一种光控HEMT及其控制方法与流程

本发明属于半导体技术领域，特别涉及一种光控hemt及其控制方法。

背景技术：

hemt(highelectronmobilitytransistor)，是一种异质结场效应晶体管，能够工作于超高频(毫米波)、超高速领域。常规的hemt靠调节栅极电压来控制导电沟道的开关，存在一定延迟，使得hemt无法达到很高的工作频率，现有的hemt的工作频率小于1thz。目前，也有hemt结合了光控技术，但其存在两方面的局限。其一，它仅局限于利用光照来影响其阈值电压以及i-v电学特性，导电沟道的载流子仍然主要靠势垒层提供，并没有实现完全利用光照控制其沟道的开关，因而现有hemt的导电沟道的开关依旧是依赖栅极电压的控制，限制了其频率特性的提高；其二，光照产生的空穴也参与导电，由于空穴的迁移率远小于电子，并且电子与空穴之间有库伦吸引(coulombattraction)，因此也限制了器件的最大工作频率。

技术实现要素：

发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种用光来控制导电沟道的开关，有效消除常规hemt栅控导电沟道开关的延迟问题，从而进一步提升了hemt的高频特性的光控hemt。

技术方案：为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种光控hemt，包括最下层的衬底，衬底上生长缓冲层，缓冲层上生长量子阱有源层；其中量子阱有源层从上到下依次包括：第一势垒层、第一隔离层、第一沟道层、第二沟道层、第二隔离层、第二势垒层；量子阱有源层的上表面设置源极、漏极和栅极，栅极位于源极和漏极的中间，源极和漏极为欧姆接触；在源极和漏极外侧再分别设置欧姆接触的第一电极和第二电极分别与第二沟道层连通，并与第一势垒层、第一隔离层、第一沟道层通过绝缘层隔离。

进一步，所述第二沟道层的禁带宽度大于所述第一沟道层的禁带宽度。光信号的能量大于第一沟道层的禁带宽度而小于第二沟道层的禁带宽度，当光信号入射到量子阱有源层时，只有第一沟道层产生光生载流子。

进一步，所述第一电极和第二电极分别通过n型重掺杂的第一区域和第二区域与第二沟道层的两端相连通，第一区域和第二区域分别与第一势垒层、第一隔离层、第一沟道层通过绝缘层隔离。如此可以通过第一电极和第二电极与第二沟道层形成回路，避免空穴堆积在第二沟道层。

进一步，所述第一电极和第二电极为“l”型，“l”型的第一电极和第二电极的侧边分别通过绝缘层和第二沟道层的侧面连接，“l”型的第一电极和底边分别与第二隔离层的上表面连接。这样能够有效解决常规的表面电极引起的内部电场弯曲问题。

进一步，还包括光吸收层，所述光吸收层设置在第一沟道层和第二沟道层之间，第一沟道层和第二沟道层的禁带宽度均大于光吸收层的禁带宽度。这种情况下光信号的能量大于或等于光吸收层的禁带宽度而小于第一沟道和第二沟道的禁带宽度，这样第一沟道和第二沟道可以选用禁带宽度大的材料，比如gan等，两个沟道的材料选择不受光信号能量的限制。

进一步，所述光吸收层为多层量子阱结构的光吸收层。这样可以提高光转换的量子效率，并且可以调节吸收波长。

进一步，所述第一沟道层为增强型；所述第二沟道层为耗尽型。

进一步，所述绝缘层可以是氧化物、电介质或沟槽。

本发明还提供了一种用于上述光控hemt的控制方法，光信号由光控hemt上表面或器件下表面入射使第一沟道层产生光生电子-空穴对，所述光信号的能量大于第一沟道层材料的禁带宽度而小于第二沟道层材料的禁带宽度；同时，栅极加正压，所加电压小于第一沟道层的阈值电压，使第一沟道层仍保持关断状态，此时第二沟道层导通。

进一步，所述光信号为单波长光信号、调制光信号或含有多个光波长的光信号；或者是用于控制的光脉冲和被调制的光信号的光光混合信号，例如光脉冲采样光信号；或者是空间不同路径的光信号经过光器件合并为同一路径的光信号，其中每个路径的光信号的幅度或相位都可以被调制

工作原理：本发明中第一沟道层为增强型，即不加栅压时沟道被夹断。第二沟道层为耗尽型，即不加栅压就导通。栅极加正压，所加电压小于第一沟道层的阈值电压，使第一沟道层仍保持关断状态，此时第二沟道层已导通。光信号由hemt上表面或下表面入射使第一沟道层产生电子-空穴对，光信号的能量大于第一沟道材料的禁带宽度而小于第二沟道材料的禁带宽度。电子-空穴对在栅压所形成的电场的作用下迅速分离，光生电子处于第一沟道层中导通信号，空穴在电场作用下向第二沟道层漂移并与第二沟道层中的电子复合。由此可见，hemt工作时外加信号可以经第一沟道层传递，第二沟道层的作用是与光生空穴复合并通过外电路释放光生空穴，使其不在第二沟道累积，从而使光生空穴不影响第一沟道信号的传输。

有益效果：与现有技术相比，本发明结合了增强型和耗尽型导电沟道，当合适的光信号入射到所述量子阱有源区时，第一沟道层中产生的电子-空穴对可以在栅压电场的作用下迅速分离，电子处于第一沟道层中导通，空穴在电场作用下向第二沟道层漂移并与第二沟道层中的电子复合，进而消除了光生电子-空穴之间的库伦吸引的影响，使第一沟道层中光生电子迁移率大大提高，同时也消除了空穴迁移率低的缺陷。由于第一沟道导通的自由电子完全是由光照产生的，通过外加光信号控制第一沟道的截止与导通，无光照时第一沟道截止，有光照时第一沟道导通，因此本发明提供的hemt的开关完全是由光控制的，并且只有电子参与第一沟道信号的传输，从而可以大大提升hemt的频率特性。

附图说明

图1是实施例1中光控hemt的示意图；

图2是实施例2中光控hemt的示意图；

图3是实施例3中光控hemt的示意图；

图4是实施例4中光控hemt的示意图；

图5是实施例5中光控hemt的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

实施例1：

如图1所示，一种光控hemt，包括衬底1，衬底上生长缓冲层2，缓冲层上生长量子阱有源层。其中量子阱有源层从上到下依次包括：第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6、第二沟道层5、第二隔离层4、第二势垒层3。量子阱有源层的上表面设置源极10、漏极11和栅极9，栅极9位于源极10和漏极11的中间，源极10和漏极11位于栅极9的两侧，源极10和漏极11为欧姆接触。在源极10和漏极11外侧分别设置第一电极12和第二电极13，同样为欧姆接触，置第一电极12和第二电极13分别通过n型重掺杂的第一区域14和第二区域15与第二沟道层5的两端相连通，同时，第一区域14和第二区域15分别与第一势垒层8、第一隔离层7和第一沟道层6通过绝缘层16隔离，绝缘层可以是氧化物、电介质或沟槽。

其中，第二沟道层5的禁带宽度大于第一沟道层6的禁带宽度。所述第一势垒层8和第二势垒层3为掺杂型。第一沟道层6为增强型，即不加栅压时导电沟道被夹断。第二沟道层5为耗尽型，即不加栅压时导电沟道已导通。栅极9加电压，所加电压小于第一沟道层6的阈值电压，使第一沟道层6保持关断状态，此时第二沟道层5已导通。光信号18由器件上表面或下表面入射使第一沟道层产生电子-空穴对，光信号18的能量大于第一沟道层材料的禁带宽度而小于第二沟道层材料的禁带宽度。电子-空穴对在栅电压9的作用下迅速分离，电子处于第一沟道层6中导通，空穴在电场作用下向第二沟道层5漂移并与第二沟道层5中的电子复合。光信号18可以是单波长光信号，该信号可以是一个调制光信号；也可以是含有多个光波长的光信号，其中每个光波长可以被调制；或者是用于控制的光脉冲和被调制的光信号的光光混合信号，例如光脉冲采样光信号；或者是空间不同路径的光信号经过光器件合并为同一路径的光信号，其中每个路径的光信号的幅度或相位都可以被调制。

由此可见，实施例1提供的光控hemt工作时可以外加信号于量子阱有源层内侧的源或漏，信号经第一沟道层6传递，第二沟道层5的作用是带走光生空穴，不影响信号传递。

在实施例1中，衬底1选用ⅲ-ⅴ族半导体材料，所述缓冲层2、第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6、第二沟道层5、第二隔离层4、第二势垒层3的材质均选自与所用衬底晶格常数相近ⅲ-ⅴ族半导体材料。

其中，衬底1可选用但不限于inp等；缓冲层2、第二势垒层3、第一势垒层8、第一隔离层7可选用但不限于inxal(1-x)as等，x代表in在inalas所含ⅲ族元素中所占比例，0<x<1；第一沟道层6可选用但不限于inxga(1-x)as等，x代表in在ingaas所含ⅲ族元素中所占比例，0<x<1；第二沟道层5和第二隔离层4可选用但不限于gasbyas(1-y)等，y代表sb在gasbas所含ⅴ族元素中所占比例，0<y<1。

实施例2：

如图2所示，一种光控hemt，包括衬底1，衬底上生长缓冲层2，缓冲层上生长量子阱有源层。其中量子阱有源层从上到下依次包括：第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6、第二沟道层5、第二隔离层4、第二势垒层3。量子阱有源层的上表面设置源极10、漏极11和栅极9，栅极9位于源极10和漏极11的中间，源极10和漏极11位于栅极9的两侧，源极10和漏极11为欧姆接触。其中，在第一势垒层8、第一隔离层7和第一沟道层6的两侧分别设有绝缘层16，在两侧绝缘层16的外侧分别设有“l”型的第一电极12和第二电极13，其中第一电极12和第二电极13与第二沟道层5的两端相连通，“l”型的第一电极12和第二电极13的侧边分别通过绝缘层16和第二沟道层5的侧面连接，“l”型的第一电极12和底边分别与第二隔离层4的上表面连接。第一电极12和第二电极13为欧姆接触，绝缘层16可以是氧化物、电介质或沟槽。

其中，第二沟道层5的禁带宽度大于第一沟道层6的禁带宽度。所述第一势垒层8和第二势垒层3为掺杂型。第一沟道层6为增强型，即不加栅压时导电沟道被夹断。第二沟道层5为耗尽型，即不加栅压时导电沟道已导通。栅极9加电压，所加电压小于第一沟道层6的阈值电压，使第一沟道层6保持关断状态，此时第二沟道层5已导通。光信号18由器件上表面或下表面入射使第一沟道层产生电子-空穴对，光信号18的能量大于第一沟道层材料的禁带宽度而小于第二沟道层材料的禁带宽度。电子-空穴对在栅电压9的作用下迅速分离，电子处于第一沟道层6中导通，空穴在电场作用下向第二沟道层5漂移并与第二沟道层5中的电子复合。光信号18可以是单波长光信号，该信号可以是一个调制光信号；也可以是含有多个光波长的光信号，其中每个光波长可以被调制。

“l”型结构的电极能够有效解决常规的表面电极引起的内部电场弯曲问题，漏、源电压可以无差别的加载到沟道层两端，增大漏、源水平方向的电场分量，使电子可以快速通过导电沟道；另一方面，“l”型结构两侧金属电极的电阻远小于实施例1中的n型重掺杂的第一区域14和第二区域15的电阻，优化了光控hemt的电学特性。

实施例2中，衬底1选用ⅲ-ⅴ族半导体材料，所述缓冲层2、第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6、第二沟道层5、第二隔离层4、第二势垒层3的材质均选自与所用衬底晶格常数相近ⅲ-ⅴ族半导体材料。

其中，衬底1可选用但不限于inp等；缓冲层2、第二势垒层3、第一势垒层8、第一隔离层7可选用但不限于inxal(1-x)as等，x代表in在inalas所含ⅲ族元素中所占比例，0<x<1；第一沟道层6可选用但不限于inxga(1-x)as等，x代表in在ingaas所含ⅲ族元素中所占比例，0<x<1；第二沟道层5和第二隔离层4可选用但不限于gasbyas(1-y)等，y代表sb在gasbas所含ⅴ族元素中所占比例，0<y<1。

实施例3：

如图3所示，一种光控hemt，包括衬底1，衬底上生长缓冲层2，缓冲层上生长量子阱有源层。其中量子阱有源层从上到下依次包括：第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6、光吸收夹层17、第二沟道层5、第二隔离层4、第二势垒层3。量子阱有源层的上表面设置源极10、漏极11和栅极9，栅极9位于源极10和漏极11的中间，源极10和漏极11位于栅极9的两侧，源极10和漏极11为欧姆接触。在源极10和漏极11外侧分别设置第一电极12和第二电极13，同样为欧姆接触，置第一电极12和第二电极13分别通过n型重掺杂的第一区域14和第二区域15与第二沟道层5的两端相连通，同时，第一区域14和第二区域15分别与第一势垒层8、第一隔离层7和第一沟道层6通过绝缘层16隔离，绝缘层可以是氧化物、电介质或沟槽。

其中，第一沟道层6和第二沟道层5的禁带宽度都要大于光吸收层17的禁带宽度，并且第一沟道层6和第二沟道层5的禁带宽度是可以相等的。第一势垒层8和第二势垒层3为掺杂型。第一沟道层6为增强型，即不加栅压时导电沟道被夹断。第二沟道层5为耗尽型，即不加栅压时导电沟道已导通。栅极9加电压，所加电压小于第一沟道层6的阈值电压，使第一沟道层6保持关断状态，此时第二沟道层5已导通。光信号18可以由器件上表面入射或器件下表面入射，并且光信号18的能量大于光吸收层17的禁带宽度而小于第一沟道层6和第二沟道层5的禁带宽度，此时光生载流子只在光吸收层产生，电子在电场作用下向第一沟道层6漂移并在第一沟道层6形成二维电子气导通信号，空穴在电场作用下向第二沟道层5漂移并与第二沟道层5中的二维电子气复合，光吸收层17可以是多层量子阱结构的光吸收层，光吸收层17的结构可以是与目前utc-pd(单行载流子探测器)相同的结构，例如光吸收层掺杂渐变等。

实施例3中，衬底1选用ⅲ-ⅴ族半导体材料，所述缓冲层2、第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6、第二沟道层5、第二隔离层4、第二势垒层3的材质均选自与所用衬底晶格常数相近ⅲ-ⅴ族半导体材料。

其中，衬底1可选用但不限于inp等；缓冲层2、第二势垒层3、第一势垒层8、第一隔离层7可选用但不限于inxal(1-x)as等，x代表in在inalas所含ⅲ族元素中所占比例，0<x<1；第一沟道层6可选用但不限于inxga(1-x)as等，x代表in在ingaas所含ⅲ族元素中所占比例，0<x<1；第二沟道层5和第二隔离层4可选用但不限于gasbyas(1-y)等，y代表sb在gasbas所含ⅴ族元素中所占比例，0<y<1；光吸收层17可选用但不限于inxga(1-x)sbyas(1-y)等，x代表in在ingasbas所含ⅲ族元素中所占比例，0<x<1，y代表sb在ingasbas所含ⅴ族元素中所占比例，0<y<1。

实施例4：

如图4所示，一种光控hemt，包括衬底1，衬底上生长缓冲层2，缓冲层上生长量子阱有源层。其中量子阱有源层从上到下依次包括：第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6、光吸收夹层17、第二沟道层5、第二隔离层4、第二势垒层3。量子阱有源层的上表面设置源极10、漏极11和栅极9，栅极9位于源极10和漏极11的中间，源极10和漏极11位于栅极9的两侧，源极10和漏极11为欧姆接触。其中，在第一势垒层8、第一隔离层7和第一沟道层6的两侧分别设有绝缘层16，在两侧绝缘层16的外侧分别设有“l”型的第一电极12和第二电极13，其中第一电极12和第二电极13与第二沟道层5的两端相连通，“l”型的第一电极12和第二电极13的侧边分别通过绝缘层16和第二沟道层5的侧面连接，“l”型的第一电极12和底边分别与第二隔离层4的上表面连接。第一电极12和第二电极13为欧姆接触，绝缘层16可以是氧化物、电介质或沟槽。

其中，第一沟道层6和第二沟道层5的禁带宽度都要大于光吸收层17的禁带宽度，并且第一沟道层6和第二沟道层5的禁带宽度是可以相等的。第一势垒层8和第二势垒层3为掺杂型。第一沟道层6为增强型，即不加栅压时导电沟道被夹断。第二沟道层5为耗尽型，即不加栅压时导电沟道已导通。栅极9加电压，所加电压小于第一沟道层6的阈值电压，使第一沟道层6保持关断状态，此时第二沟道层5已导通。光信号18可以由器件上表面入射或器件下表面入射，并且光信号18的能量大于光吸收层17的禁带宽度而小于第一沟道层6和第二沟道层5的禁带宽度，光吸收层17可以是多层量子阱结构的光吸收层，光吸收层17的结构可以是与目前utc-pd(单行载流子探测器)相同的结构，例如光吸收层掺杂渐变等。

实施例4中，衬底1选用ⅲ-ⅴ族半导体材料，所述缓冲层2、第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6、第二沟道层5、第二隔离层4、第二势垒层3的材质均选自与所用衬底晶格常数相近ⅲ-ⅴ族半导体材料。

其中，衬底1可选用但不限于inp等；缓冲层2、第二势垒层3、第一势垒层8、第一隔离层7可选用但不限于inxal(1-x)as等，x代表in在inalas所含ⅲ族元素中所占比例，0<x<1；第一沟道层6可选用但不限于inxga(1-x)as等，x代表in在ingaas所含ⅲ族元素中所占比例，0<x<1；第二沟道层5和第二隔离层4可选用但不限于gasbyas(1-y)等，y代表sb在gasbas所含ⅴ族元素中所占比例，0<y<1；光吸收层17可选用但不限于inxga(1-x)sbyas(1-y)等，x代表in在ingasbas所含ⅲ族元素中所占比例，0<x<1，y代表sb在ingasbas所含ⅴ族元素中所占比例，0<y<1。

实施例5：

如图5所示，一种光控hemt，包括衬底1，衬底上生长缓冲层2，缓冲层上生长量子阱有源层。其中量子阱有源层从上到下依次包括：第一势垒层8、第一隔离层7、第一沟道层6、第二沟道层5、第二隔离层4、第二势垒层3。量子阱有源层的上表面设置源极10、漏极11和栅极9，栅极9位于源极10和漏极11的中间，源极10和漏极11位于栅极9的两侧，源极10和漏极11为欧姆接触。在源极10和漏极11外侧分别设置第一电极12和第二电极13，同样为欧姆接触，置第一电极12和第二电极13分别通过n型重掺杂的第一区域14和第二区域15与第二沟道层5的两端相连通，同时，第一区域14和第二区域15分别与第一势垒层8、第一隔离层7和第一沟道层6通过绝缘层16隔离，绝缘层可以是氧化物、电介质或沟槽。

其中，第二沟道层5的禁带宽度大于第一沟道层6的禁带宽度。所述第一势垒层8和第二势垒层3为掺杂型。第一沟道层6为增强型，即不加栅压时导电沟道被夹断。第二沟道层5为耗尽型，即不加栅压时导电沟道已导通。栅极9加电压，所加电压小于第一沟道层6的阈值电压，使第一沟道层6保持关断状态，此时第二沟道层5已导通。光信号18由器件上表面或下表面入射使第一沟道层产生电子-空穴对，光信号18的能量大于第一沟道层材料的禁带宽度而小于第二沟道层材料的禁带宽度。电子-空穴对在栅电压9的作用下迅速分离，电子处于第一沟道层6中导通，空穴在电场作用下向第二沟道层5漂移并与第二沟道层5中的电子复合。

光信号18由第一光信号19和第二光信号20通过一个光耦合器21进行光光混频后形成，所述第一光信号19可以是用于控制的光脉冲，第二光信号20可以是被调制的光信号，从而形成光脉冲采样光信号。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。