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355_088-124CP-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)

 
　 一種高障壁閘極場效電晶體結構 (全文下載)

 
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：
　 　　本發明為一種n+-砷化鎵/p+-磷化銦鎵/n-砷化鎵異質接面高閘極障壁之場效電晶體。由於間極為磷化銦鎵材料所構成，在磷化銦鎵/砷化鎵界面間具有約200meV的導帶不連續度△Ec的存在，可有效地侷限電子於通道層內，以得到一高轉導值、低漏電流的良好元件特性。而在價帶亦有約300meV的不連續度△Ev的存在，可有效阻擋電洞因撞擊游離而奔向閘極的作用，故可增加其閘-汲極崩潰電壓。根據以上所述優點，本發明之元件在高功率，大信號類比及數位交換電路的應用上深具潛力。
　
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：

 
　  
　
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：
　 技術範疇：
本發明係有關於一種高障壁閘極場效電晶體的結構，特別是具有n+-砷化鎵/p+-磷化銦鎵/n-砷化鎵異質接面駝峰式閘極的場效電晶體結構。
先前背景技藝和技術問題：
近年來，由於MOCVD及MBE等晶膜成長技術的日新月異，許多具有甚薄厚度及陡峭摻雜晶膜的半導體元件已陸續的開發出來。其中，磷化銦鎵(Ga0.51In0.49P)磊晶層因其晶格匹配於砷化鎵(GaAs)，而備受矚目。磷化銦鎵因具有(1)較低的深能階陷阱密度，(2)對砷化鎵材料系統完美的選擇性蝕刻能力，(3)大崩潰電壓，(4)與砷化鎵形成較大的價帶不連續度，(5)沒有類似砷化鋁鎵(AlGaAs)所伴隨的DX中心及不易氧化等優點，使得磷化銦鎵/砷化鎵異質結構已廣泛應用在異質接面雙極性電晶體(HBT)或異質接面場效電晶體(HFET)等高速或微波元件上。
在各式場效電晶體如高電子遷移率電晶體(HEMT)，金-絕-半場效電晶體(MISFET)，駝峰式閘極場效電晶體(CAMFET)中，又以CAMFET具有(1)閘極為歐姆性接觸，可消除製作金屬-半導體接觸之因難度，(2)可調變式且具有較高的閘極位障，其受閘極電壓之影響較小，(3)穩定性及可靠度高，尤其是在高功率環境下操作等優點。但是相對地，該CAMFET在類比，數位之應用與其通道之參數影響甚巨，美專利第5,789,771號，揭示一種具多層調變通道駝峰式場效電晶體，利用多層調變通道同時兼顧轉導及線性度之最佳化。然而該案所揭完全以砷化鎵材質形成駝峰式閘極，致使在偏壓條件下，障壁降低造成後續漏電流產生。另、在線寬尺寸縮小之情況下，汲-源極間之碰撞所產生之電洞亦可能流向閘極，造成另一波漏電流之可能，基於上述理由本發明提出一新的n+-砷化鎵/p+-磷化銦鎵/n-砷化鎵高障壁閘極，因閘極為磷化銦鎵/砷化鎵異質接面，其界面間存在著大的導帶不連續度△Ec，除能增加閘極位障高度外且能有效的侷限電子於通道內。價帶亦有明顯的不連續度△Ev的存在，其可增加對電洞之阻隔作用。
發明概述與目的
本發明揭示一種高障壁閘極場效電晶體結構，其包括：一基板，係由半絕緣砷化鎵形成；一緩衝層，形成於該基板上；一n型通道層，形成於該緩衝層上，係由砷化鎵材料構成；一高摻雜p型障壁空乏層，成長於該n型通道層上；一高摻雜n型蓋層，成長於該高摻雜p型障壁空乏層上，係由砷化鎵材料構成；其特徵在上述n型通道層、高摻雜p型障壁空乏層、高摻雜n型蓋層係共同構成駝峰式閘極且該上述之高摻雜p型障壁空乏層係由磷化銦鎵材料形成。
本發明之目的之一在提供一種高障壁閘極場效電晶體結構俾使其在高閘汲極偏壓下亦能具有足夠大之障壁高度。
本發明之另一目的在提供一種高障壁閘極場效電晶體結構俾使其在高汲源極偏壓下產生的電洞亦能被有效侷限。
本發明又另一目的在提供一種高障壁閘極場效電晶體結構俾可以之製作低漏電流場效電晶體。
圖式之簡單說明：
第1圖係顯示出依據本發明之高障壁閘極及具三階摻雜式通道磷化銦鎵/砷化鎵異質接面場效電晶體結構圖；第2圖係顯示出依據本發明元件之一的能帶結構圖；第3圖係顯示出依據本發明之元件的電流-電壓特性圖；第4圖係顯示出依據本發明之元件的閘極電流-電壓特性圖；以及第5圖係顯示出當汲極-源極電壓為6V時，汲極飽和電流和轉導值對閘極電壓之關係圖。
符號說明：
10　　　高障壁閘極及三階摻雜式通道場效電晶體20　　　半絕緣之砷化鎵基板22　　　無摻雜之砷化鎵緩衝層24　　　摻雜之砷化鎵層26　　　無摻雜之砷化鎵層28　　　n摻雜之三階摻雜式砷化鎵通道層30　　　p摻雜之磷化銦鎵層32　　　n摻雜之砷化鎵層34　　　閘極之金屬層36、38　　　汲-源極之金-鍺-鎳金屬層。
實施例
由第1圖可知本發明元件之結構由下而上依次為一半絕緣之碑化鎵基板20：接著為形成於基板上之緩衝層其包括厚0.5μm，未摻雜之坤化鎵層22：厚50埃，濃度p+=8x1018cm-3碑化鎵層24：厚500埃，無摻雜之碑化鎵層26等：接著為一厚200埃，濃度n=5x1017cm-328c及厚400埃，濃度n=2.5x1017cm-328b及厚1000埃，濃度n=1x1017cm-328a的三階摻雜式碑化鎵通道，接著為厚100埃，濃度p+=6x1018cm-3磷化銦鎵障壁空乏層30，及厚300埃，濃度n+=6x1018cm-3碑化鎵蓋層當作歐姆接觸層32，然後為金屬34，2層金-鍺-鎳金屬36及38蒸鍍於碑化鎵歐姆接觸層32上，皆形成歐姆性接觸，分別用以做為閘極及汲-源極之電極。
第2圖為本發明之能帶結構圖，其中，Ec代表傳導帶，EF代表費米能階，Ev代表價帶。由圖可明顯的看出於磷化銦鎵/砷化鎵異質界面間具有約200meV的導帶不連續度ΔEc，可有效地侷限電子於通道層內，以得到高轉導值、低漏電流的良好元件特性，而在價帶亦有約300meV的不連續度ΔEV的存在，可阻擋電洞因撞擊游離而奔向閘極，故可增加其崩潰電壓。
第3圖為本發明元件之電流-電壓特性圖。橫座標為汲-源極電壓(VDS)，每一刻度為1V。縱座標為汲極電流(IDS)，每一刻度為2mA，而閘極-源極電壓(VGS)為-0.5V/step。由圖發現本發明元件擁有良好的夾止關閉行為，及其臨界電壓為-2.5V。對一個閘極面積為1x50μm2的元件而言，經由HP8510B網路分析儀器，初步測得其高頻截止頻率(ft)為17GHz。
第4圖為本發明元件之閘極電流-電壓特性圖。橫座標為閘-汲極電壓(VGD)，每一刻度為2.5V。縱座標為閘極電流(IG)，每一刻度為0.1mA。由圖可看出閘極崩潰電壓為33V時，其閘極漏電流只有250μA/mm。這樣優異的現象與第2圖能帶圖中所述說的理論相符合。
第5圖為當汲極-源極電壓6V時，汲極飽和電流與轉導值對閘極電壓之關係圖。橫座標為閘-源極電壓(VGS)，每一刻度為0.25V。左縱座標為轉導值，每一刻度為15mS/mm。右縱座標為汲極飽和電流，每一刻度為40mA/mm。對一個閘極長度為1μm，寬度為50μm之本元件而言，其於閘-源極電壓-0.5V時，其最大轉導值為140mS/mm。

 
　
十、申請專利範圍：
　 　　1.一種高障壁閘極場效電晶體結構，其包括：一基板，係由半絕緣砷化鎵形成；一緩衝層，形成於該基板上；一n型通道層，形成於該緩衝層上，係由砷化鎵材料構成；一高摻雜p型障壁空乏層，成長於該n型通道層上；以及一高摻雜n型蓋層，成長於該高摻雜p型障壁空乏層上，係由砷化鎵材料構成；其特徵在上述n型通道層、高摻雜p型障壁空乏層、高摻雜n型蓋層係共同構成駝峰式閘極且該上述之高摻雜p型障壁空乏層係由磷化銦鎵材料形成。
　　2.如申請專利範圍第1項之一種高障壁閘極場效電晶體結構，該緩衝層包括：一第一無摻雜型砷化鎵層；一p摻雜型之砷化鎵層；以及一第二無摻雜型之砷化鎵層；依序形成在基板上並構成平面式摻雜障壁(planar-doped barrier)。
　　3.如申請專利範圍第2項之高障壁閘極場效電晶體結構，其中該第一無摻雜型砷化鎵層之厚度為0.5微米。
　　4.如申請專利範圍第2項之高障壁閘極場效電晶體結構，其中該p摻雜型之砷化鎵層之厚度為50埃，濃度p=8x1018cm-3。
　　5.如申請專利範圍第2項之高障壁閘極場效電晶體結構，其中該第二無摻雜型之砷化鎵層之厚度為500埃。
　　6.如申請專利範圍第1或第2項之一種高障壁閘極場效電晶體結構，其中該n型通道層係由單階n摻雜之砷化鎵層、雙階n摻雜之砷化鎵層、三階n摻雜之砷化鎵層或多階n摻雜之砷化鎵層之一所形成者。
　　7.如申請專利範圍第6項之高障壁閘極場效電晶體結構，其中該三階n摻雜之砷化鎵通道層係為厚200埃，濃度n=5x1017cm-3與厚400埃，濃度n=2.5x1017cm-3及厚度1000埃，濃度n=1x1017cm-3的三階摻雜式砷化鎵層構成者為佳。
　　8.如申請專利範圍第1項之高障壁閘極場效電晶體結構，其中高摻雜p型磷化銦鎵障壁空乏層係厚100埃，濃度p=6x1018cm-3。
　　9.如申請專利範圍第1項之高障壁閘極場效電晶體結構，其中該高摻雜n型砷化鎵蓋層係厚300埃，濃度n=6x1018cm-3。
　　10.一種高障壁閘極場效電晶體，係由如申請專利範圍第1項所述之結構完成者。
　
十一、圖式：
　  
　



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