Si-Delta-dotierte GaAs-PHEMT-Heterostruktur
As a leading semiconductor wafer manufacturer, Ganwafer can supply III-V semiconductor epitaxial wafers, more specifications please refer to https://www.ganwafer.com/product/iii-v-epi-wafer/. Hier nehmen wir als Beispiel die Delta-dotierte GaAs-pHEMT-Heterostruktur (Pseudo-Matched High Electron Mobility Transistor), und die spezifischen Schichtmaterialien der Delta-dotierten Heterostruktur DpHEMT mit einer Stoppschicht sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. PHEMT ist eines der am weitesten verbreiteten Mikrowellen- und Millimeterwellen-Leistungsgeräte. In der doppelt δ-dotierten GaAs-PHEMT-Materialstruktur sind die Grenzflächeneigenschaften und die Wachstumsqualität des InGaAs-Kanals der verspannten Schicht die Schlüssel zur Bestimmung der Leistung des Materials. Es hat sich herausgestellt, dass eine doppelte Delta-Dotierung die Ladungsträgerkonzentration des GaAs-pHEMT im Vergleich zu einer einfachen Delta-Dotierung effektiv erhöht.
1. Delta-dotierte pHEMT-Heterostruktur
1.1 Epitaxial pHEMT Structure on GaAs Substrate
GANW201028-PHEMT
| Schichtname |
|
Dicke, ähm |
Leitfähigkeitstyp |
|
|
| Kontaktschicht | H17 | 0.080 | N. | GaAs | 5,0 × 1018 |
| Schicht stoppen | H16 | - - | - - | Al0,9Ga0,1As | - - |
| Sperrschicht | H15 | - - | - - | Al0,22Ga0,78As | - - |
| Abstandsschicht | H14 | - - | - - | GaAs | - - |
| Delta-Schicht | H13 | - - | - - | Si | - - |
| Abstandsschicht | H12 | 0.0004 | - - | GaAs | - - |
| Abstandsschicht | H11 | - - | - - | Al0,23Ga0,77As | - - |
| Abstandsschicht | H10 | - - | - - | GaAs | - - |
| Kanalschicht | H9 | - - | - - | In0,23Ga0,77As | |
| Abstandsschicht | H8 | - - | - - | GaAs | - - |
| Abstandsschicht | H7 | - - | - - | Al0,23Ga0,77As | - - |
| Abstandsschicht | H6 | - - | - - | GaAs | - - |
| Delta-Schicht | H5 | - - | - - | Si | 0,74 × 1012 CM-2 |
| Abstandsschicht | H4 | 0.0004 | - - | GaAs | - - |
| Sperrschicht | H3 | - - | - - | Al0,23Ga0,77As | - - |
| Puffer-Heterostruktur |
H2 |
- - | - - | GaAs,AlGaAs | - - |
| substrate
(001) |
H1 |
625 ± 25 | - - | GaAs | - - |
1.2 Specification of Epitaxial РНЕМТ- -1δ Structure on GaAs Substrate for Low Noise MMIC Applications
GANW190213-PHEMT
| Schichtmaterial | Dicke | Doping (Concentration) | Notes |
| N+ GaAs | - - | Si doped,(6E18 cm-3) | |
| n-AlxGa1-xAs | - - | Si doped, (–) | X=0.24±0.005 |
| i-AlxGa1-xAs | 7 | undotierte | X=0.24±0.005 |
| Delta- Si | - - | Planar Si doped, (–) | |
| i-GaAs | - - | undotierte | |
| i-AlxGa1-xAs | - - | undotierte | X=0.24±0.005 |
| i-GaAs | 1 | undotierte | |
| InyGa1-yAs | - - | undotierte | - - |
| GaAs (buffer 2) | - - | undotierte | |
| Superlattice | - - | undotierte | X=0.24±0.005 |
| AlxGa1-xAs (3.2 nm)/ | |||
| GaAs (– nm), x 6 | |||
| GaAs (buffer 1) | 200 | undotierte | |
| (100) GaAs substrate | undotierte |
Remarks：
* layer thickness deviation less than 5%
* Doping referred to desirable channel electron concentration ns=1.7E12 cm-2 ±5 % (for the reference Hall structure with i-GaAs 4 nm cap layer rather than n+GaAs for transistor structure)
* Channel Hall mobility should exceed 7000 cm2/(V s) at room temperature (typical 7050-7150 cm2/(V s))
1.3 Specification of GaAs Epitaxial Р-НЕМТ 2δ Structure for Power Amplifier MMIC Applications
GANW190213-PHEMT
| Schichtmaterial | Dicke | Doping (Concentration) | Notes |
| N+ GaAs | - - | Si doped, (–) | |
| n-AlxGa1-xAs | - - | Si doped, 1E18 cm-3 | X=0.22±0.005 |
| Delta- Si | - - | Planar Si doped, (–) | |
| n-AlxGa1-xAs | 4 | Si doped, (–) | X=0.24±0.005 |
| i-AlxGa1-xAs | - - | undotierte | X=0.24±0.005 |
| Delta- Si | - - | Planar Si doped, (–) | |
| i-GaAs | 0.5 | undotierte | |
| i-AlxGa1-xAs | - - | undotierte | X=0.23±0.005 |
| i-GaAs | - - | undotierte | |
| InyGa1-yAs | 14 | undotierte | - - |
| i-GaAs | - - | undotierte | |
| i-AlxGa1-xAs | - - | undotierte | X=0.23±0.005 |
| Delta- Si | - - | Planar Si doped, (–) | |
| i-GaAs | 0.5 | undotierte | |
| i-AlxGa1-xAs | - - | undotierte | X=0.23±0.005 |
| GaAs (buffer 2) | - - | undotierte | |
| Superlattice | - - | undotierte | X=0.23 |
| AlxGa1-xAs (– nm)/ | |||
| GaAs (– nm), x 6 | |||
| GaAs (buffer 1) | 150 | undotierte | |
| (100) GaAs substrate | undotierte |
Remarks：
* layer thickness deviation less than 5%
* Doping referred to desirable channel electron concentration ns=2.8E12 cm-2 ±10 % (for the reference Hall structure with i-GaAs 4 nm cap layer rather than n+GaAs for transistor structure)
* Channel Hall mobility should exceed 6100 cm2/(V s) at room temperature (typical 6200-6500 cm2/(V s))
2. Additional FAQ about Device Parameters on GaAs PHEMT Structure
Q: We need the following parameters for basic transistors：
Structure 1.2: Gm=630 mS/mm, Vth=-0.4 V, Ids0~300 mA/mm, Idsmax~ 550 mA/mm (Usd~2V) for Lg~0.15 um.
Structure 1.3: Gm=430 mS/mm, Vth=-1.2 V, Ids0~400 mA/mm, Idsmax~ 550 mA/mm (Usd~5V), Ubd~ 20 V, for Lg~0.25 um
So can your GaAs pHEMT structure meet these requirements?
A: Yes, we can understand and epitaxial these pHEMT structures to meet your requirement.
You want to match Gm, Idmax, Idss and Vth in addition to channel Hall mobility and channel electronic concentration requirements, it needs to adjust 2-3 Runs in order to finally meet your needs. This requires to make three structural fine-tuning for each structure before ordering 100 pieces, mainly to fine-tune the size of Idss, i.e. 12 pieces each time (6 pieces for each structure, one structure for each two pieces), do 2-3 times, which is expected to meet your needs, after your confirmation, you can place another 100 pieces of orders.
3. AlGaAs Spacer Layer and InGaAs Channel in GaAs PHEMT
The existence of the AlGaAs sapcer layer enables the ionization of the donor impurities, the ionized donor and the electrons are spatially separated. Then, the donor stays on the side of the barrier layer, and the electrons enter the channel layer. The existence of the spacer layer increases the distance between the ionized donor and the electron, which not only reduces the Coulomb scattering between the two, but also further reduces the ionized impurity scattering of the electron, and improves the mobility and saturation velocity of the electron. However, with the thickening of the spacer layer, the difficulty of electrons entering the channel layer will increase, and the excessively thick spacer layer will affect the concentration of the two-dimensional electron gas, resulting in the degradation of the performance of the pHEMT device.
Die Bandlücke von Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs)-Material ist schmaler als die von Galliumarsenid (GaAs) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs), so dass der Heteroübergang, der durch Kombinieren mit dem Material mit breiter Bandlücke gebildet wird, eine größere Leitungsbanddiskontinuität aufweist, und seine Quantenpotentialmulde ist sehr empfindlich gegenüber zweidimensionalem Der Begrenzungseffekt des Elektronengases ist stärker, und es können eine höhere zweidimensionale Elektronengaskonzentration und eine größere Ladungsträgerbeweglichkeit erzielt werden. Verglichen mit AlGaAs/GaAs-Materialien zeigt das GaAs pHEMT-Datenblatt, dass InGaAs/GaAs-Materialien einen größeren Unterschied in der Gitterkonstante und somit einen höheren Grad an Fehlanpassung aufweisen, was durch Steuerung der Wachstumsdicke der InGaAs-Kanalschicht reduziert werden kann.
4. Delta Doping of PHEMT Technology
Der Falleneffekt wird durch die planare Dotierungstechnologie geschwächt, die Abschnürspannung wird gut kontrolliert, die Durchbruchspannung des Gates wird erhöht und die Ladungsträgerkonzentration im Kanal wird erhöht. Im Hinblick auf die Vorteile der planaren Dotierungstechnologie wird die planare Dotierungstechnologie (dh die Delta-Dotierungstechnologie) auch in GaAs-pHEMT-Transistoren verwendet.
Für den GaAs-pHEMT-Prozess gibt es zwei Arten von Delta-Dotierung: Einfach-Planar-Dotierung und Doppel-Planar-Dotierung. Nachdem die Kanalschicht und die Abstandsschicht aufgewachsen sind, werden nur wenige Atomlagen von Donator-Fremdstoff-Silizium auf dem oberen Teil der Kanalschicht aufgewachsen, und dann wird die AlGaAs-Sperrschicht erneut aufgewachsen. Dieses Dotierungsverfahren ist eine Einzelebenendotierung; Doppelebenen-Dotierung besteht darin, dass beim pHEMT mit zwei Heteroübergängen Siliciumatomschichten sowohl auf dem Vorwärtsübergang als auch auf dem Rückwärtsübergang auf beiden Seiten der InGaAs-Kanalschicht zum Dotieren aufgewachsen werden.
Bei dem in einer Ebene dotierten pHEMT gibt es nur einen dotierten Heteroübergang im oberen Teil des Kanals, und ein zweidimensionales Elektronengas existiert in dem dreieckigen Potentialtopf, der an der Grenzfläche des Übergangs gebildet wird. Sowohl der obere als auch der untere Heteroübergang der mit zwei Ebenen dotierten pHEMT-Kanalschicht sind dotiert, und die beiden dotierten dreieckigen Potentialtöpfe bilden aufgrund der relativ geringen Breite der Potentialtöpfe annähernd quadratische Potentialtöpfe. Ursprünglich haben die zwei dotierten dreieckigen Potentiale zweidimensionales Elektronengas, so dass die Konzentration des zweidimensionalen Elektronengases von pHEMT hoch ist, und wegen der Bildung eines quadratischen Potentialtopfs ist die Beschränkungswirkung auf das zweidimensionale Elektronengas offensichtlicher , so dass die Leistung von pHEMT auf der Basis von GaAs verbessert wird, wie z. B. bessere Linearität, höhere Verstärkungsbandbreite.
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