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329_088-141CP-TW

發佈日期 : 2009-04-29
　　 　　 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)

 
　

以砷銻化銦鋁為蕭基層之磷化銦異質結構場效電晶體之研製 (全文下載)

The Fabrication of InP-Based Heterostructure Field-Effect Transistors Using InAlAsSb Schottky Layer

 
二、申請人： 共 人

 
　 指定 為應受送達人

 
　  
三、發明人：
　  
　◎專利代理人：
　  
　
四、聲明事項
　

 
　 □主張專利法第二十七條第一項國際優先權：

 
　 □主張專利法第二十九條第一項國內優先權：

 
　 □ 主張專利法第二十六條微生物：

 
　□ 熟習該項技術者易於獲得，不須寄存
五、中文發明摘要：
　 　　以磷化銦(InP)為基底的異質結構場效電晶體元件因為砷化銦鎵(InGaAs)具有優異的電子移動率特性，已被廣泛地研究應用於微波元件中。目前為了使磷化銦場效電晶體達到高速且高功率的要求，其最大的障礙在於其低崩潰電壓的特性。本發明係以有機金屬氣相沈積(MOCVD)方法成長新型的δ摻雜砷銻化銦鋁/砷化銦鎵/磷化銦(InAlAsSb/InGaAs/InP)場效電晶體結構。利用砷銻化銦鋁高能帶間隙與高蕭基位障特性，作為閘極材料，崩潰電壓可達40v以上;而且，因為砷銻化鋁銦(Al0.66In0.34As0.85Sb0.15)與砷化銦鎵的導帶不連續差達0.7電子伏特(eV)左右，可以提供很好的載子侷限效果。另外，砷化銦鎵具有很高的載子移動率，再與δ摻雜，空間層(spacer)，和次通道(subchannel)配合，即可獲得同時具有高電子濃度與高電子移動率之結構，並可將之製成高速且高功率之場效電晶體。
　
六、英文發明摘要：
　 　　 InP-based heterostructure field effect transistors (HFETs) have attracted much attention for microwave applications because InGaAs material have high electron mobility. However, the small gate-to-drain breakdown voltage is the major drawback limiting that the power handing capability of InP-based heterostructure FETs. In this patent, we have grown the δ-doped InAlAsSb/InGaAs structures on InP substrate by low-pressure metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD). By using the large band-gap and high Schottky barrier characteristics of InAlAsSb material, high breakdown voltage up to 40V can be obtained. Moreover, the larger conduction band discontinuity(△ Ec ＞0.7V) in the Al0.66In0.39As0.85Sb0.15/In0.75Ga0.25As heterojunction can provide a better carrier confinement. High electron concentration and high mobility can be obtained by using δ-doping and sub- channel structure. The fabricated device will be suitable for high speed and high power applications.
　
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：

 
　  
　
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]

 

產業上之應用領域
本發明係揭示以有機金屬氣相沈積(MOCVD)方法成長新型的δ摻雜砷銻化銦鋁/砷化銦鎵/磷化銦(InAlAsSb/ InGaAS/InP)場效電晶體結構。
創作背景
隨著通訊時代的來臨，全世界對於高速且高功率之元件的開發正加速進行著。近年來，以磷化銦(InP)為基底的異質結構元件，已被廣泛地應用於微波及光電元件中。由於砷化銦鎵(InGaAs)具有(1)較低的有效質量(2) 較高的低電場移動率，與(3)較佳的高電場傳輸特性等多重優點，使得以磷化銦(InP)為基底的異質結構場效電晶體極具有開發潛力。然而，以磷化銦(InP)為基底的異質結構場效電晶體中最大的障礙是在於其崩潰電壓的特性，因為磷化銦(InP)及砷化銦鎵(InGaAs)的蕭基層 (Schottky)位障高度很小。對於磷化銦(InP)其位障高度在0.5電子伏特(eV)以下；而砷化銦鎵而言在0.3電子伏特以下，相對的崩潰電壓就不大，所以很難達到高速且高功率的要求。因此有人以其他材料來代替磷化銦當蕭基層，例如：1994年S.R.Bahl等人於IEEE Trans.Electron Devices第ED-41卷第2268-2275頁發表有關晶格匹配之砷化銦鋁(InAlAs)材料，1991年 S.R.Bahl等人於IEEE Trans. Electron Devices第 ED-38卷第1986-1992頁發表有關砷化銦鋁(In1-xAlx As，x＞0.48)；1994年K.B.Chough等人於Electron. Lett.第30卷第453-454頁發表有關磷化鋁銦 (Al0.25In0.75P)；1994年L. M. Jelloian等人IEEE Electron Device Lett.第EDL-15卷第172-174頁磷砷化銦鋁(In0.52Al0.48ASxP1-x)，以及磷化鋁銦鎵 (Al0.1In0.1Ga0.8P)與磷化銦鎵(In0.82Ga0.18P)等晶格不匹配之應力層。雖然，可以用應力結構去增加蕭基層 (Schottky)層的能帶間隙，進而增加其崩潰電壓，但增加程度有限，典型值在10-20 V之間。
發明概述
本發明主要目的，以砷銻化銦鋁 (In0.34Al0.66AS0.85Sb0.15)當蕭基層(Schottky layer)，此種材料與磷化銦(InP)晶格相匹配，其能帶間隙約1.8電子伏特(eV)，且與砷化銦鎵(In0.53Ga0.47As)的傳導帶能獲得不連續差達0.7電子伏特(eV)左右。其做成的場效電晶體，崩潰電壓可達40V以上。因此應用於高功率、高速電 路元件中，將會有優異的表現。
本發明主要目的，茲將本案所欲解決的問題與技術範疇分述如下：
(1)以砷銻化銦鋁當蕭基層(Schottky layer)- 以砷銻化銦鋁(In0.34Al0.66AS0.85Sb0.15)當蕭基層材料，不但與磷化銦(InP)晶格匹配，其能帶間隙高達 1.8電子伏特(eV)，與金之蕭基位障至少高0.734電子伏特(eV)以上，而且與砷化銦緣(In0.53Ga0.47As) 的傳導帶不連續差達0.7電子伏特(eV)左右，故以砷銻化銦鋁(In0.34Al0.66AS0.85Sb0.15)當蕭基 (Schottky)層，不但能提高其崩潰電壓，而且有較好的載子侷限效應。
(2)採用反向的δ摻雜技術-
一般均勻摻雜之電子濃度都不高，以致於無法很快地推動大負載或產生足夠的輸出功率，另一方面，覆蓋層若採用摻雜，閘極電極容易產生漏電流並且會降低崩潰電壓。如此，會使得輸出功率與雜訊邊際變差，因此我們採用反向的δ-摻雜技術，一方面可提高電子濃度，避免雜質散射，同時又能提昇崩潰電壓。
(3)以應力層砷化銦鎵(In0.75Ga0.25As)為通道 (channel)-
茲因砷化銦鎵(InGaAs)的銦(In)組成愈大，其有效質量及能隙就愈小，故能提高其載子移動率及載子侷限效應，因而更適合作為場效電晶體通道(channel)之材料。雖然應力層有晶格不匹配的問題，但只要將其控制在臨界厚度之下，使界面應力達成平衡，就可避免錯列(disloctation)之情形發生。
(4)空間層(spacer)及次通道(subchannel)之應用-
空間層(spacer)之作用在於隔離雜質與載子，以降低載子在主通道(channel)內所受雜質散射之影響，進而提高載子移動率；而另一方面，空間層之厚度卻會影響載子在通道內的濃度，故其厚度之取捨，為後續元件特性之重要因素。
另外，由於空間層會降低主通道內載子的濃度，因此我們又提出了〝次通道(subchannel)〞的構想；所謂次通道係以砷化銦鎵(In0.53Ga0.47As)為材質，而位於主通道(channel)砷化銦鎵(In0.75Ga0.25As)與空間層(spacer)磷化銦(InP)之間，因而可拉遠主通道與 摻雜層之間的距離，故次通道(subchannel)本身亦為一種〝次空間層(subspacer)〞，可以降低載子在主通道內所受雜質散射之影響，也因而空間層厚度被降低導致通道(channel)內之載子濃度增加；另一方面，次通道隔離了主通道與砷銻化銦鋁/砷化銦鎵(InAl AsSb/InGaAs)及磷化銦/砷化銦鎵(InP/InGaAs)界面的距離，降低了載子所受界面不平散射(interface roughness scattering)的影響，可增加電子移動率；又砷化銦鎵(In0.53Ga0.47As)本身的電子移動率也相當高，故次通道(subchannel)與空間層(spacer) 的配合，不僅可以提高載子移動率，也同時增加通道 (channel)內的載子濃度，故可同時滿足場效電晶體對高速與高功率的要求。
(5)本案運用可大量生產的有機金屬氣相沈積(MOCVD)磊晶系統成長。
圖式說明
圖1 本發明之砷銻化銦鋁/砷化銦鎵(InAlAsSb/In Ga As)磷化銦異質結構電晶體在不同溫度下的二端崩潰特性
1. 300 K(絕對溫度)
2. 300 K(絕對溫度)
3. 360 K(絕對溫度)
圖2 室溫時，本發明之電晶體的最大崩潰電壓
圖3室溫時，本發明電晶體之電流一電壓特性曲線(每二曲線之間-0.5V/step)
1. 300 K
2. VGs(閘極電壓)=+1 V
3. VGS(閘極電壓)=+0.5 V
4. Vcs(閘極電壓)=0 V
5. VGS(閘極電壓)=-0.5 V
6. VGs(閘極電壓)=-1 V
圖4 本發明之電晶體在室溫時之外質互導與飽和汲極電流密度對閘極電壓之曲線
1. 300 K
2. VDS(汲極電壓)=6 V
3. 外質互導對閘極電壓之曲線
4. 汲極飽和電流密度對間極電壓之曲線
圖5 絕對溫度77度時，本發明之電晶體的電流-電壓特性曲線(每二曲線之間-0.5V/step)
1. 77 K
2. VGS(閘極電壓)=+1 V
3. VGS(閘極電壓)=+0.5 V
4. VGS(閘極電壓)=0 V
5. VGS(閘極電壓)=-0.5 V
6. VGS(閘極電壓)=-1 V
圖6 絕對溫度77度時，本發明之電晶體的外質互導與飽和電流密度對閘極電壓之曲線
1. 77 K
2. VDS=6 V
3. 外質互導對閘極電壓之曲線
4. 汲極飽和電流密度對閘極電壓之曲線
圖7 室溫下，本發明之電晶體使用次通道時之電流-電壓特性曲線(每二曲線之間-0.3V/step)
1. T=300
2. VGS(閘極電壓)=+1 V，
3. VGS=+0.7 V
4. VGS=+0.4 V
5. VGS=+0.1 V
6. VGS=-0.2 V
圖8 室溫下，本發明之電晶體使用次通道時的外質互導與飽和電流密度對閘極電壓之曲線
1. 300 K
2. VDS(閘極電壓)=6V
3. 外質互導對閘極電壓之曲線
4. 汲極飽和電流密度對間極電壓之曲線
圖9 絕對溫度77度時，本發明之電晶體使用次通道時的電流-電壓特性曲線(每二曲線之間-0.3V/step)
1. T(絕對溫度)=77K
2. VGS(閘極電壓)=+1 V，
3. VGS=+0.7 V
4. VGS=+0.4 V
5. VGS=+0.1 V
6. VGS=-0.2 V
圖10 絕對溫度77度時，本發明電晶體使用次通道時的外質互導與飽和電流密度對開極電壓之曲線
1. 77 K
2. VDS=6V
3. 外質互導對閘極電壓之曲線
4. 汲極飽和電流密度對間極電壓之曲線
圖11 室溫下，砷銻化鋼鋁/砷化銦鎵/磷化銦(InAlAsSb /InGaAs/InP)異質結構場效電晶體使用次通道時之最大崩潰電壓
圖12 室溫下，本發明電晶體使用次通道時，在不同汲極電流時之汲極電流注入掃描
1. ID(汲極電流)=69 mA/mm時之汲極-源極電壓
2. ID(汲極電流)=72 mA/mm時之汲極-源極電壓
3. ID(汲極電流)=64 mA/mm時之汲極-源極電壓
4. ID(汲極電流)=72 mA/mm時之閘極電流密度
5. ID(汲極電流)=69 mA/mm時之閘極電流密度
6. ID(汲極電流)=64 mA/mm時之閘極電流密度
圖13 I-V法量測砷銻化銦鋁(In0.34Al0.66AS0.85Sb0.15) 金之蕭基位障高
1. 順向偏壓(Forward Bias)
2. 位障高(ψB)=0.734電子伏特(eV)
3. 理想因子n=1.5
4. 反向偏壓(Reverse Bias)
發明說明
本發明係以低壓有機金屬氣相沈積(MOCVD)系統成長 δ-摻雜砷銻化銦鋁/砷化銦鎵/磷化銦(InAlASsb/ InGaAs/InP)之場效電晶體。為了研製高功率且高速之場效電晶體，本發明以新型的砷銻化銦鋁 (In0.34Al0.66As0.85Sb0.15)當蕭基(Schottky)層，並 且採用反向的δ-摻雜技術，使得不但能達到高崩潰電壓、高驅動電流，又能有較大的互導值 (transconductance)。今分述如下：

以砷銻化銦鋁(InxAl1-xASySb1-y)材料為蕭基 (Schottky)層之場效電晶體(FET)，其主要結構包括蕭基層、半絕緣基板、緩衝層(buffer)、阻隔層(barrier)、載子提供層、空間層、次通道(subchannel)層、主通道 (channel)層、覆蓋層，而元件之結構包括無次通道 (no-subchannel)元件與有次通道元件。
緩衝層或阻隔層形成於該半絕緣基板之上，而履蓋層形成於蕭基(Schottky)層之上，閘極形成於蕭基層 或覆蓋層之上，以磷化銦(InP)基板作為絕緣基板。其餘設置位置可選擇多種方式之層面，分別敘述如下。
凡是以砷銻化銦鋁(InxAl1-xASySb1-y)材料用於場效電晶體(FET)之蕭基層(Schottky layer)：包括
(a)砷銻化銦鋁(InxAl1-xASySb1-y)材料與金屬開極形成蕭基接觸(Schottky contact)、
(b)金屬閘極先鍍在例如砷化銦鎵(InGaAs)、磷化銦 (InP)、砷化銦鋁(InAlAs)等其他材料覆蓋層上，而以砷銻化銦鋁(InxAl1-xASySb1-y)當阻隔層 (barrier)，增加其崩潰電壓。砷銻化銦鋁 (InxAl1-xASySb1-y，x=0.01~0.99，y=0~0.999) 材料包括晶格不匹配之組成及晶格匹配之組成。
載子提供層與空間層，係包括；
(a)形成於緩衝層(buffer)或阻隔層(barrier)之上
(b)形成於次通道(subchannel)層及通道層之上，
(C)載子提供層兼作為通道層，或
(d)此三者或二者同時使用；空間層形成於載子提供層與通道間。
次通道(subchannel)層及主通道層(channel)，係包括；(a)形成於載子提供層之上，
(b)形成於緩衝層或阻隔層之上，
(c)次通道層或通道層兼作為載子提供層；次通道層形成於主通道之兩側。
蕭基層(Sehottky layer)係包括；
(a)形成於次通道(subchannel)層及通道層之上，
(b)形成於載子提供與空間層之上，
(C)蕭基層兼作載子提供層。
各層結構之材質隨需求而異，該緩衝層(buffer)或阻隔層(barrier)之結構，係包括：
(a)以磷化銦(InP)、砷化銦鎵(In0.53Ga0.47As)為緩衝層或阻隔層，
(b)以砷銻化銦鋁(InxAl1-xASySb1-y)當場效電晶體 (FET)之緩衝層或阻隔層：砷銻化銦鋁 (InxAl1-xASySb1-y，X=0~0.99，Y=0~1)材料包括晶格不匹配之組成及晶格匹配之組成；
(C)以磷化銦(InP)、砷銻化銦鋁(InxAl1-xASySb1-y， X=0~0.99，y=0~1)或砷化銦鎵(Inx1Ga1x1As， x1=0~1)等材料形成之超晶格結構為緩衝層或阻隔層。其厚度約0~3μm間的範圍。
載子提供層與空間層，係包括：
(a)採用δ-摻雜技術，以磷化銦(InP)或砷銻化銦鋁 (InxAl1-xASySb1-y，x=0~0.99，Y=0~1)為空間層，
(b)摻雜於磷化銦(InP)或砷銻化銦鋁(InxAl1- xASySb1-y，x=0~0.99，Y=0~1)，包括含有及不含磷化銦(InP)或砷銻化銦鋁(InxAl1-xASySb1- y，X=0~0.99，Y=0~1)為空間層，
(c)摻雜於次通道(subchannel)或主通道，包括砷化銦鎵(Inx2Ga1-x2As，x2=0~1)通道及磷化銦(InP) 通道，並包括δ-摻雜及一般摻雜。
另外，載子提供層之位置，可在通道層之上方、之下方、或通道中。空間層其厚度約0~30 nm間的範圍，載子提供層其厚度約0~200 nm間的範圍，其摻雜濃度約 1x1017~1x1019cm-3間的範圍，若為δ-摻雜其摻雜濃度約1x1011~1x1013cm-2間的範圍。
次通道(subchannel)層及通道層(channel)，係包括：(a)採用以砷化銦緣(Inx1Ga1-xIAs，x1=0~1)或磷化銦(InP)為次通道兼空間層，以砷化銦鎵(Inx2Ga1-x2As， x2=0.3~1)主通道，
(b)僅有主通道砷化銦鎵(Inx2Ga1-x2As，x2=0.3~1)或磷化銦(InP)，
(c)以磷化銦(InP)、砷銻化銦鋁(InxAl1-xAsySb1-y， x=0~0.99，y=0~1)或砷化銦鎵(Inx1Ga1-x1As， x1=0~1)等配合之多層通道。主通道其厚度約0~50 nm間的範圍，次通道(subchannel)其厚度約0~20 nm間的範圍。
該蕭基層，係包括：(a)以砷銻化銦鋁(InxAl1-x ASySb1-y，x=0.01~0.99，y=0~0.999)材料為蕭基層，
(b)以砷銻化銦鋁(InxAl1-xASySb1-y，X=O.01~0。9, Y=0~0.999)材料為蕭基層(Schottky)兼作載子提供層，其蕭基層、厚度約5~90 nm間的範圍。
覆蓋層係以磷化銦(InP)或砷化銦鎵(Inx1Ga1-x1As，x1 =0~1)為覆蓋層，其厚度約0~0.3μm間的範圍，而所摻雜濃度約。0~1x1019cm-3間的範圍。
以砷銻化銦鋁(InxAl1-XASySb1-y)材料為蕭基層 (Schottky layer)之場效電晶體的製造方法，係經有機金屬化學氣相沉積法MOCVD而得，包括下列步驟：(1)提供一絕緣基板；
(2)製造緩衝層或阻隔層，可選用以下之一；a-)通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)和氫化磷(PH3)等氣體，形成一磷化銦(InP)緩衝層或阻隔層；b-)通以氫化砷(AsH3) 氣體和三甲基銦TMIn((CH3)3In)、三甲基鋁 TMAl((CH3)3Al)、三甲基銻TMSb(CH3)3Sb)等化合物，形成一砷銻化銦鋁(InAlAsSb)緩衝層或阻隔層；或C-)通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)、三甲基鎵 TMGa((CH3)3Ga)、和氫化砷(AsH3)等氣體，形成一砷化銦鎵(InGaAs)緩衝層。
(3)製造空間層，可選用以下之一；a-)通以矽化氫(SiH4) 和氫化磷(PH3)等氣體，形成δ-摻雜於磷化銦 (InP)，接著通以三甲基銦TMIn((CHA3)3In)和氫化磷(PH3)等氣體，形成一磷化銦(InP) 空間層；b-)通以矽化氫(SiH4)、三甲基 銦TMIn((CH3)3In)和氫化磷(PH3)等氣體，形成一磷化銦(InP)一般n型摻雜，接著通以三甲基銦TMIn ((CH3)3In)和氫化磷(PH3)等氣體，形成一磷化銦(InP) 空間層；或C-)通以矽化氫(SiH4)、三甲基銦 TMIn((CH3)31n)、三甲基鋁TMAl((CH3)3Al)、三甲基銻 TMSb(CH3)3Sb)和氫化砷(AsH3)等氣體，形成一砷銻化銦鋁(InAlASSb)一般n型摻雜，接著通以三甲基銦 TMIn((CH3)3In)、三甲基鋁TMAl((CHA3Al)、三甲基銻 TMSb(CH3)3Sb)和氫化砷(AsH3)等氣體，形成一砷銻化銦鋁(InAlAsSb)空間層。
(4)製造通道層，可選用以下之一；a-)通以三甲基銦TMIn ((CH3)3In)、三甲基鎵TMGa((CH3)3Ga)和氫化砷 (AsH3)等氣體，形成一砷化銦鎵(InGaAs)通道層；或 b-)通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)和氫化磷(PH3)等氣體，形成一磷化銦(InP)通道層。
(5)通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)、三甲基鋁TMAl ((CH3)3Al)、三甲基銻TMSb(CH3)3Sb)和氫化砷 (AsH3)等氣體，形成一砷銻化銦鋁(InAlAsSb)蕭基層(Schottky layer)。
(6)通以矽化氫(SiH4)、三甲基銦TMIn ((CH3)3In)、三甲基鎵TMGa((CH3)3Ga)和氫化砷(AsH3)等氣體，形成一n型摻雜砷化 銦鎵(InGaAs)覆蓋層。
(7)源極、汲極係鍍上金鍺/鎳(AuGe/Ni).及銀(Ag)形成歐姆接觸；而閘極係鍍上金(Au)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鉻(Cr)、或鈦/鉑/金(Ti/Pt/Au)等金屬形成蕭基 (Schottky)接觸。
本發明異質結構場效電晶體(HFET)元件之製作過程，係利用標率的光蝕刻彫像(photolithography)與掀起(lift-off)技術。其步驟如下：
1. 隔絕台地的製作(mesa etching)
將每一個元件隔絕開來以免互相影響而產生漏電流，光罩完成後將晶片浸入蝕刻溶液蝕刻砷化銦鎵(InGaAs)及砷銻化銦鋁(InAlASSb)，再用丙酮去除光阻即形成。
蝕刻砷化銦鎵(InGaAs)與砷化銦鋁(InAlASSb)：係以磷酸-雙氧水-水(H3PO4：H2O2：H2O)依照6：3：100比例調配。蝕刻磷化銦(InP)溶液以磷酸-鹽酸(H3POF：HCl)依照4：1比例調配。
2. 歐姆接觸的金屬化(ohmic contact metallization) 由於是n型載子元件，故採用金鍺合金(金佔88%鍺佔 12%)來作為汲極和源極歐姆接觸的材料，另外在金鍺合金上再鍍一層銀，以減少量測探針的串聯電阻。成長完成之晶膜在製作前須先判.斷方向以免在閘極金屬製作時斷裂，而後再經清洗步驟去除油脂。接著，以AZ1400正光阻劑作出汲極和源極的光罩，在進入蒸著步驟前將晶片以氨水：水(NH4OH：H2O)=1：1溶液清洗約十五秒來去除覆蓋其上的氧化層，蒸著時是在8x10-6Torr之環境下進行，之後用丙酮掀起光阻和不必要的金屬，而只留下汲極和源極部份的金屬，然後清洗晶片直接在晶片蒸著金鍺及銀金屬，再將晶片送進450度的高溫爐中作焠火 (sintering)，使成歐姆接觸。
3. 蕭基(Sohottky)接觸的金屬化
採取類似於步驟2之方法，只是在上光阻前先以蝕刻溶液蝕刻砷位銦鎵(InGaAs)覆蓋層約8秒，再採用金作為閘極的金屬且不用焠火的程序。以上三步驟完成後，整個元件製程便已結束。蝕刻砷化銦鎵(InGaAs)；係以磷酸- 雙氧水一水(H3PO4：H2O2：H2O)依照6：3：100比例調配。
本發明係以有機金屬化學氣相沈積(MOCVD)方法成長新型的δ摻雜砷銻化銦鋁/砷化銦鎵/磷化銦 (InAlAsSb/InGaAs/InP)場效電晶體結構，運用上述方法所製備以磷化銦(InP)為基底的異質結構場效電晶體(HFET，Heterostructure Field-Effect Transistor)元件，因為砷化銦鎵(InGaAs)具有優異的電子移動率特性，已被廣泛地研究應用於微波元件。利用砷銻化銦鋁高能帶間隙與高蕭基位障特性，作為閘極半導體材料，崩潰電壓可達40 V以上；而且，因為砷銻化鋁銦(Al0.66In0.34AS0.85Sb0.15)與砷化銦鎵的導帶不連續差達0.7電子伏特(eV)左右，可以提供很好的載子侷限效果，另外，砷化銦鎵具有很高的載子移動率，再與δ摻雜，空間層(spacer)，和次通道 (subchannel)配合，即可獲得同時具有高電子濃度與高電子移動率之結構，並可將之製成高速且高功率之場效電晶體。
利用本發明所敘述有機金屬化學氣相沈積(MOCVD)方法成長的新型δ摻雜異質場效電晶體(HFET)元件，係以磷化銦(InP)為基底的結構，本結構之優點如下；如圖13所示，以I-V法量測砷銻化銦鋁(In0.34Al0.66As0.85Sb0.15) 此種材料與金之蕭基，即金-砷銻化銦鋁(Au- Al0.66In0.34As0.85Sb0.15)，在理想因子(ideality factor)為1.5時其位障高(ψB)至少0.734電子伏特 (eV)以上，若經由Wagner修正法，理想因子為1.0時其平坦能帶蕭基位障高(flat band barrier height)可達0.85電子伏特(eV)，遠大於磷化銦(InP)的0.43電子伏特(eV)及砷化銦鋁(In0.52Al0.48As)的0.699電子伏特(eV)，製成之場效電晶體，其崩潰電壓可達40V以上 (在40V，漏電流小於80 μA/mm)，其三端(off-state) 通道崩潰電壓(BUDS)亦可達40 V(在72μA/mm之汲極電流注入)。
採用反向的δ-摻雜技術，一方面可提高電子濃度，避免雜質散射，同時又能提昇崩潰電壓。應力層砷化銦鎵 (In0.75Ga0.25AS)為通道，因砷化銦鎵(InGaAs)的銦(In) 組成愈大，其有效質量及能隙就愈小，故能提高其載子移動率及載子侷限效應。
次通道(subchannel)與空間層的配合，不僅可以提高載子移動率，也同時增加通道內的載子濃度。在室溫下，其無次通道結構之互導值(trans condutance)為150 mS/mm(對2μm的閘極長度)，而有次通道結構之互導值可達216 mS/mm(對1.5 μm的閘極長度)；在絕對溫度 77 K下，無次通道結構之互導值(transcondutance)為 190 ms/mm，而有次通道(subchannel)結構之互導值可達250 mS/mm。
表列說明
表一成長之條件(成長溫度在650℃，成長壓力在 100 Torr)

(附註)
次通道-砷化銦鎵(In0.53Ga0.47As) δ-摻雜(δ-doping)
主通道-砷化銦(In0.75Ga0.25As) 氫化磷流速(PH3flow rate)
矽化氫流速(SiH4floWrate) 氫化砷流速(AsH3flow rate)
三甲基鎵流量(TMGa flow rate)
三甲基鋁流量(TMAl flow rate)
三甲基銻流量(TMSb flow rate)
三甲基銦流量(TMIn flow rate)
砷銻化銦鋁(In0.34Al0.66As0.85Sb0.15)

[圖式簡單說明]

 

圖1本發明之砷銻化銦鋁/砷化銦鎵(InAlAsSb/In Ga As)磷化銦異質結構電晶體在不同溫度下的二端崩潰特性
1. 300K(絕對溫度)
2. 330K(絕對溫度)
3. 360K(絕對溫度)
圖2室溫時，本發明之電晶體的最大崩潰電壓
圖3室溫時，本發明電晶體之電流-電壓特性曲線(每二曲線之間-0.5V/step)
1. 300K
2. VGS (閘極電壓)＝+1V
3. VGS (閘極電壓)＝+0.5V
4. VGS (閘極電壓)＝0V
5. VGS (閘極電壓)＝-0.5V
6. VGS (閘極電壓)＝-1V
圖4本發明之電晶體在室溫時之外質互導與飽和汲極電流密度對閘檢電壓之曲線
1. 300K
2. VDS (汲極電壓)＝6V
3. 外質互導對閘極電壓之曲線
4. 汲極飽和電流密度對閘極電壓之曲線
圖5絕對溫度77度時，本發明之電晶體的電流-電壓特性曲線(每二曲線之間-0.5V/step)
1. 77k
2. VGS (閘極電壓)＝+1V
3. VGS (閘極電壓)＝+0.5V
4. VGS (閘極電壓)＝0V
5. VGS (閘極電壓)＝-0.5V
6.VGS (閘極電壓)＝-1V
圖6絕對溫度77度時，本發明之電晶體的外質互導與飽和電流密度對閘極電壓之曲線
1. 77K
2. VDS＝6V
3. 外質互導對閘極電壓之曲線
4. 汲極飽和電流密度對閘極電壓之曲線
圖7室溫下，本發明之電晶體使用次通道時之電流-電壓特性曲線(每二曲線之間-0.3V/step)
1. T = 300K
2. VGS (閘極電壓)＝+1V，
3. VGS＝+0.7V
4. VGS＝+0.4V
5. VGS＝+0.1V
6. VGS＝-0.2V
圖8室溫下，本發明之電晶體使用次通道時的外質互導與飽和電流密度對閘極電壓之曲線
1. 300K
2. VDS (閘極電壓)＝6V
3. 外質互導對閘極電壓之曲線
4. 汲極飽和電流密度對閘極電壓之曲線
圖9絕對溫度77度時，本發明之電晶體使用次通道時的電流-電壓特性曲線(每二曲線之間-0.3V/step)
1. T(絕對溫度)＝77K
2. VGS (閘極電壓)＝+lV，
3. VGS＝+0.7V
4. VGS＝+0.4V
5. VGS＝+0.1V
6. VGS＝-0.2V
圖10絕對溫度77度時，本發明電晶體使用次通道時的外質互導與飽和電流密度對閘極電壓之曲線
1. 77K
2. VDS＝6V
3. 外質互導對閘極電壓之曲線
4. 汲極飽和電流密度對閘極電壓之曲線
圖11室溫下，砷銻化銦鋁/砷化銦鎵/磷化銦(InAlAsSb/InGaAs/InP)異質結構場效電晶體使用次通道時之最大崩潰電壓
圖12室溫下，本發明電晶體使用次通道時，在不同汲極電流時之汲極電流注入掃描
1. ID (汲極電流)＝69mA/mm時之汲極-源極電壓
2. ID (汲極電流)＝72mA/mm時之汲極-源極電壓
3. ID (汲極電流)＝64mA/mm時之汲極-源極電壓
4. ID (汲極電流)＝72mA/mm時之閘極電流密度
5. ID (汲極電流)＝69mA/mm時之閘極電流密度
6. ID (汲極電流)＝64mA/mm時之閘極電流密度
圖13I-V法量測砷銻化銦鋁
(In0.34Al0.66As0.85Sb0.15)金之蕭基位障高
1. 順向偏壓(Forward Bias)
2. 位障高(φB)＝0.734電子伏特(eV)
3. 理想因子n＝1.5
4. 反向偏壓(Reverse Bias)

 
　
十、申請專利範圍：
　 　　1.一種蕭基層(Schottky layer)場效電晶體，其係以砷銻化銦鋁(InxAl1-xAsySb1-y)為材料包括： (a)砷銻化銦鋁(InxAl1-xAsySb1-y)材料與金屬閘極形成蕭基層接觸(Schottky contact)， (b)金屬閘極先鍍在其他材料覆蓋層上 而以砷銻化銦鋁(InxAl1-xAsySb1-y)當阻隔層(barrier)，增加其崩潰電壓。
　　2.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體，其砷銻化銦鋁(InxAl1-x AsySb1-y，x=0.01~0.99，y=0~0.999)材料，包括晶格不匹配之組成及晶格匹配之組成。
　　3.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體，將其金屬閘極先鍍在砷化銦鎵(InGaAs)、磷化銦(InP)、砷化銦鋁(InA1As)等其他材料覆蓋層上。
　　4.一種蕭基層(Schottky layer)場效電晶體(FET)，係以砷銻化銦鋁(InxAll-xAsySb1-y)為材料包括(a)半絕緣基板；(b)緩衝層或阻隔層，形成於該半絕緣基板之上；(c)載子提供層與空間層，(d)次通道(subchannel)層及主通道層，(e)蕭基層，(f)覆蓋層，形成於蕭基層之上；以及源極、汲極與閘極，閘極形成於蕭基層或覆蓋層之上。
　　5.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體(FET)，其中絕緣基板是一磷化銦(InP)基板結構。
　　6.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體(FET)，其載子提供層與空間層結構係選用以下之一；(a)形成於緩衝層或阻隔層之上；(b)形成於次通道(subchannel)層及通道層之上；(c)載子提供層兼作為通道層；或(d)此三者或二者同時使用；空間層形成於載子提供層與通道間。
　　7.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體(FET)，其次通道(subchannel)層及主通道層係選用以下之一；(a)形成於載子提供層之上，(b)形成於緩衝層或阻隔層之上，(c)次通道層或通道層(channel)兼作為載子提供層；次通道層形成於主通道之兩側。
　　8.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體(FET)，係選用以下之一；(a)形成於次通道(subchannel)層及通道層之上；(b)形成於載子提供與空間層之上；(c)蕭基層兼作載子提供層。
　　9.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體(FET)該緩衝層(buffer)或阻隔層(barrier)之結構係選用以下之一(a)以磷化銦(InP)、砷化銦鎵(In0.53Ga0.47As)為緩衝層或阻隔層，(b)以砷銻化銦鋁(InxAl1-xAsySb1-y)當場效電晶體(FET)之緩衝層或阻隔層：砷銻化銦鋁(InxAl1-x AsySb1-yX=0~0.99，y=0~1)材料包括晶格不匹配之組成及晶格匹配之組成；(c)以磷化銦(InP)、砷銻化銦鋁(InxAl1-x AsySb1-y，x=0~0.99，y=0~1)或砷化銦鎵(Inx1Ga1-x1As，x1=0~1)等材料形成之超晶格結構為緩衝層或阻隔層；其厚度約0~3μm間的範圍。
　　10.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體(FET)，其載子提供層與空間層係選用以下之一：(a)採用δ-摻雜技術，以磷化銦(InP)或砷銻化銦鋁(InxAl1-xAsySb1-y，x=0~0.99，y=0~1)為空間層；(b)摻雜於磷化銦(InP)或砷銻化銦鋁(InxAl1-xAsySb1-y，x=0~0.99，y=0~1)，包括含有及不含磷化銦(InP)或砷銻化銦鋁(InxAl1-x AsySb1-y，x=0~0.99，y=0~1)為空間層；(c)摻雜於次通道(subchannel)或主通道，包括砷化銦鎵(Inx2Ga1-x2As，x2=0~1)通道及磷化銦(InP)通道，並包括δ-摻雜及一般摻雜。
　　11.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體(FET)，載子提供層之位置，可選在通道層之上方、下方、或通道中之一種。
　　12.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體(FET)，其空間層其厚度約0~30nm間的範圍，載子提供層其厚度約0~200nm間的範圍；其摻雜濃度約1x1017~1x1019cm-3間的範圍，若為δ-摻雜其摻雜濃度約1x1011~1013cm-2間的範圍。
　　13.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體(FET)，次通道(subchannel)層及通道層係選用以下之一：(a)採用以砷化銦鎵(Inx1Ga1-x1As，x1=0~1)或磷化銦(InP)為次通道兼空間層，以砷化銦鎵(Inx2Ga1-x2As，x2=0.3~1)主通道，(b)僅有主通道砷化銦鎵(Inx2Ga1-x2 As，x2=0.3~1)或磷化銦(InP)，(c)以磷化銦(InP)、砷銻化銦鋁(InxAl1-x AsySb1-y，x=0~0.99，y=0~1)或砷化銦鎵(Inx1Ga1-x1As，x1=0~1)等配合之多層通道；主通道其厚度約0~50nm間的範圍，次通道(subchannel)其厚度約0~20nm間的範圍。
　　14.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體(FET)，係選用以下之一；(a)以砷銻化銦鋁(InxAl1-xAsySb1-y，x = 0.01~0.99，y=0~0.999)材料為蕭基層，(b)以砷銻化銦鋁(InxAl1-xAsySb1-y，x=0.01~0.99，y=0~0.999)材料為蕭基層(Schottky layer)兼作載子提供層，其蕭基層厚度約5~90nm間的範圍。
　　15.如申請專利範圍第1項所述之蕭基層場效電晶體(FET)，覆蓋層以砷化銦鎵(Inx1Ga1-x1As，x1=0~1)或磷化銦(InP)為覆蓋層；其厚度約0~0.3μm間的範圍，其摻雜濃度約0~lxl0l9cm-3間的範圍。
　　16.一種蕭基層(Schottky layer)場效電晶體的製造方法，係以砷銻化銦鋁(InxAl1-x AsySb1-y)為材料，經有機金屬化學氣相沉積法而得，包括下列步驟：(1)提供一絕緣基板；(2)製造緩衝層或阻隔層，通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)和氫化磷(PH3)等氣體，形成一磷化銦(InP)緩衝層或阻隔層；(3)製造空間層與摻雜層；通以矽化氫(SiH4)和氫化磷(PH3)等氣體，形成δ-摻雜於磷元銦(InP)，接著通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)和氫化磷(PH3)等氣體，形成一磷化銦(InP)空間層；(4)製造通道層與次通道層，通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)、三甲基鎵TMGa((CH3)3Ga)和氫化砷(AsH3)等氣體，形成一砷化銦鎵(InGaAs)通道層；(5)通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)、三甲基鋁TMAl((CH3)3Al)、三甲基銻TMSb(CH3)3Sb)和氫化砷(AsH3)等氣體，形成一砷銻化銦鋁(InAlAsSb)蕭基層(Schottky layer)；(6)通以矽化氫(SiH4)、三甲基銦TMIn((CH3)3In)、三甲基鎵TMGa((CH3)3Ga)和氫化砷(AsH3)等氣體，形成一n型摻雜砷化銦鎵(InGaAs)覆蓋層；(7)源極、汲極是鍍上金鍺/鎳(AuGe/Ni)及銀(Ag)形成歐姆接觸。
　　17.如申請專利範圍第16項所述之製造方法，製造緩衝層或阻隔層，通以氫化砷(AsH3)氣體和三甲基銦TMIn((CH3)3In)、三甲基鋁TMAl(CH3)3Al)、三甲基銻TMSb((CH3)3Sb)等化物，形成一砷銻化銦鋁(InAlAsSb)緩衝層或阻隔層。
　　18.如申請專利範圍第16項所述之製造方法，製造緩衝層或阻隔層，通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)、三甲基鎵TMGa((CH3)3Ga)、和氫化砷(AsH3)等氣體，形成一砷化銦鎵(InGaAs)緩衝層。
　　19.如申請專利範圍第16項所述之製造方法，製造空間層與摻雜層；通以矽化氫(SiH4)、三甲基銦TMIn((CH3)3In)和氫化磷(PH3)等氣體，形成一磷化銦(InP)一般n型摻雜，接著通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)和氫化磷(PH3)等氣體，形成一磷化銦(InP)空間層。
　　20.如申請專利範圍第16項所述之製造方法，製造空間層通以矽化氫(SiH4)、三甲基銦TMIn((CH3)3In)、三甲基鋁TMAl((CH3)3Al)、三甲基銻TMSb((CH3)3Sb)和氫化砷(AsH3)等氣體，形成一砷銻化銦鋁(InAlAsSb)一般n型摻雜，接著通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)、三甲基鋁TMAl((CH3)3Al)、三甲基銻TMSb((CH3)3Sb)和氫化砷(AsH3)等氣體，形成一砷銻化銦鋁(InAlAsSb)空間層。
　　21.如申請專利範圍第16項所述之製造方法，製造通道層與次通道層，通以三甲基銦TMIn((CH3)3In)和氫化磷(PH3)等氣體，形成一磷化銦(InP)通道層。
　　22.如申請專利範圍第16項所述之製造方法，閘極是可鍍上以下金屬之一；金(Au)、鋁(Al)、鉑(Pt)、鉻(Cr)、或鈦/鉑/金(Ti/Pt/Au)等金屬形成蕭基層(Schottky layer)接觸。
　
十一、圖式：
　  
　











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