專利名稱：砷化鎵基增強/耗盡型膺配高電子遷移率晶體管材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化合物半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種砷化鎵(GaAs)基集成增強/耗盡型膺配高電子遷移率晶體管(PHEMTs)的材料結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
高電子遷移率晶體管(HEMT)器件具有迄今為止的最高單位電流增益截止頻率和最低噪聲系數(shù)。然而到目前為止，在應(yīng)用高電子遷移率晶體管(HEMT)器件的電路設(shè)計中，只有耗盡型HEMT器件得到廣泛的使用，例如傳統(tǒng)的緩沖場效應(yīng)管邏輯電路(BFL)或源耦合場效應(yīng)管邏輯電路(SCFL)應(yīng)用在實際的電路設(shè)計中，由于在這些電路中采用耗盡型高電子遷移率晶體管(HEMT)器件，帶來的后果和不足之處就是電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜和功耗大。
為克服上述不足之處，直接耦合場效應(yīng)管邏輯電路(DCFL)結(jié)構(gòu)得到越來越多的關(guān)注和重視，直接耦合場效應(yīng)管邏輯電路由增強/耗盡型(E/D)高電子遷移率晶體管(HEMT)器件構(gòu)成，迄今為止，它在大規(guī)模集成電路設(shè)計中是最好的邏輯電路技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用在分頻器、環(huán)振器和微波開關(guān)等電路設(shè)計上。相對其它邏輯電路結(jié)構(gòu)而言，直接耦合場效應(yīng)管邏輯電路(DCFL)結(jié)構(gòu)具有顯著的優(yōu)勢，表現(xiàn)在它的低功耗、高速、設(shè)計簡單(如沒有電平漂移)和單電源工作等方面。然而，它的不利之處在于低噪聲容度和它對閾值電壓的變化敏感，因此，一個性能優(yōu)越的直接耦合場效應(yīng)管邏輯電路(DCFL)必須能夠精確控制器件的閾值電壓。集成增強/耗盡型高電子遷移率晶體管(HEMT)器件制作成功的難點就在于如何設(shè)計好材料結(jié)構(gòu)和在工藝中如何精確控制好增強型器件的制作，一直以來這是制約直接耦合場效應(yīng)管邏輯電路(DCFL)結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的瓶頸。
目前在國內(nèi)外，引起人們廣泛注意和研究熱情的增強/耗盡型高電子遷移率晶體管(HEMT)器件典型結(jié)構(gòu)為鋁鎵砷/銦鎵砷(AlGaAs/InGaAs)PHEMT結(jié)構(gòu)(代表性的文獻見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 13thAugust 1992 Vol.28No.17)。相對于過去采用GaAs MESFET結(jié)構(gòu)制作增強/耗盡型而言，GaAsE/D PHEMT具有電子遷移率高、工作電壓范圍大、工作頻段高等優(yōu)勢，因此得到更多的關(guān)注和重視。
目前應(yīng)用廣泛、已報道的增強/耗盡型PHEMT器件典型材料結(jié)構(gòu)為鋁鎵砷/銦鎵砷(AlGaAs/InGaAs)PHEMT結(jié)構(gòu)，如表1所示。
表1現(xiàn)有典型GaAs基增強/耗盡型PHEMT器件材料結(jié)構(gòu)示意表

其主要具有如下幾個特點1)利用鋁鎵砷/銦鎵砷(AlGaAs/InGaAs)兩種材料之間的導(dǎo)帶差，在具有低禁帶寬度、電子高遷移率特征的銦鎵砷(InGaAs)外延層中形成二維電子氣(2DEG)，鋁鎵砷(AlGaAs)中鋁(Al)的組分為0.17，銦鎵砷(InGaAs)中銦(In)的組分為0.2，它們的導(dǎo)帶差約為0.27ev，增強與耗盡型HEMT器件的勢壘層都為鋁鎵砷(AlGaAs)外延層。
2)由于E/D HEMT器件制作中非常關(guān)鍵也是難點之一是保持增強/耗盡型閾值電壓的一致性，因此在典型HEMT器件材料結(jié)構(gòu)中，通過生長二薄層鋁砷(AlAs)外延層作為增強/耗盡型腐蝕截止層來保持閾值電壓的一致性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種砷化鎵(GaAs)基集成增強/耗盡型膺配高電子遷移率晶體管(PHEMTs)器件材料結(jié)構(gòu)，以克服現(xiàn)有材料結(jié)構(gòu)的一些不足。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種砷化鎵基增強/耗盡型膺配高電子遷移率晶體管材料，其采用銦鎵磷/鋁鎵砷/銦鎵砷材料結(jié)構(gòu)，在半絕緣砷化鎵襯底材料上，生長超晶格層作為緩沖層，然后在超晶格層上順序生長鋁鎵砷層、銦鎵砷層、鋁鎵砷層、平面摻雜層、鋁鎵砷層、銦鎵磷層、砷化鎵層；其中，第九層砷化鎵外延層作為帽層，第八層銦鎵磷外延層作為耗盡型的勢壘層，第七層鋁鎵砷外延層作為增強型的勢壘層，第四層銦鎵砷作為溝道層。
所述的晶體管材料，其所述在超晶格層上順序生長的各層，為不摻雜鋁鎵砷層、不摻雜銦鎵砷層、不摻雜鋁鎵砷層、平面摻雜層、不摻雜鋁鎵砷層、不摻雜銦鎵磷層、重摻雜砷化鎵層。
所述的晶體管材料，其所述第九層砷化鎵外延層為n型高摻雜，厚度為500±50埃，摻雜為硅摻雜，濃度為(5.0±0.5)×1018cm-3；增強型的勢壘層為第七層不摻雜鋁鎵砷外延層，其組分X＝0.22±0.02，Y＝0.78±0.02，X+Y＝1，厚度為100±10埃；耗盡型PHEMT的勢壘層為第八層不摻雜銦鎵磷外延層，其組分X＝0.5±0.02，Y＝0.5±0.02，X+Y＝1，厚度為200±20埃；平面摻雜層為硅摻雜，濃度設(shè)計為(3.0±0.3)×1012cm-2。
本發(fā)明相對于已有典型的增強/耗盡型PHEMT材料結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下四個方面1) 同樣利用鋁鎵砷/銦鎵砷(AlGaAs/InGaAs)兩種材料之間的導(dǎo)帶差，在窄禁帶銦鎵砷(InGaAs)外延層中形成2DEG，但是在AlGaAs中Al的組分設(shè)計為0.22，相應(yīng)地鋁鎵砷/銦鎵砷(AlGaAs/InGaAs)之間的導(dǎo)帶差約為0.315ev，比典型HEMT器件材料結(jié)構(gòu)鋁鎵砷/銦鎵砷(AlGaAs/InGaAs)的導(dǎo)帶差要大，這樣在鋁鎵砷/銦鎵砷(AlGaAs/InGaAs)之間形成更高的勢壘，使2DEG更好地束縛在銦鎵砷(InGaAs)溝道層。
2) 采用銦鎵磷(InGaP)外延層而不是鋁鎵砷(AlGaAs)外延層作為耗盡型的勢壘層。設(shè)計銦鎵磷(InGaP)作為耗盡型PHEMT的勢壘層具有兩個優(yōu)點a)InGaP/AlGaAs對某些腐蝕液具有很高的腐蝕選擇比，它既可作為耗盡型的勢壘層，又可作為腐蝕截止層，具有雙重作用；b)它沒有深能級產(chǎn)生(如DX中心)并具有低的表面勢；3) 相對于典型HEMT器件材料結(jié)構(gòu)，由于銦鎵磷(InGaP)外延層具有雙重的作用，不需要特意設(shè)計腐蝕截止層，降低了材料生長的難度和有利于提高材料生長的質(zhì)量。
4) 本發(fā)明的增強/耗盡型PHEMT材料結(jié)構(gòu)與典型結(jié)構(gòu)中增強與耗盡型的勢壘層都采用同樣的鋁鎵砷(AlGaAs)外延層，不同的是，設(shè)計鋁鎵砷(AlGaAs)作為增強型的勢壘層，而設(shè)計銦鎵磷(InGaP)作為耗盡型的勢壘層。這種設(shè)計的一個明顯的優(yōu)勢就是在增強/耗盡型柵的制作中，由于設(shè)計增強/耗盡型的勢壘層為不同的外延層，因此可以選擇功函數(shù)不同的柵金屬結(jié)構(gòu)，這對制作成功增強型HEMT器件意義非常重大。


圖1為本發(fā)明增強型PHEMT測試單管光學(xué)顯微鏡照片；圖2為本發(fā)明耗盡型PHEMT測試單管光學(xué)顯微鏡照片；圖3為本發(fā)明增強型PHEMT器件I-V直流特性曲線圖；
圖4為本發(fā)明增強型PHEMT器件直流跨導(dǎo)特性曲線圖；圖5為本發(fā)明耗盡型PHEMT器件I-V直流特性曲線圖；圖6為本發(fā)明耗盡型PHEMT器件直流跨導(dǎo)特性曲線圖；圖7為本發(fā)明增強型PHEMT電流增益截止頻率fT曲線圖；圖8為本發(fā)明增強型PHEMT最大振蕩頻率fmax曲線圖；圖9為本發(fā)明耗盡型PHEMT電流增益截止頻率fT曲線圖；圖10為本發(fā)明耗盡型PHEMT最大振蕩頻率fmax曲線圖。
具體實施例方式
本發(fā)明中砷化鎵基集成增強/耗盡型膺配高電子遷移率晶體管材料，是針對目前已有的增強/耗盡型PHEMT器件典型材料結(jié)構(gòu)的一些不足，設(shè)計的增強/耗盡型PHEMT器件材料結(jié)構(gòu)，如表2所示，采用了銦鎵磷/鋁鎵砷/銦鎵砷(InGaP/AlGaAs/InGaAs)材料結(jié)構(gòu)。
表2為本發(fā)明GaAs基增強/耗盡型PHEMT器件材料結(jié)構(gòu)示意表

本發(fā)明材料結(jié)構(gòu)采用半絕緣砷化鎵(GaAs(100))作為襯底1材料，在襯底1上生長超晶格層2作為緩沖層，然后在超晶格層2上順序生長不摻雜鋁鎵砷(AlGaAs)層3、不摻雜銦鎵砷(InGaAs)層4、不摻雜鋁鎵砷(AlGaAs)層5、平面摻雜層6、不摻雜鋁鎵砷(AlGaAs)層7、不摻雜銦鎵磷(InGaP)層8、重摻雜砷化鎵(GaAs)層9各層。其中，砷化鎵(GaAs)外延層9作為帽層，銦鎵磷(InGaP)外延層8作為增強型的勢壘層，鋁鎵砷(AlGaAs)外延層7作為耗盡型的勢壘層，銦鎵砷(InGaAs)作為溝道層4。
砷化鎵(GaAs)外延層(帽層)9為n型高摻雜，厚度為500埃，設(shè)計摻雜為硅(Si)摻雜，濃度為5.0E+18cm-3；增強型的勢壘層為不摻雜鋁鎵砷(AlxGayAs)外延層7，其組分X＝0.22，Y＝0.78，厚度為100埃；耗盡型PHEMT的勢壘層為不摻雜銦鎵磷(InxGayP)外延層8，其組分X＝0.5，Y＝0.5，厚度為200埃；平面摻雜層6為硅(Si)摻雜，濃度設(shè)計為3.0E+12cm-2。
在本發(fā)明中，上述通過理論計算、分析出PHEMT器件材料結(jié)構(gòu)各層的材料構(gòu)成、厚度以及一些相關(guān)的參數(shù)，最后的實驗證實了這種設(shè)計思路和材料結(jié)構(gòu)的正確性、可行性。
本發(fā)明GaAs基增強/耗盡型PHEMT器件閾值電壓理論計算與實測結(jié)果比較，見表3。
表3

在本發(fā)明中，設(shè)計的材料結(jié)構(gòu)制作出了具有良好性能的增強/耗盡型膺配高電子遷移率晶體管(PHEMT)器件，同時具有工藝重復(fù)性好、可靠性強的特點，在微波、毫米波化合物半導(dǎo)體器件制作和直接耦合場效應(yīng)管邏輯電路中具有非常明顯的實際應(yīng)用價值。
采用本發(fā)明中設(shè)計的材料結(jié)構(gòu)制作成功了增強/耗盡型PHEMT器件，實驗測試結(jié)果表明本發(fā)明中設(shè)計的砷化鎵(GaAs)基增強/耗盡型PHEMT器件具有良好的直流和交流特性性能，單管測試圖形見圖1和圖2，設(shè)計器件柵長為1.0μm，源漏(S-D)間距為4.0μm，源漏電壓VDS為(0，5V)，柵源電壓VGS為(0，1.2V)。增強型PHEMT器件的飽和電流密度Ids達300mA/mm，最大直流跨導(dǎo)GM達350mS/mm(見圖3、圖4)，器件的電流增益截止頻率fT為10.1GHZ(見圖5)，最大振蕩頻率fmax為12GHZ(見圖6)；耗盡型PHEMT器件的飽和電流密度Ids達340mA/mm，最大直流跨導(dǎo)GM達300mS/mm(見圖7、圖8)，器件的電流增益截止頻率fT為12.4GHZ(圖9)，最大振蕩頻率fmax為14.7GHZ(圖10)。
權(quán)利要求
1.一種砷化鎵基增強/耗盡型膺配高電子遷移率晶體管材料，其特征在于，采用銦鎵磷/鋁鎵砷/銦鎵砷材料結(jié)構(gòu)，在半絕緣砷化鎵襯底材料上，生長超晶格層作為緩沖層，然后在超晶格層上順序生長鋁鎵砷層、銦鎵砷層、鋁鎵砷層、平面摻雜層、鋁鎵砷層、銦鎵磷層、砷化鎵層；其中，第九層砷化鎵外延層作為帽層，第八層銦鎵磷外延層作為耗盡型的勢壘層，第七層鋁鎵砷外延層作為增強型的勢壘層，第四層銦鎵砷作為溝道層。
2.如權(quán)利要求1所述的晶體管材料，其特征在于，所述在超晶格層上順序生長的各層，為不摻雜鋁鎵砷層、不摻雜銦鎵砷層、不摻雜鋁鎵砷層、平面摻雜層、不摻雜鋁鎵砷層、不摻雜銦鎵磷層、重摻雜砷化鎵層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的晶體管材料，其特征在于，所述第九層砷化鎵外延層為n型高摻雜，厚度為500±50埃，摻雜為硅摻雜，濃度為(5.0±0.5)×1018cm-3；增強型PHEMT的勢壘層為第七層不摻雜鋁鎵砷外延層，其組分X＝0.22±0.02，Y＝0.78±0.02，X+Y＝1，厚度為100±10埃；耗盡型PHEMT的勢壘層為第八層不摻雜銦鎵磷外延層，其組分X＝0.5±0.02，Y＝0.5±0.02，X+Y＝1，厚度為200±20埃；平面摻雜層為硅摻雜，濃度設(shè)計為(3.0±0.3)×1012cm-2。
全文摘要
一種砷化鎵基增強/耗盡型膺配高電子遷移率晶體管材料，其采用銦鎵磷/鋁鎵砷/銦鎵砷材料結(jié)構(gòu)，在半絕緣砷化鎵襯底材料上，生長超晶格層作為緩沖層，然后在超晶格層上順序生長鋁鎵砷層、銦鎵砷層、鋁鎵砷層、平面摻雜層、鋁鎵砷層、銦鎵磷層、砷化鎵層；其中，第九層砷化鎵外延層作為帽層，第八層銦鎵磷外延層作為耗盡型的勢壘層，第七層鋁鎵砷外延層作為增強型的勢壘層，第四層銦鎵砷作為溝道層。本發(fā)明設(shè)計的材料結(jié)構(gòu)制作出了具有良好性能的增強/耗盡型膺配高電子遷移率晶體管器件，具有工藝重復(fù)性好、可靠性強的特點，在微波、毫米波化合物半導(dǎo)體器件制作和直接耦合場效應(yīng)管邏輯電路中具有非常明顯的實際應(yīng)用價值。
文檔編號H01L29/15GK1877855SQ20051001189
公開日2006年12月13日 申請日期2005年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者李海鷗, 尹軍艦, 和致經(jīng), 張海英, 葉甜春 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所