CN103367416B - 离子注入的一维电子气GaN基HEMT器件及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子注入的一维电子气GaN基HEMT器件及制备方法，主要解决现有一维电子气器件高温高压特性、频率特性及功率特性较差的问题。该器件自下而上包括：衬底、缓冲层、势垒层、钝化层和保护层；势垒层上的两端分别为源极和漏极，钝化层位于源极和漏极之间的势垒层上，钝化层上开有栅槽，栅槽中设有栅极；缓冲层采用GaN，势垒层采用AlGaN；势垒层上局部区域注入有负离子，注入有负离子的区域为若干相互隔开的条形；条形之间未注入离子的区域宽度为纳米量级，在该区域下面的异质结中形成一维电子气。本发明与Si基和GaAs基器件相比具有很好的高温高压特性、频率特性和功率特性，可制作超高速低功耗的一维电子气器件。

Description

离子注入的一维电子气GaN基HEMT器件及制备方法

技术领域

本发明属于微电子技术领域，涉及半导体器件，特别是基于GaN半导体材料异质结结构的一维电子气HEMT器件，可作为微波、毫米波通讯系统以及雷达系统的基本器件。

背景技术

III-V族化合物半导体材料是十多年来迅速发展起来的第三代半导体材料，如GaN基、GaAs基、InP基等半导体材料，它们的禁带宽度很大，并且可以与InN、AlN等形成合金半导体，使其禁带宽度可调。人们通常利用这些III-V族化合物半导体材料形成各种异质结结构，由于异质结界面两侧的III-V族化合物半导体材料的禁带宽度存在较大的差异，使异质结界面附近产生了一个量子势阱。人们通过对材料进行掺杂或利用材料的极化效应等特性，可以在量子势阱中产生高浓度的二维电子气。这种二维电子气被束缚在量子势阱中，实现了载流子与电离杂质在空间上的分离，大大降低了载流子和离化施主之间的散射，从而大大提高了电子迁移率。如果把平行于半导体表面（x-y平面）的二维电子气在y方向进一步压缩，使其封闭于长为L_x，宽为L_y的细丝内，当L_y的大小同L_z的一样，都与电子波长差不多时，则称该细丝为量子线。量子线的宽度为纳米量级。若L_y和L_z足够小，则量子化的能级间距较大，在细丝内只可能存在少数几个量子状态。这时电子的运动仅沿着细丝的x方向，其能量仅由x方向的的波数k_x来决定，这种量子线中的电子体系即为一维电子气。

一维电子气具有若干特殊的输运性质。首先，因为一维电子气能量的量子化显著，则电子数目越多，总能量就越高，从而速度v_x也就越高。这就是说，电子浓度N越高，电子的速度v_x就越大。同时迁移率μ也将随着电子浓度的增高而增大。预期电子的迁移率可增高到10⁷cm²/v·s；其次，因为一维电子气不易改变运动方向，即使存在有弹性散射，只有背散射，概率也极小，因而能量再高也不可能发射光学波声子而跃迁到低能态，则非弹性散射概率也很小。所以一维电子气遭受各种散射的概率很小。正因为如此，在高电场下速度v_x也不饱和，这就是说，在高电场下一维电子气也具有很高的速度；最后，因为一维电子气只有一个自由度，故不产生Hall效应。

1987年，荷兰科学家Bart J.Van Wees和Henk Van Houten首先报道了利用GaAs/AlGaAs高电子迁移率晶体管在形成金属分裂栅结构条件下形成的准一维电子气沟道，并观察到准一维量子线负栅压下的量子电导现象，参见“Quantizedconductance of point contacts in a two-dimensional electron gas”，Bart J.Van Wees，Physical Review Letters，Volume60，Number9，February1988。

1987年，Toshiro Hiramoto等人报道了利用聚焦离子注入的方法制备一维GaAs量子线。首先在半绝缘的GaAs衬底上进行聚焦Si离子束注入形成宽度为20μm的导电层，然后进行半径为0.1μm的聚焦Si离子注入形成高阻区，使导电层形成一个很窄的导电沟道，从而获得量子线。参见“One-dimensional GaAs wires fabricated by focused ionbeam implantation”，Toshiro Hiramoto，Applied Physics Letters，Volume51，Number20，November1987。

1993年，K.Eberl和P.Grambow等人在光刻成型的AlGaAs缓冲层上利用分子束外延二次生长技术制备了量子线结构。分子束外延生长时，Ga原子在刻蚀台面的不同面上具有不同的扩散速度。Ga原子在侧壁面上的扩散速度很高，很容易移动到顶层上，因而GaAs在侧壁的生长速度很慢，生长的GaAs层很薄。侧壁上薄的GaAs层为台面较厚的GaAs层区域提供了额外的横向运动维度的限制，产生了量子线效应。参见“Quantum wires prepared by molecular beam epitaxy regrowth on patterned AlGaAsbuffer layers”，K.Eberl，Applied Physics Letters，Volume63，Number8，August1993。

1995年，施毅和郑友斗等人发表了一种利用SiGe/Si异质结构制备硅量子线的方法，其特征是在硅单晶上生长Si/SiGe/Si异质薄膜，采用光刻和反应离子刻蚀技术形成沟槽，采用选择化学腐蚀去除SiGe层并形成硅线，通过低温热氧化过程对硅线进行细化和光滑达到最终所希望的尺寸，同时获得高质量的Si/SiO₂异质界面。参见施毅，郑友斗等“一种用SiGe/Si异质结构制备硅量子线的方法”，中国，1146639，1997-04-02。

1996年，M.L.Osowski等人发表了利用选区金属有机物化学气相沉积技术制备InGaAs–GaAs量子线阵列结构。选区外延技术与刻蚀和二次生长技术相比的优势主要来源于可以调整半导体生长参数来获得窗口区域上的高质量埋层的位置。这使得纳米结构可以通过单步生长获得，并且生长的晶体特性使得我们可以控制横向的晶体尺寸。参见“Lateral inhomogeneity in InGaAs–GaAs quantum wire arrays by selective-areametalorganic chemical vapor deposition”，M.L.Osowski，Applied Physics Letters，Volume68，Number8，February1996。

目前制备量子线的工艺方法主要有以下几种，参见阎发旺、张文俊等“分子束外延自组织生长量子线结构材料制备方法”中国，1312583,2001-09-12：

⑴以二维材料为基础，利用磁场对载流子进行另一维限制；

⑵分裂栅技术，通过栅电极加负偏压耗尽载流子实现；

⑶以二维材料为基础，在生长时对二维材料进行解理，然后在断面上进行二次外延形成“T型”量子线结构；

⑷在外延生长前，利用电子束光刻干法刻蚀，对要生长的衬底表面“预加工”出一定的形状；

⑸在小偏角衬底上自组织方法生长；

⑹利用分子束外延技术和高面指数衬底本身不平整性的特点，在分子束外延设备中自组织一次外延制备量子线结构材料。

综上所述，当前国内外对一维电子气的研究和制备都是基于第一代半导体Si或第二代半导体GaAs材料。由于Si和GaAs半导体其自身的材料性能较差，一维电子气特性要远远低于理想情况，主要表现如下：

一．由于Si和GaAs半导体材料的禁带宽度较小，因而本征载流子浓度较高并且击穿电场较小，使得制备的Si基和GaAs基器件的高温高压特性较差，抗辐照能力很弱；

二．由于Si和GaAs半导体材料的电子输运特性较差，使得制备的Si基和GaAs基器件频率特性较差；

三．由于Si和GaAs半导体材料在形成异质结时其极化特性较差，电子浓度受到很大的限制，使得制备的Si基和GaAs基器件功率特性也较差。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种离子注入的一维电子气GaN基HEMT器件及制备方法，以提高一维电子气器件的高温高压特性、频率特性以及功率特性。

本发明的技术方案是这样实现的：

一、技术原理

根据第三代半导体材料GaN相比第一代半导体材料Si和第二代半导体材料GaAs具有更大优势的特点，本发明利用AlGaN/GaN异质结制备一维电子气，以获得高的电子迁移率和高的电子浓度，使器件工作在更高的频率和功率范围，同时为研制新结构的一维电子气器件提供必要手段。当缓冲层采用GaN半导体材料，势垒层采用AlGaN半导体材料时，由于GaN和AlGaN具有不同的禁带宽度，可以在界面处形成AlGaN/GaN异质结结构，在常规的AlGaN/GaN异质结中存在高浓度的二维电子气导电沟道。通过在AlGaN势垒层上进行离子注入，可以在作用区域引入大量的固定负电荷，从而耗尽作用区域下方异质结中的二维电子气，因而可以在AlGaN势垒层上进行局部离子注入，注入的离子为负离子，注入有负离子的区域为若干相互隔开的条形，中间未注入离子的区域宽度为纳米量级，由于注入有负离子的区域下面的二维电子气被完全耗尽，为未注入离子的区域下面的二维电子气沟道提供横向维度的限制，形成一维电子气。

二、技术方案

根据上述原理，本发明的一维电子气GaN基HEMT器件，其结构自下而上包括：衬底1、缓冲层2、势垒层3、钝化层7和保护层8；势垒层3上的两端分别为源极4和漏极5，钝化层7位于源极4和漏极5之间的势垒层3上，该钝化层7上开有栅槽，栅槽中设有栅极6，其特征在于：

所述的缓冲层2采用GaN半导体材料；

所述的势垒层3采用AlGaN半导体材料，该势垒层3上的局部区域注入有负离子，注入有负离子的区域为若干相互隔开的条形，条形之间未注入离子的区域宽度为纳米量级，注入有负离子的区域横向隔断二维电子气导电沟道，在未注入离子区域下面的异质结中形成一维电子气。

上述的一维电子气GaN基HEMT器件，其特征在于注入有负离子的区域的宽度均为50nm～500nm，未注入离子区域的宽度均为10nm～100nm，且注入有负离子的区域与未注入离子的区域周期性排列。

根据上述原理，本发明的一维电子气GaN基HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：

1）在衬底上外延厚度为1～5μm的GaN半导体材料，作为缓冲层；

2）在缓冲层上淀积厚度为10～50nm的AlGaN半导体材料，作为势垒层，其中AlGaN材料的Al组分为15%～30%；

3）在势垒层上第一次制作掩膜，以进行源极和漏极光刻，并在势垒层的两端淀积金属，分别制作源极和漏极；

4）在势垒层上第二次制作掩膜，以进行台面光刻，然后进行台面刻蚀，将二维电子气导电沟道完全刻断以实现对器件的隔离，其中台面刻蚀深度为100nm～300nm，台面间距为3～8μm；

5）在势垒层上涂电子光刻胶，采用电子束光刻出所需要的量子线图形，该量子线图形为若干相互隔开的条形，条形的宽度均为50nm～500nm，条形之间的间隔均为10nm～100nm，并且该条形周期性排列；然后采用离子注入方法在势垒层上进行局部离子注入，其中注入的离子为负离子，且离子注入剂量使离子注入区域下面的异质结中的二维电子气被完全耗尽；

6）在源极和漏极的上部以及势垒层上的其它区域淀积厚度为0.04～0.6μm的钝化层；

7）在钝化层上制作掩膜，刻蚀栅槽，并在栅槽中淀积金属，制作栅极；

8）在栅极和钝化层的上部淀积厚度为0.2～1.5μm的保护层；

9）在钝化层和保护层上进行互连开孔光刻及刻蚀，并蒸发互连金属。

本发明器件与现有的一维电子气器件比较具有以下优点：

1．进一步提高了一维电子气器件的高温高压特性、抗辐照特性和频率特性。

本发明采用GaN半导体材料，由于第三代半导体材料GaN相比第一代半导体材料Si和第二代半导体材料GaAs具有更大的禁带宽度，因而本征载流子浓度较低并且击穿电场较大，使得制备的一维电子气GaN基HEMT器件的高温高压特性较好，抗辐照能力很强。同时由于GaN材料具有优异的电子输运特性，使得制备的一维电子气GaN基HEMT器件可工作于高频率范围。

2．进一步提高了一维电子气器件的功率特性。

本发明的缓冲层采用GaN半导体材料，势垒层采用AlGaN半导体材料，GaN和AlGaN具有不同的禁带宽度，可以在界面处形成AlGaN/GaN异质结结构，由于GaN材料极强的压电极化和自发极化电场的存在，即使在没有任何掺杂的情况下也可在异质结界面形成高浓度的二维电子气，进而获得比第二代化合物半导体异质结器件中更高的一维电子气浓度，使得制备的一维电子气GaN基HEMT器件具有较好的功率特性。

3.本发明工序简单，损伤和污染较小。

本发明采用离子注入方法，不需要复杂的刻蚀过程，因而是一种工序简单，损伤和污染较小的清洁化工艺。

以下结合附图和实施例进一步说明本发明的技术内容和效果。

附图说明

图1是本发明器件的结构示意图；

图2是本发明器件的结构正视剖面图；

图3是本发明器件的结构侧视剖面图；

图4是本发明器件的制作工艺流程图。

具体实施方式

参照图1、图2和图3，本发明的一维电子气GaN基HEMT器件，其结构自下而上包括：衬底1、缓冲层2、势垒层3、钝化层7和保护层8；势垒层3上的两端分别为源极4和漏极5，钝化层7位于源极4和漏极5之间的势垒层3上，该钝化层7上开有栅槽，栅槽中设有栅极6。缓冲层2采用GaN半导体材料；势垒层3采用AlGaN半导体材料，该势垒层3上的局部区域注入有负离子，注入有负离子的区域为若干相互隔开的条形，条形之间未注入离子的区域宽度为纳米量级，注入有负离子的区域横向隔断二维电子气导电沟道，在未注入离子区域下面的异质结中形成一维电子气。注入有负离子的区域的宽度均为50nm～500nm，未注入离子区域的宽度均为10nm～100nm，且注入有负离子的区域与未注入离子的区域周期性排列。

本发明的实施例给出了三种器件结构，其中实施例1和实施例4的器件结构为：衬底1为蓝宝石，缓冲层2为GaN，势垒层3为AlGaN，钝化层9为SiN，保护层10为SiN，离子注入区域的宽度为50nm，未进行离子注入区域的宽度为10nm，且离子注入区域与未进行离子注入的区域为周期性排列；实施例2和实施例5的器件结构为：衬底1为碳化硅，缓冲层2为GaN，势垒层3为AlGaN，钝化层9为SiN，保护层10为SiO₂，离子注入区域的宽度为250nm，未进行离子注入区域的宽度为50nm，且离子注入区域与未进行离子注入的区域为周期性排列；实施例3和实施例6的器件结构为：衬底1为硅，缓冲层2为GaN，势垒层3为AlGaN，钝化层9为SiO₂，保护层10为SiN，离子注入区域的宽度为500nm，未进行离子注入区域的宽度为100nm，且离子注入区域与未进行离子注入的区域为周期性排列。

参照图4，本发明制作一维电子气GaN基HEMT器件的方法，给出如下六种实施例：

实施例1，制作衬底1为蓝宝石，缓冲层2为GaN，势垒层3为AlGaN，钝化层7为SiN，保护层8为SiN，离子注入区域的宽度为50nm，未进行离子注入区域的宽度为10nm，且离子注入区域与未进行离子注入的区域为周期性排列的一维电子气GaN基HEMT器件。

步骤1，采用金属有机物化学气相淀积技术MOCVD在蓝宝石衬底1上外延厚度为1μm的GaN半导体材料，作为缓冲层2；外延GaN缓冲层2的工艺条件为：温度为1040℃，压力为200Torr，氢气流量为4700sccm，氨气流量为4700sccm，镓源流量为200μmol/min。

步骤2，采用金属有机物化学气相淀积技术MOCVD在缓冲层2上淀积厚度为10nm的AlGaN半导体材料，作为势垒层3，该AlGaN材料的Al组分为15%；淀积AlGaN势垒层3的工艺条件为：温度为1080℃，压力为200Torr，氢气流量为4700sccm，氨气流量为4700sccm，镓源流量为28μmol/min，铝源流量为5μmol/min。

步骤3，在势垒层3上第一次制作掩膜，以进行源极和漏极光刻，并使用电子束蒸发技术在其两端淀积金属，再在N₂气氛中进行快速热退火，分别制作源极4和漏极5，其中所淀积的金属为Ti/Al/Ni/Au金属组合，Ti的厚度为0.01μm，Al的厚度为0.05μm，Ni的厚度为0.03μm，Au的厚度为0.02μm。

淀积金属的工艺条件为：真空度小于2.0×10^-6Torr，功率为200W，蒸发速率小于；快速热退火的工艺条件为：温度为870℃，时间为30s。

步骤4，在势垒层3上第二次制作掩膜，以进行台面光刻，并采用反应离子刻蚀方法进行台面刻蚀，刻蚀深度为100nm，台面间距为3μm。

刻蚀台面的工艺条件为：反应气体为Cl₂，Cl₂的流量为15sccm，压力为10mT，功率为100W。

步骤5，在势垒层3上涂电子光刻胶，采用电子束光刻出所需要的量子线图形，该量子线图形为若干相互隔开的条形，条形的宽度均为50nm，条形之间的间隔均为10nm，并且该条形周期性排列；然后采用氟等离子体处理方法在势垒层3上进行局部离子注入，其中注入的离子为氟离子，且离子注入剂量使离子注入区域下面的异质结中的二维电子气被完全耗尽。

氟等离子体处理采用CF₄反应气体，工艺条件为：反应气体CF₄的流量为20sccm，压力为5mT，功率为50W。

步骤6，使用等离子体增强化学气相淀积在源极4和漏极5的上部以及势垒层3上的其它区域淀积厚度为40nm的SiN钝化层7。

淀积钝化层7的工艺条件为：气体2%SiH₄/N₂的流量为200sccm，气体NH₃的流量为2sccm，气体N₂的流量为0sccm，气体He的流量为200sccm，压强为600mTorr，温度为250℃，功率为22W。

步骤7，在钝化层7上制作掩膜，进行栅槽光刻，并采用反应离子刻蚀方法在钝化层7上刻蚀出栅槽，然后采用电子束蒸发在栅槽中淀积金属，制作栅极6，其中所淀积的金属采用Ni/Au/Ni金属组合，且第一层Ni金属厚度为0.01μm，Au金属厚度为0.08μm，第二层Ni金属厚度为0.01μm。

刻蚀栅槽的工艺条件为：反应气体为CF₄，CF₄的流量为20sccm，压力为5mT，功率为50W；淀积金属的工艺条件为：真空度小于2.0×10^-6Torr，功率为500W，蒸发速率小于

步骤8，使用等离子体增强化学气相淀积在栅极6和钝化层7的上部淀积厚度为200nm的SiN保护层8。

淀积保护层8的工艺条件为：气体2%SiH₄/N₂的流量为200sccm，气体NH₃的流量为2sccm，气体N₂的流量为0sccm，气体He的流量为200sccm，压强为600mTorr，温度为250℃，功率为22W。

步骤9，在钝化层7和保护层8上进行互连开孔光刻和刻蚀，并蒸发互连金属。

首先，在钝化层7和保护层8上进行互连开孔光刻；

其次，再采用反应离子刻蚀方法进行互连开孔刻蚀，互连开孔刻蚀的工艺条件为：反应气体为CF₄和O₂，CF₄的流量为45sccm，O₂的流量为5sccm，压力为10mT，功率为100W；

然后，采用电子束蒸发技术进行互连金属蒸发，所蒸发的金属采用Ti/Au金属组合，其中Ti金属厚度为0.02μm，Au金属厚度为0.1μm；互连金属蒸发的工艺条件为：真空度小于2.0×10^-6Torr，功率为200W，蒸发速率小于

实施例2，制作衬底1为碳化硅，缓冲层2为GaN，势垒层3为AlGaN，钝化层7为SiN，保护层8为SiO₂，离子注入区域的宽度为250nm，未进行离子注入区域的宽度为50nm，且离子注入区域与未进行离子注入的区域为周期性排列的一维电子气GaN基HEMT器件。

步骤一，在碳化硅衬底1上外延厚度为3μm的GaN缓冲层2。

使用金属有机物化学气相淀积MOCVD设备，在温度为1060℃，压力为200Torr，氢气流量为4900sccm，氨气流量为4900sccm，镓源流量为210μmol/min的工艺条件下，在碳化硅衬底1上外延厚度为3μm的GaN缓冲层2。

步骤二，在GaN缓冲层2上淀积厚度为30nm的AlGaN势垒层3。

使用金属有机物化学气相淀积MOCVD设备，在温度为1100℃，压力为200Torr，氢气流量为4900sccm，氨气流量为4900sccm，镓源流量为19μmol/min，铝源流量为7μmol/min的工艺条件下，在GaN缓冲层2上淀积厚度为30nm的AlGaN势垒层3，该AlGaN材料的Al组分为27%。

步骤三，在势垒层3上第一次制作掩膜，并在势垒层3的两端淀积金属，分别制作源极4和漏极5。

首先，在势垒层3上第一次制作掩膜，进行源极和漏极光刻；

其次，使用电子束蒸发技术在真空度小于2.0×10^-6Torr，功率为500W，蒸发速率小于的工艺条件下，在势垒层3的两端淀积Ti/Al/Ni/Au金属组合，分别制作源极4和漏极5，其中Ti的厚度为0.022μm，Al的厚度为0.14μm，Ni的厚度为0.055μm，Au厚度的为0.045μm；

然后，在气氛为N₂，温度为870℃，时间为30s的工艺条件下进行快速热退火。

步骤四，在势垒层3上第二次制作掩膜，进行台面光刻和刻蚀。

首先，在势垒层3上第二次制作掩膜，进行台面光刻；

其次，采用反应离子刻蚀方法在压力为10mT，功率为100W，反应气体Cl₂的流量为15sccm的工艺条件下进行台面刻蚀，刻蚀深度为200nm，台面间距为5μm。

步骤五，在势垒层3上光刻出所需要的量子线图形，并在势垒层3上进行局部离子注入。

首先，在势垒层3上涂电子光刻胶，采用电子束光刻出所需要的量子线图形，该量子线图形为若干相互隔开的条形，条形的宽度均为250nm，条形之间的间隔均为50nm，并且该条形周期性排列；

其次，采用氟等离子体处理方法在压力为10mT，功率为100W，反应气体CF₄的流量为50sccm的工艺条件下，在势垒层3上进行局部离子注入，其中注入的离子为氟离子，且离子注入剂量使离子注入区域下面的异质结中的二维电子气被完全耗尽

步骤六，在源极4和漏极5的上部以及势垒层3上的其它区域淀积厚度为200nm的SiN钝化层7。

使用等离子体增强化学气相淀积在压强为600mTorr，温度为250℃，功率为22W，气体2%SiH₄/N₂的流量为200sccm，气体NH₃的流量为2sccm，气体N₂的流量为0sccm，气体He的流量为200sccm的工艺条件下，在源极4和漏极5的上部以及势垒层3上的其它区域淀积厚度为200nm的SiN钝化层7。

步骤七，在钝化层7上制作掩膜，进行栅槽光刻和刻蚀，并在栅槽中淀积金属制作栅极6。

首先，在钝化层7上制作掩膜，进行栅槽光刻；

其次，采用反应离子刻蚀方法在压力为5mT，功率为50W，反应气体CF₄的流量为20sccm的工艺条件下，在钝化层7上刻蚀出栅槽；

然后，使用电子束蒸发技术在真空度小于2.0×10^-6Torr，功率为500W，蒸发速率小于的工艺条件下，在栅槽中淀积Ni/Au/Ni金属组合，制作栅极6，其中第一层Ni的厚度为0.045μm，Au的厚度为0.2μm，第二层Ni的厚度为0.02μm。

步骤八，在栅极6和钝化层7的上部淀积厚度为800nm的SiO₂保护层8。

使用等离子体增强化学气相淀积在压强为1000mTorr，温度为250℃，功率为25W，气体N₂O的流量为800sccm，气体SiH₄的流量150sccm的工艺条件下，在栅极6和钝化层7的上部淀积厚度为800nm的SiO₂保护层8。

步骤九，在钝化层7和保护层8上进行互连开孔光刻和刻蚀，并蒸发互连金属。

首先，在钝化层7和保护层8上进行互连开孔光刻；

其次，再采用反应离子刻蚀方法在压力为10mT，功率为100W，反应气体CF₄的流量为45sccm，O₂的流量为5sccm的工艺条件下进行互连开孔刻蚀。

然后，采用电子束蒸发技术在真空度小于2.0×10^-6Torr，功率为500W，蒸发速率小于的工艺条件下进行互连金属蒸发，所蒸发的金属采用Ti/Au金属组合，其中Ti的厚度为0.02μm，Au的厚度为0.1μm。

实施例3，制作衬底1为硅，缓冲层2为GaN，势垒层3为AlGaN，钝化层7为SiO₂，保护层8为SiN，离子注入区域的宽度为500nm，未进行离子注入区域的宽度为100nm，且离子注入区域与未进行离子注入的区域为周期性排列的一维电子气GaN基HEMT器件。

步骤A，在硅衬底1上外延厚度为5μm的GaN缓冲层2。

使用金属有机物化学气相淀积MOCVD设备在硅衬底1上外延厚度为5μm的GaN缓冲层2；外延GaN缓冲层2的工艺条件为：温度为1060℃，压力为200Torr，氢气流量为5200sccm，氨气流量为5200sccm，镓源流量为220μmol/min。

步骤B，在GaN缓冲层2上淀积厚度为50nm的AlGaN势垒层3。

使用金属有机物化学气相淀积MOCVD设备在GaN缓冲层2上淀积厚度为50nm的AlGaN势垒层3，该AlGaN材料的Al组分为30%；淀积AlGaN势垒层3的工艺条件为：温度为1100℃，压力为200Torr，氢气流量为5200sccm，氨气流量为5200sccm，镓源流量为18μmol/min，铝源流量为8μmol/min。

步骤C，在势垒层3上第一次制作掩膜，并在势垒层3的两端淀积金属，分别制作源极4和漏极5。

C1）在势垒层3上第一次制作掩膜，进行源极和漏极光刻；

C2）使用电子束蒸发技术在真空度小于2.0×10^-6Torr，功率为500W，蒸发速率小于的工艺条件下，在势垒层3的两端淀积Ti/Al/Ni/Au金属组合，分别制作源极4和漏极5，其中Ti的厚度为0.045μm，Al的厚度为0.25μm，Ni的厚度为0.2μm，Au厚度的为0.15μm；

C3）在气氛为N₂，温度为870℃，时间为30s的工艺条件下进行快速热退火。

步骤D，在势垒层3上第二次制作掩膜，进行台面光刻和刻蚀。

D1）在势垒层3上第二次制作掩膜，以进行台面光刻；

D2）采用反应离子刻蚀方法在压力为10mT，功率为100W，反应气体Cl₂的流量为15sccm的工艺条件下进行台面刻蚀，刻蚀深度为300nm，台面间距为8μm。

步骤E，在势垒层3上光刻出所需要的量子线图形，并在势垒层3上进行局部离子注入。

E1）在势垒层3上涂电子光刻胶，采用电子束光刻出所需要的量子线图形，该量子线图形为若干相互隔开的条形，条形的宽度均为500nm，条形之间的间隔均为100nm，并且该条形周期性排列；

E2）采用氟等离子体处理方法在压力为20mT，功率为200W，反应气体CF₄的流量为100sccm的工艺条件下，在势垒层3上进行局部离子注入，其中注入的离子为氟离子，且离子注入剂量使离子注入区域下面的异质结中的二维电子气被完全耗尽。

步骤F，使用等离子体增强化学气相淀积在源极4和漏极5的上部以及势垒层3上的其它区域淀积厚度为0.6μm的SiO₂钝化层7。

使用等离子体增强化学气相淀积在压强为1000mTorr，温度为250℃，功率为25W，气体N₂O的流量为800sccm，气体SiH₄的流量150sccm的工艺条件下，在源极4和漏极5的上部以及势垒层3上的其它区域淀积厚度为0.6μm的SiO₂钝化层7。

步骤G，在钝化层7上制作掩膜，进行栅槽光刻和刻蚀，并在栅槽中淀积金属制作栅极6。

G1）在钝化层7上制作掩膜，进行栅槽光刻；

G2）采用反应离子刻蚀方法在压力为5mT，功率为50W，反应气体CF₄的流量为20sccm的工艺条件下，在钝化层7上刻蚀出栅槽；

G3）使用电子束蒸发技术在真空度小于2.0×10^-6Torr，功率为500W，蒸发速率小于的工艺条件下，在栅槽中淀积Ni/Au/Ni金属组合，制作栅极6，其中第一层Ni的厚度为0.15μm，Au的厚度为0.45μm，第二层Ni的厚度为0.15μm。

步骤H，使用等离子体增强化学气相淀积在栅极6和钝化层7的上部淀积厚度为1.5μm的SiN保护层8。

使用等离子体增强化学气相淀积在压强为600mTorr，温度为250℃，功率为22W，气体2%SiH₄/N₂的流量为200sccm，气体NH₃的流量为2sccm，气体N₂的流量为0sccm，气体He的流量为200sccm的工艺条件下，在栅极6和钝化层7的上部淀积厚度为1.5μm的SiN保护层8。

步骤I，在钝化层7和保护层8上进行互连开孔光刻和刻蚀，并蒸发互连金属。

I1）在钝化层7和保护层8上先进行互连开孔光刻；

I2）再采用反应离子刻蚀方法在压力为10mT，功率为100W，反应气体CF₄的流量为45sccm，O₂的流量为5sccm的工艺条件下进行互连开孔刻蚀。

I3）采用电子束蒸发技术在真空度小于2.0×10^-6Torr，功率为700W，蒸发速率小于的工艺条件下进行互连金属蒸发，所蒸发的金属采用Ti/Au金属组合，其中Ti的厚度为0.02μm，Au的厚度为0.1μm。

实施例4，制作衬底1为蓝宝石，缓冲层2为GaN，势垒层3为AlGaN，钝化层7为SiN，保护层8为SiN，离子注入区域的宽度为50nm，未进行离子注入区域的宽度为10nm，且离子注入区域与未进行离子注入的区域为周期性排列的一维电子气GaN基HEMT器件。

第1步，与实施例1的步骤1相同；

第2步，与实施例1的步骤2相同；

第3步，与实施例1的步骤3相同；

第4步，与实施例1的步骤4相同；

第5步，在势垒层3上涂电子光刻胶，采用电子束光刻出所需要的量子线图形，该量子线图形为若干相互隔开的条形，条形的宽度均为50nm，条形之间的间隔均为10nm，并且该条形周期性排列；然后采用氟等离子体处理方法在势垒层3上进行局部离子注入，其中注入的离子为氟离子，且离子注入剂量使离子注入区域下面的异质结中的二维电子气被完全耗尽。

氟等离子体处理采用SF₆反应气体，工艺条件为：反应气体SF₆的流量为10sccm，压力为10mT，功率为50W。

第6步，与实施例1的步骤6相同；

第7步，与实施例1的步骤7相同；

第8步，与实施例1的步骤8相同；

第9步，与实施例1的步骤9相同。

实施例5，制作衬底1为蓝宝石，缓冲层2为GaN，势垒层3为AlGaN，钝化层7为SiN，保护层8为SiN，离子注入区域的宽度为250nm，未进行离子注入区域的宽度为50nm，且离子注入区域与未进行离子注入的区域为周期性排列的一维电子气GaN基HEMT器件。

第一步，与实施例2的步骤一相同；

第二步，与实施例2的步骤二相同；

第三步，与实施例2的步骤三相同；

第四步，与实施例2的步骤四相同；

第五步，在势垒层3上光刻出所需要的量子线图形，并在势垒层3上进行局部离子注入。

首先，在势垒层3上涂电子光刻胶，采用电子束光刻出所需要的量子线图形，该量子线图形为若干相互隔开的条形，条形的宽度均为250nm，条形之间的间隔均为50nm，并且该条形周期性排列；

其次，采用氟等离子体处理方法在压力为20mT，功率为100W，反应气体SF₆的流量为50sccm的工艺条件下，在势垒层3上进行局部离子注入，其中注入的离子为氟离子，且离子注入剂量使离子注入区域下面的异质结中的二维电子气被完全耗尽。

第六步，与实施例2的步骤六相同；

第七步，与实施例2的步骤七相同；

第八步，与实施例2的步骤八相同；

第九步，与实施例2的步骤九相同。

实施例6，制作衬底1为蓝宝石，缓冲层2为GaN，势垒层3为AlGaN，钝化层7为SiN，保护层8为SiN，离子注入区域的宽度为500nm，未进行离子注入区域的宽度为100nm，且离子注入区域与未进行离子注入的区域为周期性排列的一维电子气GaN基HEMT器件。

第A步，与实施例3的步骤A相同；

第B步，与实施例3的步骤B相同；

第C步，与实施例3的步骤C相同；

第D步，与实施例3的步骤D相同；

第E步，在势垒层3上光刻出所需要的量子线图形，并在势垒层3上进行局部离子注入。

E1）在势垒层3上涂电子光刻胶，采用电子束光刻出所需要的量子线图形，该量子线图形为若干相互隔开的条形，条形的宽度均为500nm，条形之间的间隔均为100nm，并且该条形周期性排列；

E2）采用氟等离子体处理方法在压力为30mT，功率为200W，反应气体SF₆的流量为100sccm的工艺条件下，在势垒层3上进行局部离子注入，其中注入的离子为氟离子，且离子注入剂量使离子注入区域下面的异质结中的二维电子气被完全耗尽。

第F步，与实施例3的步骤F相同；

第G步，与实施例3的步骤G相同；

第H步，与实施例3的步骤H相同；

第I步，与实施例3的步骤I相同。

在上述的实施例中，外延缓冲层2和淀积势垒层3的方法采用金属有机物化学气相淀积或分子束外延或氢化物气相外延；淀积金属的方法采用电子束蒸发技术或溅射技术；采用氟等离子体处理方法在势垒层上进行局部离子注入，反应气体采用CF₄反应气体或SF₆反应气体或BF₃反应气体；刻蚀台面和栅槽的方法采用反应离子刻蚀方法或感应耦合等离子体刻蚀方法；钝化层7和保护层8采用SiO₂或SiN或Al₂O₃或Sc₂O₃或HfO₂或TiO₂或其他绝缘介质材料；淀积钝化层7和保护层8的方法采用化学气相淀积或蒸发或原子层淀积或溅射或分子束外延。

以上描述仅是本发明的几个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种离子注入的一维电子气GaN基HEMT器件，其结构自下而上包括：衬底（1）、缓冲层（2）、势垒层（3）、钝化层（7）和保护层（8）；势垒层（3）上的两端分别为源极（4）和漏极（5），钝化层（7）位于源极（4）和漏极（5）之间的势垒层（3）上，该钝化层（7）上开有栅槽，栅槽中设有栅极（6）；

其特征在于：

所述的缓冲层（2）采用GaN半导体材料；

所述的势垒层（3）采用AlGaN半导体材料，该势垒层（3）上的局部区域注入有负离子，注入有负离子的区域为若干相互隔开的条形，条形之间未注入离子的区域宽度为纳米量级，注入有负离子的区域横向隔断二维电子气导电沟道，在未注入离子区域下面的异质结中形成一维电子气。

2.根据权利要求1所述的一维电子气GaN基HEMT器件，其特征在于注入有负离子的区域的宽度均为50nm～500nm，未注入离子区域的宽度均为10nm～100nm，且注入有负离子的区域与未注入离子的区域周期性排列。

3.一种离子注入的一维电子气GaN基HEMT器件的制备方法，包括以下步骤：

1）在衬底上外延厚度为1～5μm的GaN半导体材料，作为缓冲层；

2）在缓冲层上淀积厚度为10～50nm的AlGaN半导体材料，作为势垒层，其中AlGaN材料的Al组分为15%～30%；

3）在势垒层上第一次制作掩膜，以进行源极和漏极光刻，并在势垒层的两端淀积金属，分别制作源极和漏极；

4）在势垒层上第二次制作掩膜，以进行台面光刻，然后进行台面刻蚀，将二维电子气导电沟道完全刻断以实现对器件的隔离，其中台面刻蚀深度为100nm～300nm，台面间距为3～8μm；

5）在势垒层上涂电子光刻胶，采用电子束光刻出所需要的量子线图形，该量子线图形为若干相互隔开的条形，条形的宽度均为50nm～500nm，条形之间的间隔均为10nm～100nm，并且该条形周期性排列；然后采用离子注入方法在势垒层上进行局部离子注入，其中注入的离子为负离子，且离子注入剂量使离子注入区域下面的异质结中的二维电子气被完全耗尽；

6）在源极和漏极的上部以及势垒层上的其它区域淀积厚度为0.04～0.6μm的钝化层；

7）在钝化层上制作掩膜，刻蚀栅槽，并在栅槽中淀积金属，制作栅极；

8）在栅极和钝化层的上部淀积厚度为0.2～1.5μm的保护层；

9）在钝化层和保护层上进行互连开孔光刻及刻蚀，并蒸发互连金属。

4.根据权利要求3所述的一维电子气GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于所述的衬底采用蓝宝石衬底或碳化硅衬底或硅衬底材料。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于所述步骤3）中在势垒层两端淀积的金属，采用Ti/Al/Ni/Au金属组合，其中Ti的厚度为0.01～0.045μm，Al的厚度为0.05～0.25μm，Ni的厚度为0.03～0.2μm，Au的厚度为0.02～0.15μm。

6.根据权利要求3所述的一维电子气GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于所述步骤5）中采用离子注入方法在势垒层上进行局部离子注入，采用氟等离子体处理方法进行。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于采用氟等离子体处理方法在势垒层上进行局部离子注入，采用CF₄反应气体或SF₆反应气体进行。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于采用CF₄反应气体在势垒层上进行局部离子注入的工艺条件为：反应气体CF₄的流量为20～100sccm，压力为5～20mT，功率为50～200W。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于采用SF₆反应气体在势垒层上进行局部离子注入的工艺条件为：反应气体SF₆的流量为10～100sccm，压力为10～30mT，功率为50～200W。

10.根据权利要求3所述的一维电子气GaN基HEMT器件的制备方法，其特征在于步骤7）中在栅槽中淀积的所述金属，采用Ni/Au/Ni金属组合，其中第一层Ni的厚度为0.01～0.15μm，Au的厚度为0.08～0.45μm，第二层Ni的厚度为0.01～0.15μm。