[实用新型]一种GaAs基高铟组分沟道改性高电子迁移率晶体管材料结构

说明书

本实用新型公开了一种GaAs基高铟组分沟道改性高电子迁移率晶体管材料结构，该结构由在半绝缘GaAs衬底(1)上依次生长的InAlAs连续渐变缓冲层(2)、InAlAs固定组分缓冲层(3)、InGaAs沟道层(4)、InAlAs空间隔离层(5)、平面掺杂层(6)、InAlAs势垒层(7)、InGaAs重掺杂帽层(8)组成。该材料结构设计了新的InAlAs缓冲层以满足生长高In组分InGaAs沟道层的需求。这种高In沟道层可以增强沟道载流子限制、增加沟道载流子浓度和迁移率，提高器件的高频性能。

技术领域

本实用新型属于化合物半导体材料技术领域，涉及一种由分子束外延技术生长的砷化镓(GaAs)基改性高电子迁移率晶体管(MHEMT)材料结构。

背景技术

高电子迁移率晶体管(HEMT)具有高频、高速、高功率增益和低噪声等特点，因而被广泛应用于军事和民用通讯领域，如毫米波雷达、电子对抗、卫星通讯及无线通讯等。随着化合物半导体技术和信息技术的飞速发展,越来越需要更高频率、更大带宽的半导体器件与电路,尤其是低噪声器件与电路,来满足下一代高速通信与探测遥感系统的需求。InP基的InAlAs/InGaAs/InP高电子迁移率晶体管(HEMT)由于其特有的高迁移率、低表面复合速率、良好的低噪声性能等,在高频、低噪声应用中有很大的优势。InPHEMT器件的fmax可以达到了1.0THz以上。常规的GaAs基HEMT主要应用于Ka波段以下，而InP基HEMT在更高频的W及以上波段仍具有高增益、低噪声的优异性能，这是普通GaAs基HEMT所不可及的。但是InP基HEMT也有它的不足之处，如成本高、易碎裂，加工工艺兼容性等问题。因此，促使在GaAs基改性高电子迁移率晶体管(MHEMT)技术逐渐获得了更多的研究。这种GaAs基的MHEMT结构，是在GaAs衬底上采用渐变组分技术生长InAlAs缓冲层，然后在这个缓冲层上外延生长与InP衬底上类似的InAlAs/InGaAs外延结构。GaAs基MHEMT可认为是GaAs衬底上的InP HEMT技术,它利用了GaAs衬底上成熟的器件工艺，具有较好的工艺兼容性，降低了制造成本。同时，GaAs基MHEMT器件也兼具了InP基HEMT高频、高功率增益和低噪声系数的优点,在W及以上波段的毫米波单片集成电路(MMIC)中的功率放大器和低噪声放大器应用方面有很大发展前途。

GaAs MHEMT外延片在器件有源区与GaAs衬底之间生长一个相对较厚的InAlAs缓冲层，InAlAs缓冲层中的In组分逐渐增加，其作用是使得晶格常数从GaAs过渡到InP，为后续的器件有源区外延提供基体。InAlAs缓冲层中In组分渐变一般有两种方式：一个是阶跃渐变型，另一个是连续渐变型。其中In的组分从0变至0.52左右,使晶格常数从GaAs逐渐弛豫到InP。一般的GaAs基MHEMT使用这种缓冲层后,其有源区的InGaAs沟道层中In的组分在0.4-0.6之间，这样的沟道层就基本可以满足低噪声、大功率微波器件和单片集成电路方面的一般需求。然而，更高的沟道In组分(如>75％)可以增加沟道载流子浓度、提高沟道载流子迁移率、增强沟道载流子限制，进一步提高器件的性能，使得MHEMT在毫米波、亚毫米波以及光电子应用方面有着很大应用前景。但是，在常规InAlAs缓冲层上生长更高In组分的InGaAs沟道层在外延层面上有很大的困难。因为当InGaAs沟道层的In组分增大到70％以上时，InGaAs沟道层和InAlAs缓冲层存在着太大的晶格失配，会产生大的压缩应变。由于在InAlAs缓冲层中业已存在大量的失配位错，当沟道层中InGaAs的应变太大时，这些已经存在的失配位错极易促发沟道层中发生晶格弛豫，在沟道层中也产生大量的失配位错，进而严重降低沟道层中的载流子输运性能。因此，缓冲层结构需要重新设计以满足生长高In组分沟道层的需要。

实用新型内容

本实用新型提出了一种GaAs基高In组分沟道的MHEMT材料结构，设计了新的InAlAs缓冲层以满足生长高In组分InGaAs沟道层的需求。该材料结构由InAlAs缓冲层以及器件有源区各层组成。这种高In沟道层可以增强沟道载流子限制、增加沟道载流子浓度和迁移率，提高器件的高频性能。