雖然矽金氧半場效電晶體至今已被廣泛應用在許多電路，但是深入調查發現 其他半導体材料，例如三五族化合物半導體材料由於它有極佳的電子特性所以運 用於高功率與高速電子電路應用。起先，GaAs 的有效質量比矽小，導致室溫下 GaAs（8500 cm2/V.s 以上）之電子移動率比矽（1500cm2/V.s 以上）更高。由於 在單晶微波積體電路（MMICs）下其低雜訊、高電流增益、高效能與高線性特 性可被使用與製造，以GaAs 為基底的元件漸漸比矽受歡迎[1-5]。
總觀過去，以 n-AlGaAs/GaAs 晶格匹配為基底材料的調變參雜場效電晶體 引起了廣大的關注，不單應用在高速數位系統[6]有良好效能在高頻微波元件[7]
亦是如此。自從西元1986 年，假晶式異質結構場效電晶體以快速地進步發展。
改善傳統晶格匹配 AlGaAs/GaAs 異質結構場效電晶體的一個方法是以 InGaAs 當做二維電子雲通道的材料取代以往的 GaAs。運用一 InGaAs 薄層當做假晶式 通道的好處包含（1）增強電子在 InGaAs 通道傳輸特性（2）改善在量子井通道 的限制能力（3）在 AlGaAs/InGaAs 異質接面處產生較寬的不連續傳導帶。然而，
材料AlGaAs 與材料 InGaAs 之間存在晶格不匹配。一旦 InGaAs 層厚度超過臨界 厚度皆會導致晶格差排[8]。此臨界厚度可以減少漸增之銦含量層的差排情況並 維持彈性張力。一般而言，成長在GaAs 的假晶式通道之銦含量被限制在 25-30%
以維持高品質[9]。因此，不連續傳導帶△Ec被限制在大約 0.35 電子伏特而且對 於單異質接面的片載子密度被限制在大約 2×1012 cm-2。為了獲得高銦含量的 InGaAs 通道層，成長在磷化銦（InP）基板上的 InAlAs/InGaAs 高電子移動率場 效電晶體（HEMTs）已被研究開發。
InAlAs/InGaAs 高電子移動率場效電晶體（HEMTs）對磷化銦（InP）基板 比起成長在GaAs 基板的 InAlAs/InGaAs 假晶式高電子移動率場效電晶體較晶格 匹配已被證實具有更優越的微波特性與低雜訊特性[10-12]。這個優越表現的理由 是InAlAs/InGaAs 異質結構具有傑出的載子限制能力與 InGaAs 通道中擁有電子 高飽和速度。使用磷化銦基板最主要的優點在於InAlAs/InGaAs/InP 是理想晶格 匹配。然而，磷化銦基板價格貴、易碎、雖可設計出較小線寬但是比起GaAs 基 板製程技術仍不成熟。這些磷化銦基板之負面因素限制了良率也是最大阻礙而無 法量產。相對地，現今GaAs 基板於大線寬設計已成功達到量產。此優越的特點 使我們可以有效的去研究以GaAs 基板的 InAlAs/InGaAs 元件。我們致力的焦點 著重於尋找堅韌的緩衝層以容納在InAlAs/InGaAs 異質結構的主動層與 GaAs 基 板 存 在 之 晶 格 不 匹 配 所 產 生 的 應 力 。 漸 變 的 InxAl1-xAs 、 InxAlyGa1-x-yAs 、 AlxGa1-xAsySb1-y已被納入作為緩衝層的考量。高電子移動率場效電晶體元件亦被 稱為「異質」（MM）結構已被證實具有相當前瞻性的工作效能[13-17]。
以GaAs 為基板的 InAlAs/InGaAs 異質結構高電子移動率場效電晶體擁有高 增益、低雜訊與高截止頻率特性[18]。然而，高銦含量的 InGaAs 通道 MHEMTs 會產生紐結效應[19-22]。本篇專題中，我們以 In0.45Al0.55As/InxGa1-xAs 線性漸變 通道之 MHEMT 為結構設計，為了解決紐結效應，我們在蕭積層蒸鍍不同金屬 與矽氮化物。藉由改善紐結效應，我們可以獲得較佳的各種特性。此外，我們討 論在不同高溫度下測試不同元件。當溫度升高將會影響各種直流特性。
本專題中一開始先介紹傳統 HEMT 概念，第二章簡述 HEMT 分別由覆蓋 層、蕭基層、間隔層、通道層與緩衝層組成。第三章說明元件製程的過程。此外，
我們也研究 HEMT 結構設計與發展。第四章陳述直流特性、溫度、微波、功率 與雜訊。第五章則對此篇專題做結論。
第二章 MHEMT 基礎
此章節裡，我們將介紹以InGaAs 通道擁有變晶式緩衝層的基礎和 MHEMTs 每一層的功能。此外，也介紹紐結效應是如何發生的。
2-1 介紹 MHEMTs
近年來，單晶微波積體電路運用以InP 為基底的 HEMTs 已被用在微波通訊 和雷達系統。因為高電子移動率、低功率消耗與高整體電流增益頻率使得InP 基 底之HEMT 受到熱切關注。
以銦為基底之 HEMTs 可以改善載子傳輸特性因為沉積較高銦含量的
InGaAs 化合物在磷化銦基板上沒有晶格不匹配的問題。然而，磷化銦基板的缺 點包含機械性破碎、受限的晶圓尺寸與昂貴磊晶成長。為了克服這些困難，一個 具有潛力的解決方法就是運用漸變緩衝層；它可伸展從具有成本效益的GaAs 基 板到高銦含量 InxAl1-xAs/InxGa1-xAs 之主動層的晶格常數。緩衝層抑制了大部分 的晶格缺陷；些缺陷是由晶格轉變所造成的。這個結構型態被定義為變晶式 HEMTs。
2-2 MHEMTs 結構層設計
HEMT 典型的結構是成長在 GaAs 半絕緣基板，由(1)覆蓋層(2)無摻雜蕭基 層(3)δ-摻雜層(4)無摻雜間隔層(5)漸變 InxGa1-xAs 通道(6)異質緩衝層，所組成。
HEMT 各層結構細節將在以下討論：
1. 覆蓋層
典型的InGaAs 覆蓋層是以重摻雜矽約 1019cm-3，提供HEMT 良好的歐姆接 觸，減少元件源極電阻值，並且保護蕭基層免於表面氧化。元件中覆蓋層若是一 個非常重的摻雜且厚度厚的產物會導致於非常高的電子速度、轉導值與整體電流 增益截止頻率。然而，擁有較厚覆蓋層的 HEMT 也明顯地降低元件崩潰電壓但 使元件較不易有均勻閘極掘入。覆蓋層必須完全地凹陷不能與閘極接連到，以避 免覆蓋層存在並聯效應。
2. 無摻雜蕭基層
蕭基層通常比通道層為較寬能帶。由於在InAlAs/InGaAs 異質表面有很大的 不連續傳導帶，在這個不連續的地方電子會從InAlAs 擴散進入 InGaAs 並且形成 二維電子雲，允許高片電荷密度和改善載子限制力。一個較薄的 InAlAs 蕭基層 能從閘極到通道距離縮小導致於有較高轉導值但也降低崩潰電壓。汲極飽和電流 以及外質轉導可以表示成：
(1)
以及
(2)
∆d 是絕緣層/通道層介面中的有效二維電子雲的位置，d 是由閘極到絕緣層/
通道層介面的距離，以及ε 相關位置的介電常數。明顯地，d 如果變小，其他參 數不變時，可得較高轉導值。
3. δ-摻雜層
擁有δ-摻雜層的 HEMT 元件具有下列幾項好處[24-26]：
(1)高汲極電流潛力
(2)低雜子散射效應 (3)高線性轉導
(4)高閘極圖像縱橫比以降低短通道效應
δ-摻雜材料具有高汲極電流潛力是因為它的重摻雜濃度與無摻雜蕭基層能 增大崩潰電壓。因為載子能良好受限於 V-形狀量子井所以轉導值也明顯地增大 [27-28]。此外，由於較高濃度的二維電子雲使得通道之阻值比傳統 FET 更小。
這些好處明顯地影響閘極長度低於二微米的短通道元件特性[29]。以上的高移動 率與高轉導值讓擁有δ-摻雜層的元件在高速元件應用上大有潛力。
HEMT 元件在通道上插入 δ-摻雜片層能獲得較高轉導值。而且當 HEMT 元 件在通道下插入δ-摻雜片層能獲得較高的崩潰電壓。分別在通道上下兩側插入雙 層δ-摻雜片層能獲得較高載子濃度。
4. 無摻雜間隔層
HEMTs 元件中，在施體原子與電子之間仍存在靜電作用稱為庫倫散射。為 了解決這個問題，我們用間隔層分離載子供應層與通道層。電晶體特性上間隔層 的厚度是很重要的議題。薄的間隔層厚度可有效地增加通道之總片電荷密度，並 且導致較小的源極電阻，較高轉導值與較高電流密度。另一方面，較厚的間隔層 能在較低電荷密度的通道上提供較高電子移動率。典型的間隔層厚度約為 20Å
~50Å。
5. 漸變 InxGa1-xAs 通道
對於線性漸變通道的 HEMT 結構，二維電子雲聚集在靠近蕭基層與通道的 表面，這是由於在摻雜層施體離子的吸引所致。我們可以預期在漸變通道能有較 好的載子傳輸與轉導特性。相反地，對於一個反向步階漸變通道 HEMT 結構，
漸變InxGa1-xAs 通道轉移二維電子雲靠近通道與位障表面銦含量較高的地方。可 預期有較低有效質量與較低庫侖散射[30-32]。
6. 異質緩衝層
HEMTs 元件中，電子會因為汲極倒源極的電場被注入緩衝層，貢獻多餘的 源極電流。這導致有較高源極輸出電導與不良夾止特性。抑制緩衝層漏電流我們 採用能量障蔽。本專題中，我們使用四元素組成的變晶式緩衝層來提升緩衝層之 能寬能量並且降低輸出電導值。變晶式緩衝層可讓我們沉積臨界磷化銦 HEMT 層在漸變緩衝層的最頂部，此緩衝層可延展晶格常數從砷化鎵到磷化銦。這樣的 緩衝層有兩個重要的功能：容納主動層與砷化鎵基板之間因為差排現象的晶格不 匹配與陷捕這些不合適的差排以避免波及主動層成長在這個緩衝層。除此之外，
使 用 不 同 銦 含 量 的 變 晶 式 緩 衝 層 允 許 我 們 成 長 高 品 質 不 容 易 結 合 的 InxAl1-xAs/InxGa1-xAs 異質結構。
2-3 紐結效應
對於三-五族化合物半導體 FET 紐結效應是有害的現象，導致輸出電導增 加，轉導壓縮與直流和射頻特性分散。雖然很多論文研究此問題，但此效應的物 理機制仍是一個熱切爭論的問題[18-21]。對於三-五族 FETs 的紐結效應我們提出 三個最主要的解釋：
1. 通道的離子撞擊和繼而發生的電洞聚集導致表面或通道與基板表面的位能變 化。
2. 深層電場相依之陷捕與非陷捕。
3. 結合離子撞擊與深層的效應，藉由產生電洞減少表面的空位能態，此深層是 基板或通道與基板表面深層。
第三章 元件結構與製程
本章節中，我們將會介紹元件結構與製程。
3-1 元件結構
藉由低壓金屬有機氣相沉積系統，元件結構以(100)方向成長在半絕緣砷化 鎵基板。成長一層 300nm 厚的線性漸變未摻雜 InAlAs 的緩衝層是為了鬆弛應
藉由低壓金屬有機氣相沉積系統，元件結構以(100)方向成長在半絕緣砷化 鎵基板。成長一層 300nm 厚的線性漸變未摻雜 InAlAs 的緩衝層是為了鬆弛應