含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件及其制作方法

专利名称：含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件及其制作方法
技术领域：
本发明涉及量子化霍尔电阻技术领域，尤真涉及一种含有多层二维电 子气的量子化霍尔电阻器件及其制作方法。
背景技术：
1980年以前，在计量科学中世界各国通常使用一组标准电阻线圈的电 阻平均值来保持电阻单位欧姆。这种利用某种特别稳定的实物来实现的实
物计量基准具有以下缺陷实物基准一旦制成后，其特性会随时间的推移
和温度的变化发生缓慢和微小的变化，它们所保存的量值也会有所改变。 另外，最高等级的实物计量基准全世界只有一个或一套， 一旦发生意外损 坏则使原来连续保存的单位量值中断。
美国物理学家霍尔在1879年研究导体在磁场中导电的性质时发现了 经典的霍尔效应，在此效应中霍尔电阻随磁场改变而线性增加。 一百年后 的1980年，德国物理学家冯'克利青发现深低温和强磁场下的二维电子气 样品的霍尔电阻并不随磁场改变而线性增加，而是从一个平台跳到下一个
平台，每个平台处的霍尔电阻值精确的为^^"2=&"欧姆(其中A是普 朗克常数，e为电子电荷，A被称为克利青常数，/是与每个平台对应的 正整数l、 2、 3......)，这就是整数量子化霍尔效应。这个表达式表明当把
一块物理特性合格的二维电子气样品，不管它的大小和形状如何，其量子 化霍尔电阻都将准确地由这样一个分数给出，这就是量子化霍尔效应。
量子霍尔电阻的普遍性和高测量精确性的特点，使人们在寻找复现电 阻单位新方法的道路上得到了一种强有力的手段。从1990年1月1日起，
国际计量委员会在世界范围内启用量子化霍尔电阻标准代替原来的实物 标准，并给出了国际推荐值/ /^/z/^-25812.807Q。从实践结果来看，采用
这种新方法后电阻单位的稳定性和复现准确度提高了 2 3个数量级。
量子化霍尔效应产生的物理原因是电子在垂直作用于二维电子气平
5面的强磁场的作用下做回旋运动，这样的运动对应于一系列的朗道能级， 在深低温下和强磁场中的朗道能级之间的间隙不断增加，从而在霍尔电压 曲线上观察到平台。通常作为电阻基准使用的量子化霍尔电阻器件只含有 一层二维电子气，利用/=2的平台作为复现量子化霍尔电阻量值的工作点。
然而在/=2平台得到的量子化霍尔电阻值为25812.807/2Q,即 12卯6.4035Q。这是一个较大的非整数，在实际的计量应用中不太方便。 要从这个值传递到实用的十进电阻值，需要建立一套高准确度的非整数比 例装置。
将量子化霍尔电阻制作成为平面内许多个量子化霍尔电阻的串并联 的阵列，如J. Appl.Phys. 92， P2844 2854中所描述的形式，可以简化这 种非整数比例装置，使得从A到某高或低电阻值的传递时不确定性更小。
但是，如何降低作为电阻的量子计量基准所使用的量子化霍尔电阻串 并联阵列的制作难度，减小阵列的规模和外延片材料的消耗，降低在制作 大规模阵列时半导体工艺方面的挑战，同时增强阵列的可靠性，是目前急 需解决的重要问题。

发明内容
(一) 要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种含有多层二维电子气的量子化 霍尔电阻器件及其制作方法，以降低作为电阻的量子计量基准所使用的量 子化霍尔电阻串并联阵列的制作难度，减小阵列的规模和外延片材料的消 耗，降低在制作大规模阵列时半导体工艺方面的挑战，同时增强阵列的可 靠性。
(二) 技术方案
为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种含有多层二维电子气 的量子化霍尔电阻器件，该器件由自下而上依次在GaAs衬底上外延生长 的GaAs缓冲层、多个由n型AlxGai.xAs与不掺杂GaAs构成的二维电子 气层、n型GaAs盖帽层，以及在该n型GaAs盖帽层上依次淀积的AuGeNi 合金电极和Au电极构成，其中，n型AlxGai.xAs中的x=0.25~0.32。
6上述方案中，所述在GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层、多个由n 型AlxGa,—xAs与不掺杂GaAs构成的二维电子气层和n型GaAs盖帽层， 是采用分子束外延方法或者金属有机物气相外延方法生长的。 上述方案中，所述GaAs缓冲层的厚度为50nm 2000nm。 上述方案中，所述多个由n型AlxGai.xAs与不掺杂GaAs构成的二维 电子气层中，每个二维电子气层是由n型AlxGai.xAs与不掺杂GaAs之间 的界面所形成的。
上述方案中，所述多个由n型AlxGa,.xAs与不掺杂GaAs构成的二维 电子气层中，n型AlxGai.xAs的厚度为5nm 200nm，不掺杂GaAs的厚度 为5nm 200nm。
上述方案中，所述n型AlxGai.xAs中n型掺杂浓度为l><1017cm—3 lxl018cnf3。
上述方案中，所述多个由n型AlxGai.xAs与不掺杂GaAs构成的二维 电子气层中，二维电子气层载流子面密度为3xl011Cm-2 6xlO"Cm-2，且在 77K温度下载流子迁移率大于10m2/Vs。
上述方案中，所述n型GaAs盖帽层的厚度为2nm 20nm，在该n型 GaAs盖帽层中n型掺杂浓度为5xl017cm—3 lxl018cm—3。
上述方案中，所述AuGeNi合金电极和Au电极的长度均为0.001mm lmm，宽度均为0.001mm lmm， AuGeNi合金电极的厚度为10nm lOOOnm， Au电极的厚度为10nm 5000nm。
为达到上述目的的另一个方面，本发明提供了一种制作含有多层二维 电子气的量子化霍尔电阻器件的方法，该方法包括
步骤1、在GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层；
步骤2、在GaAs缓冲层上交替外延生长多层n型AlxGai.xAs与不掺 杂GaAs， x=0.25 0.32，在n型AlxGa,.xAs与不掺杂GaAs的交界面上形
成多个二维电子气层；
步骤3、在最上层的二维电子气层上外延生长n型GaAs盖帽层，完 成GaAs衬底的外延结构生长；
步骤4、对完成外延结构生长的GaAs衬底进行光刻、显影、定影和 腐蚀，制作出含有多层二维电子气的霍尔棒；步骤5、在含有多层二维电子气的霍尔棒上进行第二次光刻和显影，
形成电极窗口图形，再蒸发AuGeNi合金电极层和Au电极层，剥离光刻 胶以后得到有图案的电极；
步骤6、快速热退火，使AuGeNi合金电极扩散进入含有多层二维电 子气的霍尔棒，使AuGeNi合金电极与霍尔棒形成欧姆接触。
上述方案中，步骤1中所述GaAs衬底是Si掺杂的n型GaAs衬底， 所述外延生长GaAs缓冲层是采用分子束外延方法或者金属有机物气相外 延方法，所述GaAs缓冲层的厚度为50nm 2000nm。
上述方案中，步骤2中所述n型AlxGai.xAs中n型掺杂浓度为 lxl0'7cm-3 lxl018cm-3。
上述方案中，步骤3中所述n型GaAs盖帽层的厚度为2nm 20nm， n型GaAs盖帽层中n型掺杂浓度为5xl017cm—3 lxl018cm-3。
上述方案中，步骤4中所述对完成外延结构生长的GaAs衬底进行光 刻、显影、定影和腐蚀，具体包括在完成外延结构生长的GaAs衬底上， 首先通过光刻、显影和定影，制作出霍尔棒的的图形，再使用化学湿法腐 蚀的方法，H2S04: H202: H20=5: 1: 25 (体积比)的溶液，l(TC下，去 除霍尔棒图形以外的部分，腐蚀时直至腐蚀到所有的二维电子气层以下， 制作出含有多层二维电子气的霍尔棒。
上述方案中，步骤5中所述形成的电极窗口图形，其长为0.001mm lmm，宽为0.001mm lmm;所述蒸发的AuGeNi合金电极层的厚度为 10nm 1000nm，所述蒸发的Au电极层的厚度为10nm 5000nm。
上述方案中，步骤6中所述快速热退火，具体包括在Hy N2 = 4: l
1: 4 (摩尔比)的混合气体氛围中，在200 60(TC下快速热退火10秒 500秒。 '
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果 本发明在外延生长方向上的并联是通过对AuGeNi合金电极的快速热 退火工艺完成的，此退火过程使AuGeNi合金电极向n型GaAs层和多个 二维电子气层扩散，扩散进入多个二维电子气层后形成电极与霍尔棒中多
8个二维电子气层的欧姆接触。这样的欧姆接触使得各个二维电子气层相互 并联起来，根据电阻并联的原理，该器件在低温强磁场下得到的量子化霍 尔电阻能够成倍的降低。此种方法对半导体外延生长的技术要求较高，但 是当利用这种衬底制作并联阵列时可以成倍减小阵列的规模和外延片材 料的消耗，降低在制作大规模阵列时半导体工艺方面的挑战，同时也增强 了阵列的可靠性。


图1是本发明提供的含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件的横
截面示意图；其中，1 GaAs衬底，2 GaAs缓冲层，3 二维电子气层， 4 n型AlGaAs层，5 非掺杂GaAs层，6 n型GaAs盖帽层，7 AuGeNi 合金电极层，8 Au电极层；
图2是本发明提供的制作含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件 的方法流程图。
具体实施例方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明将并联的理念从在外延片平面方向上扩展到外延生长的方向 上来，也就是使用含有多层二维电子气的外延片，即在外延片的生长过程 中在衬底上一次性生长多层二维电子气，除了外延生长的环节以外的其他 器件制作工艺与单层二维电子气外延片的相兼容。通过引入外延生长方向 上的并联可以制作出立体的量子化霍尔串并联阵列。
如图1所示，图1是本发明提供的含有多层二维电子气的量子化霍尔 电阻器件的横截面示意图。该量子化霍尔电阻器件由自下而上依次在 GaAs衬底上外延生长的GaAs缓冲层、多个由n型AlxGai.xAs与不摻杂 GaAs构成的二维电子气层、n型GaAs盖帽层，以及在该n型GaAs盖帽 层上依次淀积的AuGeNi合金电极和Au电极构成，其中，n型AlxGai.xAs 中的x=0.25~0.32。
在GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层、多个由n型AlxGai.xAs与不
9掺杂GaAs构成的二维电子气层和n型GaAs盖帽层，是采用分子束外延方法或者金属有机物气相外延方法生长的。GaAs缓冲层的厚度为50nm 2000nm。多个由n型AlxGa"As与不掺杂GaAs构成的二维电子气层中，每个二维电子气层是由n型AlxGai.xAs与不掺杂GaAs之间的界面所形成的。多个由n型AlxGa^As与不掺杂GaAs构成的二维电子气层中，n型AlxGa,.xAs的厚度为5nm 200nm，不掺杂GaAs的厚度为5nm 200nm。n型AlxGaNxAs中n型掺杂浓度为lxl017cm—3 lxl08cm-3。
多个由n型AlxGai.xAs与不掺杂GaAs构成的二维电子气层中，二维电子气层载流子面密度为3xl0"cn^ 6xl0"cm'2，且在77K温度下载流子迁移率大于10m2/Vs。 n型GaAs盖帽层的厚度为2nm 20nm，在该n型GaAs盖帽层中n型掺杂浓度为5xl017cm—3 lxl018cm-3。 AuGeNi合金电极和Au电极的长度均为0.001mm lmm，宽度均为0.001mm lmm，AuGeNi合金电极的厚度为10nm 1000nm， Au电极的厚度为10nm 5000nm。
基于图1所示的含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件，图2示出了本发明提供的制作含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件的方法流程图，该方法包括
步骤1、在GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层；所述GaAs衬底是Si掺杂的n型GaAs衬底，所述外延生长GaAs缓冲层是采用分子束外延方法或者金属有机物气相外延方法，所述GaAs缓冲层的厚度为50nm 2000nm。
步骤2、在GaAs缓冲层上交替外延生长多层n型AlxGai_xAs与不掺杂GaAs, x=0.25~0.32，在n型AlxGaLXAs与不掺杂GaAs的交界面上形成多个二维电子气层；所述n型AlxGa"As中n型掺杂浓度为lxl017cm—3 lxl018cm-3。
步骤3、在最上层的二维电子气层上外延生长n型GaAs盖帽层，完成GaAs衬底的外延结构生长；所述n型GaAs盖帽层的厚度为2nm 20nm， n型GaAs盖帽层中n型掺杂浓度为5xl017cm—3 lxl018cm-3。
步骤4、对完成外延结构生长的GaAs衬底进行光刻、显影、定影和腐蚀，制作出含有多层二维电子气的霍尔棒，具体包括在完成外延结构
10生长的GaAs衬底上，首先通过光刻、显影和定影，制作出霍尔棒的的图形，再使用化学湿法腐蚀的方法，H2S04: H202.: H20=5: 1: 25 (体积比)的溶液，l(TC下，去除霍尔棒图形以外的部分，腐蚀时直至腐蚀到所有的二维电子气层以下，制作出含有多层二维电子气的霍尔棒。
步骤5、在含有多层二维电子气的霍尔棒上进行第二次光刻和显影，形成电极窗口图形，再蒸发AuGeNi合金电极层和Au电极层，剥离光刻胶以后得到有图案的电极；所述形成的电极窗口图形，其长为0.001mm lmm，宽为0.001mm lmm;所述蒸发的AuGeNi合金电极层的厚度为10nm 1000nm，所述蒸发的Au电极层的厚度为10nm 5000nm。
步骤6、快速热退火，使AuGeNi合金电极扩散进入含有多层二维电子气的霍尔棒，使AuGeNi合金电极与霍尔棒形成欧姆接触；所述快速热退火，具体包括在Hy N2 = 4: 1 1: 4 (摩尔比)的混合气体氛围中，
在200 60(TC下快速热退火10秒 500秒。
以下结合具体实施例，详细说明本发明提供的制备含有多层二维电子
气的量子化霍尔电阻器件的方法，包括以下步骤
步骤101:使用Si掺杂的n型GaAs衬底，利用分子束外延或者金属有机物气相外延方法在衬底上按顺序生长厚度为50nm 2000nm的GaAs缓冲层，然后交替生长多层n型AlxGai.xAs (x=0.25 0.32)与不掺杂GaAs，其中n型AlxGai_xAs中n型掺杂浓度为lxl017cm-3 lxl018cm-3，这样在n型AlxGa^As (x=0.25~0.32)与不惨杂GaAs的交界面上会形成多个(两个及两个以上)二维电子气层，最后生长一厚度为2nm 20nm的n型GaAs盖帽层保护多个二维电子气层，也利于金属电极和外延片形成欧姆接触，其中n型GaAs中n型掺杂浓度为5xl017cnf3 lxl018cm-3。
步骤102:在完成外延结构生长的衬底上，首先通过光刻、显影和定影制作出霍尔棒的的图形，再使用化学湿法腐蚀的方法(H2S04: H202:H20=5: 1: 25 (体积比)的溶液，l(TC下)去除霍尔棒图形以外的部分，腐蚀深度根据具体的外延结构而定，直至腐蚀到所有的二维电子气层以下。这样就制作出含有多层二维电子气的霍尔棒。
步骤103:然后第二次光刻和显影形成长(0.001mm lmm) x宽(0.001mm lmm)的电极窗口图形，再蒸发厚度为10nm 1000nm的
liAuGeNi合金电极层，以及厚度为10nm 5000nm的Au电极层，剥离光
刻胶以后得到有图案的电极。
步骤104:在H2: N2 = 4: 1 1: 4 (摩尔比):的混合气体氛围中，200
60(TC下快速热退火10秒 500秒，此退火过程使AuGeNi合金电极扩散进入含有多层二维电子气的霍尔棒，使AuGeNi合金电极与霍尔棒形成欧姆接触。这样的欧姆接触使得各个二维电子气层相互并联起来，根据电阻并联的原理，该器件在低温强磁场下得到的量子化霍尔电阻能够成倍的降低。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1、一种含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件，其特征在于，该器件由自下而上依次在GaAs衬底上外延生长的GaAs缓冲层、多个由n型AlxGa1-xAs与不掺杂GaAs构成的二维电子气层、n型GaAs盖帽层，以及在该n型GaAs盖帽层上依次淀积的AuGeNi合金电极和Au电极构成，其中，n型AlxGa1-xAs中的x＝0.25～0.32。
2、 根据权利要求1所述的含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件，其特征在于，所述在GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层、多个由n ，是采用分子束外延方法或者金属有机物气相外延方法生长的。
3、 根据权利要求1所述的含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件，其特征在于，所述GaAs缓冲层的厚度为50nm 2000nm。
4、 根据权利要求1所述的含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件，其特征在于，所述多个由n型AlxGa"As与不掺杂GaAs构成的二维电子气层中，每个二维电子气层是由n型AlxGa,.xAs与不掺杂GaAs之间的界面所形成的。
5、 根据权利要求1所述的含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件，其特征在于，所述多个由n型AlxGai.xAs与不掺杂GaAs构成的二维电子气层中，n型AlxGai_xAs的厚度为5nm 200nm，不掺杂GaAs的厚度为5nm 200nm。
6、 根据权利要求1所述的含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件，其特征在于，所述n型AlxGai.xAs中n型掺杂浓度为lxl017cm—3 lxl018cm—3。
7、 根据权利要求1所述的含有'多层二维t子气的量子化霍尔电阻器件，其特征在于，所述多个由n型AlxGa^As与不掺杂GaAs构成的二维电子气层中，二维电子气层载流子面密度为3xl0"cn^ 6xl0Ucm—2，且在77K温度下载流子迁移率大于10m2/Vs。
8、 根据权利要求1所述的含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件，其特征在于，所述n型GaAs盖帽层的厚度为2nm 20nm，在该n型GaAs盖帽层中n型掺杂浓度为5xl017cm—3 lxl018cm—3。
9、 根据权利要求1所述的含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件，其特征在于，所述AuGeNi合金电极和Au电极的长度均为0.001mm lmm，宽度均为0.001mm lmm， AuGeNi合金电极的厚度为10nm lOOOnm， Au电极的厚度为10nm 5000nm。
10、 一种制作含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件的方法，其特征在于，该方法包括步骤1、在GaAs衬底上外延生长GaAs缓冲层；步骤2、在GaAs缓冲层上交替外延生长多层n型AlxGai.xAs与不掺杂GaAs， x=0.25--0.32，在n型AlxGai.xAs与不掺杂GaAs的交界面上形成多个二维电子气层；步骤3、在最上层的二维电子气层上外延生长n型GaAs盖帽层，完成GaAs衬底的外延结构生长；步骤4、对完成外延结构生长的GaAs衬底进行光刻、显影、定影和腐蚀，制作出含有多层二维电子气的霍尔棒；步骤5、在含有多层二维电子气的霍尔棒上进行第二次光刻和显影，形成电极窗口图形，再蒸发AuGeNi合金电极层和Au电极层，剥离光刻胶以后得到有图案的电极；步骤6、快速热退火，使AuGeNi合金电极扩散进入含有多层二维电子气的霍尔棒，使AuGeNi合金电极与霍尔棒形成欧姆接触。
11、 根据权利要求10所述的制作含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件的方法，其特征在于，步骤1中所述GaAs衬底是Si掺杂的n型GaAs衬底，所述外延生长GaAs缓冲层是采用分子束外延方法或者金属有机物气相外延方法，所述GaAs缓冲层的厚度为50nm 2000nm。
12、 根据权利要求10所述的制作含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件的方法，其特征在于，步骤2中所述h型AlxGa^As中n型掺杂浓度为lxl017cm_3 lxl018cm-3。
13、 根据权利要求10所述的制作含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件的方法，其特征在于，步骤3中所述n型GaAs盖帽层的厚度为2nm 20nm，n型GaAs盖帽层中n型掺杂浓度为5xl017cnr3 lxl018cm-3。
14、 根据权利要求10所述的制作含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件的方法，其特征在于，步骤4中所述对完成外延结构生长的GaAs 衬底进行光刻、显影、定影和腐蚀，具体包括-在完成外延结构生长的GaAs衬底上，首先通过光刻、显影和定影， 制作出霍尔棒的的图形，再使用化学湿法腐蚀的方法，H2S04: H202: H20=5: 1: 25(体积比)的溶液，l(TC下，去除霍尔棒图形以外的部分，腐 蚀时直至腐蚀到所有的二维电子气层以下，制作出含有多层二维电子气的 霍尔棒。 '
15、 根据权利要求10所述的制作含有多层二维电子气的量子化霍尔 电阻器件的方法，其特征在于，步骤5中所述形成的电极窗口图形，其长 为0.001mm lmm，宽为0.001mm lmm;所述蒸发的AuGeNi合金电极 层的厚度为10nm 1000nm，所述蒸发的Au电极层的厚度为10nm 5000nm。
16、 根据权利要求10所述的制作含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件的方法，其特征在于，步骤6中所述快速热退火，具体包括在H2: N2 = 4: 1 1: 4(摩尔比)的混合气体氛围中，在200 600。C下 快速热退火10秒 500秒。
全文摘要
本发明公开了一种含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件，该器件由自下而上依次在GaAs衬底上外延生长的GaAs缓冲层、多个由n型Al_xGa_1-xAs与不掺杂GaAs构成的二维电子气层、n型GaAs盖帽层，以及在该n型GaAs盖帽层上依次淀积的AuGeNi合金电极和Au电极构成，其中，n型Al_xGa_1-xAs中的x＝0.25～0.32。本发明同时公开了一种制作含有多层二维电子气的量子化霍尔电阻器件的方法。利用本发明，可以成倍减小阵列的规模和外延片材料的消耗，降低在制作大规模阵列时半导体工艺方面的挑战，同时也增强了阵列的可靠性。
文档编号H01L43/14GK101510583SQ20091008006
公开日2009年8月19日 申请日期2009年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者张钟华, 李正坤, 青 贺, 赵建亭, 源 钟, 青 钟, 冰 韩, 鲁云峰 申请人:中国计量科学研究院