提高压电极化强度的新型hemt的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种提高压电极化强度的新型HEMT，本实用新型方法在含有AlN隔离层的AlGaN/AlN/GaN结构HEMT基础上，在GaN层下面插入了InGaN层，形成AlxGa1-xN/AlN/GaN/InyGa1-yN结构的HEMT。AlGaN、GaN之间，GaN、InGaN之间分别形成沟道，由于极化效应产生的2DEG在沟道中。插入了InGaN层，GaN/InGaN结构中GaN的晶格常数小于InN的晶格常数，使得GaN晶格应变，由应变产生的压电极化强于AlGaN/GaN之间的压电极化，使得器件在相同压力下极化效应更强，二维电子气面密度变化更大，使得提高了器件的灵敏度。
【专利说明】提高压电极化强度的新型HEMT
【技术领域】
[0001]本实用新型属于微电子【技术领域】，具体涉及一种提高压电极化强度的新型HEMT。【背景技术】
[0002]传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志，其中压力传感器是应用最为广泛的一类。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主。随着半导体技术与MEMS技术的发展，人们以硅作为主要材料，采取电容、压阻等多种形式，开发了硅微压力传感器，其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。当今应用与研究范围又有所扩展，人们又开始重视开发能够直接工作在恶劣环境下的微压力传感器。随着对宽禁带半导体的研究深入，发现宽禁带半导体GaN (禁带宽度3.4eV)传感器可以不用冷却在高温下探测化学、气体、生物、辐射以及发送信号给中央控制器。AlGaN/GaN HEMT已经被证明具有高频、耐高压、耐高温和抗辐射特性，是高功率放大器和电力电子器件最具潜力的器件。AlGaN/GaN HEMT中决定电流电压特性的二维电子气(2DEG)面电子密度不仅受到势垒层AlGaN中Al组分等外延层材料特性的影响，而且受到势垒层AlGaN自发极化和压电极化强弱的影响，势垒层AlGaN压电极化对负载压力很敏感，同时，GaN材料在高温下化学稳定性好，这些特性使得AlGaN/GaNHEMT将会成为一种在高温环境下工作的压力传感器良好选择。但常规AlGaN/GaN HEMT的结构在用作压力传感器时依旧存在着灵敏度的问题。主要原因是AlGaN/GaN层之间的压电极化强度并不足够大，这导致了压力传感器检测灵敏度不足。
实用新型内容
[0003]本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种提高压电极化强度的新型HEMT。
[0004]本实用新型一种提提高压电极化强度的新型HEMT，包括衬底、GaN缓冲层、In。.2Ga0 8N 层、GaN 层、隔尚层 AIN、Al0.3Ga0.7N 层和 GaN 帽层；
[0005]所述的衬底上外延生长出缓冲层GaN ;在GaN缓冲层上生长Intl 2Gatl 8N层；接着在Ina2Gaa8N层上面外延生长GaN沟道层；之后在沟道层GaN上外延生长隔离层A1N，主要是提高AlGaN/GaN结的势垒导带差；接着在隔离层AlN上外延生长非掺杂Ala3Gaa7N势垒层；在势垒层上生长非掺杂GaN帽层；最后在帽层上设置晶体管的栅极、源极和漏极。
[0006]所述的衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底；
[0007]所述的GaN缓冲层为层厚度为2μπι;
[0008]所述的Ina2Gaa8N层厚度为8nm ；
[0009]所述的GaN沟道层厚度为14nm ；
[0010]所述的AlN隔离层厚度为Inm ；
[0011]所述的Ala3Gaa7N势垒层厚度为20nm ；
[0012]所述的GaN帽层厚度为2nm ；
[0013]所述的栅极金属为Ni或者Au，源极和漏极金属为钛、铝、镍、金中的一种，选择器件的栅长为0.75 μ m,栅宽为100 μ m,栅极与源极、栅极与漏极之间距离都为1.2 μ m。[0014]本实用新型方法中外延生长采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)手段，本实用新型的实用新型点在于对器件的外延层结构的改变。
[0015]有益效果:本实用新型通过改变器件的外延层结构，使得这种新型器件在作为压力传感器工作时具有较高的敏感度。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本实用新型器件的剖面结构图；
[0017]图2为本实用新型器件外延层中的压电极化示意图。
【具体实施方式】
[0018]如图1、图2所示:一种提高压电极化的新型HEMT结构包括:蓝宝石衬底。GaN缓冲层，InGaN层，GaN层，AlN插入层，AlGaN层，GaN帽层:
[0019]本实用新型在含有AlN隔离层的AlGaN/AlN/GaN结构HEMT基础上，在GaN层下面插入了 InGaN层，形成ΑΙΑα^Ν/ΑΙΝΑ^Ν/Ιηρ^Ν结构的ΗΕΜΤ，剖面图如图1所示。在AlGaN、GaN之间，GaN、 InGaN之间分别形成沟道，由于极化效应产生的2DEG在沟道中。插入了 InGaN层，GaN/InGaN结构中GaN的晶格常数小于InN的晶格常数，使得GaN晶格应变，由应变产生的压电极化强于AlGaN/GaN之间的压电极化，使得器件在相同压力下极化效应更强，二维电子气面密度变化更大，使得提高了器件的灵敏度。
[0020]本实用新型在蓝宝石、硅或碳化硅基底上外延生长多层异质结结构，形成一种高灵敏的高电子迁移率晶体管AlxGahNAlNAiaNAnyGahN结构的HEMT。先在衬底上外延生长出缓冲层GaN ;然后在GaN缓冲层上生长111(|.#&(|.#层；接着在Ina2Gaa#层上面外延生长GaN沟道层；之后在沟道层GaN上外延生长隔离层A1N，主要是提高AlGaN/GaN结的势垒导带差；接着在隔离层AlN上外延生长非掺杂Ala3Gaa7N势垒层；在势垒层上生长非掺杂GaN帽层；最后在帽层上按照常规方法研制晶体管的栅极、源极和漏极。
[0021]所述的衬底为蓝宝石衬底；
[0022]所述的GaN缓冲层为层厚度为2μπι;
[0023]所述的Ina2Gaa8N层厚度为8nm ；
[0024]所述的GaN沟道层厚度为14nm ；
[0025]所述的AlN隔离层厚度为Inm ；
[0026]所述的Al。.3Ga0.7N势垒层厚度为20nm ；
[0027]所述的GaN帽层厚度为2nm ；
[0028]所述的栅极金属为Ni/Au (镍/金)，源极和漏极金属分别为钛/铝/镍/金(Ti/Al/Ni/Au)，选择器件的栅长为0.75 μ m，栅宽为100 μ m,栅极与源极、栅极与漏极之间距离都为1.2 μ m。
[0029]本实用新型方法中外延生长采用金属有机物化学气相淀积(MOCVD)方法实现。
[0030]压电极化产生的原因则是在异质结界面处，由于不同材料之间彼此晶格不匹配产生应力，使得阴离子和阳离子的排列发生移动，产生出极化电荷，称为压电效应。因此压电极化与晶格匹配度有关。压电极化大小可由公式Ppe = 2 (1-R) (a-a0) [e31-e33C13/C33]/aQ算出。其中a和％分别是应变和本征晶格常数，e31和e33是材料的压电系数，C13和C33是材料的弹性常数。R为应变层的弛豫度，完全弛豫时R=l，此时不存在压电极化。当晶格全应变时R=O，此时a等于相邻层的本征晶格常数。AlGaN/GaN结构的压电极化是由AlN/GaN
之间的晶格失配导致，而AlN的晶格常数为3.112人，GaN的晶格常数为3.189人，两者
之间的差距不大。而另外一种III族氮化物InN的晶格常数为3.548 A，显然这个数值要比
前两者大很多，而InN的禁带宽度为0.7eV，可以和GaN (禁带宽度3.4eV)形成异质结构。由于InN生长的困难性，实现真正的InN基的HEMT异质结构十分不易，但是将InGaN合金引入到比较成熟的GaN异质结构中是可行的，同样在理论上，会提升目前的很多性能。因而我们提出了一种在常规AlGaN/GaN结构下面加入一层InGaN的器件结构。通过Ppe计算公式计算，当晶格完全应变时，AlGaN (相邻层为GaN)中AIN的压电极化Ppe=-0.05371，GaN(相邻层为InGaN)的压电极化Ppe=-0.15225，是前者的三倍。这从理论上支持了用GaN/InGaN结构来提高器件压电极化强的方法，使得器件用于压力传感器时具有更高的检测灵敏度。
【权利要求】
1.提高压电极化强度的新型HEMT，包括衬底、GaN缓冲层、Ina2Gaa8N层、GaN层、隔离层 AIN、Al0.3Ga0.7N 层和 GaN 帽层； 其特征在于:所述的衬底上外延生长出缓冲层GaN ;在GaN缓冲层上生长1%26%.#层；接着在Ina2Gaa8N层上面外延生长GaN沟道层；之后在沟道层GaN上外延生长隔离层A1N，主要是提高AlGaN/GaN结的势垒导带差；接着在隔离层AlN上外延生长非掺杂Ala 3Ga0.7N势垒层；在势垒层上生长非掺杂GaN帽层；最后在帽层上设置晶体管的栅极、源极和漏极。
2.根据权利要求1所述的所述的提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于:衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的所述的提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于:所述的GaN缓冲层为层厚度为2 μ m。
4.根据权利要求1所述的所述的提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于:所述的Ina2Gaa8N 层厚度为 8nm。
5.根据权利要求1所述的所述的提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于:所述的GaN沟道层厚度为14nm。
6.根据权利要求1所述的所述的提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于:所述的AlN隔尚层厚度为lnm。
7.根据权利要求1所述的所述的提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于:所述的Ala3Gaa7N势垒层厚度为20nm。
8.根据权利要求1所述的所述的提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于:所述的GaN帽层厚度为2nm。
9.根据权利要求1所述的所述的提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于:所述的栅极金属为Ni或者Au，源极和漏极金属为钛、铝、镍、金中的一种，选择器件的栅长为.0.75Mm,栅宽为IOOMm,栅极与源极、栅极与漏极之间距离都为1.2Mm。
【文档编号】H01L29/423GK203707139SQ201420008679
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】程知群, 栾雅, 连心想, 贾民仕 申请人:杭州电子科技大学