专利名称：一种优化量子阱hemt器件沟道层厚度的方法
技术领域：
本发明涉及电子元件技术，具体是指ー种优化AlN/GaN/AIN量子阱HEMT器件沟道层厚度的方法。
背景技术：
由于在大功率、闻频和尚温放大器等方面具有广泛应用，AlGaN/GaN异质结闻电子迁移率晶体管(HEMT)在过去十几年中成为半导体领域研究的热点。然而随着器件尺寸的縮小，电流坍塌、自加热效应、漏电流和短沟道效应等一系列问题严重地制约了器件的进ー步发展。为了使HEMT器件具有更大功率，同时降低电流坍塌效应人们提出了ー些基于AlGaN/GaN结构的变体，比如2004年纽约州立大学的W. Lanfort等人提出了 AlGaN/ InGaN/GaN异质结构；2005年以色列技术工程学院的0. Katz等人提出了 InAlN/GaN异质结构，通过实验他们分别证明了这两种结构制作的HEMT器件具有更大的功率；2008年维也纳技术大学的J. Kuzmik等人将AlN薄层插入到晶格匹配的InAlN/GaN异质结中，结果证明该结构不仅降低了混晶无序散射而且增加了ニ维电子气在沟道内的束缚力，因而极大地提高了器件性能；2008年世界顶级MBE设备生产公司SVT Associates的Dabrian等人报道了 AlN/GaN/AIN量子阱HEMT具有很高的电子迁移率(> 1800cm2/Vs)和ニ维电子气密度(> 3 X 103cm 2)。这些基于AlGaN/GaN HEMT衍生出来的新型器件中，AlN/GaN/AIN量子阱HEMT无疑是很有应用前景的ー种。这是因为AlN/GaN异质结除具有很强的极化效应外，还具有较大的导带带阶，可以抑制短沟道效应和降低阈值电压。由于这些优良特性，AlN/GaN/AIN量子阱HEMT除了在高跨导、低阈值电压的器件中有重要应用外，还可以应用于大功率透明生物传感器、太赫兹等离子体波发射器等诸多方面。然而在高频条件下，由于声子散射的原因， 具有极高动能的电子很容易溢出沟道被陷阱俘获，从而导致电流坍塌效应。为了抑制电流坍塌效应，AlN/GaN/AIN量子阱HEM的沟道必须同时具备高导带势垒和高ニ维电子气密度。 随着GaN沟道层厚度的减小，沟道处导带势垒高度单调增加，但由于GaN沟道层和AlN缓冲层界面处负的极化电荷对ニ维电子气具有耗尽作用，减小GaN沟道层厚度将导致ニ维电子气密度的降低。因此为了同时保证沟道处高导带势垒和高ニ维电子气密度，优化AlN/GaN/AIN量子阱HEMT的器件结构显得尤为重要。本发明从AlN/GaN/AIN量子阱HEMT的GaN沟道层厚度着手研究，考察沟道层厚度对导带势垒高度和ニ维电子气密度的影响，得出的结果将会对新型器件的研制具有一定的指导意义。
发明内容
本发明提供了一种优化AlN/GaN/AIN量子阱HEMT器件沟道层厚度的方法，该方法通过数值模拟得到导带势垒高度和ニ维电子气密度随沟道层厚度变化的规律。为了使沟道同时获得高导带势垒和高ニ维电子气密度，我们定义ニ维电子气密度的常用対数与导带势垒高度的乘积为沟道优值因子，通过分析沟道优值因子随沟道层厚度变化的曲线得到了最佳沟道层厚度，进而根据优化后的结构设计制作了 AlN/GaN/AIN量子阱HEMT器件。其步骤如下I.首先构建AlN/GaN/AIN量子阱HEMT器件的结构模型，即在AlN单晶衬底上依次形成AlN缓冲层、GaN沟道层、AlN势垒层和Al2O3栅介质层，然后在AlN势垒层上形成源、 漏电极，以及在Al2O3栅介质层上形成栅电极；2.制作ニ个实验测量样品，样品I :在500 ii m厚的AlN单晶衬底上生长I ii m厚的AlN薄膜；样品2 :在500 y m厚的AlN单晶衬底上生长50nm厚的GaN薄膜；样品3 :在 500 y m厚的AlN单晶衬底上依次生长Ium厚的AlN缓冲层、50nm厚的GaN沟道层、3. 5nm厚的AlN势垒层和5nm厚的Al2O3栅介质层；3.測量步骤2中所得样品I得到AlN的性能參数禁带宽度为6. 2eV,电子有效质量me = 0. 3m。，电子迁移率为300 500cm2/Vs，相对介电常数し=8. 5，有效导带态密度为N。= 4. IXlO18,电子寿命约为10_9s，电子饱和速度vsat = 4. 8X 106cm/s ;测量样品 2得到GaN的性能參数禁带宽度为3. 47eV,电子有效质量me = 0. 222m。，电子迁移率为 1300 1500cm2/Vs，相对介电常数し=9. 5，有效导带态密度为N。= 2. 65X1018，电子寿命约为10_8s，电子饱和速度Vsat = I. 03 X 107cm/s ;用电容电压法测量样品3得到=Al2O3栅介质层与AlN势垒层界面处的极化电荷密度为-I. 6X 1013cm_2，AlN势垒层与GaN沟道层界面处的极化电荷密度为2. 6X 1013cm_2，GaN沟道层与AlN缓冲层界面处的极化电荷密度为-2. 6 X IO13CnT2 ；4.构建物理模型半导体器件数值模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，载流子复合通过产生复合项加入连续性方程，包括 SRH复合、Auger复合和辐射复合，同时还要考虑到载流子的热效应、速度饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解，势垒的隧穿效应为独立方程，与上述方程自洽求解；5.根据步骤2的实验测量结果设置物理參数，使模拟环境温度为300K，固定沟道层厚度，由数值模拟分别得到导带势垒高度和ニ维电子气密度随纵向位置变化的曲线；6.改变沟道层厚度，重复步骤5，分别得到不同沟道层厚度下导带势垒高度和ニ 维电子气密度随纵向位置变化的一系列曲线；7.在步骤6中得到的不同沟道层厚度下导带势垒高度随纵向位置变化的一系列曲线中，选取ー个固定位置，比如沟道层中距离AlN势垒层和GaN沟道层界面5nm处，得到该位置处的导带势垒高度Ec随沟道层厚度变化的曲线；8.在步骤6中得到的不同沟道层厚度下ニ维电子气密度随纵向位置变化的一系列曲线中，选取ニ维电子气密度峰值作为研究对象，得到ニ维电子气密度峰值ns随沟道层厚度变化的曲线；9.定义ns的常用対数L0g(ns)与E。的乘积，即EcLog (ns)为沟道优值因子，利用步骤7和步骤8得到的两条曲线，得到沟道优值因子随沟道层厚度变化的曲线；10.观察沟道优值因子随沟道层厚度变化的曲线，发现当沟道层厚度为15 22nm 之间沟道优值因子具有最大值，说明将沟道层厚度控制在15 22nm之间，器件沟道可以兼具高导带势垒和高ニ维电子气密度的性质，从而可以很好地抑制电流坍塌效应和改善器件性能；
11.根据模拟的结果来制备AlN/GaN/AIN量子阱HEMT器件，首先在AlN单晶衬底上，利用金属有机化学气相沉积エ艺依次生长AlN缓冲层、GaN沟道层和AlN势垒层；12.在AlN势垒层上，利用原子层沉积エ艺淀积Al2O3栅介质层，然后通过光刻エ艺在源、漏极区域形成刻蚀所需的窗ロ，采用反应离子刻蚀エ艺去除源、漏极区域的Al2O3介质薄膜；13.利用光刻エ艺获得源、漏极区域窗ロ，然后采用电子束蒸发エ艺，在源、漏极区域窗ロ上蒸发欧姆接触金属Ti/Al/Ni/Au，形成源极和漏扱，最后在Al2O3栅介质层上利用光刻エ艺获得栅极区域窗ロ，并在该栅极区域窗ロ上采用电子束蒸发エ艺蒸发栅极金属 Ni/Au,形成栅极。本发明的优点是同时考虑了导带势垒高度和ニ维电子气密度随沟道层厚度变化的规律，可以确定最佳沟道层厚度，使电子沟道同时具备高导带势垒和高ニ维电子气密度， 从而为抑制电流坍塌效应和改善器件性能提供了有针对性的方案。
图I为AlN/GaN/AIN量子阱HEMT器件的结构示意图。图2为不同沟道层厚度下导带势垒高度的纵向分布图。图3为不同沟道层厚度下ニ维电子气密度的纵向分布图。图4为(右)纵向位置坐标为5nm处的导带势垒高度随沟道层厚度变化的曲线； (左)ニ维电子气密度峰值随沟道层厚度变化的曲线。图5为沟道优值因子EcLog(Iis)随沟道层厚度变化的曲线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作详细说明I.构建AlN/GaN/AIN量子阱HEMT器件的结构模型，如图I所示，在500 ii m厚的 AlN单晶衬底上依次形成I U m厚的AlN缓冲层、厚度可变的GaN沟道层、3. 5nm厚的AlN势鱼层和5nm厚的Al2O3栅介质层,然后在AlN势鱼层上形成源、漏电极，以及在Al2O3栅介质层上形成栅电极，源、漏和栅电极的长度均为I Pm，器件总长度为;2.制作ニ个实验测量样品，样品I :在500 ii m厚的AlN单晶衬底上生长I ii m厚的AlN薄膜；样品2 :在500 y m厚的AlN单晶衬底上生长50nm厚的GaN薄膜；样品3 :在 500 y m厚的AlN单晶衬底上依次生长I ii m厚的AlN缓冲层、50nm厚的GaN沟道层、3. 5nm 厚的AlN势鱼层和5nm厚的Al2O3栅介质层；3.測量步骤2中所得样品I得到AlN的性能參数禁带宽度为6. 2eV,电子有效质量me = 0. 3m。，电子迁移率为300 500cm2/Vs，相对介电常数し=8. 5，有效导带态密度为N。= 4. IXlO18,电子寿命约为10_9s，电子饱和速度vsat = 4. 8X 106cm/s ;测量样品 2得到GaN的性能參数禁带宽度为3. 47eV,电子有效质量me = 0. 222m。，电子迁移率为 1300 1500cm2/Vs，相对介电常数し=9. 5，有效导带态密度为N。= 2. 65X1018，电子寿命约为10_8s，电子饱和速度Vsat = I. 03 X 107cm/s ;用电容电压法测量样品3得到=Al2O3栅介质层与AlN势垒层界面处的极化电荷密度为-I. 6X 1013cm_2，AlN势垒层与GaN沟道层界面处的极化电荷密度为2. 6X 1013cm_2，GaN沟道层与AlN缓冲层界面处的极化电荷密度为-2. 6 X IO13CnT2 ；4.构建物理模型半导体器件数值模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，载流子复合通过产生复合项加入连续性方程，包括 SRH复合、Auger复合和辐射复合，同时还要考虑到载流子的热效应、速度饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解，势垒的隧穿效应为独立方程，与上述方程自洽求解；5.根据步骤2的实验测量结果设置物理參数，使模拟环境温度为300K，固定沟道层厚度，由数值模拟分别得到导带势垒高度和ニ维电子气密度随纵向位置变化的曲线；6.改变沟道层厚度，重复步骤5，分别得到不同沟道层厚度下导带势垒高度(图2) 和ニ维电子气密度(图3)随纵向位置变化的一系列曲线。从图2可以看出，随着沟道层厚度减小，沟道势垒高度单调增加，即沟道对电子的束缚能力增强。从图3可以看出，ニ维电子气密度随沟道层厚度减小而单调减小，这是因为GaN沟道层和AlN缓冲层界面由于极化效应具有负的极化电荷，当沟道层厚度减小时，负极化电荷对ニ维电子气产生耗尽作用；7.在步骤6中得到的不同沟道层厚度下导带势垒高度随纵向位置变化的一系列曲线中，选取ー个固定位置(纵向位置坐标为5nm)，得到该位置处的导带势垒高度E。随沟道层厚度变化的曲线(图4右)，从图中可以直观地看到导带势垒高度随沟道层厚度减小而单调增加；8.在步骤6中得到的不同沟道层厚度下ニ维电子气密度随纵向位置变化的一系列曲线中，选取ニ维电子气密度峰值作为研究对象，得到ニ维电子气密度峰值ns随沟道层厚度变化的曲线(图4左)，从图中可以直观地看到ニ维电子气密度随沟道层厚度减小而单调减小；9.定义ns的常用対数L0g(ns)与E。的乘积，即EcLog (ns)为沟道优值因子，利用步骤7和步骤8得到的两条曲线，得到沟道优值因子随沟道层厚度变化的曲线(图5)，从图5 发现当沟道层厚度为15 22nm之间沟道优值因子具有最大值，说明将沟道层厚度控制在 15 22nm之间，器件具有最佳性能；10.根据模拟的结果来制备AlN/GaN/AIN量子阱HEMT器件，首先把500 U m厚的 AlN单晶衬底置于金属有机化学气相沉积(MOCVD)设备的反应室中，将反应室的真空度抽至I X IO-2Torr之下，在氢气与氨气的混合气体保护下对AlN衬底进行高温热处理，加热温度为1100°C，加热时间为5min，反应室压カ为40Torr，通入氢气流量为1500sCCm，氨气流量为 1500sccm ；11.将衬底温度降低为1080°C，保持生长压カ为40Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为1500SCCm，向反应室中通入流量为30iimol/min的铝源，外延生长厚度为I y m的 AlN缓冲层；12.将生长温度降低为800°C，保持生长压カ为40Torr，氢气流量为1500sccm，氨气流量为1500sccm，向反应室中通入流量为50 u mol/min的镓源，以生长厚度为18. 5nm的 GaN沟道层；13.向反应室中同时通入铝源和镓源，維持反应温度为800°C，控制好流量，生长厚度为3. 5nm的AlN势垒层，同时通入镓源是为了增加铝原子在表面的扩散率；14.形成Al2O3栅介质层采用ALDエ艺在300°C下沉积Al2O3薄膜，然后在600°C 下氧气气氛中退火60s,获得厚度为5nm的Al2O3层,然后对样品表面甩正胶,转速为5000转/min，再在温度为80°C的烘箱中烘lOmin，通过光刻以及显影在源、漏极区域形成刻蚀所需的窗ロ，采用反应离子刻蚀エ艺去除源、漏极区域的Al2O3介质薄膜；15.光刻源、漏极区域为了更好的剥离金属，首先在样品上甩黏附剂，转速为 8000转/min，时间为30s，在温度为160°C的高温烘箱中烘20min，然后再在该样品上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80°C的高温烘箱中烘lOmin，光刻获得长度均为 Ium的源、漏极区域窗ロ ；16.蒸发源、漏金属采用电子束蒸发エ艺淀积Ti/Al/Ni/Au四层金属；17.剥离源、漏金属及退火在丙酮中浸泡20min以上后进行超声处理，然后用氮气吹干。将样品放入快速退火炉中退火首先向退火炉内通入氮气大约7分钟，然后在氮气气氛下，温度为800°C条件下进行30s快速退火；18.光刻栅极区域窗ロ 在样品上甩黏附剂，转速为8000转/min，时间为30s ;在温度为160°C的高温烘箱内烘20min ;然后再在该样品上甩正胶，转速为5000转/min，最后在温度为80°C的烘箱中烘lOmin，光刻获得长度为I y m的栅极区域窗ロ ；19.蒸发栅极金属采用电子束蒸发エ艺沉积Ni/Au两层金属，随后将样品浸泡在剥离液中2分钟，形成栅极。至此完成了优化后的AlN/GaN/AIN量子阱HEMT器件的制作。
权利要求
1.一种优化量子阱HEMT器件沟道层厚度的方法，其特征在于包括以下步骤1)首先构建AlN/GaN/AIN量子阱HEMT器件的结构模型，即在AlN单晶衬底上依次形成AlN缓冲层、GaN沟道层、AlN势垒层和Al2O3栅介质层，然后在AlN势垒层上形成源、漏电极，以及在Al2O3栅介质层上形成栅电极；2)制作三个实验测量样品，样品I:在500 μ m厚的AlN单晶衬底上生长Iym厚的AlN 薄膜；样品2 :在500 μ m厚的AlN单晶衬底上生长50nm厚的GaN薄膜；样品3 :在500 μ m 厚的AlN单晶衬底上依次生长I μ m厚的AlN缓冲层、50nm厚的GaN沟道层、3. 5nm厚的AlN 势垒层和5nm厚的Al2O3栅介质层；3)测量步骤2)中所得样品I得到AlN的性能参数禁带宽度为6.2eV,电子有效质量 =O. 3m。，电子迁移率为300 500cm2/Vs，相对介电常数L = 8. 5，有效导带态密度为Nc = 4. I X IO18,电子寿命约为10_9s，电子饱和速度vsat = 4. 8 X IOWs ;测量样品2得到GaN的性能参数禁带宽度为3. 47eV,电子有效质量me = O. 222m。，电子迁移率为1300 1500cm2/ Vs，相对介电常数ε ^ = 9. 5，有效导带态密度为N。= 2. 65 X IO18,电子寿命约为10_8s，电子饱和速度Vsat = I. 03 X IOWs ;用电容电压法测量样品3得到=Al2O3栅介质层与AlN势垒层界面处的极化电荷密度为-I. 6X1013cm_2，AlN势垒层与GaN沟道层界面处的极化电荷密度为2. 6X 1013cm_2，GaN沟道层与AlN缓冲层界面处的极化电荷密度为-2. 6 X IO13CnT2 ；4)构建物理模型半导体器件数值模拟的基本方程是泊松方程、电子与空穴的连续性方程、电子与空穴的电流密度方程，载流子复合通过产生复合项加入连续性方程，包括SRH 复合、Auger复合和辐射复合，同时还要考虑到载流子的热效应、速度饱和效应，用有限元方法离散化联立迭代求解，势垒的隧穿效应为独立方程，与上述方程自洽求解；5)根据步骤2)的实验测量结果设置物理参数，使模拟环境温度为300K，固定沟道层厚度，由数值模拟分别得到导带势垒高度和二维电子气密度随纵向位置变化的曲线；6)改变沟道层厚度，重复步骤5)，分别得到不同沟道层厚度下导带势垒高度和二维电子气密度随纵向位置变化的一系列曲线；7)在步骤6)中得到的不同沟道层厚度下导带势垒高度随纵向位置变化的一系列曲线中，选取一个固定位置，比如沟道层中距离AlN势垒层和GaN沟道层界面5nm处，得到该位置处的导带势垒高度Ec随沟道层厚度变化的曲线；8)在步骤6)中得到的不同沟道层厚度下二维电子气密度随纵向位置变化的一系列曲线中，选取二维电子气密度峰值作为研究对象，得到二维电子气密度峰值ns随沟道层厚度变化的曲线；9)定义ns的常用对数L0g(ns)与E。的乘积，即EcLog(Iis)为沟道优值因子，利用步骤7 和步骤8得到的两条曲线，得到沟道优值因子随沟道层厚度变化的曲线；10)观察沟道优值因子随沟道层厚度变化的曲线，以沟道优值因子具有最大值来确定沟道层最佳厚度。
全文摘要
本发明公开了一种优化AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件沟道层厚度的方法，该方法是通过器件模拟发现在材料生长过程中将GaN沟道层的厚度控制在15～22nm之间可以很好地改善器件性能，并且根据所得结果制作了AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件，进而为优化AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件提供了依据。本发明对于改善器件性能和优化器件设计都有着十分重要的意义。
文档编号G06F17/50GK102592999SQ201210072930
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月19日 优先权日2012年3月19日
发明者王晓东, 胡伟达, 陆卫, 陈效双 申请人:中国科学院上海技术物理研究所