[发明专利]一种二维电子气结构的霍尔元件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及霍尔元件技术领域，特别涉及一种蓝宝石衬底GaN/AlN/AlGaN二维电子气结构的霍尔元件及其制备方法，以及该二维电子气结构的霍尔元件的外延材料结构。

背景技术

霍尔元件是目前一种使用最广泛的磁敏感元件之一，在汽车电子、精密测量、家用电子、工业控制等领域有广泛应用。

目前市场上成熟的霍尔元件中，应用广泛的是硅材料霍尔元件和化合物材料霍尔元件。其中，硅材料霍尔元件价格低廉，并且能够与集成电路很好的相兼容，但是其缺点是灵敏度不高，无法在高温下工作。化合物材料霍尔元件在制作高灵敏度器件和温度特性上有着很大的优势，目前主要的化合物材料霍尔元件有GaAs霍尔元件、锑化铟霍尔元件等，然而通常在200摄氏度以上或者-50摄氏度以下，这些化合物材料霍尔元件就不能正常工作了。

因此，如何解决霍尔元件的耐高温问题，是目前急需解决的重要技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决霍尔元件的耐高温问题，本发明的主要目的在于提供一种二维电子气结构的霍尔元件及其制备方法，以及该二维电子气结构的霍尔元件的外延材料结构。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种二维电子气结构的霍尔元件，该霍尔元件采用十字叉指结构，电极位于该十字叉指结构的四个角上。其中，所述电极为欧姆接触的金属电极，分别为第一输入电极1、第二输出电极2、第三输入电极3和第四输出电极4，在第一输入电极1和第三输入电极3上加输入电流时，在第二输出电极2和第四输出电极4上将会产生感应电动势。该霍尔元件的整个外观图形为方形。

为达到上述目的，本发明还提供了一种二维电子气结构的霍尔元件的外延材料结构，该外延材料结构是在蓝宝石衬底上生长的二维电子气多层复合结构，该二维电子气多层复合结构包括在蓝宝石衬底上依次生长的AlN过渡层、GaN层、高迁移率GaN层、AlN插入层、AlGaN层和GaN帽层，其中，AlN过渡层的厚度范围为50nm～500nm，GaN层的厚度范围为0.5μm～4μm，高迁移率GaN层的厚度范围为50nm～1μm，AlN插入层的厚度范围为0～10nm，AlGaN层的厚度范围为10nm～50nm，GaN帽层的厚度范围为1nm～5nm。该二维电子气多层复合结构具有一导电沟道，该导电沟道是位于所述高迁移率GaN与所述AlN插入层的交界面的薄层二维电子气。

为达到上述目的，本发明还提供了一种二维电子气结构的霍尔元件的制备方法，包括：在外延材料结构上制作欧姆接触金属；对制作有欧姆接触金属的外延材料结构进行台面刻蚀；以及对进行台面刻蚀的外延材料结构进行表面钝化。

上述方案中，在制作欧姆接触金属的步骤中，所述外延材料结构是在蓝宝石衬底上生长的二维电子气多层复合结构，该二维电子气多层复合结构包括在蓝宝石衬底上依次生长的AlN过渡层、GaN层、高迁移率GaN层、AlN插入层、AlGaN层和GaN帽层，其中，AlN过渡层的厚度范围为50nm～500nm，GaN层的厚度范围为0.5μm～4μm，高迁移率GaN层的厚度范围为50nm～1μm，AlN插入层的厚度范围为0～10nm，AlGaN层的厚度范围为10nm～50nm，GaN帽层的厚度范围为1nm～5nm。

上述方案中，所述在外延材料结构上制作欧姆接触金属，包括：对外延材料结构进行清洗，在外延材料结构上涂敷厚度大于1.5μm的反转光刻胶AZ5214E，对该反转光刻胶进行光刻形成含有欧姆接触图形的光刻胶掩膜，然后在120度烘箱中烘干10分钟；采用电子束蒸发方法在该光刻胶掩膜上蒸镀金属，然后采用剥离工艺形成欧姆接触金属，该欧姆接触金属为Ti/Al/Ni/Au的复合结构；以及使用快速退火炉对欧姆接触金属进行合金。

上述方案中，所述对制作有欧姆接触金属的外延材料结构进行台面刻蚀，包括：在制作有欧姆接触金属的外延材料结构上涂敷光刻胶，对该光刻胶依次进行光刻、显影和坚膜，形成刻蚀掩膜；使用感应耦合等离子刻蚀机对形成刻蚀掩膜的外延材料结构进行台面刻蚀，完全刻蚀该外延材料结构的高迁移率GaN层；以及去除光刻胶掩膜，清洗吹干。