專利名稱：假同晶高電子遷移率晶體管功率器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種假同晶高電子遷移率晶體管(pseudomorphic highelectron mobility transistor)(PHEMT)功率器件及其制造方法，更具體地，涉及一種可利用單一電源電壓工作的PHEMT功率器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
近來，對諸如藍牙技術(shù)、無線局域網(wǎng)(LAN)等高頻無線通訊的需求急劇增加。這種需求也增加了對功率器件的需求，該功率器件放大信號以傳送高的射頻(RF)信號。提高同時訪問能力的數(shù)字式無線通訊相關(guān)技術(shù)的新近趨勢要求具有非常好的線性的功率器件。
用于在高RF功率器件制造中使用的場效應(yīng)晶體管(FET)包括金屬半導體場效應(yīng)晶體管(MESFET)、高電子遷移率晶體管(HEMT)等。普通的MESFET和HEMT需要一個負的夾斷電壓(pinch off voltage)，因此，將一個負偏壓源極與柵極連接，以接收RF信號。然而，使用作為負偏壓源極的電路增加了芯片的制造成本，比只使用一個正電壓源極的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管缺點更多。
為了用單一電源電壓驅(qū)動MESFET或HEMT器件，應(yīng)提高夾斷電壓，將一個0伏或更大的正電壓加到柵極上，以接收RF信號。在這種情況下，最大飽和電流減小，而漏電流增大，于是這對于功率器件的應(yīng)用是不合適的。對于HEMT功率器件，有意地增加載流子密度(carrier concentration)，以增加跨導和功率增益。然而，最終的器件具有降低的擊穿電壓，不能保證跨導與柵極電壓一致，因而降低了線性和功率增加(power-added)效率。
為了制造具有非常好的線性和功率增加效率、并能夠用單一電源電壓工作的假同晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)功率器件，應(yīng)滿足下列要求高到足以提供一個正的工作電壓的夾斷電壓(Vp)；低的拐點電壓(kneevoltage)(Vk)；高的擊穿電壓；相對于柵極電壓的均勻的跨導；低的源極-柵極電容等。然而，根據(jù)電子輸運層的結(jié)構(gòu)和攙雜濃度，不能滿足所有這些要求。因此，需要優(yōu)化外延生長襯底的結(jié)構(gòu)和器件的制造條件，以制造能夠用單一電源電壓工作并具有非常好的線性和高的擊穿電壓的PHEMT功率器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一個目的是提供一種可用單一電源電壓工作、具有非常好的線性和高擊穿電壓、適于在高頻數(shù)字無線通訊中使用、且價格低廉的假同晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)功率器件。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種制造PHEMT功率器件的方法，在該方法中，優(yōu)化了外延生長襯底的結(jié)構(gòu)和工藝條件，以制備能用單一電源電壓工作、且具有優(yōu)異的線性和高擊穿電壓的PHEMT功率器件。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的第一個目的，提供了一種PHEMT功率器件，它包括一外延生長襯底，該襯底包括依次堆疊在半絕緣GaAs襯底上的一GaAs緩沖層、一AlGaAs/GaAs超晶格層、一未攙雜的AlGaAs層、第一攙雜硅層、第一隔離襯、一InGaAs電子輸運層、第二隔離襯、具有與第一攙雜硅層不同的攙雜濃度的第二攙雜硅層、一輕度攙雜的AlGaAs層、以及一無攙雜的GaAs封蓋層；形成在該無攙雜的GaAs封蓋層上、并與之形成歐姆接觸的一個源電極和一個漏電極；以及在該輕度攙雜的AlGaAs層上形成的延伸穿過該無攙雜的GaAs封蓋層的一個柵電極。
優(yōu)選的是，源電極和漏電極中的每一個均由AuGe/Ni/Au金屬薄膜制成。
優(yōu)選的是，該第一攙雜硅層具有比第二攙雜硅層高的攙雜濃度。優(yōu)選的是，第一攙雜硅層具有1.5×1012～2.5×1012cm-3的攙雜濃度，且第二攙雜硅層具有0.7×1012～1.5×1012cm-3的攙雜濃度。更優(yōu)選的是，第一攙雜硅層的攙雜濃度為第二攙雜硅層的攙雜濃度的二倍。
為了提高晶格結(jié)構(gòu)質(zhì)量，優(yōu)選的是，該無攙雜的AlGaAs層包含摩爾比為0.3或更少的鋁。
優(yōu)選的是，該輕度攙雜的AlGaAs層具有1.0×1016～1.0×1017cm-3的摻雜濃度。優(yōu)選的是，該無攙雜的GaAs封蓋層的厚度為1～100納米。優(yōu)選的是，該InGaAs電子輸運層包含摩爾比為0.25或更小的銦。優(yōu)選的是，該InGaAs電子輸運層的厚度為1～15納米。
優(yōu)選地，該PHEMT功率器件還包括在該無攙雜的GaAs封蓋層的被源電極、漏電極和柵電極露出的部分上形成的保護性絕緣層。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的第二個目的，提供了一種制造PHEMT功率器件的方法，包括步驟在一個半絕緣的GaAs襯底上，順序堆疊一GaAs緩沖層，一AlGaAs/GaAs超晶格層，一無攙雜的AlGaAs層，第一攙雜硅層，第一隔離襯，一InGaAs電子輸運層，第二隔離襯，具有與第一攙雜硅層不同的攙雜濃度的第二攙雜硅層，一輕度攙雜的AlGaAs層，以及一無攙雜的GaAs封蓋層；通過在該無攙雜的GaAs封蓋層上形成一金屬薄膜，形成一在該無攙雜的GaAs封蓋層上并與之歐姆接觸的源電極和漏電極；在該無攙雜的GaAs封蓋層的一個露出的表面上，形成一保護性絕緣層；以及通過將該保護性絕緣層的一部分除去，定義一露出該無攙雜的GaAs封蓋層的一部分的柵極區(qū)；通過在該柵極區(qū)域內(nèi)對該無攙雜的GaAs封蓋層的露出部分進行凹蝕刻，露出該輕度攙雜的AlGaAs層的一部分；以及在該輕度攙雜的AlGaAs層的露出部分上形成一個柵電極。
優(yōu)選的是，該PHEMT功率器件的制造方法還包括形成具有一個寬度比要在定義的柵極區(qū)域上形成的柵電極大的開口的光致抗蝕劑構(gòu)圖，以對該無攙雜的GaAs封蓋層進行凹蝕刻。
優(yōu)選的是，該PHEMT功率器件的制造方法還包括，在形成源電極和漏電極的步驟以后，利用快速熱退火熱處理源電極和漏電極。
在根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件中，外延生長襯底的結(jié)構(gòu)(即攙雜濃度和施主層厚度)經(jīng)過優(yōu)化，以保持跨導相對于柵極電壓恒定。根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件可以用單一電源電壓工作，不需要加負的偏壓，且具有高的擊穿電壓高、優(yōu)異的線性和高的功率增加效率。


通過參照附圖對其優(yōu)選實施例進行詳細說明，本發(fā)明的上述目的和優(yōu)點將會更清楚，其中
圖1為顯示根據(jù)本發(fā)明的假同晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)功率器件的一優(yōu)選實施例的主要結(jié)構(gòu)的截面圖；圖2至8為示出制造根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的PHEMT功率器件的方法的每個步驟的截面圖；圖9是顯示根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的跨導特性的曲線圖；圖10是顯示根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的電流-電壓特性的曲線圖；圖11是顯示根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的擊穿電壓特性的曲線圖；以及圖12是顯示根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的功率特性的曲線圖。
具體實施例方式
參見圖1，該圖是顯示根據(jù)本發(fā)明的假同晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)功率器件的一優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)的截面圖，該PHEMT功率器件包括一外延生長襯底，該襯底包括依次疊置在半絕緣GaAs襯底10上的一GaAs緩沖層12、一AlGaAs/GaAs超晶格層14、一個具有大的帶隙的無攙雜AlGaAs層16、第一攙雜硅層20、第一隔離襯22、一具有窄帶隙的InGaAs電子輸運層24、第二隔離襯26、具有與第一攙雜硅層20不同的攙雜濃度的第二個攙雜硅層28、一輕度攙雜的AlGaAs層30、以及一個無攙雜的GaAs封蓋層32。
第一攙雜硅層20具有比第二攙雜硅層28高的攙雜濃度。例如，第一攙雜硅層20形成來具有約1.5×1012～2.5×1012cm-3的摻雜濃度，而第二攙雜硅層28形成來具有約0.7×1012～1.5×1012cm-3的摻雜濃度。優(yōu)選的是，第一攙雜硅層20的攙雜濃度為第二攙雜硅層28的二倍。
無攙雜的AlGaAs層16包含摩爾比為0.3或更小的鋁(Al)。InGaAs電子輸運層24包含摩爾比為0.25或更小的銦(In)，且具有約1～15納米(nm)的厚度。
優(yōu)選的是，輕度攙雜的AlGaAs層30形成來具有約1.0×1016～1.0×1017cm-3的摻雜濃度。無攙雜的GaAs封蓋層32具有約1～100納米的厚度。
在外延生長襯底的無攙雜GaAs封蓋層32上，一源電極42和一漏電極44形成為與該無攙雜的GaAs封蓋層32歐姆接觸。源電極42和漏電極44由AuGe/Ni/Au金屬薄膜制成。
柵電極60在輕度攙雜的AlGaAs層30上形成，以延伸穿過該無攙雜的GaAs封蓋層32。在該無攙雜的GaAs封蓋層32的被源電極42、漏電極44和柵電極60露出的部分上，形成一保護性絕緣層50，例如氮化硅層。
在根據(jù)本發(fā)明的具有上述結(jié)構(gòu)的PHEMT功率器件的雙平面攙雜外延生長襯底中，下部第一攙雜硅層20的攙雜濃度比上部的第二攙雜硅層28大，優(yōu)選為兩倍。結(jié)果，PHEMT功率器件的跨導對于柵極電壓成為不變的。
即使在進行來以在PHEMT功率器件的制造中形成凹部的濕法蝕刻中，根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件中該輕度攙雜的AlGaAs層30的存在保證了蝕刻的均勻性。因此，不需要進行干法蝕刻，該蝕刻通過等離子體可引發(fā)損傷。另外，總制造過程簡單，因而提高了生產(chǎn)率。
此外，利用無攙雜的GaAs封蓋層32，可改善擊穿電壓特性。
圖2至8為顯示用于制造根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的方法的一優(yōu)選實施例的每個步驟的截面圖。
參見圖2，在半絕緣GaAs襯底10上，順序生長一GaAs緩沖層12、一AlGaAs/GaAs超晶格層14、一無攙雜的AlGaAs層16、第一攙雜硅層20，第一隔離襯22、一InGaAs電子輸運層24、第二隔離襯26、具有與第一攙雜硅層20不同的攙雜濃度的第二攙雜硅層28、一輕度攙雜的AlGaAs層30、以及一無攙雜的GaAs封蓋層32，以形成一個外延生長襯底。第一攙雜硅層20形成來具有約1.5×1012～2.5×1012cm-3的摻雜濃度，而第二攙雜硅層28形成為具有約0.7×1012～1.5×1012cm-3的摻雜濃度。優(yōu)選的是，第一攙雜硅層20的攙雜濃度是第二攙雜硅層28的二倍。
無攙雜的AlGaAs層16形成為包含摩爾比為0.3或更小的鋁(Al)。InGaAs電子輸運層24形成來包含摩爾比為0.25或更小的銦(In)，且具有約1～15納米(nm)的厚度。輕度攙雜AlGaAs層30形成為具有約1.0×1016～1.0×1017cm-3的摻雜濃度。該無攙雜的GaAs封蓋層32形成來具有約1～100納米的厚度。
參見圖3，外延生長的襯底向下臺面蝕刻(mesa etch)至AlGaAs/GaAs超晶格層24，以將各器件分離。
參見圖4，在無攙雜的GaAs封蓋層32上形成一AuGe/Ni/Au金屬薄膜，并進行快速熱退火(RTA)，以形成與該無攙雜的GaAs封蓋層32呈歐姆接觸的源電極42和漏電極44。
在傳統(tǒng)PHEMT功率器件的制造方法中，普遍利用一個高度攙雜的GaAs封蓋層來降低歐姆接觸的電阻。本發(fā)明可以形成具有與該無攙雜的GaAs封蓋層32的低接觸電阻的源電極42和漏電極44，以增加擊穿電壓并保持拐點電壓較低，從而改善器件的功率特性。
參見圖5，在形成歐姆接觸以后，形成一保護性絕緣層50，例如一氮化硅層，以保護該無攙雜GaAs封蓋層32的露出表面。接著，除去保護性絕緣層50的一部分，以定義露出該無攙雜GaAs封蓋層32的一部分的柵極區(qū)。
參見圖6，凹蝕刻無攙雜GaAs封蓋層32的露出部分，以形成一個凹部區(qū)域52，該區(qū)域暴露輕度攙雜AlGaAs層30。此處，在凹蝕刻該無攙雜的GaAs封蓋層32中，可以使用光致抗蝕劑構(gòu)圖(未示出)，該構(gòu)圖具有一個其寬度比要在該結(jié)構(gòu)的所確定的柵極區(qū)域內(nèi)形成的所需柵電極大的開口。
參見圖7，在輕度攙雜的AlGaAs層30的外露表面上形成一柵電極60，從而得到了一個完整的晶體管。
參見圖8，在源電極42和漏電極44中的每一個上形成一鍍Au層70，并將該層70與相應(yīng)的源極焊點和漏極焊點連接，從而得到根據(jù)本發(fā)明的一個PHEMT功率器件。
下面將說明根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的各種特性測量的結(jié)果。制造了柵極長度為0.5微米(μm)、單位柵極寬度為150微米和總柵極寬度為1.5mm的功率器件，并用于特性測量。
圖9為表示根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的跨導和飽和電流值的曲線圖。從圖9中可看出，根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的夾斷電壓Vp大約為-0.5伏。當柵極電壓為0伏時，飽和電流Ids大約為70mA。當柵極電壓為1.2伏時，最大飽和電流Imax大約為500mA?？紤]到以最大飽和電流的15～20％的電壓工作的普通級別的AB放大器，可將加在柵極輸入端上的柵極工作電壓設(shè)定成不小于0伏。顯然，PHEMT功率器件可以用單一的電源電壓工作，而不需要加負的偏壓。另外，當柵極電壓在0至1.1伏范圍內(nèi)變化時，跨導Gm在200～250ms/mm范圍內(nèi)幾乎是一致的。結(jié)果，PHEMT功率器件的具有提高的線性。
圖10為顯示根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的電流-電壓特性的曲線圖。如圖10所示，根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的拐點電壓Vk在最大飽和電壓Vmax下低至1.4伏。這個結(jié)果說明，即使外延生長的襯底包括該無攙雜的GaAs封蓋層，歐姆接觸電阻也可保持較小。
圖11是表示根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的擊穿電壓特性的曲線圖。在圖11中，擊穿電壓Vbd高達20伏。這是由于沿器件表面的電流泄漏通過在PHEMT功率器件中使用無攙雜的GaAs封蓋層而得以減小造成的。
圖12是顯示根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的功率特性的曲線圖。這些功率特性是利用負載牽引方法(load-pull method)，在頻率為5.75GHz下在輸入功率為-2至14dBm時確定的。如圖12所示，對于不同的輸入功率，功率增益為常數(shù)10dB。這是由于，根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件是在優(yōu)化的工藝條件下制造的，以具有能改善線性的外延結(jié)構(gòu)，因而具有恒定的跨導。
在根據(jù)本發(fā)明的帶有雙平面攙雜外延生長襯底的PHEMT功率器件中，下部的第一攙雜硅層具有比上部第二攙雜硅層高的攙雜濃度，使得PHEMT功率器件的跨導相對于柵極電壓不變。另外，該外延生長襯底中的輕度攙雜AlGaAs層在濕法凹蝕刻中保證了均勻的蝕刻，該凹蝕刻被進行來制造根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件。根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件的總制造工藝簡單，因此提高了生產(chǎn)率。該PHEMT功率器件的外延生長襯底包括無攙雜的GaAs封蓋層，該封蓋層形成來與源電極和漏電極接觸，以降低接觸電阻，從而在維持低的拐點電壓的同時提高電壓特性。通過優(yōu)化的外延生長襯底結(jié)構(gòu)，即優(yōu)化的攙雜濃度和施主層厚度，根據(jù)本發(fā)明的PHEMT功率器件可保持跨導恒定，而不論柵極電壓如何。無攙雜GaAs封蓋層的使用和優(yōu)化的工藝條件使得PHEMT功率器件能用單一電源電壓工作，而不需要施加負偏壓，并且能具有高的擊穿電壓、優(yōu)異的線性和功率增加效率。
雖然已結(jié)合優(yōu)選實施例具體地說明了本發(fā)明，然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當知道，在不偏離本發(fā)明的實質(zhì)和范圍的條件下，可在形式和細節(jié)上對該器件的作各種改變。
權(quán)利要求
1.一種假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，包括一外延生長襯底，該襯底包括依次堆疊在半絕緣GaAs襯底上的一GaAs緩沖層、一AlGaAs/GaAs超晶格層、一未攙雜的AlGaAs層、第一攙雜硅層、第一隔離襯、一InGaAs電子輸運層、第二隔離襯、具有與第一攙雜硅層不同的攙雜濃度的第二攙雜硅層、一輕度攙雜的AlGaAs層、以及一無攙雜的GaAs封蓋層；在該無攙雜的GaAs封蓋層上形成、并與它形成歐姆接觸的一源電極和一漏電極；以及在該輕度攙雜的AlGaAs層上形成的延伸穿過該無攙雜的GaAs封蓋層的一柵電極。
2.如權(quán)利要求1所述的假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，其中，源電極和漏電極中的每一個均由AuGe/Ni/Au金屬薄膜制成。
3.如權(quán)利要求1所述的假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，其中，第一攙雜硅層具有比第二攙雜硅層高的攙雜濃度。
4.如權(quán)利要求1所述的假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，其中，第一攙雜硅層具有1.5×1012～2.5×1012cm-3的攙雜濃度，且第二攙雜硅層具有0.7×1012～1.5×1012cm-3的攙雜濃度。
5.如權(quán)利要求4所述的假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，其中，第一攙雜硅層的攙雜濃度是第二攙雜硅層的攙雜濃度的兩倍。
6.如權(quán)利要求1所述的假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，其中，無攙雜的AlGaAs層包含摩爾比為0.3或更小的鋁。
7.如權(quán)利要求1所述的假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，其中，輕度攙雜的AlGaAs層具有1.0×1016～1.0×1017cm-3的攙雜濃度。
8.如權(quán)利要求1所述的假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，其中，無攙雜的GaAs封蓋層具有1～100納米的厚度。
9.如權(quán)利要求1所述的假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，其中，InGaAs電子輸運層包含摩爾比為0.25或更小的銦。
10.如權(quán)利要求1所述的假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，其中，InGaAs電子輸運層具有1～15納米的厚度。
11.如權(quán)利要求1所述的假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，還包括在無攙雜的GaAs封蓋層的被源電極、漏電極和柵電極露出的部分上形成的一保護性絕緣層。
12.如權(quán)利要求11所述的假同晶高電子遷移率晶體管功率器件，其中，該保護性絕緣層由氮化硅層構(gòu)成。
13.一種制造假同晶高電子遷移率晶體管功率器件的方法，包括步驟在一半絕緣的GaAs襯底上，順序堆疊一GaAs緩沖層、一AlGaAs/GaAs超晶格層、一無攙雜的AlGaAs層、第一攙雜硅層、第一隔離襯、一InGaAs電子輸運層、第二隔離襯、具有與第一攙雜硅層不同的攙雜濃度的第二攙雜硅層、一輕度攙雜的AlGaAs層、以及一無攙雜的GaAs封蓋層；通過在該無攙雜的GaAs封蓋層上形成一層金屬薄膜，而形成在該無攙雜的GaAs封蓋層上并與之歐姆接觸的一源電極和一漏電極；在該無攙雜的GaAs封蓋層的外露表面上形成一保護性絕緣層；以及通過將該保護性絕緣層的一部分除去，而定義露出該無攙雜的GaAs封蓋層的一部分的一柵極區(qū)；通過在該柵極區(qū)內(nèi)凹蝕刻該無攙雜的GaAs封蓋層的外露部分，而露出該輕度攙雜的AlGaAs層的一部分；以及在該輕度攙雜的AlGaAs層的外露部分上形成一柵電極。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，在順序堆疊步驟中，第一攙雜硅層被形成來具有是第二攙雜硅層的兩倍的攙雜濃度。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，在順序堆疊步驟中，該輕度攙雜的AlGaAs層被形成來具有1.0×1016～1.0×1017cm-3的攙雜濃度。
16.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，露出該輕度攙雜的AlGaAs層的該部分的步驟包括形成一光致抗蝕劑構(gòu)圖，以凹蝕刻該無攙雜的GaAs封蓋層，該構(gòu)圖具有一個寬度比將在所定義的柵極區(qū)內(nèi)形成的柵電極大的開口。
17.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括在形成源電極和漏電極的步驟以后，利用快速熱退火來熱處理源電極和漏電極。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種在雙平面攙雜外延生長襯底上形成的、并可用單一電源電壓工作的假同晶高電子遷移率晶體管(PHEMT)功率器件，及其制造方法。該PHEMT功率器件包括一外延生長的襯底，該襯底包括依次堆疊在半絕緣GaAs襯底上的一GaAs緩沖層、一AlGaAs/GaAs超晶格層、一未攙雜的AlGaAs層、第一攙雜硅層、第一隔離襯、一InGaAs電子輸運層、第二隔離襯、具有與第一攙雜硅層不同的攙雜濃度的第二攙雜硅層、一輕度攙雜的AlGaAs層、以及一無攙雜的GaAs封蓋層；在該無攙雜的GaAs封蓋層上形成、并與其形成歐姆接觸的一源電極和一漏電極；以及在該輕度攙雜的AlGaAs層上形成的延伸穿過該無攙雜GaAs封蓋層的一柵電極。
文檔編號H01L29/778GK1428870SQ02116140
公開日2003年7月9日 申請日期2002年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月28日
發(fā)明者金海千, 樸敏, 文載京, 邢昌熙, 池弘九, 安浩均 申請人:韓國電子通信研究院