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主題文章1
應用於毫米波的三五族半導體元件III-V Semiconductor Devices for Millimeter-wave Applications張翼1,2、涂永義1、游宏偉1
1國立交通大學材料科學與工程學系、2國立交通大學電子工程學系
02
摘 要
本文將描述過去在本實驗室所做的一些應用於毫米波的三五族半導體元件，包括 GaAs PHEMT
(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor)、GaAs MHEMT (Metaphorphic-HEMT) 及 InP HEMT。
MHEMTs是結合數種晶格常數差異甚大之三五族磊晶材料，並利用緩衝層 (Buffer Layer)來減少磊
晶材料間 Misfit Dislocation(差排 )往上延伸至 Active Layer的一種元件。然而，PHEMTs磊晶結構
中材料間晶格常數都很接近，因此在磊晶過程中不需要成長很厚緩衝層 (Buffer Layer)去防止 Misfit
Dislocation 產生。InP的晶格常數與 In0.53Ga0.47As及 In0.52Al0.48As相當，在磊晶過程中不易產生 Misfit
Dislocation，可獲得較好磊晶品質。閘極沉降 (Gate Sinking)的製程技術可減少源極和閘極之間半導
體的電阻，並降低源極和閘極之間的電容 (Cgs)，進而改善了電晶體元件的射頻性能。複合通道結構
解決了單一 InGaAs通道的高銦含量所引起的低崩潰電壓問題，同時也保持了高銦含量具有的高電子
遷移率優點。
Abstract
In this paper, We report some of our previous work about III-V semiconductor devices for millimeter wave
applications, including GaAs PHEMT (Pseudomorphic High Electron Mobility Transistor), GaAs MHEMT
(Metaphorphic-HEMT), and InP HEMT. For MHEMTs, due to the lattice mismatch between each layer, a
thick bu�er layer is required to prevent mis�t dislocations from extending into active layers. However, for
PHEMTs, the lattice constant of each layer is very close, therefore, no thick bu�er layer is required to reduce
the mis�t dislocations during epitaxy. For InP HEMT, the lattice constant of InP matches that of In0.53Ga0.47As
and In0.52Al0.48As, hence, a very good crystalline quality could be obtained. The gate sinking process can be
applied to reduce the resistance and capacitance Cgs between source and gate, and the RF performance
could be enhanced compared to processes without gate sinking. The composite channel design resolves
the low breakdown voltage issue of a single InGaAs channel with high Indium content, and maintains the
advantage of high electron mobility in the same time.
關鍵字／Keywords ● 砷化鎵、磷化銦、高速電子遷移電晶體、假形高速電子遷移電晶體、變晶型
高速電子遷移電晶體、閘極沉降、埋入式閘極、複合通道、毫米波、W頻帶
● GaAs、InP、HEMT、PHEMT、MHEMT、Gate Sinking、Buried Gate、Composite Channel、Millimeter Wave、W Band
03
奈米通訊NANO COMMUNICATION 23卷 No. 4 應用於毫米波的三五族半導體元件
前 言
近年來由於高畫質影音傳輸的需求，使得高速無
線通訊技術受到高度重視，其中，毫米波元件技術更是
受到矚目。由於毫米波傳送的直進性良好，因此在傳送
端與接收端之間沒有障礙物的環境中，毫米波是優秀的
高速傳送技術。此外毫米波也可應用在國防工業，如雷
達、導航、反偵測等等。毫米波崛起的原因歸功於半導
體製程驚人的進步。於 2004年後，半導體製程進入 90
奈米世代，隨後半導體製程更進步到小於 65/45奈米，
使得電晶體截止頻率一直向上飆升。此外，以互補金氧
半導體 (CMOS)技術應用於射頻，更已在手機、無線網
路或全球衛星定位系統 (GPS)等產品得到印證。現在毫
米波元件大多採用三五族材料，非矽材料。下圖 1 顯
示三五族高速電子遷移電晶體之材料晶格常數、能隙
及波長，紅色框起來區域為三五族材料之晶格相互匹
配，如 Al0.3Ga0.7As/GaAs/GaAs及 In0.52Al0.48As/In0.53Ga0.47As/
InP。一般假形高速電子遷移電晶體 (Pseudomorphic
High Electron Mobility Transistor, PHEMT)之磊晶結構中
帶有微應力 (Strain)，常用材料如 AlGaAs/InxGa1-xAs/GaAs
(x<0.2)、InxAl1-xAs/InxGa1-xAs/InP (0.3<x<0.7)等；變晶型
高速電子遷移電晶體 (Metaphorphic-HEMT)之磊晶結構
如 InAlAs/InxGa1-xAs/GaAs (0.4<x<1)。此篇文章將針對
PHEMT、MHEMT及 InP HEMT等三五族毫米波元件之磊
晶及製程進行相關介紹。
假 形 高 速 電 子 遷 移 率 電 晶 體
(Pseudomorphic HEMTs, PHEMTs)
砷化銦鎵 (InGaAs) 高速電子遷移率電晶體及假形
高速電子遷移率電晶體由於具有低雜訊及在 1.5V 操作
電壓上有較高效率等特點，使其在毫米波與通訊應用方
面快速取代傳統 Metal Semiconductor FET (MESFET)技
術。圖 2 為 InGaAs 假形高速電子遷移率電晶體基本磊
晶結構。一般而言需以分子磊晶束磊晶 (MBE) 或金屬
有機化學氣相沉積系統 (MOCVD) 磊晶成長三五族材料
於 Semi-insulating GaAs基板上。PHEMTs磊晶結構中
材料間晶格差異不大，因此在磊晶過程中不需要成長
很厚緩衝層 (Buffer layer)，便可大大降低在磊晶過程中
Misfit Dislocation產生。電子傳輸方式乃由 Al0.24GaAs層
至 Quantum-well InGaAs通道層 (Channel Layer)， 其中
Quantum-well通道層結構會產生 Carrier Confinement，
圖 1 三五族 HEMT之材料晶格常數、能隙及波長關係圖。
圖 2 InGaAs假形高速電子遷移率電晶體基本磊晶結構及導帶能隙圖。
主題文章104
InGaAs磊晶層中 In含量約為 22%，由導帶能隙圖可清
楚觀察到二維電子氣形成 (two dimensional electron gas,
2DEG)以提升電子傳輸能力， ΔEc增加以產生較高片電
荷密度 (Sheet Carrier Density)。圖 3為高功率 W-band
Al0.25Ga0.75As/In0.22Ga0.78As假形高速電子遷移率電晶體元
件特性 [1]，其 70奈米閘極元件之 Gm,ext值可達 750ms/
mm，而 Current Gain cut-off Frequency (fT)與 Maximum
Oscillation Frequency (fmax) 值分別為 125 GHz 及 230
GHz。圖 3(a) 為 Output I-V特性，可知此 PHEMTs元件最
大汲極電流密度 (Maximum Drain Current Density, Idmax)在
Vgs =0.6V下可達 750mA/mm。圖 3右邊為在 Vgs= -0.1V
下，在 94GHz 所量測到最大輸出功率密度 (Maximum
Output Power Density)，當 Vds從 2.5V至 4.5V狀況下，
其飽和功率 (Saturated Power)從 450 mW/mm上升至 900
mW/mm。當 Vds大於 4.5V時，最大輸出功率密度突然下
降乃是因為過大閘極漏電流所導致。此結果說明砷化銦
鎵 (InGaAs)高速電子遷移率電晶體在低操作電壓能有高
效能表現，對於需要長時間待機行動通訊商品與 20 GHz
左右高頻微波通訊而言，PHEMT乃極具優勢，擁有一定
市場地位。
變晶型高速電子遷移率電晶體
(Metamorphic HEMTs, MHEMTs)變晶型高速電子遷移率電晶體 (MHEMTs)是結合數
種晶格常數差異甚大之三五族磊晶材料，並利用緩衝層
來減少磊晶材料間 Mis�t Dislocation的一種元件。如增加
InGaAs Channel中 Indium含量可有效提升高速電子遷移
率電晶體之電子遷移率 (Electron Mobility)、高峰值電子速
度與高頻特性。圖 4為本實驗室 InGaAs MHEMTs元件之
磊晶結構與其 DC特性 [2]，因為 In0.52Ga0.48As與砷化鎵基
板晶格差異極大，通常以砷化鋁銦 (InxAl1-xAs)材料當緩
衝層以釋放磊晶過程中所產生應力。藉由調變 InxAl1-xAs
中 Indium含量得以控制 InAlAs晶格常數以匹配 GaAs基
板與 InGaAs通道層，在 GaAs基板上必須成長低 Indium
含量 InAlAs緩衝層，之後以漸變方式增加 Indium含量
至 52%，此磊晶成長方式可有效限制 Misfit Dislocation
延伸至 Active Layer，以產生高品質 In0.52Ga0.48As 通道
層。此 InGaAs MHEMT元件特性如圖 4右邊所示，其最
大汲極 -源極電流 (Maximum Drain-source Current)與互
導 (Transconductance, gm)分別為 890mA/mm與 827ms/
mm，所得到電流密度較高是因為 Double δ-doping結
構提供較多載子濃度與較佳電子傳輸特性。圖 5為發表
在 IEEE Annual Technical Digest中 30 GHz功率放大器成
果報告 [3]，報告中指出 MHEMT在功率附加效率 (Power
Added Efficiency, PAE)特性表現上皆超過 PHEMT，表示
MHEMT元件從 Power Supply取得的 DC功率轉換成附加
在 PA的 RF功率的效率百分比較 PHEMT元件來得高。一
般 3G的 RF功率附加效率是呈現線性關係，在低輸出功
率情況下，容易受到效率降低影響，如果功率放大器可
在高、中或低輸出功率下提升 PAE至 30%-50%，將可以
有效降低通訊設備消耗電流並延長通話時間。
磷化銦高速電子遷移率電晶體 (InP-
based HEMTs)磷化銦 (InP)高速電子遷移率電晶體乃是將三五族材
料利用 MOCVD或 MBE磊晶成長在 InP基板上。InP本
身晶格常數與 In0.53Ga0.47As及 In0.52Al0.48As相當，在磊晶
過程中不易產生 Misfit Dislocation，可獲得較好磊晶品
質，並且使用 InP當基板比 GaAs可獲得較高電流增益
截止頻率 fT。圖 6為 547 GHzfT InP HEMT示意圖 [4]，通
圖 3 高功率 W-band InGaAs假形高速電子遷移率電晶體元件特
性。
05
奈米通訊NANO COMMUNICATION 23卷 No. 4 應用於毫米波的三五族半導體元件
道層 (Channel Layer)材料採用 10 nm假形砷化銦鎵並將
Indium含量增加至 70% 以增加元件電子遷移率並減少歐
姆接觸電阻 (Ohmic Contact Resistance)。InP基板上面緩
衝層材料為 InAlAs，多層蓋 (Multi-layer Cap) In0.7Ga0.3As/
In0.53Ga0.47As磊晶層間使用 InP當作蝕刻阻擋層 (Etching
Stop layer)。此 InP HEMT元件 gm 可達到 1.5 S/mm，使
用最小平方擬合法推斷 |h21|2及 Ug參數得到最大 fT和
fmax值分別為 547 GHz與 400 GHz。此說明使用較小閘極
線寬 (Lg ≤ 30nm)與超高電子遷移率 In0.7Ga0.3As或砷化銦
(InAs)為 Channel Layer將使得 HEMT元件操作更快速更
高頻而且具有更好的特性 (Lg=25 nm, fmax ~600 GHz; fT~562
GHz [5])。不過 6吋 InP基板價格約 6吋 GaAs基板的 3倍
以上，將大大增加生產成本，因此 GaAs-based PHEMT/
MHEMT被相繼研究開發以增加國家通訊產業競爭力。根
據 IEEE Annual Technical Digest成果報告 [2]指出 MHEMT
MMIC的輸出功率 (Output Power)約 3.2W，在 Ka band
的 PAE值約 40%，且 MHEMT與 InP HEMT相較之下具有
較小低頻雜訊特性及較高熱阻抗等特性。
特殊的三五族毫米波半導體元
件製作技術
5.1 閘極沉降 (Gate Sinking)
閘極沉降也稱為埋入式閘極 (Buried Gate)。
一般應用在 Pt/Ti/Pt/Au 的閘極金屬結構。藉由
退火 (Annealing) 製程讓閘極金屬向下沉降，可
以達到降低源極和閘極之間的
電阻 (Series Resistance, Rs)，
進而提升了外質互導 (Extrinsic
Transconductance, gm,ext)[6]。
在 Pt/InGaP 的介面，原本就已
經是高的肖特基能障 (Schottky
Barrier) [7]，在 Pt因退火時擴散
入 InGaP使 Schottky Barrier變
的更高 [8]， 這樣就更減少了閘
極的漏電流。
閘極的沉降可以直接藉著穿透式電子顯微鏡 (TEM)
來觀察分析。先準備好 Pt/Ti/Pt/Au 金屬沉積在 InGaP 層
圖 4 InGaAs MHEMTs (Lg:70nm)磊晶結構與 DC特性。
圖 5 IEEE Annual Technical Digest中所發表 30 GHz功率放大器成果報告。
圖 6 30nm gate InP HEMT 示意圖、I-V特性和 Current Gain與
Mason’s Unilateral Gain對 Frequency之關係圖。
主題文章106
的樣品。TEM 的截面影像可以清楚地顯現 Pt 與 InGaP 的
介面。圖 7 左邊為剛沉積金屬後的界面。顯示大約 5 奈
米厚的非晶質層存在於 InGaP 層中。這非晶質層是在 Pt
沉積時形成的，是 Pt 與 InGaP 的混合物 (Pt 佔 51.83% 的
比例 ) [9]。經過一分鐘的 325 ℃ 退火，非晶質層增厚為
10 奈米，而 InGaP 層厚度減少了 5 奈米，如圖 7 右邊所
示。
閘極沉降也減少了源極和閘極之間的電容 (Cgs)，
進而改善了電晶體元件的射頻性能。當應用在以
In0.7Ga0.3As/InAs/In0.7Ga0.3As 為通道的 HEMT上 [10-11]，電晶
體就可達到非常高的 fT及 fmax。fT由 390 GHz (無閘極沉
降 )增加到 490 GHz，而 fmax 由 360 GHz (無閘極沉降 )增
加到 390 GHz (圖 8)。這些射頻性能像是雜訊指數 (Noise
Figure) 及增益 (Gain) 的改善皆起源於閘極沉降所導致的
互導 gm 的增加及源極閘極間電容
Cgs 的減少。表 1 列了一些萃取出的
元件本質 (Intrinsic)參數。閘極沉降
的元件的 Cgs 明顯比沒做閘極沉降
的元件的 Cgs少得多。 Pt/Ti/Pt/Au 閘
極沉降製程產出的 InP HEMT MMIC
(單石微波積體電路 ) 也證明經得起
嚴謹的可靠度測試，可以應用在太
空及軍事的用途 [12] 。
5.2 複合通道 (Composite Channel)
一般而言，增加 InGaAs 通道層材料的 Indium 含
量，可提升元件的工作頻率。可是，高 Indium含量材料
的能隙變小了，使得元件的崩潰電壓降低了。一種解決
的辦法是使用複合通道的設計。複合通道結構的優點是
1) 高 indium組成的 InxGa1-xAs 主通道 (Main Channel)有高
電子遷移率，2) 低 Indium組成的 InxGa1-xAs 副通道 (Sub-
channel)能減少衝擊游離化 (Impact Ionization)，3)藉著
副通道材料能隙的增加來提高元件的崩潰電壓。這些優
點都是對製造高速率的低功率元件有利。
圖 9 是內建有複合通道的磊晶層結構的一個例
子 ( 左圖 )。 它包含了 7 nm 的 InAs 主通道和 7 nm 的
In0.53Ga0.47As 副通道。製作成的 80 nm閘極長度 HEMT元
件如右圖的示意圖。與單純的 InAs通道層 HEMT元件相
圖 7 TEM 截面影像。左圖是 Pt 剛沉積在 InGaP 層上，右圖是經
過 325 ℃ 一分鐘退火後的 Pt/InGaP 介面。
圖 8 In0.7Ga0.3As/InAs/In0.7Ga0.3As HEMT 的電流增益 H21，功率增
益 MAG/MSG，及單向增益 unilateral gain U 與頻率的相依
關係。
表 1 有無閘極沉降的 HEMT 元件參數的對比。
[9]
07
奈米通訊NANO COMMUNICATION 23卷 No. 4 應用於毫米波的三五族半導體元件
比，複合通道確實有較優的 1.75 V崩潰電壓 (圖 10)。
元件的直流 (DC)和射頻 (RF)量測結果可以用來決定
適當的偏壓條件以規避衝擊游離化的影響。舉另一個 80
nm閘極長度的 HEMT 為例。此元件的複合通道結構是 5
nm的 InAs 主通道夾在各 3 nm的 In0.53Ga0.47As 上下副通
道之間 [15]。 由 DC 的量測 (圖 11)可看出當 VDS > 0.7 V 時，
gm 的高峰值急速地增加 (左圖 )，而在輸出電導 (Output
Conductance, go)曲線上出現了隆起峰 (右圖 )。這些都
是通道中產生衝擊游離化的現象。
衝擊游離化對 RF 性能的影響可參考圖 12。 DC 的
gm 也同時劃在圖上。很明顯地，gm 隨著汲極 (Drain)
電壓的增加持續上升，然而 RF 的 |S21| 在汲極電壓高
於 0.7 V 後就呈現飽和的狀態。主要的原因是此時衝擊
游離化已發生，而產生的電子無法跟得上電場的調變
(Modulation)。進一步的研究，可由去除 (De-embedded)
寄生效應的 S-參數萃取出元件的本質參數 (表 2)。可看
得出衝擊游離化使 RF gm 在高偏壓時變小了，加上變大
的 CGS，此元件只能在偏壓點 VDS = 0.7 V 時達到最高峰的
fT= 320 GHz。
W-頻帶功率應用的氮化鎵單石微波
積體電路
繼砷化鎵 (GaAs)和磷化銦 (InP)之後，氮化鎵 (GaN)
已成為近年來最熱門的三五族半導體研究材料。它的寬
能隙特性讓元件能操作在高電壓，是功率應用的好選
擇。此處不作詳細的解說，僅轉述最近的論文發表結
果。 氮化鎵 3級單石微波積體電路 (3-stage MMIC) 量得的
17.6 dB尖峰小訊號增益 (Small-signal Gain) 落在 91 GHz [16]，而 3-dB的頻寬涵蓋 88到 98 GHz。 這顆 MMIC在偏壓
為 14 V的 95 GHz 時達到 1024 mW (1.7 W/mm) 的功率和
圖 10 複合通道的結構比起單純的 InAs通道層 HEMT元件確實
達到了顯著的較高崩潰電壓。
圖 9 複合通道的磊晶層結構 (左圖 )和製作成的 InP HEMT 元件
(右圖 )示意圖。
圖 11 衝擊游離化的現象。互導 (gm)的高峰值急速增加，而輸
出電導 (Output Conductance, go)曲線出現隆起峰。
圖 12 衝擊游離化的驗證。DC的 gm 持續上升，而 RF的 |S21|
呈現飽和狀態。
主題文章108
19.1% 的功率附加效率 (PAE)。
結 論
PHEMT，MHEMT，和 InP HEMT是毫米波應用上最
廣泛採用的場效電晶體 (FET )。GaAs PHEMT 的低雜訊
高功率應用可以達到 W頻帶。在高頻率時，InP HEMT/
MHEMT相對於 GaAs PHEMT有較優的增益、效率、及
雜訊指數，可以應用在甚至高於毫米波的頻率範圍。
MHEMT的結構提供了可使用各類通道層材料的可能，在
毫米波段已證明了非常好的輸出功率以及搭配功率附加
效率的組合。InP HEMT在 FET元件中呈現了最高的 fT (>
562 GHz)，不過由於低能隙引起的衝擊游離化使得崩潰電
壓變差了。這種現象可以使用複合通道的結構來改善。
其實以 InAs為通道材料的 HEMT是可作為非常低電力消
耗 (< 1 mW)的低雜訊元件。閘極沉降技術可用來改善
MHEMT和 InP HEMT等元件的射頻性能。以閘極沉降技
術做出來的 InP HEMT已證明有好的可靠度結果。另外，
最近 GaN HEMT發展亦趨成熟，亦是毫米波高功率應用
的好選擇。操作在W頻帶 95 GHz 的 GaN MMIC已證明可
輸出 1.7 W/mm， 不過可靠度方面未來仍須驗證。
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