专利名称：一种砷化镓基半导体－氧化物绝缘衬底的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底。
技术背景随着砷化镓(GaAs)基的场效应管(FET)，高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)器件和电路在军用领域和民用无线通讯领域的广泛应用，性能要求不断提高，具有高温、高频、大功率、高线性、抗辐射性能的器件已经成为急需。
但是，通常生长FET，HEMT和HBT所使用的是GaAs半绝缘衬底，其含有不同程度的杂质，电阻率为107-109Ω.cm。当使用不同的表面处理方法时，将会导致电阻率减少几个数量级。另外，当GaAs半绝缘衬底应用于航天器、汽车及太空等应用领域时，器件处于恶劣的高温环境，也会导致GaAs半绝缘衬底的电阻率减少几个数量级。例如，在20℃时的GaAs半绝缘衬底的电阻率为107-109Ω.cm，而随着温度上升到350℃时，GaAs半绝缘衬底的电阻率将急剧地下降至10Ω.cm。电阻率的降低会在GaAs衬底上产生一个泄漏通道，不能被栅压调制，这就限制了GaAs半绝缘衬底在高温领域的应用。综上所述，现有GaAs半绝缘衬底的电阻率难以控制，在器件上有各种反常表现，从而严重影响器件性能的提高和应用领域的扩展。，发明内容本实用新型的目的在于克服已有GaAs衬底电阻率难以控制，衬底对器件影响大，元器件间电隔离性差，抗恶劣环境能力差等缺陷，从而提供一种具有完全电绝缘，能在恶劣环境下工作的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底(以下简称GaAs基SOI衬底)。
本实用新型的目的是通过如下的技术方案实现的本实用新型提供一种砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，包括砷化镓衬底，在砷化镓衬底上外延的缓冲层，在缓冲层上外延生长的含Al的半导体化合物层，及其上覆盖的盖帽层。
所述的砷化镓衬底厚度为300～800μm。
所述的缓冲层厚度为10～2000nm。
所述的含Al的半导体化合物层的厚度为20～2000nm。
所述的盖帽层的厚度为5～500nm。
本实用新型提供的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底的优点在于1、构成元件间、元件与衬底间全电隔离的器件，彻底消除了衬底泄漏电流，衬底缺陷的影响；2、克服了诸如背栅效应之类的寄生现象；3、互连电容及寄生电容大为减少，有利于提高电路速度；4、可供发展三维结构立体电路，提高电路集成密度。
图1是砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底的结构示意图；其中1为盖帽层； 2为含Al的半导体化合物层；3为缓冲层； 4为砷化镓衬底；图2是实施例1制备的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底的透射电子显微镜截面图；图3是实施例1制备的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底的X-射线衍射图；图4是实施例3制备的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底生长PHEMT材料后的表面原子力显微镜图；图5是普通砷化镓衬底生长PHEMT材料后的表面原子力显微镜图；图6是实施例3制备的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底二次外延生长的PHEMT器件其器件电流-电压关系；图7是普通砷化镓衬底生长的PHEMT器件其器件电流-电压关系。
具体实施方式
实施例1.在GaAs衬底上制作具有50nm厚的AlAs层的GaAs基SOI衬底如图1所示的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底的结构示意图，在砷化镓衬底上制作具有50nm厚的AlAs层的砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，其具体步骤如下1、市售的300μm厚的GaAs衬底在1×10-10乇的本底真空中，As分子束保护下，加热到580℃脱去表面氧化膜，然后在Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度580℃的条件下，在其表面外延500nm厚的GaAs缓冲层；再在Al∶As束流比为1∶5，衬底温度660℃的条件下，在GaAs缓冲层的表面外延50nm厚的AlAs层；最后在Ga∶As束流比为1∶30，衬底温度580℃的条件下，在AlAs层的表面外延50nm厚的GaAs盖帽层；2、将步骤1中生长好的样品通过普通的光刻技术刻成宽50μm，间隔为3μm的长条，用柠檬酸∶双氧水＝1∶1的混合液做选择腐蚀，将3μm间隔处的表面GaAs盖帽层腐蚀掉，露出待氧化的AlAs层；3、将光刻，腐蚀好的样品置入氧化炉中，用氮气通过盛水的容器后导入氧化炉中进行湿法氧化，氮气流量1升/分，水温85℃，氧化温度400℃，30分钟后氧化完毕，含Al化合物层完全氧化，取出样品，冷却；4、把氧化完毕的样品用35％盐酸水溶液浸泡5分钟后取出，用去离子水清洗干净，制得一块GaAs基SOI衬底。
对此GaAs基SOI衬底进行了性能测试。其透射电子显微镜的截面图如图2所示，由图可知该衬底界面平整，无应力。此GaAs基SOI衬底的X-射线衍射图如图3所示，可以看出，此GaAs基SOI衬底两侧有好几个干涉峰存在，这些干涉峰是衬底与表面GaAs反射的X射线相互干涉的结果，表明了该GaAs基SOI衬底表面的GaAs结构完整且GaAs与AlAs氧化物界面平滑。
实施例2.在GaAs衬底上制作具有100nm厚的Ga0.1Al0.9As层的GaAs基SOI衬底如实施例1的方法，在GaAs衬底上制作具有100nm厚的Ga0.1Al0.9As层的GaAs基SOI衬底，其包括500μm厚GaAs衬底，在砷化镓衬底上外延的500nm厚的GaAs缓冲层，在缓冲层上外延生长的100nm厚的Ga0.1Al0.9As层，及其上覆盖的100nm厚的GaAs盖帽层；按实施例1中的方法光刻、选择性腐蚀盖帽层，露出待氧化的Ga0.1Al0.9As层，然后在氧化炉中氧化，最后用盐酸浸泡，洗涤，制得一块GaAs基SOI衬底。
实施例3.在GaAs衬底上制作具有200nm厚的In0.01Ga0.09Al0.9As层的GaAs基SOI衬底如实施例1的方法，在GaAs衬底上制作具有200nm厚的In0.01Ga0.09Al0.9As层的GaAs基SOI衬底，其包括600μm厚GaAs衬底，在砷化镓衬底上外延的1000nm厚的GaAs缓冲层，在缓冲层上外延生长的200nm厚的In0.01Ga0.09Al0.9As层，及其上覆盖的500nm厚的GaAs盖帽层；按实施例1中的方法光刻、选择性腐蚀盖帽层，露出待氧化的In0.01Ga0.09Al0.9As层，然后在氧化炉中氧化，最后用盐酸浸泡，洗涤，制得一块GaAs基SOI衬底。
用制得的GaAs基SOI衬底再二次外延PHEMT材料，其表面原子力显微镜图如图4所示，由图可知其粗糙度小于4nm，与图5所示的普通GaAs衬底生长PHEMT材料后的表面原子力显微镜图一样，说明GaAs基SOI衬底表面平整，适用于外延生长。
将所生长的PHEMT材料通过标准的器件工艺制作流程制作成了PHEMT器件，对其及普通GaAs衬底生长的PHEMT器件进行了直流特性的测量。在器件版图设计为栅长0.8μm，单指栅宽100μm，总栅宽600μm，源漏间距4μm。两种器件的电流-电压关系如图6、7所示，由图可知，本实用新型提供的GaAs基SOI衬底的PHEMT饱和区I-V曲线平坦，随着源漏电压的升高只是微微上翘，说明输出电导极小，没有衬底泄漏电流而实现完全的器件与衬底的电学绝缘；而普通GaAs衬底上PHEMT器件饱和区I-V曲线随着源漏电压的升高明显上翘，输出电导较大，器件和衬底间存在着较大的电学绝缘问题。
另外，图6中的本实用新型提供的GaAs基SOI衬底上PHEMT器件的I-V特性在饱和区有相等的间距和良好的夹断性能，显示出其极好的电荷控制能力。而普通GaAs衬底上PHEMT器件的I-V特性间距差别较大，表明其跨导不均匀，也说明了其缓冲层中有很多载流子，器件和衬底之间的绝缘性差。
实施例4.在GaAs衬底上制作具有20nm厚的In0.1Al0.9As层的GaAs基SOI衬底如实施例1的方法，在GaAs衬底上制作具有20nm厚的In0.1Al0.9As层的GaAs基SOI衬底，其包括400μm厚GaAs衬底，在砷化镓衬底上外延的10nm厚的GaAs缓冲层，在缓冲层上外延生长的20nm厚的In0.1Al0.9As层，及其上覆盖的5nm厚的GaAs盖帽层；按实施例1中的方法光刻、选择性腐蚀盖帽层，露出待氧化的In0.1Al0.9As层，然后在氧化炉中氧化，最后用盐酸浸泡，洗涤，制得一块GaAs基SOI衬底。
实施例5.在GaAs衬底上制作含有2000nm厚的AlAs层的GaAs基SOI衬底如实施例1的方法，在GaAs衬底上制作具有2000nm厚的AlAs层的GaAs基SOI衬底，其包括800μm厚GaAs衬底，在砷化镓衬底上外延的2000nm厚的GaAs缓冲层，在缓冲层上外延生长的2000nm厚的AlAs层，及其上覆盖的500nm厚的GaAs盖帽层；按实施例1中的方法光刻、选择性腐蚀盖帽层，露出待氧化的AlAs层，然后在氧化炉中氧化，最后用盐酸浸泡，洗涤，制得一块GaAs基SOI衬底。
权利要求1.一种砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，包括砷化镓衬底，在砷化镓衬底上外延的缓冲层，在缓冲层上外延生长的含Al的半导体化合物层，及其上覆盖的盖帽层。
2.按权利要求1所述的一种砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，其特征在于所述的砷化镓衬底厚度为300～800μm。
3.按权利要求1所述的一种砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，其特征在于所述的缓冲层厚度为10～2000nm。
4.按权利要求1所述的一种砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，其特征在于所述的含Al的半导体化合物层的厚度为20～2000nm。
5.按权利要求1所述的一种砷化镓基半导体一氧化物绝缘衬底，其特征在于所述的砷化镓层的厚度为5～500nm。
专利摘要本实用新型涉及一种砷化镓基半导体－氧化物绝缘衬底，包括厚度为300～800μm砷化镓衬底，在砷化镓衬底上外延的厚度为10～2000nm的缓冲层，在缓冲层上外延生长的厚度为20～2000nm的含Al的半导体化合物层，及其上覆盖的厚度为5～500nm的盖帽层。本实用新型提供的砷化镓基半导体－氧化物绝缘衬底具有良好的热稳定性，并可二次外延，非常有利于器件的性能；另外，这种制作方法还大大增加了器件结构的灵活性，并且非常适于高性能电子器件结构和光电集成电路结构。
文档编号H01L21/00GK2615859SQ03245219
公开日2004年5月12日 申请日期2003年4月14日 优先权日2003年4月14日
发明者周均铭, 陈弘, 贾海强, 王文冲, 黄绮 申请人:中国科学院物理研究所