第一章 第一章
第一章 序論 序論 序論 序論
半導體工業發展至今，矽(Si)是使用最普遍的半導體材料，因為 矽元素在地表的含量豐富易於提煉，且其氧化物(SiO2)具有優異的絕 緣特性，所以很適合作為電子元件的基礎材料。但是隨著需求演進，
矽元素諸多的物理限制，包括電子移動率低、頻率操作範圍小、無法 耐高溫操作、高頻操作有大雜訊且不易解決、元件輸出功率與效能 低、抗輻射性差…等問題，使得在極高頻的應用上不易有所突破。
近代由於金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)系統與分子束磊晶 (MBE)材料成長系統的迅速發展，促使許多關於半導體材料與異質接 面結構的研究邁進一大步，這是由於它們能讓摻雜層的雜質均勻分佈 且能精確的控制磊晶厚度。對單晶微波積體電路(MMIC)應用而言，
能達到高功率、高頻率、低雜訊和低失真[1~5]等特性。到目前為止，
對於異質結構場效電晶體的元件設計者而言，最主要的追求目標是要 達到高速、高電流驅動能力和高崩潰的特性[6~10]。
在過去幾年裡，調變摻雜式場效電晶體由於n 型的砷化鋁鎵/砷化 鎵晶格匹配，對高速與高頻微波元件應用的影響引起廣泛的討論。自 從 1986 年假晶性異質結構場效電晶體的快速發展以來，產生了許多 改變。而其中之一的改善是改變砷化鋁鎵/砷化鎵異質結構場效電晶
體的晶格匹配。將原本的砷化鎵改為砷化銦鎵當作二維電子氣通道的 材料。而它的優點是利用一個薄的砷化銦鎵層當作假晶性通道層。如 此一來，將可以改善三個特性︰
(1) 可以增加在砷化銦鎵通道的電子傳輸速度。
(2) 改善量子井通道裡的載子侷限能力。
(3) 因為砷化鋁鎵/砷化銦鎵的異質接面會有較大的不連續 傳導帶，所以會讓電子遷移率增加。
然而，砷化鋁鎵與砷化銦鎵之間的晶格並不匹配，所以砷化銦鎵 層必須控制的很薄，使晶格不匹配的問題可以改善，成為一個假晶性 材料。從前，砷化銦鎵層的厚度往往超過臨界厚度而造成晶格的位 移，為了維持晶格匹配而把銦的摻雜計量提高使臨界厚度下降。所以 當注入高含量的銦時，砷化銦鎵層的厚度就必須設計的更薄。當我們 提高銦的計量時有包含以下幾點好處:
(1) 高電子移動率。
(2) 高載子侷限能力。
(3) 高電流密度。
(4) 高轉導值。
(5) 高單位電流增益頻率。
(6) 低源極電阻值。
對於假晶性砷化銦鎵高電子移動率電晶體操作在毫米波段方面的 性能上[11~13]，儘管有相當多的研究。然而，p 型的高電子移動率電 晶體當作微波功率元件時，會被相對低的二維電子氣裡內片載子密度 和低汲極崩潰電壓所限制。這是因為在閘極金屬與通道間具有相當高 的載子供應層。
近來以砷化鎵為基底的異質結構實驗證明，通道摻雜式異質結構 場 效 電 晶 體 可 以避 免 許 多 高 電 子移 動 率 電 晶 體 原先 固 有 的 缺 點 [14~18]。特別是異質結構場效電晶體能達到較大的崩潰電壓和較大的 閘極偏壓擺幅。造成這個結果的原因是當施體遠離閘極界面之後，將 使通道層成為n 型的重摻雜，如此一來通道摻雜說明了通道摻雜式異 質結構場效電晶體具有較寬的閘極偏壓操作範圍，因此對於汲極到源 極的電流(IDS)與閘極到源極的電壓(VGS)就具有高的線性度[19~20]。
但是，通道摻雜式結構證明在通道內會發生雜質散射效應，它在微波 特性上會造成較差的電子移動率。
在這專題裡，為了改善元件增益線性度與微波特性，我們製造一 個雙 δ-摻雜對稱通道摻雜式異質結構場效電晶體，與傳統通道摻雜式 異質結構場效電晶體及假晶性高電子移動率電晶體比較，我們期盼通 道裡的輕摻雜層可以減少雜質散射與增強閘極偏壓擺幅。並且利用對 稱型通道設計[21~22]，將電子限制在 V 型能帶裡，藉以增加電子傳
輸。這是由於電子被限制在通道裡的高速區域。所以 V 型通道摻雜 可以證明利用雙 δ-摻雜對稱型通道摻雜式異質結構場效電晶體能夠 改善元件增益的線性度與射頻特性。
當使用雙 δ-摻雜載子供應層時，可以獲得更高的二維電子氣。因 為這樣，將比使用單一載子供應層更能獲得更高的片載子濃度。從這 個設計，我們可以期盼改善電流驅動能力和輸出功率特性。
接著我們在第二章裡介紹金屬有機氣相沉積(MOCVD)系統與分 子束磊晶(MBE)系統。並詳細的介紹元件製程的步驟；第三章討論假 晶性高電子移動率電晶體的工作原理，並且比較假晶性高電子移動率 電晶體與通道摻雜式場效電晶體之優缺點；第四章則介紹這次所研究 的三種元件的結構與簡介，並且報告利用霍爾量測所得的資料；在第 五章中討論這次研究的元件特性並且研究此元件與溫度相關的特 性。最後，第六章裡將會為這份專題做一個總結。