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      一種提高壓電極化強度的新型hemt的制作方法

      文檔序號:7039751閱讀:628來源:國知局
      一種提高壓電極化強度的新型hemt的制作方法
      【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高壓電極化強度的新型HEMT,本發(fā)明方法在含有AlN隔離層的AlGaN/AlN/GaN結(jié)構(gòu)HEMT基礎(chǔ)上,在GaN層下面插入了InGaN層,形成AlxGa1-xN/AlN/GaN/InyGa1-yN結(jié)構(gòu)的HEMT。AlGaN、GaN之間,GaN、InGaN之間分別形成溝道,由于極化效應(yīng)產(chǎn)生的2DEG在溝道中。插入了InGaN層,GaN/InGaN結(jié)構(gòu)中GaN的晶格常數(shù)小于InN的晶格常數(shù),使得GaN晶格應(yīng)變,由應(yīng)變產(chǎn)生的壓電極化強于AlGaN/GaN之間的壓電極化,使得器件在相同壓力下極化效應(yīng)更強,二維電子氣面密度變化更大,使得提高了器件的靈敏度。
      【專利說明】一種提高壓電極化強度的新型HEMT
      【技術(shù)領(lǐng)域】
      [0001]本發(fā)明屬于微電子【技術(shù)領(lǐng)域】,具體涉及一種提高壓電極化強度的新型HEMT。
      【背景技術(shù)】
      [0002]傳感器技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志,其中壓力傳感器是應(yīng)用最為廣泛的一類。傳統(tǒng)的壓力傳感器以機械結(jié)構(gòu)型的器件為主。隨著半導(dǎo)體技術(shù)與MEMS技術(shù)的發(fā)展,人們以硅作為主要材料,采取電容、壓阻等多種形式,開發(fā)了硅微壓力傳感器,其特點是體積小、質(zhì)量輕、準(zhǔn)確度高、溫度特性好。當(dāng)今應(yīng)用與研究范圍又有所擴(kuò)展,人們又開始重視開發(fā)能夠直接工作在惡劣環(huán)境下的微壓力傳感器。隨著對寬禁帶半導(dǎo)體的研究深入,發(fā)現(xiàn)寬禁帶半導(dǎo)體GaN (禁帶寬度3.4eV)傳感器可以不用冷卻在高溫下探測化學(xué)、氣體、生物、輻射以及發(fā)送信號給中央控制器。AlGaN/GaN HEMT已經(jīng)被證明具有高頻、耐高壓、耐高溫和抗輻射特性,是高功率放大器和電力電子器件最具潛力的器件。AlGaN/GaN HEMT中決定電流電壓特性的二維電子氣(2DEG)面電子密度不僅受到勢壘層AlGaN中Al組分等外延層材料特性的影響,而且受到勢壘層AlGaN自發(fā)極化和壓電極化強弱的影響,勢壘層AlGaN壓電極化對負(fù)載壓力很敏感,同時,GaN材料在高溫下化學(xué)穩(wěn)定性好,這些特性使得AlGaN/GaNHEMT將會成為一種在高溫環(huán)境下工作的壓力傳感器良好選擇。但常規(guī)AlGaN/GaN HEMT的結(jié)構(gòu)在用作壓力傳感器時依舊存在著靈敏度的問題。主要原因是AlGaN/GaN層之間的壓電極化強度并不足夠大,這導(dǎo)致了壓力傳感器檢測靈敏度不足。

      【發(fā)明內(nèi)容】

      [0003]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出了一種提高壓電極化強度的新型HEMT。
      [0004]本發(fā)明一種提提高壓電極化強度的新型HEMT,包括襯底、GaN緩沖層、Ina2Gaa8N層、GaN層、隔尚層AIN、Al0.3Ga0.7N層和GaN帽層;
      [0005]所述的襯底上外延生長出緩沖層GaN ;在GaN緩沖層上生長Intl 2Gatl 8N層;接著在Ina2Gaa8N層上面外延生長GaN溝道層;之后在溝道層GaN上外延生長隔離層A1N,主要是提高AlGaN/GaN結(jié)的勢壘導(dǎo)帶差;接著在隔離層AlN上外延生長非摻雜Ala3Gaa7N勢壘層;在勢壘層上生長非摻雜GaN帽層;最后在帽層上設(shè)置晶體管的柵極、源極和漏極。
      [0006]所述的襯底為藍(lán)寶石襯底、硅襯底或碳化硅襯底;
      [0007]所述的GaN緩沖層為層厚度為2μπι;
      [0008]所述的Ina2Gaa8N層厚度為8nm ;
      [0009]所述的GaN溝道層厚度為14nm ;
      [0010]所述的AlN隔離層厚度為Inm ;
      [0011]所述的Ala3Gaa7N勢壘層厚度為20nm ;
      [0012]所述的GaN帽層厚度為2nm ;
      [0013]所述的柵極金屬為Ni或者Au,源極和漏極金屬為鈦、鋁、鎳、金中的一種,選擇器件的柵長為0.75 μ m,柵寬為100 μ m,柵極與源極、柵極與漏極之間距離都為1.2 μ m。[0014]本發(fā)明方法中外延生長采用金屬有機物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)手段,本發(fā)明的發(fā)明點在于對器件的外延層結(jié)構(gòu)的改變。
      [0015]有益效果:本發(fā)明通過改變器件的外延層結(jié)構(gòu),使得這種新型器件在作為壓力傳感器工作時具有較高的敏感度。
      【專利附圖】

      【附圖說明】
      [0016]圖1為本發(fā)明器件的剖面結(jié)構(gòu)圖;
      [0017]圖2為本發(fā)明器件外延層中的壓電極化示意圖。
      【具體實施方式】
      [0018]如圖1、圖2所示:一種提高壓電極化的新型HEMT結(jié)構(gòu)包括:藍(lán)寶石襯底。GaN緩沖層,InGaN層,GaN層,AlN插入層,AlGaN層,GaN帽層:
      [0019]本發(fā)明在含有AlN隔離層的AlGaN/AlN/GaN結(jié)構(gòu)HEMT基礎(chǔ)上,在GaN層下面插入了 InGaN 層,形成 AlxGa^N/AlN/GaN/InyGahN 結(jié)構(gòu)的 HEMT,剖面圖如圖1 所示。在 AlGaN、GaN之間,GaN, InGaN之間分別形成溝道,由于極化效應(yīng)產(chǎn)生的2DEG在溝道中。插入了 InGaN層,GaN/InGaN結(jié)構(gòu)中GaN的晶格常數(shù)小于InN的晶格常數(shù),使得GaN晶格應(yīng)變,由應(yīng)變產(chǎn)生的壓電極化強于AlGaN/GaN之間的壓電極化,使得器件在相同壓力下極化效應(yīng)更強,二維電子氣面密度變化更大,使得提高了器件的靈敏度。
      [0020]本發(fā)明在藍(lán)寶石、硅或碳化硅基底上外延生長多層異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),形成一種高靈敏的高電子遷移率晶體管AlxGahNAlNAiaNAnyGahN結(jié)構(gòu)的HEMT。先在襯底上外延生長出緩沖層GaN ;然后在GaN緩沖層上生長Ina2Gaa #層;接著在Ina2Gaa8N層上面外延生長GaN溝道層;之后在溝道層GaN上外延生長隔離層A1N,主要是提高AlGaN/GaN結(jié)的勢壘導(dǎo)帶差;接著在隔離層AlN上外延生長非摻雜Ala3Gaa7N勢壘層;在勢壘層上生長非摻雜GaN帽層;最后在帽層上按照常規(guī)方法研制晶``體管的柵極、源極和漏極。
      [0021]所述的襯底為藍(lán)寶石襯底;
      [0022]所述的GaN緩沖層為層厚度為2μπι;
      [0023]所述的Ina2Gaa8N層厚度為8nm ;
      [0024]所述的GaN溝道層厚度為14nm ;
      [0025]所述的AlN隔離層厚度為Inm ;
      [0026]所述的Al。.3Ga0.7N勢壘層厚度為20nm ;
      [0027]所述的GaN帽層厚度為2nm ;
      [0028]所述的柵極金屬為Ni/Au (鎳/金),源極和漏極金屬分別為鈦/鋁/鎳/金(Ti/Al/Ni/Au),選擇器件的柵長為0.75 μ m,柵寬為100 μ m,柵極與源極、柵極與漏極之間距離都為1.2 μ m。
      [0029]本發(fā)明方法中外延生長采用金屬有機物化學(xué)氣相淀積(MOCVD)方法實現(xiàn)。
      [0030]壓電極化產(chǎn)生的原因則是在異質(zhì)結(jié)界面處,由于不同材料之間彼此晶格不匹配產(chǎn)生應(yīng)力,使得陰離子和陽離子的排列發(fā)生移動,產(chǎn)生出極化電荷,稱為壓電效應(yīng)。因此壓電極化與晶格匹配度有關(guān)。壓電極化大小可由公式Ppe = 2 (1-R) (a-a0) [e31-e33C13/C33]/aQ算出。其中a和%分別是應(yīng)變和本征晶格常數(shù),e31和e33是材料的壓電系數(shù),C13和C33是材料的彈性常數(shù)。R為應(yīng)變層的弛豫度,完全弛豫時R=l,此時不存在壓電極化。當(dāng)晶格全應(yīng)變時R=O,此時a等于相鄰層的本征晶格常數(shù)。AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)的壓電極化是由AlN/GaN
      之間的晶格失配導(dǎo)致,而AlN的晶格常數(shù)為3.112人,GaN的晶格常數(shù)為3, 189入,兩者
      之間的差距不大。而另外一種III族氮化物InN的晶格常數(shù)為3.518A,顯然這個數(shù)值要比
      前兩者大很多,而InN的禁帶寬度為0.7eV,可以和GaN (禁帶寬度3.4eV)形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。由于InN生長的困難性,實現(xiàn)真正的InN基的HEMT異質(zhì)結(jié)構(gòu)十分不易,但是將InGaN合金引入到比較成熟的GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中是可行的,同樣在理論上,會提升目前的很多性能。因而我們提出了一種在常規(guī)AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)下面加入一層InGaN的器件結(jié)構(gòu)。通過Ppe計算公式計算,當(dāng)晶格完全應(yīng)變時,AlGaN (相鄰層為GaN)中AIN的壓電極化Ppe=-0.05371,GaN(相鄰層為InGaN)的壓電極化Ppe=-0.15225,是前者的三倍。這從理論上支持了用GaN/InGaN結(jié)構(gòu)來提高器件壓電極化強的方法,使得器件用于壓力傳感器時具有更高的檢測靈敏度。
      【權(quán)利要求】
      1.一種提高壓電極化強度的新型HEMT,包括襯底、GaN緩沖層、Ina2Gaa8N層、GaN層、隔尚層AIN、Al0.3Ga0.7N層和GaN帽層; 其特征在于:所述的襯底上外延生長出緩沖層GaN ;在GaN緩沖層上生長1%26%.#層;接著在Ina2Gaa8N層上面外延生長GaN溝道層;之后在溝道層GaN上外延生長隔離層A1N,主要是提高AlGaN/GaN結(jié)的勢壘導(dǎo)帶差;接著在隔離層AlN上外延生長非摻雜Ala 3Ga0.7N勢壘層;在勢壘層上生長非摻雜GaN帽層;最后在帽層上設(shè)置晶體管的柵極、源極和漏極。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種提高壓電極化強度的新型HEMT,其特征在于:襯底為藍(lán)寶石襯底、硅襯底或碳化硅襯底。
      3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種提高壓電極化強度的新型HEMT,其特征在于:所述的GaN緩沖層為層厚度為2 μ m。
      4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種提高壓電極化強度的新型HEMT,其特征在于:所述的Ina2Gaa8N層厚度為8nm。
      5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種提高壓電極化強度的新型HEMT,其特征在于:所述的GaN溝道層厚度為14nm。
      6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種提高壓電極化強度的新型HEMT,其特征在于:所述的AlN隔尚層厚度為lnm。
      7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種提高壓電極化強度的新型HEMT,其特征在于:所述的Ala3Gaa7N勢壘層厚度為20nm。
      8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種提高壓電極化強度的新型HEMT,其特征在于:所述的GaN帽層厚度為2nm。
      9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述的一種提高壓電極化強度的新型HEMT,其特征在于:所述的柵極金屬為Ni或者Au,源極和漏極金屬為鈦、鋁、鎳、金中的一種,選擇器件的柵長為..75Mm,柵寬為IOOMm,柵極與源極、柵極與漏極之間距離都為1.2Mm。
      【文檔編號】H01L29/778GK103762233SQ201410006456
      【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
      【發(fā)明者】程知群, 欒雅, 連心想, 賈民仕 申請人:杭州電子科技大學(xué)
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