CN102184933A

CN102184933A - 一种自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线

Info

Publication number: CN102184933A
Application number: CN 201110090742
Authority: CN
Inventors: 田婷; 孙晓红; 陈涛; 胡善文; 高怀
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-04-12
Filing date: 2011-04-12
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明公开了一种自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线，其特征在于，包括自支撑氮化镓半绝缘型衬底，所述自支撑氮化镓半绝缘型衬底上设有缓冲层，所述缓冲层上设有第一氮化镓铝势垒层，所述第一氮化镓铝势垒层上设有氮化镓层，所述氮化镓层上设有第二氮化镓铝势垒层，所述第一氮化镓铝势垒层、氮化镓层、第二氮化镓铝势垒层以及缓冲层的四边被刻蚀掉以形成ACT电荷输运沟道，所述自支撑氮化镓半绝缘型衬底两端有可以构成声表面波叉指换能器的金属图案，所述第二氮化镓铝势垒层两端有电极。本发明提供一种材料位错密度小，有利于声表面波传播的自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线。

Description

一种自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线

技术领域

本发明涉及一种声电荷输运器件（ACT, Acoustic Charge Transport），尤其涉及一种自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线。

背景技术

声电荷输运器件是一种新型、高频高速信号处理器，是把电荷耦合器件与声表面波器件结合起来的一种新型半导体器件，可以直接应用于射频领域。它是一种完全可编程模拟信号处理器，不需要A/D和D/A转换器，具有信号处理速度快，可靠性高，功耗低，尺寸小，重量轻等优点，用它构成的横向滤波器，自适应滤波器和均衡器已经广泛应用于军事防御、商业系统中。

声电荷输运器件材料的选取极其重要，直接关系着ACT器件研究的成功与否。氮化镓材料具有高电子迁移率和优良的压电性能，符合ACT技术要求。但是目前氮化镓材料多在蓝宝石或者SiC基片上进行外延生长，这存在很大的局限性。蓝宝石的导热率较差，限制了热量的发散，并且蓝宝石与氮化镓的晶格失配较大，即使采用了缓冲层，还是会产生较大的位错密度。同时，蓝宝石与氮化镓材料的热膨胀系数的失配率也相对较大，这会在器件结构内产生应力，影响晶片尺寸及厚度。SiC价格昂贵，同时也会产生较大的位错密度，不利于声电荷输运器件的应用。

发明内容

本发明目的是：提供一种材料位错密度小，有利于声表面波传播的自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线。

本发明的技术方案是：一种自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线，其特征在于，包括自支撑氮化镓半绝缘型衬底，所述自支撑氮化镓半绝缘型衬底上设有缓冲层，所述缓冲层上设有第一氮化镓铝势垒层，所述第一氮化镓铝势垒层上设有氮化镓层，所述氮化镓层上设有第二氮化镓铝势垒层，所述第一氮化镓铝势垒层、氮化镓层、第二氮化镓铝势垒层以及缓冲层的四边被刻蚀掉以形成ACT电荷输运沟道，所述自支撑氮化镓半绝缘型衬底两端有可以构成声表面波叉指换能器的金属图案，所述第二氮化镓铝势垒层两端有电极。

进一步的，所述自支撑氮化镓半绝缘型衬底厚度需≥5λ_saw，λ_saw为声表面波波长。

进一步的，所述缓冲层为半绝缘型氮化镓缓冲层。

工作原理：为了实现高的电荷输运效率，ACT技术沟道必须满足以下3个因素：第一，为了确保高的输运效率，必须保证由叉指换能器激发的声表面波在传播过程中产生的行波电势场不会被半导体层中自由电荷所创建的电场屏蔽掉。第二，沟道要能够抑制邻近的导电层、势垒层或者半导体内的载流子逸入沟道内。第三，沟道能把信号电荷限制于沟道内，消除除沟道以外的其它的电流途径。

为了避免半导体层中的自由电荷将声表面波形成的行波电势场屏蔽掉，通常可以采用刻蚀，质子注入或者外加偏置这三种办法。这三种办法各有优缺点，刻蚀很容易使表面凹凸不平，不利于高频应用；质子注入只能应用于薄外延层，并且采用质子注入的方法很容易破坏晶体结构，不利于声表面波的传播；采用外加偏压这种办法需要考虑半导体特点、掺杂等因素，较为复杂。本发明的自支撑氮化镓双异质结结构ACT，沟道很接近表面，远浅于传统隐埋层ACT沟道位置（大约半个波长），因此，针对本发明器件结构的特点，采用刻蚀的方法将第一氮化镓铝势垒层、氮化镓层、第二氮化镓铝势垒层以及缓冲层两端刻蚀掉，将声表面波叉指换能器直接制作自支撑于氮化镓半绝缘型衬底上，消除自由电荷对行波电势场屏蔽的影响。

为了抑制邻近的导电层、势垒层或者半导体内的载流子逸入沟道内干扰束缚于电势阱内的信号电荷，有以下三种方法可以考虑：1、制作保护环。2、采用网格刻蚀的方法。3、对沟道外其它区域进行离子注入破坏晶格结构。但是，制作保护环会引起RF反馈问题。刻蚀与离子注入方法都可以应用于异质结结构，本发明中，采用刻蚀的方法，将第一氮化镓铝势垒层、氮化镓层、第二氮化镓铝势垒层以及缓冲层的上下两边（俯视）刻蚀掉，以形成ACT电荷输运沟道。

传统的方法是采用简单的p-n-p结构来形成耗尽的p型半导体层将信号电荷抑制于沟道内。但是对于氮化镓而言，这个方法却不容易实现。因为对氮化镓进行p型掺杂比较困难，难以实现，因此，本发明中采用双异质结的方式。由于异质结界面处能带的不连续性，在异质结界面处形成电势阱，双异质结在界面处形成对称的量子阱结构。产生的电势阱可以限制电荷在垂直方向上的扩散，将信号电荷限制于异质结界面附近的沟道内。

本发明的优点是：

1、自支撑氮化镓材料位错密度小，有利于声表面波的传播。

、双异质结结构中上下两个异质结界面上的能带带阶及负极化电荷可以形成对称的量子阱结构，提高了量子限制，抑制电荷在垂直方向上的扩散运动。

、氮化镓具有优异的压电性能，可以扩大氮化镓ACT技术的应用范围。

、AlGaN/GaN异质结界面处的大能带带阶和强极化电荷可以产生高面密度二维电子气。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是制作本发明的自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线的刻槽后的蓝宝石基片图。

图2是本发明的自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线横截图。

图3是本发明的自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线俯视图。

图4是本发明的自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线的声表面波叉指换能器图例。

图5是本发明的自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线异质结界面处导带图。

具体实施方式

实施例：如图1、2、3所示：由于生产工艺中最小工艺托盘为2英寸，而自支撑氮化镓材料尺寸要远小于2英寸，所以采用将基片刻槽的方法来解决这一问题。如图1所示，选取基片1，将其打磨至与自支撑氮化镓半绝缘型衬底厚度相同，在基片1中刻槽形成槽孔2，槽孔2面积与自支撑氮化镓半绝缘型衬底面积相同，将自支撑氮化镓半绝缘型衬底3放入槽孔2中，再进行外延工艺。自支撑氮化镓半绝缘型衬底3，自支撑氮化镓半绝缘型衬底3上外延缓冲层4，缓冲层4上外延氮化镓铝势垒层5，氮化镓铝势垒层5上外延氮化镓沟道层6，氮化镓沟道层6上外延氮化镓铝势垒层7。缓冲层4、氮化镓铝势垒层5、氮化镓沟道层6以及氮化镓铝势垒层7四边被刻蚀掉，形成了ACT电荷输运沟道结构10。氮化镓铝势垒层7两端有输入8和输出9欧姆电极。在自支撑氮化镓半绝缘型衬底3上制作声表面波叉指换能器11。其中，声表面波换能器11由电极111及指条112组成。氮化镓半绝缘型衬底厚度需≥5λ_saw，λ_saw为声表面波波长。缓冲层4用以提高界面质量。氮化镓铝势垒层5，7与氮化镓沟道层6界面处形成异质结结构，由于能带的不连续性，在界面处形成对称量子阱结构，如图5所示，三角型电势垒将二维电子气限制于沟道内，形成电流输运沟道。

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线，其特征在于，包括自支撑氮化镓半绝缘型衬底，所述自支撑氮化镓半绝缘型衬底上设有缓冲层，所述缓冲层上设有第一氮化镓铝势垒层，所述第一氮化镓铝势垒层上设有氮化镓层，所述氮化镓层上设有第二氮化镓铝势垒层，所述第一氮化镓铝势垒层、氮化镓层、第二氮化镓铝势垒层以及缓冲层的四边被刻蚀掉以形成ACT电荷输运沟道，所述自支撑氮化镓半绝缘型衬底两端有可以构成声表面波叉指换能器的金属图案，所述第二氮化镓铝势垒层两端有电极。

2.根据权利要求1所述的一种自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线，其特征在于，所述自支撑氮化镓半绝缘型衬底厚度需≥5λ_saw，λ_saw为声表面波波长。

3.根据权利要求1所述的一种自支撑氮化镓双异质结声电荷输运延迟线，其特征在于，所述缓冲层为半绝缘型氮化镓缓冲层。