的標準，TG-MHEMT的Gm及Id量測結果如第五圖所示。
如第六圖所示，若以透明閘極(110)啟始電壓和崩潰電壓的標準，TG-MHEMT元件其透明閘極(110)啟始電壓0.8V和崩潰電壓-7.1V。因基板在磊晶時的缺陷，導致有漏電流的情況產生。
綜上所述，首先，本發明為一種特殊MHEMT閘極材料，用於混頻技術上可降低混頻難度，亦可將此元件應用於光纖寬頻網路傳輸系統上，同時當為混頻器與一敏感的光檢知器，可增加混頻效率與降低網路成本。另外，本發明透過在MHEMT製程上，將閘極金屬鈦/金(Ti/Au)，改為透明的銦錫氧化物(indium tin oxide，ITO)，可有效增加受光範圍，使該MHEMT晶圓磊晶結構對於光波更為敏感。
前文係針對本發明之可行實施例為本發明之技術特徵進行具體說明；惟，熟悉此項技術之人士當可在不脫離本發明之精神與原則下對本發明進行變更與修改，而該等變更與修改，皆應涵蓋於如下申請專利範圍所界定之範疇中。
 ．習用部份．
(1)‧‧‧光的訊號
(2)‧‧‧檢光器
(3)‧‧‧混頻器
(4)‧‧‧本地振盪訊號
(5)‧‧‧帶通濾波器
(6)‧‧‧傳輸放大器鏈路
(7)‧‧‧無線電頻率訊號
．本發明部份．
(10)‧‧‧砷化鎵基板
(20)‧‧‧漸進式緩衝層
(30)‧‧‧緩衝層
(40)‧‧‧第一摻雜層
(50)‧‧‧第一隔離層
(60)‧‧‧通道層
(70)‧‧‧第二隔離層
(80)‧‧‧第二摻雜層
(90)‧‧‧肖特基層
(100)‧‧‧覆蓋層
(110)‧‧‧透明閘極
(120)‧‧‧汲極
(130)‧‧‧源極
第一圖：係本發明之MHEMT結構示意圖。
第二圖：係本發明之透明閘極示意圖。
第三圖：係本發明之透明閘極光性量測示意圖。
第四圖：係本發明之TG-MHEMT IV特性圖。
第五圖：係本發明之TG-MHEMT Gm和Id圖。
第六圖：係本發明之TG-MHEMT SCHOTTKY特性圖。
第七圖：係習用光電微波混頻元件方塊圖。
第八圖：係習用閘極金屬光性量測圖。
(10)‧‧‧砷化鎵基板
(20)‧‧‧漸進式緩衝層
(30)‧‧‧緩衝層
(40)‧‧‧第一摻雜層
(50)‧‧‧第一隔離層
(60)‧‧‧通道層
(70)‧‧‧第二隔離層
(80)‧‧‧第二摻雜層
(90)‧‧‧肖特基層
(100)‧‧‧覆蓋層
(110)‧‧‧透明閘極
(120)‧‧‧汲極
(130)‧‧‧源極

Claims (8)

  1. 一種透明電極應用於砷化鎵MHEMT晶圓磊晶結構，係包括：一MHEMT晶圓磊晶結構，該MHEMT晶圓磊晶結構係利用分子束磊晶方式成長在一砷化鎵基板上，該砷化鎵基板上成長包括有一肖特基層與一覆蓋層，在該砷化鎵基板上與肖特基層下之間依序成長有一漸進式緩衝層、一緩衝層、一第一隔離層、一通道層與一第二隔離層，又該覆蓋層係成長於該肖特基層上；一透明閘極，該透明閘極係濺鍍於該肖特基層上，該透明閘極係為銦錫氧化物(ITO)；其中，該ITO薄膜，薄膜電阻為89Ohms/sq，而其電阻率為6.6x10-4 Ohms．cm，在1.55μm波長下透光率高達83%，反射率約為10%；一源極與一汲極；該源極與該汲極係分別設於該透明閘極兩側的該覆蓋層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之透明電極應用於砷化鎵MHEMT晶圓磊晶結構，其中，該緩衝層與該第一隔離層之間包括有一第一摻雜層。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之透明電極應用於砷化鎵MHEMT晶圓磊晶結構，其中，該第二隔離層與該肖特基層之間包括有一第二摻雜層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之透明電極應用於砷化鎵MHEMT晶圓磊晶結構，其中，該通道層係為一砷化銦 鎵層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之透明電極應用於砷化鎵MHEMT晶圓磊晶結構，其中，該漸進式緩衝層與該緩衝層係為一砷化銦鋁緩衝層，該砷化銦鋁緩衝層中銦的含量為1%至50%。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之透明電極應用於砷化鎵MHEMT晶圓磊晶結構，其中，該覆蓋層係為一砷化銦鎵層。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之透明電極應用於砷化鎵MHEMT晶圓磊晶結構，其中，該源極與該汲極係選自鈦、金、鎳、鈀或鉑所成群組中的其中之一。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之透明電極應用於砷化鎵MHEMT晶圓磊晶結構，其中，該源極與該汲極係選自鈦、金、鎳、鈀與鉑所成群組中，任兩個以上所組成之混合物的其中之一。
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