專利名稱：砷化鎵基增強/耗盡型應變高電子遷移率晶體管材料結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化合物半導體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種砷化鎵(GaAs)基單片集成增強/耗盡型應變高電子遷移率晶體管(MHEMT)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，在應用高電子遷移率晶體管(HEMT)器件的電路設計中，只有耗盡型高電子遷移率晶體管(HEMT)器件得到廣泛的使用，例如傳統(tǒng)的緩沖場效應管邏輯電路(BFL)或源耦合場效應管邏輯電路(SCFL)應用在實際的電路設計中，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)復雜和功耗大。
為克服上述不足之處，直接耦合場效應管邏輯電路(DCFL)結(jié)構(gòu)得到越來越多的關(guān)注和重視，直接耦合場效應管邏輯電路(DCFL)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)模集成電路設計中是最好的邏輯電路技術(shù)之一，廣泛應用在分頻器、環(huán)振器、微波開關(guān)等電路設計上。相對其它邏輯電路結(jié)構(gòu)而言，直接耦合場效應管邏輯電路(DCFL)結(jié)構(gòu)具有非常顯著的優(yōu)勢和特點，表現(xiàn)在它的低功耗、高速、設計簡單(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很敏感，因此，一個性能優(yōu)越的直接耦合場效應管邏輯電路(DCFL)必須能夠精確控制器件的閾值電壓。集成增強/耗盡型HEMT器件制作成功的難點之處就在于—如何設計好晶體管材料結(jié)構(gòu)和在工藝中如何精確控制好增強型器件的制作，這一直是制約直接耦合場效應管邏輯電路(DCFL)結(jié)構(gòu)廣泛應用的瓶頸。目前在國內(nèi)外，廣泛應用的增強/耗盡型HEMT器件典型結(jié)構(gòu)為鋁鎵砷/銦鎵砷贗配高電子遷移率晶體管(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/AlGaAspseudomorphic MODFETs using selective wet gate recessing”，Electronics Letters 13thAugust 1992 Vol.28No.17)。相對于典型的增強/耗盡型PHEMTs器件而言，GaAs基InAlAs/InGaAs應變MHEMT具有更高的電子遷移率和電子飽和漂移速度、更大的工作電壓范圍、更高的工作頻段等優(yōu)勢，因此得到更多的關(guān)注和重視。
目前應用廣泛、已報道的單片集成增強/耗盡型PHEMT器件典型材料結(jié)構(gòu)如表1所示。
表1已報道典型GaAs基單片集成增強/耗盡型PHEMT器件材料結(jié)構(gòu)示意表。

這種晶體管結(jié)構(gòu)主要具有如下幾個特點1、利用AlxGa1-xAs/InyGa1-yAs兩種材料之間的導帶差，在具有低禁帶寬度、高電子遷移率特性的InGaAs外延層中形成二維電子氣(2DEG)，AlxGa1-xAs外延層中Al的組分X＝0.17，InyGa1-yAs外延層中In的組分Y＝0.2，它們的導帶差約為0.27eV，增強與耗盡型PHEMT器件的勢壘層都為AlxGa1-xAs外延層。
2、由于增強與耗盡型PHEMT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，因此在典型增強與耗盡型PHEMT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)明的目的是設計一種砷化鎵(GaAs)基單片集成增強/耗盡型應變高電子遷移率晶體管(MHEMT)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/耗盡型應變高電子遷移率晶體管材料結(jié)構(gòu)，其采用銦鎵砷/銦鋁砷/銦鎵砷材料結(jié)構(gòu)，在半絕緣砷化鎵襯底材料上，應用緩變生長技術(shù)生長線性緩變銦鋁鎵砷外延層作為緩沖層，然后在緩沖層上順序生長銦鋁砷層、銦鎵砷層、銦鋁砷層、平面摻雜層、銦鋁砷層、銦磷層、銦鋁砷層、銦鎵砷層；其中，第十層銦鎵砷外延層作為帽層，第九層銦鋁砷外延層作為耗盡型的勢壘層，第八層銦磷外延層作為截止層，第七層銦鋁砷外延層作為增強型的勢壘層，第五層銦鋁砷外延層作為隔離層，第四層銦鎵砷作為溝道層。
所述的晶體管材料結(jié)構(gòu)，其所述在超晶格層上順序生長的各層，為不摻雜銦鋁砷層、不摻雜銦鎵砷層、不摻雜銦鋁砷層、平面摻雜層、不摻雜銦鋁砷層、不摻雜銦磷層、不摻雜銦鋁砷層、重摻雜銦鎵砷層。
所述的晶體管材料結(jié)構(gòu)，其所述第十層銦鎵砷外延層為n型高摻雜，其中銦組分X＝0.53±0.02，鎵組分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，厚度為100±10埃，摻雜為硅摻雜，濃度為(1.0±0.1)×1019cm-3；耗盡型MHEMT的勢壘層為第九層不摻雜銦鋁砷外延層，其中銦組分X＝0.52±0.02，鋁組分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，厚度為100±10埃；增強型MHEMT的勢壘層為第七層不摻雜銦鋁砷外延層，其中銦組分X＝0.52±0.02，鋁組分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，厚度為150±10埃；平面摻雜層為硅摻雜，濃度設計為(1.5±0.1)×1012cm-2；溝道層為第四層不摻雜銦鎵砷外延層，其中銦組分X＝0.53±0.02，鎵組分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，厚度為200±10埃。
本發(fā)明相對于已報道典型的單片集成增強/耗盡型PHEMT材料結(jié)構(gòu)具有非常明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下三個方面1)高銦組分InyAl1-yAs(銦組分Y＝0.52)比AlxGa1-xAs(銦組分X＝0.17)具有更大的禁帶寬度，同時高銦組分InxGa1-xAs(銦組分Y＝0.53)比低銦組分InyGa1-xAs(銦組分X＝0.2)具有更小的禁帶寬度，因此InyAl1-yAs/InxGa1-xAs異質(zhì)結(jié)之間的導帶差更大。InyAl1-yAs/InxGa1-xAs之間的導帶差約為0.43eV，比典型PHEMTs材料結(jié)構(gòu)AlyGa1-yAs/InxGa1-xAs的導帶差0.27eV要大得多。這樣在InyAl1-yAs/InxGa1-xAs之間形成更高的勢壘，使2DEG更好地束縛在InxGa1-xAs溝道層。
2)采用薄InP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，由于InP外延層與In0.52Al0.48As和In0.53Ga0.47As外延層晶格匹配，它們的界面不會由于晶格失配而產(chǎn)生位錯缺陷，因此降低了材料生長的難度和有利于提高材料生長的質(zhì)量。
3)由于采用In0.53Ga0.47As外延層作為帽層，它的低禁帶和高摻雜率特性使器件能形成良好歐姆接觸。


圖1本發(fā)明增強型應變高電子遷移率晶體管(MHEMT)測試單管光學顯微鏡照片；圖2本發(fā)明耗盡型應變高電子遷移率晶體管(MHEMT)測試單管光學顯微鏡照片；圖3本發(fā)明增強型應變高電子遷移率晶體管(MHEMT)器件I-V直流特性；
圖4本發(fā)明增強型應變高電子遷移率晶體管(MHEMT)器件直流跨導特性；圖5本發(fā)明增強型應變高電子遷移率晶體管(MHEMT)電流增益截止頻率fT；圖6本發(fā)明耗盡型應變高電子遷移率晶體管(MHEMT)器件I-V直流特性；圖7本發(fā)明耗盡型應變高電子遷移率晶體管(MHEMT)器件直流跨導特性；圖8本發(fā)明耗盡型應變高電子遷移率晶體管(MHEMT)電流增益截止頻率fT。
具體實施例方式
本發(fā)明的一種砷化鎵(GaAs)基單片集成增強/耗盡型應變高電子遷移率晶體管(MHEMT)器件材料結(jié)構(gòu)，如表2所示，采用銦鎵砷/銦鋁砷/銦鎵砷材料結(jié)構(gòu)，在半絕緣砷化鎵(100)襯底材料上表面，應用緩變生長技術(shù)生長線性緩變銦鋁鎵砷外延層做為緩沖層，其厚度為1.5μm，然后在緩沖層上順序生長第三層不摻雜銦鋁砷層，其厚度為500埃；第四層不摻雜銦鎵砷層，其厚度為200埃，銦組分X＝0.53±0.02，鎵組分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，作為溝道層；第五層不摻雜銦鋁砷層，其厚度為40埃，作為隔離層；第六層平面摻雜層，其摻雜濃度為Si1.5E+12cm-2；第七層不摻雜銦鋁砷層，其厚度為150埃，銦組分X＝0.52±0.02，鋁組分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，作為增強型的勢壘層；第八層銦磷層，其厚度為30埃，作為截止層；第九層不摻雜銦鋁砷層，其厚度為100埃，銦組分X＝0.52±0.02，鋁組分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，作為耗盡型的勢壘層；第十層重摻雜銦鎵砷層，其厚度為100埃，銦組分X＝0.53±0.02，鎵組分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，摻雜源硅(Si)，摻雜濃度為1.0E+19cm-3，作為帽層。
表2為本發(fā)明GaAs基單片集成增強/耗盡型MHEMT器件材料結(jié)構(gòu)示意表。

采用本發(fā)明中設計的材料結(jié)構(gòu)制作成功了單片集成增強/耗盡型MHEMT器件，實驗測試結(jié)果表明本發(fā)明中設計的GaAs基增強/耗盡型MHEMT器件具有較好的直流和交流性能，單管測試圖形見圖1和圖2，設計器件柵長為1.0μm，源漏(S-D)間距為4.0μm。增強型MHEMT器件的飽和電流密度Ids達200mA/mm，最大直流跨導GM達260mS/mm(見圖3、圖4)，器件的電流增益截止頻率fT為10.1GHZ(見圖5)；耗盡型MHEMT器件的飽和電流密度Ids達250mA/mm，最大直流跨導GM達240mS/mm(見圖6、圖7)。器件的電流增益截止頻率fT為10.1GHZ(見圖8)。
權(quán)利要求
1.一種砷化鎵基增強/耗盡型應變高電子遷移率晶體管材料結(jié)構(gòu)，為單片集成增強/耗盡型，其特征在于，采用銦鎵砷/銦鋁砷/銦鎵砷材料結(jié)構(gòu)，在半絕緣砷化鎵襯底材料上，應用緩變生長技術(shù)生長線性緩變銦鋁鎵砷外延層作為緩沖層，然后在緩沖層上順序生長銦鋁砷層、銦鎵砷層、銦鋁砷層、平面摻雜層、銦鋁砷層、銦磷層、銦鋁砷層、銦鎵砷層；其中，第十層銦鎵砷外延層作為帽層，第九層銦鋁砷外延層作為耗盡型的勢壘層，第八層銦磷外延層作為截止層，第七層銦鋁砷外延層作為增強型的勢壘層，第五層銦鋁砷外延層作為隔離層，第四層銦鎵砷作為溝道層。
2.如權(quán)利要求1所述的晶體管材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述在線性緩變銦鋁鎵砷外延層上順序生長的各層，為不摻雜銦鋁砷層、不摻雜銦鎵砷層、不摻雜銦鋁砷層、平面摻雜層、不摻雜銦鋁砷層、不摻雜銦磷層、不摻雜銦鋁砷層、重摻雜銦鎵砷層。
3.如權(quán)利要求1或2所述的晶體管材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述第十層銦鎵砷外延層為n型高摻雜，其中銦組分X＝0.53±0.02，鎵組分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，厚度為100±10埃，摻雜為硅摻雜，濃度為(1.0±0.1)×1019cm-3；耗盡型MHEMT的勢壘層為第九層不摻雜銦鋁砷外延層，其中銦組分X＝0.52±0.02，鋁組分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，厚度為100±10埃；增強型MHEMT的勢壘層為第七層不摻雜銦鋁砷外延層，其中銦組分X＝0.52±0.02，鋁組分Y＝0.48±0.02，X+Y＝1，厚度為150±10埃；平面摻雜層為硅摻雜，摻雜濃度設計為(1.5±0.1)×1012cm-2；溝道層為第四層不摻雜銦鎵砷外延層，其中銦組分X＝0.53±0.02，鎵組分Y＝0.47±0.02，X+Y＝1，厚度為200±10埃。
全文摘要
一種砷化鎵基增強/耗盡型應變高電子遷移率晶體管材料結(jié)構(gòu)，為單片集成增強/耗盡型，其采用銦鎵砷/銦鋁砷/銦鎵砷材料結(jié)構(gòu)，在半絕緣砷化鎵襯底材料上，應用緩變生長技術(shù)生長線性緩變銦鋁鎵砷外延層作為緩沖層，然后在緩沖層上順序生長銦鋁砷層、銦鎵砷層、銦鋁砷層、平面摻雜層、銦鋁砷層、銦磷層、銦鋁砷層、銦鎵砷層。本發(fā)明設計的材料結(jié)構(gòu)測得其溝道二維電子氣濃度為1.57E+12cm
文檔編號H01L29/78GK1909241SQ200510088980
公開日2007年2月7日 申請日期2005年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月4日
發(fā)明者李海鷗, 尹軍艦, 張海英, 葉甜春 申請人:中國科學院微電子研究所