一種抑制背柵效應(yīng)的砷化鎵基贗配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】
[0001]本實用新型屬于化合物半導(dǎo)體材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種由分子束外延生長的并且抑制背柵效應(yīng)的砷化鎵(GaAs)基贗配高電子迀移率晶體管材料結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]GaAs基高電子迀移率晶體管具有優(yōu)異的高頻、高速、低噪聲等特性，在微波集成電路應(yīng)用方面具有重要的地位，被廣泛地應(yīng)用于移動通信、衛(wèi)星通信、光纖通信、毫米波軍用雷達(dá)等領(lǐng)域。隨著集成電路技術(shù)的不斷升級換代，芯片的集成度越來越高，器件密度越來越大，器件之間的距離也越來越小。因此，器件之間的電學(xué)隔離就變得十分重要。而當(dāng)背柵效應(yīng)存在的時候，集成電路芯片中的器件之間就會產(chǎn)生相互干擾，影響器件特性。所謂的背柵效應(yīng)就是:對于制備在半絕緣GaAs襯底上的場效應(yīng)晶體管器件(FET)，當(dāng)器件鄰近的電極施加一個負(fù)偏壓時，器件的源漏電流會隨著負(fù)偏壓的增加而減小。背柵效應(yīng)的存在會影響集成電路的集成度，抑制集成電路芯片的性能提高。背柵效應(yīng)作為一種有害的寄生效應(yīng)，與GaAs襯底的電學(xué)特性以及器件制造工藝都有關(guān)系。
[0003]對于分子束外延生長的晶體管材料，一般認(rèn)為背柵效應(yīng)來自于襯底與外延層界面存在的P型深能級缺陷，與襯底表面的碳污染有關(guān)。在分子束外延生長前，需要把GaAs襯底表面的氧化層用加熱的方法脫附掉。這個脫附溫度不足以將襯底表面的碳污染除去。因此，在隨后的生長中，這些碳污染物會進(jìn)入到外延生長的緩沖層中，在靠近襯底界面處形成一層弱P型的深能級缺陷層，正是這個弱P型的深能級層引起了背柵效應(yīng)。背柵效應(yīng)引起的器件之間的相互干擾可以通過電路設(shè)計和器件制造工藝加以抑制。但是，如果能在外延材料生長階段就消除引起背柵效應(yīng)的影響，將對器件制造和電路設(shè)計提供更大的靈活性和便利。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實用新型的目的是提供一種帶低溫GaAs (LT-GaAs)緩沖層的贗配高電子迀移率晶體管(pHEMT)材料結(jié)構(gòu)。材料結(jié)構(gòu)由分子束外延方法生長的砷化鎵(GaAs)、鋁鎵砷(AlGaAs)、銦鎵砷(InGaAs)、銦鎵磷(InGaP)各層組成。這種pHEMT結(jié)構(gòu)可以在很大程度上消除背柵效應(yīng)的影響，為后續(xù)的芯片設(shè)計以及器件制造提供便利條件。
[0005]為達(dá)到上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案為一種抑制背柵效應(yīng)的砷化鎵基贗配高電子迀移率晶體管材料結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括半絕緣GaAs襯底(I)、LT-GaAs緩沖層(2)、常溫GaAs緩沖層(3)、GaAs/AlGaAs超晶格(SL)緩沖層(4)、下AlGaAs勢皇層(5)、下平面摻雜層(6)、下AlGaAs空間隔離層(7)、InGaAs溝道層(8)、上AlGaAs空間隔離層(9)、上平面摻雜層(10)、上AlGaAs勢皇層(11)、第二 InGaP阻斷層(12) ,GaAs次帽層(13)、第一InGaP阻斷層(14)、重?fù)诫sGaAs帽層(15)。
[0006]具體而言，在半絕緣GaAs襯底(I)上依次生長LT-GaAs緩沖層(2)、常溫GaAs緩沖層(3)、GaAs/AlGaAs超晶格(SL)緩沖層(4)、下AlGaAs勢皇層(5)、下平面摻雜層(6)、下AlGaAs空間隔離層(7)、InGaAs溝道層(8)、上AlGaAs空間隔離層(9)、上平面摻雜層(10)、上AlGaAs勢皇層(11)、第二 InGaP阻斷層(12)、GaAs次帽層(13)、第一 InGaP阻斷層(14)、重?fù)诫sGaAs帽層(15)。
[0007]所述LT-GaAs緩沖層(2)是利用低溫外延方法生長在半絕緣GaAs襯底上，其厚度可以為200至500納米。目的是利用低溫生長引入的大量η型深能級缺陷來凍結(jié)襯底表面的弱型深能級缺陷，以消除背柵效應(yīng)。
[0008]所述常溫GaAs緩沖層(3)是利用正常溫度生長在LT-GaAs上。其目的是將襯底和LT-GaAs與電子溝道隔離開來，以減少缺陷對電子溝道層的影響。
[0009]所述GaAs/AlGaAs超晶格(SL)緩沖層(4)生長在常溫GaAs上。其目的是進(jìn)一步將襯底和LT-GaAs與電子溝道隔離，同時其高勢皇阻止電子從溝道向襯底方向擴散。
[0010]常溫GaAs緩沖層(3)和超晶格(4)可以組合，也可以單獨構(gòu)成緩沖層，總厚度應(yīng)是300納米以上。較厚的緩沖層效果更好，但是生產(chǎn)成本增加。
[0011]所述下AlGaAs勢皇層(5)生長在GaAs/AlGaAs超晶格緩沖層上，其作用是阻止電子向襯底方向擴散。
[0012]所述下平面摻雜層(6)是生長在下AlGaAs皇層上，其為硅摻雜，是為電子溝道提供二維電子氣。
[0013]所述下AlGaAs空間隔離層(7)是生長在下平面摻雜層上，其作用是將下?lián)诫s面的施主雜質(zhì)與溝道二維電子氣隔離開，減少電離雜質(zhì)散射，提高電子迀移率。
[0014]所述InGaAs溝道層(8)是生長在下AlGaAs空間隔離層上，其作用是為二維電子氣提供運行溝道。
[0015]所述上AlGaAs空間隔離層(9)生長在InGaAs溝道層上，其作用是將上摻雜面的施主雜質(zhì)與溝道二維電子氣隔離開，減少電離雜質(zhì)散射，提高電子迀移率。
[0016]所述上平面摻雜層(10)生長在上AlGaAs空間隔離層上，其為硅摻雜，是為電子溝道提供二維電子氣。上下平面摻雜的摻雜面密度比例可以是2:1至5:1。
[0017]所述上AlGaAs勢皇層(11)是生長在上平面摻雜層上，其摻雜濃度可以是O至5.0E17cm_3。其作用是與柵金屬形成肖特基勢皇接觸，通過柵壓調(diào)制溝道層二維電子氣。
[0018]所述第二 InGaP阻斷層(12)生長在上AlGaAs勢皇層上，其作用是在柵槽腐蝕時作為腐蝕阻斷層。其硅摻雜濃度可以是O至5.0E17cm_3。
[0019]所述GaAs次帽層(13)生長在第二 InGaP阻斷層上，其作用是覆蓋寬槽區(qū)的上AlGaAs勢皇層上，避免其氧化，并且通過調(diào)整摻雜和厚度的組合來調(diào)控寬槽區(qū)電子耗盡情況以提高擊穿電壓。
[0020]所述第一銦鎵磷阻斷層(14)生長在GaAs次帽層上，其作用是在雙凹槽工藝中的寬槽腐蝕時作為腐蝕阻斷層。其硅摻雜濃度可以是O至5.0E17cm_3。
[0021]所述重?fù)诫s砷化鎵帽層(15)生長在第一 InGaP阻斷層上，其作用是為器件源漏電極提供良好的歐姆接觸。其硅摻雜濃度可以是1.0E18cnT3至7.0E18cnT3。
[0022]本實用新型采用低溫生長的方法在材料生長層面就消除了背柵效應(yīng)，節(jié)省后期器件工藝步驟，為芯片設(shè)計和器件制造提供便利。
[0023]LT-GaAs的生長厚度可以減低到200-300納米。與傳統(tǒng)約I微米厚的LT-GaAs層相比，極大地降低了生長機時和源材料消耗，節(jié)約了生產(chǎn)成本。
[0024]采用InGaP而不是砷化鋁(AlAs)作為腐蝕阻斷層，沒有深能級(如D-X中心)，而且電子勢皇較低，器件接觸電阻更小。
【附圖說明】
[0025]圖1一種抑制背柵效應(yīng)的砷化鎵基贗配高電子迀移率晶體管材料結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖中:1、半絕緣GaAs襯底，2、LT-GaAs緩沖層，3、常溫GaAs緩沖層，4、GaAs/AlGaAs超晶格(SL)緩沖層，5、下AlGaAs勢皇層，6、下平面摻雜層，7、下AlGaAs空間隔離層，8、InGaAs溝道層，9、上AlGaAs空間隔離層，10、上平面摻雜層，11、上AlGaAs勢皇層，12、第二 InGaP阻斷層，13、GaAs次帽層，14、第一 InGaP阻斷層，15、重?fù)诫sGaAs帽層。
【具體實施方式】
[0027]結(jié)合附圖1對本實用新型做進(jìn)一步說明。
[0028]如附圖1所示，在半絕緣GaAs襯底(I)上依次生長200納米LT-GaAs⑵、200納米常溫GaAs (3)、15個周期的GaAs (2納米)/Ala24Gaa 76As (20納米)超晶格(4)、50 納米 Ala24Gaa76As (5)、硅平面摻雜 1.0E12cm_2 (6)、4 納米 Ala24Gaa76As (7)、13 納米 In0 2Ga0 8As(8)、3 納米 Ala24Gaa76As (9)、硅平面摻雜 3.0E12cm_2(10)、25 納米硅摻雜 2.0Encnr3Ala24Gaci 76As(Il)、4 納米硅摻雜 2.0E17cnT3In0 48Ga0.52P (12)、20 納米硅摻雜 2.0E17cnT3GaAs(13)、4 納米硅摻雜 2.0E17cm_3In0 48Ga0.52P (14)、50 納米硅摻雜5.0E18cm_3GaAs(15)。
【主權(quán)項】
1.一種抑制背柵效應(yīng)的砷化鎵基贗配高電子迀移率晶體管材料結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括半絕緣GaAs襯底(I)、LT_GaAs緩沖層⑵、常溫GaAs緩沖層(3)、GaAs/AlGaAs超晶格(SL)緩沖層(4)、下AlGaAs勢皇層(5)、下平面摻雜層(6)、下AlGaAs空間隔離層(7)、InGaAs溝道層(8)、上AlGaAs空間隔離層(9)、上平面摻雜層(10)、上AlGaAs勢皇層(11)、第二 InGaP阻斷層(12)、GaAs次帽層(13)、第一 InGaP阻斷層(14)、重?fù)诫sGaAs帽層(15); 具體而言，在半絕緣GaAs襯底(I)上依次生長LT-GaAs緩沖層(2)、常溫GaAs緩沖層(3)、GaAs/AlGaAs超晶格(SL)緩沖層(4)、下AlGaAs勢皇層(5)、下平面摻雜層(6)、下AlGaAs空間隔離層(7)、InGaAs溝道層(8)、上AlGaAs空間隔離層(9)、上平面摻雜層(10)、上AlGaAs勢皇層(11)、第二 InGaP阻斷層(12)、GaAs次帽層(13)、第一 InGaP阻斷層(14)、重?fù)诫sGaAs帽層(15)。
【專利摘要】一種抑制背柵效應(yīng)的砷化鎵基贗配高電子遷移率晶體管材料結(jié)構(gòu)，該材料結(jié)構(gòu)由在半絕緣GaAs襯底上依次生長的低溫GaAs緩沖層、常溫GaAs緩沖層、GaAs/AlGaAs超晶格緩沖層、下AlGaAs勢壘層、下平面摻雜層、下AlGaAs空間隔離層、InGaAs溝道層、上AlGaAs空間隔離層、上平面摻雜層、上AlGaAs勢壘層、第二InGaP阻斷層、GaAs次帽層、第一InGaP阻斷層、重?fù)诫sGaAs帽層組成。該材料結(jié)構(gòu)在材料生長層面就消除了背柵效應(yīng)，為后期的芯片電路設(shè)計和器件制造工藝提供了便利，同時也可以極大地降低材料生長成本。
【IPC分類】H01L29-778, H01L29-205
【公開號】CN204289458
【申請?zhí)枴緾N201420769144
【發(fā)明人】馮巍, 杜全鋼, 謝小剛, 李維剛, 姜煒, 郭永平, 蔣建
【申請人】新磊半導(dǎo)體科技（蘇州）有限公司
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月9日