133_091-037AP-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) | |
| 電壓可調式多段轉換互導放大高電子移動率電晶體(InGaAs/GaAs high electron mobility transistor)(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： | |
| 一種電壓可調式多段轉換互導放大高電子移動率電晶體，係於一半導體基板上依序佈設有一緩衝層、一主通道層、一砷化銦鎵/砷化鎵(InGaAs/GaAs) 厚度漸進式超晶格結構、一單原子δ-摻雜載子供應層、一閘極肖特基接觸層、及一汲/源極歐姆接觸層，其中，上述超晶格結構包含有隔絕層與次通道層，如是， 藉由漸進式超晶隔絕層結構，可改善異質接面晶格不匹配引起之應力散射，增加閘極電壓擺幅(gate voltage swing)範圍，並藉由高電場偏壓引發實空間傳輸，使汲極飽和電流產生步進(step-up)增加現象，進而形成電壓可調式多段轉換互導放大工作區域之 高電子移動率電晶體。 |
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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： | |
| 10．．．基板 20．．．緩衝層 30．．．主通道層 40．．．超晶格結構 41．．．隔絕層 42．．．次通道層 50．．．載子供應層 60．．．閘極肖特基接觸層 70．．．汲/源極歐姆接觸層 |
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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] 本發明係有關一種電壓可調式多段轉換互導放大高電子移動率電晶體，尤指一種採用漸進式超晶格結構之電壓可調式多段轉換互導放大高電子移動率電晶體。 [先前技術] 按，化合物砷化銦鎵係為一具有高飽合速度、低有效電子質量及較大Γ-L能帶間隔等本質特性之高速材料， 廣泛應用於類晶系高電子移動率電晶體(High Electron Mobility Transistor, HEMT)之通道層材質選擇，此外，結合δ-摻雜技術與異質結構之設計，以高二維電子濃度與電子移動率乘積之優異驅動能力，成為一般低雜訊、高速與高功率 光電整合積體電路技術之重要組成元件。 以目前技術而言，砷化銦鎵/砷化鎵異質結構雖然能免除存在於砷化鋁鎵深能階電子捕捉中心(DX center)之困擾，卻因其晶格結構不匹配，使得與砷化鎵之異質接面形成不砌合之異位缺陷，引起應力與散射效應，大幅影響載子傳導特性，並降低元件效能。 此外，習用之高電子移動率電晶體僅能提供電路一轉換互導放大之工作區，且訊號操作範圍受限於元件之閘極電壓擺幅(gate voltage swing)範圍，尤其，無法提供可因偏壓點改變產生多段轉換互導放大之多選擇工作區，以因應多準位量 化器或類比/數位轉換器之電路用途，如類比對線性轉換器(ADC)與多狀態量化器(multi-state quantizer)等高速混模積體電路技術。 [發明內容] 因此，本發明之主要目的，在於解決上述之問題，避免缺失的存在，以尋求一兼顧異質接面載子傳導特性與多段轉換互導放大效能之高電子移動率電晶體設計。 本發明係提供一種高性能可調式多段轉換互導放大高電子移動率電晶體之結構，該電晶體能同時大幅改善異質接面載子傳導特性、增加閘極電壓擺幅、擴大 輸入訊號範圍與電壓可調式多段轉換互導放大之工作特性，能直接應用於類比對線性轉換器(ADC)與多狀態量化器(multi-state quantizer)等高速混模積體電路技術。 為達到上述目的，本發明係採金屬有機化學氣相沉積(Metalorganic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)或分子束磊晶成長法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)，於砷化鎵(S.I. GaAs)基底上形成類晶系異質結構，其中，以厚度漸進式砷化銦鎵/砷化鎵(InGaAs/GaAs)超晶格結構作為類晶系δ-摻雜高電子移動率電晶體之 隔絕層與次通道之雙重功能，改善異質接面晶格不匹配引起應力散射而影響載子傳導之現象，並提供一 砷化銦鎵/砷化鎵量子井超晶格之預定厚度，使超晶格隔絕層在高電場偏壓下產生障壁能階降低(energy barrier-lowering)現象，引發傳導載子在次通道與主通道之間發生實空間傳輸(real-space transfer)，而產生多段轉換互導放大工作區域之元件特性。 [實施方式]有關本發明之詳細說明及技術內容，現就配合圖式說明如下：請參閱本發明『第1圖』，為本發明電壓可調式多段轉換 互導放大高電子移動率電晶體之剖面示意圖，其包括一基板10、一位於基板10上之緩衝層20、一位於緩衝層20上之主通道層30、一位於主通道層30上之 超晶格結構40、一位於超晶格結構40上之載子供應層50、閘極肖特基接觸層60及一位於頂部之汲/源極歐姆接觸層70。 上述基板10係以半絕緣型方向之砷化鎵所構成，且位於基板10上之半導體磊晶結構係以金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束磊晶成長 (MBE)技術製作，其中，緩衝層20係以厚度介於0.1~5.0 μm之未摻雜型砷化鎵所構成，主通道層30係為厚度介於60~110  之無摻雜之砷化銦鎵(InxGa1-xAs)，其中x為0~0.3。 上述超晶格結構40係以總厚度介於20~300  之厚度漸 進式砷化銦鎵/砷化鎵所構成，其包含由無摻雜砷化鎵(GaAs)所構成之隔絕層41及以無摻雜砷化銦鎵(InxGa1-xAs)所構成之次通道層42，其中x為0~0.3，該隔絕層41具有一範圍介於10~50 的厚度，及該次通道層42具有一範圍介於5~35 的厚度。 上述之載子供應層50係以二維δ-摻雜砷化鎵所構成，其具有一範圍介於δ(n)=1x1011~1x1013 cm-2的濃度，閘極肖特基接觸層60係為厚度介於100  ~1 μm之無摻雜之砷化鎵所構成，或以厚度介於100 ~1 μm的無摻雜磷化銦鎵(InxGa1-xP)所構成，其中x為0.48~0.51。 上述汲/源極歐姆接觸層70係由厚度介於100  ~1 μm之無摻雜砷化鎵(GaAs)所構成，或採用厚度介於100  ~1 μm之n型砷化鎵(GaAs)，具有一範圍，其濃度範圍為n=1×1018~1×1019 cm-3的n型摻雜。 製作時，先提供一半絕緣型方向之砷化鎵基板10，藉由分子束磊晶成長(MBE)技術，依序成長品質良好厚度為0.5 μm之未摻雜型砷化鎵緩衝層20及厚度為80  無摻雜之砷化銦鎵(In0.24Ga0.76As)主通道層30；接著，成長厚度漸進式砷化銦鎵/砷化鎵超晶格結構40(15 GaAs/20 In0.28Ga0.72As/30 GaAs/10 In0.28Ga0.72As/45 GaAs)，作為隔絕層41與次通道層42；再成長濃度為5x1012 cm-2二維δ-摻雜砷化鎵層作為載子供應層50，此摻雜技術係在砷化鎵磊晶時，關閉鎵成長源閘門、同時引入矽摻雜源(silane)與維持砷成長源閘門開啟， 以形成高摻雜濃度之二維δ-摻雜砷化鎵量子井薄層；之後，續成長厚度為200  無摻雜之砷化鎵閘極肖特基(Schottky)接觸層60，以及成長厚度為100  n型摻雜砷化鎵之汲/源極歐姆接觸層70，其中，半絕緣型砷化鎵基板與其餘磊晶層之成長溫度，分別為600℃及625℃。 在元件製成，係採用標準的光蝕刻彫像(Photolithography)與掀起(Lift-Off)技術，並結合真空蒸鍍的技術，於未摻雜砷化鎵頂層表 面上依序蒸鍍上銀-金鍺合金-鎳(Ag/AuGe/Ni)，作為汲/源極(Drain/Source)金屬，並通以90%氮氣與10%氫氣之組成氣體 (forming gas)，粹火加熱至300℃~500℃作成汲/源極與通道層之歐姆接觸層70導通；接著以上光阻、曝光、顯影後浸入蝕刻溶液，蝕刻至非摻雜砷化鎵 (undoped GaAs)緩衝層，以完成隔絕島的製作(Mesa Etching)；並於未摻雜之砷化鎵肖特基(Schottky)接觸層60，蒸鍍金(Au)金屬作為肖特基接觸閘極金屬板。 其中該閘極金屬層為金(Au)，其具有一範圍介於100  ~1 μm的厚度，而汲/源極金屬層為銀-金鍺合金-鎳(Ag/AuGe/Ni)，其具有一範圍介於200  ~1 μm的總厚度。 為進一步比較厚度漸進式砷化銦鎵/砷化鎵超晶格隔絕層結構，針對改善異質接面載子傳導之特性，依相同磊晶環境下，同時成長傳統單一未摻雜、厚度為80  砷化鎵隔絕層(結構B)，取代本發明中(結構A)砷化銦鎵/砷化鎵超晶格隔絕層結構，並作霍爾實驗(Hall measurement)量測電子移動 率與二維電子雲濃度等特性之比較。 以外加磁場強度5000 Gauss，量測溫度變化範圍涵蓋30 K至300 K進行霍爾實驗，實驗結果如下，溫度30 K，結構A測得電子移動率為12600 cm2/V-s、二維電子雲濃度為2.1x1012 cm-2；結構B測得電子移動率為6380 cm2/V-s、二維電子雲濃度為1.8x1012 cm-2；而溫度300 K，結構A測得電子移動率為4250 cm2/V-s、二維電子雲濃度為2.8x1012 cm-2；結構B測得電子移動率為2930 cm2/V-s、二維電子雲濃度為2.3x1012 cm-2，由實驗顯示，結構A(即本發明)之設計在30 K與300 K下，分別改善電子移動率高達雙倍與31 %之增加；而在電子移動率與二維電子雲濃度乘積方面，結構A改善幅度高達2.3倍(30 K)與43 %(300 K)。 此外，傳統單一未摻雜砷化鎵隔絕層與砷化銦鎵通道層間，由於存在異質接面晶格不匹配引起應力，使得傳導載子受到嚴重之散射 (scattering)而影響傳導速度，然而，本發明利用厚度漸進式超晶格結構，逐步減緩砷化鎵肖特基接觸層與砷化銦鎵通道層間之晶格應力、降低散射影 響，以改善異質接面、提升電子移動率。 再者，結構A(本發明)之漸進式砷化銦鎵/砷化鎵超晶格隔絕層總厚度，計有120  ，而結構B(習用技術)之砷化鎵隔絕層厚度只有80 ，理論上結構A應具較小之閘極調節(gate modulation)能力，然而因厚度漸進式超晶格隔絕層改善異質接面品質，卻能產生較優異之元件特性。對於電晶體 閘極尺寸為1.5x200 μm2，室溫下結構A與B元件之臨界電壓，分別為-2.2 V與-1.6 V，更能突顯本發明擁有更寬廣的閘極電壓擺幅(gate voltage swing)範圍。 請參閱『第2圖』，為本發明在室溫下之電流電壓輸出特性曲線，其中，電晶體閘極面板尺寸為1.5x200 μm2，汲 /源極間隔距離為10 μm，閘源極偏壓由0 V起以0.5 V間隔等差下降至-2 V；在低汲源極偏壓下，汲極電流隨外加偏壓增加而逐步增加至飽和電流值，然而，當外加偏壓增加至高電場強度時，汲源極飽和電流將產生步進(step- up)增加現象，此外，加汲源極偏壓起始點，隨著閘源極偏壓下降而隨之降低，係因取決於通道內有效電場強度之影響。 請參閱『第3a、3b圖』，為說明此汲源極飽和電流步進(step-up)增加現象之導電能帶示意圖，『第3a圖』中，電晶體在低汲源極偏壓 下，由於砷化銦鎵/砷化鎵超晶格結構中量子井寬度小於Debye長度，量子井中次能階(subband)遠高於砷化銦鎵主通道層費米能階(Fermi level)高度，而無法容納電子，因此傳導電子完全局限於主通道層內，並無平行導通現象。而當外加汲源極偏壓增加，如『第3b圖』，高通道電場強度足以 使得砷化銦鎵/砷化鎵量子井超晶格導電帶不連續造成之隔絕層，產生障壁能位降低(energy barrier-lowering)現象，引發傳導載子由低銦成份主通道層經由實空間傳輸(real-space transfer)機制進入高銦成份、較高速次通道層中平行傳導，此時等效集總汲源極飽和電流亦隨之 步進增加，而形成如『第2圖』之輸出特性曲線。在實空間傳輸機制中，由於In0.24Ga0.76As/GaAs與In0.28Ga0.72As/GaAs之導電帶不連續差異分別為0.2 eV與0.23 eV，而In0.24Ga0.76As主通道層之Γ-L能帶差異約為0.52 eV，均高於導電帶不連續差異能量，因此實空間傳輸相較於Γ-L能帶間傳輸，擁有較低之激發臨界電場(threshold field)，理論證明實空間傳輸確為本設計電流步進增加現象之主要機制。 請參閱『第4圖』，為電晶體在室溫下輸出特性曲線之轉換互導(extrihsic transconductance)參數曲線圖，由圖示可知本創作擁有電壓可調式多段轉換互導放大平坦區域，在不同偏壓下，單一元件能提供多段放大選擇之 元件特性；在外加3V汲源極偏壓下，當閘源極輸入訊號直流準位分別為0V、-0.5V與-1.0V時，電晶體能相對提供92 mS/mm、72 mS/mm與8.5 mS/mm之轉換互導放大；而電晶體若以共閘極電路組態工作，當汲極偏壓分別為1.5 V、3.0 V與4.5 V而閘極接地情況下，其相對轉換互導值分別為51 mS/mm、8.5 mS/mm與63 mS/mm。而在各分區放大中，其訊號擺幅均可高達1.5V之平坦、寬廣工作範圍。此平坦電壓可調式多段轉換互導工作區與高辨別度之放大倍率，可直接應用 於類比對線性轉換器與多狀態量化器等混模積體電路。 藉由上述構造及實驗，本發明大幅改良傳統高電子移動率電晶體之缺失，且具有下列特點：1.係以厚度漸進式砷化銦鎵/砷化鎵量子井超晶格結構 應用於類晶系δ-摻雜高電子移動率電晶體之隔絕層與次通道層，藉由漸進式超晶格之厚度與組成變化，緩衝異質接面晶格不匹配引起應力與散射效應，大幅改善異質接面載子傳導特性。 2.藉由漸進式砷化銦鎵/砷化鎵量子井超晶格結構之厚度與量子井導電帶不連續造成之障壁能位設計，使得元件在高通道電場強度偏壓下，引發傳導載子 由低銦成份主通道層經由實空間傳輸(real-space transfer)機制進入高銦成份、較高速次通道層中平行傳導，而產生等效集總汲源極飽和電流步進增加與電壓可調式多段轉換互導(extrinsic transconductance)放大之優異特性。 3.砷化銦鎵/砷化鎵超晶格結構隔絕層與砷化銦鎵通道層之整合設計，使得高電子移動率電晶體獲致較強之電流驅動能力、較寬廣之寬廣的閘極電壓擺幅(gate voltage swing)工作區域與較寬廣之輸入訊號放大範圍。 惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以之限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。 [圖式簡單說明] 第1圖，係為本發明之剖面示意圖 第2圖，係為本發明在室溫下之電流電壓輸出特性曲線 第3a圖，係為本發明在低通道電場強度下元件之導電能帶示意圖 第3b圖，係為本發明在高通道電場強度下元件之導電能帶示意圖 第4圖，係為本發明在室溫下之轉換互導放大參數與元件工作偏壓特性曲線 |
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| 十、申請專利範圍： | |
| 1.一種電壓可調式多段轉換互導放大高電子移動率電晶體，其包括：一半導體基板；一位於該基板上之緩衝層；一位於該緩衝層上之主通道層；一位於該主通 道層上之厚度漸進式超晶格結構，作為隔絕層與次通道層；一位於該厚度漸進式超晶格結構上之單原子δ-摻雜載子供應層；一位於該單原子δ-摻雜載子供應層上 之閘極肖特基接觸層；一位於該閘極肖特基接觸層上之汲/源極歐姆接觸層。 2.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該基板為半絕緣型之砷化鎵(GaAs)。 3.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該緩衝層為無摻雜之砷化鎵(GaAs)，其具有一範圍介於0.1~5.0 μm的厚度。 4.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該主通道層為無摻雜之砷化銦鎵(InxGa1-xAs)，其中x為0~0.3，及該主通道層具有一範圍介於60~110  的厚度。 5.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該厚度漸進式超晶格結構為無摻雜之砷化鎵(GaAs)作為隔 絕層與無摻雜砷化銦鎵(InxGa1-xAs)作為次通道層，其中x為0~0.3，該隔絕層具有一範圍介於10~50  的厚度，及該次通道層具有一範圍介於5~35 的厚度。 6.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該厚度漸進式超晶格結構，具有一範圍介於20~300  的總厚度。 7.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該單原子δ-摻雜載子供應層，具有一範圍介於δ(n)=1x1011~1x1013 cm-2的濃度。 8.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該閘極肖特基接觸層為無摻雜砷化鎵(GaAs)，具有一範圍介於100  ~1 μm的厚度。 9.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該閘極肖特基接觸層為無摻雜磷化銦鎵(InxGa1-xP)，其中x為0.48~0.51，具有一範圍介於100  ~1 μm的厚度。 10.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該汲/源極歐姆接觸層為無摻雜砷化鎵(GaAs)，具有一範圍介於100  ~1 μm的厚度。 11.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該汲/源極歐姆接觸層為n型砷化鎵(GaAs)，具有一範圍介於100  ~1 μm的厚度，及一濃度範圍為n=1×1018~1×1019 cm-3的n型摻雜。 12.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中 該電晶體半導體磊晶結構係由金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)或分子束磊晶成長法(MBE)成長而成。 13.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該閘極金屬層為金(Au)，其具有一範圍介於100  ~1 μm的厚度。 14.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該汲/源極金屬層為銀-金鍺合金-鎳(Ag/AuGe/Ni)，其具有一範圍介於200  ~1 μm的總厚度。 15.如申請專利範圍第1項所述之高電子移動率電晶體，其中該汲/源極金屬層經焠火加熱與主通道層形成歐姆接觸，其具有一範圍介於300℃~500℃的加熱溫度。 |
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| 十一、圖式： | |
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