變晶式高電子移動率電晶體(Metamorphic HEMT)

在磷化銦(InP)系列之HEMT，由於通道中(材料通常為砷化銦鎵，

InxGa1-xAs) 有較高的銦(In)含量(與InP 晶格匹配時，x =0.53)，

所以通道具有高的電子移動率、高的飽和速度、低的電子有效質量及 大的Γ-L 值，在許多應用上元件的性能都來得比砷化鎵系列優異許 多(由於晶格匹配的關係，通道的x 不會超過0.25)，因此當應用在異 質結構場效電晶體的通道層(channel layer)時，可以提升元件的傳 輸速度進而改善元件的高頻響應，以及增加通道載子的侷限效果。雖 然InP HEMTs RF 性能比GaAs pHEMTs 更為優越，然而InP 電晶體的 商業化仍有待努力。主要原因是InP 基板較貴且容易破碎，亦沒有較

大尺寸的基板，儘管如此，InP HEMTs 在所有類型效電晶體中擁有最 低的雜訊指數和最高的工作頻率。

為了解決上述問題，在GaAs 基板上成長InP 系統材料的方法，近 幾年來已經被發展出來了。此種利用變晶(metamorphic)方法，不但 可以使元件保有InP 的高性能特性，更可以利用較便宜且大尺寸的 GaAs 基板降低生產成本，Metamorphic 最主要的目的在於可以在 GaAs 基板上成長銦(In)莫耳分率較高的InxGa1-xAs 材料，使得元件 的特性可以與成長在InP 基板上的元件匹敵。然而當In 的含量越 大，則GaAs 與InGaAs 的晶格不匹配的情形也越嚴重。當晶膜厚度 大於臨界厚度時，晶格間所存在的應力會使晶格發生扭曲進而引起晶 格的缺陷及錯位，使元件的特性大幅的衰減。為了克服此問題，在磊 晶成長變晶型元件時，必須在GaAs 及InGaAs 之間成長一變晶緩衝層 (metamorphic buffer)來釋放GaAs及InGaAs 因晶格不匹配所造成的 應力。所以如何成長高品質、高阻質、無缺陷的變晶緩衝層，將是決 定元件特性優劣的主要關鍵。目前最常用的變晶緩衝層為逆向步階式 漸進緩衝層(inverse step graded buffer)，如圖1-1 所示。

圖1-1 高電子移動率電晶體(HEMT)的構造

因為砷化鋁(AlAs)的晶格常數與砷化鎵(GaAs)的晶格常數幾乎 一，所以我們的變晶緩衝層可以在砷化鎵基板側成長AlAs(即

InxAl1-xAs，其中x = 0)，然後逐漸的調變In 及Al 的成份(即調變 x)，至In0.52Al0.48As（即x = 0.52），因為此時的In0.52Al0.48As 晶格常數與InP 的晶格常數是相等的。不過在調變的過程中，我們會 將In 的含量先超過0.53(通常會調至0.63)，然後在再降回0.52，形 成所謂的逆向步階式漸進緩衝層，如圖1-2。因為它能夠最有效釋放 因晶格不匹配所造成的應力。

圖1-2 InxAl1-xAs Metamorphic Buffer of InGaAs/GaAs MHEMTs

同時我們可以看出，藉由調變M-buffer 不同In 的含量，我們可 以隨意調整通道中In 的含量，以符合我們的需求。一般而言，若要 適用於高功率元件中，則元件之崩潰電壓必須要大，因此通道中In 的 含量通常都不會超過0.4。反之，若要用於高頻率、低雜訊的放大器 上，則元件須有較大的電子移動率及轉導值，因此通道中In 的含量 通常都在0.5 以上。

四元化合物半導體緩衝層–在Metamorphic HEMT(MHEMT)中，

buffer 層大多為InAlAs，由於HEMT 在製作時，有時電極會鍍在緩衝 層上，若緩衝層的絕緣性(isolation)不好時，則將會在緩衝層上形 成漏電流。為了減少此漏電流，有一些論文已發表出使用所謂的四元 化合物半導體來當做緩衝層。一般而言，四元的化合物半導體具有較 大的能隙，所以會具有較佳的絕緣性，可以減少緩衝層漏電流，進而 增加元件的崩潰電壓。

1.2 金氧半-高電子移動率電晶體(MOS-HEMT)簡介

在傳統的高電子移動率電晶體中，未摻雜的蕭基層(Schottky layer) 用 來 當 做 閘 極 絕 緣 層 ， 典 型 的 I²-HEMT(Insulated-gate inverted-HEMT)結構如圖 1-3 所式，其中，AlGaAs 為絕緣層圖 1-3(a) 是當 Vg<0 條件下之能帶圖，此時費米能階落在傳導帶，因此在三 角型量子井內的電子被空乏掉，而圖 1-3(b)是當 Vg>0 條件下之能帶 圖，此時電子累積在 GaAs/N-AlGaAs 介面的三角型量子井內。以 及 MIS(Metal-Insulator- Semiconductor)結構，如圖 1-4 所示。然而，

這結構衍生出了所謂的金屬-氧化物-半導體高電子移動率電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor High Electron Mobility Transistor, MOS-HEMT)，如圖 1-5 能帶圖所示。MOS-HEMT 具有 MOS 結構 的優點：低閘極漏電流、低表面缺陷以及高密度的二維電子雲通 道。改善了傳統的 HEMT 崩潰電壓以及漏電流等問題。

圖 1-3(a)空乏，(b)累增模式下的 I²-HEMT 能帶圖。[1]

圖 1-4n⁺-Ge gate AIGaAs/GaAs heterostructure MISFET截面圖。[2]

圖 1-5(a)空乏，(b)平帶，(c)累增模式下的 MOS-HEMT 能帶圖。[3]

第二章

2.1 InAlN/GaN-based HEMT

早期 AlGaN/GaN HEMT 廣泛的應用於高功率或高頻領域上，後 來有研究指出 InAlN/GaN HEMT 表現更優於前者，原因如下：(1)高 的極化引發二維電子雲濃度以及(2) InAlN 與 GaN 晶格匹配。其中，

2.1.1 Current Collapse Effect

AlGaN/GaN-based HEMT 擁有大的崩潰電場、傳導帶不連續以及 極化引發高濃度的 2DEG，因此適用於高功率應用領域。往後為了改 善 AlGaN/GaN 介面特性，也因此導致了表面狀態捕捉效應，VETURY et al 研究中提出表面狀態對 AlGaN/GaN-based HEMT 的影響[6]，當 負電荷存在於表面，此時相當於負電壓施加在虛擬的閘極上方，因此 訊號的輸入由 VG以及 VVG(位於閘極和汲極間的捕捉電荷所等效的電 壓)控制，如圖 2-1-1-1 所示。換句話說，汲極電流不僅由閘極電壓控

制也會受到表面電荷的捕捉與釋放的機制而產生變化。以能帶圖的角 度來解釋，如圖 2-1-1-2 所示，當負電荷被捕捉在表面後會使得導電 帶升高，導電帶升高同時會讓量子井內的 2DEG 被空乏，這個現象一 直持續到介面的缺陷被載子填滿而飽和或操作在高頻之下，在高頻 下，載子會來不及釋放、捕捉，因此不會影響到汲極電流。

2.2 InAlN/AlN/GaN HEMTs With Gate Insulation

這裡的重點著重在介紹 KUZMIK et al 所提出，使用 ZrO2或 HfO2

來做為表面鈍化以及閘極絕緣之 InAlN/AlN/GaN MOS HEMTs[7]。在 製程的程序中，In0.18Al0.82 N/AlN/GaN 晶格匹配的系統分別以 MOCVD 沉積在藍寶石基板上，InAlN/GaN 之間的 AlN spacer 選擇以 1.1nm 為 沉積的厚度的目的在於增加 2DEG 的移動率，Gonschorek et al.研究的 數據指出，在 AlN interlayer 厚度等於 1.1nm 時，在室溫下有最大的 移動率 1170 cm²/V s (3170 cm²/V s at 77 K)[8]，如圖 2-2-1 表示。作者 將 InAlN/AlN/GaN 分為三種樣品，第一部分將 Ti/Al/Ni/Au 直接鍍在 InAlN 之上做為歐姆接觸，即為參考樣品 Schottky barrier HEMT，另 外兩片樣品則優先以 MOCVD 沉積 ZrO2 和 HfO2 10nm，接著做歐姆 接觸，Hf/Zr(tfacac)4則在 450℃下氧化沉積，當介電質沉積完畢後，

再將歐姆接觸熱回火 800℃，最後步驟則鍍上 Ni/Au 閘極金屬於三個 樣品。Schottky barrier HEMT 以及 MOS HEMT 截面圖如圖 2-2-2 所示。

經過閘極絕緣後的 InAlN/AlN/GaN HEMT 首先要討論的是閘極 電流-電壓特性，從圖 2-2-3 我們可以觀察出 MOS HEMT 的閘極漏電 流與 SB HEMT 相比，高了 4 個數量級，其中，ZrO2和 HfO2-based HEMT 兩者樣品的閘極漏電流太相近，因此不區分它們的差別。明顯 改善閘極漏電流的主要原因包含 ZrO2和 HfO2高介電常數、高能隙等 優點，取代傳統的 Schottky layer。圖 2-2-4，MOS HEMT 與 SB HEMT 轉導特性傳達給我們一些重要的訊息，第一，經過閘極絕緣後的外質

道載子被捕捉在閘極/InAlN 介面的缺陷中，造成外加訊號從直流轉換 到脈波訊號時在線性區發生電流值大幅下降。我們可以觀察到直流輸 隨著 VD上升有下降的趨勢，此為自發熱效應(Self-heating effect)。另 外，製程所引發的缺陷，使得在元件在操作時導致通道載子的捕捉與 釋放，因此我們可以從圖 2-2-5(a)發現 200nm 脈波比 100nm 脈波還要 高。MOS HEMT 的 ID-VD輸出特性，圖 2-2-5(b)所示，當外加訊號從 直流轉換到脈波訊號時，電流反增不減，主要的原因是多了介電質表 面修補的步驟，有效降低缺陷捕捉而造成電流崩潰，同時自發熱效應 也改善。

圖 2-1-1-1. 考慮虛擬閘極的元件(a)能帶圖與(b)模型。

圖 2-1-1-2. 表面電荷捕捉之 AlGaN/GaN 異質結構能帶圖。

圖 2-1-1-3. AlGaN/GaN HFET 之 I-V 特性，改變 VDD可獲得電流崩潰 現象。

圖 2-2-1. 移動率、表面均方根粗糙度對 AlN 厚度。[7]

(a) Schottky barrier HEMT

(b) MOS HEMT

圖 2-2-2. (a)SB 與(b)MOS HEMT 截面圖。

圖2-2-3. 閘極I-V特性，ZrO2- and HfO2 -based InAlN/AlN/GaN MOS HEMTs 與 SB HEMT。

圖 2-2-4. MOS HEMTs 與 SB HEMT 轉導特性(VDS = 8V)。

圖 2-2-5(a)SB HEMT 直流和脈波輸出特性(Vgs= -8V、-4V、0V，脈波 寬度：直流、100ns、200ns)。

圖 2-2-5(b) MOS HEMT 直流和脈波輸出特性(Vgs= -8V、-4V、0V，脈 波寬度：直流、100ns、200ns)。

第三章

在本章中，我們利用研讀文獻[10]的方式來探討 MOS-HEMT 與傳 統 HEMT 的性能上之差別，我們首先大略的簡介液相氧化法。

轉化半導體為氧化層，因此可得到較佳的氧化層及半導體界面。憑藉

圖 3-2、掃描式電子顯微鏡上視圖顯示砷化銦鎵 及經過氧化處理的砷化銦鎵區域之區別

圖 3-3 為砷化銦鋁/砷化銦鎵金氧半變晶高電子移動率場效電晶 體結構示意圖，變晶高電子移動率場效電晶體結構是利用有機金屬化 學氣相沉積機台磊晶成長於半絕緣砷化鎵基板上而得。室溫下，電子

霍爾移動率及二維電子氣片電子濃度分別為 7000 cm²/V s 及 2 x10¹²cm⁻²。金氧半變晶高電子移動率場效電晶體製作起始於利用濕蝕 刻液蝕刻半導體至緩衝層達到元件隔離的效果。歐姆接觸部分首先利 用熱蒸鍍方式蒸鍍金/鍺/鎳金屬合金於半導體表面，再利用舉離技術 定義金屬之區域，緊接著利用快速熱退火技術完成歐姆接觸之製作。

圖 3-3、砷化銦鋁/砷化銦鎵金氧半變晶高 電子移動率場效電晶體結構示意圖

圖 3-4 元件表面和側壁披護示意圖

然後，無需製作閘極蝕刻，直接將試片放入成長液中，在 50˚C 環境下於砷化銦鎵上成長所需的閘極氧化層(約莫一個小時)。於這道 手續內，氧化層成長及元件表面和側壁披護可以在同一時間內完成，

示意於圖 3-4。這主要是利用前述製作毆姆接觸時，蒸鍍的金/鍺/鎳 金屬作為遮罩，於砷化銦鎵表面造成選擇性氧化的效果。最後，蒸鍍 金作為閘極蕭基接觸之用，元件即製作完成。

3-2 元件結構

本文所探討的元件結構如圖 3-5 所示。MOS-HEMT 大體上跟傳統 HEMT 結 構 相 當 類 似 ， 為 一 不 同 的 地 方 在 於 MOS-HEMT 在 閘 極 與 i-InAlAs 蕭特基層之間加入了一層氧化層。一般而言 MOSHEMT 相較 於傳統 HEMT 的好處如下: 來，會造成 MOS-HEMT 的閘-源極電容(Cgs)下降許多，使得高頻效能

本文所探討的元件結構如圖 3-5 所示。MOS-HEMT 大體上跟傳統 HEMT 結 構 相 當 類 似 ， 為 一 不 同 的 地 方 在 於 MOS-HEMT 在 閘 極 與 i-InAlAs 蕭特基層之間加入了一層氧化層。一般而言 MOSHEMT 相較 於傳統 HEMT 的好處如下: 來，會造成 MOS-HEMT 的閘-源極電容(Cgs)下降許多，使得高頻效能