[发明专利]一种优化量子阱HEMT器件沟道层厚度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子元件技术，具体是指一种优化AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件沟道层厚度的方法。

背景技术

由于在大功率、高频和高温放大器等方面具有广泛应用，AlGaN/GaN异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)在过去十几年中成为半导体领域研究的热点。然而随着器件尺寸的缩小，电流坍塌、自加热效应、漏电流和短沟道效应等一系列问题严重地制约了器件的进一步发展。为了使HEMT器件具有更大功率，同时降低电流坍塌效应人们提出了一些基于AlGaN/GaN结构的变体，比如：2004年纽约州立大学的W.Lanfort等人提出了AlGaN/InGaN/GaN异质结构；2005年以色列技术工程学院的O.Katz等人提出了InAlN/GaN异质结构，通过实验他们分别证明了这两种结构制作的HEMT器件具有更大的功率；2008年维也纳技术大学的J.Kuzmik等人将AlN薄层插入到晶格匹配的InAlN/GaN异质结中，结果证明该结构不仅降低了混晶无序散射而且增加了二维电子气在沟道内的束缚力，因而极大地提高了器件性能；2008年世界顶级MBE设备生产公司SVT Associates的Dabrian等人报道了AlN/GaN/AlN量子阱HEMT具有很高的电子迁移率(＞1800cm²/Vs)和二维电子气密度(＞3×10³cm^-2)。

这些基于AlGaN/GaN HEMT衍生出来的新型器件中，AlN/GaN/AlN量子阱HEMT无疑是很有应用前景的一种。这是因为AlN/GaN异质结除具有很强的极化效应外，还具有较大的导带带阶，可以抑制短沟道效应和降低阈值电压。由于这些优良特性，AlN/GaN/AlN量子阱HEMT除了在高跨导、低阈值电压的器件中有重要应用外，还可以应用于大功率透明生物传感器、太赫兹等离子体波发射器等诸多方面。然而在高频条件下，由于声子散射的原因，具有极高动能的电子很容易溢出沟道被陷阱俘获，从而导致电流坍塌效应。为了抑制电流坍塌效应，AlN/GaN/AlN量子阱HEM的沟道必须同时具备高导带势垒和高二维电子气密度。随着GaN沟道层厚度的减小，沟道处导带势垒高度单调增加，但由于GaN沟道层和AlN缓冲层界面处负的极化电荷对二维电子气具有耗尽作用，减小GaN沟道层厚度将导致二维电子气密度的降低。

因此为了同时保证沟道处高导带势垒和高二维电子气密度，优化AlN/GaN/AlN量子阱HEMT的器件结构显得尤为重要。本发明从AlN/GaN/AlN量子阱HEMT的GaN沟道层厚度着手研究，考察沟道层厚度对导带势垒高度和二维电子气密度的影响，得出的结果将会对新型器件的研制具有一定的指导意义。

发明内容

本发明提供了一种优化AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件沟道层厚度的方法，该方法通过数值模拟得到导带势垒高度和二维电子气密度随沟道层厚度变化的规律。为了使沟道同时获得高导带势垒和高二维电子气密度，我们定义二维电子气密度的常用对数与导带势垒高度的乘积为沟道优值因子，通过分析沟道优值因子随沟道层厚度变化的曲线得到了最佳沟道层厚度，进而根据优化后的结构设计制作了AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件。其步骤如下：

1.首先构建AlN/GaN/AlN量子阱HEMT器件的结构模型，即在AlN单晶衬底上依次形成AlN缓冲层、GaN沟道层、AlN势垒层和Al₂O₃栅介质层，然后在AlN势垒层上形成源、漏电极，以及在Al₂O₃栅介质层上形成栅电极；

2.制作三个实验测量样品，样品1：在500μm厚的AlN单晶衬底上生长1μm厚的AlN薄膜；样品2：在500μm厚的AlN单晶衬底上生长50nm厚的GaN薄膜；样品3：在500μm厚的AlN单晶衬底上依次生长1um厚的AlN缓冲层、50nm厚的GaN沟道层、3.5nm厚的AlN势垒层和5nm厚的Al₂O₃栅介质层；