專利名稱：：實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及化合物半導(dǎo)體材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料。
背景技術(shù)：
：1963年，耿氏發(fā)現(xiàn)在n型GaAs兩端電極加電壓，當(dāng)半導(dǎo)體內(nèi)電場超過3xl(^V/cm時，半導(dǎo)體內(nèi)的電流便以很高的頻率振蕩，這個效應(yīng)稱為耿氏振蕩。除GaAs之外，當(dāng)外加電壓使InAs、InP、InGaAs等化合物半導(dǎo)體樣品內(nèi)部的電場強度達到一定值時，也會出現(xiàn)類似的振蕩。耿氏振蕩是因為以上化合物半導(dǎo)體存在多能谷能帶結(jié)構(gòu)。比如GaAs的能帶結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)帶最低能谷1和價帶極值均位于布里淵區(qū)中心k=0處，在[lll]方向布里淵區(qū)邊界L處還有一個極值約高出0.29eV的導(dǎo)帶能谷2，稱為衛(wèi)星谷。當(dāng)電場不太強時，導(dǎo)帶電子大部分位于能谷1。能谷2的曲率比能谷1小，所以，能谷2的電子有效質(zhì)量較大(m''=aQ67"7。，M'=G'067'"。)，造成兩個能谷中電子遷移率不同(^=6000~8000cm21.s—1，〃2=920cm2'F—1)。當(dāng)外加電壓使得半導(dǎo)體內(nèi)部電場強度達到一定值時，能谷1中的電子可以獲得足夠的能量轉(zhuǎn)移到能谷2中。進入能谷2的電子，有效質(zhì)量增加，遷移率降低，平均漂移速度減小，電導(dǎo)率下降，產(chǎn)生負阻效應(yīng)。高場疇理論可以很好的解釋耿氏振蕩。以上提到的耿氏振蕩是由布里淵區(qū)K空間發(fā)生的多能谷散射引起的，而在實際空間內(nèi)，電子并未發(fā)生轉(zhuǎn)移。利用實空間轉(zhuǎn)移原理，可仿照耿氏器件的方法制備實空間轉(zhuǎn)移器件。實空間轉(zhuǎn)移器件利用外加電壓，使得溝道內(nèi)電子的能量增加，在一定電場強度下，溝道電子變?yōu)?熱電子"，從溝道越過勢壘轉(zhuǎn)移到其他外延層中。由于其它外延層的電子遷移率低于溝道的電子遷移率，造成載流子遷移率降低，平均漂移速度減小，電導(dǎo)率下降，產(chǎn)生負阻效應(yīng)。因為實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管可以實現(xiàn)多邏輯信號輸出，這就為減少器件數(shù)目提供了便利條件，所以該晶體管在數(shù)字/模擬電路，比如高速模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換、多值邏輯電路、倍頻器、高頻振蕩器等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，常規(guī)的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管的材料結(jié)構(gòu)如表1所示。源漏電壓使溝道電子變?yōu)?熱電子"，熱電子越過組分漸變AlxGal-xAs下勢壘層向襯底轉(zhuǎn)移，而在漏極的電壓一電流特性上造成負阻。<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表1在表1中提到的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料中，源漏電壓使溝道電子變?yōu)?熱電子"，熱電子越過組分漸變AlxGal-xAs下勢壘層向襯底轉(zhuǎn)移，這使得襯底和源極的電位不同。而常規(guī)的三端高電子遷移率場效應(yīng)晶體管，襯底通常和源保持相同電位(一般為地電位)，主要利用源、漏、柵電極控制器件的性能。所以，表1中提到的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管對下一步的器件和電路制備有不利的影響。
發(fā)明內(nèi)容(一)要解決的技術(shù)問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，以實現(xiàn)載流子在實空間內(nèi)轉(zhuǎn)移，更容易使電子由溝道轉(zhuǎn)移到空間隔離層、平面摻雜層和蓋帽層，達到具有穩(wěn)定的負微分電阻特性的實空間轉(zhuǎn)移三端器件的目的。本發(fā)明需要考慮以下幾個方面一是設(shè)計合適的空間隔離層，使得溝道電子更容易轉(zhuǎn)移到空間隔離層；二是設(shè)計合適的勢壘層和蓋帽層的厚度、組分和摻雜劑量，使得電子更容易實空間轉(zhuǎn)移到平面摻雜層、蓋帽層，(二)技術(shù)方案為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，該實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料由在GaAs襯底上依次外延生長GaAs緩沖層、Al0.22Gao.78As下勢壘層、Ino.2Gaa8As溝道層、GaAs空間隔離層、InQ.485Gaa5,5P空間隔離層、平面摻雜層、InQ.485Ga。.515P勢壘層以及高摻雜GaAs蓋帽層構(gòu)成。所述GaAs緩沖層采用分子束外延技術(shù)在GaAs襯底上生長，厚度為500至5000A，用于避免因GaAs襯底表面的缺陷而引起后續(xù)外延層產(chǎn)生缺陷。所述Al。.22Ga。.78AS下勢壘層采用分子束外延技術(shù)在GaAs緩沖層上生長，厚度為3000至10000A，用于為溝道生長提供一個平整的界面，并利用InQ.2Gao.8As/Al。.22Ga。.78As異質(zhì)結(jié)防止二維電子氣進入緩沖層。所述Ina2Gao.8As溝道層采用分子束外延方法在Ala22GaD.78As下勢壘層上生長，厚度為80至150A，用于為二維電子氣提供導(dǎo)電溝道。所述GaAs空間隔離層采用分子束外延方法在Ina2Ga。.8AS溝道層上生長，厚度為20至50A，用于將施主雜質(zhì)電離中心和二維電子氣空間隔離，減小電離散射作用。所述Ino.485Gao.515P空間隔離層采用分子束外延方法在GaAs空間隔離層上生長，厚度為20至50A，用于將施主雜質(zhì)電離中心和二維電子氣空間隔離，減小電離散射作用。所述空間隔離層由GaAs和InQ.485Gaa515P兩層組成，進一步用于為電子實空間轉(zhuǎn)移提供一個與溝道并聯(lián)的導(dǎo)電通道。所述平面摻雜層采用分子束外延方法在InQ.485GaQ.515P空間隔離層上生長，厚度為5至10A，用于提供自由電子；摻雜Si的劑量為2.5xl0^m—2至5xlO'W2。所述In。.485Ga。.515P勢壘層采用分子束外延方法在平面摻雜層上生長，厚度為200至500A，用于與柵金屬形成肖特基接觸。所述高摻雜GaAs蓋帽層采用分子束外延方法在InQ.485GaQ.515P勢壘層上生長，厚度為80至800A,用于為器件制備提供良好的歐姆接觸；體摻雜Si的劑量為3xl018cirf3至6xl0"cm人(三)有益效果從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、利用本發(fā)明，由于采用了In。.2Gao.8As/GaAs/Ino.485Gao.5,5P結(jié)構(gòu)，Ino.2Gao.8As/GaAs和GaAs/Ino.485Gao.55P的導(dǎo)帶差分別為0.15eV，0.18eV，所以與在K空間內(nèi)轉(zhuǎn)移(An.=0.44eV)相比，隨著半導(dǎo)體內(nèi)部電場強度的增加，電子獲得一定能量后，更容易從In(nGa。.8As轉(zhuǎn)移到GaAs空間隔離層、平面摻雜層以及蓋帽層，在實空間內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移，達到了具有穩(wěn)定的負微分電阻特性的實空間轉(zhuǎn)移三端器件的目的。2、本發(fā)明提供的這種實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料Ino.485GaQ.515P空間隔離層和勢壘層有以下優(yōu)點一是不含DX深能級中心；二是不容易被氧化；三是禁帶寬度為1.92eV，高于常規(guī)AlGaAs勢壘層的禁帶寬度；四是In。.48sGao.5,5P和GaAs有很高的選擇腐蝕性，利于腐蝕截止。3、本發(fā)明提供的這種實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，高摻雜GaAs蓋帽層與柵金屬接觸為器件制備提供了良好的歐姆接觸。4、本發(fā)明提供的這種實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，考慮到電子實空間轉(zhuǎn)移、外延生長和器件性能三方面的實際要求。該結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生電子實空間轉(zhuǎn)移，形成負微分電阻效應(yīng)。圖1為現(xiàn)有技術(shù)中GaAs能帶結(jié)構(gòu)的示意圖；圖2為本發(fā)明提供的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明提供的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管導(dǎo)帶的示意圖。具體實施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖2所示，圖2為本發(fā)明提供的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料的結(jié)構(gòu)示意圖，該實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料由在GaAs襯底上依次外延生長GaAs緩沖層、Al0.22Ga078As緩沖層、Ino.2Gao.8As溝道層、GaAs空間隔離層、InQ.485Ga().515P空間隔離層、平面摻雜層、In。.485Ga。.515P勢壘層以及高摻雜GaAs蓋帽層構(gòu)成。其中，GaAs緩沖層采用分子束外延技術(shù)生長在GaAs襯底上，厚度為500至5000A,視生長情況而定，優(yōu)選厚度為IOOOA，用于避免因GaAs襯底表面的缺陷而引起后續(xù)外延層產(chǎn)生缺陷。Al0.22GaQ.78As下勢壘層采用分子束外延技術(shù)生長在GaAs緩沖層上，厚度為3000至10000A，優(yōu)選厚度為5000A，用于為溝道生長提供一個平整的界面，并利用Ino.2Ga。.8As/AlQ.22Gaa78As異質(zhì)結(jié)防止二維電子氣(2DEG)進入緩沖層。Ina2GaQ.8As溝道層采用分子束外延方法生長在Ala22GaQ.78As下勢壘層上，厚度為80至150A,優(yōu)選厚度為IOOA，用于為二維電子氣提供導(dǎo)電溝道。GaAs空間隔離層采用分子束外延方法生長在In。.2Ga。.8As溝道層上，厚度為20至50A，優(yōu)選厚度為30A。該層用于將施主雜質(zhì)電離中心和2DEG空間隔離，減小電離散射作用。In,5Gaa515P空間隔離層采用分子束外延方法生長在GaAs空間隔離層上，厚度為20至50A，優(yōu)選厚度為30A。該層用于將施主雜質(zhì)電離中心和2DEG空間隔離，減小電離散射作用?？臻g隔離層由GaAs和InQ.485Ga().515P兩層組成，除了減小電離散射作用之外，同時為電子實空間轉(zhuǎn)移提供一個與溝道并聯(lián)的導(dǎo)電通道。從能帶的角度來看，形成了臺階式的空間隔離層，達到了更容易使溝道電子實現(xiàn)實空間轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)了具有穩(wěn)定的負微分電阻特性的實空間轉(zhuǎn)移三端器件的平面摻雜層采用分子束外延方法在InQ.485Gao.515P空間隔離層上生長，厚度為5至IOA，用于提供自由電子；摻雜Si的劑量為2.5xlOl2cm-2至5xl012cm—2，優(yōu)選劑量為3xl012cm—2。In0.485Ga().515P勢壘層采用分子束外延方法生長在平面摻雜層上，厚度為200至500A，優(yōu)選厚度為300A，用于和柵金屬形成肖特基接觸。高摻雜GaAs蓋帽層采用分子束外延方法在InQ.485Ga().5l5P勢壘層上生長，厚度為80至800A，優(yōu)選厚度為200A;體摻雜Si的劑量為3xl018cm—3至6xl018cm—3，優(yōu)選劑量為5xl018cm—3，用于為器件制備提供良好的歐姆接觸。本發(fā)明提供的這種實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料結(jié)構(gòu)對應(yīng)的導(dǎo)帶圖如圖3所示。因為In(uGao.8As的「能谷和L能谷的導(dǎo)帶差為A,.,.=0.44eV，而GaAs/In。.2Ga。.sAs和Ino.485Ga。.515P/GaAs的導(dǎo)帶差分別為0.15eV，0.18eV，所以隨著半導(dǎo)體內(nèi)部電場強度的增加，電子獲得足夠的能量，成為"熱電子"，更容易從In。.2Gao.8As轉(zhuǎn)移到GaAs空間隔離層、平面摻雜層以及蓋帽層，在實空間內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移，而不是在K空間內(nèi)轉(zhuǎn)移。為了使溝道電子可以實空間轉(zhuǎn)移到柵極，在本發(fā)明的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料結(jié)構(gòu)中，采用了HEMT器件結(jié)構(gòu)。其中，空間隔離層由GaAs和In固5Ga。.5,5P組成，從能帶的角度來看，形成了臺階式的空間隔離層，這樣更有利于溝道電子轉(zhuǎn)移到空間隔離層、平面摻雜層和蓋帽層。達到了更容易使溝道電子實現(xiàn)實空間轉(zhuǎn)移到柵極，實現(xiàn)了具有穩(wěn)定的負微分電阻特性的實空間轉(zhuǎn)移三端器件的目的。本發(fā)明提供的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料的結(jié)構(gòu)，其具體參數(shù)可以參考表2。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表2以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。權(quán)利要求1.一種實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，其特征在于，該實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料由在GaAs襯底上依次外延生長GaAs緩沖層、Al0.22Ga0.78As下勢壘層、In0.2Ga0.8As溝道層、GaAs空間隔離層、In0.485Ga0.515P空間隔離層、平面摻雜層、In0.485Ga0.515P勢壘層以及高摻雜GaAs蓋帽層構(gòu)成。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，其特征在于，所述GaAs緩沖層采用分子束外延技術(shù)在GaAs襯底上生長，厚度為500至5000A，用于避免因GaAs襯底表面的缺陷而引起后續(xù)外延層產(chǎn)生缺陷。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，其特征在于，所述Al。.22Ga。.78As下勢壘層采用分子束外延技術(shù)在GaAs緩沖層上生長，厚度為3000至10000A，用于為溝道生長提供一個平整的界面，并利用IntuGa^As/AlQ.22GaQ.78As異質(zhì)結(jié)防止二維電子氣進入緩沖層。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，其特征在于，所述Ina2GaQ.8AS溝道層采用分子束外延方法在Al。.22Ga。.78As下勢壘層上生長，厚度為80至150A，用于為二維電子氣提供導(dǎo)電溝道。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，其特征在于，所述GaAs空間隔離層釆用分子束外延方法在In。.2Ga().8As溝道層上生長，厚度為20至50A，用于將施主雜質(zhì)電離中心和二維電子氣空間隔離，減小電離散射作用。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，其特征在于，所述Ina485GaQ.515P空間隔離層釆用分子束外延方法在GaAs空間隔離層上生長，厚度為20至50A，用于將施主雜質(zhì)電離中心和二維電子氣空間隔離，減小電離散射作用。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，其特征在于，所述空間隔離層由GaAs和In。.485Gao.5,5P兩層組成，進--步用于為電子實空間轉(zhuǎn)移提供一個與溝道并聯(lián)的導(dǎo)電通道。8、根據(jù)權(quán)利要求1所述的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，其特征在于，所述平面摻雜層采用分子束外延方法在In,5Gao.5，5P空間隔離層上生長，厚度為5至10A，用于提供自由電子；摻雜Si的劑量為2.5xlO'W2至5xlO'W2。9、根據(jù)權(quán)利要求1所述的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，其特征在于，所述In。.485Gac^5P勢壘層采用分子束外延方法在平面摻雜層上生長，厚度為200至500A，用于與柵金屬形成肖特基接觸。10、根據(jù)權(quán)利要求1所述的實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，其特征在于，所述高摻雜GaAs蓋帽層采用分子束外延方法在Ino.485Gao.5,5P勢壘層上生長，厚度為80至800A，用于為器件制備提供良好的歐姆接觸；體摻雜Si的劑量為3xlO"cn^至6xl()iScm-3。全文摘要本發(fā)明涉及化合物半導(dǎo)體材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，公開了一種實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料，該實空間轉(zhuǎn)移高電子遷移率場效應(yīng)晶體管材料由在GaAs襯底上依次外延生長GaAs緩沖層、Al<sub>0.22</sub>Ga<sub>0.78</sub>As下勢壘層、In<sub>0.2</sub>Ga<sub>0.8</sub>As溝道層、GaAs空間隔離層、In<sub>0.485</sub>Ga<sub>0.515</sub>P空間隔離層、平面摻雜層、In<sub>0.485</sub>Ga<sub>0.515</sub>P勢壘層以及高摻雜GaAs蓋帽層構(gòu)成。利用本發(fā)明，實現(xiàn)了載流子在實空間內(nèi)轉(zhuǎn)移，更容易使電子由溝道轉(zhuǎn)移到空間隔離層、平面摻雜層和蓋帽層，達到了具有穩(wěn)定的負微分電阻特性的實空間轉(zhuǎn)移三端器件的目的。文檔編號H01L29/772GK101221983SQ20071006337公開日2008年7月16日申請日期2007年1月10日優(yōu)先權(quán)日2007年1月10日發(fā)明者葉甜春,尹軍艦,張海英,徐靜波申請人:中國科學(xué)院微電子研究所