378_088-109CP-TW

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378_088-109CP-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)
	一種以磷化銦為通道之砷銻化銦鋁/磷化銦異質結構場效電晶體 (全文下載) An In0.34Al0.66As0.85Sb0.15/InP HFET utilizing InP channels
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：
	本發明首次以有機金屬化學汽相沈積法在磷化銦基板上研製雙δ摻雜磷化銦通道的砷銻化銦鋁/磷化銦異質結構場效電晶體。實驗的結果顯示，其二維電子雲密度與電子移動率分別為3.3x10^12cm-2與2761c㎡/V.s，起始電壓為1V，當二端反向閘一源電壓為40V時，其漏電流只有lllμA/mm，其三端(on-state，Generally defined when Id=Idmax/2)崩潰電壓為16.1V，三端(off-state，Generally defined as the drain voltage of the turn-offdevice where a sharp rise Id occurs on the output I-V characteristics)崩潰電壓高達40.8V，另外，即使汲-源電壓達15V時，其輸出電導僅為1.8mS/mm，大幅改善以砷化銦鎵為通道的砷銻化銦鋁/砷化銦鎵/磷化銦異質結構場效電晶體，其具有大輸出電導的問題。

六、英文發明摘要：
	A double δ-doped In₀_.₃₄ Al₀_.₆₆AS₀_.₈₅ Sb₀_.₁₅/InP heterostructure field-effect transistor has been successfully grown by metalorganic chemical vapor deposition for the first time. Electron mobilities can be enhanced without sacrificing the carrier densities. A turn-on voltage as high as 1 V along with an extremely low gate reverse leakage current of 111μA/mm at V_g_s=-40V is achieved. The three-terminal on-and off-state breakdown voltages are as high as 40.8V and 16.1V,respectively. The output conductance is as low as 1.8 mS/mm even when the drain-to-source voltage is 15V. The g_d_s ls significantly smaller than that of our previously reported InAlAsSb/InGaAs/InP HFET. These characteristics are attributed to the use of the coupledδ-doped structure, InP channel, 1n₀_.₃₄ Al₀_.₆₆As₀_.₈₅ Sb₀_.₁₅ Schottky layer, and to the large conduction-band discontinuity(△Ec) at the InAlAsSb/InP heterojunction.

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：
	產業上之利用領域本發明首次以有機金屬化學汽相沈積法，在磷化銦基板上研製雙δ摻雜磷化銦通道的砷銻化銦鋁/磷化銦異質結構場效電晶體。習知技藝由於砷化銦鎵(InGaAs)比砷化鎵(GaAs)擁有較優越的傳輸特性，因此，砷化銦鋁/砷化銦鎵(InAlAs/InGaAs)高電子移動率電晶體已證實在高頻及低雜訊的表現，較砷化鋁鎵/砷化鎵(AlGaAs/GaAs)高電子移動率電晶體優越。但是其較大的輸出電導與較低的崩潰電壓，卻限制了砷化銦鋁/砷化銦鎵(InAlAs/InGaAs)異質結構場效電晶體(HFET)在功率放大器方面的運用，這主要導源於以下兩個因素：(1)砷化銦鎵(In₀_.₅₃Ga₀_.₄₇AS)之能隙為0.73eV，其值約為砷化鎵(GaAs)能隙1.42eV之一半；(2)砷化銦鋁(In₀_.₅₂A1₀_.₄₈As)之蕭基位能障0.66eV小於砷化鋁鎵(AlGaAs)之蕭基位能障(leV)。迄今，在文獻上雖已發表相當多的方法來改善高電子移動率電晶體(High Electron Mobility Transistor，HEMT)的崩潰電壓，但其效果卻相當有限。發明人於1998年IEEE Electron DeviceLett.第EDL-19卷第195-197頁，發表砷銻化銦鋁/砷化銦鎵/磷化銦(In₀_.₃₄Al₀_.₆₆AS₀_.₈₅Sb₀_._l₅/In₀_.₇₅Ga₀_.₂₅As/InP)異質結構場效電晶體，實驗結果與文獻上所發表過相似閘極長度的場效電晶體比較，證明此新的設計能大幅改善其兩端及三端的崩潰電壓，雖然如此，由於使用砷化銦鎵(InGaAs)為通道層還是有其先天上的缺點，即在汲-源電壓較大時，仍遭遇大輸出電導的問題。另外，X.Zheng等人於1993年Appl. Phys. Lett.第62卷，第504-506頁，及第62卷第3455-3457頁中證明，當雙δ摻雜結構在具有適當的空間層時，由於耦合效應，其電子移動率會大幅提高，但直到目前，其相關研究仍集中於砷化鎵系列的元件上。發明目標本發明之首要目的係揭示一種雙δ摻雜通道之砷銻化銦鋁/磷化銦(In AlAs Sb/InP)異質結構場效電晶體，可大幅改善以砷化銦鎵(InGaAs)為通道的砷銻化銦鋁/砷化銦鎵/磷化銦異質結構場效電晶體，其具有大輸出電導的問題。本發明之另一目的係揭示一種製造雙δ摻雜通道之砷銻化銦鋁/磷化銦(In AlAs Sb/InP)異質結構場效電晶體之方法。凡是熟悉該技藝的人士在閱讀下列經由不同圖解所展示之較佳實施例詳細說明後，無疑地將非常清楚本發明所揭示之目的和優點。發明之詳細說明本發明所揭示之一種雙δ摻雜通道之砷銻化銦鋁/磷化銦異質結構場效電晶體，係首次在異質結構上製備雙δ摻雜通道，利用雙δ摻雜在層間加強電子之耦合效應，可得更高電子濃度及電子移動率。其結構如圖1所示包括：-位於磷化銦半絕緣基板(30)上所成長之無摻雜磷化銦緩衝層(31)； -接著於該緩衝層上所成長之δ₂-n⁺型磷化銦摻雜層(32)；-形成於該摻雜層上之無摻雜磷化銦空間層(33)；-接著於該空間層上所成長之δ₁-n⁺型磷化銦摻雜層(34)；-再於該摻雜層上所形成之無摻雜磷化銦層(35)；-又於該磷化銦層上所成長之無摻雜砷銻化銦鋁蕭基層(36)；-另於該蕭基層上所成長之無摻雜砷化銦鎵阻礙層(37)；以及最後於該阻礙層上所形成之n⁺-磷化銦覆蓋層(38)。本發明提出一種以δ摻雜磷化銦(δ-InP)為通道的砷銻化銦鋁/磷化銦(In AlAs Sb/ InP)異質結構材料系統，此材料系統具有以下的特點：(1)砷銻化銦鋁(In AlAs Sb)蕭基層具有高能隙值1.8 eV和高蕭基位能障(>0.73 eV)，(2)經由本發明初步的估算，此砷銻化銦鋁/磷化銦(InAlAsSb/InP)新材料系統是屬於type II的結構，其異質接面具有的導電帶不連續(>0.7 eV)大於砷化銦鋁/磷化銦(InAlAs/InP)異質接面之值(0.3 eV)，因此會有較好的載子侷限效應。另外，本發明以磷化銦(InP)材料為通道層亦具有以下的優點：(1)高飽合速度，(2)大的Γ-L能帶分離大(△E_Γ_-_L~0.54 eV)，(3)大的熱導性，(4)磷化銦(InP)之能隙為1.35 eV，其值大於砷化銦鎵(In₀_.₅₃Ga₀_.₄₇As)之能隙(0.73 eV)，因此其崩潰電場較大，衝擊游離係數較小。對於本發明所研製之雙δ摻雜磷化銦(InP)通道砷銻化銦鋁/磷化銦(In AlAsSb/InP)異質結構場效電晶體(HFET)，實驗結果顯示其二維電子雲密度、電子移動率、崩潰電壓與輸出電導，均比其它傳統磷化銦(InP)系列的異質結構場效電晶體為佳，顯示此材料的優越性。在高頻量測方面已有初步的成果，當閘極長度為1.5μm時，其電流增益截止頻率(fγ)大於5GHz，至於更進一步的研究，則還在進行當中。茲將本發明所欲解決之問題與技術範疇分述如下：在低雜訊放大器的設計中，對主動元件而言，就是要設計低雜訊電晶體，由於本元件擁有高的電子移動率，可減少電子與施體離子的散射效應，降低雜訊源，因此其適合在低雜訊放大器的應用。另外，電晶體的輸出功率常受限其逆向崩潰電壓可以增強閘極對汲極電流的控制能力，而大的起使電壓，則允許了通道中有較大的誘發電流，提昇其輸出功率。因此其亦適合應用在高功率放大器。本發明採用低壓有機金屬汽相沈積法(LP-MOCVD)成長，適用於大量生產之商業化應用。在結構及製程上均相當簡單，適用於大量製造的製程。製作方法係利用低壓有機金屬化學汽相沈積法在磷化銦基板上成長雙δ摻雜通道之砷銻化銦鋁/磷化銦異質結構場效電晶體；在上述磷化銦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，使該汲極和源極與磷化銦覆蓋層形成歐姆接觸；在該汲極和一源極間的磷化銦覆蓋層上形成一開口，並在該凹槽中形成一閘極，使該閘極與砷銻化銦鋁層接觸。本發明之製作過程，本發明之成長條件如表2所示，詳細步驟如下： (1)隔絕島的製作(mesa etching)：此步驟是要將每一個元件隔絕開來，以免互相影響而產生漏電流。首先以光雕像數(photolithography)將光罩上的幾何圖案轉移至晶片表面上之正光阻，再將晶片浸入蝕刻溶液，再用丙酮去除光阻及形成。蝕刻磷化銦(InP)溶液使用4：1比例混合磷酸(H₃PO₄)、鹽酸(HCl)，蝕刻砷銻化銦鋁(InAlAsSb)和砷化銦鎵(InGaAs)溶液使用以6：3：100比例混合磷酸(H₃PO₄)、雙氧水(H₂O₂)、水，再用丙酮去除光阻。 (2)歐姆接觸的金屬化(ohmic contact metalization)：經曝光顯影完成後，定義出汲極和源極，再以等比例混合氨水(NH₄ OH)、水之溶液清洗二十秒來去除覆蓋其上的氧化層，在8x10^-⁶ Torr之環境下進行蒸著，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。之後，用丙酮將光阻與金屬重疊層舉離(lift-off)而除去，而只留下汲極和源極部份的金屬，然後清洗晶片，再將晶片送進快速熱退火(Rapid Thermal Annealing, RTA)系統中處理，亦即先使其在120℃停留24秒，再把溫度升至380℃停留1分20秒，使成歐姆接觸。 (3)蕭特基(Schottky)接觸的金屬化：採取與步驟2類似之步驟，在進入蒸著步驟前將晶片以4：1比例混合磷酸(H₃PO₄)、鹽酸(HC1)調製之蝕刻溶液，蝕刻n+-磷化銦(InP)覆蓋層。另外，再以6：3：100比例混合磷酸(H₃PO₄)、雙氧水(H₂O₂)、水蝕刻六秒。最後，蒸鍍金作為蕭特基接觸閘極。該異質結構電晶體，其中所成長之緩衝層之厚度為0.5至1微米(μm)；無摻雜磷化銦之空間層，其厚度為80至110埃()；無摻雜磷化銦層，其厚度為90至150埃；無摻雜砷銻化銦鋁蕭基層，其厚度為200至500埃；無摻雜砷化銦鎵阻礙層，其厚度為50至110埃；n+ 磷化銦覆蓋層，其成長厚度為200至500埃。本發明之特點本發明之主要特點，就是本發明首次提出砷銻化銦鋁/磷化銦(In₀_.₃₄Al₀_.₆₆As₀_.₈₅Sb₀_.₁₅/InP)異質材料系統，並將其應用在場效電晶體上。由於O.Aina等人於1990年Electron Lett.第26卷第10期第651-652頁，發表砷化鋁銦/磷化銦(Al InAs/InP)高電子移動率電晶體(HEMT)，Y. H. Jeong等人於1992年Jpn. J. Appl.Phys.第31卷第2A期第L66-L67頁發表單δ摻雜砷化鋁銦/磷化銦(Al InAs/InP)通道的高電子移動率電晶體(HEMT)，該等文獻上所發表之異質材料接觸面特性，從相對關係上可以初步了解本發明砷銻化銦鋁/磷化銦(In₀_.₃₄Al₀_.₆₆As₀_.₈₅Sb₀_.₁₅/InP)異質接面之特性。在300K時，磷化銦/砷化銦鎵(InP/In₀_.₅₃Ga₀_.₄₇As)系統中E_g(InP)=1.35eV，E_g(In₀_.₅₃Ga₀_.₄₇As)=0.75eV，而△EC=0.2eV，△EV=0.4eV。砷化銦鎵/砷銻化銦鋁(In₀_.₅₃Ga₀_.₄₇As/In₀_.₃₄Al₀_.₆₆As₀_.₈₅Sb₀_.₁₅)系統中E_g(In₀_.₃₄Al₀_.₆₆As₀_.₈₅Sb₀_.₁₅)=1.8eV，Eg(1n₀_.₅₃Ga₀_.₄₇As)=0.75eV，而△Ec=0.945 eV，△Ev=0.105 eV。磷化銦/砷化銦鋁(InP/In₀_.₅₂Al₀_.₄₈As)系統中E_g(InP)=1.35eV，Eg(In₀_.₅₂Ga₀_.₄₈As)=1.45eV，而△Ec=0.3eV，△Ev=-0.194eV(TypeII)。根據以上的數據，在300K時，獲得砷化銦鎵(In₀_.₅₃Ga₀_.₄₇As)與砷化銦鎵/砷銻化銦鋁(In₀_.₅₃Ga₀_.₄₇As/In₀_.₃₄Al₀_.₆₆As₀_.₈₅Sb₀_.₁₅)之能帶遞移關係如圖2所示異質接面能帶特性的相對關係。並因此可得到在300 K時，磷化銦/砷銻化銦鋁(In₀_.₃₄Al₀_.₆₆As₀_.₈₅Sb₀_.₁₅/InP)接面能帶圖如圖3所示之異質接面特性，由E_g(In₀_.₃₄Al₀_.₆₆As₀_.₈₅Sb₀_.₁₅)=1.8eV，E_g(InP)=0.745eV，可知此新材料系統屬於TypeII，其△Ec=0.745eV，and△Ev=-0.295eV。由於本案之磷化銦/砷銻化銦鋁(InP/In₀_.₃₄Al₀_.₆₆As₀_.₈₅Sb₀_.₁₅)異質接面，其△Ec值高達0.745eV，遠大於磷化銦/砷化銦鋁(InP/In₀_.₅₂Al₀_.₆₆As₀_.₄₈)之△Ec(0.3eV)，故可得到較好的載子侷限效應。其二維電子雲密度與電子移動率分別為3.3x10¹²cm^-²與 2761cm²/V.S，起始電壓為1V，當二端反向閘一源電壓為40V時，其漏電流只有111μA/mm，其三端(on-state，Generallydefined when Id=Idmax/2)崩潰電壓為16.1V，三端(off-state，Generally defined as the drain voltage of the turn-off devicewhere a sharp rise Id occurs on the output I-V characteristics)崩潰電壓高達40.8V，另外，即使汲-源電壓達15V時，其輸出電導僅為1.8mS/mm，大幅改善以砷化銦鎵為通道的砷銻化銦鋁/砷化銦鎵/磷化銦異質結構場效電晶體，其具有大輸出電導的問題。這些優越性，可歸因於：(1)使用雙δ摻雜結構，(2)以磷化銦為通道，(3)所採用的砷銻化銦鋁/磷化銦材料系統，具有大的蕭基位障、大的能隙，以及在異質接面具有相當大的導電帶不連續。綜上所述，本發明具備原創性、新穎性及進步性。雖然本發明以一些較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技術者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作為些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。表例說明表一本案所提異質結構場效電晶體與其它元件霍爾量測數據之比較表二成長條件(成長溫度在650℃，成長壓力在100Torr)TMI(Trimethylindirm)三甲基銦TMA(Trimethylalrminrm)三甲基鋁TMG(Trimethylgalirm)三甲基鎵TMSb(Trimethylantimony)三甲基銻 [圖式簡單說明] 圖1以低壓有機金屬汽相沈積法(LP-MOCVD)成長，所提之結構圖圖2在300K時，In₀_.₅₃Ga₀_.₄₇As與In₀_.₅₃Ga₀_.₄₇As/In₀_.₃₄Al₀_.₆₆As₀_.₈₅Sb₀_.₁₅之能帶遞移關係圖3在300K時，In₀_.₃₄Al₀_.₆₆As₀_.₈₅Sb₀_.₁₅/磷化銦(InP)接面能帶圖

十、申請專利範圍：
	1.一種雙δ摻雜通道之砷銻化銦鋁/磷化銦異質結構場效電晶體，其結構依序包括：-位於磷化銦半絕緣基板上所成長之無摻雜磷化銦緩衝層；-接著於該緩衝層上所成長之δ-n型磷化銦摻雜層；-形成於該摻雜層上之無摻雜磷化銦空間層；-接著於該空間層上所成長之δ-n型磷化銦摻雜層；-再於該摻雜層上所形成之無摻雜磷化銦層；-又於該磷化銦層上所成長之無摻雜砷銻化銦鋁蕭基層；-另於該蕭基層上所成長之無摻雜砷化銦鎵阻礙層；以及最後於該阻礙層上所形成之n⁺-磷化銦覆蓋層。　　2.如申請專利範圍第1項所述之電晶體，其中所成長之緩衝層之厚度為0.5至1微米(μm)。　　3.如申請專利範圍第1項所述之電晶體，其中無摻雜磷化銦之空間層，其厚度為80至110埃()。　　4.如申請專利範圍第1項所述之電晶體，其中無摻雜磷化銦層，其厚度為90至150埃。　　5.如申請專利範圍第1項所述之電晶體，其中無摻雜砷銻化銦鋁蕭基層，其厚度為200至500埃。　　6.如申請專利範圍第1項所述之電晶體，其中無摻雜砷化銦鎵阻礙層，其厚度為50至110埃。　　7.如申請專利範圍第1項所述之電晶體，其中N⁺-磷化銦覆蓋層，其成長厚度為200至500埃。　　8.一種砷銻化銦鋁/磷化銦異質結構場效電晶體的製作方法包括下列步驟：利用低壓有機金屬化學汽相沈積法在磷化銦基板上成長雙δ摻雜通道之砷銻化銦鋁/磷化銦異質結構場效電晶體；在上述磷化銦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，使該汲極和源極與磷化銦覆蓋層形成歐姆接觸；在該汲極和一源極間的磷化銦覆蓋層上形成一開口，並在該凹槽中形成一閘極，使該閘極與砷銻化銦鋁層接觸。　　9.如申請專利範圍第8項所述的一種砷銻化銦鋁/磷化銦異質結構場效電晶體的製作方法，其中蒸著時是在8x10^-⁶ torr環境下以金鍺合金(金佔88%，鍺佔12%)來作為汲極和源級歐姆接觸的材料，並與磷化銦覆蓋層形成歐姆接觸。


十一、圖式：

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