CN103762233A - 一种提高压电极化强度的新型hemt - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高压电极化强度的新型HEMT，本发明方法在含有AlN隔离层的AlGaN/AlN/GaN结构HEMT基础上，在GaN层下面插入了InGaN层，形成AlxGa1-xN/AlN/GaN/InyGa1-yN结构的HEMT。AlGaN、GaN之间，GaN、InGaN之间分别形成沟道，由于极化效应产生的2DEG在沟道中。插入了InGaN层，GaN/InGaN结构中GaN的晶格常数小于InN的晶格常数，使得GaN晶格应变，由应变产生的压电极化强于AlGaN/GaN之间的压电极化，使得器件在相同压力下极化效应更强，二维电子气面密度变化更大，使得提高了器件的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种提高压电极化强度的新型HEMT。
背景技术
传感器技术是现代科学技术发展水平的重要标志，其中压力传感器是应用最为广泛的一类。传统的压力传感器以机械结构型的器件为主。随着半导体技术与MEMS技术的发展，人们以硅作为主要材料，采取电容、压阻等多种形式，开发了硅微压力传感器，其特点是体积小、质量轻、准确度高、温度特性好。当今应用与研究范围又有所扩展，人们又开始重视开发能够直接工作在恶劣环境下的微压力传感器。随着对宽禁带半导体的研究深入，发现宽禁带半导体GaN（禁带宽度3.4eV）传感器可以不用冷却在高温下探测化学、气体、生物、辐射以及发送信号给中央控制器。AlGaN/GaN HEMT已经被证明具有高频、耐高压、耐高温和抗辐射特性，是高功率放大器和电力电子器件最具潜力的器件。AlGaN/GaN HEMT中决定电流电压特性的二维电子气（2DEG）面电子密度不仅受到势垒层AlGaN中Al组分等外延层材料特性的影响，而且受到势垒层AlGaN自发极化和压电极化强弱的影响，势垒层AlGaN压电极化对负载压力很敏感，同时，GaN材料在高温下化学稳定性好，这些特性使得AlGaN/GaN HEMT将会成为一种在高温环境下工作的压力传感器良好选择。但常规AlGaN/GaN HEMT的结构在用作压力传感器时依旧存在着灵敏度的问题。主要原因是AlGaN/GaN层之间的压电极化强度并不足够大，这导致了压力传感器检测灵敏度不足。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种提高压电极化强度的新型HEMT。
本发明一种提提高压电极化强度的新型HEMT，包括衬底、GaN缓冲层、In0.2Ga0.8N层、GaN层、隔离层AlN、Al0.3Ga0.7N层和GaN帽层；
所述的衬底上外延生长出缓冲层GaN；在GaN缓冲层上生长In0.2Ga0.8N层；接着在In0.2Ga0.8N层上面外延生长GaN沟道层；之后在沟道层GaN上外延生长隔离层AlN，主要是提高AlGaN/GaN结的势垒导带差；接着在隔离层AlN上外延生长非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层；在势垒层上生长非掺杂GaN帽层；最后在帽层上设置晶体管的栅极、源极和漏极。
所述的衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底；
所述的GaN缓冲层为层厚度为2μm；
所述的In0.2Ga0.8N层厚度为8nm；
所述的GaN沟道层厚度为14nm；
所述的AlN隔离层厚度为1nm；
所述的Al0.3Ga0.7N势垒层厚度为20nm；
所述的GaN帽层厚度为2nm；
所述的栅极金属为Ni或者Au，源极和漏极金属为钛、铝、镍、金中的一种，选择器件的栅长为0.75μm，栅宽为100μm，栅极与源极、栅极与漏极之间距离都为1.2μm。
本发明方法中外延生长采用金属有机物化学气相淀积（MOCVD）手段，本发明的发明点在于对器件的外延层结构的改变。
有益效果：本发明通过改变器件的外延层结构，使得这种新型器件在作为压力传感器工作时具有较高的敏感度。
附图说明
图1为本发明器件的剖面结构图；
图2为本发明器件外延层中的压电极化示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示：一种提高压电极化的新型HEMT结构包括：蓝宝石衬底。GaN缓冲层，InGaN层，GaN层，AlN插入层，AlGaN层，GaN帽层：
本发明在含有AlN隔离层的AlGaN/AlN/GaN结构HEMT基础上，在GaN层下面插入了InGaN层，形成AlxGa1-xN/AlN/GaN/InyGa1-yN结构的HEMT，剖面图如图1所示。在AlGaN、GaN之间，GaN、InGaN之间分别形成沟道，由于极化效应产生的2DEG在沟道中。插入了InGaN层，GaN/InGaN结构中GaN的晶格常数小于InN的晶格常数，使得GaN晶格应变，由应变产生的压电极化强于AlGaN/GaN之间的压电极化，使得器件在相同压力下极化效应更强，二维电子气面密度变化更大，使得提高了器件的灵敏度。
本发明在蓝宝石、硅或碳化硅基底上外延生长多层异质结结构，形成一种高灵敏的高电子迁移率晶体管AlxGa1-xN/AlN/GaN/InyGa1-yN结构的HEMT。先在衬底上外延生长出缓冲层GaN；然后在GaN缓冲层上生长In0.2Ga0.8N层；接着在In0.2Ga0.8N层上面外延生长GaN沟道层；之后在沟道层GaN上外延生长隔离层AlN，主要是提高AlGaN/GaN结的势垒导带差；接着在隔离层AlN上外延生长非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层；在势垒层上生长非掺杂GaN帽层；最后在帽层上按照常规方法研制晶体管的栅极、源极和漏极。
所述的衬底为蓝宝石衬底；
所述的GaN缓冲层为层厚度为2μm；
所述的In0.2Ga0.8N层厚度为8nm；
所述的GaN沟道层厚度为14nm；
所述的AlN隔离层厚度为1nm；
所述的Al0.3Ga0.7N势垒层厚度为20nm；
所述的GaN帽层厚度为2nm；
所述的栅极金属为Ni/Au（镍/金），源极和漏极金属分别为钛/铝/镍/金（Ti/Al/Ni/Au），选择器件的栅长为0.75μm，栅宽为100μm，栅极与源极、栅极与漏极之间距离都为1.2μm。
本发明方法中外延生长采用金属有机物化学气相淀积（MOCVD）方法实现。
压电极化产生的原因则是在异质结界面处,由于不同材料之间彼此晶格不匹配产生应力,使得阴离子和阳离子的排列发生移动,产生出极化电荷,称为压电效应。因此压电极化与晶格匹配度有关。压电极化大小可由公式PPE＝2(1-R)(a-a0)[e31-e33C13/C33]/a0算出。其中a和a0分别是应变和本征晶格常数，e31和e33是材料的压电系数，C13和C33是材料的弹性常数。R为应变层的弛豫度,完全弛豫时R=1，此时不存在压电极化。当晶格全应变时R=0，此时a等于相邻层的本征晶格常数。AlGaN/GaN结构的压电极化是由AlN/GaN之间的晶格失配导致，而AlN的晶格常数为
GaN的晶格常数为
两者之间的差距不大。而另外一种Ⅲ族氮化物InN的晶格常数为
显然这个数值要比前两者大很多，而InN的禁带宽度为0.7eV，可以和GaN（禁带宽度3.4eV）形成异质结构。由于InN生长的困难性,实现真正的InN基的HEMT异质结构十分不易,但是将InGaN合金引入到比较成熟的GaN异质结构中是可行的,同样在理论上,会提升目前的很多性能。因而我们提出了一种在常规AlGaN/GaN结构下面加入一层InGaN的器件结构。通过PPE计算公式计算，当晶格完全应变时，AlGaN（相邻层为GaN）中AIN的压电极化PPE=-0.05371，GaN（相邻层为InGaN）的压电极化PPE=-0.15225，是前者的三倍。这从理论上支持了用GaN/InGaN结构来提高器件压电极化强的方法，使得器件用于压力传感器时具有更高的检测灵敏度。
Claims (9)
1. 一种提高压电极化强度的新型HEMT，包括衬底、GaN缓冲层、In0.2Ga0.8N层、GaN层、隔离层AlN、Al0.3Ga0.7N层和GaN帽层；
其特征在于：所述的衬底上外延生长出缓冲层GaN；在GaN缓冲层上生长In0.2Ga0.8N层；接着在In0.2Ga0.8N层上面外延生长GaN沟道层；之后在沟道层GaN上外延生长隔离层AlN，主要是提高AlGaN/GaN结的势垒导带差；接着在隔离层AlN上外延生长非掺杂Al0.3Ga0.7N势垒层；在势垒层上生长非掺杂GaN帽层；最后在帽层上设置晶体管的栅极、源极和漏极。
2.根据权利要求1所述的所述的一种提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于：衬底为蓝宝石衬底、硅衬底或碳化硅衬底。
3.根据权利要求1所述的所述的一种提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于：所述的GaN缓冲层为层厚度为2μm。
4.根据权利要求1所述的所述的一种提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于：所述的In0.2Ga0.8N层厚度为8nm。
5.根据权利要求1所述的所述的一种提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于：所述的GaN沟道层厚度为14nm。
6.根据权利要求1所述的所述的一种提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于：所述的AlN隔离层厚度为1nm。
7.根据权利要求1所述的所述的一种提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于：所述的Al0.3Ga0.7N势垒层厚度为20nm。
8.根据权利要求1所述的所述的一种提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于：所述的GaN帽层厚度为2nm。
9.根据权利要求1所述的所述的一种提高压电极化强度的新型HEMT，其特征在于：所述的栅极金属为Ni或者Au，源极和漏极金属为钛、铝、镍、金中的一种，选择器件的栅长为0.75μm，栅宽为100μm，栅极与源极、栅极与漏极之间距离都为1.2μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140430 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |