273_088-179CP-TW
發佈日期 :
2009-04-27
| 發明專利說明書 | |
| ※申請案號： | |
| ※申請日期： ※ＩＰＣ分類： | |
| 一、發明名稱： (中文/英文)
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| 砷化鎵/磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體及其製作方法 (全文下載)
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| 二、申請人： 共 人
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| 指定 為應受送達人
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| 三、發明人： | |
| ◎專利代理人： | |
| 四、聲明事項 | |
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| □主張專利法第二十七條第一項國際優先權：
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| □主張專利法第二十九條第一項國內優先權：
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| □ 主張專利法第二十六條微生物：
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| □ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存 | |
| 五、中文發明摘要： | |
| 一種砷化鎵/磷化錮鋁鎵異質結構場效電晶體，形成於一非正向的砷化鎵基板上，包括:一砷化鎵緩衝層，形成於該非正向砷化鎵基板上，兩側具有凹陷部而形成凸出部;一磷化銦鋁鎵層，形成於該砷化鎵緩衝層凸出部上且具有一凹槽;一砷化鎵覆蓋層，形成於該磷化銦鋁鎵層上且形成一開口，砷化鎵覆蓋層之開口與磷化銦鋁鎵層之凹槽連通;一源極和一汲極，形成於該砷化鎵緩衝層上與砷化鎵緩衝層形成歐姆接觸且凸出砷化鎵覆蓋層;一閘極，形成於該磷化銦鋁鎵層凹槽中與磷化銦鋁鎵層形成蕭基接觸且凸出砷化鎵覆蓋層。本發明之場效電晶體提高崩潰電壓及抑制平行傳導效應，且具有大的蕭基位障、大的能隙，使本發明可達到單電源操作的目的。 | |
| 六、英文發明摘要： | |
| 七、指定代表圖： | |
| （一）本案指定代表圖為： | |
| （二）本代表圖之元件代表符號簡單說明：
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| 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： | |
| 九、發明說明： | |
| [發明內容]
本發明係有關一種砷化鎵/磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體，特別係有關於一種具有高蕭基位能障、高能隙以及大電流的砷化鎵/磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體。 自從金屬半導體場效電晶體(MESFET)適合利用III-V 混合物，III-V族異質結構場效電晶體大量的研發，且大多集中於調變摻雜場效電晶體(Modulation Doped FET簡稱MODFET)或高電子移動率場效電晶體(High Electron Mobility Transistor 簡稱HEMT)。習知的砷化鎵異質結構場效電晶體大多是集中以分子束磊晶技術(Molecular beam epitaxy簡稱MBE)成長的假晶性結構，而以分子束磊晶技術成長是無法大量生產。雖然類似結構多有人研究，但都是於正向性基板上成長磷化銦鋁鎵，且考慮鋁取代鎵的比例皆未超過0.2。因為當鋁取代鎵的比例超過0.2時，會產生缺陷，故皆控制鋁含量取代鎵含量比例低於0.2。 有鑑於此，本發明利用低壓有機金屬化學氣相沉積法 (LP-MOCVD)在非正向(misoriented)之砷化鎵基板上，形成In0.5(AlXGa1-X)0.5P/GaAs異質結構場效電晶體。 In0.5(AlXGa1-X)0.5P四元材料同時充當載子提供層以及蕭基層，且鋁取代鎵的比例高達0.6至0.7的範圍。本發明結構的閘極長度為1.5mm時，外質互導(extrinsic transconductance)高達170mS/mm，且當閘極偏壓為1.5V 時，此元件具有的最大飽和電流密度高達410mA/mm。 參考表1，可見本發明與具有相同或相似閘極長度的砷化鎵系列場效電晶體比較，證明本發明的優點。  本發明之電晶體的起始電壓高達3.2V，當反向閘極- 汲極電壓為40V時，其漏電流只有69μA/mm。顯示本發明之砷化鎵/磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體能大幅抑制常見於傳統高電子移動率電晶體的平行傳導效應及提高崩潰電壓，且具有大的蕭基位障、大的能隙等優點。 為讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 較佳實施例說明： 本發明之較佳實施例的結構係包括：一砷化鎵基板 10；一砷化鎵緩衝層20；一磷化銦鋁鎵層30；一砷化鎵覆蓋層(capping layer)40；一源極50；一汲極60；一閘極 70。其製作方法係包括下列步驟： 如第1圖所示，利用低壓有機金屬化學氣相沉積法。 於表2之成長條件下，採用基板之平面(100)方向往[1111] 方向偏離2度之砷化鎵基板10，成長厚度約3000人的無摻雜的砷化鎵緩衝層20。 如第2圖所示，於砷化鎵緩衝層20上形成厚度約為 1000入的磷化銦鋁錄層30，且該磷化銦鋁錄層30為n型摻雜。磷化銦鋁嫁層30的鋁含量和嫁比例為In0.5(AlXGa1-X) 0.5P，X的值為0.66 如第3圖所示，形成厚度約為750的砷化鎵覆蓋層40 於磷化銦鋁鎵層30上，且該砷化鎵覆蓋層40為n+型摻雜。 如第4圖所示，進一步，利用清洗步驟去除晶片表面的油脂。於該砷化鎵覆蓋層40上利用黃光步驟形成源極50 和汲極60位置。利用蒸著步驟，於8×10-6torr環境下，以金緒合金(金佔88%，鍺佔12%)形成源極50和汲極60歐姆接觸的材料。最後將晶片施以快速升溫退火(anneal)處理，使源極50和汲極60與砷化鎵緩衝層20形成歐姆接觸。 如第5圖所示，更進一步，將晶片以蝕刻溶液NH4OH： H2O2：H20=5：3：100於源極50和汲極60間的砷化鎵覆蓋層 40形成一開口，再以H3PO4：HCl=4：1於磷化銦鋁鎵層30表面形成一凹槽。蒸鍍金於該凹槽中形成一閘極70，且使該閘極70與該磷化銦鋁鎵層30形成蕭基(Schottky)接觸。 本發明使用由電腦控制的低壓有機金屬化學氣相沉積裝置(LP-MOCVD)在非正向的砷化錄基板上成長砷化鎵/磷化銦鋁鎵結構的電晶體，較佳實施例的成長條件如表2所示：  其中三甲基銦(trimethylindium簡稱TMI)係做為銦的來源，三甲基鎵(trimethylgallium簡稱TMG)係做為鎵的來源，三甲基鋁(trimethylaluminum簡稱TMA)係做為鋁的來源，胂(AsH3)做為砷的來源，(PH3)做為磷的來源，矽氫化物(SiH4)做為n型摻雜的雜質來源。 如第5圖所示，本發明較佳實施例的結構係包括：一非正向的砷化鎵基板10，其中基板之平面(100)方向往 [1111方向偏離2度；一砷化鎵緩衝層20，形成於砷化鎵基板10上，厚度約為3000，兩側有凹陷部而形成凸出部； 一磷化銦鋁鎵層30，形成於該砷化鎵緩衝層20凸出部上且形成一凹槽，厚度約為1000；一砷化緣覆蓋層40 形成於該磷化銦鋁鎵層301上，厚度約為750，形成一開口，砷化鎵覆蓋層40之開口與磷化銦鋁鎵層30之凹槽連 通；一源極50和一汲極60，形成於該砷化鎵緩衝層20上與砷化鎵緩衝層20形成歐姆接觸且凸出砷化鎵覆蓋層40；一閘極70，形成於該磷化銦鋁鎵層30凹槽中與磷化銦鋁鎵層 30形成蕭基接觸且凸出砷化鎵覆蓋層40。 如第6圖所示，本發明之較佳實施例中，當閘極偏壓為1.5V時，此砷化鎵/磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體具有的最大飽和電流密度高達410μA/mm。 如第7圖所示，本發明之較佳實施例中，本發明之砷化鎵/磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體的起始電壓高達 3.2V，當反向閘極-汲極電壓為40V時，其漏電流只有69μ A/mm。 如第8圖所示，本發明之較佳實施例中的磷化銦鋁鎵層/砷化鎵緩衝層之能帶結構圖。顯示砷化鎵/磷化銦鋁鎵可形成較大的△Ec＝0.36eV以及In0.5(Al0.66Ga0.34)0.5P材料具有很高的蕭基位能障ΦB＝1.0eV 本發明之實施例中並非限制非正向的砷化鎵基板角度，該基板之(100)面係往[11]或[110]方向偏離之砷化鎵基板，(100)面與[111]或[110]方向之夾角為0°＜q＜15 本發明之實施例中並非限制砷化鎵緩衝層、磷化銦鋁鎵層及砷化鎵覆蓋層的厚度。砷化鎵緩衝層的厚度可控制於100至3000。磷化銦鋁鎵層的厚度可控制於500至 2500。砷化鎵覆蓋層的厚度可控制於100至1000。 本發明實施例中，磷化銦鋁鎵的鋁含量和鎵比例為 In0.5(AlXGal1-X)0.5P，X的值可控制於0.6至0.7 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 [圖式簡單說明] 第1圖顯示一非正向砷化鎵基板與一層砷化鎵緩衝層剖面圖。 第2圖顯示一磷化銦鋁鎵層形成於砷化鎵緩衝層上之剖面圖。 第3圖顯示一砷化鎵覆蓋層形成於磷化銦鋁鎵層上之剖面圖。 第4圖顯示一汲極和一源極與砷化鎵緩衝層形成歐姆接觸之剖面圖。 第5圖顯示本發明之較佳實施例的剖面圖。 第6圖顯示本發明較佳實施例中相對於閘極電壓的外質互導值與飽和電流密度。 第7圖顯示本發明較佳實施例之閘極-汲極特性圖。 第8圖顯示本發明較佳實施例之能帶圖。
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種砷化鎵／磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體，包括：一基板；一砷化鎵緩衝層，形成於該砷化鎵基板上，兩側具有凹陷部而形成凸出部；一磷化鋁銦鎵層，形成於該砷化鎵緩衝層凸出部上，且該層表面具有一凹槽；一砷化鎵覆蓋層，形成於該磷化鋁銦鎵層上，具有一開口且該開口與該磷化銦鋁鎵層凹槽連通；一汲極和一源極，分別形成於該砷化鎵緩衝層凹陷部上與該砷化鎵緩衝層形成歐姆接觸，且凸出該砷化鎵覆蓋層；以及一閘極，形成於該磷化銦鋁鎵層凹槽上，位於該汲極與該源極之間，且凸出該砷化鎵覆蓋層。 2.如申請專利範圍第1項所述的砷化鎵／磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體，其中該基板之(100)面係往[111]或[110]方向偏離之砷化鎵基板，(100)面與[111]或[110]方向之夾角為0°＜θ＜15°。 3.如申請專利範圍第2項所述的砷化鎵／磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體，其中該砷化鎵緩衝層係無摻雜之砷化鎵緩衝層，厚度可為100至3000。 4.如申請專利範圍第3項所述的砷化鎵／磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體，其中該磷化銦鋁鎵層係n型摻雜磷化銦鋁鎵蕭基層，厚度可為500至2500。 5.如申請專利範圍第4項所述的砷化鎵／磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體，其中該砷化鎵覆蓋層係n+砷化鎵覆蓋層，厚度可為100至1000。 6.如申請專利範圍第5項所述的砷化鎵／磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體，其中該磷化銦鋁鎵之鋁含量和鎵比例為In0.5(AlxGa1-x)0.5P，X的值自0.6至0.7。 7.一種砷化鎵／磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體，包括：一非正向的砷化鎵基板10，其中基板之平面(100)方向往[111]方向偏離2度；一砷化鎵緩衝層20，形成於砷化鎵基板10上，厚度約為3000，兩側有凹陷部而形成凸出部；一磷化銦鋁鎵層30，形成於該砷化鎵緩衝層20凸出部上且形成一凹槽，厚度約為1000；一砷化鎵覆蓋層40，形成於該磷化銦鋁鎵層30上，厚度約為750，形成一開口，砷化鎵覆蓋層40之開口與磷化銦鋁鎵層30之凹槽連通；一源極50和一汲極60，形成於該砷化鎵緩衝層20上與砷化鎵緩衝層20形成歐姆接觸且凸出砷化鎵覆蓋層40；以及一閘極70，形成於該磷化銦鋁鎵層30凹槽中與磷化銦鋁鎵層30形成蕭基接觸且凸出砷化鎵覆蓋層40。 8.一種砷化鎵／磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體的製作方法，包括下列步驟： (I)利用低壓有機金屬化學氣相沉積法在一非正向砷化鎵基板上依序形成一砷化鎵緩衝層，一磷化鋁銦鎵層極一砷化鎵覆蓋層； (II)在上述砷化鎵覆蓋層上的兩側以蒸著方法分別形成一汲極和一源極，並施以快速升溫退火處理，使該汲極和該源極與該砷化鎵緩衝層形成歐姆接觸； (III)在該汲極與該源極間的砷化鎵覆蓋層上形成一開口，接著於磷化銦鋁鎵層上形成一凹槽，該開口與該凹槽連通； (IV)在該凹槽中形成一閘極，使該閘極與該砷化鋁銦鎵層接觸。 9.如申請專利範圍第8項所述的一種砷化鎵／磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體的製作方法，其中利用低壓有機金屬化學氣相沉積法形成該電晶體的成長條件為：反應腔內壓力為150torr，成長時溫度為725℃，三甲基鎵在溫度-14℃成長砷化鎵緩衝層時流量為35ccm，三甲基鎵在溫度-14℃成長磷化銦鋁鎵層時流量為25ccm，三甲基鎵在溫度-14℃成長砷化鎵覆蓋層時流量為17.5ccm，三甲基鋁在溫度+17℃成長磷化銦鋁鎵層時流量為44.6ccm，三甲基銦在溫度+27℃成長磷化銦鋁鎵層時流量為299ccm，胂的流量在成長砷化鎵緩衝層和砷化鎵覆蓋層時為75ccm，膦的流量在成長磷化銦鋁鎵層時為500ccm，矽氫化物的流量在成長磷化銦鋁鎵層時為50ccm，矽氫化物的流量在成長砷化鎵覆蓋層時為200ccm。 10.如申請專利範圍第9項所述的一種砷化鎵／磷化銦鋁鎵異質結構場效電晶體的製作方法，其中蒸著時是在8×10-6torr環境下，以金鍺合金(金佔88％，鍺佔12％)形成源極和汲極的材料，並與該砷化鎵緩衝層形成歐姆接觸。 |
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| 十一、圖式： | |
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