125_092-007AP-TW
發佈日期 :
2009-04-30
| 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) | |
| 異質結構場效電晶體(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： | |
| 一種異質結構場效電晶體，包含概略由下而上依序疊接的一基板、一第一緩衝層、一第二緩衝層、一第一通道結構、一隔離層、一第二通道結構、一蕭特基接觸層。 該第一、第二通道結構皆具有一單原子摻雜載子供應層，這可以減少電晶體所具有的高撞擊游離效應。蕭特基接觸層及第二緩衝層是利用大能隙之材料所製成，可分 別提供元件良好之蕭特基特性及抑制從基板漏失之基板漏電流，使元件具有良好的夾止特性，並可有效的將載子侷限在第一、第二通道結構內，以降低順向偏壓操作 時的漏電流及增加順向偏壓操作的能力。 |
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| 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： | |
| 31．．．半導體基板 32．．．第一緩衝層 33．．．第二緩衝層 34．．．第一通道結構 341．．．第一通道層 342．．．第一載子供應層 343．．．第二通道層 35．．．隔離層 36．．．第二通道結構 361．．．第三通道層 362．．．第二載子供應層 363．．．第四通道層 37．．．蕭特基接觸層 38．．．汲極歐姆接觸層 39．．．源極歐姆接觸層 41．．．汲極金屬層 42．．．源極金屬層 43．．．閘極金屬層 |
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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： | |
| [發明所屬之技術領域] 本發明是有關於一種場效電晶體，特別是指一種具有雙層通道結構與單原子摻雜通道之擬晶性通道摻雜式異質結構場效電晶體。 [先前技術] 一般以砷化鎵(GaAs)為基板之場效電晶體，大多以砷化鎵(GaAs)作為通道材料，但由於砷化銦鎵(InGaAs)材料具有較低的有效質量、較高的移動率及飽和速度等  點， 所以現今多已利用砷化銦鎵(InGaAs)取代砷化鎵(GaAs)作為通道材料。然而由於材料間晶格常數不匹配所造成的臨界厚度問題，造成電晶體不能夠利 用較厚且具有較高銦(In)含量的砷化銦鎵(InGaAs)材料，這將降低載子傳輸特性，使電晶體在未來更高效能的應用中受到限制。此外，在摻雜式通道場 效電晶體中，摻雜式通道所具有的高撞擊游離效應會減少載子傳輸速率，限制元件在未來高頻、高效能方面的應用。 [發明內容] 因此，本發明之目的，是在提供一種可增加載子傳輸特性，減少高撞擊游離效應，並可抑制漏電流的異質結構場效電晶體。 本發明異質結構場效電晶體包含一半導體基板、一接合於該基板表面上之未摻雜第一緩衝層、一接合於該第一緩衝層上之未摻雜第二緩衝層、一接合於該第 二緩衝層上並具有由下而上疊接的一未摻雜第一通道層、一單原子摻雜第一載子供應層及一未摻雜第二通道層的第一通道結構、一接合於該第一通道結構上之未摻雜 隔離層、一接合於該隔離層上並具有由下而上疊接的一未摻雜第三通道層、一單原子摻雜第二載子供應層與一未摻雜第四通道層的第二通道結構、一接合於該第二通 道結構上之未摻雜蕭特基接觸層、分別接合於該蕭特基接觸層頂面之兩相反側緣的一摻雜汲極歐姆接觸層與一摻雜源極歐姆接觸層、分別接合於該汲極歐姆接觸層與 源極歐姆接觸層上之一汲  金屬層與一源極金屬層，及一接合於該蕭特基接觸層上的閘極金屬層。 本發明之功效不僅具有低漏電流、低輸出電導、高電壓增益及優良的頻率表現，適用於未來更高效能的電路應用中，還具有寬廣而線性操作區域，特別是操作溫度對本元件之頻率特性影響極小，適合於高溫與高頻電路之應用。 [實施方式] 有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的明白。 參閱圖1，本發明異質結構場效電晶體之較佳實施例包含概略由下而上依序疊接的一基板31、一第一緩衝層32、一第二緩衝層33、一第一通道結構34、一隔 離層35、一第二通道結構36、一蕭特基接觸層37，及疊接於該蕭特基接觸層37 (schottky contact layer)上方的一摻雜汲極歐姆接觸層38、一閘極金屬層43、一摻雜源極歐姆接觸層39、一汲極金屬層41，與一源極金屬層42。 該半導體基板31是由半絕緣型之砷化鎵(GaAs)材料所製成。 該第一緩衝層32是由未摻雜之砷化鎵(GaAs)材料所製成，厚度為0.5μm。 該第二緩衝層33是由大能隙之未摻雜磷化銦鎵(In0.49Ga0.51P)材料所製成，厚度約為500  。大能隙之 化銦鎵(In0.49Ga0.51P)可抑制從基板31漏失之漏電流以改善元件之夾止(Pinch-off)特性。 該第一通道結構34具有依序結合於該第二緩衝層33上之一第一通道層341、一第一載子供應層342，及一第二通道層343。該第一通道層341為厚度約50  未摻雜之砷化銦鎵(In0.2Ga0.8As)材料所製成。該第一載子供應層342的單原子平面摻雜濃度為δ(n+)=2×1012cm-2。該第二通道層343為厚度約50 之未摻雜砷化銦鎵(In0.2Ga0.8As)材料所製成。藉由第一載子供應層342的設置，可減少本發明異質結構場效電晶體所具有的高撞擊游離效應，使在該第一通道層341與第二通道層343內的載子速度增加，以獲得良好的直流及交流特性。 該隔離層35是由未摻雜之砷化鎵(GaAs)材料所製成，厚度80  。 該第二通道結構36具有依序結合於該隔離層35上之一第三通道層361、一第二載子供應層362，及一第四通道層363。該第三通道層361為厚度約50  未摻雜之砷化銦鎵(In0.2Ga0.8As)材料所製成。該第二載子供應層342的單原子平面摻雜濃度為δ(n+)=2×1012cm-2。該第四通道層363為厚度約50 之未摻雜砷化銦鎵(In0.2Ga0.8As)材料所製成。該第二載子供應層362與前述第一載子供應層342之功能相同，在此不再另作說明。 該蕭特基接觸層37是由大能隙之未摻雜磷化銦鎵(In0.49Ga0.51P)材料所製成，厚度約為300  。大能隙之化銦鎵(In0.49Ga0.51P)可提供電晶體良好之蕭特基特性(schottky characteristic)。 藉由該第一緩衝層33至該蕭特基接觸層37之順序結構而形成一磷化銦鎵/砷化銦鎵/砷化鎵(InGaP/InGaAs/GaAs)雙層通道結構， 使本發明可以利用較厚且較高銦(In)含量的砷化銦鎵(InGaAs)做為第一通道結構34材料，因此可改良載子傳輸特性及提昇閘極工作電壓擺幅。 配合圖2所示，圖2是以各層材質之能階代表縱軸，各層位置分布代表橫軸，也就是說線段11、12、13、14、15、16及17分別代表該第二 緩衝層33、第一通道層341、第二通道層343、隔離層35、第三通道層361、第四通道層363，及該蕭特基接觸層37之能階，其中EF為費米能階(Fermi level)。該第二緩衝層33與該第一通道結構34間及該蕭特基接觸層37與第二通道結構36間均為磷化銦鎵/砷化銦鎵(InGaP/InGaAs)異質接面，兩種材質間之能階差異甚大，形成有大的導電帶不連續度(ΔEC)，使該第二緩衝層33及該蕭特基接觸層37可以有效的將載子侷限在第一、第二通道結構34、36內，以降低順向偏壓操作時的漏電流及增加順向偏壓操作的能力。 該汲極歐姆接觸層38與該源極歐姆接觸層39分別接合於該蕭特基接觸層37頂面之兩相反側，是由摻雜濃度為n+=3×1018cm-3之砷化鎵所製成，其厚度約為500  。 該汲極金屬層41與該源極金屬層42之材質為金鍺  (Au/Ge/Ni)合金，並分別蒸鍍接合於該汲極歐姆接觸層38與源極歐姆接觸層39上，以分別作為源極與汲極之電極。 該閘極金屬層43之製成材料為金(Au)，以蒸鍍方式接合於該蕭特基接觸層37上，並間隔位於該汲極歐姆接觸層38與該源極歐姆接觸層39間，作為閘極之電極。該閘極金屬層43所採用之材料亦可以鋁、鈦、鉬、鉑、鈦金合金或鉑金合金取代，實施上不以此為限。 針對本發明之功效，以下以測試數據與圖形說明，  中本發明之閘極面積是為1×100μm2。 參照圖3，其顯示本發明之閘極漏電流(IG)對閘-汲極電壓(VGD)之關係，其中閘極漏電流(IG)為縱軸，閘-汲極電壓(VGD)為橫軸，圖4及圖5則分別表示閘極漏電流(IG)及起始電壓(Von)分別對溫度的關係圖，其橫軸皆為溫度，縱軸分別為閘汲極漏電流(IG)與閘汲極起始電壓(Von)。當閘-汲極電壓(VGD)為-20V時，溫度在300、330、360、390、420及450K，閘極漏電流分別為207、266、291、404、599及714 μA/mm。另一方面相對應之起始電壓(Von)則為1.74、1.66、1.62、1.58、1.5及1.40V。在高溫時依然擁有低的閘極漏電流及高的起始電壓(Von)，證明了本發明之結構設計不但擁有良好的蕭特基特性，更可以確實將電子侷限在通道層內，以降低漏電流、提昇崩潰電壓，進而增進元件的高溫特性。 參照圖6，其顯示本發明在室溫下之共源極輸出電流與電壓特性關係，橫座標為汲-源極電壓(VDS)，每一刻  為1.0V，縱座標為汲極電流(ID)，每一刻度為100 mA/mm。由圖6中可看出本發明具有良好的電晶體放大、飽和及夾止特性，證明本發明具有良好的載子侷限能力。此外，由於可於大的順向起始電壓下工作，因此即使在閘極電壓為+1.5V時，也並未產生明顯的漏電流。 參照圖7，其顯示本發明在室溫下汲極飽和電流(IDS)及轉導值(gm)對閘-源極電壓(VGS)之關係，橫座標為閘-源極電壓(VGS)，縱座標為汲極飽和電流(ID)及轉導值(gm)汲-源極電壓(VDS) 固定為5V時，最大輸出電流為499 mA/mm，最大轉導值則為162 mS/mm。由於利用雙層通道結構及通道中的單原子摻雜層做為載子供應層，使得在通道內的載子能夠均勻分佈，使本發明具有寬廣的線性操作區。當線性操作區 定義在轉導值為最大值之90%以上，汲極工作飽和電流區域是大於303 mA/mm，而相對應的閘-源極工作電壓(VGS)區域則亦大於1.9V時，由圖7中可知本發明確實具有寬廣的線性操作區。另一方面，由於優良的載子侷限能力，於高順向閘-源極電壓+2.0V操作時，本發明依然保有高轉導值136 mS/mm。 參閱圖8，其說明本發明元件在室溫下之轉導值(gm)、輸出電導(gds)，及電壓增益(AV)相對於汲-源極電壓(VDS)的關係，橫座標為汲-源極電壓(VDS)，每一刻度為1.0V，左縱座標為轉導值(gm)及輸出電導(gds)，每一刻度為100 mS/mm，右縱座標為電壓增益(AV)，每一刻度為100。由於良好的載子侷限能力及低漏電流的特性，當偏壓條在閘-源極電壓(VGS)為+0.5V，汲-源極電壓大於3.5V時，可得到低的輸出電導0.4 mS/mm，及高的轉導值160 mS/mm，並得到相當高之電壓增益(AV=gm/gds)值390。可證明本發明元件具有相當高之電壓增益(AV)值，因此相當適合在放大電路中使用。 參閱圖9，其說明本發明元件在室溫下之頻率特性響應，而圖10為單位電流增益截止頻率(unity current gain cut-ott trequency fT)與對最大之震盪頻率(maxlmum oscillation frequency fmax)對溫度的關係圖。由圖9可知，當偏壓條件在汲-源極電壓(VDS)為5V、閘-源極電壓(VGS)為+0.5V時，本發明有良好之頻率特性表現，其最大之單位電流增益截止頻率(fT)為16GHz，最大之震盪頻率(fmax)則為32.3GHz。圖10中，同樣的偏壓條件下，溫度為300、350及400K時，最大之單位電流增益截止頻率(fT)分別為16.0、15.8及15.2GHz，而最大之震盪頻率(fmax)則分別為32.3、32.2及30.5GHz。所以說，由於InGaP/InGaAs界面間大的導電帶不連續度(ΔEC)及單原子摻雜的第一第、二載子供應層342、362可以有效的將載子侷限在雙層通道結構內，使本發明具有良好的頻率表現特性，且操作溫度對本發明之頻率特性影響極小，因此本發明相當適合於高溫與高頻電路之應用。 另外，提供本發明異質結構場效電晶體之較佳實施例的一材料變化例，該變化例僅在材料上作變更，其不同之處在於：該基板31為半絕緣型之磷化銦(InP)材料。該  一緩衝層32之材料為厚度範圍為0.1~5.0μm的未摻雜磷化銦(InP)。該第二緩衝層33之材料為厚度範圍為200~5000 之未摻雜砷化銦鋁(A10.48In0.52As)。該第一通道結構34之第一通道層341之製成材料是厚度範圍為30~300 未摻雜砷化銦鎵(InxGa1-xAs其中x之變化範圍為0.3~0.7)、該第一載子供應層342之單原子摻雜濃度範圍是δ (n+)=1×1011~5×1013cm-2，該第二通道層343之製成材料厚度範圍為30~300 未摻雜之砷化銦 (InxGa1-xAs其中x之變化範圍為0.3~0.7)。該隔離層35之製成材料為厚度範圍為30~200 之未摻雜磷化銦(InP)。該第二通道結構36之第三通道層361之製成材料是厚度範圍為30~300 未摻雜砷化銦鎵(InxGa1-xAs其中x之變化範圍為0.3~0.7)，該第二載子供應層362之單原子摻雜濃度範圍是δ (n+)=1×1011~5×1013cm-2，該第四通道層363之製成材料厚度範圍為30~300 未摻雜之砷化銦鎵(InxGa1-xAs其中x之變化範圍為0.3~0.7)。該蕭特基接觸層37之製成材料是厚度範圍為100~1000 之未摻雜砷化銦鋁(Al0.48In0.52As)。源極與汲極歐姆接觸層38、39之製成材料是摻雜濃度範圍為n=1×1018~1×1019cm-3且厚度範圍為200~5000 之砷化銦鎵(In0.53Ga0.47As)。。該材料變化例僅在材料上作變更，其功效及特性大致不變。 歸納上述，本發明使用InGaP/InGaAs/GaAs雙層通道結構，可利用較厚且較高銦(In)含量的砷化銦鎵(InGaAs)做為通道材料，因此可增加載子傳輸特性，而閘極電壓  幅 也能提昇。利用通道內單原子摻雜的第一、第二載子供應層342、362，這可以減少摻雜式通道場效電晶體所具有的高撞擊游離效應，使在第一、第二通道結構 34、36內的載子速度增加，使元件獲得良好的直流及交流特性。利用大能隙之磷化銦鎵(InGaP)材料作為蕭特基接觸層37及第二緩衝層33，上方之磷 化銦鎵(InGaP)層可提供元件良好之蕭特基特性，下方之磷化銦鎵(InGaP)層可抑制從基板31漏失之基板31漏電流，使元件具有良好的夾止 性。藉由磷化銦鎵/砷化銦鎵(InGaP/InGaAs)界面間大的導電帶不連續度(ΔEC)可以有效的將載子侷限在第一、第二通道結構36內，以降低順向偏壓操作時的漏電流。綜合上述之優點，使本發明可適用於高效能、高頻之電路中，故確實能達到發明之目的。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本新型實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及新型說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。 [圖式簡單說明] 圖1是本發明之異質結構場效電晶體的較佳實施例結構示意圖； 圖2是該較佳實施例之相對應導電帶能帶圖； 圖3是該較佳實施例之閘極漏電流(IG)對閘-汲極電壓(VGD)之關係圖； 圖4是該較佳實施例之閘汲極漏電流(IG)對溫度的  係圖； 圖5是該較佳實施例之閘汲極起始電壓(Von)對溫度的關係圖； 圖6是該較佳實施例在室溫下之共源極電流-電壓特性曲線圖； 圖7是該較佳實施例在室溫下汲極飽和電流(IDS)及轉導值(gm)對閘-源極電壓(VGS)之關係圖； 圖8是該較佳實施例在室溫下之轉導值(gm)、輸出  導(gds)及電壓增益(AV)對汲-源極電壓(VDS)的關係圖； 圖9是該較佳實施例在室溫下之頻率響應特性；及 圖10是該較佳實施例之單位電流增益截止頻率(fT)與最大之震盪頻率(maximum oscillation frequency fmax)對溫度的關係圖。 |
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| 十、申請專利範圍： | |
1.一種異質結構場效電晶體，包含：一半導體基板；一接合於該基板表面上之未摻雜第一緩衝層；一接合於該第一緩衝層上且由大能隙之材料所製成的未摻雜 第二緩衝層；一接合於該第二緩衝層上之第一通道結構，具有由下而上疊接的一未摻雜第一通道層、一單原子摻雜第一載子供應層及一未摻雜第二通道層，該第一載 子供應 可 減少異質結構場效電晶體所具有的高撞擊游離效應，使在第一、第二通道層內的載子速度增加，以獲得良好的直流與交流特性；一接合於該第一通道結構上之未摻雜 隔離層；一接合於該隔離層上之第二通道結構，具有由下而上疊接的一未摻雜第三通道層、一單原子摻雜第二載子供應層及一未摻雜第四通道層，該第二載子供應層 亦可減少異質結構場效電晶體所具有的高撞擊游離效應， 在 第三、第四通道層內的載子速度增加，以獲得良好的直流與交流特性；一接合於該第二通道結構上且由大能隙之材料所製成的未摻雜蕭特基接觸層；分別接合於該蕭 特基接觸層頂面之兩相反側的一摻雜汲極歐姆接觸層與一摻雜源極歐姆接觸層；分別接合於該汲極歐姆接觸層與源極歐姆接觸層上之一汲極金屬層與一源極金屬層； 及一接合於該蕭特基接觸層上的閘極金屬層。 2.根據申請專利範圍第1項之異質結構場效電晶體，其中，該基板為半絕緣型砷化鎵所製成，該第一緩衝層是未摻雜之砷化鎵所製成，該第一通道結構是未摻 雜之砷化銦鎵所製成，該隔離層是由未摻雜之砷化鎵所製成，該第二通道結構是由未摻雜之砷化銦鎵所製成，該源極與汲極歐姆接觸層是由摻雜之砷化鎵所製成，汲 極與源極金屬層是由金鍺鎳合金所製成。 3.根據申請專利範圍第2項之異質結構場效電晶體，其中，該第二緩衝層及該蕭特基接觸層所使用的大能隙材料為磷化銦鎵，銦的莫耳分率為0.49。 4.根據申請專利範圍第2項之異質結構場效電晶體，其中，該第二緩衝層及該蕭特基接觸層的大能隙材料為砷化鋁鎵，鋁的莫耳分率之範圍為0.1~1.0。 5.根據申請專利範圍第2項之異質結構場效電晶體，其中，該第二緩衝層及該蕭特基接觸層所使用的大能隙  料為磷化鋁銦，鋁的莫耳分率為0.5。 6.根據申請專利範圍第2項之異質結構場效電晶體，其中，該第一、第二、第三及第四通道層之使用材料為厚度範圍為30~150  未摻雜砷化銦鎵材料，銦之莫爾分率範圍是介於0.05至0.3間，第一及第二載子供應層之單原子摻雜濃度範圍δ=1×1011~5×1013cm-2。 7.根據申請專利範圍第1項之異質結構場效電晶體，其中，該第一緩衝層之厚度範圍為0.1~5.0μm，該第二緩衝層之厚度範圍為200~5000  ，該隔離層之厚度範圍為30~200 ，該蕭特基接觸層之厚度範圍為100~1000 ，該歐姆接觸層厚度範圍為200~5000 。 8.根據申請專利範圍第1項之異質結構場效電晶體，其中該閘極之金屬層可選自金、鋁、鈦、鉬、鉑、鈦金合金，及鉑金合金所組成之群體，蒸鍍於上述之蕭特基接觸層上。 9.根據申請專利範圍第1項之異質結構場效電晶體，  中， 該基板為半絕緣型磷化銦所製成，該第一緩衝層是未摻雜之磷化銦所製成，該第二緩衝層是未摻雜之砷化銦鋁所製成，該第一通道結構是未摻雜之砷化銦鎵所製成， 該隔離層是由未摻雜之磷化銦所製成，該第二通道結構是由未摻雜之砷化銦鎵所製成，該蕭特基接觸層是未摻雜之砷化銦鋁所製成，該源極與汲極歐姆接觸層是由摻 雜之砷化銦鎵所製成，汲極與源極金屬層是由金鍺鎳合金所製成。 10.根據申請專利範圍第9項之異質結構場效電晶體，其中，該第一、第二、第三及第四通道層皆為厚度範圍為30~300  之未摻雜砷化銦鎵材料，銦之莫爾分率範圍是介於0.3至0.7間，第一及第二載子供應層之單原子摻雜濃度範圍δ=1×1011~5×1013cm-2。 |
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| 十一、圖式： | |
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