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
技術領域：
本發(fā)明屬于化合物半導體技術領域，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)的材料結構。
背景技術：
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，在應用高電子遷移率晶體管(HEMT)器件的電路設計中，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構復雜和功耗大。
為克服上述不足之處，直接耦合場效應管邏輯電路(DCFL)結構得到越來越多的關注和重視，直接耦合場效應管邏輯電路由增強/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之一，廣泛應用在分頻器、環(huán)振器和微波開關等電路設計上。相對其它邏輯電路結構而言，直接耦合場效應管邏輯電路(DCFL)結構具有顯著的優(yōu)勢，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計好材料結構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管邏輯電路(DCFL)結構廣泛應用的瓶頸。
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)器件典型結構為鋁鎵砷/銦鎵砷(AlGaAs/InGaAs)PHEMT結構(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結構制作增強/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，因此得到更多的關注和重視。
目前應用廣泛、已報道的增強/耗盡型PHEMT器件典型材料結構為鋁鎵砷/銦鎵砷(AlGaAs/InGaAs)PHEMT結構，如表1所示。
表1現(xiàn)有典型GaAs基增強/耗盡型PHEMT器件材料結構示意表

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器件材料結構中，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)基集成增強/耗盡型膺配高電子遷移率晶體管(PHEMTs)器件材料結構，以克服現(xiàn)有材料結構的一些不足。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術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/銦鎵砷材料結構，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材料結構具有明顯的優(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的組分設計為0.22，相應地鋁鎵砷/銦鎵砷(AlGaAs/InGaAs)之間的導帶差約為0.315ev，比典型HEMT器件材料結構鋁鎵砷/銦鎵砷(AlGaAs/InGaAs)的導帶差要大，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器件材料結構，由于銦鎵磷(InGaP)外延層具有雙重的作用，不需要特意設計腐蝕截止層，降低了材料生長的難度和有利于提高材料生長的質量。
4) 本發(fā)明的增強/耗盡型PHEMT材料結構與典型結構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，設計鋁鎵砷(AlGaAs)作為增強型的勢壘層，而設計銦鎵磷(InGaP)作為耗盡型的勢壘層。這種設計的一個明顯的優(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)不同的柵金屬結構，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測試單管光學顯微鏡照片；圖2為本發(fā)明耗盡型PHEMT測試單管光學顯微鏡照片；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器件典型材料結構的一些不足，設計的增強/耗盡型PHEMT器件材料結構，如表2所示，采用了銦鎵磷/鋁鎵砷/銦鎵砷(InGaP/AlGaAs/InGaAs)材料結構。
表2為本發(fā)明GaAs基增強/耗盡型PHEMT器件材料結構示意表

本發(fā)明材料結構采用半絕緣砷化鎵(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器件材料結構各層的材料構成、厚度以及一些相關的參數(shù)，最后的實驗證實了這種設計思路和材料結構的正確性、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果比較，見表3。
表3

在本發(fā)明中，設計的材料結構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，同時具有工藝重復性好、可靠性強的特點，在微波、毫米波化合物半導體器件制作和直接耦合場效應管邏輯電路中具有非常明顯的實際應用價值。
采用本發(fā)明中設計的材料結構制作成功了增強/耗盡型PHEMT器件，實驗測試結果表明本發(fā)明中設計的砷化鎵(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/銦鎵砷材料結構，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/銦鎵砷材料結構，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)明設計的材料結構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，具有工藝重復性好、可靠性強的特點，在微波、毫米波化合物半導體器件制作和直接耦合場效應管邏輯電路中具有非常明顯的實際應用價值。
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:中國科學院微電子研究所