CN101221983A - 实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料 - Google Patents

实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料 Download PDF

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CN101221983A CNA2007100633729A CN200710063372A CN101221983A CN 101221983 A CN101221983 A CN 101221983A CN A2007100633729 A CNA2007100633729 A CN A2007100633729A CN 200710063372 A CN200710063372 A CN 200710063372A CN 101221983 A CN101221983 A CN 101221983A
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Abstract

本发明涉及化合物半导体材料技术领域，公开了一种实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，该实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料由在GaAs衬底上依次外延生长GaAs缓冲层、Al0.22Ga0.78As下势垒层、In0.2Ga0.8As沟道层、GaAs空间隔离层、In0.485Ga0.515P空间隔离层、平面掺杂层、In0.485Ga0.515P势垒层以及高掺杂GaAs盖帽层构成。利用本发明，实现了载流子在实空间内转移，更容易使电子由沟道转移到空间隔离层、平面掺杂层和盖帽层，达到了具有稳定的负微分电阻特性的实空间转移三端器件的目的。

Description

实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料
技术领域
本发明涉及化合物半导体材料技术领域，尤其涉及一种实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料。
背景技术
1963年，耿氏发现在n型GaAs两端电极加电压，当半导体内电场超过3×103V/cm时，半导体内的电流便以很高的频率振荡，这个效应称为耿氏振荡。除GaAs之外，当外加电压使InAs、InP、InGaAs等化合物半导体样品内部的电场强度达到一定值时，也会出现类似的振荡。
耿氏振荡是因为以上化合物半导体存在多能谷能带结构。比如GaAs的能带结构如图1所示。导带最低能谷1和价带极值均位于布里渊区中心k＝0处，在[111]方向布里渊区边界L处还有一个极值约高出0.29eV的导带能谷2，称为卫星谷。当电场不太强时，导带电子大部分位于能谷1。能谷2的曲率比能谷1小，所以，能谷2的电子有效质量较大(m1 *＝0.067m0，m*＝0.067m0)，造成两个能谷中电子迁移率不同(μ1＝6000～8000cm2·V-1·s-1，μ2＝920cm2·V-1·s-1)。
当外加电压使得半导体内部电场强度达到一定值时，能谷1中的电子可以获得足够的能量转移到能谷2中。进入能谷2的电子，有效质量增加，迁移率降低，平均漂移速度减小，电导率下降，产生负阻效应。高场畴理论可以很好的解释耿氏振荡。
以上提到的耿氏振荡是由布里渊区K空间发生的多能谷散射引起的，而在实际空间内，电子并未发生转移。利用实空间转移原理，可仿照耿氏器件的方法制备实空间转移器件。
实空间转移器件利用外加电压，使得沟道内电子的能量增加，在一定电场强度下，沟道电子变为“热电子”，从沟道越过势垒转移到其他外延层中。由于其它外延层的电子迁移率低于沟道的电子迁移率，造成载流子迁移率降低，平均漂移速度减小，电导率下降，产生负阻效应。
因为实空间转移高电子迁移率场效应晶体管可以实现多逻辑信号输出，这就为减少器件数目提供了便利条件，所以该晶体管在数字/模拟电路，比如高速模拟/数字(A/D)转换、多值逻辑电路、倍频器、高频振荡器等方面有着广阔的应用前景。
目前，常规的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管的材料结构如表1所示。源漏电压使沟道电子变为“热电子”，热电子越过组分渐变AlxGal-xAs下势垒层向衬底转移，而在漏极的电压-电流特性上造成负阻。
表1
在表1中提到的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料中，源漏电压使沟道电子变为“热电子”，热电子越过组分渐变AlxGal-xAs下势垒层向衬底转移，这使得衬底和源极的电位不同。而常规的三端高电子迁移率场效应晶体管，衬底通常和源保持相同电位(一般为地电位)，主要利用源、漏、栅电极控制器件的性能。所以，表1中提到的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管对下一步的器件和电路制备有不利的影响。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，以实现载流子在实空间内转移，更容易使电子由沟道转移到空间隔离层、平面掺杂层和盖帽层，达到具有稳定的负微分电阻特性的实空间转移三端器件的目的。
本发明需要考虑以下几个方面：一是设计合适的空间隔离层，使得沟道电子更容易转移到空间隔离层；二是设计合适的势垒层和盖帽层的厚度、组分和掺杂剂量，使得电子更容易实空间转移到平面掺杂层、盖帽层，到达栅极。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，该实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料由在GaAs衬底上依次外延生长GaAs缓冲层、Al0.22Ga0.78As下势垒层、In0.2Ga0.8As沟道层、GaAs空间隔离层、In0.485Ga0.515P空间隔离层、平面掺杂层、In0.485Ga0.515P势垒层以及高掺杂GaAs盖帽层构成。
所述GaAs缓冲层采用分子束外延技术在GaAs衬底上生长，厚度为500至
Figure A20071006337200071
用于避免因GaAs衬底表面的缺陷而引起后续外延层产生缺陷。
所述Al0.22Ga0.78As下势垒层采用分子束外延技术在GaAs缓冲层上生长，厚度为3000至
Figure A20071006337200072
用于为沟道生长提供一个平整的界面，并利用In0.2Ga0.8As/Al0.22Ga0.78As异质结防止二维电子气进入缓冲层。
所述In0.2Ga0.8As沟道层采用分子束外延方法在Al0.22Ga0.78As下势垒层上生长，厚度为80至用于为二维电子气提供导电沟道。
所述GaAs空间隔离层采用分子束外延方法在In0.2Ga0.8As沟道层上生长，厚度为20至
Figure A20071006337200074
用于将施主杂质电离中心和二维电子气空间隔离，减小电离散射作用。
所述In0.485Ga0.515P空间隔离层采用分子束外延方法在GaAs空间隔离层上生长，厚度为20至
Figure A20071006337200081
用于将施主杂质电离中心和二维电子气空间隔离，减小电离散射作用。
所述空间隔离层由GaAs和In0.485Ga0.515P两层组成，进一步用于为电子实空间转移提供一个与沟道并联的导电通道。
所述平面掺杂层采用分子束外延方法在In0.485Ga0.515P空间隔离层上生长，厚度为5至用于提供自由电子；掺杂Si的剂量为2.5×1012cm-2至5×1012cm-2。
所述In0.485Ga0.515P势垒层采用分子束外延方法在平面掺杂层上生长，厚度为200至
Figure A20071006337200083
用于与栅金属形成肖特基接触。
所述高掺杂GaAs盖帽层采用分子束外延方法在In0.485Ga0.515P势垒层上生长，厚度为80至
Figure A20071006337200084
用于为器件制备提供良好的欧姆接触；体掺杂Si的剂量为3×1018cm-3至6×1018cm-3。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，由于采用了In0.2Ga0.8As/GaAs/In0.485Ga0.515P结构，In0.2Ga0.8As/GaAs和GaAs/In0.485Ga0.515P的导带差分别为0.15eV，0.18eV，所以与在K空间内转移(ΔΓL＝0.44eV)相比，随着半导体内部电场强度的增加，电子获得一定能量后，更容易从In0.2Ga0.8As转移到GaAs空间隔离层、平面掺杂层以及盖帽层，在实空间内发生转移，达到了具有稳定的负微分电阻特性的实空间转移三端器件的目的。
2、本发明提供的这种实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，In0.485Ga0.515P空间隔离层和势垒层有以下优点：一是不含DX深能级中心；二是不容易被氧化；三是禁带宽度为1.92eV，高于常规AlGaAs势垒层的禁带宽度；四是In0.485Ga0.515P和GaAs有很高的选择腐蚀性，利于腐蚀截止。
3、本发明提供的这种实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，高掺杂GaAs盖帽层与栅金属接触为器件制备提供了良好的欧姆接触。
4、本发明提供的这种实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，考虑到电子实空间转移、外延生长和器件性能三方面的实际要求。该结构可以产生电子实空间转移，形成负微分电阻效应。
附图说明
图1为现有技术中GaAs能带结构的示意图；
图2为本发明提供的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料的结构示意图；
图3为本发明提供的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管导带的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图2所示，图2为本发明提供的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料的结构示意图，该实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料由在GaAs衬底上依次外延生长GaAs缓冲层、Al0.22Ga0.78As缓冲层、In0.2Ga0.8As沟道层、GaAs空间隔离层、In0.485Ga0.515P空间隔离层、平面掺杂层、In0.485Ga0.515P势垒层以及高掺杂GaAs盖帽层构成。
其中，GaAs缓冲层采用分子束外延技术生长在GaAs衬底上，厚度为50至
Figure A20071006337200101
视生长情况而定，优选厚度为
Figure A20071006337200102
用于避免因GaAs衬底表面的缺陷而引起后续外延层产生缺陷。
Al0.22Ga0.78As下势垒层采用分子束外延技术生长在GaAs缓冲层上，厚度为3000至
Figure A20071006337200103
优选厚度为用于为沟道生长提供一个平整的界面，并利用In0.2Ga0.8As/Al0.22Ga0.78As异质结防止二维电子气(2DEG)进入缓冲层。
In0.2Ga0.8As沟道层采用分子束外延方法生长在Al0.22Ga0.78As下势垒层上，厚度为80至
Figure A20071006337200105
优选厚度为
Figure A20071006337200106
用于为二维电子气提供导电沟道。
GaAs空间隔离层采用分子束外延方法生长在In0.2Ga0.8As沟道层上，厚度为20至
Figure A20071006337200107
优选厚度为
Figure A20071006337200108
该层用于将施主杂质电离中心和2DEG空间隔离，减小电离散射作用。
In0.485Ga0.515P空间隔离层采用分子束外延方法生长在GaAs空间隔离层上，厚度为20至
Figure A20071006337200109
优选厚度为该层用于将施主杂质电离中心和2DEG空间隔离，减小电离散射作用。
空间隔离层由GaAs和In0.485Ga0.515P两层组成，除了减小电离散射作用之外，同时为电子实空间转移提供一个与沟道并联的导电通道。从能带的角度来看，形成了台阶式的空间隔离层，达到了更容易使沟道电子实现实空间转移，实现了具有稳定的负微分电阻特性的实空间转移三端器件的目的。
平面掺杂层采用分子束外延方法在In0.485Ga0.515P空间隔离层上生长，厚度为5至
Figure A20071006337200111
用于提供自由电子；掺杂Si的剂量为2.5×1012cm-2至5×1012cm-2，优选剂量为3×1012cm-2。
In0.485Ga0.515P势垒层采用分子束外延方法生长在平面掺杂层上，厚度为200至
Figure A20071006337200112
优选厚度为
Figure A20071006337200113
用于和栅金属形成肖特基接触。
高掺杂GaAs盖帽层采用分子束外延方法在In0.485Ga0.515P势垒层上生长，厚度为80至优选厚度为
Figure A20071006337200115
体掺杂Si的剂量为3×1018cm-3至6×1018cm-3，优选剂量为5×1018cm-3，用于为器件制备提供良好的欧姆接触。
本发明提供的这种实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料结构对应的导带图如图3所示。因为In0.2Ga0.8As的Γ能谷和L能谷的导带差为ΔΓ L＝0.44eV，而GaAs/In0.2Ga0.8As和In0.485Ga0.515P/GaAs的导带差分别为0.15eV，0.18eV，所以随着半导体内部电场强度的增加，电子获得足够的能量，成为“热电子”，更容易从In0.2Ga0.8As转移到GaAs空间隔离层、平面掺杂层以及盖帽层，在实空间内发生转移，而不是在K空间内转移。
为了使沟道电子可以实空间转移到栅极，在本发明的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料结构中，采用了HEMT器件结构。其中，空间隔离层由GaAs和In0.485Ga0.515P组成，从能带的角度来看，形成了台阶式的空间隔离层，这样更有利于沟道电子转移到空间隔离层、平面掺杂层和盖帽层。达到了更容易使沟道电子实现实空间转移到栅极，实现了具有稳定的负微分电阻特性的实空间转移三端器件的目的。
本发明提供的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料的结构，其具体参数可以参考表2。
表2
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，其特征在于，该实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料由在GaAs衬底上依次外延生长GaAs缓冲层、Al0.22Ga0.78As下势垒层、In0.2Ga0.8As沟道层、GaAs空间隔离层、In0.485Ga0.515P空间隔离层、平面掺杂层、In0.485Ga0.515P势垒层以及高掺杂GaAs盖帽层构成。
2.根据权利要求1所述的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，其特征在于，所述GaAs缓冲层采用分子束外延技术在GaAs衬底上生长，厚度为500至5000
Figure A2007100633720002C1
，用于避免因GaAs衬底表面的缺陷而引起后续外延层产生缺陷。
3.根据权利要求1所述的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，其特征在于，所述Al0.22Ga0.78As下势垒层采用分子束外延技术在GaAs缓冲层上生长，厚度为3000至10000
Figure A2007100633720002C2
，用于为沟道生长提供一个平整的界面，并利用In0.2Ga0.8As/Al0.22Ga0.78As异质结防止二维电子气进入缓冲层。
4.根据权利要求1所述的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，其特征在于，所述In0.2Ga0.8As沟道层采用分子束外延方法在Al0.22Ga0.78As下势垒层上生长，厚度为80至150
Figure A2007100633720002C3
，用于为二维电子气提供导电沟道。
5.根据权利要求1所述的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，其特征在于，所述GaAs空间隔离层采用分子束外延方法在In0.2Ga0.8As沟道层上生长，厚度为20至50
Figure A2007100633720002C4
，用于将施主杂质电离中心和二维电子气空间隔离，减小电离散射作用。
6.根据权利要求1所述的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，其特征在于，所述In0.485Ga0.515P空间隔离层采用分子束外延方法在GaAs空间隔离层上生长，厚度为20至50，用于将施主杂质电离中心和二维电子气空间隔离，减小电离散射作用。
7.根据权利要求1所述的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，其特征在于，所述空间隔离层由GaAs和In0.485Ga0.515P两层组成，进一步用于为电子实空间转移提供一个与沟道并联的导电通道。
8.根据权利要求1所述的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，其特征在于，所述平面掺杂层采用分子束外延方法在In0.485Ga0.515P空间隔离层上生长，厚度为5至10
Figure A2007100633720003C2
，用于提供自由电子；掺杂Si的剂量为2.5×1012cm-2至5×1012cm-2。
9.根据权利要求1所述的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，其特征在于，所述In0.485Ga0.515P势垒层采用分子束外延方法在平面掺杂层上生长，厚度为200至500
Figure A2007100633720003C3
，用于与栅金属形成肖特基接触。
10.根据权利要求1所述的实空间转移高电子迁移率场效应晶体管材料，其特征在于，所述高掺杂GaAs盖帽层采用分子束外延方法在In0.485Ga0.515P势垒层上生长，厚度为80至800
Figure A2007100633720003C4
，用于为器件制备提供良好的欧姆接触；体掺杂Si的剂量为3×1018cm-3至6×1018cm-3。
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