基于HEMT结构的镓系半导体忆阻器及其制备方法

本发明属于半导体器件，尤其涉及一种基于hemt结构的镓系半导体忆阻器及其制备方法。

背景技术：

1、在人类进入信息时代的今天，为解决计算量需求的爆炸式增长以及支撑电子信息产业高速发展的传统计算机架构冯·诺伊曼架构面临着传输速率以及功耗严重挑战的问题，在摩尔定律面临严峻挑战的今天，提出了存算一体(pim：processing in memory)的神经形态计算模式——类脑计算，在这种模式下，一个单元中可以同时执行传存储和运算两种功能，这大大节省了时间和功耗成本，从根本上解决了冯·诺依曼架构所面临的问题。人的大脑可以快速处理完成各种各样的工作，具有快速、高效、低功耗的特点。拿图像处理这一功能举例，人脑完成这一共功能所需要的功耗为20w，但是一个大小相同的基于mosfet的人工神经网络的功耗约为7.9mw，这巨大的功耗差异也是待解决的问题。人脑中最基本的单元是突触和神经元，神经元由突触进行连接,突触间通过离子传输进行计算和存储信息。人工神经网络也由人工突触之间进行信息的存储和计算实现存算一体。目前，实现人工突出最理想的器件是忆阻器。

2、近年来，随着人工神经网络的快速发展以及实体化应用的实现(如alphago人工智能机器人)国内国外多个研究团队都展开了对氧化物忆阻器及其器件电路的研究。对于三层结构或者四层结构忆阻器件的研究，基于hfo2、ta2o5以及tio2材料的忆阻器发展较为成熟，而氧化镓作为第四代半导体最具潜力的材料也在迅速发展，在大规模忆阻器集成阵列中，其功耗依然不能与生物大脑所媲美。作为降低功耗的手段，与功率开关器件集成是一条可以选择的途径。以gan为代表的iii-v族材料异质结构(典型如algan/gan)由于极化效应而存在高浓度(1013cm-2)、高迁移率(2200cm2/v·s)的二维电子气(2deg)，会在algan/gan异质结的界面下方形成导电通道。对于具有algan/gan异质结的氮化镓基功率电子器件的研究目前已经较为成熟，可以基本满足控制电路的需求。故前瞻性的提出一种方案将忆阻器件制作在hemt结构上，易于与功率器件进行集成。

3、如图5所示，传统忆阻器结构从上到下为上电极、功能层、下电极，通过对上电极施加电压引起功能层的改变来改变突触权重。需要首先进行器件的隔离，再生长相应的器件，并使功能层与上下电极之间形成欧姆接触，且在正负向有较为对称的突触改变。

4、氧化镓作为第四代半导体，具有禁带宽度大、击穿电场高、耐高温耐辐射能力强、结构稳定等优点。目前整个类脑芯片的功耗是巨大的，作为与功率器件集成来降低功耗的一项选择，同为镓化合物的功率器件氮化镓已经发展较为成熟，可以作为与忆阻器神经网络电路集成的选择。传统忆阻器结构从上到下为上电极、功能层、下电极，这样的结构的忆阻器构建的神经网络阵列如果想与功率器件集成，需要在不同的衬底进行，大大增加了传输和制造成本。且基于此结构的忆阻器大部分都需要较强的开启电压，不利于突触行为的学习。第三点在于需要额外的工艺对器件的侧壁进行钝化和保护，增加了工艺成本。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于hemt结构的镓系半导体忆阻器及其制备方法，利用氮化镓和氧化镓属于同种金属的化合物的特点，且两种材料的带阶差较小，通过氧化时会形成中间过渡层，并利用了algan/gan界面高浓度的二维电子气，使两种材料形成了欧姆接触，成功地使功能层融入了hemt结构；在上电极通过沉积过渡层增强了可调控性以及通过调整工艺与上电极形成了欧姆接触；除此之外，还提供了另外两种方法来沉积除氧化镓之外的功能层，可灵活利用多种忆阻器与hemt结构结合；通过调整刻蚀深度，可以调整整个功能层和缓冲层的厚度使其被algan/gan环形包围，实现钝化保护的作用，工艺较为灵活。

2、技术方案如下：

3、一种基于hemt结构的镓系半导体忆阻器，包括：衬底、缓冲层、algan/gan异质结层，所述algan/gan异质结层包括gan层和algan层，在所述衬底上依次生长缓冲层、gan层、algan层，所述algan层上方设有下电极，所述algan层上方还设有器件区域或者器件区域阵列，所述器件区域或者器件区域阵列中，由上至下依次设置上电极、缓冲层和功能层，所述上电极位于所述algan层上方，所述缓冲层和功能层设置于所述algan层中。

4、进一步的，所述功能层由algan层延伸至所述gan层。

5、进一步的，在所述gan层中、位于所述功能层下方设有下电极，所述下电极与所述功能层连接。

6、进一步的，所述器件区域为圆形、椭圆形、矩形中的任意一种。

7、进一步的，所述器件区域阵列由多个器件区域组成，呈“n×m”排列。

8、本发明还包括一种基于hemt结构的镓系半导体忆阻器制备方法，步骤如下：

9、s1、外延生长：在衬底上外延生长algan/gan外延层；

10、s2、器件区域的刻蚀：采用icp设备，利用cl基气体对器件区域进行刻蚀，保留一部分algan；

11、或者

12、将器件区域内algan全部刻蚀完；

13、或者

14、将器件区域内algan全部刻蚀完并将gan刻蚀一定深度；

15、s3、下电极欧姆接触制作：采用电子束蒸发沉积ti/al/ni/au或其他组合方式的复合金属结构，在氮气中进行100～1200℃的退火处理或不退火处理，形成欧姆接触；退火处理后对器件刻蚀区域进行修复；

16、s4、功能层制备：采用icp-rie，在o2流量条件下，功率为10～300w条件下对器件区域刻蚀剩余的algan层进行轰击使其氧化为alganxo1-x；

17、或者

18、采用激光脉冲沉积或者磁控溅射等方式沉积功能层薄膜金属氧化物；

19、或者

20、采用icp-rie，在o2流量条件下，功率为10～300w条件下对器件区域刻蚀剩余的gan层进行轰击使其氧化为ganxo1-x；

21、或者

22、采用电子束蒸发或者磁控溅射的方式沉积功能层薄膜金属氧化物；

23、s5、缓冲层及欧姆接触上电极制备：采用热蒸发在o2流量条件下沉积wo3-x或缺氧的金属氧化物制备缓冲层，在沉积的最后时刻停止氧气供给制备重缺氧区域；通过热蒸发方式沉积与缓冲层金属氧化物对应的金属，形成欧姆接触；

24、s6、器件钝化层沉积与电极窗口开启：采用pecvd沉积钝化层，对各电极区域腐蚀钝化层开窗口引线。

25、进一步的，所述s3和步骤s4之间还包括步骤s3.5：

26、s3.5、功能层下方导电区域制备：采用磁控溅射等方式，在所需功率，所需氩气流量下溅射ito或者可与功能层形成欧姆接触的电极。

27、进一步的，步骤s1中，首先外延生长gan缓冲层，在生长aln插入层，最后生长algan势垒层。

28、进一步的，步骤s4中，分别采用下列方法：

29、方法1：采用icp-rie，在o2流量条件下，功率为10～300w对刻蚀的algan区域进行轰击，使algan层氧化为alganxo1-x；

30、方法2：采用磁控溅射的方法，在氩气流量在10～200sccm，功率20～150w，生长gaox薄膜；

31、方法3：采用icp-rie，在o2流量条件下，功率为10～300w对刻蚀露出的gan层进行轰击，使gan层氧化为ganxo1-x；

32、方法4：采用磁控溅射生长在功率为20～150w，氩气流量10～200sccm的条件下生长ito或其他导电材料的导电层，再用磁控溅射在氩气流量10～200sccm，功率20～150w的条件下生长gaox薄膜。

33、进一步的，步骤s5中：采用热丝蒸发方法，在电流1～15a，衬底温度0～500度，氧气流量为5～100sccm时沉积wo3-x缺氧层，并在沉积最后时刻关闭氧气供给，生成一个重缺氧层，并利用热丝蒸发方法，在电流1～15a，20～500℃下沉积w电极，形成欧姆接触。

34、本发明的有益效果是：

35、本发明所述的基于hemt结构的镓系半导体忆阻器及其制备方法通过对器件区域进行刻蚀，将忆阻器件与hemt结构融合，并利用了二维电子气进行导电；由于器件是生长在algan/gan刻蚀区域内部，可以对器件的侧壁进行保护；由于该器件的主体部分在algan/gan的器件区域，所以对刻蚀工艺的要求较低，同时其四种实现方法可根据需要对中间功能层以及缓冲层进行调整，器件制备灵活性较高，缓冲层提供了氧空位以及和电极的欧姆接触，大大增加了器件的可调控性；本结构为未来忆阻器神经网络与功率器件、开关器件的集成提供了一种前瞻性方案。