一种带有应变补偿层的InP衬底HEMT外延材料结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于化合物半导体材料技术领域，涉及一种生长在InP衬底上的带有应变补偿层的HEMT材料结构。
【背景技术】
[0002]InP基HEMT具有更大的电子饱和速度，与GaAs基HEMT相比，InP基HEMT器件具有更高的转换效率、更高的工作频率、更大的输出功率、更好的噪声特性以及抗辐照性能。因此，InP HEMT器件在高频、高速信息技术领域有着重要的应用。目前，采用InAs/InGaAs组合沟道、InAlAs作为势皇层的InP基HEMT截止频率已经达到600GHz以上，正向太赫兹领域发展。
[0003]InP基HEMT器件的优异表现直接来源于InP衬底上生长的InGaAs/InAlAs材料体系固有的内禀特性:InGaAs沟道材料拥有很高的电子迀移率、InGaAs/InAlAs界面具有更大的导带不连续性以及更高的电子转移效率，因而能在InGaAs沟道中产生高迀移率、高浓度的二维电子气。以该材料制作的HEMT器件具有大电流、大跨导的特点，这也是InP基HEMT器件优异的高频、高速性能的直接原因。
[0004]InGaAs沟道层的铟组分越高，其峰值饱和速度就越高，与InAlAs势皇层的导带不连续性就越大，因此电子转移效率就越高，就越容易在InGaAs沟道层形成高浓度、高迀移率的二维电子气，HEMT器件的性能就越优异。但是，InGaAs层只有当铟组分是0.53的时候其晶格才会与InP衬底匹配，当铟组分超过0.53时，InGaAs与InP衬底就会存在晶格失配。因此，如果保证InGaAs层生长品质良好，那么其厚度就必须小于临界厚度。如果超出临界厚度，InGaAs层就会发生晶格弛豫，这时InGaAs沟道层中就会产生大量晶体缺陷，如:失配位错等。这些晶体缺陷会极大地降低电子迀移率，从而降低HEMT器件的性能。
[0005]InGaAs的临界厚度会随铟组分的增加急剧下降，若采用纯InAs构成的沟道，一般则只能生长4纳米左右的厚度。这么薄的沟道层厚度会降低二维电子气的量子限制，使得一部分电子运行在InAlAs势皇层中，从而降低电子迀移率，影响器件性能。为了保持对沟道中二维电子气有效的量子限制，一般沟道层的厚度应该在10纳米左右。
[0006]本实用新型的目的是开发一种带有应变补偿层的InP基HEMT器件结构。通过应变补偿的方式增加InAs沟道层的厚度，使其突破临界厚度的生长限制，生长出既有足够厚度，又有高品质的InAs沟道层。从而，实现在InP衬底上生长出极高迀移率和适当电子浓度的HEMT材料。这一种材料的成功研发将为InP基HEMT器件向更高频、高速领域的发展提供材料基础。
【发明内容】
[0007]本实用新型的目的是提供一种带有应变补偿层的InP基HEMT器件结构。材料结构由在半绝缘InP衬底生长的铟铝砷(InAlAs)、砷化铟(InAs)、铟镓砷(InGaAs)、砷化铝(AlAs)应变补偿层组成。
[0008] 为达到上述目的，本实用新型采取以下的技术方案为一种带有应变补偿层的InP基HEMT器件结构，该结构包括半绝缘InP衬底(I)、InAlAs缓冲层(2)、应变补偿层(3)、InAs沟道层(4)、应变补偿层(5)、InAlAs空间隔离层(6)、平面掺杂层(7)、InAlAs势皇层
[8]、InP腐蚀阻断层(9)、重掺杂InGaAs帽层(10)；
[0009]具体而言，在半绝缘InP衬底(I)上依次生长InAlAs缓冲层(2)、应变补偿层(3)、InAs沟道层(4)、应变补偿层(5)、InAlAs空间隔离层(6)、平面掺杂层(7)、InAlAs势皇层
(8)、InP腐蚀阻断层(9)、重掺杂InGaAs帽层(10)。
[0010]所述的InAlAs缓冲层(2)是利用外延方法生长在半绝缘InP衬底上，其铟组分为0.52与InP衬底晶格匹配，厚度可以是400纳米以上。其目的是将衬底缺陷与电子沟道隔离开来，以减少缺陷对电子沟道层的影响。
[0011]所述的AlAs应变补偿层(3)生长在InAlAs缓冲层上，其作用是产生一个伸张应变以补偿InAs沟道层的压缩应变，进而提高InAs沟道层的生长厚度。
[0012]所述的InAs沟道层(4)生长在应变补偿层上，是为二维电子气提供运行沟道。
[0013]所述的AlAs应变补偿层(5)是生长在InAs沟道层上，其作用是产生一个伸张应变以补偿InAs沟道层的压缩应变，进而提高InAs沟道层的生长厚度，同时该层将掺杂面的施主杂质与沟道二维电子气隔离开，减少电离杂质散射，提高电子迀移率。
[0014]所述的InAlAs空间隔离层(6)生长在应变补偿层上，其作用是将掺杂面的施主杂质与沟道二维电子气进一步隔离开，减少电离杂质散射，提高电子迀移率。
[0015]所述的平面掺杂层(7)生长在上InAlAs空间隔离层上，其为硅掺杂，是为电子沟道提供二维电子气。
[0016]所述的上InAlAs势皇层(8)是生长在平面掺杂层上，其作用是与栅金属形成肖特基势皇接触，通过栅压调制InAs沟道层中的二维电子气。
[0017]所述的InP腐蚀阻断层(9)生长在上InAlAs势皇层上，其作用是在栅槽腐蚀时作为腐蚀阻断层以保证整片器件参数的均匀性。
[0018]所述重掺杂InGaAs帽层(10)生长在InP腐蚀阻断层上，其作用是为器件源漏电极提供良好的欧姆接触。其硅掺杂浓度可以是5.0E18cnT3至2.0E19cm _3。
[0019]与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果。
[0020]本实用新型采用InAs作为InP HEMT的沟道层，充分利用了 InAs材料的优异特性。同时利用应变补偿的方法增加InAs沟道层的生长厚度，克服了薄沟道层引起的不足，改善了沟道层中二维电子气有效量子限制，进而增加电子迀移率，为InP基HEMT器件在高频、高速应用领域打下材料基础。
[0021]InAs沟道层下面的AlAs应变补偿层提供了一个很高的导带势皇，可以有效阻止沟道层电子向衬底方向的扩散，增加了电子气的限制，减小了沟道电子气与栅极的有效距离，因此有利于降低小尺度器件中短沟道效应带来的影响。
【附图说明】
[0022]图1 一种带有应变补偿层的InP衬底HEMT外延材料结构。
[0023]图中:1、半绝缘InP衬底，2、InAlAs缓冲层，3、应变补偿层，4、InAs沟道层，5、应变补偿层，6、InAlAs空间隔离层，7、平面掺杂层，8、InAlAs势皇层，9、InP腐蚀阻断层，10、 重掺杂InGaAs帽层。
【具体实施方式】
[0024]结合附图1对本实用新型做进一步说明。
[0025]如附图1所示，在半绝缘InP衬底(I)上依次生长500纳米InAlAs缓冲层(2)、4纳米AlAs (3)、9纳米InAs沟道层(4)、3纳米AlAs (5)、3纳米InAlAs空间隔离层(6)娃平面掺杂5.0E12cm_2(7)、10纳米InAlAs势皇层⑶、5纳米InP腐蚀阻断层(9)、30纳米硅掺杂 1.0Elcm 3InGaAs 帽层(10)。
【主权项】
1.一种带有应变补偿层的InP衬底HEMT外延材料结构，其特征在于:该结构包括半绝缘InP衬底⑴、InAlAs缓冲层⑵、应变补偿层(3)、InAs沟道层(4)、应变补偿层(5)、InAlAs空间隔离层(6)、平面掺杂层(7)、InAlAs势皇层(8)、InP腐蚀阻断层(9)、重掺杂InGaAs 帽层(10)； 具体而言，在半绝缘InP衬底(I)上依次生长InAlAs缓冲层(2)、应变补偿层(3)、InAs沟道层⑷、应变补偿层(5)、InAlAs空间隔离层(6)、平面掺杂层(7)、InAlAs势皇层⑶、InP腐蚀阻断层(9)、重掺杂InGaAs帽层(10)。
【专利摘要】一种带有应变补偿层的InP衬底HEMT外延材料结构，该材料结构由在半绝缘InP衬底上依次生长的InAlAs缓冲层、AlAs应变补偿层、InAs沟道层、AlAs应变补偿层、InAlAs空间隔离层、硅平面掺杂层、InAlAs势垒层、InP腐蚀阻断层、重掺杂InGaAs帽层组成。该HEMT结构以InAs为电子沟道层，充分利用了InAs材料优异的输运特性。同时，利用应变补偿的方法增加InAs的生长厚度，提高沟道电子的量子限制，以此得到极高迁移率的二维电子气。该HEMT结构可应用于高频、高速电子器件制造领域。
【IPC分类】H01L29-20, H01L29-778, H01L29-06, H01L29-10
【公开号】CN204361104
【申请号】CN201420769902
【发明人】冯巍, 杜全钢, 谢小刚, 李维刚, 姜炜, 郭永平, 蒋建
【申请人】新磊半导体科技（苏州）有限公司
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2014年12月9日