批覆表面 [28]，這是由於她有鈍化表面懸鍵的能力 [29]。
適當地形成閘極空乏層能使其擁有控制元件參數的優點。使用批覆層是個有 效的方法來大大地降低 GaAs 表面複合機制 [30]。
我們將在第二章介紹 InGaAsSb/GaAs PHEMT 的工作原理及結構層的設計。
第三章詳細地說明製作元件的過程。第四章則討論各個樣本的元件特性。最後將 在第五章作個總結。
第二章 PHEMTs 磊晶成長與工作原理
2-1 典型的 PHEMTs
近年來 HEMTs 因為有以下幾項之優點所以備受矚目：
1.高電子移動率。
2.低消耗。
3.高單位電流增益頻率(fT) 。 4.高崩潰電壓與高功率特性。
在等級一到四的比較之下， HEMTs 明顯地優於其他積體電路，例如金屬-半導 體場效應電晶體(MESFET)、雙極性接面電晶體(BJT)。其他特性列於表 2-1。
表 2-1 元件的排序關係。
2-2 HEMT 磊晶層設計
使電子與施體分離是HEMT 成功運作的關鍵。二維電子雲受限於三角井中 使電子具有量子化能量，因為位勢障的寬度小於德布羅依波長。典型的
InGaAsSb/GaAs HEMT 的結構是由 n+ GaAs 覆蓋層， GaAs 蕭特基層， InGaAs 通道層以及 GaAs 緩衝層所構成。
我們的結構由以下所組成：(a) n+ GaAs 覆蓋層(b)未摻雜 GaAs 蕭特基層 (c)載子提供層 (d) 未摻雜 GaAs 間隔層 (e) 未摻雜 InGaAsSb 通道層 (f)
未摻雜 GaAs 緩衝層。
2-2-1 覆蓋層
典型的 GaAs 覆蓋層摻雜大約 1018/cm3的矽，而這將提供 HEMT ㄧ個很好 的毆姆接觸。覆蓋層中很高的摻雜濃度與厚度的乘積可以下降元件中源極的電阻 值，並且保護蕭特基層免於表面氧化與空乏。若覆蓋層沒有完全的凹槽蝕刻，則 會導致並聯的效應。
2-2-2 蕭特基層
蕭特基層的能隙通常比通道寬。由於 InGaAs/GaAs 異質接面有很大的傳導 帶不連續，所以電子從 GaAs 擴散到 InGaAs 形成二維電子雲，導致較高的面 電荷密度且改善載子的侷限能力。ㄧ個較薄的 GaAs 蕭特基層使閘極金屬與通道 間的距離較小，能有效地提升轉導值但也犧牲了崩潰電壓。
2-2-3 間隔層
間隔層間隔了二維電子雲與解離施體，下降了由施體原子所造成的庫倫散射 以及增加電子的移動率。間隔層的厚度對電晶體的性能有很重要的影響，較薄的 間隔層能增加 InGaAs 通道內的面電荷密度，而較厚的間隔層則會增加電子移動 率，但二維電子雲的形成效率則會下降。典型的間隔層厚度為 20Å~50Å 。
2-2-4 銻摻雜的假晶性砷化銦鎵通道層
我們以 InGaAsSb 做為二維電子雲通道的材料來改善 HEMT 的性能。從圖 2-1 中可以看出能帶與晶格常數的關係。 InGaAsSb 通道層與 GaAs 之間存有 晶格不匹配的問題，如圖 2-2 所示，為了使兩者的晶格常數能匹配， InGaAsSb 通 道層必須被壓縮。 InGaAs 與 GaAs 之間的晶格不匹配會隨著臨界厚度而改變，
如圖 2-3 所示。在 HEMT 中使用 InGaAsSb 層的優點包括：增加電子傳輸能力、
改善載子在量子井通道中的侷限能力，以及提升電子移動率 [34]-[35]。
圖 2-1 Ⅲ-Ⅴ 族化合物的能帶與晶格常數關係圖
圖 2-2 PHEMT 結構的晶格排列
圖 2-3 In
xGa
1-xAs 的臨界厚度與 InAs 莫耳數的關係圖
2-2-5 緩衝層
為了提高絕緣通道特性與消除在基板上造成的電性影響，許多人致力於研 究緩衝層。雖然典型的 GaAs 緩衝層擁有高阻值，但使用品質較差的基底時，
絕緣特性將不如預期。汲極-源極的電場會使電子注入緩衝層。高阻值與寬能帶 的 AlGaAs 是個理想的緩衝層材料，但其元件性能嚴重地受成長係數影響，這 主要是因為較難得到品質良好的接面，而使通道中的電子移動率下降。改善這個 問題的方法是插入GaAs 薄層在粗糙的 AlGaAs 層中以增加雜質數目，並且提 供下一層AlGaAs 長晶層一個平滑的表面，這樣能阻絕來自基板因缺陷和雜質產 生的電性影響，並且有精確的夾止特性和微波功率特性。
2-3 二維電子雲
在異質介面中，電子會從較高的摻雜層轉移到較低的未摻雜通道層。因為電 子被表面位勢限制在 X-Y 平面上移動，而被量子化成為不連續的次能帶，如此 被限制在二維平面上的移動，稱之為二維電子雲(2DEG)。而 2DEG 被侷限在三 角井中以及電子能帶的量子化，是由於位勢井小於德布羅依的波長。
在圖 2-4(a)中說明了假晶性結構中的自洽電位和 2DEG 。薛丁格方程式與 帕松方程式可推導出 2DEG 的濃度(n )。 s
(2-1)
其中，K = 波茲曼常數 T = 絕對溫度 m* = 電子有效質量 2πh = 普朗克常數
而薛丁格方程式可推導出次能帶(Ei)為
(2-2)
在圖 2-4(b)中，我們可以在 InGaAs 通道中找到最低的三個次能帶與 ε5，
以及在 GaAs 中找到 ε4和 ε6。能量被分散於 InGaAs 量子井的次能帶中，而超 過百分之九十九的電子在最低的三個次能帶中，造成二維電子雲濃度區域化分 布。
載子脫離了 GaAs 層的解離雜質原子至 InGaAs 量子井中，離子雜質散射 的影響會下降，使電子移動率上升，而使元件擁有較高的操作速度。
圖 2-4 (a) 傳導帶(Ec)與 2DEG 濃度的剖面圖( ε1為第 i 個次能帶) (b) 電子在次能帶的機率密度
第三章 元件結構與製程步驟
3-1 元件結構
我們以固態源分子束磊晶系統來製作出 GaAs/In0.2Ga0.8AsSb PHEMT 的磊 晶，圖 3-1 為樣本 A ，圖 3-2 是批覆層為氮化矽的樣本 B ，而圖 3-3 是硫化 批覆層的樣本 C 。
圖 3-1 樣本 A 的結構圖
圖 3-2 樣本 B 的結構圖
圖 3-3 樣本 C 的結構圖
磊晶結構中含有： 0.4um 的 GaAs 緩衝層在 (100) 方向半絕緣 GaAs 基底 上、 9.5-nm 的 In0.2Ga0.8AsSb 通道、 4-nm 的未摻雜 GaAs 隔絕層、 20-nm N 型的 GaAs 載子提供層( n=5×1018cm-3)、 15-nm 未摻雜的 GaAs 蕭特基層，最 後為 20-nm 矽摻雜( 7 × 1018cm-3) GaAs 覆蓋層。
移開覆蓋層之後覆蓋上批覆層，在此研究中，我們比較了沒有批覆層的樣本 A 、氮化矽批覆層的樣本 B ，以及硫化批覆層的樣本 C。
3-2 製程步驟
為了建立製程圖案樣本，所以使用標準的微影與掀離( lift-off )技術。而為 了保持晶圓的純度，則必須在每個製程步驟之前用丙酮加入超音波震動器清洗，
再利用去離子水清洗晶圓片，並且使用高純度的氮氣吹乾以維持晶圓片的清潔。
而如圖 3-4 所示的元件製程步驟，有以下四個階段：
1. 樣本定位 (Sample Orienting) 2. 高台絕緣 (Mesa Isolatiion)
3. 源極與汲極金屬化 (Source and Drain Metallization) 4. 閘極蕭特基接觸 (Gate Schottky Contact Formation)
步驟一
3-2-1 樣本定位
氣吹乾。在源極和汲極的連接金屬是利用合金 Au/Ge/Ni 在事先蒸鍍的 Au 上，
3.上光阻，旋轉使覆蓋光阻均勻 4.軟烤 ( 曝光前烘烤 )
5.曝光 6.顯影 7.蒸鍍 8.掀離
3-2-5 氮化矽批覆層的結構 ( 樣本 B )
在移除覆蓋層後，為了得到高品質的氮化矽，所以我們在三百度時使用電漿 化學氣相沉積法(PECVD)來沉積 10nm 的氮化矽表面批覆層。我們使用氫氟酸 (HF)蝕刻掉氮化矽，而得到微影在樣本上的圖案，然後鍍上鎳跟金來形成蕭特 基接觸。掀離過程後，批覆層即將完成。
3-2-6 硫化批覆層的結構 ( 樣本 C )
在三十度時，將樣本 A 迅速浸入硫質量分率為百分之五的硫化銨溶液中，
浸泡十分鐘後再取出。使用丙酮和去離子水洗滌再以高純度氮氣吹乾。經過這些 程序， GaAs 表面與毆姆接觸的金屬表面都非常地乾淨，沒有硫化物的殘留。
第四章 實驗結果與討論
4-2-1 電流電壓特性
圖 4-1、4-2 以及 4-3 分別表示在室溫下樣本A 、樣本 B 以及樣本 C 典型 共源極的汲極電流密度(IDS)，和汲極-源極電壓(VDS)的關係。我們觀察閘極-源 極電壓(VGS)為 0.5V 到 -1.5V ，且每下降 0.5V 便作一次量測。圖 4-4 中則 比較了三個樣本的數據，且我們可以很明顯地看出樣本B 和樣本 C 有較好的夾 止特性。樣本C 有最佳的特性，因為硫化批覆層降低了蕭特基層的表面陷捕，
如此調變了空乏區深度也增加了有效通道寬度，所以元件的有效載子密度便被提 升了。
圖 4-1 300K 時，樣本 A 的電流電壓特性曲線圖
圖 4-2 300K 時，樣本 B 的電流電壓特性曲線圖
圖 4-3 300K 時，樣本 C 的電流電壓特性曲線圖
圖 4-4 300K 時，三個樣本的電流電壓特性比較圖
4-2-2 外部轉導特性
圖 4-5、4-6 以及 4-7 中分別顯示，樣本A 、樣本 B 以及樣本 C 在 VDS=3V 時，外部傳導(gm)以及飽合汲極電流(IDS)兩者對 VGS 的關係，而圖 4-8 則將三 圖綜合起來做比較。
圖 4-5 300K， VDS=3V 時，樣本 A 的外部傳導以及飽合汲極電流。
圖 4-6 300K， VDS=3V 時，樣本 B 的外部傳導以及飽合汲極電流。
圖 4-7 300K， VDS=3V 時，樣本 C 的外部傳導以及飽合汲極電流。
圖 4-8 300K， VDS=3V 時，三個樣本的外部傳導以及飽合汲極電流比較圖。
表 4-1 三個樣本的 gm ， IDS ， Vth 以及 GVS 。
表 4-1 中顯示飽合汲極-源極電流(Idss)和最大飽和汲極電流(Id,max)。我們可 以很明顯地看出樣本B 和樣本 C 的 gm值大於樣本A 。因為表面狀態的下降，
樣本B 和樣本 C 有較高的電流密度。
此外，我們以最大外值轉導下降百分之十的值定義閘極電壓擺動(GVS)和線 性IDS操作區。圖 4-9 顯示了外質轉導與汲極電流密度的關係。顯而易見地，當 VDS=3V 時，沒有 gm 峰值的樣本B 和樣本 C 比樣本 A 還要平坦，所以 GVS 以 及線性 IDS操作區域較樣本A 佳。三個樣本所對應的線性 IDS 工作區分別為 237.3、253.5、240.2 mA/mm 。
圖 4-9 300K 時，外部轉導與汲極電流密度的關係圖
圖 4-10 300K 時，三個樣本的崩潰電壓
表 4-2 中，樣本 B 和樣本C 的閘極-汲極崩潰電壓優於樣本 A ，是因為擁 有較高的蕭特基障礙高度。由於崩潰電壓與蕭特基障礙高度和表面漏電流有關，
所以具有硫化銨批覆層的樣本可以明顯地改善崩潰特性。
表 4-2 三個樣本的兩端特性
4-2-4 輸出電導特性
圖 4-11、4-12 以及 4-13 表示三個樣本的外質轉導、輸出電導以及電壓增益 與汲極電壓的關係。本質電壓增益的公式被定義如下：
d m o m
v g
r g g
A = • = (4-2)
圖 4-11 樣本A 的 gm 、 gd 以及 Av與汲極電壓的關係。
圖 4-12 樣本B 的 gm 、 gd以及 Av與汲極電壓的關係。
圖 4-13 樣本C 的 gm 、 gd 以及 Av與汲極電壓的關係。
在表 4-3 中為三個樣本在 VDS=3V 時量測的結果。因為表面陷捕減少，樣 本B 和樣本 C 的外部電導小於樣本 A ，而樣本 C 擁有高的輸出阻抗，故能達 到低的輸出電導以及高的電壓增益。在飽和區中，較低的輸出電導導致較高的輸 出阻抗，此為一優點，能使電壓增益上升以及降低了負載效應。
表 4-3 VDS=3V 時，三個樣本的 gm 、 gd 以及 Av。
4-3 射頻特性
圖 4-15 VDS=3V，閘極面積為 1.2×200 μm2時，樣本B 的 RF 特性。
圖 4-16 VDS=3V，閘極面積為 1.2×200 μm2時，樣本C 的 RF 特性。
在表 4-4 中概述了在 VDS=3V 時的 fT 和 fmax 。因為有硫化銨批覆層，樣
本C 擁有較高的 fT和fmax ，如此一來，表面鍵結以及相關聯的電容將被降低。
表 4-4 閘極面積為 1.2×200 μm2 時，三個樣本的 fT 和 fmax 。
4-4 功率特性
輸入直流功率與輸出交流功率成一比例，使用樣本功率測試系統來作量 測，其中源極與負載阻抗必需與兩對針腳吻合,並且以帶通濾波器結合功率檢測
輸入直流功率與輸出交流功率成一比例，使用樣本功率測試系統來作量 測，其中源極與負載阻抗必需與兩對針腳吻合,並且以帶通濾波器結合功率檢測