CN104393168A - 一种霍尔元件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于二维电子气(2-DEG)的霍尔元件及其制备方法，所述霍尔元件结构包括以外延方式倒装生长的铟镓砷（InxGa1-xAs）沟道层，铝镓砷（AlxGa1-xAs）空间隔离层以及铝镓砷（AlxGa1-xAs）势垒层。所述制备方法包括步骤：在一砷化镓(GaAs)衬底上生长牺牲层；在牺牲层上通过倒装方式依次生长的平面型掺杂（δ-掺杂）铝镓砷势垒层、本征铝镓砷空间隔离层以及本征铟镓砷沟道层；通过衬底剥离技术，将外延功能层与衬底分离，并粘附于一支撑衬底上；在铝镓砷势垒层上制备金属电极、进行台面刻蚀、钝化工艺，划片封装获得目标霍尔元件。

Description

一种霍尔元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及霍尔传感器领域，特别涉及一种倒装方式生长的基于二维电子气的霍尔元件及其制备方法。 
背景技术
在传统的霍尔元件制造中，为了提高霍尔元件的灵敏度，需要尽量提高材料的电子迁移率。基于二维电子气的调制掺杂异质结材料，通过将电子限制在不掺杂的沟道层表面，实现电子与杂质离子的空间分离，使电子所受到的杂质离子散射大大减少，大幅度提升了材料的电子迁移率。常见的二维电子气结构为铝镓砷（AlxGa1-xAs）/砷化镓（GaAs），其中AlxGa1-xAs为掺杂的势垒层，GaAs为本征沟道层，电子限制在GaAs的沟道层，具有很高的电子迁移率。但是，这种结构的材料，其性能的温度稳定性较差。原因是N型AlxGa1-xAs材料会出现一种陷阱——“DX”中心。这种DX中心能俘获或放出电子，使得材料的二维电子气浓度随温度而变化。实验表明，当x＜0.2时，基本上不产生DX中心，而当x≥0.2时，则产生高浓度的DX中心。对于传统的AlxGa1-xAs/GaAs结构的材料，为了获得一定的势阱深度和二维电子气浓度，其x一般需要大于0.3，故必然存在DX中心的影响。 
铟镓砷（InxGa1-xAs）材料的禁带宽度较窄，与AlxGa1-xAs形成异质结时，具有较大的势阱深度，因此，可适当降低AlxGa1-xAs中Al组分的浓度，使得x＜0.2，即可消除DX中心的影响。但是，做为沟道层的InxGa1-xAs其晶格常数与GaAs不匹配，为了克服InxGa1-xAs/GaAs界面因晶格失配产生的应力影响，一般把InxGa1-xAs层生长得很薄，让其中晶格存在畸变，以吸收它与GaAs层之间的晶格失配而产生的应力。这种存在有晶格畸变的薄膜称为赝晶膜。赝晶膜存在应力及位错，若在其上继续生长其他外延层材料，则必然会导致接下来生长的材料晶格质量下降。 
发明内容
本发明旨在提供一种霍尔元件结构及其制备方法，用于解决传统赝晶膜二维电子气霍尔元件时，AlxGa1-xAs空间隔离层和势垒层晶格质量较低的问题（因为必须先生长晶格失配的InxGa1-xAs沟道层），获得除InxGa1-xAs沟道层外，其他外延层材料均为高晶格质量的霍尔元件结构。 
本发明的技术方案是：一种霍尔元件及其制备方法，该方法包括： 
a）选用一砷化镓单晶衬底，在其上生长牺牲层；优选地，牺牲层材料为砷化铝（AlAs）；
b）在牺牲层上依次生长平面型掺杂铝镓砷势垒层、本征铝镓砷空间隔离层以及本征铟镓砷沟道层；
c）外延片表面粘附一层柔性薄膜，浸泡于选择性腐蚀溶液中，通过腐蚀液选择性腐蚀牺牲层，实现外延功能层与衬底分离；剥离后的衬底，经过简单处理后，可重复用于外延生长；
d）  将剥离后的外延功能层柔性薄膜一面，粘附于一刚性支撑衬底上；
e） 采用传统霍尔元件工艺，制备金属电极、台面刻蚀、钝化以及封装。
本发明采用倒装方式生长霍尔元件外延功能层，依次生长与GaAs衬底晶格匹配的牺牲层AlAs，平面型掺杂AlxGa1-xAs势垒层，本征AlxGa1-xAs空间隔离层。然后，再生长一层与GaAs基材料存在晶格失配的赝晶InxGa1-xAs沟道层，使整个霍尔元件结构中，只有这一层材料存在应力和位错，大大提升了其余外延层的晶格质量。通过剥离工艺，在平面型掺杂AlxGa1-xAs势垒层表面进行霍尔元件工艺，制备具有更高迁移率的器件。同时，作为生长用的GaAs衬底，传统工艺中一般选用半绝缘GaAs衬底，而本发明中，可以采用价格更加便宜的N型掺杂GaAs衬底。剥离后的GaAs衬底，经过简单处理后，可重复用于生长，大大降低了生产成本。 
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案。需要说明的是，附图只是为了便于理解，并不是与实际结构等比例的。 
图1 在GaAs衬底上通过倒装方式依次生长牺牲层、AlxGa1-xAs势垒层、AlxGa1-xAs空间隔离层和InxGa1-xAs沟道层； 
图2 外延层表面粘附一层柔性薄膜，浸泡于选择性腐蚀溶液中，选择性腐蚀牺牲层；
图3 剥离后的外延层粘附于刚性支撑衬底上；
图4 在InxGa1-xAs沟道层表面进行金属制备、台面刻蚀和钝化工艺，获得目标霍尔元件。
具体实施方式
实施例1：
首先选用一GaAs单晶衬底，选用金属有机化学气相沉积（MOCVD）或者分子束外延（MBE）技术，在衬底上生长一层10nm的AlAs牺牲层，然后以倒装方式依次生长30nm的N型平面掺杂AlxGa1-xAs势垒层、3nm本征AlxGa1-xAs空间隔离层以及12nm本征InxGa1-xAs沟道层。
生长完成后，取外延片，粘附于一柔性薄膜上。然后浸泡于氢氟酸溶液中，腐蚀牺牲层AlAs，实现外延功能层与衬底分离。衬底经过简单处理后，可继续用于外延生长。 
剥离后的外延片，粘附在一刚性支撑衬底上，以便于后续工艺操作。采用传统的霍尔元件工艺，光刻出电极图形，蒸镀金（Au）-锗（Ge）-镍（Ni）-金（Au），快速热退火形成欧姆接触。接着第二次光刻，湿法刻蚀台面，形成四叶草形状的霍尔元件图形。选用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）技术，制备一层氮化硅（SiNx）作为钝化层，然后划片进行封装，工艺完成。 

Claims (7)

1.一种霍尔元件的结构，其特征在于：包括以外延方式依次倒装生长的铝镓砷势垒层、铝镓砷空间隔离层和铟镓砷沟道层；霍尔元件组装在非晶衬底上。
2.如权利要求1所述的一种霍尔元件的结构，其特征在于：所述的铝镓砷势垒层为平面型掺杂；所述的铝镓砷空间隔离层为本征材料；所述的铟镓砷沟道层为本征材料。
3.如权利要求1所述的一种霍尔元件的结构，其特征在于；所述的铝镓砷势垒层和空间隔离层与衬底晶格完全匹配，不产生应力；所述的铟镓砷沟道层与铝镓砷空间隔离层存在晶格失配，为赝晶材料，存在应力。
4.如权利要求1所述的一种霍尔元件的制备方法，其特征在于，包括步骤：
a）选用一砷化镓单晶衬底，在其上生长牺牲层；
b）在牺牲层上依次生长平面型掺杂铝镓砷势垒层、本征铝镓砷空间隔离层以及本征铟镓砷沟道层；
c）外延片表面粘附一层柔性薄膜，浸泡于选择性腐蚀溶液中，通过腐蚀液选择性腐蚀牺牲层，实现外延功能层与衬底分离；剥离后的衬底，经过简单处理后，可重复用于外延生长；
d）将剥离后的外延功能层柔性薄膜一面，粘附在一刚性支撑衬底上；
e）采用传统霍尔元件工艺，制备金属电极、台面刻蚀、钝化以及封装。
5.如权利要求4所述的一种霍尔元件的制备方法，其特征在于：所述的牺牲层材料为砷化铝（AlAs）。
6.如权利要求4所述的一种霍尔元件的制备方法，其特征在于：所述的柔性薄膜及刚性支撑衬底与后面的工艺兼容。
7.如权利要求4所述的一种霍尔元件的制备方法，其特征在于：所述的牺牲层选择性腐蚀溶液为氢氟酸（HF）溶液。
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