3-1. 元件結構
傳統異質結構場效電晶體元件磊晶的結構依序包含:矽基板、過 渡成核層(c-doped buffer)、3.9微米氮化鎵成核層、300奈米氮化鎵層、
1奈米未摻雜氮化鋁層以及25奈米氮化鋁鎵層，如圖1 (a)模型A所示。
圖1 (c)模型C與(d)模型D為具有金屬-氧化物-半導體異質結構場效應 電晶體，於沉積鎳/金閘極前，在氮化鋁鎵層上多沉積了氧化鋁氧化層；
而圖1 (b)模型B與(d)模型D相較於圖1 (a)模型A與(c)模型C則是在氮化 鋁鎵層中進行鋁含量的調整，使整體元件裝置可有增加通道電流密度 與減少閘極漏電流的特性。
3-2. 元件製程
(1) 高台絕緣(Mesa Isolation)的製作：
此步驟將每一個元件隔離，避免產生互相影響的現象。本專題使 用電感耦合式乾蝕刻(ICP-RIE)方式，蝕刻出元件間的絕緣區域。
(2) 源/汲極的歐姆接觸(Source and Drain Ohmic Contact)：
使用鈦/鋁/金作為源極與汲極歐姆接觸的材料。在黃光微影製程 後定義出其源/汲極區域，依序蒸鍍上鈦(10奈米)、鋁(50奈米)、金(100 奈米)金屬，沉積金屬後再以攝氏溫度900度作退火處理完成歐姆接觸。
(3) 氧化層沉積(Oxide Deposition)：
此步驟為金屬-氧化物-半導體閘極(MOS-gate)結構中重要的一環。
目前常見沉積氧化物的方式有很多種，本專題使用可在常壓下且可連 續生產的超音波噴霧熱解沉積法來製作氧化層。在歐姆接觸後，將含 有氧化鋁化合物之溶液經過超音波霧化成氣體分子，再經過高溫爐管 沉積在基板上，形成氧化層。
(4) 閘極蕭特基接觸(Gate Schottky Contact)：
使用鎳/金作為閘極蕭特基接觸的材料。在黃光微影製程步驟後 定義出的閘極區域沉積鎳(100奈米)、金(20奈米)即完成。
3-3. 常見之氧化方法
3-3-1. 電子束蒸鍍 (e-beam evaporation)
主要由一個用以執行真空蒸鍍的蒸鍍(Evaporator Chamber)，及 一組用以提供蒸鍍所需之真空渡真空系統所組成的。在蒸鍍室內，固 態的沉積材料，稱為蒸鍍源(Source)，將被放置在一只由高溫材料 (Refractory)所製程的坩堝(Crucible)內，且這個由導電材料所組成的坩 堝，再利用電子束(Electron Beam)來執行蒸鍍源加熱，一直到接近蒸 鍍源的熔點附近時，原本處於固態的蒸鍍源的蒸發能力將非常強，利 用這些被蒸發出來的蒸鍍源原子，在離蒸鍍源上方不遠處的晶片表面 上，進行薄膜的沉積。
以成長氧化鎂(MgO)多晶薄膜為例，其製作步驟如下：
1. 將 玻 璃 片 放 在 電 子 束 蒸 鍍 機 台 的 晶 圓 座 下 方 ， 做 為 基 板 (Substrate)。
2.將氧化鎂(MgO)固體放在石墨坩堝(鍋子)內。
3.以電源供應器加熱鎢絲產生電子束，並且以磁場控制電子束的方 向照射氧化鎂(MgO)固體，使氧化鎂固體熔化而產生蒸氣向上蒸發。
4.在高真空下，氧化鎂分子會蒸發在玻璃基板上沉積，形成氧化鎂 多晶薄膜。
3-3-2. 射頻濺鍍(RF sputtering)
在真空腔室中有一固體平板，由欲以鍍膜的原料所製成，此平板 稱為靶(Target)，靶被接地，當所加的電流為射頻(RF，13.56MHz)稱 為射頻濺射，大部分用在介電材料。電極有二極或三極兩種，三極式 的增加一個陽極或陰極，使基座和靶電壓對電漿改變的靈敏度降低，
厚度均勻；也可使用磁電式，同時加磁場及電場，以使電子行動的路 徑加長，增加碰撞機會，產生更多氬離子，以增加生產速率。
氬氣被導入腔室並被離子化之後，攜帶正電，因此帶正電的氬原 子會被接地的靶板吸引並向其加速運動，在加速前進中氬離子得到能 量，然後撞擊在靶材上，此時發生能量轉移現象，氬離子將靶材內的 原子敲出，在腔室內運動，此即所謂濺(Sputtering)的動作。原子或分 子在腔室中散射，一部分會到達晶圓上並停留沉積在其上。
3-3-3. 電漿化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor
1.將矽晶圓放在PECVD 機台的晶圓座上方，做為基板(Substrate)。
2.在高真空下，將甲烷(CH4)通入反應器內。
3.對甲烷施加高能量的電磁波(RF)，使甲烷(CH4)的化學鍵結斷裂，
形成甲烷電漿，也就是碳離子(帶正電)。
4.碳離子(帶正電)受到負極(帶負電)的吸引而向矽晶圓(基板)移 動，在基板上沉積形成類鑽石薄膜。
3-3-4. 有機金屬化學氣相沉積(metal-organic chemical vapor deposition)
MOCVD 成長薄膜時，主要將載流氣體(Carrier gas)通過有機金 屬反應源的容器時，將反應源的飽和蒸氣帶至反應腔中與其它反應氣 體混合，然後在被加熱的基板上面發生化學反應促成薄膜的成長。由 於只需要高真空(High Vacuum，HV)，反應用的有機金屬氣體可以較 大量且快速地在基板上沉積，成本較低，適合工廠大量生產；但是在
3-3-5. 原子層化學氣相沉積(atomic layer deposition, ALD)
顧名思義，原子層化學氣相沉積(ALCVD)為一種逐層沉積原子 層級厚度的薄膜沉積技術，ALCVD 利用氣體前驅物在基材表面進行 選擇性化學吸附反應時，在達到單一飽和吸附層狀態後，即不再產生 表面吸附反應，因此在薄膜成長過程中，利用此一自我限制的反應特 性，即可以實現原子級厚度的薄膜成長。由於優異的均勻覆蓋率與順 應性，ALCVD 製程技術被認為是未來 IC 製程技術中，進行超薄與極 小結構之薄膜沉積極重要之 CVD 技術，可被應用的製程模組包括高 介電係數閘極介電層與銅金屬連線技術裡的 Cu 晶種層與障壁層。
3-3-6. 超音波噴霧熱解沉積技術(ultrasonic spray pyrolysis deposition) 將可溶於水的金屬鹽類配置成先驅溶液，通入超音波霧化系統，
使先驅溶液霧化成氣體，再通入管型爐進行熱裂解，分解出欲沉積 於基板上之分子，接著使用靜電沉積技術將欲沉積之分子抓取到基 板上。裝置如附件圖。
※靜電沉積原理
在磁場範圍內，攜帶粉末粒子的載體，在磁場下形成鏈狀，通 過施加靜電場，使粉末粒子沉積於基板上。此時粉末粒子的量取決 於靜電場的強度，當靜電場力大於粉末粒子與載體間的庫侖力時，
粉末粒子就會沉積下來，通過調節靜電場的大小來調節塗膜的厚度。
第四章、實驗結果與討論
4-2. 直流與脈衝模式特性
為了瞭解介面的特性，量測模型C與模型D脈衝電流-電壓曲線、
觀察閘極延遲特性。將工作週期(DUTY CYCLE)和閘極脈衝寬度設定 為20%和10秒以量測脈衝-IV曲線。DC的誤差(∆cc)被定義為∆cc =
4-3. 外質轉導與汲極電流特性
MOS-gate設計相較於模型A HFET設計，可以達到大於模型A的IDS電 流密度，這是因為使用USPD可以有效鈍化表面。儘管如此，模型D的 漸進式障壁層仍然有最高的IDS,max與IDSS0。此外由實驗觀察到模型C和 模型D因為多了閘極氧化層，增加閘極到通道的距離，因此gm,max比模 型A和模型B來的低，實驗結果顯示，插入絕緣層不會使gm,max降低太多。從模型C和模型D觀察gm,max的特性得知，gm,max與使用USPD有效
4-4. 雙端截止崩潰電壓和導通電壓與三端截止崩潰電壓特
性由圖7(a)、(b)、(c)得，在室溫下模型A-D當IGD、IDS為1 mA/mm時 對應到的崩潰電壓(BVGD)、導通電壓(Von)、BVDS各別如下
Sample A Sample B Sample C Sample D BVGD (V) -89.3 -96.8 -162.1 -171
Von (V) 0.3 0.7 3.4 3.6
BVDS (V) 71 89 147 155
表6 研究元件的崩潰電壓與導通電壓特性比較
模 型D( 模 型 C) 對 模 型 B( 模 型 A) 的 BVGD改 善 比 率 為76.7%
(81.5%)、導通電壓大約為4 (10)倍、BVDS改善比率為74.2% (107%)，
此結果顯示出MOS-gate設計可以達到改善崩潰電壓的目的。而在 所有模型中，模型D因其本身的設計增強了閘極絕緣性與表面鈍 化，所以擁有最好的崩潰電壓特性。
4-5. 截止頻率與最大頻率震盪頻率之特性
以使用HP8510B向量網路分析儀連接串聯探針，在頻率為0.2 GHz~20 GHz的範圍量測裝置，測量模型A-D在室溫下的微波特性。
如圖8，模型A-D的截止頻率(fT)與最大頻率震盪頻率(fmax)分別為 論，雖然MOS-HFET的gm,max值會比Schottky-gate-HFET來得低，但是 MOS結構的閘極電容(CG)會因空乏電容(Cdep)與氧化層電容(Cox)的串 接效應而大幅下降，因此仍然會得到比較高的截止頻率(fT)，而模型 D(模型C)對模型B(模型A)的截止頻率增加幅度大約為33% (33.7%)
最大頻率振盪頻率(fmax)可近似為 fmax = fT
4-6. 功率特性
以負載拉移系統測量出頻率2.4 GHz下的功率特性，如圖9。
模型A-D的輸出功率(Pout)、功率增益(GS)與功率附加效率(P.A.E.) 數值各別如下
Sample A Sample B Sample C Sample D Pout (dBm) 19.9 20.7 22.2 23
GS (dB) 14.5 15.1 16.7 16.9 P.A.E. (%) 32.5 33.8 38 38.5
表8 研究元件的功率特性比較
由此可看出，模型D因改善了閘極絕緣特性、崩潰電壓與IDS電流 驅動能力，因此有很好的功率表現優勢。